X86-64

x86-64

x86-64 (также x64/AMD64/Intel64/EM64T) — 64-битная аппаратная платформа: архитектура микропроцессора и соответствующий набор инструкций и чипсет, 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, Phenom II, Turion 64, Opteron, последними моделями Sempron. Этот набор инструкций поддержан компанией Intel (с незначительными дополнениями) под названием 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, Core 2 Quad, Core i3, Core i5, Core i7 и Xeon. Корпорации Microsoft и Sun Microsystems используют для обозначения этого набора инструкций термин "x64", однако каталог с файлами для архитектуры в дистрибутивах Microsoft называется "amd64" (ср. "i386" для архитектуры x86).

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.
• x64 Официальное название версий операционных систем Windows и Solaris, также используемое как название архитектуры фирмами Microsoft и Sun Microsystems.
• AA-64. Так архитектуру окрестил популярный неофициальный справочник sandpile.org (внеся информацию практически сразу после публикаций первой предварительной спецификации) по аналогии с 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 Intel'овской реализации технологии. Иногда упоминалось название CT (Clackamas Technology).
• 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.

На сегодняшний день наиболее распространёнными являются x64, x86-64 и AMD64. 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 IA-64 это совершенно разные, несовместимые друг с другом, микропроцессорные архитектуры. 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 и 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, Windows 7 x64 или 64-битные варианты UNIX-подобных систем GNU/Linux, FreeBSD, OpenBSD, NetBSD (чистые 64-битные сборки, однако, есть возможность запуска 32-битных приложений), Solaris (смешанная 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 x86, таких, как режим виртуального 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 BIOS или 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.

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 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.

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 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.

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. Intel, однако, этому примеру не последовала, и поэтому ни на одном её процессоре, не поддерживающем средства аппаратной виртуализации, запустить 64-битную виртуальную машину нельзя. С целью проверки того, возможен ли на данном процессоре запуск 64-битных гостевых ОС или нет, 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.

См. также

• Аппаратная платформа компьютера

Ссылки

• Архитектура AMD64 (EM64T)
• Крис Касперски Архитектура x86-64 под скальпелем ассемблерщика, Журнал «Хакер»
• The world’s leading source for pure technical x86 processor information.
• EM64T на сайте Intel
• Форум "Разработка 64-битных приложений" на сайте Intel
• Архитектура Intel 64
• Документация на сайте AMD, а именно:
  • AMD64 Architecture Programmer's Manual Volume 3: General-Purpose and System Instructions Rev 3.14
  • AMD64 Architecture Programmer's Manual Volume 4: 128-Bit Media Instructions Rev 3.10 (SSE)
  • AMD64 Architecture Programmer's Manual Volume 5: 64-Bit Media and x87 Floating-Point Instructions Rev 3.09 (FPU, MMX)
  • и другие
• Портал посвященный x64 тематике