AMD64
AMD64 (также x86-64/Intel64/EM64T/x64) — 64-битная архитектура микропроцессора и соответствующий набор инструкций, разработанные компанией AMD. Это расширение архитектуры x86 с полной обратной совместимостью. Набор инструкций x86-64 в настоящее время поддерживается процессорами AMD Athlon 64, Athlon 64 FX, Athlon 64 X2, Phenom, Turion 64, Sempron. Этот набор инструкций был лицензирован основным конкурентом AMD — компанией EM64T (Intel 64) (ранее известные как EM64T и IA-32e) в поздних моделях процессоров Pentium 4, а также в Pentium D, Pentium Extreme Edition, Celeron D, Core 2 Duo и Microsoft и Sun Microsystems используют для обозначения этого набора инструкций термин x64, однако, каталог с файлами для архитектуры в дистрибьютивах Microsoft называется amd64 (ср. i386 для архитектуры x86).
Содержание
Как правильно называть
Существует несколько вариантов названий этой технологии, которые, порой, приводят к путанице и могут ввести пользователя в заблуждение.
- x86-64. Первоначальный вариант. Именно под этим названием фирмой AMD была опубликована первая предварительная спецификация.
- AA-64. Так архитектуру окрестил популярный неофициальный справочник IA-64, и по-прежнему так её называющий, как AMD Architecture 64.
- Hammer Architecture. Иногда встречалось название по первым разрабатываемым ядрам процессоров, получившим названия Clawhammer (гвоздодёр) и Sledgehammer (кувалда) иногда называемых просто Hammer (молоток).
- AMD64. После выпуска первых Hammer’ов в названии архитектуры появилось название фирмы-разработчика Advanced Micro Devices. Сейчас является официальным для реализации AMD.
- Yamhill Tehnology. Первое название
- EM64T. Первое официальное название реализации Intel. Расшифровывалось как Extended Memory 64 Technology.
- IA-32e. Иногда встречалось совместно с EM64T, чаще для обозначения длинного режима, который в документации Intel называется «режимом IA-32e».
- Intel 64. Текущее официальное название архитектуры Intel. Постепенно Intel отказывается от наименований IA-32, IA-32e и EM64T в пользу этого названия, которое теперь является единственным официальным для этой архитектуры.
- x64 Официальное название версий операционных систем Windows и Solaris, также используемое как название архитектуры фирмами Sun Microsystems.
На сегодняшний день наиболее распространёнными являются AMD64, x86-64 и x64. Порой упоминание AMD вводит пользователей в заблуждение, вплоть до того, что они отказываются скачивать дистрибутивы родных версий ОС, мотивируя это тем, что на их Intel-процессоре версия для AMD не пойдёт. На самом деле распространители ПО используют название amd64 лишь потому, что именно AMD была пионером в разработке этой технологии. Бывает, что пользователи путают архитектуру Intel 64 с IA-64, ошибочно скачивая ПО для этой архитектуры, и с удивлением обнаруживают, что программа не запускается. Во избежание подобных ошибок, всегда следует помнить, что Intel 64 и . Представители Intel 64 — это Pentium 4 (последние модели), ряд моделей Celeron D, семейство Core 2 и некоторые модели Intel Atom. Представители IA-64 — это семейства Itanium 2.
Режимы работы
Процессоры архитектуры поддерживают два режима работы: Long mode («длинный» режим) и Legacy mode («наследственный», режим совместимости с x86).
