Intel 64位處理器,Intel 64位處理器結構原理

現在人們廣泛使用的是由32位微處理器構成的計算系統，但是32位的計算和操作系統不能支持應用程序直接訪問4GB(2的32次方)以上的內存，4GB尋址能力是32位計算系統一道不可俞越的門檻，隨著應用需求的不斷發展，32位的微處理器將無法滿足大容量、高負荷運算的要求，因此，采用具有更大的內存尋址規模、更強計算能力的64位微處理器將是大勢所趨。目前世界上的64位微處理器主要由HP、Sum、IBM、Intel和AMD等公司所把持。

Itanium(安騰)微處理器

Itanium微處理器是Intel公司于2001年5月推出的，它是Intel公司和HP公司合作開發的IA-64(Intel Architecture-64)架構系列中的第一款通用64位微處理器，它采用0.18μm技術，主頻為800MHz。2002年7月，Intel公司推出了第二代64位微處理器-Itanium2，它還是采用0.18μm技術，首次將Ll、L2和L3 Cache都集成到芯片內，共集成了大約2．2億個晶體管，主頻為1GHz。2003年6月，Intel公司又推出了新一代Itanium2產品-Madison，它采用0.13μm技術，共集成4.1億個晶體管，主頻達到了1.5GHz。

Itanium系列微處理器沒有采用原有的X86指令結構，而是采用了一種新的指令集結構-EPIC。EPIC計算模式是專為實現高效并行性而設計的，旨在同時處理多個指令或進程，它具有如下優點：64位的尋址空間，大規模的并行執行內核，較強的預測能力，大容量、高速的緩存，高速的總線結構和充足的命令執行單元。在安全性方面，Itanium2支持一種先進的機器檢查結構，能廣泛地管理硬件、固件和操作系統中的錯誤，從而有效地減少死機的時間。但是，由于不再兼容原有的X86指令，只能通過譯碼器來兼容X86指令，這對運行32位程序會產生一定的影響，即無法確保現有的32位應用程序性能的充分發揮。

相對32位來說，x64位CPU通用寄存器(GPRs，General-Purpose Registers)的數據寬度為64位，處理器一次可以運行64位的數據。從下面的x64位處理模型圖(EM64T)中可以看出，x64位處理器的指令寬度并沒有改變，增大了通用寄存器和數據通道的寬度，因此可以理解為x64處理器是擁有數據寬度為64位的寄存器并且可以一次傳輸、運算64位的數據。

因此，對于通用寄存器來說，它主要存儲整數數據(Integer)和地址數據Address(或者叫內存指針，Memory Pointer)，它們都由算術邏輯運算單元(Arithmetic Logic Unit，ALU)來運算。此外，處理通常還支持浮點數據(Floating)和多媒體數據，它們都有各自的專用寄存器和執行單元。下圖為Intel 32位和64位x86處理器為例，做一個簡單對比：

基于以上分析，我們可以看出x64位計算主要有兩大優點：1、可以支持更大的內存尋址空間。它打破了32位下4GB內存的限制，理論上內存訪問空間可以達到1800萬TB，實際上采用EM64T技術的Pentium4處理器支持36位物理內存尋址和48位虛擬內存尋址，而AMD 64位處理器支持40位物理內存尋址和48位虛擬內存尋址，Windows XP x64版最高可以支持16GB物理內存和16TB虛擬內存，使得應用程序可以快速處理大量數據集合。2、可以進行更大范圍的整數運算。64位整型數據的應用程序在64位硬件上進行運算可以大幅提高計算性能，減少運算時間。對于數值運算(包括三維動畫、數字藝術和游戲、科學計算領域)來說非常有利。對于使用Windows x64版的用戶來說，將會有更高的性能和更好的擴展性，完全一致的工作環境，對已有的32位程序提供更好的兼容性，在充分利用已在32位Windows應用程序上的投入的同時，也能夠獲得最新的64位技術所帶來的高性能。