64-битные вычисления

«64-битный» перенаправляется сюда. Информацию о 64-битных изображениях в компьютерной графике см. в разделе « Глубокий цвет» .

Шестнадцатеричный дамп таблицы разделов в 64-битном переносимом исполняемом файле. 64-битное слово можно представить как последовательность из 16 шестнадцатеричных цифр.

В компьютерной архитектуре — 64-битные целые числа , адреса памяти или другие данных . единицы это те, которые имеют ширину 64 бита . Кроме того, 64-битные центральные процессоры (ЦП) и арифметико-логические устройства (АЛУ) — это те, которые основаны на регистрах процессора , адресных шинах или шинах данных такого размера. Компьютер , использующий такой процессор, является 64-битным компьютером.

С точки зрения программного обеспечения, 64-битные вычисления означают использование машинного кода с 64-битными виртуальной памяти адресами . Однако не все 64-битные наборы команд поддерживают полные адреса 64-битной виртуальной памяти; x86-64 и AArch64 Например, поддерживают только 48 бит виртуального адреса, а остальные 16 бит виртуального адреса должны состоять только из нулей (000...) или всех единиц (111...), а также нескольких 64-битов. Наборы битовых команд поддерживают менее 64 бит адреса физической памяти.

Термин «64-бит» также описывает поколение компьютеров, в которых 64-битные процессоры являются нормой. 64 бита — это размер слова , который определяет определенные классы компьютерной архитектуры, шин, памяти и процессоров и, соответственно, программного обеспечения, которое на них работает. 64-битные процессоры используются в суперкомпьютерах с 1970-х годов ( Cray-1 , 1975), а в на базе компьютеров с сокращенным набором команд (RISC) рабочих станциях и серверах — с начала 1990-х годов. В 2003 году 64-битные процессоры были представлены на массовом рынке ПК в виде процессоров x86-64 и PowerPC G5 .

64-битный регистр может содержать любое из двух ⁶⁴ (более 18 квинтиллионов или 1,8×10 ¹⁹ ) разные значения. Диапазон целочисленных значений, которые могут храниться в 64 битах, зависит от используемого целочисленного представления . В двух наиболее распространенных представлениях диапазон составляет от 0 до 18 446 744 073 709 551 615 (что соответствует 2 ⁶⁴ - 1) для представления в виде ( беззнакового ) двоичного числа и -9 223 372 036 854 775 808 (-2 ⁶³ ) через 9 223 372 036 854 775 807 (2 ⁶³ − 1) для представления в виде дополнения до двух . Следовательно, процессор с 64-битными адресами памяти может напрямую обращаться к 2 ⁶⁴ байт (16 эксабайт или ЭБ) памяти с байтовой адресацией .

Без каких-либо дополнительных уточнений, 64-битная компьютерная архитектура обычно имеет целочисленные и адресные регистры шириной 64 бита, что обеспечивает прямую поддержку 64-битных типов данных и адресов. Однако ЦП может иметь внешние шины данных или адресные шины с размерами, отличными от регистров, даже больше ( 32-битный Pentium имел 64-битную шину данных). например,

Архитектурные последствия

Регистры процессора обычно делятся на несколько групп: целочисленные , с плавающей запятой , одиночные инструкции, несколько данных (SIMD), управление и часто специальные регистры для адресной арифметики, которые могут иметь различное использование и названия, такие как адресные , индексные или базовые регистры . Однако в современных конструкциях эти функции часто выполняются целочисленными регистрами более общего назначения. В большинстве процессоров для адресации данных в памяти можно использовать только целочисленные или адресные регистры; другие типы регистров не могут. Поэтому размер этих регистров обычно ограничивает объем памяти с прямой адресацией, даже если существуют регистры, такие как регистры с плавающей запятой, которые шире.

Большинство высокопроизводительных 32-битных и 64-битных процессоров (некоторыми заметными исключениями являются старые или встроенные ЦП с архитектурой ARM (ARM) и 32-битной архитектурой MIPS (MIPS)) имеют встроенное оборудование с плавающей запятой, которое часто, но не всегда, основано на на 64-битных единицах данных. Например, хотя в архитектуре x86 / x87 есть инструкции, способные загружать и сохранять 64-битные (и 32-битные) значения с плавающей запятой в памяти, внутренние данные с плавающей запятой и формат регистров имеют ширину 80 бит, в то время как общий формат — 80 бит. Регистры назначения имеют ширину 32 бита. Напротив, 64-битное семейство Alpha использует 64-битные данные и формат регистров с плавающей запятой, а также 64-битные целочисленные регистры.

История

Многие наборы команд компьютера устроены таким образом, что один целочисленный регистр может хранить адрес памяти компьютера в любом месте физической или виртуальной памяти . Поэтому общее количество адресов памяти часто определяется шириной этих регистров. IBM 1960- х System/360 годов был первым 32-битным компьютером; у него были 32-битные целочисленные регистры, хотя для адресов использовались только младшие 24 бита слова, в результате чего получалось 16 МБ ( 16 × 1024 ² байты ) адресное пространство. 32-битные суперминикомпьютеры , такие как DEC VAX , стали обычным явлением в 1970-х годах, а 32-битные микропроцессоры, такие как семейство Motorola 68000 и 32-битные представители семейства x86 , начиная с Intel 80386 , появились в середине 1970-х годов. 1980-е годы, когда 32 бита стали чем-то вроде фактического консенсуса как удобный размер регистра.

