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K8神威終于顯露！純64位應(yīng)用全球首測

2005年04月18日 00:00作者：鳳臣編輯：常鳳臣文章出處：泡泡網(wǎng)原創(chuàng)

AMD在2003年秋天發(fā)布了他們的Athlon64系列處理器，將PC帶入了64位運算的時代，從而揭開了64位運算的嶄新一幕。

然而，這一幕卻似乎有些遺憾在里面，64位的舞臺已經(jīng)搭建完畢，但是我們卻不見舞臺上的演員出現(xiàn)，讓大家看到了一場沒有演員的表演。

Athlon64的三大尷尬：

1.沒有操作系統(tǒng)支持。雖然微軟在Athlon64發(fā)布的時候臨時推出了一個操作系統(tǒng)，但是這個操作系統(tǒng)是個測試版，而且距最終的發(fā)售版本差的有些遠。

如何獲取WinXP 64-bit beta版的官方說明（點擊放大）

2.沒有應(yīng)用軟件支持。在操作系統(tǒng)尚不完備的時候，自然是沒有Windows下應(yīng)用程序的支持了，不要說真正能夠?qū)嵱玫膽?yīng)用軟件，甚至連一些測試64位性能的軟件也是鳳毛麟角般的少見。

3.游戲是雷聲大雨點小。對于個人用戶，游戲是計算機的非常重要的功能，在Athlon64發(fā)布的時候，已經(jīng)有多家游戲公司表示將推出64位的游戲，其中包括我們熟悉的UT2004以及后來的Farcry。然而，我們卻沒有見到過任何一個公司如約推出64位游戲，這倒不能怪這些游戲廠商，因為誰也不會在一個沒有穩(wěn)定的操作系統(tǒng)上花很大精力做一個游戲的。

但是，我們并沒有看到我們非常喜歡的Athlon64系列的處理器帶著悲傷離開，而是在處理器市場收到了廣大消費者的喜愛?？梢哉fAthlon64最終還是非常成功的，只不過這一成功并非單純憑借其64位性能，那么它憑借的是什么呢？

Athlon64的成功之本：

1.Athlon64系列處理器支持32位運算。這可以說是最重要一點，在沒有64位運行環(huán)境和軟件的情況下，消費者可以在目前的操作系統(tǒng)和軟件上體驗到Athlon64很好的性能。

2.Athlon64系列還支持其他的64位環(huán)境。出了Windows，Athlon64系列以及它的同胞兄弟Opteron都支持其他的64位操作系統(tǒng)，比如Linux，F(xiàn)reeBSD等操作系統(tǒng)，這些系統(tǒng)由于源代碼開放，所以安全性和效率非常高，是服務(wù)器第一選擇的操作系統(tǒng)。

A64是毫無疑問的性能之王

3.Athlon64擁有出色的性能。從2003年秋天到現(xiàn)在，Athlon64大家已經(jīng)接觸了有一年半的時間了。在這一年半的時間里，我們看到了各種Athlon64的測試，并且也親身體驗了Athlon 64的性能，Athlon64性能可以說讓我們非常滿意，無論是游戲性能或者是日常的辦公應(yīng)用，Athlon64都表現(xiàn)出了非常高的水平，就目前而言，Athlon 64 FX55仍然是擁有最好性能的處理器。

64位的處理器的推出，絕對是業(yè)界非常大的一次變革，其意義甚至比PCI－Express架構(gòu)的推出更具有歷史意義，因為PCI－E架構(gòu)只不過是十年之變，而由32位轉(zhuǎn)換為64位則是20年之變。

面對競爭對手的的這記重拳，Intel在最開始顯得反而非常從容，是什么讓他們能夠這樣？他們真的不慌么？

事情發(fā)展到了今天，我們也可以回頭看看了，Intel當(dāng)時并不是不慌，而是裝作不慌，因為他們早早就將64位運算處理器納入了日程。

在Prescott內(nèi)核發(fā)布的時候，就有人放出了對核心圖片的分析，一針見血的指出Prescott內(nèi)核是支持64位運算的。這個消息讓所有人都為之震驚，當(dāng)然，除了Intel自己。

