64 位势不可挡

目前主流ＣＰＵ使用的６４位技术主要有ＡＭＤ公司的Ｘ８６－６４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独立开发的“纯６４位”技术，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ＡＭＤ的６４位技术Ｘ８６－６４和Ｉｎｔｅｌ的ＥＭ６４Ｔ技术做一下简单介绍。

ＡＭＤ的６４位技术——Ｘ８６－６４

X86-64技术的实现原理是在原始的32位X86指令集的基础上加入了X86-64扩展64位X86指令集，使处理器在硬件上兼容原来 的32位X86软件，并同时支持X86-64的扩展64位计算，且具有64位的寻址能力，使得这款处理器成为32位/64位兼容X86芯片。

X86-64体系直接支持原有的16位和32位程序和操作系统，对于重新编译之后的64位程序和操作系统它提供了如下一些新的功能：

６４位寻址和操作；

８个全新的通用寄存器（ＧＰＲＳ），代号为Ｒ８到Ｒ１５；

８个专为Ｓｔｒｅａｍｉｎｇ ＳＩＭＤ Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎｓ（ＳＳＥ——多指令多数据流扩展）准备的寄存器；

６４位的宽通用寄存器（ＧＰＲＳ）以及指令指针（Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｐｏｉｎｔｅｒ）。

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位X86架构包括8个通用寄存器，AMD在X86-64中又增加了8组，将通用寄存器的数目提高到了16组。

X86-64提供了一个能完全直接支持原有操作系统和程序的原始模式，以及一个全新的，能支持这些新功能，也能支持原有应用软件的模式。这个架构还增加了一个指令指示器关联地址模式，单一字节寄存器地址，以及一个快速次序式中断体制。

１． Ｘ８６－６４架构特点

X86-64架构通过两个主要的特性来对原有的X86体系进行扩展：一个被称为“长模式（Long Mode）”的64位扩展，以及扩展寄存器。

长模式是由两个子模式构成的：纯64位模式（64 bit Mode）和兼容模式（Compatibility Mode）。兼容模式提供了对现有16位和32位应用软件的完全兼容，能直接运行所有的现有程序。除了长模式之外，该体系还提供了一个纯粹的X86原始模 式，也就是仅仅能提供16位和32位支持的模式，但在这个模式里可以直接使用的不仅仅是16位和32位的应用软件，还可以使用原有的16位和32位操作系 统。

附表1显示的就是X86-64架构中的模式结构图，并标示了适用情况。



在接下来的文章当中，如果我们提到有关长模式（Long Mode）的词语，那么就意味着纯64位模式和兼容模式两个子模式，当要分开提到纯64位模式或者兼容模式时，我们将会用它们的专用名称，而不是用长模式来指代。

２． 纯６４位模式

纯64位模式支持如下的新特性：

６４位实地址模式；

通过寄存器前缀（ＲＥＸ）来达到寄存器扩展；

增加８个新的通用寄存器（ＧＰＲＳ），代号为Ｒ８到Ｒ１５；

扩展通用寄存器的宽度到６４位；

增加８个１２８位的ＳＳＥ寄存器，标号为ＸＭＭ８到ＸＭＭ１５；

新的ＲＩＰ关联数据地址模式；

（1）单一字节寄存器地址

默认的情况下，地址宽度是64位，并且默认的操作位宽是32位，这些默认状况可以通过使用前缀模式来修改。一个新的REX模式的前缀，将 使得整个数据结构被扩展成64位，如同过去Intel采用的将16位寄存器扩展成32位一样，整个寄存器被称为RAX模式，而在EAX段之前，通过REX 后扩展成为64位（如图所示）。

（2）RIP关联数据地址

在纯64位模式中，X86-64体系还支持数据地址关联模式，并且直接对应64位的RIP（指令指针）。原始的X86体系仅仅在控制传输指令中支持IP关联地址，而64位模式的RIP关联地址改进了该项特性，扩大了它的应用范围。

