《微型計(jì)算機(jī)技術(shù)》第14章 64位微處理器

2023/1/301微型計(jì)算機(jī)技術(shù)WeixinɡJisuɑnjiJishu

（第3版）

2023/1/302

第14章

64位微處理器2023/1/30364位微處理器

２１世紀(jì)初，Intel公司推出采用新體系結(jié)構(gòu)IA-64

的64位微處理器芯片Itanium和與IA-32指令集兼容的64位微處理器體系結(jié)構(gòu)EM64T

，而AMD公司推出與X86-32完全兼容的64位處理器X86-64

。64位計(jì)算進(jìn)入微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域并得到迅速發(fā)展。本章簡(jiǎn)要介紹這３種64位體系結(jié)構(gòu)微處理器的主要特性。2023/1/30464位微處理器

14.1

64位微處理器概述

14.2

X86-64

與EM64T

14.2.1

EM64T技術(shù)

14.2.2

AMD64位技術(shù)

14.3

Itanium

微處理器2023/1/30514.1

64位微處理器概述

Intel８０８８是IBM‐PC／XT個(gè)人計(jì)算機(jī)的中央處理器，是采用X８６結(jié)構(gòu)的第一個(gè)芯片——一片準(zhǔn)16位的微型處理器。１９８１年，隨著IBM‐PC／XT個(gè)人計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，X86結(jié)構(gòu)進(jìn)入計(jì)算機(jī)世界。Intel公司隨后發(fā)布的８０２８６也是一個(gè)16位的X86結(jié)構(gòu)處理器，它采用16位的X86指令系統(tǒng)，但擁有更為先進(jìn)的保護(hù)模式指令集。2023/1/30664位微處理器概述

隨著PC的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，Intel公司在１９８５年推出基于32位X86指令集的CPU———８０３８６。此后的１０多年間，從８０４８６、Pentium、PentiumⅡ、PentiumⅢ直到Pentium４，Intel公司一直占據(jù)著個(gè)人計(jì)算機(jī)的核心地位。過(guò)去２０年中，X86以無(wú)可比擬的性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)成為計(jì)算平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)。X86系統(tǒng)以每年超過(guò)１億臺(tái)的裝機(jī)量和９０％以上的市場(chǎng)占有率被用戶廣泛認(rèn)可，同時(shí)開(kāi)放平臺(tái)的良性競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境也推動(dòng)著X86的技術(shù)發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)RISC體系。2023/1/30764位微處理器概述X86產(chǎn)品已經(jīng)從最初的PC進(jìn)入了工作站、服務(wù)器領(lǐng)域，唯一阻礙X86進(jìn)入高端企業(yè)市場(chǎng)的，就是X86仍然基于32位技術(shù)———

對(duì)于高端的企業(yè)級(jí)服務(wù)器與工作站應(yīng)用無(wú)能為力。伴隨著企業(yè)計(jì)算應(yīng)用的發(fā)展，64位應(yīng)用越來(lái)越廣泛，令X86向64位擴(kuò)展勢(shì)在必行，也成為統(tǒng)一64位計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的希望。與此同時(shí)，在個(gè)人、商務(wù)和移動(dòng)計(jì)算領(lǐng)域，32位計(jì)算也漸漸開(kāi)始顯得力不從心，不管出于技術(shù)還是競(jìng)爭(zhēng)需要，32位的時(shí)代已經(jīng)漸漸開(kāi)始過(guò)去了。2023/1/30864位微處理器概述企業(yè)市場(chǎng)傳統(tǒng)上一直是RISC廠商和UNIX的天下，Intel公司為了進(jìn)入企業(yè)市場(chǎng)，單獨(dú)發(fā)布了專為64位市場(chǎng)而定制的IA-64架構(gòu)以及相關(guān)的64位指令規(guī)格，并于２０００年１１月發(fā)布了名為Itanium（安騰）的企業(yè)級(jí)64位處理器。安騰確實(shí)是高性能的處理器，但是它的IA-64并不兼容X86-32指令集，32位個(gè)人計(jì)算機(jī)的應(yīng)用程序并不能在安騰上運(yùn)行。2023/1/30964位微處理器概述針對(duì)IA-64不兼容X86-32指令集的特點(diǎn)，AMD