Long Mode
«Длинный» режим — «родной» для процессоров AMD64. Этот режим позволяет воспользоваться всеми дополнительными возможностями, предоставляемыми архитектурой AMD64. Для использования этого режима необходима 64-битная операционная система, например, Windows XP Professional x64 Edition,Windows Vista x64 или 64-битные варианты GNU/Linux, Solaris (смешаная 32/64 сборка с разными ядрами для 32- и 64-битных процессоров), Mac OS X (смешанная 32/64 сборка с 32-битным ядром, начиная с версии 10.4.7). Этот режим позволяет выполнять 64-битные программы; также (для обратной совместимости) предоставляется поддержка выполнения 32-битного кода, например, 32-битных приложений, хотя 32-битные программы не смогут использовать 64-битные системные библиотеки, и наоборот. Чтобы справиться с этой проблемой, большинство 64-разрядных операционных систем предоставляют два набора необходимых системных файлов: один — для родных 64-битных приложений, и другой — для 32-битных программ. (Этой же методикой пользовались ранние 32-битные системы — например, Windows 95 — для выполнения 16-битных программ). В «длинном» режиме упразднен ряд «рудиментов» архитектуры 8086, сегментированная модель памяти (однако, осталась возможность использования сегментов FS и GS, что полезно для быстрого нахождения важных данных потока при переключении задач), аппаратная мультизадачность, а также ряд команд, как реализующих упраздненные возможности, так и работающие с BCD-числами, которые в новых программах практически не использовались. Среди особенностей «длинного» режима, следует отметить тот факт, что он активируется установкой флага CR0.PG, который используется для включения страничного MMU (при условии что такое переключение разрешено (EFER.LME=1), в противном случае просто произойдет включение MMU в «наследственном» режиме). Таким образом, невозможно исполнение 64-битного кода с запрещенным страничным преобразованием. Это создает определенные трудности в программировании, поскольку при переключении из «длинного» в «наследственный» режим и обратно (например, для вызова функций DOS, монитором виртуальной машины, и т. д.) требуется двойной сброс MMU, для чего код переключения должен находиться в тождественно отображённой странице.
Legacy Mode
Данный «наследственный» режим позволяет процессору AMD64 выполнять инструкции, рассчитанные для процессоров x86, и предоставляет полную совместимость с 32/16-битным кодом и операционными системами. В этом режиме процессор ведёт себя точно так же, как x86-процессор, например Pentium 4, и дополнительные функции, предоставляемые архитектурой AMD64 (например, дополнительные регистры) недоступны. В этом режиме 64-битные программы и операционные системы работать не будут (если, конечно, не используется виртуализация).
Особенности архитектуры
Разработанный компанией AMD набор инструкций x86-64 (позднее переименованный в AMD64) — расширение архитектуры Intel IA-32 (x86-32). Основной отличительной особенностью AMD64 является поддержка 16-ти 64-битных регистров общего назначения (против 8-и 32-битных в x86-32), 64-битных арифметических и логических операций над целыми числами и 64-битных виртуальных адресов. Для адресации новых регистров для команд введены так называемые «префиксы расширения регистра», для которых был выбран диапзон кодов 40h-4Fh, использующихся для команд INC и DEC в 32- и 16-битных режимах. Команды INC и DEC в 64-битном режиме должны кодироваться в более общей, двухбайтовой форме.
Архитектура x86_64 имеет:
- 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 (MM0 — MM7, имеют общее пространство с регистрами ST0 — ST7),
- 16 128-битных регистров
- 64-битный указатель RIP и 64-битный регистр флагов RFLAGS.
Смерть и возрождение сегментной модели организации памяти
Разрабатывая архитектуру x86-64, инженеры корпорации AMD решили навсегда покончить с главным «рудиментом» архитектуры x86 — сегментной моделью памяти, которая передавалась по наследству ещё со времён 8086/80286. Однако, как потом оказалось, они очень погорячились. Архитектура стала абсолютно невиртуализируемой. При разработке новой версии своего продукта для виртуализации программисты компании VMWare столкнулись с непреодолимыми трудностями при реализации 64-битной виртуальной машины. Поскольку, для отделения кода монитора от кода «гостя» программой использовался механизм сегментации, эта задача стала практически неразрешимой. Осознав свою ошибку, AMD вернула ограниченный вариант сегментной организации памяти начиная с ревизии D архитектуры AMD64, что позволило запускать 64-битные ОС в виртуальных машинах. VMWare предоставляет вместе со своими продуктами специальную утилиту. Также следует отметить, что первоначально попавшие «под нож» команды LAHF и SAHF, которые также активно используются ПО виртуализации, затем также были возвращены в систему команд. С распространением средств аппаратной виртуализации (Intel VT, AMD-V) потребность в сегментации вновь постепенно отпадет, однако VMWare по-прежнему активно её использует, и поддержки AMD-V даже на сегодняшний день в её продуктах нет.
Источник
x86-64
x86-64 (x64/AMD64/Intel64/EM64T) — аппаратная платформа. Автором технологии является компания AMD. Платформа создана для выполнения 64-разрядных приложений.