點擊查看大圖

但是，最初的Prescott并沒有開啟64位運算的功能，直到今天，Intel采用Prescott做出了P4 6XX系列的處理器，支持64位的運算。事實表明，Intel這一舉動是正確的，因為在這一年半的時間里，Athlon64的64位性能對于普通的消費者幾乎形同虛設(shè)。

有人說，這一切都是因為Intel在等著微軟的64位操作系統(tǒng)的正式發(fā)布，因為過早的發(fā)布會帶來同樣的尷尬。

有人說，這一切都是微軟在等著Intel，說微軟在等著Intel把處理器能夠做好了才發(fā)布操作系統(tǒng)。

那么，他們到底誰說的對呢？我們今天不妨來先安插一段小花絮，收集一下讀者的意見。

對于操作系統(tǒng)和處理器的配合過程您認(rèn)為

微軟遲遲不發(fā)布操作系統(tǒng)是在等Intel發(fā)處理器
Intel遲遲不發(fā)處理器是在等微軟的操作系統(tǒng)
他們中間沒有貓膩，就是發(fā)不出來或者不愿意發(fā)

其實無論是Intel在等微軟，還是微軟在等Intel，現(xiàn)實的情況卻是AMD等了他們兩個長達一年半的時間，也是廣大的消費者等了他們一年半的時間。

不過值得慶幸的是我們終于等到了這一天，或者說是馬上就要等到了。以下兩件事情便能證明這一點：

1.微軟的Windows XP X64位版本終于放出了RTM（Release To Manufacture）版本。

2.Intel將于近期發(fā)布其采用Prescott的P4 600系列處理器，這將是Intel首款在PC平臺支持64位運算的處理器。

顯而易見，憑借這兩家軟硬件巨頭的加盟，便足以讓我們聽到64位運算來臨的腳步聲。

今天我們暫且不討論Intel的P4 600系列的情況，我們先來談?wù)刉indows XP

的64位版本操作系統(tǒng)。畢竟離開了軟件，硬件便只是一堆冷冰冰的機器而已。

作為目前世界上最大的軟件公司，微軟已經(jīng)不再簡單的是一個軟件公司了，它已經(jīng)成為一個帝國，一個能夠一呼百應(yīng)的軟件帝國，一個能夠制定游戲規(guī)則的帝國。雖然微軟并不是唯一，Windows并不是唯一，我們還有很多選擇，但是我們卻不能否定微軟以及Windows平臺在整個IT業(yè)界的統(tǒng)治地位。

前面我們提到，微軟在2003年就已經(jīng)推出了64位的操作系統(tǒng)，不過那是一個很不完備的操作系統(tǒng)，其中帶的DirectX還是8.1版本。而今天這個RTM版本的發(fā)布又意味著什么呢？讓我們一起來看看……

在發(fā)布之后的很長的一段時間內(nèi)，微軟對于Windows XP 64位版本一直保持著不溫不火的態(tài)度。在很長一段時間內(nèi)，WindowsXP 64位版本一直保持著“Beta”的版本號，離成熟與普及還相差很遠。

直到2005年，WindowsXP 64位版本再次引起了大家的注意，這主要是因為微軟在2005年年初突然放出了Windows XP Professional x64 Edition RC1，RC就是Release Candidate（候選版本）的簡稱。

WinXP X64 RC1

RC版本的釋放，代表著距離這款操作系統(tǒng)最終的發(fā)布已經(jīng)不遠了，人們開始再次關(guān)注起這個幾乎被大家忘掉的操作系統(tǒng)。

沒有等多長時間，Windows XP Professional x64 Edition RC2也發(fā)布了，按照微軟的習(xí)慣來講，通常是不會放出RC3的，RC2的發(fā)布說明距離正式版本的時間已經(jīng)越來越接近了。果然，微軟終于在近期放出了Windows XP Professional x64 Edition RTM（Release To Manufacture）版本，PCPOP評測室有幸在第一時間拿到了這個版本。