公司進(jìn)行處理器架構(gòu)的研發(fā)工作并研發(fā)出了自己的64位處理器架構(gòu)，命名為X86-64。顧名思義，AMD的64位指令系統(tǒng)是從X86擴(kuò)充而來(lái)的，并且，AMD公司讓新的64位處理器兼容以前的32位指令集。2023/1/301064位微處理器概述

AMD公司的新處理器不但是一個(gè)64位處理器，同時(shí)也是一個(gè)32位處理器。在一年之內(nèi)，AMD公司推出了３個(gè)系列的64位處理器：面向服務(wù)器和工作站的Opteron系列、面向發(fā)燒友和頂級(jí)個(gè)人計(jì)算機(jī)的AthlonFX系列、面向高性能和低價(jià)格桌面計(jì)算機(jī)的Athlon64系列。Intel公司也推出了與IA-32指令集兼容的64位處理器架構(gòu)———EM64T。Intel公司的Pentium４E處理器就是支持64位技術(shù)EM64T的處理器。2023/1/301164位微處理器概述要實(shí)現(xiàn)64位計(jì)算，僅有硬件是不夠的，還必須有64位的操作系統(tǒng)。Microsoft公司早在２００１年就推出了Windows２０００DataCenter的64位版本，是為Intel公司的安騰服務(wù)器推出的IA64架構(gòu)的操作系統(tǒng)，不能運(yùn)行在個(gè)人計(jì)算機(jī)上。２００３年，推出的WindowsServer２００３有四個(gè)版本，分別是專業(yè)版、Web服務(wù)器版、企業(yè)版和數(shù)據(jù)中心版。2023/1/301264位微處理器概述其中，企業(yè)版和數(shù)據(jù)中心版都有32位和運(yùn)行于安騰之上的64位兩個(gè)版本，同時(shí)WindowsXP也有64位的安騰工作站版，但是不能向下兼容32位應(yīng)用。因此，在這個(gè)32位應(yīng)用仍然占據(jù)主導(dǎo)地位的時(shí)代，這種純64位的處理器和操作系統(tǒng)還難以被大眾接受。正是因?yàn)樯鲜鲈?，現(xiàn)在普遍認(rèn)為64位時(shí)代是從X86領(lǐng)域出現(xiàn)64位計(jì)算才真正開(kāi)始的。2023/1/301314.2

X86-64與EM64T

14.2.1

EM64T技術(shù)

14.2.2

AMD64位技術(shù)2023/1/3014X86-64與EM64T

64位技術(shù)是指CPU的通用寄存器的數(shù)據(jù)寬度為64位，64位指令集就是運(yùn)行64位數(shù)據(jù)的指令，處理器一次可以運(yùn)行64位數(shù)據(jù)。早期推出的64位處理器有SUN公司的UltraSparcⅢ

、IBM公司的POWER５、HP公司的Alpha

等高端的RISC（ReducedInstructionSetComputer，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）處理器芯片。2023/1/3015X86-64與EM64T

