论64位体系结构的发展

1、 论64位体系结构的发展软件学院03级2班 刘璐，033325，danneylulu软件学院03级1班 王丽丽，033321，sdxtlily摘要：64位平台的高性能，使之成为目前计算机行业最耀眼的技术。本文介绍了64位处理器以及64位的真正含义，并对AMD64位技术作了详细的剖析.一.引言 目前64位处理器已经摆在了大家面前，再也不是一个概念，虽然它的普及还需要时间，但我们还是有必要对64位处理器作一个了解，理解它与32位处理器有什么不同之处？从而更加清楚64位处理器会带给我们什么！ 对CPU有些了解的人大概都知道Pentium 3和Pentium 4，了解更深的，还会知道是i386处理器在

2、19年前把处理器从16位带入32位时代。处理器经过了20多年考验后，在去年从32位跃升到64位，这可不同1GHz到3GHz的频率提升。如果说频率的提升是把一条4车道高速公路的时速限制从120公里提升到了360公里的话，那么从32位到64位的提升就是将这条提升了3倍时速限制的高速公路从4车道拓宽到了8车道，也就是说，这条公路的运力提升了一倍，这可是质的飞跃。 二.大话64位处理器，理解64位的真正含义2.1改朝换代32位过度64位之因其实，处理器从32位跃升至64位，除了制造工艺、处理器技术的不断进步外，也是与业内的两个巨头Intel与AMD之间的竞争白热化分不开的。关心AMD的人应该知道，AM

3、D的K7处理器Barton、Athlon XP受制于EV6前端总线带宽和核心工作频率提升能力不足等问题的困扰，无论是在性能、还是市场上的表现都不及Intel的P4处理器。AMD要想在性能上同Intel继续竞争，就必须突破目前前端总线带宽和核心工作频率给其带来的限制，而制造工艺的成熟和技术的发展，使得依靠新的处理器架构作为突破口成为了AMD的选择。而在AMD公司推出Athlon 64系列处理器后，Intel也匆匆推出P4 3.2GHz Extreme Edition与之对抗，在此几个月后，著名的苹果电脑推出了它的64位处理器PowerPC G5（PowerPC 970）。2.2 64位计算的意义

4、 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。64位平台除了可以提供64位的计算能力外，64位寻址也突破了以往32位寻址4GB的容量，更加适用于目前大数据量处理的环境。2.3理解64位，就理解了64位处理器 要理解64位处理器，就

5、要明白64bit的意义。首先，我们来看看一个很重要的概念：操作数和指令。“操作数”指的就是等待CPU处理的数据，同时也指这些等待处理的数据所在的内存地址。而指令，就是指CPU通常所处理的指令。我们要说的64位处理器处理的64位指令，不是指这个指令具有64位长，其实是指其操作数最大可达64位。有因必有果，佛家的玄机也能用在理解这个高科技的处理器上。操作数最高可达64位，因此存放操作数的通用寄存器（GPR）也必须是64位的，64位处理器也就有64位的GPR。同样的道理，目前作为主流的32位处理器（如Pentium 4，K7）的GPR就是32位的了。 图1，AMD Athlon 64的测试信息显示支

6、持X86-64GPR是CPU寻址和地址数据存放的地方。64位处理器的GPR提升到了64位，增加程序员可见寄存器数量（这部分增加的寄存器称之为“寄存器扩展”），因而可供编程者使用的寄存器空间就更大，处理器的寻址能力和地址数据处理能力就会成倍的提高，性能自然机会更强。换句话来说，当64位处理器与32位处理器在处理同一条指令的时候，64位处理器访问内存、完成工作时消耗的等待时间就会更短，能处理的数据会比32位处理器能处理的数据多一倍以上，同时，64位处理器能管理的内存容量也会比32位处理器的高出一倍、甚至是两倍（PowerPC G5能管理8GB容量的内存）。但需要说明的是，这部分寄存器扩展是需要64

7、位操作系统、64位驱动程序以及64位应用程序的配合才能充分发挥其突出的优势，而目前只有Windows XP 64-Bit Edition、Linux和Mac OS X Panther三个64位操作系统，nVIDIA和一些应用程序公司也只是象征式的推出了几个64位的驱动程序和软件，平台支持显得很是可怜。 图2，X86-64的寄存器扩展 三.AMD64位技术浅谈与传统的x86或专有64位环境相比，AMD64 环境有可能为很多种应用程序和使用环境带来好处。不能享受好处的应用程序不需要被移植，并可在AMD64 环境中以全性能而运行。AMD64 最可能为以下类型的应用程序带来好处:需要大量内存寻址，如那

