Статья раскрывает смысл термина "64 бита". В статье кратко рассмотрена история развития 64-битных систем, описаны наиболее распространенные на данный момент 64-битные процессоры архитектуры Intel 64 и 64-битная операционная система Windows.
В рамках архитектуры вычислительной техники под термином "64-битный" понимают 64-битные целые и другие типы данных, имеющих размер 64 бита. Под "64-битными" системами могут пониматься 64-битные архитектуры микропроцессоров (например, EM64T, IA-64) или 64-битные операционные системы (например, Windows XP Professional x64 Edition). Можно говорить о компиляторах, генерирующих 64-битный программный код.
В данной статье будут рассмотрены различные моменты, связанные с 64-битными технологиями. Статья предназначена для программистов, желающих начать разрабатывать 64-битные программы, и ориентирована на Windows-разработчиков, поскольку для них вопрос знакомства с 64-битными системами наиболее актуален.
64-битность только недавно вошла в жизнь большинства пользователей и прикладных программистов. Однако работа с 64-битными данными имеет уже длинную историю.
1961: IBM выпускает суперкомпьютер IBM 7030 Stretch, в котором используются 64-битные слова данных, 32-битные или 64-битные машинные инструкции.
1974: Control Data Corporation запускает векторный суперкомпьютер CDC Star-100, в котором используется архитектура 64-битных слов (предыдущие системы CDC имели 60-битную архитектуру).
1976: Cray Research выпускает первый суперкомпьютер Cray-1, в котором реализована архитектура 64-битных слов и который послужит основой для всех последующих векторных суперкомпьютеров Cray.
1985: Cray выпускает UNICOS - первую 64-битную реализацию операционной системы Unix.
1991: MIPS Technologies производит первый 64-битный процессор, R4000, в котором реализована третья модификация разработанной в их компании архитектуры MIPS. Этот процессор используется в графических рабочих станциях SGI начиная с модели IRIS Crimson. Kendall Square Research выпускает свой первый суперкомпьютер KSR1, построенный на основе их собственной запатентованной 64-битной архитектуры RISC под операционной системой OSF/1.
1992: Digital Equipment Corporation (DEC) представляет полностью 64-битную архитектуру Alpha - детище проекта PRISM.
1993: DEC выпускает 64-битную Unix-подобную операционную систему DEC OSF/1 AXP (позже переименованную в Tru64 UNIX) для своих систем, построенных на архитектуре Alpha.
1994: Intel объявляет о своих планах по разработке 64-битной архитектуры IA-64 (совместно с компанией Hewlett-Packard) - преемника их 32-битных процессоров IA-32. Дата выпуска назначена на 1998-1999 годы. SGI выпускает IRIX 6.0 с 64-битной поддержкой чипсета R8000.
1995: Sun запускает 64-битный процессор семейства SPARC UltraSPARC. HAL Computer Systems, подчиненная Fujitsu, запускает рабочие станции, созданные на основе 64-битного процессора SPARC64 первого поколения, независимо разработанного компанией HAL. IBM выпускает микропроцессоры A10 и A30, а также 64-битные процессоры PowerPC AS. IBM также выпускает 64-битное обновление для системы AS/400, способное преобразовывать операционную систему, базы данных и приложения.
1996: Nintendo представляет игровую консоль Nintendo 64, созданную на основе более дешевого варианта MIPS R4000. HP выпускает реализацию 64-битной 2.0 версии собственной архитектуры PA-RISC PA-8000.
1997: IBM запускает линейку RS64 64-битных процессоров PowerPC/PowerPC AS.
1998: Sun выпускает Solaris 7 с полной 64-битной поддержкой UltraSPARC.
1999: Intel выпускает набор команд для архитектуры IA-64. AMD публично объявляет о своем наборе 64-битных расширений для IA-32, который был назван x86-64 (позже переименован в AMD64).
2000: IBM выпускает свой первый 64-битный мэйнфрейм zSeries z900, совместимый с ESA/390, а также новую операционную систему z/OS.
