Intel 64位处理器,Intel 64位处理器结构原理

Intel 64位处理器,Intel 64位处理器结构原理

现在人们广泛使用的是由32位微处理器构成的计算系统，但是32位的计算和操作系统不能支持应用程序直接访问4GB(2的32次方)以上的内存，4GB寻址能力是32位计算系统一道不可俞越的门槛，随着应用需求的不断发展，32位的微处理器将无法满足大容量、高负荷运算的要求，因此，采用具有更大的内存寻址规模、更强计算能力的64位微处理器将是大势所趋。目前世界上的64位微处理器主要由HP、Sum、IBM、Intel和AMD等公司所把持。

Itanium(安腾)微处理器

Itanium微处理器是Intel公司于2001年5月推出的，它是Intel公司和HP公司合作开发的IA-64(Intel Architecture-64)架构系列中的第一款通用64位微处理器，它采用0.18μm技术，主频为800MHz。2002年7月，Intel公司推出了第二代64位微处理器-Itanium2，它还是采用0.18μm技术，首次将Ll、L2和L3 Cache都集成到芯片内，共集成了大约2．2亿个晶体管，主频为1GHz。2003年6月，Intel公司又推出了新一代Itanium2产品-Madison，它采用0.13μm技术，共集成4.1亿个晶体管，主频达到了1.5GHz。

Itanium系列微处理器没有采用原有的X86指令结构，而是采用了一种新的指令集结构-EPIC。EPIC计算模式是专为实现高效并行性而设计的，旨在同时处理多个指令或进程，它具有如下优点：64位的寻址空间，大规模的并行执行内核，较强的预测能力，大容量、高速的缓存，高速的总线结构和充足的命令执行单元。在安全性方面，Itanium2支持一种先进的机器检查结构，能广泛地管理硬件、固件和操作系统中的错误，从而有效地减少死机的时间。但是，由于不再兼容原有的X86指令，只能通过译码器来兼容X86指令，这对运行32位程序会产生一定的影响，即无法确保现有的32位应用程序性能的充分发挥。

相对32位来说，x64位CPU通用寄存器(GPRs，General-Purpose Registers)的数据宽度为64位，处理器一次可以运行64位的数据。从下面的x64位处理模型图(EM64T)中可以看出，x64位处理器的指令宽度并没有改变，增大了通用寄存器和数据通道的宽度，因此可以理解为x64处理器是拥有数据宽度为64位的寄存器并且可以一次传输、运算64位的数据。

因此，对于通用寄存器来说，它主要存储整数数据(Integer)和地址数据Address(或者叫内存指针，Memory Pointer)，它们都由算术逻辑运算单元(Arithmetic Logic Unit，ALU)来运算。此外，处理通常还支持浮点数据(Floating)和多媒体数据，它们都有各自的专用寄存器和执行单元。下图为Intel 32位和64位x86处理器为例，做一个简单对比：

基于以上分析，我们可以看出x64位计算主要有两大优点：1、可以支持更大的内存寻址空间。它打破了32位下4GB内存的限制，理论上内存访问空间可以达到1800万TB，实际上采用EM64T技术的Pentium4处理器支持36位物理内存寻址和48位虚拟内存寻址，而AMD 64位处理器支持40位物理内存寻址和48位虚拟内存寻址，Windows XP x64版最高可以支持16GB物理内存和16TB虚拟内存，使得应用程序可以快速处理大量数据集合。2、可以进行更大范围的整数运算。64位整型数据的应用程序在64位硬件上进行运算可以大幅提高计算性能，减少运算时间。对于数值运算(包括三维动画、数字艺术和游戏、科学计算领域)来说非常有利。对于使用Windows x64版的用户来说，将会有更高的性能和更好的扩展性，完全一致的工作环境，对已有的32位程序提供更好的兼容性，在充分利用已在32位Windows应用程序上的投入的同时，也能够获得最新的64位技术所带来的高性能。