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  • 64位技术

    这里的64位技术是相对于32位而言的,这个位数指的是CPU GPRs(General-Purpose Registers,通用寄存器)的数据宽度为64位,64位指令集就是运行64位数据的指令,也就是说处理器一次可以运行64bit数据。64bit处理器并非现在才有的。

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    64位技术64位技术
    这里的64位技术是相对于32位而言的,这个位数指的是CPU GPRs(General-Purpose Registers,通用寄存器)的数据宽度为64位,64位指令集就是运行64位数据的指令,也就是说处理器一次可以运行64bit数据。64bit处理器并非现在才有的,在高端的RISC(Reduced Instruction Set Computing,精简指令集计算机)很早就有64bit处理器了,比如SUN公司的UltraSparc ⅢIBM公司的POWER5HP公司的Alpha等。

    概述/64位技术 编辑

    64bit计算主要有两大优点:可以进行更大范围的整数运算;可以支持更大的内存。不能因为数字上的变化,而简单的认为64bit处理器的性能是32bit处理器性能的两倍。实际上在32bit应用下,32bit处理器的性能甚至会更强,即使是64bit处理器,目前情况下也是在32bit应用下性能更强。所以要认清64bit处理器的优势,但不可迷信64bit。

    要实现真正意义上的64位计算,光有64位的处理器是不行的,还必须得有64位的操作系统以及64位的应用软件才行,三者缺一不可,缺少其中任何一种要素都是无法实现64位计算的。目前,在64位处理器方面,IntelAMD两大处理器厂商都发布了多个系列多种规格的64位处理器;而在操作系统应用软件方面,目前的情况不容乐观。因为真正适合于个人使用的64位操作系统现在就只有Windows XP X64,而Windows XP X64本身也只是一个过渡性质的64位操作系统,在Windows Vista发布以后就将被淘汰,而且Windows XP X64本身也不太完善,易用性不高,一个明显的例子就是各种硬件设备的驱动程序很不完善,而且现在64位的应用软件还基本上没有,确实硬件厂商和软件厂商也不愿意去为一个过渡性质的操作系统编写驱动程序和应用软件。所以要想实现真正的64位计算,恐怕还得等到Windows Vista普及一段时间之后才行。

    目前主流CPU使用的64位技术主要有AMD公司的AMD64位技术、Intel公司的EM64T技术、和Intel公司的IA-64技术。其中IA-64是Intel独立开发,不兼容现在的传统的32位计算机,仅用于Itanium(安腾)以及后续产品Itanium 2,一般用户不会涉及到,因此这里仅对AMD64位技术和Intel的EM64T技术做一下简单介绍。

    AMD64位技术X86-64/64位技术 编辑

    64位技术64位技术
    AMD64的位技术是在原始32位X86指令集的基础上加入了X86-64扩展64位X86指令集,使这款芯片在硬件上兼容原来的32位X86软件,并同时支持X86-64的扩展64位计算,使得这款芯片成为真正的64位X86芯片。这是一个真正的64位的标准,X86-64具有64位的寻址能力。

    X86-64新增的几组CPU寄存器将提供更快的执行效率。寄存器是CPU内部用来创建和储存CPU运算结果和其它运算结果的地方。标准的32-bit x86架构包括8个通用寄存器(GPR),AMD在X86-64中又增加了8组(R8-R9),将寄存器的数目提高到了16组。X86-64寄存器默认位64-bit。还增加了8组128-bit XMM寄存器(也叫SSE寄存器,XMM8-XMM15),将能给单指令多数据流技术(SIMD)运算提供更多的空间,这些128位的寄存器将提供在矢量和标量计算模式下进行128位双精度处理,为3D建模矢量分析虚拟现实的实现提供了硬件基础。通过提供了更多的寄存器,按照X86-64标准生产的CPU可以更有效的处理数据,可以在一个时钟周期中传输更多的信息。

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    AMD64位移动版处理器

    在AMD的计划中,这款处理器的核心是“Lancaster”,采用了90纳米SOI制程,内置1M全速L2和单通道内存控制器,采用与Socket 754 Athlon 64相同的封装。和桌面版的Athlon 64相比,采用了低电压设计,以实现35W以下的TDP。并且在Windows(R) XP Service Pack 2的系统环境下,能够使用CPU防病毒功能。
       

