64位處理器處理器簡述

所謂64位的電腦，就是指這臺(tái)電腦使用了64位的CPU，相比較32位的CPU來說，64位CPU最為明顯的變化就是增加了8個(gè)64位的通用寄存器，內(nèi)存尋址能力提高到64位，以及寄存器和指令指針升級(jí)到64位等。”

寄存器：為了處理數(shù)據(jù)，暫時(shí)儲(chǔ)存結(jié)果，或者做間接尋址等等動(dòng)作，每個(gè)處理器都具備一些內(nèi)建的內(nèi)存，這些能夠在不延遲的狀態(tài)下存取的內(nèi)存就稱為寄存器。

32位的處理器為什么會(huì)比64位處理器的性能差很多，這其實(shí)是一個(gè)受虛擬和實(shí)際內(nèi)存尺寸的限制影響。主流的32位處理器在性能執(zhí)行模式方面存在一個(gè)嚴(yán)重的缺陷：當(dāng)面臨大量的數(shù)據(jù)流時(shí)，32位的寄存器和指令集不能及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的處理運(yùn)算。”

所謂32位處理器就是一次只能處理32位，也就是4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，而64位處理器一次就能處理64位，即8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。如果我們將總長128位的指令分別按照16位、32位、64位為單位進(jìn)行的話：舊的16位處理器，比如Intel 80286 CPU需要8個(gè)指令，32位的處理器需要4個(gè)指令，而64位處理器則只要兩個(gè)指令，顯然，在工作頻率相同的情況下，64位處理器的處理速度會(huì)比16位、32位的更快。而且除了運(yùn)算能力之外，與32位處理器相比，64位處理器的優(yōu)勢還體現(xiàn)在系統(tǒng)對內(nèi)存的控制上。由于地址使用的是特殊的整數(shù)，而64位處理器的一個(gè)ALU(算術(shù)邏輯運(yùn)算器)和寄存器可以處理更大的整數(shù)，也就是更大的地址。傳統(tǒng)32位處理器的尋址空間最大為3.2G，使得很多需要大容量內(nèi)存的數(shù)據(jù)處理程序在這時(shí)都會(huì)顯得捉襟見肘，形成了運(yùn)行效率的瓶頸。而64位的處理器在理論上則可以將近達(dá)到1700萬個(gè)TB，1TB等于1024GB，1GB等于1024MB，所以64位的處理器能夠徹底解決32位計(jì)算系統(tǒng)所遇到的瓶頸現(xiàn)象，速度快人一等，對于那些要求多處理器可擴(kuò)展性、更大的可尋址內(nèi)存、視頻/音頻/三維處理或較高計(jì)算準(zhǔn)確性的應(yīng)用程序而言，AMD 64處理器可提供卓越的性能。

64位處理器處理器現(xiàn)狀

發(fā)展的趨勢是64位所以大部分雙核處理器都是64位的，但是也有32位雙核的處理器比如Yonah Core Duo就是32位雙核處理器但是Core 2 Duo就是64位的處理器。

64位處理器實(shí)現(xiàn)條件

要實(shí)現(xiàn)真正意義上的64位計(jì)算，光有64位的處理器是不行的，還必須得有64位的操作系統(tǒng)以及64位的應(yīng)用軟件才行，三者缺一不可，缺少其中任何一種要素都是無法實(shí)現(xiàn)64位計(jì)算的。在64位處理器方面，Intel和AMD兩大處理器廠商都發(fā)布了多個(gè)系列多種規(guī)格的64位處理器;而在操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件方面，情況不容樂觀。因?yàn)榫?/span>2013年來說，為64位CPU專門設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序是少之又少的。它的優(yōu)點(diǎn)在于它可以完全兼容32位應(yīng)用程序，而且64位在若干年之后必定成為主流。缺點(diǎn)是易用性和通用性不高，一個(gè)明顯的例子就是各種硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序不完善，而且64位的應(yīng)用軟件還很少。所以無法使用一些硬件，即使用操作系統(tǒng)自帶的驅(qū)動(dòng)程序勉強(qiáng)運(yùn)行，性能也會(huì)大大的降低。所以如果想體驗(yàn)64位處理器，最好的選擇是windows 7 或者 windows 8 而 windows XP *64 已經(jīng)很少有了。