64位計(jì)算的主要優(yōu)點(diǎn)如下：①可以進(jìn)行更大范圍的整數(shù)運(yùn)算。②可以支持更大的內(nèi)存。2023/1/3016X86-64與EM64T不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為64位處理器的性能是32位處理器性能的兩倍。實(shí)際上在32位應(yīng)用下，32位處理器的性能甚至?xí)鼜?qiáng)。64位處理器的高性能是在64位應(yīng)用下才能發(fā)揮。而且要實(shí)現(xiàn)真正意義上的64位計(jì)算，僅有64位的處理器是不行的，還必須有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(wú)法實(shí)現(xiàn)64位計(jì)算的。2023/1/3017X86-64與EM64T目前主流CPU使用的64位技術(shù)主要有Intel公司的EM64T技術(shù)、AMD公司的AMD64位技術(shù)和Intel公司的IA-64技術(shù)。其中，IA-64是Intel公司獨(dú)立于IA-32開(kāi)發(fā)的，不兼容現(xiàn)在的傳統(tǒng)的32位計(jì)算機(jī)，僅用于安騰以及后續(xù)產(chǎn)品安騰２。本節(jié)僅對(duì)Intel的EM64T技術(shù)和AMD64位技術(shù)作一簡(jiǎn)單介紹。2023/1/301814.2.1

EM64T技術(shù)

1.EM64T的定義

EM64T（ExtendedMemory64Technology，擴(kuò)展64b內(nèi)存技術(shù)）。EM64T是IntelIA-32的擴(kuò)展，即IA-32e（IntelArchitecture32extension）。IA-32處理器通過(guò)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32b線性地址寫(xiě)入。2023/1/3019EM64T的定義EM64T特別強(qiáng)調(diào)的是對(duì)32b和64b的兼容性。Intel公司為新核心增加了８?jìng)€(gè)64bGPR（R８～R１５），并且把原有GPR全部擴(kuò)展為64b，可以提高整數(shù)運(yùn)算能力。為了增強(qiáng)多媒體性能，包括對(duì)SSE、SSE２和SSE３的支持，增加８?jìng)€(gè)128bSSE寄存器（XMM８～XMM１５）。2023/1/30202.EM64T技術(shù)處理器的兩大模式

Intel公司為支持EM64T技術(shù)的處理器設(shè)計(jì)了兩大模式：IA-32模式（LegacyIA-32mode）和IA-32e擴(kuò)展模式（IA-32emode）。在支持EM64T技術(shù)的處理器內(nèi)有一個(gè)稱為擴(kuò)展功能激活寄存器（ExtendedFeatureEnableRegister，IA32＿EFER）的部件，其中的Bit１０控制著EM６４T是否激活。Bit１０被稱為IA-32e模式有效位（IA32eModeActive）或長(zhǎng)模式有效位（LongModeActive，LMA）。當(dāng)LMA＝0時(shí)，處理器便作為一片標(biāo)準(zhǔn)的32位（IA-32）處理器運(yùn)行在傳統(tǒng)IA-32模式下；當(dāng)LMA＝1時(shí)，

EM64T便被激活，處理器會(huì)運(yùn)行在IA32e擴(kuò)展模式下。2023/1/3021EM64T技術(shù)處理器的兩大模式

在還未被正式命為EM64T之前稱為IA-32e，這是Intel64位擴(kuò)展技術(shù)的名稱，用來(lái)區(qū)別X86指令集。Intel公司的EM64T技術(shù)處理器的兩大模式技術(shù)處理器的兩大模式支持64位sub‐mode，采用64位的線性平面尋址，加入８?jìng)€(gè)新的通用寄存器（GPR），還增加８?jìng)€(gè)寄存器支持SSE指令。與AMD相類(lèi)似，Intel公司的64位技術(shù)將兼容IA-32和IA-32e，只有在64位操作系統(tǒng)下運(yùn)行時(shí)，才將會(huì)采用IA-32e。IA-32e由２個(gè)sub‐mode組成：64位sub‐mode和32位sub‐mode，同AMD64一樣是向下兼容的。Intel公司的EM64T將完全兼容AMD公司的X86-64技術(shù)。現(xiàn)在Nocona處理器已經(jīng)加入了一些64位技術(shù)，Intel公司的Pentium４E處理器也支持64位技術(shù)。2023/1/302214.2.2

AMD64位技術(shù)