３． 兼容模式

兼容模式是提供整个系统运行32位和64位程序的模式，该模式允许16位和32位软件不需要经过重新编译就可以在长模式下直接应用。

在兼容模式下，所有的应用软件对于内存的操作都只能位于前4GB的实物理内存地址之间，标准的X86命令也迫使对寄存器的操作界于16位和32位，64位系统的优势在这里并没有展现。

同纯64位模式的情况一样， 兼容状态是操作系统在相对独立的数据段的基础上建立起来的。不同于纯64位模式的在于X86指令集的分割，不过只要在使用16位和 32位保护模式的情况下都能正常工作。

４． 原始模式

原始模式完全与X86模式相同。如果希望模拟一个完整的，并且真实的X86结构模式的话，那么只需要安装一个现有的操作系统，包括 Windows 98和Windows 2000，那么CPU将自动调整为这个模式，并完全兼容现有程序，使用的时候与K7和Pentium III没有什么区别。

Ｉｎｔｅｌ的６４位技术——ＥＭ６４Ｔ

１． ＥＭ６４Ｔ定义

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位线性地址写入。EM64T特别强调的是对32位和64位的兼容性。

Intel为了实现EM64T，特别为处理器核心做出以下改进：

（1）使用64位寄存器（Register）和内存指针（Memory Pointers）

处理器新加入64 bit指令寄存器和内存指针是为了能实现64 bit内存寻址。

（2）增强的SSE（Stream SIMD Extensions）和GPRs（General-Purpose Registers）

Intel为新核心增加了8个64位GPRS（R8-R15），并且把原有GRPS全部扩展为64位，如前文所述这样可以提高整数运算能力。增加8个128位 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。

２． ＥＭ６４Ｔ的运行模式

既然EM64T是一种兼容性很强的64位扩展技术，那么它是如何工作的呢？Intel为支持EM64T技术的处理器设计了两大类：传统 IA-32模式（legacy IA-32 mode）和IA-32e扩展模式（IA-32e mode），两大类下又具体分为多种运行模式，附表2。

EM64T有这么多种复杂的运行模式，那么处理器又是怎么识别的呢？

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的部件，其中的Bit 10控制着EM64T是否激活。Bit 10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位（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。

下面我们来说说IA-32e扩展模式下CPU的运行状况，看完之后传统IA-32模式下的情况也会一清二楚。

在IA-32e扩展模式下也有两种模式：兼容模式和64位模式。两者都需要64位操作系统和64位驱动程序的支持，但其中只有64位模式是真正64位计算。

在64位模式下，必须要有64位的操作系统、驱动程序和应用程序三者合作，此时处理器内的新增的8个64位GPRS（R8~R15）和8 个128 位SSE寄存器（XMM8~XMM15）才会被激活，原有的8个GPRS（RAX, RBX, RCX, RDX, RSI, RDI, RBP, RSP）宽度也会同时扩展为64位，并且64位指令指针启用。此时处理器才能利用64位指令操作来支持64位内存寻址，还可以进行双精度（64位）整数运 算。





而在另一种兼容模式下，计算机允许在64位操作系统下不需要预编译就可以运行大多数传统16位或32位应用程序，这和传统IA-32模式 下基本相同，只不过此时的操作系统和驱动程序都是64位的。在兼容模式下，64位应用程序也可以直接像传统32位程序那些运行，而不需要重新编译。

我们可以看出，在不同模式的转换中，处理最大的变化便是寄存器的改变。这正是因为64位与32位定义的最大不同就是在寄存器上。

从附表3中我们可以看到处理器的寄存器在不同模式下的变化情况。虽然支持EM64T的Prescott核心拥有16个GPRS，但它们并非任何时候都会工作的，Intel根据不同的运行模式定义了他们的工作状态。

总结：通过以上的描述，可以发现Ｉｎｔｅｌ与ＡＭＤ两者的处理器核心还是有着本质区别的，虽然在实现６４位的运行模式上大同小异。我们可以简单的看做ＡＭＤ的Ｋ８核心是兼容３２位计算的６４位处理器，而采用ＥＭ６４Ｔ技术的处理器则是能扩展进行６４位计算的３２位处理器。