32-битный адресный регистр означал, что 2 ³² адреса или 4 ГБ ( оперативной памяти ОЗУ). Когда были разработаны эти архитектуры, 4 ГБ памяти настолько превышали типичные объемы (4 МБ) в установках, что это считалось достаточным запасом для адресации. 4,29 миллиарда адресов считались подходящим размером для работы по другой важной причине: 4,29 миллиарда целых чисел достаточно для назначения уникальных ссылок большинству объектов в таких приложениях, как базы данных .

Некоторые суперкомпьютерные архитектуры 1970-х и 1980-х годов, такие как Cray-1 , использовали регистры шириной до 64 бит и поддерживали 64-битную целочисленную арифметику, хотя и не поддерживали 64-битную адресацию. В середине 1980-х годов Intel i860 разработка началась и завершилась выпуском в 1989 году; i860 имел 32-битные целочисленные регистры и 32-битную адресацию, поэтому он не был полностью 64-битным процессором, хотя его графический модуль поддерживал 64-битную целочисленную арифметику. Однако 32 бита оставались нормой до начала 1990-х годов, когда постоянное снижение стоимости памяти привело к установкам с объемом ОЗУ, приближающимся к 4 ГБ, а использование пространств виртуальной памяти, превышающих потолок в 4 ГБ, стало желательным для обработки определенных типов. проблем. В ответ MIPS и DEC разработали 64-битные микропроцессорные архитектуры, первоначально для высокопроизводительных рабочих станций и серверов . К середине 1990-х годов HAL Computer Systems , Sun Microsystems , IBM , Silicon Graphics и Hewlett-Packard разработали 64-битные архитектуры для своих рабочих станций и серверных систем. Заметным исключением из этой тенденции были мэйнфреймы IBM, которые тогда использовали 32-битные данные и 31-битные размеры адресов; мэйнфреймы IBM не включали 64-битные процессоры до 2000 года. В 1990-е годы несколько недорогих 64-битных микропроцессоров использовались в бытовой электронике и встроенных приложениях. Примечательно, что Nintendo 64 а PlayStation 2 имела 64-битные микропроцессоры до их появления на персональных компьютерах. Высокопроизводительные принтеры, сетевое оборудование и промышленные компьютеры также использовали 64-битные микропроцессоры, такие как Quantum Effect Devices R5000 . 64-битные вычисления начали проникать на настольные персональные компьютеры с 2003 года, когда некоторые модели линейки Apple Macintosh перешли на процессоры PowerPC 970 (названные G5 Apple ), а компания Advanced Micro Devices (AMD) выпустила свой первый 64-битный процессор. битный x86-64 процессор . Физическая память в конечном итоге достигла 32-битного ограничения. В 2023 году портативные компьютеры обычно оснащались 16 ГБ памяти, а серверы — до 64 ГБ памяти, что значительно превышало 32-битную адресную емкость 4 ГБ.

64-битная временная шкала данных

1961

IBM поставляет IBM 7030 Stretch суперкомпьютер , который использует 64-битные слова данных и 32- или 64-битные слова инструкций.

1974

Корпорация Control Data запускает векторный суперкомпьютер CDC Star-100 , использующий 64-битную словесную архитектуру (предыдущие системы CDC основывались на 60-битной архитектуре).

Компания International Computers Limited выпускает серию ICL 2900 с 32-битными, 64-битными и 128-битными целыми числами с дополнением до двух ; 64-битная и 128-битная с плавающей запятой; 32-битные, 64-битные и 128-битные упакованные десятичные числа и 128-битный аккумуляторный регистр. Архитектура пережила ряд машин ICL и Fujitsu. Последней является Fujitsu Supernova, которая эмулирует исходную среду на 64-битных процессорах Intel.

1976

Компания Cray Research поставляет первый суперкомпьютер Cray-1 , основанный на 64-битной текстовой архитектуре и лягущий в основу последующих векторных суперкомпьютеров Cray.

1983

Elxsi Elxsi 6400 выпускает параллельный мини-суперкомпьютер . Архитектура Elxsi имеет 64-битные регистры данных, но 32-битное адресное пространство.

1989

Intel представляет компьютерный процессор Intel i860 с сокращенным набором команд (RISC). Продаваемый как «64-битный микропроцессор», он по сути имел 32-битную архитектуру, дополненную трехмерным графическим процессором, способным выполнять 64-битные целочисленные операции.

1993

Atari представляет Atari Jaguar игровую консоль , архитектура которой включает в себя несколько 64-битных путей передачи данных.

Временная шкала 64-битного адреса

1991

MIPS Computer Systems производит первый 64-битный микропроцессор R4000 , реализующий архитектуру MIPS III , третью версию архитектуры MIPS . ЦП используется в графических рабочих станциях SGI, начиная с IRIS Crimson . Kendall Square Research представила свой первый суперкомпьютер KSR1, основанный на собственной архитектуре 64-битного RISC-процессора под управлением OSF/1 .

1992

Digital Equipment Corporation (DEC) представляет чистую 64-битную архитектуру Alpha , которая родилась в результате проекта PRISM .

1994

Intel объявляет о планах по созданию 64-битной архитектуры IA-64 (разработанной совместно с Hewlett-Packard ) в качестве преемника своих 32-битных процессоров IA-32 . Была запланирована дата запуска с 1998 по 1999 год.