Представляет собой расширение x86-архитектуры, обладает практически полной обратной совместимостью.
Компании Microsoft и Oracle применяют для индикации данного набора инструкций термин «x64», хотя каталог с файлами в дистрибутивах Linux имеет название «amd64» (в случае с архитектурой x86, именуется как «i386»).
На сегодняшний день, платформу x86-64 поддерживают следующие компании:
- AMD: процессоры Z-серии, C-серии, G-серии, E-серии, E1, E2, A4, A6, A8, A10, FX, Athlon 64, Athlon 64 FX, Athlon 64 X2, Athlon II, Phenom, Phenom II, Turion 64, Turion 64 X2, Turion II, Opteron, последние модели Sempron;
- Intel: реализует данную платформу, используя название «Intel 64» («EM64T» и «IA-32e»). Поздние модели процессоров Pentium 4, серии Pentium D, Pentium Extreme Edition, Celeron D, Celeron G-серии, Celeron B-серии, Pentium Dual-Core, Pentium T-серии, Pentium P-серии, Pentium G-серии, Pentium B-серии, Core 2 Duo, Core 2 Quad, Core 2 Extreme, Core i3, Core i5, Core i7, Atom и Xeon;
- VIA: Nano, Eden, QuadCore.
Название
Есть несколько вариаций названия данной технологии. Порой, противоречия в именовании платформы в каждой отдельной компании создают общую путаницу. Попробуем разобраться в терминологии:
- x86-64 — изначальный вариант названия, под которым компания AMD опубликовала первую предварительную спецификацию.
- x64 — название версий ОС Windows и Solaris. Используется в качестве названия для архитектуры компаний Microsoft и Sun Microsystems.
- AA-64(AMD Architecture 64) — название архитектуры, автором которого стал известный неофициальный справочник sandpile.org, по аналогии с IA-64.
- Hammer Architecture— название основывается на первых ядрах процессоров, поддерживавших данную архитектуру — Clawhammer и Sledgehammer.
- AMD64 — название технологии, данное фирмой-разработчиком — компанией AMD. Появилось после выпуска первых Clawhammer и Sledgehammer процессоров. На данный момент, является официальным названием для реализации от AMD.
- Yamhill Tehnology— первичное название аналогичной технологии от Intel. Порой также встречалось название CT (Clackamas Technology).
- EM64T(Extended Memory 64 Technology) — первое официальное название реализации Intel.
- IA-32e — название порой употреблялось вместе с EM64T. В основном, использовалось для обозначения «длинного» режима (в документации Intel именуется «режимом IA-32e»).
- Intel 64 — новое официальное название архитектуры Intel, использующееся в настоящее время. Intel потихоньку отходит от названий IA-32, IA-32e и EM64T, используя это. Теперь оно является единственным официальным названием данной архитектуры со стороны компании Intel.
В настоящее время, самыми распространенными названиями выступают: «x64», «x86-64» и «AMD64». Порой это путает AMD-пользователей — вплоть до отказа использования родных дистрибутивов ОС: пользователь не уверен, будет ли работать выбранная версия на AMD процессоре. На самом же деле, распространители программного обеспечения применяют название amd64 лишь для того, чтобы подчеркнуть, что именно компания AMD является новатором в разработке данной технологии.
Зачастую, пользователи сами путают архитектуру Intel 64 с IA-64. Важно помнить, что Intel 64 и IA-64 — совершенно разные, несовместимые между собой платформы:
- Представители Intel 64: последние версии Pentium 4, некоторые модели Celeron D, линейка Core 2, Core i3, Core i5, Core i7, некоторые модели Intel Atom;
- Представители IA-64: семейства Itanium и Itanium 2.
Режимы
Имеется два режима работы данной архитектуры:
- Long mode(«длинный» режим);
- Legacy mode(«наследственный» режим).
«Long Mode»
«Длинный» режим, будучи родным для AMD64, позволяет воспользоваться всеми дополнительными преимуществами архитектуры. Для активации данного режима требуется 64-битная ОС. К примеру, Windows 7 x64 или 64-битные версии UNIX-подобных систем (GNU/Linux, FreeBSD, OpenBSD, NetBSD, Solaris, Mac OS X — от версии 10.4.7 и выше).
