《微型计算机技术》第14章 64位微处理器

2023/1/301微型计算机技术WeixinɡJisuɑnjiJishu

（第3版）

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第14章

64位微处理器2023/1/30364位微处理器

２１世纪初，Intel公司推出采用新体系结构IA-64

的64位微处理器芯片Itanium和与IA-32指令集兼容的64位微处理器体系结构EM64T

，而AMD公司推出与X86-32完全兼容的64位处理器X86-64

。64位计算进入微型计算机系统领域并得到迅速发展。本章简要介绍这３种64位体系结构微处理器的主要特性。2023/1/30464位微处理器

14.1

64位微处理器概述

14.2

X86-64

与EM64T

14.2.1

EM64T技术

14.2.2

AMD64位技术

14.3

Itanium

微处理器2023/1/30514.1

64位微处理器概述

Intel８０８８是IBM‐PC／XT个人计算机的中央处理器，是采用X８６结构的第一个芯片——一片准16位的微型处理器。１９８１年，随着IBM‐PC／XT个人计算机的出现，X86结构进入计算机世界。Intel公司随后发布的８０２８６也是一个16位的X86结构处理器，它采用16位的X86指令系统，但拥有更为先进的保护模式指令集。2023/1/30664位微处理器概述

随着PC的迅速发展和广泛应用，Intel公司在１９８５年推出基于32位X86指令集的CPU———８０３８６。此后的１０多年间，从８０４８６、Pentium、PentiumⅡ、PentiumⅢ直到Pentium４，Intel公司一直占据着个人计算机的核心地位。过去２０年中，X86以无可比拟的性能价格比优势成为计算平台的标准。X86系统以每年超过１亿台的装机量和９０％以上的市场占有率被用户广泛认可，同时开放平台的良性竞争环境也推动着X86的技术发展远远超过RISC体系。2023/1/30764位微处理器概述X86产品已经从最初的PC进入了工作站、服务器领域，唯一阻碍X86进入高端企业市场的，就是X86仍然基于32位技术———

对于高端的企业级服务器与工作站应用无能为力。伴随着企业计算应用的发展，64位应用越来越广泛，令X86向64位扩展势在必行，也成为统一64位计算标准的希望。与此同时，在个人、商务和移动计算领域，32位计算也渐渐开始显得力不从心，不管出于技术还是竞争需要，32位的时代已经渐渐开始过去了。2023/1/30864位微处理器概述企业市场传统上一直是RISC厂商和UNIX的天下，Intel公司为了进入企业市场，单独发布了专为64位市场而定制的IA-64架构以及相关的64位指令规格，并于２０００年１１月发布了名为Itanium（安腾）的企业级64位处理器。安腾确实是高性能的处理器，但是它的IA-64并不兼容X86-32指令集，32位个人计算机的应用程序并不能在安腾上运行。2023/1/30964位微处理器概述针对IA-64不兼容X86-32指令集的特点，AMD

公司进行处理器架构的研发工作并研发出了自己的64位处理器架构，命名为X86-64。顾名思义，AMD的64位指令系统是从X86扩充而来的，并且，AMD公司让新的64位处理器兼容以前的32位指令集。2023/1/301064位微处理器概述

AMD公司的新处理器不但是一个64位处理器，同时也是一个32位处理器。在一年之内，AMD公司推出了３个系列的64位处理器：面向服务器和工作站的Opteron系列、面向发烧友和顶级个人计算机的AthlonFX系列、面向高性能和低价格桌面计算机的Athlon64系列。Intel公司也推出了与IA-32指令集兼容的64位处理器架构———EM64T。Intel公司的Pentium４E处理器就是支持64位技术EM64T的处理器。2023/1/301164位微处理器概述要实现64位计算，仅有硬件是不够的，还必须有64位的操作系统。Microsoft公司早在２００１年就推出了Windows２０００DataCenter的64位版本，是为Intel公司的安腾服务器推出的IA64架构的操作系统，不能运行在个人计算机上。２００３年，推出的WindowsServer２００３有四个版本，分别是专业版、Web服务器版、企业版和数据中心版。2023/1/301264位微处理器概述其中，企业版和数据中心版都有32位和运行于安腾之上的64位两个版本，同时WindowsXP也有64位的安腾工作站版，但是不能向下兼容32位应用。因此，在这个32位应用仍然占据主导地位的时代，这种纯64位的处理器和操作系统还难以被大众接受。正是因为上述原因，现在普遍认为64位时代是从X86领域出现64位计算才真正开始的。2023/1/301314.2

