64位技术

计算机硬件技术

64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

优点

64bit计算主要有两大优点：可以进行更大范围的整数运算；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。

要实现真正意义上的64位计算，光有64位的处理器是不行的，还必须得有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。目前，在64位处理器方面，Intel和AMD两大处理器厂商都发布了多个系列多种规格的64位处理器；而在操作系统和应用软件方面，目前的情况不容乐观。

技术

目前主流CPU使用的64位技术主要有AMD公司的AMD64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，不兼容现在的传统的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AMD64位技术和Intel的EM64T技术做一下简单介绍。

AMD64位技术

AMD64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。

AMD64位移动版处理器在AMD的计划中，这款处理器的核心是“Lancaster”，采用了90纳米SOI制程，内置1M全速L2和单通道内存控制器，采用与Socket 754 Athlon 64相同的封装。和桌面版的Athlon 64相比，采用了低电压设计，以实现35W以下的TDP。并且在Windows(R) XP Service Pack 2的系统环境下，能够使用CPU防病毒功能。

AMD64位移动版处理器是基于AMD64位处理器开发出来的，是当今世上唯一的64位处理器，目前主要应用于AMD架构的笔记本电脑上。AMD Mobile Athlon 64处理器目前有五个版本，它们分别是：

Mobile Athlon 64 2700+ /核心电压1.2V/最大功耗35W

Mobile Athlon 64 2800+ /核心电压1.2V/最大功耗35W

Mobile Athlon 64 2800+ /核心电压1.4V/最大功耗62W

Mobile Athlon 64 3000+ /核心电压1.4V/最大功耗62W

Mobile Athlon 64 3200+ /核心电压1.4V/最大功耗62W Mobile AMD Athlon 64处理器性能强劲，跟桌面的Athlon 64处理器一样，是基于Clawhammer核心、用0.13微米工艺制造的。该处理器整合了内存控制器，这就意味着内存控制器的运行速度能跟CPU一样，同时，它跟CPU其他单元之间的通信也是以CPU速度进行的，这样，在基于该处理器的操作系统环境下内存延迟低了很多，大大提升了电脑的运行速度。除此之外，它的二级缓存的容量更达1M，更高的缓存容量意味着处理器的回写速度更快。

Mobile Athlon 64位处理器还采用了可以让晶体管的频率提升35%以上先进的SOI技术生产。它的晶体管数量达到了1亿5百90万个，核心面积也大大增加，为192平方毫米。在降低能耗方面，Mobile AMD Athlon 64处理器采用了AMD PowerNow!技术。利用这项技术，该移动处理器可以根据处理器的负载情况，来决定该处理器的性能，比如说运行单一的“记事本”程序，该处理器就会只调用很少的资源，此时，处理器的功率非常低，发热量也很低；而当玩游戏时，该处理器又会自动地将其性能发挥到极限，以便满足高负荷的需求，当然，此时它无论在功率和发热量方面都会比较大。通过这项技术，就可以让该处理器在性能和功耗、发热量、电池供电时间之间取得一个平衡。

Mobile AMD Athlon 64处理器虽然是一款64位的处理器，但它可以向下兼容目前大多数32位的软件。由此看来，Mobile AMD Athlon 64处理器的性能确实不错，不过，它也有不少令人遗憾之处。

首先，它的功率较大，以至发热量也较大，耗电量也大。例如，Mobile Athlon 64 2700+的主频为1.60G，虽然是低电压版本，但其功率也在35W左右，其它以上版本的功率更是高达62W，而同为1.60G全美达90纳米Efficeon处理器的功率只有7W，英特尔Dothan处理器1.70G的只有21W，相比之下，Mobile AMD Athlon 64处理器的功率过高。而功率高必然会带来更高的发热量，同时会缩短笔记本电池持续性使用时间。

其次，目前支持64位的软件还很少，64位显得华而不实。我们知道，64位的处理器需要用64位的软件才能真正体现出64位的优势，但现在绝大多数软件都是32位的。

在32位操作系统下，与英特尔Dothan处理器相比，并不见得明显胜出。英特尔Dothan处理器目前主频可达2.0G，相当于P4 3.2G的性能，采用了0.09微米工艺制造，拥有高达2M的二级缓存；而Mobile AMD Athlon 64虽然标称最高达3200+，但其主频其实为2.80G，二级缓存为1M，采用的是0.13微米工艺制造，如果同在32位操作系统下运行，其性能并不见得会比英特尔Dothan处理器强。

EM64T技术

Intel官方是给EM64T这样定义的：EM64T全称Extended Memory 64 Technology，即扩展64bit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128bit 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。

intel的EM64T内存扩展技术

EM64T本质上和AMD64一样都是IA-32的增强版本，Xeon借助于EM64T可实现高达1TB（40bit）的物理内存寻址和256TB（48bit）的虚拟内存寻址，并且良好地支持现有32位x86代码的执行，这一点跟AMD64无异，同时也是Intel开发EM64T的出发点—让现有的x86指令集能够执行64位代码，而继续保持对32位代码的良好兼容。但由于多方面的限制，无论是EM64T还是AMD64均只能实现比32位指令集更大内存空间的寻址，而无法真正做到纯64位指令集的1PB（50bit）和16EB（64bit）的物理内存和虚拟内存寻址（IA-64就能做到这一点），其关键在于EM64T和AMD64本质上仍是基于32位的x86指令集，只是Intel和AMD分别采用不同的技术手段对x86指令集进行扩展，从而实现对64位的支持。