1995

Sun выпускает 64-битный SPARC процессор UltraSPARC . Fujitsu, принадлежащая HAL Computer Systems, выпускает рабочие станции на базе 64-битного процессора SPARC64 первого поколения, независимо разработанного HAL . IBM выпускает микропроцессоры A10 и A30, первые 64-разрядные процессоры PowerPC AS. IBM также выпускает обновление 64-битной системы AS/400, которое позволяет преобразовать операционную систему, базу данных и приложения.

1996

Nintendo представляет игровую консоль Nintendo 64 , созданную на основе недорогого варианта MIPS R4000. HP выпускает первую реализацию своей 64-битной PA-RISC 2.0 архитектуры — PA-8000 .

1998

IBM выпускает POWER3 линейку 64-битных процессоров PowerPC/ POWER .

1999

Intel выпускает набор инструкций для архитектуры IA-64 . AMD публично раскрывает свой набор 64-битных расширений IA-32 под названием x86-64 (позже получивший название AMD64).

2000

IBM поставляет свой первый 64-битный z/Architecture мэйнфрейм — zSeries z900. z/Architecture — это 64-битная версия 32-битной архитектуры ESA/390 , потомок 32-битной архитектуры System/360 .

2001

Intel отправляет линейку процессоров IA-64 после неоднократных задержек с выходом на рынок. Сейчас продажи под торговой маркой Itanium и ориентированы на высокопроизводительные серверы не оправдывают ожиданий.

2003

AMD представляет линейки процессоров Opteron и Athlon 64 , основанные на архитектуре AMD64 , которая является первой 64-битной процессорной архитектурой на базе x86. Apple также поставляет 64-битный процессор PowerPC 970 «G5» производства IBM. Intel утверждает, что чипы Itanium останутся ее единственными 64-битными процессорами.

2004

Intel, реагируя на рыночный успех AMD, признает, что разрабатывает клон расширения AMD64 под названием IA-32e (позже переименованный в EM64T, а затем снова переименованный в Intel 64). Intel поставляет обновленные версии своих семейств процессоров Xeon и Pentium 4, поддерживающие новый 64-битный набор команд.

VIA Technologies анонсирует 64-битный процессор Isaiah .

2006

Sony, IBM и Toshiba начинают производство 64-битного процессора Cell для использования в PlayStation 3 , серверах, рабочих станциях и других устройствах. Intel выпустила Core 2 Duo как первый массовый процессор x86-64 для своей линейки мобильных, настольных компьютеров и рабочих станций. Предыдущие линейки 64-битных процессоров расширения не были широко доступны на потребительском розничном рынке (большая часть 64-битных Pentium 4/D производились OEM), 64-битные Pentium 4, Pentium D и Celeron не были запущены в массовое производство до конца 2006 года. из-за проблемы с низкой производительностью (большинство пластин с хорошей производительностью были предназначены для серверов и мэйнфреймов, в то время как до 2006 года массовая линейка 32-битных процессоров по-прежнему оставалась 130-нм) и вскоре после дебюта Core 2 стала низкосортной. AMD выпустила свой первый 64-битный мобильный процессор, изготовленный по 90-нм техпроцессу.

2011

ARM Holdings анонсирует ARMv8-A, первую 64-битную версию семейства архитектуры ARM .

2012

30 октября 2012 года ARM Holdings анонсировала свои ядра Cortex-A53 и Cortex-A57, свои первые ядра на основе 64-битной архитектуры.

2013

Apple анонсирует iPhone 5S с первым в мире 64-битным процессором в смартфоне, который использует свою систему на кристалле A7 на базе ARMv8-A наряду с iPad Air и iPad Mini 2 , которые являются первыми в мире 64-битными процессорами. процессор в планшете.

2014

Google анонсирует планшет Nexus 9 , первое устройство Android, работающее на 64-битном чипе Tegra K1.

2015

Apple анонсирует iPod Touch (6-го поколения) , первый iPod Touch, использующий 64-битный процессор A8 на базе ARMv8-A, систему на кристалле, наряду с Apple TV (4-го поколения) , который является первым в мире 64-битным процессором. процессор в Apple TV.

2018

Apple анонсирует Apple Watch Series 4 , первые Apple Watch, использующие 64-битный процессор S4 на базе ARMv8-A.

2020

Synopsis анонсирует ARCv3 ISA, первую 64-битную версию ARC ISA .

Хронология 64-битной операционной системы

1985

Cray выпускает UNICOS , первую 64-битную реализацию операционной системы Unix .

1993

DEC выпускает 64-битную операционную систему DEC OSF/1 AXP Unix-подобную (позже переименованную в Tru64 UNIX) для своих систем, основанных на архитектуре Alpha .

1994

Поддержка процессора R8000 добавлена ​​компанией Silicon Graphics в IRIX операционную систему в версии 6.0.

1995

DEC выпускает OpenVMS 7.0, первую полную 64-битную версию OpenVMS для Alpha. первый 64-битный дистрибутив Linux для архитектуры Alpha. Выпущен

1996

Поддержка процессоров R4x00 в 64-битном режиме добавлена ​​компанией Silicon Graphics в IRIX операционную систему в версии 6.2.