    64位技术64位技术
    AMD64位移动版处理器是基于AMD64位处理器开发出来的,是当今世上唯一的64位处理器,目前主要应用于AMD架构的笔记本电脑上。AMD Mobile Athlon 64处理器目前有五个版本,它们分别是:
    Mobile Athlon 64 2700+ /核心电压1.2V/最大功耗35W
    Mobile Athlon 64 2800+ /核心电压1.2V/最大功耗35W
    Mobile Athlon 64 2800+ /核心电压1.4V/最大功耗62W
    Mobile Athlon 64 3000+ /核心电压1.4V/最大功耗62W
    Mobile Athlon 64 3200+ /核心电压1.4V/最大功耗62W

    Mobile AMD Athlon 64处理器性能强劲,跟桌面的Athlon 64处理器一样,是基于Clawhammer核心、用0.13微米工艺制造的。该处理器整合了内存控制器,这就意味着内存控制器的运行速度能跟CPU一样,同时,它跟CPU其他单元之间的通信也是以CPU速度进行的,这样,在基于该处理器的操作系统环境下内存延迟低了很多,大大提升了电脑的运行速度。除此之外,它的二级缓存的容量更达1M,更高的缓存容量意味着处理器的回写速度更快。
     
    Mobile Athlon 64位处理器还采用了可以让晶体管的频率提升35%以上先进的SOI技术生产。它的晶体管数量达到了1亿5百90万个,核心面积也大大增加,为192平方毫米。在降低能耗方面,Mobile AMD Athlon 64处理器采用了AMD PowerNow!技术。利用这项技术,该移动处理器可以根据处理器的负载情况,来决定该处理器的性能,比如说运行单一的“记事本”程序,该处理器就会只调用很少的资源,此时,处理器的功率非常低,发热量也很低;而当玩游戏时,该处理器又会自动地将其性能发挥到极限,以便满足高负荷的需求,当然,此时它无论在功率和发热量方面都会比较大。通过这项技术,就可以让该处理器在性能和功耗、发热量、电池供电时间之间取得一个平衡。
       
    Mobile AMD Athlon 64处理器虽然是一款64位的处理器,但它可以向下兼容目前大多数32位的软件。由此看来,Mobile AMD Athlon 64处理器的性能确实不错,不过,它也有不少令人遗憾之处。
        
    首先,它的功率较大,以至发热量也较大,耗电量也大。例如,Mobile Athlon 64 2700+的主频为1.60G,虽然是低电压版本,但其功率也在35W左右,其它以上版本的功率更是高达62W,而同为1.60G全美达90纳米Efficeon处理器的功率只有7W,英特尔Dothan处理器1.70G的只有21W,相比之下,Mobile AMD Athlon 64处理器的功率过高。而功率高必然会带来更高的发热量,同时会缩短笔记本电池持续性使用时间。
         
    其次,目前支持64位的软件还很少,64位显得华而不实。我们知道,64位的处理器需要用64位的软件才能真正体现出64位的优势,但现在绝大多数软件都是32位的,微软64位Windows操作系统却迟迟不见推出,64位软件何时出现乃至普及离现在还遥遥无期。
         
    在32位操作系统下,与英特尔Dothan处理器相比,并不见得明显胜出。英特尔Dothan处理器目前主频可达2.0G,相当于P4 3.2G的性能,采用了0.09微米工艺制造,拥有高达2M的二级缓存;而Mobile AMD Athlon 64虽然标称最高达3200+,但其主频其实为2.80G,二级缓存为1M,采用的是0.13微米工艺制造,如果同在32位操作系统下运行,其性能并不见得会比英特尔Dothan处理器强。

    EM64T技术/64位技术 编辑

    64位技术64位技术
    Intel的EM64T技术,EM64T技术官方全名是Extended Memory 64 Tenchnology 中文解释就是扩展64bit内存技术。现在的32位奔腾 4 CPU都是采用IA-32指令集,EM64T其实就是在这个指令集的基础上进行扩展,我们将它命名为IA32e。Intel这种实现64位的方法其实和AMD的x86-64技术有异曲同工之妙,都是通过64位扩展指令来实现兼容32位和64位的运算。另外不同的是Intel的EM64T技术设定了IA-32和IA-32e两种模式的激活程序,就是说EM64T需要满足特定条件才会激活。

