| | AMD发布64位处理器架构
| | 2000-08-12·
·吕晓波··YESKY
| | � 多年以来，在计算机微型处理器市场上AMD和Intel两家公司之间的竞争一直非常激烈。不过，在AMD发布Athlon处理器之前，尽管其不断的改进产品的性能，但是与具有多年传统经验和优势的Intel相比总是稍逊一筹。但是，随着Athlon处理器的出现，AMD在竞争中的不利地位得到了根本的改变。现在，AMD不仅继续在桌面，工作站和服务器市场上同Intel一争高下，而且还雄心勃勃的计划在最高端的企业级应用领域大展身手。
反观Intel也是踌躇满志，力争确保自己在行业内的龙头地位。除了继续生产面向移动，廉价，高性能和服务器市场的传统产品之外，最近又发布了新一代Pentium
4处理器。与此同时，Intel也正在积极筹备推出第一代64位处理器架构IA-64，以取代使用了20多年的IA-32
x86指令集架构（ISA）。显然，Intel希望借全新的IA-64解决x86 ISA固有的一系列问题和束缚，但是这样做所带来的一个直接后果就是IA-64将不提供对IA-32应用的向后兼容。
正是基于对向后兼容性的考虑，AMD并没有研制一种全新的64位标准，而是对现有的32-bit x86 ISA架构进行了扩展，并将升级到64位的标准命名为x86-64。这样，用户在享受64位处理器所带来的强大计算能力的同时，也可以继续使用传统的32位应用。AMD计划推出的首款采用x86-64架构的处理器为SledgeHammer，编号K8。
64位处理器的市场需求
在我们深入了解AMD x86-64架构之前，首先来说明一下为什么我们需要使用64位处理器。
回顾微处理器的发展历程，我们可以清楚的发现那些一开始被作为高端企业级计算方案使用的技术最终都会逐渐进入和渗透到桌面市场。从这种意义上说，64位处理器拥有广泛的市场基础，只不过目前对普通用户来说暂时还不适用。
64位处理器的主要目标用户是那些目前已经日益感受到32位处理器的各种局限的用户。关于64位处理器，Intel曾经说过“我们需要Itanium来设计下一代的芯片”。事实确实如此，随着晶体管数量的不断增加以及内核的日益缩小，微处理器的设计已经变得异常复杂。只有借助64位处理器的帮助，AMD和Intel的工程师们才能在今后完成更加繁重的设计工作。
同样，在汽车，卫星和其它复杂的机械设计领域，使用64位处理器同样可以大大的简化工作负荷。
超大型数据库应用也非常需要64位处理器。因为就象我们所� 的辅助设计方面的应用一样，使用64位地址可以带来更大内存寻址空间。
64位处理器可以直接处理64位整数而不必将其分割成几部分然后再进行处理。这种64位的处理能力对于象安全和加密操作这样的应用来说非常重要。
其它需要使用64位处理器的应用还包括互联网内容传递以及计算机模拟工程等。
对于普通用户来说，内存的大小对系统性能的影响非常重要。想当初4M内存就非常珍贵的日子真不知道是怎么过的。不知大家有没有想过有朝一日可以用上4G内存？有了64位处理器之后这一切就可以成为现实。64位处理器具有超过4G的内存寻址能力，至于到时候能不能充分利用这4G的内存容量就是用户自己的事情了。
发展策略
应当说AMD目前的处境非常特殊。一方面，它还没有足够的实力使Intel俯首称臣，但是另一方面AMD所具有的规模和声誉已经足够可以影响整个行业的发展方向。我们已经知道，在如何对待64位架构方面，AMD采取了与Intel完全不同的方式。这样，摆在我们面前的将会是两个完全不同的架构标准。
Intel对64位处理器所采取的策略非常简单。他们会继续向那些需要32位应用的用户提供现有的基于IA-32的产品线，包括Celeron,
Pentium III 以及即将投入市场的 Pentium 4等。广大的计算机普通用户在近期内还不会需要64位处理器，即使64位处理器最终将取代现有的32位处理器，那至少也应该是几年以后的事情了。
对于目前已经需要使用64位平台的用户来说，Intel将会向其提供IA-64作为解决方案。下图所示为第一代采用IA-64架构的Intel处理器：Itanium。
