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x86-64

AMD Opteron , la primera CPU que introdujo las extensiones x86-64 en abril de 2003
El conjunto de cinco volúmenes del Manual del programador de la arquitectura x86-64 , publicado y distribuido por AMD en 2002

x86-64 (también conocido como x64 , x86_64 , AMD64 e Intel 64 ) [nota 1] es una versión de 64 bits del conjunto de instrucciones x86 , anunciado por primera vez en 1999. Introdujo dos nuevos modos de operación, el modo de 64 bits y el modo de compatibilidad, junto con un nuevo modo de paginación de 4 niveles .

Con el modo de 64 bits y el nuevo modo de paginación, admite cantidades mucho mayores de memoria virtual y memoria física de lo que era posible en sus predecesores de 32 bits , lo que permite a los programas almacenar mayores cantidades de datos en la memoria. x86-64 también expande los registros de propósito general a 64 bits, y amplía el número de ellos de 8 (algunos de los cuales tenían una funcionalidad limitada o fija, por ejemplo, para la gestión de la pila) a 16 (completamente generales), y proporciona numerosas otras mejoras. La aritmética de punto flotante se admite a través de instrucciones obligatorias similares a SSE2 [ cita requerida ] , y los registros de estilo x87 / MMX generalmente no se usan (pero aún están disponibles incluso en el modo de 64 bits); en su lugar, se utiliza un conjunto de 16 registros vectoriales , de 128 bits cada uno. (Cada registro puede almacenar uno o dos números de doble precisión o de uno a cuatro números de precisión simple , o varios formatos enteros). En el modo de 64 bits, las instrucciones se modifican para admitir operandos de 64 bits y el modo de direccionamiento de 64 bits .

El modo de compatibilidad definido en la arquitectura permite que las aplicaciones de usuario de 16 y 32 bits se ejecuten sin modificaciones, coexistiendo con aplicaciones de 64 bits si el sistema operativo de 64 bits las admite. [11] [nota 2] Como los conjuntos de instrucciones x86 completos de 16 y 32 bits permanecen implementados en el hardware sin ninguna emulación intermedia, estos ejecutables más antiguos pueden ejecutarse con poca o ninguna penalización de rendimiento, [13] mientras que las aplicaciones más nuevas o modificadas pueden aprovechar las nuevas características del diseño del procesador para lograr mejoras de rendimiento. Además, un procesador que admita x86-64 aún se enciende en modo real para una compatibilidad completa con versiones anteriores del 8086 , como lo han hecho los procesadores x86 que admiten el modo protegido desde el 80286 .

La especificación original, creada por AMD y publicada en 2000, ha sido implementada por AMD, Intel y VIA . La microarquitectura AMD K8 , en los procesadores Opteron y Athlon 64 , fue la primera en implementarla. Esta fue la primera incorporación significativa a la arquitectura x86 diseñada por una empresa distinta a Intel. Intel se vio obligada a seguir su ejemplo e introdujo una familia NetBurst modificada que era compatible por software con la especificación de AMD. VIA Technologies introdujo x86-64 en su arquitectura VIA Isaiah, con el VIA Nano .

La arquitectura x86-64 fue rápidamente adoptada por los ordenadores personales de sobremesa y portátiles y los servidores, que habitualmente se configuraban para 16 GiB ( gibibytes ) de memoria o más. Ha sustituido de forma eficaz a la arquitectura discontinuada Intel Itanium (anteriormente IA-64 ), que originalmente estaba destinada a sustituir a la arquitectura x86. x86-64 e Itanium no son compatibles en el nivel de conjunto de instrucciones nativo, y los sistemas operativos y las aplicaciones compilados para una arquitectura no pueden ejecutarse en la otra de forma nativa.

AMD64

Logotipo de AMD64

Historia

AMD64 (también denominada por AMD en su literatura y documentación como "Tecnología AMD de 64 bits" y "Arquitectura AMD x86-64") fue creada como una alternativa a la arquitectura IA-64 radicalmente diferente diseñada por Intel y Hewlett-Packard , que era incompatible con IA-32 , la versión de 32 bits de la arquitectura x86 . AMD anunció originalmente AMD64 en 1999 [14] con una especificación completa disponible en agosto de 2000. [15] Como AMD nunca fue invitada a ser una parte contribuyente para la arquitectura IA-64 y cualquier tipo de licencia parecía poco probable, la arquitectura AMD64 fue posicionada por AMD desde el principio como una forma evolutiva de agregar capacidades informáticas de 64 bits a la arquitectura x86 existente al mismo tiempo que admitía código x86 de 32 bits heredado , a diferencia del enfoque de Intel de crear una arquitectura de 64 bits completamente nueva y completamente incompatible con x86 con IA-64.