主流技術(shù)

有AMD公司的AMD64位技術(shù)、Intel公司的EM64T技術(shù)、和Intel公司的IA-64技術(shù)。其中IA-64是Intel獨(dú)立開發(fā)，不兼容傳統(tǒng)的32位計(jì)算機(jī)，僅用于Itanium(安騰)以及后續(xù)產(chǎn)品Itanium 2，一般用戶不會(huì)涉及到，因此這里僅對AMD64位技術(shù)和Intel的EM64T技術(shù)做一下簡單介紹。

AMD64位技術(shù)

AMD64的位技術(shù)是在原始32位X86指令集的基礎(chǔ)上加入了X86-64擴(kuò)展64位X86指令集，使這款芯片在硬件上兼容原來的32位X86軟件，并同時(shí)支持X86-64的擴(kuò)展64位計(jì)算，使得這款芯片成為真正的64位X86芯片。這是一個(gè)真正的64位的標(biāo)準(zhǔn)，X86-64具有64位的尋址能力。

X86-64新增的幾組CPU寄存器將提供更快的執(zhí)行效率。寄存器是CPU內(nèi)部用來創(chuàng)建和儲(chǔ)存CPU運(yùn)算結(jié)果和其它運(yùn)算結(jié)果的地方。標(biāo)準(zhǔn)的32-bit x86架構(gòu)包括8個(gè)通用寄存器(GPRs)，AMD在X86-64中又增加了8組(R8-R9)，將寄存器的數(shù)目提高到了16組。X86-64寄存器默認(rèn)位64-bit。還增加了8組128-bit XMM寄存器(也叫SSE寄存器，XMM8-XMM15)，將能給單指令多數(shù)據(jù)流技術(shù)(SIMD)運(yùn)算提供更多的空間，這些128位的寄存器將提供在矢量和標(biāo)量計(jì)算模式下進(jìn)行128位雙精度處理，為3D建模、矢量分析和虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)提供了硬件基礎(chǔ)。通過提供了更多的寄存器，按照X86-64標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的CPU可以更有效的處理數(shù)據(jù)，可以在一個(gè)時(shí)鐘周期中傳輸更多的信息。

EM64T技術(shù)

Intel官方是給EM64T這樣定義的：EM64T全稱Extended Memory 64 Technology，即擴(kuò)展64bit內(nèi)存技術(shù)。EM64T是Intel IA-32架構(gòu)的擴(kuò)展，即IA-32e(Intel Architectur-32 extension)。IA-32處理器通過附加EM64T技術(shù)，便可在兼容IA-32軟件的情況下，允許軟件利用更多的內(nèi)存地址空間，并且允許軟件進(jìn)行32 bit線性地址寫入。EM64T特別強(qiáng)調(diào)的是對32 bit和64 bit的兼容性。Intel為新核心增加了8個(gè)64 bit GPRs(R8-R15)，并且把原有GRPs全部擴(kuò)展為64 bit，如前文所述這樣可以提高整數(shù)運(yùn)算能力。增加8個(gè)128bit SSE寄存器(XMM8-XMM15)，是為了增強(qiáng)多媒體性能，包括對SSE、SSE2和SSE3的支持。

AMD 64位速龍

Intel為支持EM64T技術(shù)的處理器設(shè)計(jì)了兩大模式：傳統(tǒng)IA-32模式(legacy IA-32 mode)和IA-32e擴(kuò)展模式(IA-32e mode)。在支持EM64T技術(shù)的處理器內(nèi)有一個(gè)稱之為擴(kuò)展功能激活寄存器(extended feature enable register，IA32_EFER)的部件，其中的Bit10控制著EM64T是否激活。Bit10被稱作IA-32e模式有效(IA-32e mode active)或長模式有效(long mode active，LMA)。當(dāng)LMA=0時(shí)，處理器便作為一顆標(biāo)準(zhǔn)的32 bit(IA32)處理器運(yùn)行在傳統(tǒng)IA-32模式;當(dāng)LMA=1時(shí)，EM64T便被激活，處理器會(huì)運(yùn)行在IA-32e擴(kuò)展模式下。

