В статье кратко рассматривается архитектура AMD64 компании AMD и ее реализация EM64T компании Intel. Описаны особенности архитектуры, ее возможности, достоинства и недостатки.
Развитие задач, решаемых с помощью вычислительной техники, постоянно повышает требования к аппаратуре, на которой эти задачи решаются. Требования к вычислительным системам класса персональных компьютеров увеличиваются уже более 20 лет год от года. Это происходит из-за желания людей решать на персональных компьютерах все более сложные задачи, которые ранее решались лишь на высокопроизводительных мэйнфреймах.
Какие же требования возникают к персональным компьютерам для решения сложных задач? Разумеется, это требования по объему оперативной памяти и быстродействию процессора (не путать с частотой!). Господствующая последнее десятилетие архитектура IA32 (Intel Architecture 32) предлагает 4Гб (2^32) оперативной памяти, из которой приложению обычно доступно только 2Гб, различные блоки регистров, а также наборы ухищрений типа блока предсказания переходов, которые должны повысить производительность системы без повышения такого абстрактного параметра как частота процессора [1].
Современные задачи для персональных компьютеров по памяти уже подходят к 2Гб, а повышение частоты процессоров не приводит к повышению производительности.
Решением проблемы ограничений современных 32-битных машин в какой-то степени стало появление 64-битных архитектур SPARC64 и Intel Itanium. Однако они предназначены для hi-end систем и недоступны в качестве дешевых решений. По настоящему массовыми предназначено стать архитектуре AMD64 компании AMD и ее реализации EM64T компании Intel. Эти архитектуры являются близнецами и программы, скомпилированные для одной из них, запускаются и на другой. Однако исторически первой появилось именно решение от AMD. EM64T является всего лишь фактически реализацией AMD64 от Intel. Архитектура AMD64 в настоящее время реализована в процессорах всех классов: мобильных, рабочих станциях, серверах.
Несмотря на явные преимущества платформы AMD64 (о которых подробно говорится в представленной статье), ничего революционно нового в вычислительной технике она не несет. Переход от 32-х бит к 64-м не привел к качественным улучшениям, в то время как прошлый подобный переход от 16-ти к 32-битам заметно повысил надежность и производительность систем.
Архитектура AMD64 полностью описывается в пяти томах документации, предоставляемой компанией AMD. В этой главе представлен краткий обзор, основанный на первом томе [2]. Обратим внимание на то, что в официальной документации данная архитектура обозначается как AMD x86-64, что подчеркивает ее обратную совместимость.
Архитектура AMD x86-64 простое, но в то же время мощное обратно-совместимое расширение устаревшей промышленной архитектуры x86 [1]. Она добавляет 64-битное адресное пространство и расширяет регистровые ресурсы для поддержки большей производительности для перекомпилированных 64-битных программ, обеспечивая поддержку устаревшего 16-битного и 32-битного кода приложений и операционных систем без их модификации или перекомпиляции.
Необходимость 64-битной x86 архитектуры определяется приложениями, которым необходимо большое адресное пространство. Это высокопроизводительные серверы, системы управления базами данных, CAD-системы и конечно игры. Такие приложения получат преимущество от 64-битного адресного пространства и увеличения количества регистров. Малое количество регистров, доступное в устаревшей x86 архитектуре ограничивает производительность в вычислительных задачах. Увеличенное количество регистров обеспечивает достаточную производительность для многих приложений.
Архитектура x86-64 вводит две новые особенности:
1. расширенные регистры (рисунок 1):
2. специальный режим "Long Mode" (устоявшегося перевода пока нет), который представлен в таблице 1:
Рисунок 1. Набор регистров x86-64
Таблица 1. Режимы работы процессора
Таблица 2 содержит сравнение ресурсов регистров и стека, доступных приложению в различных режимах. Левые колонки показывают ресурсы устаревшей x86 архитектуры, которые доступны только для совместимости. Правые колонки показывают ресурсы доступные в 64-битном режиме. Серым цветом показано отличие между режимами.
Таблица 2. Регистры и стек, доступные в различных режимах
Как показано в таблице 2, устаревшая архитектура x86 (такой режим называется legacy mode в x86-64) поддерживает 8 регистров общего назначения. Однако в действительности, в основном, используются лишь 4 регистра EAX, EBX, ECX, EDX. Регистры EBP, ESI, EDI, ESP имеют специальное назначение. Архитектура x86-64 добавляет 8 новых регистров общего назначения и увеличивает размер регистров с 32-х до 64-х бит. Это позволяет компиляторам повышать производительность кода. 64-битный компилятор может лучше использовать регистры для хранения переменных. Компилятор также может минимизировать обращения к памяти, локализуя работу внутри регистров общего назначения.