1998

Sun выпускает Solaris 7 с полной 64-битного UltraSPARC . поддержкой

2000

IBM выпускает z/OS , 64-битную операционную систему, произошедшую от MVS , для новых zSeries 64-битных мэйнфреймов ; 64-битная версия Linux на z Systems следует за выпуском ЦП почти сразу.

2001

Linux становится первым ядром ОС, полностью поддерживающим x86-64 (на симуляторе, поскольку процессоры x86-64 еще не были выпущены).

2001

Microsoft выпускает 64-битную версию Windows XP для архитектуры Itanium IA-64; он мог запускать 32-битные приложения через уровень выполнения.

2003

Apple выпускает операционную систему Mac OS X 10.3 «Panther», в которой добавлена ​​поддержка встроенной 64-битной целочисленной арифметики на процессорах PowerPC 970 . Несколько Linux дистрибутивов выпускаются с поддержкой AMD64 . Выпуски FreeBSD с поддержкой AMD64.

2005

4 января Microsoft прекращает выпуск 64-разрядной версии Windows XP, поскольку с сентября прошлого года не было компьютеров с процессорами IA-64, и объявляет, что разрабатывает версии Windows x86-64 для ее замены. 31 января Sun выпускает Solaris 10 с поддержкой процессоров AMD64 и EM64T. 29 апреля Apple выпускает Mac OS X 10.4 «Tiger», которая обеспечивает ограниченную поддержку 64-битных приложений командной строки на машинах с процессорами PowerPC 970; более поздние версии для компьютеров Mac на базе Intel поддерживали 64-битные приложения командной строки на компьютерах Mac с процессорами EM64T. 30 апреля Microsoft выпускает Windows XP Professional x64 Edition и Windows Server 2003 x64 Edition для процессоров AMD64 и EM64T.

2006

Microsoft выпускает Windows Vista , включая 64-битную версию для процессоров AMD64/EM64T, сохраняющую 32-битную совместимость. В 64-битной версии все приложения и компоненты Windows являются 64-битными, хотя во многие из них также включены 32-битные версии для совместимости с плагинами .

2007

Apple выпускает Mac OS X 10.5 «Leopard», которая полностью поддерживает 64-битные приложения на машинах с процессорами PowerPC 970 или EM64T.

2009

Microsoft выпускает Windows 7 , которая, как и Windows Vista, включает полную 64-разрядную версию для процессоров AMD64/Intel 64; большинство новых компьютеров по умолчанию загружаются с 64-битной версией. Microsoft также выпускает Windows Server 2008 R2 , первую 64-разрядную серверную операционную систему. Apple выпускает Mac OS X 10.6 «Snow Leopard», которая поставляется с 64-битным ядром для процессоров AMD64/Intel64, хотя только некоторые последние модели компьютеров Apple будут работать с 64-битным ядром по умолчанию. Большинство приложений, входящих в состав Mac OS X 10.6, теперь также являются 64-разрядными.

2011

Apple выпускает Mac OS X 10.7 «Lion», которая по умолчанию запускает 64-битное ядро ​​на поддерживаемых компьютерах. На старых машинах, которые не могут запускать 64-битное ядро, используется 32-битное ядро, но, как и в более ранних версиях, они все равно могут запускать 64-битные приложения; Lion не поддерживает машины с 32-битными процессорами. Почти все приложения, входящие в состав Mac OS X 10.7, теперь также являются 64-разрядными, включая iTunes.

2012

Microsoft выпускает Windows 8 , которая поддерживает UEFI Class 3 ( UEFI без CSM) и безопасную загрузку .

2013

Apple выпускает iOS 7 , которая на машинах с процессорами AArch64 имеет 64-битное ядро, поддерживающее 64-битные приложения.

2014

Google выпускает Android Lollipop — первую версию операционной системы Android с поддержкой 64-битных процессоров.

2017

Apple выпускает iOS 11 , поддерживающую только машины с процессорами AArch64. Он имеет 64-битное ядро, которое поддерживает только 64-битные приложения. 32-битные приложения больше не совместимы.

2018

Apple выпускает watchOS 5 , первую версию watchOS с поддержкой 64-битной версии.

2019

Apple выпускает macOS 10.15 «Catalina», отказываясь от поддержки 32-битных приложений Intel.

2021

Microsoft выпускает Windows 11 5 октября, которая поддерживает только 64-битные системы, отказавшись от поддержки систем IA-32.

2022

Google выпускает Pixel 7 , в котором прекращена поддержка не64-битных приложений. Apple выпускает watchOS 9 , первую версию watchOS, которая будет работать исключительно на моделях Apple Watch с 64-битными процессорами (включая Apple Watch Series 4 или новее, Apple Watch SE (1-го поколения) или новее, а также недавно представленные Apple Watch Ultra ), отказавшись от нее. поддержка Apple Watch Series 3 как последней модели Apple Watch с 32-битным процессором.

Ограничения процессоров

В принципе, 64-битный микропроцессор может адресовать 16 ЭБ ( 16×1024 ⁶ = 2 ⁶⁴ = 18 446 744 073 709 551 616 байт ) памяти. Однако не все наборы команд и не все процессоры, реализующие эти наборы команд, поддерживают полное 64-битное виртуальное или физическое адресное пространство.