El primer procesador basado en AMD64, el Opteron , se lanzó en abril de 2003.

Implementaciones

Los procesadores de AMD que implementan la arquitectura AMD64 incluyen Opteron , Athlon 64 , Athlon 64 X2 , Athlon 64 FX , Athlon II (seguido de "X2", "X3" o "X4" para indicar la cantidad de núcleos y modelos XLT), Turion 64 , Turion 64 X2 , Sempron (versión E6 de "Palermo" y todos los modelos "Manila"), Phenom (seguido de "X3" o "X4" para indicar la cantidad de núcleos), Phenom II (seguido de "X2", "X3", "X4" o "X6" para indicar la cantidad de núcleos), FX , Fusion/APU y Ryzen / Epyc .

Características arquitectónicas

La característica definitoria principal de AMD64 es la disponibilidad de registros de procesador de propósito general de 64 bits (por ejemplo, rax ), operaciones lógicas y aritméticas de enteros de 64 bits y direcciones virtuales de 64 bits . [16] Los diseñadores aprovecharon la oportunidad para realizar también otras mejoras.

Los cambios notables en las extensiones de 64 bits incluyen:

Capacidad de números enteros de 64 bits
Todos los registros de propósito general (GPR) se expanden de 32  bits a 64 bits, y todas las operaciones aritméticas y lógicas, operaciones de memoria a registro y de registro a memoria, etc., pueden operar directamente en números enteros de 64 bits. Las operaciones de inserción y extracción en la pila tienen como valor predeterminado pasos de 8 bytes, y los punteros tienen un ancho de 8 bytes.
Registros adicionales
Además de aumentar el tamaño de los registros de propósito general, el número de registros de propósito general nombrados aumenta de ocho (es decir, eax , ecx , edx , ebx , esp , ebp , esi , edi ) en x86 a 16 (es decir, rax , rcx , rdx , rbx , rsp , rbp , rsi , rdi , r8 , r9 , r10 , r11 , r12 , r13 , r14 , r15 ). Por lo tanto, es posible mantener más variables locales en registros en lugar de en la pila, y dejar que los registros contengan constantes a las que se accede con frecuencia; los argumentos para subrutinas pequeñas y rápidas también se pueden pasar en registros en mayor medida.
AMD64 todavía tiene menos registros que muchos conjuntos de instrucciones RISC (por ejemplo, Power ISA tiene 32 GPR; ARM de 64 bits , RISC-V I, SPARC , Alpha , MIPS y PA-RISC tienen 31) o máquinas similares a VLIW como IA-64 (que tiene 128 registros). Sin embargo, una implementación AMD64 puede tener muchos más registros internos que la cantidad de registros arquitectónicos expuestos por el conjunto de instrucciones (consulte cambio de nombre de registros ). (Por ejemplo, los núcleos AMD Zen tienen 168 registros internos físicos de punto flotante de 64 bits y 160 de 128 bits).
Registros adicionales XMM (SSE)
De manera similar, el número de registros XMM de 128 bits (utilizados para instrucciones Streaming SIMD ) también aumenta de 8 a 16.
La pila de registros FPU x87 tradicional no está incluida en la extensión del tamaño del archivo de registros en el modo de 64 bits, en comparación con los registros XMM utilizados por SSE2, que sí se ampliaron. La pila de registros x87 no es un simple archivo de registros, aunque permite el acceso directo a registros individuales mediante operaciones de intercambio de bajo costo.
Espacio de direcciones virtuales más grande
La arquitectura AMD64 define un formato de dirección virtual de 64 bits, de los cuales los 48 bits de orden inferior se utilizan en las implementaciones actuales. [11] : 120  Esto permite hasta 256  TiB (2 48 bytes ) de espacio de dirección virtual. La definición de la arquitectura permite que este límite se eleve en futuras implementaciones a los 64 bits completos, [11] : 2  : 3  : 13  : 117  : 120  extendiendo el espacio de dirección virtual a 16  EiB (2 64 bytes). [17] Esto se compara con solo 4  GiB (2 32 bytes) para x86. [18]
Esto significa que se pueden operar archivos muy grandes asignando todo el archivo al espacio de direcciones del proceso (lo que suele ser mucho más rápido que trabajar con llamadas de lectura y escritura de archivos), en lugar de tener que asignar regiones del archivo dentro y fuera del espacio de direcciones.
Mayor espacio de direcciones físicas
La implementación original de la arquitectura AMD64 implementó direcciones físicas de 40 bits y, por lo tanto, podía direccionar hasta 1 TiB (2 40 bytes) de RAM. [11] : 24  Las implementaciones actuales de la arquitectura AMD64 (a partir de la microarquitectura AMD 10h ) extienden esto a direcciones físicas de 48 bits [19] y, por lo tanto, pueden direccionar hasta 256 TiB (2 48 bytes) de RAM. La arquitectura permite extender esto a 52 bits en el futuro [11] : 24  [20] (limitado por el formato de entrada de la tabla de páginas); [11] : 131  esto permitiría direccionar hasta 4 PiB de RAM. A modo de comparación, los procesadores x86 de 32 bits están limitados a 64 GiB de RAM en modo PAE ( extensión de dirección física ), [21] o 4 GiB de RAM sin modo PAE. [11] : 4 