X86處理器的32b尋址內(nèi)存空間限制在４GB，而IA64的處理器又不能兼容X86。AMD公司充分考慮顧客的需求，加強(qiáng)X86指令集的功能，使這套指令集可同時(shí)支持64位的運(yùn)算模式，AMD公司將它們的結(jié)構(gòu)稱為X86-64。在技術(shù)上AMD公司在X86-64架構(gòu)中為了進(jìn)行６４位運(yùn)算，AMD為其引入了新增的R８～R１５通用寄存器作為原有X86處理器寄存器的擴(kuò)充，而在32位環(huán)境下并不完全使用到這些寄存器。原來(lái)的寄存器諸如EAX、EBX也由32位擴(kuò)展至64位。在SSE單元中新加入了８?jìng)€(gè)新寄存器以提供對(duì)SSE２的支持。寄存器數(shù)量的增加將帶來(lái)性能的提升。2023/1/3023AMD64位技術(shù)。與此同時(shí)，為了同時(shí)支持32和64位代碼及寄存器，X86-64架構(gòu)允許處理器工作在以下兩種模式：LongMode（長(zhǎng)模式）和LegacyMode（遺傳模式）。Long模式又分為兩種子模式（64b模式和Compatibility兼容模式）。該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被引進(jìn)到AMD服務(wù)器處理器中的Opteron處理器中。2023/1/30241.AMD64位技術(shù)的定義

AMD64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，使采用AMD64位技術(shù)的芯片在硬件上兼容原來(lái)的32位X86軟件，并同時(shí)支持X86-64的擴(kuò)展64位計(jì)算，使得這款該芯片成為真正的64位X86芯片。X86-64具有64位的尋址能力，是一個(gè)真正的64位的標(biāo)準(zhǔn)。2023/1/30252.AMD64位技術(shù)的主要特點(diǎn)

１）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(lái)創(chuàng)建和存儲(chǔ)CPU運(yùn)算結(jié)果及其他運(yùn)算結(jié)果的地方。標(biāo)準(zhǔn)的32位X86架構(gòu)包括８?jìng)€(gè)通用寄存器（GPR），AMD公司在X86-64中又增加了８組GPR（R８～R１５），將寄存器的數(shù)目提高到了１６組。

X86-64寄存器默認(rèn)為64位。2023/1/3026新增的幾組CPU寄存器將提供更快的執(zhí)行效率還增加了８組128bXMM寄存器（即SSE寄存器，XMM８～XMM１５），將能給單指令多數(shù)據(jù)流（SIMD）技術(shù)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(guò)提供更多的寄存器，采用X86-64技術(shù)生產(chǎn)的CPU可以更有效地處理數(shù)據(jù)，可以在一個(gè)時(shí)鐘周期中傳輸更多的信息。2023/1/3027

２）指令中有“直接執(zhí)行”和

“轉(zhuǎn)換執(zhí)行”的區(qū)別

采用X86-64技術(shù)生產(chǎn)的CPU可以在同一時(shí)間內(nèi)處理64位的整數(shù)運(yùn)算，并兼容X86-32架構(gòu)。它支持64位邏輯定址，同時(shí)提供轉(zhuǎn)換為32位定址選項(xiàng)；雖然數(shù)據(jù)操作指令默認(rèn)為32位和８位，但是可提供轉(zhuǎn)換成64位和16位的選項(xiàng)；支持通用寄存器，如果是32位運(yùn)算操作，就要將結(jié)果擴(kuò)展成完整的64位。這樣，指令中有“直接執(zhí)行”和“轉(zhuǎn)換執(zhí)行”的區(qū)別，其指令字段是８位或32位，可以避免字段過(guò)長(zhǎng)。2023/1/3028AMD64位技術(shù)

EM64T與AMD64都是兼容X86指令集的64位微處理器架構(gòu)，但兩者還是有一些不一樣的地方，AMD64處理器中的NX位在Intel的處理器中沒(méi)有提供。目前AMD公司支持64位技術(shù)的CPU有Athlon64系列、AthlonFX系列和Opteron系列。Intel公司支持64位技術(shù)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微處理器