8、些配备较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。2004年可以说是AMD重大变革的一年，基于Barton核心的Athlon XP成为市场上最为畅销的AMD处理器，Athlon XP 2500+成为了用户心目中最具有性价比的处理器，为AMD的中低端市场打下了扎实的基础。古话说“逆水行舟，不进则退”，AMD也深知要与Intel的P4抗衡，Socket 462架构越来越难了。因此AMD公司改变了销售策略，让Socket 462架构的

9、产品去对付Intel的赛杨系列。而主流和高端产品也就由Socket 754和Socket 939所代替。他把32位桌面处理器推向了64位，可以说是跨时代的一步。从此，桌面PC领域也就进入了64位的时代。在这方面AMD走在了Intel的前列。现在就介绍一下64位平台的主要技术革新： 3.1 64位计算 AMD64 ISA是AMD专门为AMD64平台开发的64位架构。与目前Itanium使用的64位IA64架构不同，AMD64 ISA是基于目前的x86-32架构的。这就意味着AMD64处理器可以畅通无阻地运行目前的32位应用程序，而且不需要像Itanium那样进行模拟转换，AMD64处理器可以实现

10、全速运行，因此我们使用AMD64处理器的时候时也不需要等待软件厂商为新平台开发专用软件。Hammer在继承了K7系列的优点的同时灌注众多先进技术。 为了实现64位运算，Hammer处理器在寄存器阵列中新增了寄存器，以实现对现有架构的扩展。 从图中可以看到，使用64位架构后，新增了R8-R15 8个通用寄存器，原有的SSE单元也新增了8个寄存器使其能够支持SSE2。 18年前，i386开启了32位时代，当时CPU的寄存器从i286的16位AX寄存器扩展为32位的EAX寄存器。而现在要进入64位时代，EAX寄存器又需要扩充32位而成为RAX寄存器。从结构上看，Hammer对32位程序的兼容程度是不

11、需要怀疑的，尽管运行32位程序时并不是满负荷运行。 为了能够同时支持32位及64位程序，x86-64架构允许处理器有两种工作模式：包括两种子模式(64位模式和兼容模式)的“长模式”和传统模式。 64位模式支持以下功能：64位虚拟地址通用寄存器扩展到64位(包括旧有的“EAX”，“EBX”等)新增8个64位通用寄存器64位程序指针新的程序指针实现相对寻址单一的指令，数据和堆栈空间组成连续的地址空间兼容模式提供了64位操作系统对现有的16位和32位应用程序的支持。该模式有其独立的代码处理方式，称为保护模式。在这种模式下，应用程序会将处理器当作标准的x86处理器；但操作系统则会对这种机制进行地址变换

12、，将中断、异常及系统数据结构当作64位长模式来处理。除了长模式之外，x86-64支持传统模式以兼容16位和32位操作系统。在这种模式下，Hammer就是一个标准的32位x86处理器，使用32位的内存段，32位的通用寄存器和程序指针。这种模式并不牵涉任何64位架构模式，所以保证它有绝对的兼容性。 从上面可以看到，Hammer可以完全支持64位长模式的操作系统。目前微软的WindowsXP Professional，Windows2003 Server以及Windows Media Center都为AMD64提供了64bit版本，主流桌面平台和工作站平台的操作系统应该不存在什么问题了；而高端服务器

13、方面SuSE Linux会是一个不错的选择。因此我们不必再担心AMD64处理器的操作系统支持问题，反倒是64位应用软件目前还比较贫乏，但相信不少软件商都愿意往64位平台靠拢。3.2 扫除瓶颈：HyperTransport超级总线 HyperTransport是AMD公司最新开发的一种新型、高速、高性能的为主板上的集成电路互联而设计的端到端总线技术，该技术设计的目的是解决32位和64位处理器系统中的输入输出瓶颈问题。HyperTransport可以提供比PCI、PCI-X和AGP等输入输出总线体系结构高一个数量级的总线数据处理量，并且可以广泛应用到服务器、工作站、网络转换器以及嵌入式应用设备当中

14、。 在AMD64平台当中，HyperTransport总线用于连接处理器和芯片组或芯片组之间。对于多路处理器系统，每一个处理器都使用了额外的HyperTransport控制器以实现处理器之间的互联。究竟HyperTransport总线有什么优点呢？简单来说，它有着高速度，低延时，结构简单等优点。虽然每路HyperTransport总线仅由两条端到端的单向数据传输路径组成(一条为输入、一条为输出)，但极限数据传输率竟可以达到惊人的6400MB/s，可以通过设置2，4，8，16或32bit的位宽和400，600，800，1000，1200，1600MHz的工作频率来得到从100MB/s到6400M