Данный режим дает возможность работать 64-битным программам, кроме того, доступна и обратная совместимость: имеется поддержка 32-битного кода для работы 32-битных приложений. Но 32-битные программы не имеют возможности читать 64-битные системные библиотеки, а также — наоборот. Для того, чтобы побороть эти ограничения, большая часть 64-разрядных операционных систем предоставляет два набора необходимых системных файлов (для родных 64-битных приложений и для их 32-битных версий). Такая же методика применялась в ранних 32-битных системах (Windows 95) для запуска 16-битных программ.
«Длинный» режим не содержит в себе некоторые «рудименты» x86-архитектуры. Например, режим виртуального 8086, сегментированную модель памяти, аппаратную мультизадачность, и прочее.
«Длинный» режим имеет одну яркую особенность: его активация производится посредством установки флага CR0.PG. Он применяется для включения страничного MMU (если это переключение разрешено (EFER.LME=1). Если переключение недопустимо, включение MMU происходит в «наследственном» режиме.
Так, исполнение 64-битного кода с запрещенным страничным преобразованием невозможно, что приводит к определенным сложностям в программировании, ведь при переключении из «длинного» в «наследственный» режим (и обратно) необходим двойной сброс MMU. Для этого код переключения должен быть в тождественно отображенной странице.
«Legacy Mode»
Этот режим зовется «наследственным» по той причине, что дает возможность процессору AMD64 работать с инструкциями, которые рассчитаны для x86-процессоров. Кроме того, в рамках активации данного режима, осуществляется полная совместимость с 32-битным кодом и соответствующими ОС.
Процессор в «наследственном» режиме работает точно так же, как стандартный x86-процессор. Дополнительные функции, доступные под архитектурой AMD64, становятся неактивны.
При активации данного режима, 64-битные программы и соответствующие операционные системы функционировать не будут.
Особенности
Набор инструкций x86-64 (позже — AMD64), выпущенный компанией AMD — это расширение Intel IA-32 (x86-32). Ключевая отличительная черта AMD64 кроется в поддержке 64-битных регистров общего назначения, а также 64-битных арифметических/логических операций над целыми числами и 64-битных виртуальных адресов.
Чтобы осуществить адресацию регистров, для команд введены специальные «префиксы расширения регистра». Специально для них был выбран диапазон кодов 40h-4Fh, использующихся для команд INC и DEC в 32-битных режимах. Команды INC и DEC в 64-битном режиме кодируются в общей двухбайтовой форме.
Платформа x86-64 включает в себя:
- Шестнадцать целочисленных 64-битных регистра общего назначения (RAX, RBX, RCX, RDX, RBP, RSI, RDI, RSP, R8 — R15);
- Восемь 80-битных регистров с плавающей точкой (ST0 — ST7);
- Восемь 64-битных регистров Multimedia Extensions (MM0 — MM7, общее пространство с регистрами ST0 — ST7);
- Шестнадцать 128-битных регистров SSE (XMM0 — XMM15);
- 64-битный указатель RIP и 64-битный регистр флагов RFLAGS.
Сегментирование
В ходе создания архитектуры x86-64, специалисты компании AMD пришли к решению окончательно покончить с главным «рудиментом» архитектуры x86 — сегментной моделью памяти. Она поддерживалась еще во времена 8086/80286.
При создании новой версии продукта виртуализации, программисты VMware обнаружили ряд непреодолимых трудностей. Загвоздки возникали в процессе реализации виртуальной машины для 64-битных систем. Чтобы отделить код монитора от кода «гостя», программа применяла механизм сегментации, но данная задача так и не была реализована на практике.
После ряда неудачных экспериментов, компания AMD возобновила ограниченный вариант сегментной организации памяти (начиная с ревизии D архитектуры AMD64). Это дало возможность запускать 64-битные операционные системы в виртуальных машинах. Компания Intel не стала следовать такому примеру. Чтобы осуществить проверку процессора на предмет возможности запуска 64-битных гостевых операционных систем, VMware снабжает продукты специальной утилитой.
Команды LAHF и SAHF, вырезанные изначально, были возвращены в систему команд из-за их активного использования в программном обеспечении виртуализации.
По мере развития средств аппаратной виртуализации (Intel VT, AMD-V), необходимость в сегментации постепенно утрачивается.
Источник