２０００年１１月底Intel公司推出６４位微處理器芯片Itanium，中文名為“安騰”。它是第一代IA-64結(jié)構(gòu)（64位Intel體系結(jié)構(gòu)）的處理器。Itanium芯片雖然是由Intel公司和HP公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的，但是Itanium芯片既不是IntelIA-32結(jié)構(gòu)的64位擴(kuò)展，也不是HP公司PARISC64位結(jié)構(gòu)的改造版本，而是一種全新的結(jié)構(gòu)，其核心技術(shù)是EPIC———

顯式并行指令計(jì)算。EPIC(ExplicitlyParallelInstructionComputing）2023/1/3030EPIC的３項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)１）斷定執(zhí)行（PredicatedExecution）

IA-64的指令包含對(duì)某一個(gè)斷定寄存器（64個(gè)１位的斷定寄存器中的一個(gè)）的引用，只有當(dāng)斷定值＝１（即為“真”）時(shí)，執(zhí)行結(jié)果才會(huì)被硬件接收，這就允許處理器能容許推測(cè)執(zhí)行if語(yǔ)句的兩路分支，并能在條件確定后轉(zhuǎn)向一路分支。2023/1/3031２）推測(cè)裝入（SpeculativeLoad）

推測(cè)裝入又稱為控制推測(cè)（ControlSpeculation），為提前執(zhí)行裝入指令，將程序中的裝入指令向上移動(dòng)，提前執(zhí)行裝入指令能減少或消除等待時(shí)間。為檢查裝入指令是否應(yīng)當(dāng)執(zhí)行，在裝入指令的原處安排一條檢查指令，當(dāng)提前執(zhí)行的裝入指令將引發(fā)一個(gè)“異?！睍r(shí)，則此裝入指令不被執(zhí)行，由安排在原裝入指令處的檢查指令確定該裝入指令是否應(yīng)該執(zhí)行。2023/1/3032３）高級(jí)裝入（AdvancedLoad）

高級(jí)裝入又稱為數(shù)據(jù)推測(cè)（DataSpeculation），若一條裝入指令提前到某條存儲(chǔ)指令之前執(zhí)行，而該存儲(chǔ)指令將會(huì)修改裝入指令的源操作數(shù)，則裝入指令產(chǎn)生語(yǔ)義錯(cuò)誤———

裝入過(guò)時(shí)內(nèi)容。這一技術(shù)采用一個(gè)稱為高級(jí)裝入地址表（AdvancedLoadAddressTable，ALAT）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，由檢查指令檢查裝入的數(shù)據(jù)是否正確。EPIC技術(shù)在硬件的支持下，使用新型的指令集，采用全新設(shè)計(jì)的編譯器實(shí)現(xiàn)顯式并行計(jì)算。2023/1/3033Itanium芯片

第一代Itanium芯片代號(hào)為Merced，又稱為Itanium２，主頻為８００MHz，前端總線頻率為１３３MHz，線寬工藝為０.１８μm，集成度為２５４０個(gè)晶體管，工作電壓為１.６V。第二代Itanium芯片代號(hào)為McKinley

，主頻為９００～１５００MHz，前端總線頻率為１３３MHz，線寬工藝為０.１３μm，集成度為２.２億個(gè)晶體管，工作電壓為１.３V。它具有３MB全速的L３Cache。2023/1/3034Itanium芯片Itanium２的更新產(chǎn)品代號(hào)為Madisou，主頻在２MHz以上，采用０.１３μm的線寬工藝，包含６MB的超大容量Cache，內(nèi)核集成有５億個(gè)晶體管。以Montecito為代號(hào)的Intanium采用０.０９μm的線寬工藝。

Intanium芯片中CPU把CISC結(jié)構(gòu)、RISC結(jié)構(gòu)和EPIC結(jié)構(gòu)三種結(jié)構(gòu)結(jié)合在一個(gè)芯片中。Itanium芯片主要是用于高端的服務(wù)器領(lǐng)域。由于Intanium