對于硬件和軟件而言，處理器顯然是平臺，而操作系統(tǒng)則是演員。但對于操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件而言，真正要體現(xiàn)64位實力的還是要靠后者這些真正的“演員”。在硬件早已齊備，而操作系統(tǒng)也接近成熟的時候，我們的測試就決不能停留在之前的那種“在64位系統(tǒng)上運行32位程序”的狀態(tài)。我們今天要對新的操作系統(tǒng)和我們熟悉的Athlon64處理器進行一次真正的64位之旅，也就是完全使用全新的64位應(yīng)用程序?qū)?4位平臺進行性能考驗。

那么，現(xiàn)在的問題就是應(yīng)用程序的問題了，那么到底有沒有應(yīng)用程序能夠在64位系統(tǒng)上以64位指令集運行呢？答案是肯定的。

近日，我們拿到了來自AMD的測試軟件包，其中就有一些能夠在64位操作系統(tǒng)下運行的64位應(yīng)用軟件。這些64位應(yīng)用軟件包括：

1.NVIDIA Blobby Dancer

2.DivX Encorder

3.Mini-Gzip

4.RSA

5.Streams

為了讓我們能夠?qū)?4位的性能優(yōu)勢有一個更明確的了解，這些軟件均同時提供了32位和64位兩個版本，今天我們就用這些軟件對Athlon64處理器進行一次真正的64位測試。

硬件系統(tǒng)
處理器	AMD Athlon64 4000+
主板	華碩 A8V
內(nèi) 存	威剛 DDR400 512MB×2
硬盤	Seagate 7200.7 60GB
顯示器	愛國者 998FD
驅(qū)動程序
顯卡驅(qū)動	NVIDIA Forceware 71.84 64bit版本
操作系統(tǒng)	英文 Windows XP X64 SP1 英文 Windows XP SP1

這次我們的測試采用了三種方案以全面考證64位計算對軟硬件系統(tǒng)的影響：

1.采用64位系統(tǒng)運行64位程序。

2.采用64位系統(tǒng)運行32位程序。

3.采用32位系統(tǒng)運行32位程序。

我們這樣安排的主要目的就是想通過這樣的測試了解到64位操作系統(tǒng)對32位程序的兼容性，以及在真正的64位環(huán)境下的優(yōu)勢。

我們都知道，處理器所處理的普通指令一般由操作碼（OP Code）和操作數(shù)（Operand）組成。其中操作數(shù)可以是等待處理的數(shù)據(jù)，也可以是待處理數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址。而操作碼則描述將要對操作數(shù)進行何種處理。

需要強調(diào)的是，通常所說的64位指令，并不是指指令的全長或操作碼的長度為64位，而是指操作數(shù)所能達到的最大位數(shù)為64位。通過下面的圖示，我們可以很好地理解64位指令和64位處理器的本質(zhì)。

64位指令工作原理示意圖

由于操作數(shù)一般需要存放在通用寄存器中，因此64位處理器通用寄存器的尺寸也必須是64位。這樣我們就很容易理解K8處理器里通用寄存器結(jié)構(gòu)的上半部分（指RAX-RSP部分，下半部分我們后邊再提）。如下圖所示：

K8通用寄存器的擴展，點擊查看詳圖

從上面的圖示可以看出，相對于傳統(tǒng)的X86處理器而言，K8在進行64位擴展的時侯，把8個通用寄存器增加到了64位，同時增加了指令指針寄存器的位數(shù)為64位。

至于尋址方面，由于地址數(shù)據(jù)只不過是整數(shù)操作數(shù)中的一種，因此同樣使用GPR。這樣，64位處理器所能處理的地址數(shù)據(jù)長度自然就增加到了64位，從而大大增加了處理器的尋址空間。

當(dāng)然，為了簡化起見，以上我們所說的操作數(shù)，只不過是現(xiàn)代CPU所處理的操作數(shù)中的整數(shù)數(shù)據(jù)（地址數(shù)據(jù)）。它們由處理器中的ALU（算術(shù)邏輯單元）和AGU（地址生成單元）進行處理，一般使用通用寄存器（GPR）來保存。實際上，我們還需要處理通常保存在浮點寄存器、MMX以及XMM寄存器里的浮點以及其它多種數(shù)據(jù)。

不過，在我們進一步談這些除了整數(shù)和地址數(shù)據(jù)外其它數(shù)據(jù)類型在64位處理器中的處理狀況前，我們必須首先了解一些有關(guān)寄存器和數(shù)據(jù)類型的基本知識。