和AMD64一样，EM64T由于要在同时运行32位和64位程序，因此会针对不同的需要运行于不同的操作模式，同时其引入的多种操作模式之间的切换较为成功地解决了32位程序在64位操作系统下的运行效率问题，当中包括了传统模式、兼容模式和纯64位模式。

传统模式（Legacy Mode）

这种模式是为了令64位Xeon能没有障碍地执行现有的32位和16位程序而设计的，实际上就是32位x86时代的IA-32模式，此时现有x86程序无需作任何的改变，和我们目前使用着的32位环境一模一样。因为Nacona Xeon的核心仍然是沿着32位设计的，所以这个模式只是把所有为64位计算而新增的运算机制都屏蔽起来。

兼容模式（Compatibility Mode）

兼容模式允许64位操作系统（如Windows XP x64 Edition）良好地运行基于32位和16位代码的程序，此时32位程序无需重编译即可以保护模式运行，而16位程序则要依赖于操作系统和驱动程序是否支持保护模式，情况类似于32位环境下的IA-32虚拟实模式。和传统模式相同，兼容模式允许程序利用物理内存扩展实现64GB的物理内存寻址，但这并非纯64位模式的准64位寻址。

纯64位模式（Full 64bit Mode）

此模式是三种模式当中最为高效的，同时可充分发挥EM64T的威力，但这种模式需要纯64位环境的支持，包括64位操作系统和64位应用程序。在64位操作系统和相应驱动程序的支持下，系统和应用程序能够访问EM64T所支持最大容量的扩展内存，这时Xeon平台的性能可得到最充分的发挥，当然运行于此模式下的程序需要修改其微代码以便支持64位指令操作。

可以预见，在未来相当长的一段时间里，在64位操作系统下我们最常用的是兼容模式，因为现存的大量32位应用程序不可能在短期内为x86-64 指令集而重新开发，为了保证现有的32位程序能够继续在Xeon平台上顺利执行，EM64T提供了一种出色的解决方案。而对于传统的32位操作系统和应用程序，Xeon平台当然可以百分百地相容运行，本来EM64T就是扩展的32位x86指令集，兼容32位程序是件很自然的事。

EM64T在64位的实现方式上跟AMD64指令集有很多相似之处，但在关键的地方两者还是有很大差别，而Intel追加的大多数64位指令与AMD64指令集相兼容，因此Microsoft就不用为两家公司的64位处理器开发各自的64位操作系统。目前Microsoft推出的Windows XP x64 Edition操作系统（Beta）可同时支持EM64T和AMD64，能够兼容几乎所有的32位应用程序和大部分新增64位应用程序。

EM64T和AMD64的区别

AMD公司设计，可以在同一时间内处理64位的整数运算，并兼容于X86-32架构。其中支持64位逻辑定址，同时提供转换为32位定址选项；但数据操作指令默认为32位和8位，提供转换成64位和16位的选项；支持常规用途寄存器，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。

x86-64（AMD64）的产生也并非空穴来风，x86处理器的32bit寻址空间限制在4GB内存，而IA-64的处理器又不能兼容x86。 AMD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，因此AMD把它们的结构称之为x86-64。在技术上 AMD在x86-64架构中为了进行64位运算，AMD为其引入了新增了R8-R15通用寄存器作为原有X86处理器寄存器的扩充，但在而在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位扩张至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。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：Long Mode(长模式)和Legacy Mode(遗传模式)，Long模式又分为两种子模式(64bit模式和Compatibility mode兼容模式)。该标准已经被引进在AMD服务器处理器中的Opteron处理器。

也推出了支持64位的EM64T技术，再还没被正式命为EM64T之前是IA32E，这是英特尔64位扩展技术的名字,用来区别X86指令集。Intel的EM64T支持64位sub-mode，和AMD的X86-64技术类似，采用64位的线性平面寻址，加入8个新的通用寄存器（GPRs），还增加8个寄存器支持SSE指令。与AMD相类似，Intel的64位技术将兼容IA32和IA32E，只有在运行64位操作系统下的时候，才将会采用IA32E。IA32E将由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的EM64T将完全兼容AMD的X86-64技术。现在Nocona处理器已经加入了一些64位技术，Intel的Pentium 4E处理器也支持64位技术。

应该说，这两者都是兼容x86指令集的64位微处理器架构，但EM64T与AMD64还是有一些不一样的地方，AMD64处理器中的NX位在Intel的处理器中将没有提供。

名词解释

64位计算

在计算机发展史上，人类历经了从8位计算到16位计算、从16位计算到32位计算两次飞跃，32位计算是目前服务器市场的主流。64位计算是相对于32位计算的新一代高性能计算标准，就象高速公路与山间小路的区别，相比于32位计算，64位提供更大的计算带宽，从而带来更高的性能，使很多过去根本无法实现的设想变成现实。目前，全球最重要的处理器供应商包括：AMD、HP、IBM、Intel、Motorola、Sun无一例外的都在推动64位计算。

64位处理器

8位处理器、16位处理器、32位处理器和64位处理器，其计数都是8的倍数。它表示一个时钟周期里，处理器处理的二进制代码数。“0”和“1”就是二进制代码，线路上有电信号，则计做1,没有电信号则为0。8位机有8条线路，每个时钟周期有8个电信号，组成一个字节。所以，随8位处理器上升至64位处理器，每个时钟周期传送1个字节到8个字节，关联到时钟速度提高到若干个千兆赫之后，处理器处理信息的能力越来越大

64位数据运算

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

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