    intel的EM64T内存扩展技术

    EM64T本质上和AMD64一样都是IA-32的增强版本,Xeon借助于EM64T可实现高达1TB(40bit)的物理内存寻址和256TB(48bit)的虚拟内存寻址,并且良好地支持现有32位x86代码的执行,这一点跟AMD64无异,同时也是Intel开发EM64T的出发点—让现有的x86指令集能够执行64位代码,而继续保持对32位代码的良好兼容。但由于多方面的限制,无论是EM64T还是AMD64均只能实现比32位指令集更大内存空间的寻址,而无法真正做到纯64位指令集的1PB(50bit)和16EB(64bit)的物理内存和虚拟内存寻址(IA-64就能做到这一点),其关键在于EM64T和AMD64本质上仍是基于32位的x86指令集,只是Intel和AMD分别采用不同的技术手段对x86指令集进行扩展,从而实现对64位的支持。

    和AMD64一样,EM64T由于要在同时运行32位和64位程序,因此会针对不同的需要运行于不同的操作模式,同时其引入的多种操作模式之间的切换较为成功地解决了32位程序在64位操作系统下的运行效率问题,当中包括了传统模式、兼容模式和纯64位模式。

    传统模式(Legacy Mode)

    这种模式是为了令64位Xeon能没有障碍地执行现有的32位和16位程序而设计的,实际上就是32位x86时代的IA-32模式,此时现有x86程序无需作任何的改变,和我们目前使用着的32位环境一模一样。因为Nacona Xeon的核心仍然是沿着32位设计的,所以这个模式只是把所有为64位计算而新增的运算机制都屏蔽起来。

    兼容模式(Compatibility Mode)

    兼容模式允许64位操作系统(如Windows XP x64 Edition)良好地运行基于32位和16位代码的程序,此时32位程序无需重编译即可以保护模式运行,而16位程序则要依赖于操作系统和驱动程序是否支持保护模式,情况类似于32位环境下的IA-32虚拟实模式。和传统模式相同,兼容模式允许程序利用物理内存扩展实现64GB的物理内存寻址,但这并非纯64位模式的准64位寻址。

    纯64位模式(Full 64bit Mode)

    此模式是三种模式当中最为高效的,同时可充分发挥EM64T的威力,但这种模式需要纯64位环境的支持,包括64位操作系统和64位应用程序。在64位操作系统和相应驱动程序的支持下,系统和应用程序能够访问EM64T所支持最大容量的扩展内存,这时Xeon平台的性能可得到最充分的发挥,当然运行于此模式下的程序需要修改其微代码以便支持64位指令操作。

    可以预见,在未来相当长的一段时间里,在64位操作系统下我们最常用的是兼容模式,因为现存的大量32位应用程序不可能在短期内为x86-64指令集而重新开发,为了保证现有的32位程序能够继续在Xeon平台上顺利执行,EM64T提供了一种出色的解决方案。而对于传统的32位操作系统和应用程序,Xeon平台当然可以百分百地相容运行,本来EM64T就是扩展的32位x86指令集,兼容32位程序是件很自然的事。

    EM64T在64位的实现方式上跟AMD64指令集有很多相似之处,但在关键的地方两者还是有很大差别,而Intel追加的大多数64位指令与AMD64指令集相兼容,因此Microsoft就不用为两家公司的64位处理器开发各自的64位操作系统。目前Microsoft推出的Windows XP x64 Edition操作系统(Beta)可同时支持EM64T和AMD64,能够兼容几乎所有的32位应用程序和大部分新增64位应用程序。

    EM64T和AMD64的区别/64位技术 编辑

    AMD公司设计,可以在同一时间内处理64位的整数运算,并兼容于X86-32架构。其中支持64位逻辑定址,同时提供转换为32位定址选项;但数据操作指令默认为32位和8位,提供转换成64位和16位的选项;支持常规用途寄存器,如果是32位运算操作,就要将结果扩展成完整的64位。这样,指令中有“直接执行”和“转换执行”的区别,其指令字段是8位或32位,可以避免字段过长。

