论64位体系结构的发展

1、论论6464位体系结构的发展位体系结构的发展 一、历史回顾一、历史回顾二十世纪最后两个十年，人们看到risc体系结构的兴起，并且从32位发展到64位。alpha开创了64位risc计算的新时代。64位技术揭开了信息时代的新篇章，支持全球性internet和电子商务的大型724网站、破译人类基因密码、数字技术的广泛应用、全球性的天气和灾害分析预告、人类对外层空间的探测都离不开各种基于64位微处理器的电脑系统。64位技术的广泛应用促使数据量爆炸性地增加，推动信息技术应用发生新革命、进入以存储为中央的新时代。 1.1. risc体系结构的发展体系结构的发展 risc体系结构和设计思想是80年代初出现

2、的，它的基本思路是：抓住cisc指令系统指令种类太多、指令格式不规范、寻址方式太多的缺点，通过减少指令种类、规范指令格式和简化寻址方式，大量利用寄存器间操作，大大简化处理器的结构、优化vlsi器件使用效率，从而大幅度地提高处理器性能、并行处理能力和性价比。到80年代后期，risc技术已经发展成为支持高端服务器系统的主流技术，纷纷推出了32位risc微处理器。如ibm的powerpc和power2，sun的sparc，hp的pa-risc 7000和mips的r系列等。 基于32位risc芯片的产品在取得了很大的成功，也产生巨大的影响。其中，第一个影响是促使vax走下坡路。第二个影响是促进了利用

3、商品化的部件来生产超级计算机。过去，超级计算机主要使用专门的向量处理机。risc技术使人们能够利用商品化程度很高的risc微处理器生产出性能可以与低端向量机比美的计算机系统。这不仅促使convex等一批以提供“买得起的巨型机”吸引客户的小巨型机公司成为昙花一现，也启示人们以更高级的risc技术迈向超级计算的顶峰，孕育了64位risc计算的新时代。1.2 alpha开创开创64位位risc计算计算新时代新时代 计算机技术的另一重大发展是20世纪array0年代实现的高端系统和应用从32位向64位过渡。这一过渡首先是从risc微处理器开始的。最早问世的64位risc微处理器是alpha 21064

4、和mips r4000。alpha率先全面完成了从32位过渡到64位技术各项任务，包括64位微处理器设计和生产、从部门级、企业级到超级计算机的64位系统设计和生产、64位操作系统、中间件和应用软件的开发、64位系统集成、服务和支持，在此基础上建立了成熟的64位技术，创造了大量成功的应用实例、丰富的应用经验和应用成果，开创了64位技术应用时代。1.3. intel推出第一代ipf系列产品itanium 1 1994年6月，intel和hp公司签署合作协议，为服务器和工作站市场一起研发全新的64位架构。1997年11月，intel和hp公司宣布推出基于epic(显性并行指令计算)的itanium体

5、系结构，并就推出产品代号为“merced”的ia-64处理器系列(ipf系列)的计划。2001年5月ia-64体系结构ipf系列的第一代产品itanium正式上市。 结构如图所示：1.3.1. ia-64的基本设计思想 itanium体系结构的设计实现基于如下的原则，使得ipf系列处理器不但能够实现持续高性能，而且具备随着技术发展进一步提高性能潜力：支持显性并行指令计算(epic)；提供一系列有利于增强指令级并行的特性；把重点放在提高应用软件实际运行的性能，面向广泛范围的应用；1.3.2.显性并行指令计算(epic) 人们主要通过提高ipc(每个周期执行的指令数)和主频来提高芯片的性能。为了提

6、高ipc，必须提高处理器指令级并行(ilp)的能力。所谓ilp是指处理器同时执行多条指令的能力，即处理器在每个时钟周期内发送和执行尽可能多条指令的能力。为此需要处理器：(1)能够找到和标识程式中能够并行执行的指令段；(2)具备充分的资源在最短时间内发送和同时执行可并行执行的指令段。这就需要处理器具备足够的智能和资源来完成这两项任理。1.3.3. ia-64指令集体系结构(isa) ia-64体系结构引入64位寻址和新的指令集，他还包含一个ia-32模式的指令集，任何ia-64处理器都能够执行ia-32程式。ia-64体系结构充分吸收了risc体系结构的长处：只有显性装入和存储指令才能够访问内存

7、，任何其他指令都在寄存器上操作。指令被组合在一系列3指令集束中。 1.3.4. ia-64的指令类型 a整数(alu)i-unit or m-uniti整数(非-alu)i-unitm内存m-unitf浮点数f-unitb转移b-unitl x扩展i-unit二、发展现状二、发展现状 64位高端微处理器市场的发展现状可以用“大变革的前夜”这句话来概括。一方面，ia-64体系结构的ipf系列蓬勃向前发展。特别是在intel推出了ipf系列第二代芯片itanium 2之后，更明确地显示了未来主流平台的模样。另一方面，ipf还处在发展过程中。本文主要介绍64位risc微处理器的发展现状和intel新