Mayor espacio de direcciones físicas en modo heredado
Cuando se opera en modo heredado, la arquitectura AMD64 admite el modo de extensión de dirección física (PAE), al igual que la mayoría de los procesadores x86 actuales, pero AMD64 extiende PAE de 36 bits a un límite arquitectónico de 52 bits de dirección física. Por lo tanto, cualquier implementación permite el mismo límite de dirección física que en el modo largo . [11] : 24 
Puntero de instrucción de acceso a datos relativos
Las instrucciones ahora pueden hacer referencia a datos relativos al puntero de instrucción (registro RIP). Esto hace que el código independiente de la posición , como se suele usar en bibliotecas compartidas y en código cargado en tiempo de ejecución, sea más eficiente.
Instrucciones de SSE
La arquitectura original AMD64 adoptó las instrucciones SSE y SSE2 de Intel como instrucciones básicas. Estos conjuntos de instrucciones proporcionan un complemento vectorial a la FPU x87 escalar , para los tipos de datos de precisión simple y doble. SSE2 también ofrece operaciones vectoriales enteras, para tipos de datos que van desde 8 bits a 64 bits de precisión. Esto hace que las capacidades vectoriales de la arquitectura estén a la par con las de los procesadores x86 más avanzados de su tiempo. Estas instrucciones también se pueden utilizar en modo de 32 bits. La proliferación de procesadores de 64 bits ha hecho que estas capacidades vectoriales sean omnipresentes en las computadoras domésticas, lo que permite la mejora de los estándares de las aplicaciones de 32 bits. La edición de 32 bits de Windows 8, por ejemplo, requiere la presencia de instrucciones SSE2. [22] Las instrucciones SSE3 y los conjuntos de instrucciones Streaming SIMD Extensions posteriores no son características estándar de la arquitectura.
Bit de no ejecución
El bit de no ejecución o bit NX (bit 63 de la entrada de la tabla de páginas) permite al sistema operativo especificar qué páginas del espacio de direcciones virtuales pueden contener código ejecutable y cuáles no. Un intento de ejecutar código desde una página etiquetada como "no ejecución" dará como resultado una violación de acceso a la memoria, similar a un intento de escribir en una página de solo lectura. Esto debería dificultar que el código malicioso tome el control del sistema mediante ataques de " desbordamiento de búfer " o "búfer sin comprobar". Una característica similar ha estado disponible en los procesadores x86 desde el 80286 como un atributo de los descriptores de segmento ; sin embargo, esto solo funciona en un segmento completo a la vez.
El direccionamiento segmentado se ha considerado durante mucho tiempo un modo de funcionamiento obsoleto y todos los sistemas operativos de PC actuales lo pasan por alto, estableciendo todos los segmentos en una dirección base de cero y (en su implementación de 32 bits) un tamaño de 4 GiB. AMD fue el primer proveedor de la familia x86 en implementar la función de no ejecución en el modo de direccionamiento lineal. La función también está disponible en el modo heredado de los procesadores AMD64 y los procesadores Intel x86 recientes, cuando se utiliza PAE.
Eliminación de funciones antiguas
Algunas características de "programación del sistema" de la arquitectura x86 no se usaban o se usaban poco en los sistemas operativos modernos y no están disponibles en AMD64 en modo largo (64 bits y compatibilidad), o existen solo en forma limitada. Estas incluyen el direccionamiento segmentado (aunque los segmentos FS y GS se conservan en forma vestigial para su uso como punteros de base adicional a las estructuras del sistema operativo), [11] : 70  el mecanismo de cambio de estado de tarea y el modo 8086 virtual . Estas características permanecen completamente implementadas en el "modo heredado", lo que permite que estos procesadores ejecuten sistemas operativos de 32 y 16 bits sin modificaciones. Algunas instrucciones que demostraron ser raramente útiles no son compatibles con el modo de 64 bits, incluido el guardado/restauración de registros de segmento en la pila, el guardado/restauración de todos los registros (PUSHA/POPA), la aritmética decimal, las instrucciones BOUND e INTO y los saltos "lejanos" y las llamadas con operandos inmediatos.