2001: Intel наконец запускает линейку 64-битных процессоров, которые теперь получают название Itanium и рассчитаны на высокопроизводительные серверы. Проект не соответствует ожиданиям из-за многочисленных задержек при выпуске IA-64 на рынок. NetBSD становится первой операционной системой, которая запускается на процессоре Intel Itanium после его выхода. Кроме того, Microsoft также выпускает Windows XP 64-Bit Edition для архитектуры IA-64 семейства Itanium, хотя в ней сохраняется возможность запускать 32-битные приложения при помощи прослойки WoW64.
2003: AMD представляет линейки процессоров Opteron и Athlon 64, созданные на основе архитектуры AMD64, которая является первой 64-битной процессорной архитектурой, основанной на архитектуре x86. Apple начинает использовать 64-битный процессор "G5" PowerPC 970 производства IBM. Intel утверждает, что процессорные чипы семейства Itanium останутся единственными 64-битными процессорами, разработанными в их компании.
2004: В ответ на коммерческий успех AMD, Intel признается, что они разрабатывали клон расширений AMD64, которому дали название IA-32e (позже переименован в EM64T, и затем еще раз в Intel 64). Intel также выпускает обновленные версии семейств процессоров Xeon и Pentium 4 с поддержкой новых команд.
2004: VIA Technologies представляет свой 64-битный процессор Isaiah.
2005: 31 января Sun выпускает Solaris 10 с поддержкой процессоров AMD64 / Intel 64. 30 апреля Microsoft выпускает Windows XP Professional x64 Edition для процессоров AMD64 / Intel 64.
2006: Sony, IBM и Toshiba начинают выпуск 64-битного процессора Cell для PlayStation 3, серверов, рабочих станций и других устройств. Microsoft выпускает Windows Vista с включенной 64-битной версией для процессоров AMD64 / Intel 64, которая поддерживает 32-битную совместимость. Все Windows-приложения и компоненты являются 64-битными, однако многие из них имеют 32-битные версии, включенные в систему в виде плагинов в целях совместимости.
2009: Как и Windows Vista, Windows 7 компании Microsoft включает полную 64-битную версию для процессоров AMD64 / Intel 64, и на большинство новых компьютеров по умолчанию устанавливается 64-битная версия. Выходит операционная система компании Apple macOS X 10.6, "Snow Leopard" которая имеет 64-битное ядро и предназначена для процессоров AMD64 / Intel 64, однако по умолчанию эта система устанавливается только на некоторые из последних моделей компьютеров компании Apple. Большинство приложений, поставляемых с macOS X 10.6, теперь также являются 64-битными.
Более подробно с историей развития 64-битных систем можно познакомиться в статье Джона Машей "Долгая дорога к 64 битам" [1] и в энциклопедической статье в Wikipedia "64-bit" [2].
На момент написания статьи в 2010 году, наиболее известными и распространенными являются две 64-битные архитектуры микропроцессоров: IA64 и Intel 64.
Важно понимать, что IA-64 и Intel 64 (AMD64) это совершенно разные, несовместимые друг с другом, микропроцессорные архитектуры. Далее в статье мы будем рассматривать только архитектуру Intel 64 (x64 / AMD64), как более популярную среди разработчиков прикладного программного обеспечения для операционной системы Windows. Для краткости программную модель Intel 64, доступную программисту в 64-битной системе Windows, называют Win64.
Рассматриваемая архитектура Intel 64 простое, но в то же время мощное обратно совместимое расширение устаревшей промышленной архитектуры x86. Она добавляет 64-битное адресное пространство и расширяет регистровые ресурсы для поддержки большей производительности перекомпилированных 64-битных программ. Архитектура обеспечивает поддержку устаревшего 16-битного и 32-битного кода приложений и операционных систем без их модификации или перекомпиляции.
Отличительной особенностью Intel 64 является поддержка шестнадцати 64-битных регистров общего назначения (в x86-32 имелось восемь 32-битных регистров). Поддерживаются 64-битные арифметические и логические операции над целыми числами. Поддерживаются 64-битные виртуальные адреса. Для адресации новых регистров для команд введены "префиксы расширения регистра", для которых был выбран диапазон кодов 40h-4Fh, использующихся для команд INC <регистр> и DEC <регистр> в 32- и 16-битных режимах. Команды INC и DEC в 64-битном режиме должны кодироваться в более общей, двухбайтовой форме.