Архитектура x86-64 (по состоянию на 2016 г.) ) допускает 48 бит для виртуальной памяти и для любого процессора до 52 бит для физической памяти. Эти ограничения допускают объем памяти 256 ТБ ( 256 × 1024 ⁴ байт ) и 4 ПБ ( 4 × 1024 ⁵ байты ) соответственно. В настоящее время ПК не может содержать 4 петабайта памяти (из-за физического размера микросхем памяти), но AMD предусмотрела большие серверы, кластеры с общей памятью и другие варианты использования физического адресного пространства, которые могут приблизиться к этому в обозримом будущем. Таким образом, 52-битный физический адрес предоставляет достаточно возможностей для расширения, не требуя при этом затрат на реализацию полных 64-битных физических адресов. Аналогично, 48-битное виртуальное адресное пространство было спроектировано так, чтобы обеспечить 65 536 (2 ¹⁶ ), умноженное на 32-битный предел в 4 ГБ ( 4 × 1024 ³ bytes ), что дает место для последующего расширения и не требует дополнительных затрат на трансляцию полных 64-битных адресов.

Power ISA v3.0 допускает 64 бита для эффективного адреса, сопоставленного с сегментированным адресом с допустимыми значениями от 65 до 78 бит для виртуальной памяти и для любого процессора до 60 бит для физической памяти.

Архитектура Oracle SPARC 2015 допускает 64 бита для виртуальной памяти и для любого процессора от 40 до 56 бит для физической памяти.

Архитектура системы виртуальной памяти ARM AArch64 допускает 48 бит для виртуальной памяти и для любого процессора от 32 до 48 бит для физической памяти.

Спецификация DEC Alpha требует поддержки минимум 43 бит адресного пространства виртуальной памяти (8 ТБ), а аппаратное обеспечение должно проверять и перехватывать, если оставшиеся неподдерживаемые биты равны нулю (для поддержки совместимости с будущими процессорами). Alpha 21064 поддерживал 43 бита адресного пространства виртуальной памяти (8 ТБ) и 34 бита адресного пространства физической памяти (16 ГБ). Alpha 21164 поддерживал 43 бита адресного пространства виртуальной памяти (8 ТБ) и 40 бит адресного пространства физической памяти (1 ТБ). Alpha 21264 поддерживал настраиваемые пользователем 43 или 48 бит адресного пространства виртуальной памяти (8 ТБ или 256 ТБ) и 44 бита адресного пространства физической памяти (16 ТБ).

64-битные приложения

32-битная или 64-битная версия

Переход с 32-битной на 64-битную архитектуру является фундаментальным изменением, поскольку большинство операционных систем должны быть значительно модифицированы, чтобы воспользоваться преимуществами новой архитектуры, поскольку это программное обеспечение должно управлять реальным аппаратным обеспечением адресации памяти. Другое программное обеспечение также необходимо портировать , чтобы использовать новые возможности; более старое 32-битное программное обеспечение может поддерживаться либо потому, что 64-битный набор команд является надмножеством 32-битного набора команд, так что процессоры, поддерживающие 64-битный набор команд, также могут выполнять код для 32-битных инструкций. устанавливается, либо посредством программной эмуляции , либо путем фактической реализации 32-битного процессорного ядра в 64-битном процессоре, как в случае с некоторыми процессорами Itanium от Intel, которые включают процессорное ядро ​​IA-32 для запуска 32-битных приложений x86 . Операционные системы для этих 64-битных архитектур обычно поддерживают как 32-битные, так и 64-битные приложения.

Одним из существенных исключений из этого правила является IBM AS/400 , программное обеспечение для которого скомпилировано в архитектуру виртуального набора команд (ISA), называемую Technology Independent Machine Interface (TIMI); Код TIMI затем преобразуется в собственный машинный код с помощью низкоуровневого программного обеспечения перед выполнением. Программное обеспечение для перевода — это все, что необходимо переписать, чтобы перенести всю ОС и все программное обеспечение на новую платформу, как это произошло, когда IBM перевела собственный набор команд для AS/400 со старого 32/48-битного IMPI на новый 64-битный PowerPC. -AS под кодовым названием Amazon . Набор команд IMPI сильно отличался даже от 32-битного PowerPC, поэтому этот переход был даже более масштабным, чем переход данного набора команд с 32 на 64 бита.

На 64-битном оборудовании с архитектурой x86-64 (AMD64) большинство 32-битных операционных систем и приложений могут работать без проблем совместимости. Хотя большее адресное пространство 64-битных архитектур упрощает работу с большими наборами данных в таких приложениях, как цифровое видео , научные вычисления и большие базы данных , ведутся серьезные споры о том, ли они или их 32-битные режимы совместимости будут быстрее, чем 32-битные системы по сопоставимой цене для других задач.

Скомпилированная программа Java может работать на 32- или 64-битной виртуальной машине Java без каких-либо изменений. Длины и точность всех встроенных типов, таких как char, short, int, long, float, и double, а типы, которые можно использовать в качестве индексов массива, определяются стандартом и не зависят от базовой архитектуры. Программы Java, работающие на 64-битной виртуальной машине Java, имеют доступ к большему адресному пространству.

Скорость — не единственный фактор, который следует учитывать при сравнении 32-битных и 64-битных процессоров. Такие приложения, как многозадачность, стресс-тестирование и кластеризация – для высокопроизводительных вычислений (HPC) – могут больше подходить для 64-битной архитектуры при правильном развертывании. По этой причине 64-битные кластеры получили широкое распространение в крупных организациях, таких как IBM, HP и Microsoft.