Архитектура x86-64 поддерживает весь набор инструкций x86 и добавляет некоторые новые инструкции для поддержки long-режима. Команды разбиты на несколько подмножеств:
Некоторые из этих команд соединяют два или более подмножества описанных выше команд. Например, это команды пересылки данных между регистрами общего назначения и XMM или MMX регистрами.
Рассмотрим более подробно представленные в таблице 1 режимы работы, поддерживаемые архитектурой x86-64. В большинстве случаев размеры адресов и операндов могут быть перекрыты префиксом команды.
Сначала опишем long-режим. Это расширение устаревшего защищенного (protected) режима. Long-режим состоит из двух подвидов: 64-битный режим и режим совместимости. 64-битный режим поддерживает все новые возможности и регистровые расширения, введенные в x86-64. Режим совместимости поддерживает бинарную совместимость с существующим 16-битным и 32-битным кодом. Long-режим не поддерживает устаревший реальный (real) режим или устаревший виртуальный (virtual-8086) режим, а также не поддерживает аппаратное переключение задач.
Поскольку 64-битный режим поддерживает 64-битное адресное пространство, то для его работы необходимо использовать новую 64-битную операционную систему. Существующие приложения при этом могут запускаться без перекомпиляции в режиме совместимости под операционной системой, работающей в 64-битном режиме. Для 64-битной адресации команд используется 64-битный регистр (RIP) и новый режим адресации с единым плоским (flat) адресным пространством и единым пространством для кода, стека и данных.
64-битный режим реализует поддержку расширенных регистров через новую группу префиксов команд REX.
В 64-битном режиме размер адресов по умолчанию 64 бита, однако реализации x86-64 могут иметь меньший размер. Размер операнда по умолчанию 32 бита. Для большинства инструкций размер операнда по умолчанию может быть перекрыт с использованием префикса команд типа REX.
64-битный режим обеспечивает адресацию данных относительно 64-битного регистра RIP. x86 архитектура обеспечивала адресацию относительно IP регистра только в командах передачи управления. RIP-относительная адресация повышает эффективность позиционно-независимого кода и кода, который адресует глобальные данные.
Несколько кодов операций (opcode) команд были переопределены для поддержки расширенных регистров и 64-битной адресации.
Режим совместимости предназначен для выполнения в 64-битной операционной системе существующих 16-битных и 32-битных программ. Приложения запускаются в режиме совместимости с использованием 32- или 16-битного адресного пространства и могут иметь доступ к 4Гб виртуального адресного пространства. Префиксы команд могут переключать 16- и 32-битные адреса и размеры операндов.
С точки зрения приложения, режим совместимости выглядит как устаревший защищенный режим x86, однако с точки зрения операционной системы (трансляция адресов, обработки прерываний и исключений) используются 64-битные механизмы.
Устаревший (legacy) режим обеспечивает бинарную совместимость не только с 16- и 32-битными приложениями, но и с 16- и 32-битными операционными системами. Он включает в себя три режима:
Устаревший (legacy) режим используется только при работе 16- и 32-битных операционных систем.
Подчеркнем основные достоинства архитектуры AMD x86-64:
Серьезных недостатков в 32-битную архитектуру новая архитектура AMD x86-64 не внесла. Отметить можно разве лишь чуть большие требования программ к памяти из-за того, что увеличился размер адресов и операндов. Однако это серьезно не скажется ни на размере кода, ни на требованиях к объему доступной оперативной памяти.
Но фактом является и то, что AMD x86-64 не привнесла ничего существенно нового. Нет принципиального повышения производительности. В среднем после перекомпиляции программы можно ожидать прирост производительности в пределах 5-15%.
Практически все современные операционные системы сейчас имеют версии для архитектуры AMD64. Так Microsoft предоставляет Windows XP 64bit, Windows Server 2003 64bit, Windows Vista 64bit. Крупнейшие разработчики UNIX систем также поставляют 64-битные версии, как например Linux Debian 3.1 x86-64. Однако это не означает, что весь код такой системы является полностью 64-битным. Часть кода ОС и многие приложения вполне могут оставаться 32-битными, т.к. AMD64 обеспечивает обратную совместимость.