Detalles del espacio de direcciones virtuales

Direcciones en forma canónica

Implementaciones de espacios de direcciones canónicos (diagramas no a escala)

Aunque las direcciones virtuales tienen 64 bits de ancho en el modo de 64 bits, las implementaciones actuales (y todos los chips que se sabe que están en las etapas de planificación) no permiten que se utilice todo el espacio de direcciones virtuales de 264 bytes (16  EiB ). Esto sería aproximadamente cuatro mil millones de veces el tamaño del espacio de direcciones virtuales en máquinas de 32 bits. La mayoría de los sistemas operativos y aplicaciones no necesitarán un espacio de direcciones tan grande en el futuro previsible, por lo que la implementación de direcciones virtuales tan amplias simplemente aumentaría la complejidad y el costo de la traducción de direcciones sin ningún beneficio real. Por lo tanto, AMD decidió que, en las primeras implementaciones de la arquitectura, solo los 48 bits menos significativos de una dirección virtual se utilizarían realmente en la traducción de direcciones ( búsqueda en la tabla de páginas ). [11] : 120 

Además, la especificación AMD requiere que los 16 bits más significativos de cualquier dirección virtual, bits 48 a 63, deben ser copias del bit 47 (de una manera similar a la extensión de signo ). Si no se cumple este requisito, el procesador generará una excepción. [11] : 131  Las direcciones que cumplen con esta regla se denominan "forma canónica". [11] : 130  Las direcciones de forma canónica van desde 0 hasta 00007FFF'FFFFFFFF, y desde FFFF8000'00000000 hasta FFFFFFFF'FFFFFFFF, para un total de 256  TiB de espacio de dirección virtual utilizable. Esto sigue siendo 65.536 veces más grande que el espacio de dirección virtual de 4 GiB de las máquinas de 32 bits.

Esta característica facilita la posterior escalabilidad a un direccionamiento de 64 bits verdadero. Muchos sistemas operativos (incluidos, entre otros, los de la familia Windows NT ) toman la mitad de direcciones más altas del espacio de direcciones (denominado espacio del núcleo ) para sí mismos y dejan la mitad de direcciones más bajas ( espacio de usuario ) para el código de aplicación, pilas de modo de usuario, montones y otras regiones de datos. [23] El diseño de "dirección canónica" garantiza que cada implementación compatible con AMD64 tenga, en efecto, dos mitades de memoria: la mitad inferior comienza en 00000000'00000000 y "crece hacia arriba" a medida que se encuentran disponibles más bits de dirección virtual, mientras que la mitad superior está "acoplada" a la parte superior del espacio de direcciones y crece hacia abajo. Además, imponer la "forma canónica" de las direcciones mediante la verificación de los bits de dirección no utilizados evita que el sistema operativo los use en punteros etiquetados como indicadores, marcadores de privilegios, etc., ya que dicho uso podría volverse problemático cuando la arquitectura se extienda para implementar más bits de dirección virtual.