Регистры:
16 целочисленных 64-битных регистра общего назначения (RAX, RBX, RCX, RDX, RBP, RSI, RDI, RSP, R8 — R15),
8 80-битных регистров с плавающей точкой (ST0 — ST7),
8 64-битных регистров Multimedia Extensions (MM0 — MM7, имеют общее пространство с регистрами ST0 — ST7),
16 128-битных регистров SSE (XMM0 — XMM15),
64-битный указатель RIP и 64-битный регистр флагов RFLAGS.
Необходимость 64-битной архитектуры определяется приложениями, которым необходимо большое адресное пространство. В первую очередь это высокопроизводительные серверы, системы управления базами данных, САПР и, конечно, игры. Такие приложения получат существенные преимущества 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.
Подчеркнем основные достоинства архитектуры x86-64:
Практически все современные операционные системы сейчас имеют версии для архитектуры Intel 64. Например, Microsoft предоставляет Windows XP x64. Крупнейшие разработчики UNIX систем также поставляют 64-битные версии, как например Linux Debian 3.5 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, так как Intel 64 обеспечивает обратную совместимость с 32-битными приложениями. Например, 64-битная версия Windows использует специальный режим WoW64 (Windows-on-Windows 64), который транслирует вызовы 32-битных приложений к ресурсам 64-битной операционной системы.
Далее в статье мы будем рассматривать только 64-битные операционные системы семейства Windows.
Windows-on-Windows 64-bit (WoW64) - подсистема операционной системы Windows, позволяющая запускать 32-битные приложения на всех 64-битных версиях Windows.
Подсистема WoW64 не поддерживает следующие программы:
Существуют различия WoW64 в зависимости от архитектуры процессора. Например, 64-битная версия Windows разработанная для процессора Intel Itanium 2 использует WoW64 для эмуляции x86 инструкций. Такая эмуляция весьма ресурсоемка по сравнению с WoW64 для архитектуры Intel 64, так как происходит переключение с 64-битного режима в режим совместимости, при выполнении 32-битных программ.
WoW64 на архитектуре Intel 64 (AMD64 / x64) не требует эмуляции инструкций. Здесь подсистема WoW64 эмулирует только 32-битное окружение, за счет дополнительной прослойки между 32-битным приложением и 64-битным Windows API. Где-то эта прослойка тонкая, где-то не очень. Для средней программы потери в производительности из-за наличия такой прослойки составят около 2%. Для некоторых программ это значение может быть больше. Два процента это немного, но следует учитывать, что 32-битные приложения работают немного медленнее под управлением 64-битной операционной системы Windows, чем в 32-битной среде.
Компиляция 64-битного кода не только исключает необходимость в WoW64, но и дает дополнительный прирост производительности. Это связано с архитектурными изменениями в микропроцессоре, такими как увеличение количества регистров общего назначения. Для средней программы можно ожидать в пределах 5-15% прироста производительности от простой перекомпиляции.
Из-за наличия прослойки WoW64 32-битные программы работают менее эффективно в 64-битной среде, чем в 32-битной. Но все-таки, простые 32-битные приложения могут получить одно преимущество от их запуска в 64-битной среде. Вы, наверное, знаете, что программа, собранная с ключом /LARGEADDRESSAWARE:YES может выделять до 3-х гигабайт памяти, если 32-битная операционная система Windows запущена с ключом /3gb. Так вот, эта же 32-битная программа, запущенная на 64-битной системе, может выделить почти 4 GB памяти (на практике около 3.5 GB).
Подсистема WoW64 изолирует 32-разрядные программы от 64-разрядных путем перенаправления обращений к файлам и реестру. Это предотвращает случайный доступ 32-битных программ к данным 64-битных приложений. Например, 32-битное приложение, которое запускает файл DLL из каталога %systemroot%\System32, может случайно обратиться к 64-разрядному файлу DLL, который несовместим с 32-битной программой. Во избежание этого подсистема WoW64 перенаправляет доступ из папки %systemroot%\System32 в папку %systemroot%\SysWOW64. Это перенаправление позволяет предотвратить ошибки совместимости, поскольку при этом требуется файл DLL, созданный специально для работы с 32-разрядными приложениями.
Подробнее с механизмами перенаправления файловой системы и реестра можно познакомиться в разделе MSDN "Running 32-bit Applications".