64-битная версия Windows, к примеру, использует специальный режим WoW (Windows-on-Windows 64), который транслирует вызовы 32-битных приложений к ресурсам 64-битной операционной системы. Рассмотрим более подробно программную модель AMD64, доступную программисту в 64-битной системе Windows, для краткости называемой Win64.
Начнем с адресного пространства. Хотя 64-битный процессор теоретически может адресовать 16 экзабайт памяти (2^64), Win64 в настоящий момент поддерживает 16 терабайт (2^44). Этому есть несколько причин. Текущие процессоры могут обеспечивать доступ лишь к 1 терабайту (2^40) физической памяти. Архитектура (но не аппаратная часть) может расширить это пространство до 4 петабайт (2^52). Однако в любом случае, необходимо огромное количество памяти для страничных таблиц, отображающих память (см. таблицу 3).
|
32-битный режим |
64-битный режим |
|
|---|---|---|
|
Общее адресное пространство процесса |
4Гб |
16Тб |
|
Адресное пространство, доступное 32-битному процессу |
2Гб (3Гб, если система загружена с ключом /3GB) |
4Гб, если приложение скомпилировано с ключом /LARGEADDRESSAWARE (2Гб иначе) |
|
Адресное пространство, доступное 64-битному процессу |
Невозможно |
8Тб |
|
Нерезидентный пул (paged pool) |
470Мб |
128Гб |
|
Резидентный пул (non-paged pool) |
256Мб |
128Гб |
|
System Page Table (PTE) |
660Мб - 900Мб |
128Гб |
Таблица 3. Основные ограничения памяти в Windows
Как и в Win32, адресуемый диапазон памяти делится на пользовательские адреса и на системные. Каждый процесс получает 8Тб и 8Тб остается системе (в отличие от 2Гб и 2Гб в Win32 соответственно). Различные версии Windows имеют различные ограничения, представленные в таблице 4.
|
Физическая память и количество процессоров |
32-битные модели |
64-битные модели |
|---|---|---|
|
Windows XP Home |
4 Гбайт, 1 CPU |
Не существует |
|
Windows XP Professional |
4 Гбайт, 1-2 CPU |
128 Гбайт, 1-2 CPU |
|
Windows Server 2003, Standard |
4 Гбайт, 1-4 CPU |
32 Гбайт, 1-4 CPU |
|
Windows Server 2003, Enterprise |
64 Гбайт, 1-8 CPU |
1 Тбайт, 1-8 CPU |
|
Windows Server 2003, Datacenter |
64 Гбайт, 8-32 CPU |
1 Тбайт, 8-64 CPU |
|
Windows Server 2008, Datacenter |
64 Гбайт, 2-64 CPU |
2 Тбайт, 2-64 CPU |
|
Windows Server 2008, Enterprise |
64 Гбайт, 1-8 CPU |
2 Тбайт, 1-8 CPU |
|
Windows Server 2008, Standard |
4 Гбайт, 1-4 CPU |
32 Гбайт, 1-4 CPU |
|
Windows Server 2008, Web Server |
4 Гбайт, 1-4 CPU |
32 Гбайт, 1-4 CPU |
|
Vista Home Basic |
4 Гбайт, 1 CPU |
8 Гбайт, 1 CPU |
|
Vista Home Premium |
4 Гбайт, 1-2 CPU |
16 Гбайт, 1-2 CPU |
|
Vista Business |
4 Гбайт, 1-2 CPU |
128 Гбайт, 1-2 CPU |
|
Vista Enterprise |
4 Гбайт, 1-2 CPU |
128 Гбайт, 1-2 CPU |
|
Vista Ultimate |
4 Гбайт, 1-2 CPU |
128 Гбайт, 1-2 CPU |
Таблица 4.Ограничения различных версий Windows.
Также как и в Win32 размер страницы составляет 4Кб. Первые 64Кб адресного пространства никогда не отображаются, т.е. наименьший правильный адрес это 0x10000. В отличие от Win32, системные DLL загружаются выше 4Гб.
Все процессоры, реализующие AMD64, имеют поддержку для "CPU No Execution" бита, который Windows использует для реализации аппаратной технологии "Data Execution Protection" (DEP), которая запрещает исполнение пользовательских данных вместо кода. Это позволяет повысить надежность программ, исключая влияние ошибок типа выполнения буфера с данными как кода.