X86-64与EM64T

14.2.1

EM64T技术

14.2.2

AMD64位技术2023/1/3014X86-64与EM64T

64位技术是指CPU的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，处理器一次可以运行64位数据。早期推出的64位处理器有SUN公司的UltraSparcⅢ

、IBM公司的POWER５、HP公司的Alpha

等高端的RISC（ReducedInstructionSetComputer，精简指令集计算机）处理器芯片。2023/1/3015X86-64与EM64T

64位计算的主要优点如下：①可以进行更大范围的整数运算。②可以支持更大的内存。2023/1/3016X86-64与EM64T不能简单地认为64位处理器的性能是32位处理器性能的两倍。实际上在32位应用下，32位处理器的性能甚至会更强。64位处理器的高性能是在64位应用下才能发挥。而且要实现真正意义上的64位计算，仅有64位的处理器是不行的，还必须有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。2023/1/3017X86-64与EM64T目前主流CPU使用的64位技术主要有Intel公司的EM64T技术、AMD公司的AMD64位技术和Intel公司的IA-64技术。其中，IA-64是Intel公司独立于IA-32开发的，不兼容现在的传统的32位计算机，仅用于安腾以及后续产品安腾２。本节仅对Intel的EM64T技术和AMD64位技术作一简单介绍。2023/1/301814.2.1

EM64T技术

1.EM64T的定义

EM64T（ExtendedMemory64Technology，扩展64b内存技术）。EM64T是IntelIA-32的扩展，即IA-32e（IntelArchitecture32extension）。IA-32处理器通过附加EM64T技术，便可在兼容IA-32软件的情况下，允许软件利用更多的内存地址空间，并且允许软件进行32b线性地址写入。2023/1/3019EM64T的定义EM64T特别强调的是对32b和64b的兼容性。Intel公司为新核心增加了８个64bGPR（R８～R１５），并且把原有GPR全部扩展为64b，可以提高整数运算能力。为了增强多媒体性能，包括对SSE、SSE２和SSE３的支持，增加８个128bSSE寄存器（XMM８～XMM１５）。2023/1/30202.EM64T技术处理器的两大模式

Intel公司为支持EM64T技术的处理器设计了两大模式：IA-32模式（LegacyIA-32mode）和IA-32e扩展模式（IA-32emode）。在支持EM64T技术的处理器内有一个称为扩展功能激活寄存器（ExtendedFeatureEnableRegister，IA32＿EFER）的部件，其中的Bit１０控制着EM６４T是否激活。Bit１０被称为IA-32e模式有效位（IA32eModeActive）或长模式有效位（LongModeActive，LMA）。当LMA＝0时，处理器便作为一片标准的32位（IA-32）处理器运行在传统IA-32模式下；当LMA＝1时，

EM64T便被激活，处理器会运行在IA32e扩展模式下。2023/1/3021EM64T技术处理器的两大模式

在还未被正式命为EM64T之前称为IA-32e，这是Intel64位扩展技术的名称，用来区别X86指令集。Intel公司的EM64T技术处理器的两大模式技术处理器的两大模式支持64位sub‐mode，采用64位的线性平面寻址，加入８个新的通用寄存器（GPR），还增加８个寄存器支持SSE指令。与AMD相类似，Intel公司的64位技术将兼容IA-32和IA-32e，只有在64位操作系统下运行时，才将会采用IA-32e。IA-32e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公司的EM64T将完全兼容AMD公司的X86-64技术。现在Nocona处理器已经加入了一些64位技术，Intel公司的Pentium４E处理器也支持64位技术。2023/1/302214.2.2

AMD64位技术

X86处理器的32b寻址内存空间限制在４GB，而IA64的处理器又不能兼容X86。AMD公司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，AMD公司将它们的结构称为X86-64。在技术上AMD公司在X86-64架构中为了进行６４位运算，AMD为其引入了新增的R８～R１５通用寄存器作为原有X86处理器寄存器的扩充，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位扩展至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。2023/1/3023AMD64位技术。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：LongMode（长模式）和LegacyMode（遗传模式）。Long模式又分为两种子模式（64b模式和Compatibility兼容模式）。该标准已经被引进到AMD服务器处理器中的Opteron处理器中。2023/1/30241.AMD64位技术的定义

AMD64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，使采用AMD64位技术的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，使得这款该芯片成为真正的64位X86芯片。X86-64具有64位的寻址能力，是一个真正的64位的标准。2023/1/30252.AMD64位技术的主要特点