Краткое содержание:

• 64-битный процессор лучше всего работает с 64-битным программным обеспечением.
• 64-битный процессор может иметь обратную совместимость , что позволяет ему запускать 32-битное прикладное программное обеспечение для 32-битной версии его набора команд, а также может поддерживать запуск 32-битных операционных систем для 32-битной версии его набора команд. .
• 32-битный процессор несовместим с 64-битным программным обеспечением.

Плюсы и минусы

Распространенным заблуждением является то, что 64-битная архитектура не лучше 32-битной, если только компьютер не имеет более 4 ГБ оперативной памяти . Это не совсем так:

• Некоторые операционные системы и определенные конфигурации оборудования ограничивают объем физической памяти до 3 ГБ в системах IA-32 , поскольку большая часть области 3–4 ГБ зарезервирована для аппаратной адресации; см. барьер 3 ГБ ; 64-битные архитектуры могут адресовать гораздо больше, чем 4 ГБ. Однако процессоры IA-32, начиная с Pentium Pro , допускают 36-битное физической адресное пространство памяти с использованием расширения физических адресов (PAE), что дает диапазон физических адресов 64 ГБ, из которых до 62 ГБ может использоваться основной памятью. ; операционные системы, поддерживающие PAE, не могут быть ограничены 4 ГБ физической памяти даже на процессорах IA-32. Однако драйверы и другое программное обеспечение режима ядра, особенно более старые версии, могут быть несовместимы с PAE; это было названо причиной ограничения 32-разрядных версий Microsoft Windows 4 ГБ физической оперативной памяти. (хотя достоверность этого объяснения оспаривается ).
• Некоторые операционные системы резервируют часть процесса адресного пространства для использования ОС, эффективно уменьшая общее адресное пространство, доступное для отображения памяти для пользовательских программ. Например, 32-битная Windows резервирует для ядра 1 или 2 ГБ (в зависимости от настроек) общего адресного пространства, в результате чего для пользовательского режима остается только 3 или 2 ГБ (соответственно) адресного пространства. Этот предел намного выше в 64-битных операционных системах.
• Файлы, отображаемые в памяти, становится все труднее реализовать в 32-битных архитектурах, поскольку файлы размером более 4 ГБ становятся все более распространенными; такие большие файлы невозможно легко отобразить в памяти в 32-битных архитектурах, поскольку только часть файла может быть отображена в адресное пространство за раз, а для доступа к такому файлу путем отображения памяти необходимо заменить отображаемые части и из адресного пространства по мере необходимости. Это проблема, поскольку отображение памяти, если оно правильно реализовано в ОС, является одним из наиболее эффективных методов обращения с диском в память.
• Некоторые 64-битные программы, такие как кодеры, декодеры и программное обеспечение для шифрования, могут получить большую выгоду от 64-битных регистров. в то время как производительность других программ, например программ, ориентированных на 3D-графику, при переключении с 32-битной на 64-битную среду остается неизменной.
• Некоторые 64-битные архитектуры, такие как x86-64 и AArch64 , поддерживают больше регистров общего назначения, чем их 32-битные аналоги (хотя это не связано конкретно с длиной слова). Это приводит к значительному увеличению скорости для узких циклов, поскольку процессору не нужно извлекать данные из кэша или основной памяти, если данные могут поместиться в доступные регистры.

Пример на языке C :

int a, b, c, d, e;
for (a = 0; a < 100; a++) {
    b = a;
    c = b;
    d = c;
    e = d;
}

Этот код сначала создает 5 значений: a, b, c, d и e; а затем помещает их в цикл. Во время цикла этот код изменяет значение b на значение a, значение c на значение b, значение d на значение c и значение e на значение d. Это имеет тот же эффект, что и изменение всех значений на a.

Если процессор может хранить в регистрах только два или три значения или переменные, ему потребуется переместить некоторые значения между памятью и регистрами, чтобы иметь возможность обрабатывать также переменные d и e; это процесс, который занимает много циклов процессора. Процессор, который может хранить все значения и переменные в регистрах, может проходить через них без необходимости перемещать данные между регистрами и памятью для каждой итерации. Такое поведение можно легко сравнить с виртуальной памятью, хотя любые эффекты зависят от компилятора.

Основным недостатком 64-битных архитектур является то, что по сравнению с 32-битными архитектурами те же данные занимают больше места в памяти (из-за более длинных указателей и, возможно, других типов, а также заполнения выравнивания). Это увеличивает требования к памяти для данного процесса и может повлиять на эффективное использование кэша процессора. Поддержание частичной 32-битной модели — один из способов справиться с этой проблемой, и в целом он достаточно эффективен. Например, операционная система z/OS использует этот подход, требуя, чтобы программный код находился в 31-битном адресном пространстве (старший бит не используется при вычислении адреса на базовой аппаратной платформе), тогда как объекты данных могут опционально находиться в 64-битном адресном пространстве. битовые области. Не все такие приложения требуют большого адресного пространства или манипулируют 64-битными элементами данных, поэтому эти приложения не получают преимуществ от этих функций.