Особенность компиляторов для AMD64 в том, что они могут наиболее эффективно использовать регистры для передачи параметров в функции, вместо использования стека. Это позволило разработчикам Win64 архитектуры избавиться от такого понятия как соглашение о вызовах (calling convention). В Win32 можно использовать разные соглашения (способы передачи параметров): __stdcall, __cdecl, __fastcall и т.д. В Win64 есть только одно соглашение о вызовах. Рассмотрим пример, как передаются в регистрах четыре аргумента типа integer:
Аргументы после первых четырех integer передаются на стеке. Для float аргументов используются XMM0-XMM3 регистры, а также стек.
Разница в соглашениях о вызове приводит к тому, что в одной программе нельзя использовать и 64-битный, и 32-битный код. Другими словами, если приложение скомпилировано для 64-битного режима, то все используемые библиотеки (DLL) также должны быть 64-битными.
При написании 64-битного кода можно получить дополнительный выигрыш в производительности за счет специальной оптимизации. Подробно этот вопрос рассмотрен в руководстве по оптимизации [3].
Одним из назначений языков высокого уровня является по возможности сократить привязку программного кода к архитектуре и обеспечить максимально возможную переносимость между аппаратными платформами. Например, правильно написанные программы на языке Си++ теоретически не зависят от аппаратной платформы. И для компиляции существующих 32-битный приложений под платформу AMD64 в идеале достаточно просто сменить компилятор [4] и просто перекомпилировать программу. Но на практике дела обстоят более сложно.
До сих пор существует программное обеспечение, использующий ассемблерный код для 32-битных процессоров. Многие программы, написанные на языках высокого уровня, содержат ассемблерные вставки. Поэтому просто перекомпилировать большой проект часто бывает невозможно. Решение проблемы понятно. Во-первых, можно отказаться от переноса приложения на новую платформу. Это может быть весьма разумным решением, так как, например операционные системы семейства Windows обеспечивают хорошую обратную совместимость, благодаря технологии Wow64. Второй вариант - переписать программный код. Причем разумным выглядит его переписывание с использованием языков высокого уровня. Кстати заметим, что компилятор Visual C++ более не поддерживает компиляцию ассемблерных вставок в 64-битном режиме компиляции [5].
Наличие ассемблерного программного кода не единственное препятствие при освоении 64-битных систем. При переносе программ на 64-битные системы возникают разнообразные ошибки, связанные с изменением модели данных (размерности типов). Причем ряд ошибок проявляет себя только при использовании большого объема памяти, который был не доступен на 32-битных системах. Подобные ошибки хорошо описаны в статье "20 ловушек переноса Си++ - кода на 64-битную платформу" [6].
Сказанное выше относится больше к приложениям, разработанным на языке Си/Си++. С управляемым кодом (C#) дела обстоят лучше, хотя и здесь можно ожидать мелких неполадок. К сожалению, большие программные комплексы часто строятся с использованием библиотек, созданных на языках Си/Си++. И поэтому в случае крупного проекта, написанного на C#, скорее всего найдутся модули или библиотеки на языке Си/Си++, которые могут быть небезопасны и содержать уязвимости.
Для тестирования и проверки программного кода, переносимого на 64-битную платформу можно использовать различные специальные методики и инструменты [7]. Например, хорошие результаты дает использование статических анализаторов, таких как Viva64 (для Windows систем) и PC-Lint (для Unix систем). Более подробно с этим инструментарием можно познакомиться в статье "Сравнение диагностических возможностей анализаторов при проверке 64-битного кода" [8].
Предложенная компанией AMD архитектура AMD64 несомненно оказалась востребованной на рынке. Достоинство AMD64 в том, что она позволяет плавно перейти на 64-битные программы, при этом не теряя совместимости со старыми 32-битными приложениями. Однако ничего революционного в AMD64 нет.
Миграция 32-битных программ на AMD64, как показывают эксперименты, позволяет, во-первых, решать задачи, существенно более требовательные к памяти, а, во-вторых, получить порядка 10% прироста производительности "просто так", без изменения кода, за счет оптимизации компилятором приложения под новую архитектуру.
Можно сделать вывод, что архитектура AMD64 на много лет отодвинула проблему ограничения доступного объема оперативной памяти, но не решила проблем роста производительности современных персональных машин. Будущее остается за многоядерными и многопроцессорными системами.
