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CPU知识详解: 64 位技术

时间:2024-11-01 21:40:57

CPU知识详解: 64 位技术

这里的 64 醐蛑臀谁位技术,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 Ⅲ、IBM 公司的 POWER5、HP 公司的 Alpha 等。

64bit 计算主要有两大优点:一是可以进行更大范围的整数运算;二是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。

目前主流 CPU 使用的 64 位技术,主要有 AMD 公司的 AMD 64 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 AMD 64 位技术和 Intel 的 EM64T 技术作一简单介绍。

1) AMD 64 位技术

AMD 64 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、矢量分析和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。

2) EM64T 技术

Intel 官方是给 EM64T 这样定义的:EM64T 全称 Extended Memory 64 Technology,即扩展 64 bit 内存技术。

EM64T 是 Intel IA-32 架构的扩展,即 IA-32e(Intel Architectur-32 extension)。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 32 bit 线性地址写入。EM64T 特别强调的,是对 32 bit 和64 bit 的兼容性。Intel 为新核心增加了 8 个 64 bit GPRs(R8-R15),并且把原有 GRPs 全部扩展为 64 bit,如前文所述,这样可以提高整数运算能力。增加 8 个 128 bit SSE 寄存器(XMM8-XMM15),是为了增强多媒体性能,包括对 SSE、SSE2 和 SSE3 的支持。

Intel 为支持 EM64T 技术的处理器,设计了两大模式:传统 IA-32 模式(legacy IA-32 mode)和 IA-32e 扩展模式(IA-32e mode)。

在支持 EM64T 技术的处理器内,有一个称之为扩展功能激活寄存器(extended feature enable register,IA32_EFER)的部件,其中的Bit10 控制着 EM64T 是否激活。Bit10 被称作 IA-32e 模式有效(IA-32e mode active)或长模式有效(long mode active,LMA)。当 LMA=0 时,处理器便作为一颗标准的 32 bit(IA32)处理器运行在传统 IA-32 模式;当 LMA=1 时,EM64T 便被激活,处理器会运行在 IA-32e扩展模式下。

目前 AMD 方面支持 64 位技术的 CPU 有:Athlon 64 系列、Athlon FX 系列和 Opteron 系列。Intel 方面支持 64 位技术的 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。

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