15、B/s的数据传输率。举个例子，用于连接多路Hammer处理器系统的HyperTransport总线可以提供每路3200MB/s的带宽。 由于HyperTransport标准是开放的，所以其他生产商业可以参与到产品的研发中来。当要在系统中实现新功能或增加总线带宽时，只要增加额外的HyperTransport接口就可以了。 事实上AMD就是这样做的，在现有的处理器当中，较低端的Athlon64仅有一个HyperTransport接口，而Opteron和Athlon64 FX-51则具有3个HyperTransport接口，这些接口除了用于连接芯片组之外，还可以在多路处理器系统中用于CPU之间的互连

16、通信。由于系统总线的瓶颈问题已经由来以久，HyperTransport总线的应用能很好地解决处理器之间，桥芯片之间以及处理器与桥芯片之间的高速互连问题，因此AMD64平台除了具备优秀的总线效能之外，在周边设备的配搭上更具灵活性。3.3 CPU内整合内存控制器AMD64处理器技术上最大的变革在于CPU核心整合内存控制器。Transmeta的Crusoe处理器就是采用这种架构，而AMD则打算进一步扩展这一架构。CPU内建内存控制器的主要优点在于内存控制器可以以CPU频率运行，比起传统上位于北桥的内存控制器有更小的延时；而且CPU的频率越高，延时就越小。这样做的另一个好处就是AMD不再需要依赖主板厂

17、商的内存控制器。由于主板内存控制器性能不佳而导致内存性能低下并不是什么新鲜的事情，这样做不但AMD64处理器的性能更有保障，而且主板厂商也可以避免出现内存兼容性的问题。由于内存和CPU之间的数据传输再不需要经过CPU总线，所以可以避免瓶颈的出现。要了解AMD64处理器内存控制器的工作原理，请看下图:图中可以看到，处理器内封装了内存控制器(MCT)和DRAM控制器(DCT)。MCT是处理器核心和DCT之间的连接界面，它不因为外部内存的类型而改变。相反DCT则是专门针对DRAM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

18、修改以支持不断发展的内存标准并不需要花费太大的力气。AMD64处理器整合的内存控制器提供了64位和128位界面，目前整合的DCT支持PC1600/2100/2700/3200的DDR内存标准，也就说可以支持单通道和双通道的DDR内存。另外鉴于AMD64处理器要主攻服务器市场，所以支持ECC内存也是顺理成章的事。在目前已推出的AMD64处理器当中，Opteron和Athlon64 FX-51都整合了双通道DDR内存控制器，内存峰值带宽可达6.4GB/s，而Athlon64则只支持单通道DDR内存，配搭PC3200时内存带宽为3.2GB/s。AMD声称其内存控制器可以支持未来的内存标准，所以随后D

19、DRII或其他内存标准推出以后，相信AMD会作出相应的修改。Hammer整合了内存控制器之后，主板厂商很有可能会推出单一芯片的芯片组。因为传统意义上的北桥在省缺了内存控制器之后就只剩下了AGP控制器，而这一部分又很容易整合到南桥芯片中。nForce3 Pro150便是这样一款单一芯片的芯片组。Hammer整合内存控制器的设计简化了主板的设计，也降低主板成本，更有利于配套主板的普及和市场推广。四. Intel 64位技术及处理器Intel公司日前正式确定了其64位扩展技术的官方名称Intel Extended Memory 64 Technology(EM64T)。该技术将被未来的服务器、桌面甚

20、至移动处理器所采用，能够支持64位代码运算和更大容量的内存。和AMD64处理器类似，Intel EM64T处理器也加入了一种名为64位sub-mode的工作方式，采用64位平面线性寻址，加入8个新的通用寄存器，在SSE单元中也新加入了8个新寄存器。EM64T将同时支持32和64位运算，在运行64位程序时才会采用64位sub-mode工作方式，而在处理32位运算时依然是IA32工作结构。而EM64T与AMD64也有不同之处，如AMD64中的NX位就与Intel64位技术不尽相同。但总体来讲IA32e现在应该叫做EM64T和AMD64是互相兼容的，都可以运行64位代码。Intel在IDF 2004

21、大会上了展示了具备64位扩展技术的Xeon处理器，即Nocona处理器。该款处理器在2004年第二季度已经面世。到2005年，Prescott处理器也将采用这种技术来支持64位计算。Intel EM64T技术与AMD的服务器处理器Opteron的64位技术大体相同。新款至强(Nocona)的问世很可能是针对原来的64位处理器“安腾系列”的市场。目前Intel的“安腾+新至强”的新武器将会应用在64位企业计算领域。64位至强处理器Nocona使用800MHz前端总线技术(较以前的533MHz大幅提高)，起跳频率为2.8GHz，同时还有3GHz、3.2GHz、3.4GHz和3.6GHz等型号的产品。它支持Intel Speedstep技术、Hyperthreading以及Extended Memory 64技术。就目前而言，我们已经知道I