Аннотация
Большинство организаций по-прежнему используют 32-битную технику, а на 64-битную переходят крайне медленно. Почему? В чём причины медленного развития 64-битной вычислительной техники? Какие преимущества 64-битных систем перед 32-битными? На эти вопросы мы попробуем ответить в рамках этой работы.
Введение
В настоящее время количество компьютеров под управлением 64-битных систем заметно увеличилось. По данным статистики, количество 64-битных операционных систем на компьютерах за последние три месяца увеличилось в два раза. Но на данный момент популярность 64-битных систем не превышает популярность 32-битных. Компьютеры под управлением 64-битных операционных систем способны работать более чем с 4 Гбайт оперативной памяти. А также показывают большую по сравнению с 32-битными операционными системами производительность при параллельном выполнении различных приложений.
Переход к 64-битным системам оказался более медленным, чем от 16-битных систем к 32-битным. Это происходит по причине отсутствия поддержки драйверов и приложений. Но со временем совместимость программ и производительность 64-битных систем будет увеличиваться, и данного рода проблемы перестанут быть актуальными.
Какой процессор называют 64-битным?
Для начала давайте разберёмся, что такое разрядность процессора. Сразу следует сказать, что разрядность процессора - это не максимальный размер обрабатываемых данных! x86-процессоры уже давно могут складывать и вычитать 64-, 80- (например, i486), 128-битные (обрабатываемые инструкциями SSE-наборов операнды (регистры XMM)) данные. Но это не делает процессор 64-, 80-, 128-битным. По возможностям вычислений 64-битный процессор теоретически почти ничем не отличается от 32-битного. Но, например, 32-разрядные процессоры не могут перемножать целочисленные 64-битные числа и делить 128-битные целые числа на 64-битное число. Таким образом, 64-битный процессор - это не только тот процессор, который может выполнять с 64-битными целыми числами все базовые арифметические операции, а, самое главное, это тот процессор, который способен использовать 64-разряда при адресации к памяти.
Преимущества 64-битных вычислений
Во-первых, это быстродействие. Выигрыш в виде большей скорости получат только некоторые задачи (например, криптография), которые оперируют с цифрами очень большой разрядности. В целом же переход к 64-разрядным вычислениям мало способствует повышению быстродействия.
Во-вторых, это возможность прямой адресации большого объёма памяти. 32 разряда позволяют напрямую адресовать только 4 Гбайт памяти.
Современные приложения порой ставят перед вычислительной техникой чрезвычайно ресурсоемкие задачи. Уже сейчас существуют приложения, которым может понадобиться более 4 Гбайт ОЗУ. 64-битные системы открывают здесь новые горизонты.
Реализация 64-разрядности в центральном процессоре
В центральном процессоре к имеющейся системе регистров добавляется несколько новых, а существующие регистры расширены с 32 до 64 бит.
Привычные регистры общего назначения RO-R7 (GPR) дополняются восемью 64-битными регистрами R8-R15, которые задействуются в 64-битном режиме (т. е. для их использования требуется перекомпиляция программ).
Существующие регистры ЕАХ, ЕВХ и т. д. расширены с 32 до 64 бит и носят названия RAX, RBX.
Увеличение числа регистров повышает производительность ресурсоемких приложений, а их расширение позволяет выполнять операции с 64-битными числами напрямую.
Для реализации одновременной работы как с 32-, так и с 64-битным кодом и регистрами предусмотрены два режима: Long Mode ("длинный") и Legacy Mode ("наследственный"). Long Mode, в свою очередь, имеет два подрежима - 64-разрядный и совместимости (Compatibility mode).
Таким образом, в 64-битном режиме доступны:
§ 64-битные виртуальные адреса;
§ восемь старых и восемь новых 64-битных регистров общего назначения, расширенные до 64 бит регистры общего назначения (в том числе "старые" ЕАХ, ЕВХ и т. д.);
§ 64-битный указатель инструкций (RIP) и новый метод адресации данных относительно RIP (RIP-relative);
§ сплошное адресное пространство с единым пространством для инструкций, данных и стека.
Следовательно, 64-битный режим предоставляет полный набор 64-разрядных ресурсов центрального процессора.
Режим совместимости обеспечивает обратную бинарную совместимость с существующими 32-битными приложениями при работе с 64-битной операционной системой. Compatibility mode включается операционной системой для отдельных кодовых сегментов. При этом, в отличие от 64-битного режима, сегментация функционирует обычным образом, используя семантику защищенного режима. С точки зрения выполняемого приложения процессор выглядит как обычный х86 центральный процессор в защищенном режиме (protected mode). С точки же зрения операционной системы трансляция адресов, работа с прерываниями и исключениями, а также системные структуры данных используют механизмы 64-бит Long Mode.
В итоге получаем три преимущества 64-битных систем:
1. возможность использования 64-битного адресного пространства.
2. возможность выполнять операции с 64-разрядными числами "напрямую".
3. увеличенное вдвое число регистров общего назначения.
Главное преимущество – 64-битная адресация. Предел в 4 Гбайт оперативной памяти сказывается на производительности ресурсоемких программ. К задачам, где 64-битная адресация действительно необходима, относятся базы данных, скорость работы с которыми многократно возрастает при росте объема оперативной памяти.
Возможности быстрой работы с 64-битными операндами может пригодиться специалистам, занимающимся научными расчетами или решающим криптографические задачи.
Увеличение числа регистров общего назначения повышает производительность процессора, так как они играют роль ячеек памяти, с которыми процессор может работать напрямую, не тратя на обращения к ним никакого времени. Таким образом, увеличив число регистров до 16, можно повысить быстродействие.