Также как и в Win32 размер страниц в Win64 составляет 4Кб. Первые 64Кб адресного пространства никогда не отображаются, то есть наименьший правильный адрес это 0x10000. В отличие от Win32, системные DLL загружаются выше 4Гб.
Особенность компиляторов для Intel 64 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: __stdcall, __cdecl, __fastcall и так далее. 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.
Передача параметров через регистры является одним из новшеств, делающих 64-битные программы более производительными, чем 32-битные. Дополнительный выигрыш в производительности можно получить, используя 64-битные типы данных.
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 этом случае необходимо огромное количество памяти для страничных таблиц, отображающих память.
Помимо перечисленных ограничений, объем памяти, который доступен в той или иной версии 64-битной операционной системе Windows зависит также от коммерческих соображений компании Microsoft. Ниже приведена информация по объему памяти, поддерживаемой различными версиями 64-биными версиями Windows:
Windows XP Professional - 128 Gbyte;
Windows Server 2003, Standard - 32 Gbyte;
Windows Server 2003, Enterprise - 1 Tbyte;
Windows Server 2003, Datacenter - 1 Tbyte;
Windows Server 2008, Datacenter - 2 Tbyte;
Windows Server 2008, Enterprise - 2 Tbyte;
Windows Server 2008, Standard - 32 Gbyte;
Windows Server 2008, Web Server - 32 Gbyte;
Vista Home Basic - 8 Gbyte;
Vista Home Premium - 16 Gbyte;
Vista Business - 128 Gbyte;
Vista Enterprise - 128 Gbyte;
Vista Ultimate - 128 Gbyte;
Windows 7 Home Basic - 8 Gbyte;
Windows 7 Home Premium - 16 Gbyte;
Windows 7 Professional - 192 Gbyte;
Windows 7 Enterprise - 192 Gbyte;
Windows 7 Ultimate - 192 Gbyte;
Наиболее полно вопросы разработки 64-битных приложений рассмотрены в курсе "Уроки разработки 64-битных приложений на языке Си/Си++". Содержание:
Урок 01. Что такое 64-битные системы.
Урок 02. Поддержка 32-битных приложений.
Урок 03. Перенос кода на 64-битные системы. За и против.
Урок 04. Создание 64-битной конфигурации.
Урок 05. Сборка 64-битного приложения.
Урок 06. Ошибки в 64-битном коде.
Урок 07. Проблемы выявления 64-битных ошибок.
Урок 08. Статический анализ для выявления 64-битных ошибок.
Урок 09. Паттерн 01. Магические числа.
Урок 10. Паттерн 02. Функции с переменным количеством аргументов.
Урок 11. Паттерн 03. Операции сдвига.
Урок 12. Паттерн 04. Виртуальные функции.
Урок 13. Паттерн 05. Адресная арифметика.
Урок 14. Паттерн 06. Изменение типа массива.
Урок 15. Паттерн 07. Упаковка указателей.
Урок 16. Паттерн 08. Memsize-типы в объединениях.
Урок 17. Паттерн 09. Смешанная арифметика.
Урок 18. Паттерн 10. Хранение в double целочисленных значений.
Урок 19. Паттерн 11. Сериализация и обмен данными.
Урок 20. Паттерн 12. Исключения.
Урок 21. Паттерн 13. Выравнивание данных.
Урок 22. Паттерн 14. Перегруженные функции.
Урок 23. Паттерн 15. Рост размеров структур.
Урок 24. Фантомные ошибки.
Урок 25. Практическое знакомство с паттернами 64-битных ошибок.
Урок 26. Оптимизация 64-битных программ.
Урок 27. Особенности создания инсталляторов для 64-битного окружения.
Урок 28. Оценка стоимости процесса 64-битной миграции Си/Си++ приложений.
Авторами курса являются сотрудники компании "СиПроВер", занимающейся разработкой статического анализатора кода Viva64 для выявления ошибок в 64-битных программа. На сайте компании можно найти множество других ресурсов, посвященных разработке новых 64-битных приложений и миграции 32-битных приложений на 64-битные системы. В качестве примера можно привести раздел с обзорами статей по тематике связанной с 64-битнми технологиями.