我們知道：整數(shù)、地址、指令指針和浮點數(shù)據(jù)是按照數(shù)據(jù)形式來劃分的，CPU所要處理的3種主要數(shù)據(jù)類型。此外我們還可以根據(jù)數(shù)據(jù)需要CPU進行處理的類型，來將它們分為標(biāo)量數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)兩大類。

通常我們把需要CPU進行不同處理的單個數(shù)據(jù)稱為標(biāo)量數(shù)據(jù)（Scala Data）。標(biāo)量數(shù)據(jù)既可以是整數(shù)數(shù)據(jù)，也可以是浮點數(shù)據(jù)。其中整數(shù)標(biāo)量數(shù)據(jù)的存放區(qū)一般為通用寄存器（GPR），浮點標(biāo)量數(shù)據(jù)的存放區(qū)一般為浮點寄存器（FPR）。

與標(biāo)量數(shù)據(jù)相對的是矢量數(shù)據(jù)（Vector Data）。所謂矢量數(shù)據(jù)就是指一列需要由處理器作相同處理的數(shù)據(jù)集合。比如處理器在做MP3編碼的過程中，需要對內(nèi)存中的音頻文件里的各字節(jié)數(shù)據(jù)作相同的MP3編碼操作。那么通常使用MMX或SSE這類單指令多數(shù)據(jù)流(SIMD)指令，將數(shù)個字節(jié)打包為一組矢量數(shù)據(jù)，存放在MMX或SSE寄存器中，再送往相應(yīng)的功能單元進行統(tǒng)一操作。

和標(biāo)量數(shù)據(jù)一樣，這些矢量數(shù)據(jù)既可以是整數(shù)數(shù)據(jù)，也可以是浮點數(shù)據(jù)。矢量數(shù)據(jù)以封包的形式批量存放在MMX（對于使用MMX、3DNow！進行操作的數(shù)據(jù)而言）和XMM（對于使用SSE、SSE2進行操作的數(shù)據(jù)而言）寄存器中。

通過下面的圖，我們可以更好地了解標(biāo)量數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)的區(qū)別：

標(biāo)量與矢量數(shù)據(jù)

以下，我們整理了標(biāo)量數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)在X86-32位處理器以及AMD的X86-64處理器中所用寄存器的具體區(qū)別如下表：

實際上，MMX和XMM通過寄存器映射的方法，也可以參與標(biāo)量浮點數(shù)據(jù)的存儲。同時數(shù)據(jù)類型也遠不止整數(shù)、浮點這兩類基本數(shù)據(jù)類型，還包括有指令指針數(shù)據(jù)、BCD數(shù)據(jù)，位數(shù)據(jù)等。要把這些情況一一說清，顯然不是一兩篇文章能解決得了問題的。

幸好，這些省略的部分與我們的結(jié)論并沒有影響，因此我們敘述時使用了簡化的措施。需要更詳細完整的資料，您可以參考Intel的IA32以及AMD的X86-64架構(gòu)編程指導(dǎo)書。

從上表我們可以看見，K8的64位擴展部分似乎僅對于整數(shù)、地址數(shù)據(jù)有效。對浮點和向量數(shù)據(jù)則仍然保持原樣。

經(jīng)過上面的分析，我們似乎可以得出這樣的結(jié)論，那就是：我們能從K8向64位的擴展所獲得的好處，只不過是可以在同樣一條指令中，處理更大數(shù)值的整數(shù)數(shù)值以及管理空間更大的內(nèi)存區(qū)域而已。而在32位的情況下，由于通用寄存器只能容納最大32位的數(shù)據(jù)，因此顯然要花費更多條指令對尺寸超過32位的數(shù)據(jù)進行處理。

這種改進對服務(wù)器、科學(xué)計算這樣的領(lǐng)域雖然具有一定的意義，但顯然并不是普通家用環(huán)境急需的改進。試問在近期普通應(yīng)用中，有多少情況下會用到超過232這樣大的整數(shù)數(shù)值和超過4GB的內(nèi)存空間呢？