    x86-64(AMD64)的产生也并非空穴来风,x86处理器的32bit寻址空间限制在4GB内存,而IA-64的处理器又不能兼容x86。 AMD充分考虑顾客的需求,加强x86指令集的功能,使这套指令集可同时支持64位的运算模式,因此AMD把它们的结构称之为x86-64。在技术上 AMD在x86-64架构中为了进行64位运算,AMD为其引入了新增了R8-R15通用寄存器作为原有X86处理器寄存器的扩充,但在而在32位环境下并不完全使用到这些寄存器。原来的寄存器诸如EAX、EBX也由32位扩张至64位。在SSE单元中新加入了8个新寄存器以提供对SSE2的支持。寄存器数量的增加将带来性能的提升。与此同时,为了同时支持32和64位代码及寄存器,x86-64架构允许处理器工作在以下两种模式:Long Mode(长模式)和Legacy Mode(遗传模式),Long模式又分为两种子模式(64bit模式和Compatibility mode兼容模式)。该标准已经被引进在AMD服务器处理器中的Opteron处理器。

    而今年也推出了支持64位的EM64T技术,再还没被正式命为EM64T之前是IA32E,这是英特尔64位扩展技术的名字,用来区别X86指令集。Intel的EM64T支持64位sub-mode,和AMD的X86-64技术类似,采用64位的线性平面寻址,加入8个新的通用寄存器(GPRs),还增加8个寄存器支持SSE指令。与AMD相类似,Intel的64位技术将兼容IA32和IA32E,只有在运行64位操作系统下的时候,才将会采用IA32E。IA32E将由2个sub-mode组成:64位sub-mode和32位sub-mode,同AMD64一样是向下兼容的。 Intel的EM64T将完全兼容AMD的X86-64技术。现在Nocona处理器已经加入了一些64位技术,Intel的Pentium 4E处理器也支持64位技术。

    应该说,这两者都是兼容x86指令集的64位微处理器架构,但EM64T与AMD64还是有一些不一样的地方,AMD64处理器中的NX位在Intel的处理器中将没有提供。

    名词解释/64位技术 编辑

    什么是64位计算?

    计算机发展史上,人类历经了从8位计算到16位计算、从16位计算到32位计算两次飞跃,32位计算是目前服务器市场的主流。64位计算是相对于32位计算的新一代高性能计算标准,就象高速公路与山间小路的区别,相比于32位计算,64位提供更大的计算带宽,从而带来更高的性能,使很多过去根本无法实现的设想变成现实。目前,全球最重要的处理器供应商包括:AMD、HP、IBM、Intel、Motorola、Sun无一例外的都在推动64位计算。

    什么是64位处理器?

    8位处理器、16位处理器、32位处理器和64位处理器,其计数都是8的倍数。它表示一个时钟周期里,处理器处理的二进制代码数。“0”和“1”就是二进制代码,线路上有电信号,则计做1,没有电信号则为0。8位机有8条线路,每个时钟周期有8个电信号,组成一个字节。所以,随8位处理器上升至64位处理器,每个时钟周期传送1个字节到8个字节,关联到时钟速度提高到若干个千兆赫之后,处理器处理信息的能力越来越大

    为什么需要64位数据运算?

    目前X86结构在32位寻址时最大空间只能是4GB,在很多大型数据库、数字内容的创建、视频内容的创建还有如CAD/CAM等需要将现实世界建模运算的软件都需要大量的内存容量,此外还有安全加密的需要则使得处理的数据成倍增长。在石油勘探、天气预测等需要大量数据运算的应用环境中,更是需要平台为运算提供更为充裕的内存容量。64位平台的寻址能力达到了180亿GB,这在未来很长一段时间内都可以解决高端应用中存储器寻址的瓶颈

    为什么64位计算没有普及?

    市场上现有的64位解决方案都是面向高端领域,且不与32位架构兼容的昂贵的方案。这种方案通常会要求包括冷却设备、电源、机箱等在内的全新的基础架构,还需要独立软件开发商(ISV)重新编译应用在64位计算平台下的软件,在这种方式下如果需要进行32位X86应用时,要么不能兼容,要么就必须在模拟方式下运行,而模拟方式又不能提供全面的计算性能,这就造成了性能的下降;此外,最终用户和技术支持人员还需要专门学习64位系统的应用,人们可能会因为无法忍受多余而繁琐的工作以及高额的支出而放弃;对独立软件开发商来说,为了建立独立的体系,还必须在研发方面投入大量的人力和财力。

    参考资料/64位技术 编辑

    1、http://publish.it168.com/cword/3015.shtml
    2、http://www.91bi.com/html/comm/64weijishu_101001.htm

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