Доступность программного обеспечения

В 64-битных системах на базе x86 иногда отсутствуют эквиваленты программного обеспечения , написанного для 32-битных архитектур. Самая серьезная проблема в Microsoft Windows — несовместимость драйверов устройств для устаревшего оборудования. Большинство 32-битных прикладных программ могут работать в 64-битной операционной системе в режиме совместимости , также называемом режимом эмуляции , например, технология Microsoft WoW64 для IA-64 и AMD64. Собственный режим 64-битной Windows среда драйверов работает поверх 64-битной версии NTDLL.DLL , который не может вызывать 32-битный код подсистемы Win32 (часто устройства, фактическая аппаратная функция которых эмулируется в программном обеспечении пользовательского режима, например Winprinters). Поскольку 64-битные драйверы для большинства устройств были недоступны до начала 2007 года (Vista x64), использование 64-битной версии Windows считалось сложной задачей. Однако с тех пор тенденция переместилась в сторону 64-битных вычислений, тем более, что цены на память упали, а использование оперативной памяти объемом более 4 ГБ увеличилось. Большинство производителей начали предоставлять как 32-битные, так и 64-битные драйверы для новых устройств, поэтому отсутствие 64-битных драйверов перестало быть проблемой. 64-битные драйверы не предоставлялись для многих старых устройств, которые, следовательно, нельзя было использовать в 64-битных системах.

Совместимость драйверов была меньшей проблемой для драйверов с открытым исходным кодом, поскольку 32-битные драйверы можно было модифицировать для использования в 64-битных версиях. Поддержка оборудования, выпущенного до начала 2007 года, была проблематичной для платформ с открытым исходным кодом. из-за относительно небольшого количества пользователей.

64-битные версии Windows не могут запускать 16-битное программное обеспечение . Однако большинство 32-битных приложений будут работать хорошо. 64-битные пользователи вынуждены устанавливать виртуальную машину 16- или 32-битной операционной системы для запуска 16-битных приложений или использовать одну из альтернатив NTVDM .

Mac OS X 10.4 «Tiger» и Mac OS X 10.5 «Leopard» имели только 32-битное ядро, но они могли запускать 64-битный код пользовательского режима на 64-битных процессорах. Mac OS X 10.6 «Snow Leopard» имела как 32-, так и 64-битное ядра, и на большинстве компьютеров Mac 32-битное ядро ​​использовалось даже на 64-битных процессорах. Это позволило этим компьютерам Mac поддерживать 64-битные процессы, сохраняя при этом поддержку 32-битных драйверов устройств; но не 64-битные драйверы и преимущества в производительности, которые они могут дать. Mac OS X 10.7 «Lion» работала с 64-битным ядром на большем количестве компьютеров Mac, а OS X 10.8 «Mountain Lion» и более поздние версии macOS имеют только 64-битное ядро. В системах с 64-битными процессорами как 32-, так и 64-битные ядра macOS могут выполнять 32-битный код пользовательского режима, а все версии macOS до macOS Mojave (10.14) включают 32-битные версии библиотек, которые 32-битные. битные приложения будут использовать, поэтому 32-битное программное обеспечение пользовательского режима для macOS будет работать в этих системах. 32-битные версии библиотек были удалены Apple из macOS Catalina (10.15).

Linux и большинство других Unix-подобных операционных систем, а также C и C++ наборы инструментов для них уже много лет поддерживают 64-битные процессоры. Многие приложения и библиотеки для этих платформ представляют собой программное обеспечение с открытым исходным кодом , написанное на C и C++, поэтому, если они безопасны для 64-разрядных систем, их можно скомпилировать в 64-разрядные версии. Эта модель распространения на основе исходного кода с упором на частые выпуски делает доступность прикладного программного обеспечения для этих операционных систем менее серьезной проблемой.

64-битные модели данных

В 32-битных программах указатели и типы данных, такие как целые числа, обычно имеют одинаковую длину. Это не обязательно верно на 64-битных машинах. Таким образом, смешение типов данных в языках программирования, таких как C и его потомках, таких как C++ и Objective-C, может работать в 32-битных реализациях, но не в 64-битных реализациях.

Во многих средах программирования для языков C и языков, производных от C, на 64-битных машинах int переменные по-прежнему имеют ширину 32 бита, но длинные целые числа и указатели имеют ширину 64 бита. Они описаны как имеющие LP64 модель данных , что является аббревиатурой «Long, Pointer, 64». Другими моделями являются модель данных ILP64 , в которой все три типа данных имеют ширину 64 бита. и даже модель SILP64 , где короткие целые числа также имеют ширину 64 бита. Однако в большинстве случаев необходимые изменения относительно незначительны и просты, и многие хорошо написанные программы можно просто перекомпилировать для новой среды без каких-либо изменений. Другой альтернативой является модель LLP64 , которая сохраняет совместимость с 32-битным кодом, оставляя оба int и long как 32-битный. LL относится к длинному целочисленному типу, который имеет длину не менее 64 бит на всех платформах, включая 32-битные среды.

Существуют также системы с 64-битными процессорами, использующими модель данных ILP32 с добавлением 64-битных длинных целых чисел; это также используется на многих платформах с 32-битными процессорами. Эта модель уменьшает размер кода и размер структур данных, содержащих указатели, за счет гораздо меньшего адресного пространства, что является хорошим выбором для некоторых встроенных систем. Для наборов команд, таких как x86 и ARM, в которых 64-битная версия набора команд имеет больше регистров, чем 32-битная версия, он обеспечивает доступ к дополнительным регистрам без потери места. Это часто встречается в 64-битных RISC-машинах. исследован в x86 как x32 ABI и недавно использовался в Apple Watch Series 4 и 5.