然而，如果你因此低估了K8和X86-64指令集的實力，那就大錯特錯了。

我們都知道，X86指令集本身屬于一種復(fù)雜指令集（CISC）。長期以來，使用X86指令集的處理器架構(gòu)一直沿用寄存器結(jié)構(gòu)。相比那些使用精簡指令集（RISC）的處理器架構(gòu)來說，由于程序可見的寄存器數(shù)量較少，因此造成傳輸延遲，性能以及流水線工作效率相對落后，從而給X86架構(gòu)處理器的表現(xiàn)造成了影響。同時程序和編譯器的優(yōu)化難度也較大。

雖然近代的X86處理器中都增加了許多程序不可見的內(nèi)部寄存器，并通過寄存器換名（Register Rename）技術(shù)變相地增大通用寄存器的數(shù)量，來彌補這一不足。然而這種措施由于只能通過處理器的硬件控制來實施，程序員無法根據(jù)需要來，靈活控制實際的寄存器使用狀況，顯然不如直接增加可見的通用寄存器來的有效。

而K8針對上述問題作出了改良。處理器在64位狀態(tài)下工作時，增加了大量的程序員可見寄存器以供編程者使用，如下圖：

X86-64的寄存器擴展（點擊察看大圖）

可以說，這些額外增加的寄存器（我們姑且稱之為“寄存器擴展“吧），才是真正能為桌面用戶帶來的好處之所在！

不過，盡管如此，我們也只能在K8的64位模式下，才能全部用到這些多出來的寄存器擴展資源（紫色部分的寄存器）。因為為了兼容以往的X86指令，K8所用的X86-64指令集將其所支持的指令分成了如下表所示的數(shù)個部分：

如上表所見，前面我們所說到的令人激動的寄存器擴展功能，并不是“即插即用“的。它需要我們將操作系統(tǒng)向64位轉(zhuǎn)換，同時重新按64位的編程規(guī)范編譯應(yīng)用程序。在其它模式下，我們根本無法享受到這些好處。

首先我們來看看來自NVIDIA的Blobby Dancer，這個軟件是一個3D的程序，也是今天我們測試過程中唯一的一個3D程序。這個軟件的內(nèi)容是一個由液體組成的人在不斷的跳舞，不同的系統(tǒng)能夠?qū)е虏煌膸俾?，這也是我們評判性能的標(biāo)準(zhǔn)。

這個軟件中包含32bit版本和64bit版本兩個部分，分作兩個可執(zhí)行程序。

測試方法：原本在NVIDIA提供的這個軟件中是沒有提供測試功能的，我們注意到，AMD提供的軟件中包含有兩個獨立的可執(zhí)行程序，這兩個可執(zhí)行程序會自動調(diào)用NVIDIA提供的應(yīng)用程序進行測試。

測試的基準(zhǔn)是記錄一段時間的幀速率，取平均值，幀速率越高的性能越好。

我們看到，在這個測試中，64位系統(tǒng)體現(xiàn)出了非常好的性能，64位的程序能夠比32位的程序成績高30％以上。

同時我們注意到，在32位環(huán)境下運行的測試，成績非常低，這起初讓我以為是測試環(huán)境出了什么問題，但是后來通過3DMark檢驗，發(fā)現(xiàn)32位的系統(tǒng)并沒有什么問題，在這個測試中仍然是這個成績。

作為我們最為關(guān)心的項目，3D測試中我們看到64位的優(yōu)勢還是很大的，這樣的情況大大增強了我們對于64位系統(tǒng)的信心，因為我們幾乎可以預(yù)料到在全面64位化的時候，所有游戲的幀速率將提高30％，這是多么美好啊。

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接下來我們看看DivX Encorder這個測試軟件，這個軟件的主要作用是將視頻文件壓縮成為MPEG－4視頻，采用的編碼方式是Divx 5.03。

這個程序是一個基于命令行的程序，需要用Windows的命令行程序進入。測試的基準(zhǔn)是看壓縮過程需要的時間，時間越短的性能越好。

DivX壓縮的這個項目也是同樣的重要，因為這是一個非?？简炋幚砥餍阅艿膽?yīng)用。在這個測試中，我們感受到了WinXP Pro X64的威力，在這個操作系統(tǒng)下，無論是采用32位的程序還是64位的程序，都有非常好的表現(xiàn)，甚至在32位程序運行的時候效率還要好一些。