１）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内部用来创建和存储CPU运算结果及其他运算结果的地方。标准的32位X86架构包括８个通用寄存器（GPR），AMD公司在X86-64中又增加了８组GPR（R８～R１５），将寄存器的数目提高到了１６组。

X86-64寄存器默认为64位。2023/1/3026新增的几组CPU寄存器将提供更快的执行效率还增加了８组128bXMM寄存器（即SSE寄存器，XMM８～XMM１５），将能给单指令多数据流（SIMD）技术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、矢量分析和虚拟现实的实现提供了硬件基础。通过提供更多的寄存器，采用X86-64技术生产的CPU可以更有效地处理数据，可以在一个时钟周期中传输更多的信息。2023/1/3027

２）指令中有“直接执行”和

“转换执行”的区别

采用X86-64技术生产的CPU可以在同一时间内处理64位的整数运算，并兼容X86-32架构。它支持64位逻辑定址，同时提供转换为32位定址选项；虽然数据操作指令默认为32位和８位，但是可提供转换成64位和16位的选项；支持通用寄存器，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。2023/1/3028AMD64位技术

EM64T与AMD64都是兼容X86指令集的64位微处理器架构，但两者还是有一些不一样的地方，AMD64处理器中的NX位在Intel的处理器中没有提供。目前AMD公司支持64位技术的CPU有Athlon64系列、AthlonFX系列和Opteron系列。Intel公司支持64位技术的CPU有使用Nocona核心的Xeon系列、使用Prescott２M核心的Pentium4-６系列和使用Prescott２M核心的P４EE系列。2023/1/302914.3

Itanium微处理器

２０００年１１月底Intel公司推出６４位微处理器芯片Itanium，中文名为“安腾”。它是第一代IA-64结构（64位Intel体系结构）的处理器。Itanium芯片虽然是由Intel公司和HP公司联合开发的，但是Itanium芯片既不是IntelIA-32结构的64位扩展，也不是HP公司PARISC64位结构的改造版本，而是一种全新的结构，其核心技术是EPIC———

显式并行指令计算。EPIC(ExplicitlyParallelInstructionComputing）2023/1/3030EPIC的３项关键技术１）断定执行（PredicatedExecution）

IA-64的指令包含对某一个断定寄存器（64个１位的断定寄存器中的一个）的引用，只有当断定值＝１（即为“真”）时，执行结果才会被硬件接收，这就允许处理器能容许推测执行if语句的两路分支，并能在条件确定后转向一路分支。2023/1/3031２）推测装入（SpeculativeLoad）

推测装入又称为控制推测（ControlSpeculation），为提前执行装入指令，将程序中的装入指令向上移动，提前执行装入指令能减少或消除等待时间。为检查装入指令是否应当执行，在装入指令的原处安排一条检查指令，当提前执行的装入指令将引发一个“异常”时，则此装入指令不被执行，由安排在原装入指令处的检查指令确定该装入指令是否应该执行。2023/1/3032３）高级装入（AdvancedLoad）

高级装入又称为数据推测（DataSpeculation），若一条装入指令提前到某条存储指令之前执行，而该存储指令将会修改装入指令的源操作数，则装入指令产生语义错误———

装入过时内容。这一技术采用一个称为高级装入地址表（AdvancedLoadAddressTable，ALAT）的数据结构，由检查指令检查装入的数据是否正确。EPIC技术在硬件的支持下，使用新型的指令集，采用全新设计的编译器实现显式并行计算。2023/1/3033Itanium芯片

第一代Itanium芯片代号为Merced，又称为Itanium２，主频为８００MHz，前端总线频率为１３３MHz，线宽工艺为０.１８μm，集成度为２５４０个晶体管，工作电压为１.６V。第二代Itanium芯片代号为McKinley

，主频为９００～１５００MHz，前端总线频率为１３３MHz，线宽工艺为０.１３μm，集成度为２.２亿个晶体管，工作电压为１.３V。它具有３MB全速的L３Cache。2023/1/3034Itanium芯片Itanium２的更新产品代号为Madisou，主频在２MHz以上，采用０.１３μm的线宽工艺，包含６MB的超大容量Cache，内核集成有５亿个晶体管。以Montecito为代号的Intanium采用０.０９μm的线宽工艺。

Intanium芯片中CPU把CISC结构、RISC结构和EPIC结构三种结构结合在一个芯片中。Itanium芯片主要是用于高端的服务器领域。由于Intanium