AMD方面支持64位技術(shù)的CPU有Athlon 64系列、Athlon FX系列和Opteron系列。Intel方面支持64位技術(shù)的CPU有使用Nocona核心的Xeon系列、使用Prescott 2M核心的Pentium 4 6系列和使用Prescott 2M核心的P4 EE系列。

64位處理器發(fā)展歷程

1961年：IBM 發(fā)表 IBM 7030 Stretch 超級(jí)電腦。它使用 64位數(shù)據(jù)字組，以及 32 或 64位的指令字組。

1974年：Control Data Corporation 推出 CDC Star-100 矢量超級(jí)電腦，它使用 64位字組架構(gòu)(先前的 CDC 系統(tǒng)是以 60 位架構(gòu)為基礎(chǔ))。

1976年：Cray Research 發(fā)表第一臺(tái) Cray-1 超級(jí)電腦。它以 64位字組架構(gòu)為基礎(chǔ)，它成為后來的 Cray 矢量超級(jí)電腦的基礎(chǔ)。

1983年：Elxsi 推出 Elxsi 6400 平行微型超級(jí)電腦。Elxsi 架構(gòu)具有 64位數(shù)據(jù)暫存器，不過地址空間仍是 32位。

1991年：MIPS科技公司生產(chǎn)第一臺(tái) 64位微處理器，作為 MIPS RISC 架構(gòu) R4000 的第三次修訂版本。該款 CPU 使用于以 IRIS Crimson 啟動(dòng)的 SGI 圖形工作站。然而，IRIX 操作系統(tǒng)并未包含對 R4000 的 64位支持，直到 1996 年發(fā)布 IRIX 6.2 為止。Kendall Square Research 發(fā)表他們的第一臺(tái) KSR1 超級(jí)電腦，以專有的運(yùn)行于 OSF/1 的 64位 RISC 處理器架構(gòu)為基礎(chǔ)。

1992年：Digital Equipment Corporation(DEC)引入純 64位 Alpha 架構(gòu)，其誕生自 PRISM 專案。

1993年：DEC 發(fā)布 64位 OSF/1 AXP 類Unix 操作系統(tǒng)(后來改名為 Tru64 UNIX)和 OpenVMS 操作系統(tǒng)給 Alpha 系統(tǒng)。

1994年：Intel 宣布 64位 IA-64 架構(gòu)的進(jìn)度表(與 HP 共同開發(fā))作為其 32位 IA-32 處理器的繼承者。以 1998–1999 推出時(shí)間為目標(biāo)。SGI 發(fā)布 IRIX 6.0，即支持 64位的 R8000 CPU。

1995年：Sun 推出 64位 SPARC 處理器 UltraSPARC。富士通所有的 HAL 電腦系統(tǒng)推出以 64位 CPU 為基礎(chǔ)的工作站，HAL 獨(dú)立設(shè)計(jì)的第一代 SPARC64。IBM 發(fā)布 64位 AS/400 系統(tǒng)，能夠轉(zhuǎn)換操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用程序的升級(jí)。DEC 發(fā)布 OpenVMS Alpha 7.0，第一個(gè)全 64位版本的 OpenVMS for Alpha。

1996年：HP 發(fā)布 PA-RISC 處理器架構(gòu)的 64位 2.0 版本的實(shí)現(xiàn) PA-8000。 任天堂引入 Nintendo 64 電視游戲主機(jī)，以低成本的 MIPS R4000 變體所打造。

1997年：IBM 發(fā)布 RS64 全 64位 PowerPC 處理器。

1998年：IBM 發(fā)布 POWER3 全 64位 PowerPC/POWER 處理器。Sun 發(fā)布 Solaris 7，以完整支持 64位 UltraSPARC。

1999年：Intel 發(fā)布 IA-64 架構(gòu)的指令集。AMD 首次公開 64位集以擴(kuò)充給 IA-32，稱為 x86-64(后來改名為 AMD64)。

2000年：IBM 推出他自己的第一個(gè)兼容 ESA/390 的 64位大型機(jī) zSeries z900，以及新的 z/OS 操作系統(tǒng)。緊接著是 64位 Linux on zSeries。