不过，这样就会产生一个问题。我们可能会发现自己一方面仍然需要高性能的运行一些32位的应用程序，另一方面又希望能够升级到64位平台以充分利用64位应用的强大性能。这时，仅仅Itanium或其它基于IA-64架构的处理器都无法解决问题。最理想的方法就是对于32位应用我们使用Pentium
4处理器，而只使用Itanium执行所有的64位操作。之所以采取这种方式是因为当运行32位应用时，Pentium
4的效能要超出只面向64位应用的Itanium。
对于AMD来说，如果沿袭IA-64的道路生产基于IA-64架构的处理器与Intel进行竞争的话，无疑在起步之初就已经远远落后了。因此，摆在AMD面前的只有两个选择：要么完全退出64位竞争领域，跟着Intel的脚步走；要么推出自己的标准与Intel的IA-64相抗衡。
为了在竞争中不至于落后于对手，AMD没有时间从新开始研制一种全新的64位架构，市场是不会等待的。因此，AMD仿效了15年前Intel的做法。所不同的是，当时Intel是通过在16位x86
ISA中加入对32位应用的支持进入了32位平台，而AMD这次则是在32位x86 ISA中加入了64位支持功能，并将其改名为x86-64。
AMD这一策略的一个很明显的优势就是可以把32位x86应用的最佳性能和对64位应用的良好兼容完全融合在一个内核中提供。使用x86-64，用户既可以获得一个64位的平台，同时又完全兼容x86，不会使传统应用的性能受到任何的影响。
当然，既然AMD选择了继续走x86 ISA的道路，就不可避免的要受到x86 ISA所固有的一些局限的制约。对此，AMD的解释为“相对于指令集，性能与如何实现的关系更为密切”。
x86-64架构
本月10号，AMD发布了x86-64架构的技术规范，以便于广大程序设计人员针对该平台开发各种应用。扩展到64位的x86-64在功能上相对于目前32位的x86
ISA来说有了很多改进，其中，最为明显的变化就是增加了8个64位的通用寄存器（GPR），内存寻址能力提高到64位，以及寄存器和指令指针升级到64位等。
x86-64架构具有两种不同的模式，即可以运行所有16或32位操作系统和应用的传统模式以及被称为长模式（long
mode）的新模式。长模式又包括64位模式和兼容模式两种，都需要运行64位的操作系统。所不同的是64位模式下只能运行64位的应用，而兼容模式则提供了一种在64位平台下运行32位应用的方式。下表所示为x86-64架构的具体模式。
这里，我们只是对x86-64架构进行了简单的介绍，想了解更多技术细节的用户可以参照AMD发布的技术规范。
64位处理器
现在让我们来看一下AMD计划推出的产品。
与目前流行的说法不同，2000年内我们看来是无法见到SledgeHammer (K8)的身影了。作为第一代基于x86-64架构的处理器，SledgeHammer最早有望在明年面市。
与目前的Athlon内核一样，K8内核最终将会有许多不同的版本。区别主要是在缓存容量，内核时钟频率以及FSB速度。多样化的内核有助于x86-64架构最终进入非企业应用市场。
目前看来，K8处理器急需解决的问题就是芯片组的支持。VIA一直是AMD处理器配套使用的芯片组的最大供应商，但是VIA的产品主要是面向低端市场，所以很难说VIA会生产企业级的K8芯片组。除了VIA之外，在芯片组行业中，Ali和SiS也是AMD的主要合作伙伴，但是其实力还不及VIA，所以也很难提供K8所需要的芯片组。看来，唯一可行的方法就是由AMD自己来解决芯片组的问题。不过开发和生产应用于K8这样的高端处理器的芯片组并不是一件简单的事情。因此，AMD能否真正实现其64位架构，还有待时间来证明。
小结
AMD这次所发布的x86-64 ISA架构采用了与Intel不同的实现方式，其命运到底如何现在下结论还为时太早。x86-64架构的核心是兼容性和易于升级，正象AMD自己所宣称的那样，x86-64是对现有机制的扩展，并不是一种新的架构。
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