8、推出的itanium 2。2.2. itanium 2正式上市 2002年6月intel推出itanium 2 ，其性能在不经过任何调试和优化的条件下比itanium 1提高50%到100%，把基于ia-64体系结构的ipf系列推向新的高度，进一步显示了ipf作为高端计算机应用主流平台的发展前景。从intel最近进一步公开的技术细节来看，itanium 2的新飞跃绝非偶然，而是由于设计技术和制造工艺的改进，赋予itanium 2许多先进的特性，性能也得到全面和大幅度的提高。2.2.1. itanium 2增强的体系结构 更大更快的芯片上高速缓存； 每时钟周期执行更多指令； 带宽和吞吐量提高：

9、ia-64架构特点 ia-64则采用了显性并行指令计算(epic)技术，具有以下特点。 1.ia-64体系结构克服了传统体系结构的性能限制，并提供了最大的发展空间。支持64位内存寻址，这是比ia-32架构的一个突出优势。64位寻址空间能够容纳近180亿gb的物理内存，而32位是4gb。这种巨大的物理内存空间对于服务器应用是非常重要的。ia-64的itanium处理器具有128个整数寄存器，128个浮点寄存器和64个预测寄存器以及大量的用于特殊目的的寄存器，而ia-32只有7个寄存器，从而ia-64提供了32位所不能提供的许多强大功能，适应了数据仓库、电子商务和其他高性能服务器和工作站应用的要求

10、。 -2改革性的64位体系结构能够通过大的注册文件、注册栈和分支体系来提高并行机制的能力。epic有显式并行、推测(speculation) 和判定(predication)等功能，这些都为编译时并行化提供方便。ia-64架构利用“判定”技术来更加有效地处理条件分支。“推测”技术大大降低某些操作的执行时间，它能推测将要进行哪个操作，并预先准备数据。 3保持了ia-32的多媒体扩展指令集(mmx)和数据流simd扩展(sse)功能，并增加了特定simd浮点运算执行单元，提供高级的浮点运算性能，可以提供优秀的3d、多媒体应用。 -4具有三级缓存。快速缓存非常有用，其中l0和l1缓存集成在微处理器的

11、核心，l2缓存(4mb)通过一个特定的128位总线与微处理器相连。l0缓存包括独立的指令和数据缓存。在l1和l2缓存线以及处理器和系统总线上提供纠错码，还增加数据检毒(poisoning)功能。 -5与32位兼容，保护原有投资。ia-64架构同时支持ia-64和ia-32两种系统环境，并能够在ia-64系统环境中执行ia-64和ia-32指令混合的程序。 三三64位体系结构位体系结构3.1 64位体系结构位体系结构 20世纪90年代中期到未期开始出现向64位体系结构和64位软件发展的趋势。其原因之一是在每个进程内部可以由此使用更长的编址长度（即64位指针），从而可以寻址很大的内存空间（超过23

12、2字节）。现有32位unix系统上共同的编程模型称为ilp32模型，表示整数（i）、长整数（l）和指针（p）都占用32位。64位unix系统上变得最为流行的模型称为lp64模型，表示只有长整数（l）和指针（p）占用64位。下图是对这两种模型进行了比较。x86-64的扩展四四amd64位技术浅谈位技术浅谈与传统的与传统的x86或专有或专有64位环境相比，位环境相比，amd64 环境有可能为很多种应用程序和环境有可能为很多种应用程序和使用环境带来好处。使用环境带来好处。 amd64 最可能为以下类型的应用程序带最可能为以下类型的应用程序带来好处来好处:需要大量内存寻址，如那些配备较需要大量内存寻址

13、，如那些配备较大数据集的应用程序以及基于主机的桌面大数据集的应用程序以及基于主机的桌面应用程序。必须管理大量同时用户或应用应用程序。必须管理大量同时用户或应用程序线程，如大型客户机解决方案以及用程序线程，如大型客户机解决方案以及用于客户关系管理、供应链管理、企业资源于客户关系管理、供应链管理、企业资源规划和数字权限管理等系统的解决方案的规划和数字权限管理等系统的解决方案的大型数据库和数据仓库应用程序。大型数据库和数据仓库应用程序。 amd64处理器内存控制器工作处理器内存控制器工作原理原理 图中可以看到，处理器内封装了内存控制图中可以看到，处理器内封装了内存控制器器(mct)和和dram控制器

14、控制器(dct)。mct是是处理器核心和处理器核心和dct之间的连接界面，它不之间的连接界面，它不因为外部内存的类型而改变。相反因为外部内存的类型而改变。相反dct则则是专门针对是专门针对dram的内存连接界面，系统的内存连接界面，系统使用不同类型的内存可以通过改变这一部使用不同类型的内存可以通过改变这一部分来实现支持。由于这一部分只是整个处分来实现支持。由于这一部分只是整个处理当中很小的一部分，所以要作出修改以理当中很小的一部分，所以要作出修改以支持不断发展的内存标准并不需要花费太支持不断发展的内存标准并不需要花费太大的力气大的力气 amd64处理器整合的内存控制处理器整合的内存控制器提供了器提供了64位和位和128位界面位界面,可以可以支持单通道和双通道的支持单通道和双通道的ddr内存内存 与与amd64的对比的对比类似类似:intel em64t处理器也加入了一种名处理器也加入了一种名为为64位位sub-mode的工作方式，采用的工作方式，采用64位平位