2001年：Intel 終于推出他的 64位處理器產(chǎn)品線，標(biāo)記為 Itanium，主打頂級(jí)服務(wù)器。它無法滿足人們的期待，因一再拖延 IA-64 市場而導(dǎo)致失敗。Linux 是第一個(gè)可運(yùn)行于該處理器的操作系統(tǒng)。

2002年：Intel 引入 Itanium 2 作為 Itanium 的繼承者。

2003年：AMD 產(chǎn)出他的 AMD64 架構(gòu) Opteron 以及 Athlon 64 處理器產(chǎn)品線。蘋果也推出了64位“G5”PowerPC 970 CPU courtesy of IBM，并連同升級(jí)他的 Mac OS X 操作系統(tǒng)，其增加對 64位模式的部分支持。若干 Linux 發(fā)布版本發(fā)布對 AMD64 的支持。微軟宣布將為 AMD 芯片創(chuàng)建新的 Windows 操作系統(tǒng)。Intel 堅(jiān)持 Itanium 芯片仍維持只有 64位的處理器。

2004年：Intel 承認(rèn) AMD 在市場上的成功，并著手開發(fā) AMD64 延伸的替代品，稱為 IA-32e，稍后改名為 EM64T。升級(jí)版本的 Xeon 和 Pentium 4 處理器家族支持了新推出的指令。Freescale 宣布 64位 e700 core，以繼承 PowerPC G4 系列。VIA Technologies 宣布 64位的Isaiah處理器。[2]

2005年：Sun 于 1 月 31 日發(fā)布支持 AMD64 和 EM64T 處理器的 Solaris 10。3 月，Intel 宣布他的第一個(gè)雙核心 EM64T 處理器 Pentium Extreme Edition 840 和新的 Pentium D 芯片將于 2005 第二季推出。4 月 30 日，微軟公開發(fā)布提供給 AMD64 和 EM64T 處理器的 Windows XP Professional x64 Edition。5 月，AMD 引入他的第一個(gè)雙核心 AMD64 Opteron 服務(wù)器 CPU，并宣布其桌面型版本，稱為 Athlon 64 X2。將原本的 Athlon 64 X2 (Toledo) 處理器改為兩個(gè)核心，并為每個(gè)核心的 L2 配上 1 MB 高速緩存，以大約 2.332 億個(gè)晶體管組成。它有 199 mm2 那么大。7 月，IBM 宣布他最新的雙核心 64位 PowerPC 970MP (codenamed Antares)，由 IBM 和 Apple 使用。微軟發(fā)布 Xbox 360 游戲主機(jī)，其使用由 IBM 生產(chǎn)的 64位、三核心 Xenon PowerPC 處理器。

2006年：雙核心 Montecito Itanium 2 處理器進(jìn)入生產(chǎn)。Sony、IBM、Toshiba 開始生產(chǎn)用于 PlayStation 3、服務(wù)器、工作站以及其它應(yīng)用的 64位 Cell 處理器。蘋果公司在新的 Mac Pro 和 Intel Xserve 電腦中采用 64位 EM64T Xeon 處理器，稍后更新 iMac、MacBook、MacBook Pro 使用 EM64T Core 2 處理器。

64位處理器優(yōu)點(diǎn)與誤區(qū)

兩大優(yōu)點(diǎn)

可以進(jìn)行更大范圍的整數(shù)運(yùn)算;

可以支持更大的內(nèi)存。

誤區(qū)

不能因?yàn)閿?shù)字上的變化，而簡單的認(rèn)為64bit處理器的性能是32bit處理器性能的兩倍。實(shí)際上在32bit應(yīng)用下，32bit處理器的性能甚至?xí)鼜?qiáng)，即使是64bit處理器，也是在64bit應(yīng)用下性能更強(qiáng)。所以要認(rèn)清64bit處理器的優(yōu)勢，但不可迷信64bit。

64位處理器未來展望

直至 2007 年，64位字組似乎已滿足大部分的運(yùn)用。不過仍應(yīng)提到，IBM 的 System/370 及后繼者使用 128 位浮點(diǎn)數(shù)，且許多現(xiàn)代處理器也內(nèi)含 128 位浮點(diǎn)數(shù)暫存器。System/370 及后繼者尤其顯著，在這方面，他們也使用多達(dá) 16 位組的可變長度十進(jìn)制數(shù)(即 128 位)。