64-битные модели данных

Данные модель	короткий интервал	интервал	длинный интервал	длинный длинный	Указатель, size_t	Примеры операционных систем
ИЛП32	16	32	32	64	32	х32 и Arm64ilp32 ABI в системах Linux; МИПС N32 АБИ.
ТОО64	16	32	32	64	64	Microsoft Windows (x86-64, IA-64 и ARM64) с использованием Visual C++ ; и МинГВ
ЛП64	16	32	64	64	64	Большинство Unix и Unix-подобных систем, например Solaris , Linux , BSD , macOS . Windows при использовании Cygwin ; з/ОС
ИЛП64	16	64	64	64	64	Порт HAL Computer Systems Solaris на SPARC64
SILP64	64	64	64	64	64	Классический ЮНИКОС (по сравнению с UNIQUES/mp и т. д.)

Многие 64-битные платформы сегодня используют модель LP64 (включая Solaris, AIX , HP-UX , Linux, macOS, BSD и IBM z/OS). Microsoft Windows использует модель LLP64 . Недостатком модели LP64 является то, что хранение long в int обрезает. С другой стороны, преобразование указателя в long будет «работать» в LP64. В модели LLP64 все наоборот. Это не проблемы, которые затрагивают код, полностью соответствующий стандартам, но код часто пишется с неявными предположениями о ширине типов данных. Код C должен предпочитать ( u) intptr_t вместо long при преобразовании указателей в целочисленные объекты.

Модель программирования — это выбор, соответствующий конкретному компилятору, и несколько моделей могут сосуществовать в одной и той же ОС. Однако обычно доминирует модель программирования, выбранная в качестве основной модели для интерфейса программирования приложений (API) ОС.

Еще одним соображением является модель данных, используемая для драйверов устройств . Драйверы составляют большую часть кода операционной системы в большинстве современных операционных систем. (хотя многие из них могут не загружаться во время работы операционной системы). Многие драйверы активно используют указатели для манипулирования данными, и в некоторых случаях им приходится загружать указатели определенного размера в оборудование, которое они поддерживают, для прямого доступа к памяти (DMA). Например, драйвер для 32-битного PCI-устройства, запрашивающий у устройства передачу данных DMA в верхние области памяти 64-битной машины, не мог удовлетворить запросы операционной системы на загрузку данных с устройства в память, превышающую барьер в 4 . гигабайта , поскольку указатели на эти адреса не помещаются в регистры DMA устройства. Эта проблема решается за счет того, что ОС учитывает ограничения памяти устройства при формировании запросов к драйверам для DMA или за счет использования блока управления памятью ввода-вывода (IOMMU).

Текущие 64-битные архитектуры

По состоянию на август 2023 г. К 64-битным архитектурам, для которых производятся процессоры, относятся:

• 64-битное расширение, созданное Advanced Micro Devices (AMD) для архитектуры Intel x86 (позже лицензированное Intel); обычно называемый x86-64 , AMD64 или x64 :
  • Расширения AMD AMD64 (используются в Athlon 64 , Opteron , Sempron , Turion 64 , Phenom , Athlon II , Phenom II , APU , FX , Ryzen и Epyc ) процессорах
  • Расширения Intel процессорах Intel 64 , используемые в Core 2/i3/i5/i7/i9, некоторых процессорах Atom и более новых Celeron , Pentium и Xeon. процессорах
    • Архитектура Intel K1OM, вариант Intel 64 без инструкций CMOV, MMX и SSE, используется в сопроцессорах Xeon Phi (Knights Corner) первого поколения, двоично несовместима с программами x86-64.
  • 64-битные расширения VIA Technologies , используемые в VIA Nano . процессорах
• IBM PowerPC / Power ISA :
  • Процессор IBM Power10 и его предшественники, а также IBM A2 . процессоры
• Архитектура SPARC V9:
  • S7 Процессоры Oracle M8 и
  • Fujitsu SPARC64 XII и SPARC64 XIFX Процессоры
• IBM z/Architecture , 64-битная версия архитектуры ESA/390 IBM IBM Z , используемая в мэйнфреймах :
  • Процессор IBM Telum и его предшественники
  • Хитачи AP8000E
• MIPS Technologies ' MIPS64 Архитектура
• ARM Holdings AArch64 Архитектура
• Эльбрусская архитектура:
  • Эльбрус-8С
• Архитектура NEC SX
  • SX-Аврора ЦУБАСА
• РИСК-V
• АРК

Большинство 64-битных архитектур, созданных на основе той же 32-битной архитектуры, могут выполнять код, написанный для 32-битных версий, без потери производительности. Этот вид поддержки обычно называют поддержкой двух дуг или, в более общем смысле, поддержкой нескольких дуг .

См. также

• Память компьютера

Внешние ссылки

• Руководство по переходу на 64-разрядную версию, Библиотека разработчиков Mac
• Карпов Андрей. «Сборник примеров 64-битных ошибок в реальных программах» .
• Килгард, Марк Дж. «Готов ли ваш X-код к 64-битной версии?» . Архивировано из оригинала 3 июня 2001 года . Проверено 26 сентября 2012 г.
• Уроки по разработке 64-битных приложений на C/C++
• 64-битные модели программирования: почему LP64?
• Архитектура AMD64 (EM64T)