不同的操作系統(tǒng)做同一件事情，效率能夠相差一倍，這樣的差距真的是非常大了。由此可見，WinXP X64版的性能還是非常令人滿意的。

如果讓我們注意一下具體的各個部分的情況，又能發(fā)現(xiàn)一些有意思的事情：

對于IO部分，操作系統(tǒng)對于成績影響比較大，采用64位操作系統(tǒng)的性能要好。

對于編碼壓縮，程序的版本影響較大，64位的程序的性能要明顯好于兩個32位的程序。

第三個程序名叫Mini-GZIP，這是一個壓縮工具，它采用的核心算法是ZLIB算法，這個軟件的作用就是將文件進行壓縮。

在這個軟件的測試中，是將一個25MB的文本文件壓縮，在這個過程中記錄所需要的時間，時間越短性能越好。

在這個壓縮程序的測試中，我們看到在純64位環(huán)境下的性能仍然是最好的，而且是大幅領(lǐng)先于另外的兩個程序。不過，我們在這個測試中發(fā)現(xiàn)，在純32位模式下的成績要好于在64位環(huán)境下使用兼容模式運行32位程序的成績。

這也是一個測試軟件，這個軟件的主要作用是采用RSA加密算法，對文件進行加密。同樣的，這個軟件也需要命令行方式執(zhí)行。

這個測試中有數(shù)個測試程序，我們分別運行了32位的版本和64位的版本以比較成績的差別。在這輪測試中我們看到，在64位環(huán)境下運行64位程序，效能仍然是最好的，不過性能的差異沒有前面的那些程序那樣夸張了。

這個軟件名叫 STREAM: Sustainable Memory Bandwidth in High Performance Computers，是一個美國Virginia大學(xué)計算機系所編寫的一個用來測試大型計算機內(nèi)存帶寬的程序，這個軟件同樣被AMD拿來做了64位測試軟件。

The Rotunda

這個測試是我們看到的性能差距最小的一個測試，因為這個測試的主要內(nèi)容是查看內(nèi)存的帶寬，和處理器的運算關(guān)系不是很大，所以這部分的成績和硬件架構(gòu)的關(guān)系更大。

不過也正是因為這樣的成績，才能夠反映出A64架構(gòu)中對于32位和64位兩種模式都有非常好的兼容性，這大概就是A64能夠在兩種模式下都表現(xiàn)非常好的原因之一吧。

說實話，在這次測試之前，筆者自己都對這次的測試有所顧慮，因為我們并不知道在64位環(huán)境下的性能究竟會如何，不過通過我們的測試，當(dāng)我們看到那些百分之好幾十的領(lǐng)先幅度的時候，我們不禁為64位暗自叫好。

這次的測試軟件是由AMD公司提供的，我們可以注意到，這些測試軟件還是包含的比較全面的，從媒體處理，到3D游戲，從壓縮編碼，再到加密解密，可以說這次的測試包括了處理器常用的幾個方面。

通過今天的測試，我們很明顯的感受到了64位的威力，也明白了為什么AMD早早的就在64位上做出如此大的努力，同樣也明白了Intel為什么也要轉(zhuǎn)身投入64位的陣營了。

隨著時間的推進，Intel的P4 6XX系列將于近期正式浮出水面，微軟的WinXP X64操作系統(tǒng)的正式版也將于近期發(fā)布，這些信息都在預(yù)示著一件事，這就是真正的64位大戰(zhàn)一觸即發(fā)。

不過，對于這場大戰(zhàn)，我們似乎還少了一些東西，這就是64位的應(yīng)用程序，說是應(yīng)用程序，其實初期也就是測試程序，如何能夠全面反映出64位系統(tǒng)下的性能，單單靠今天我們的這幾個軟件是不夠的。目前已經(jīng)有越來越多的測試程序放出了64位的版本，我們PCPOP的處理器頻道（CPU.PCPOP.COM）將隨時關(guān)注這些信息，在第一時間給大家?guī)碜钚伦罟臏y試。

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