Las primeras versiones de Windows para x64 ni siquiera usaban los 256 TiB completos; estaban restringidas a solo 8 TiB de espacio de usuario y 8 TiB de espacio de kernel. [23] Windows no admitió todo el espacio de direcciones de 48 bits hasta Windows 8.1 , que se lanzó en octubre de 2013. [23]

Estructura de la tabla de páginas

El modo de direccionamiento de 64 bits (" modo largo ") es un superconjunto de Extensiones de Dirección Física (PAE); debido a esto, los tamaños de página pueden ser de 4  KiB (2 12 bytes) o 2  MiB (2 21 bytes). [11] : 120  El modo largo también admite tamaños de página de 1  GiB (2 30 bytes). [11] : 120  En lugar del sistema de tabla de páginas de tres niveles utilizado por los sistemas en modo PAE, los sistemas que se ejecutan en modo largo utilizan cuatro niveles de tabla de páginas: la Tabla de Puntero de Directorio de Páginas de PAE se extiende de cuatro entradas a 512, y se agrega una Tabla de Nivel 4 de Mapa de Páginas (PML4) adicional , que contiene 512 entradas en implementaciones de 48 bits. [11] : 131  Una jerarquía de mapeo completa de páginas de 4 KiB para todo el espacio de 48 bits ocuparía un poco más de 512  GiB de memoria (aproximadamente el 0,195 % del espacio virtual de 256 TiB).

Intel ha implementado un esquema con una tabla de páginas de 5 niveles , que permite que los procesadores Intel 64 admitan un espacio de direcciones virtuales de 57 bits. [24] Extensiones posteriores pueden permitir un espacio de direcciones virtuales de 64 bits completo y memoria física con descriptores de tabla de páginas de 12 bits y desplazamientos de memoria de 16 o 21 bits para tamaños de asignación de páginas de 64 KiB y 2 MiB; la entrada de la tabla de páginas se ampliaría a 128 bits para admitir indicadores de hardware adicionales para el tamaño de la página y el tamaño del espacio de direcciones virtuales. [25]

Límites del sistema operativo

El sistema operativo también puede limitar el espacio de direcciones virtuales. En la sección "Compatibilidad y características de los sistemas operativos" se ofrecen detalles al respecto, cuando corresponda.

Detalles del espacio de dirección física

Los procesadores AMD64 actuales admiten un espacio de direcciones físicas de hasta 248 bytes de RAM, o 256  TiB . [19] Sin embargo, a fecha de 2020 , no se conocían placas base x86-64 que admitieran 256 TiB de RAM. [26] [27] [28] [29] [ verificación fallida ] El sistema operativo puede imponer límites adicionales a la cantidad de RAM que se puede utilizar o que se admite. Los detalles sobre este punto se dan en la sección "Compatibilidad y características del sistema operativo" de este artículo.

Modos de funcionamiento

La arquitectura tiene dos modos principales de funcionamiento: modo largo y modo heredado.

  1. ^ abcd Tenga en cuenta que el código de 16 bits escrito para el 80286 y versiones anteriores no utiliza instrucciones de operandos de 32 bits. El código escrito para el 80386 y versiones posteriores puede utilizar el prefijo de anulación del tamaño de operando (0x66). Normalmente, este prefijo lo utilizan los códigos de modo protegido y largo con el fin de utilizar operandos de 16 bits, ya que ese código se ejecutaría en un segmento de código con un tamaño de operando predeterminado de 32 bits. En el modo real, el tamaño de operando predeterminado es de 16 bits, por lo que el prefijo 0x66 se interpreta de forma diferente, cambiando el tamaño de operando a 32 bits.
Diagrama de estados de los modos de funcionamiento x86-64

Modo largo

El modo largo es el modo de funcionamiento principal previsto de la arquitectura; es una combinación del modo nativo de 64 bits del procesador y un modo de compatibilidad combinado de 32 y 16 bits. Lo utilizan los sistemas operativos de 64 bits. En un sistema operativo de 64 bits, los programas de 64 bits se ejecutan en modo de 64 bits, y las aplicaciones de modo protegido de 32 y 16 bits (que no necesitan utilizar el modo real ni el modo 8086 virtual para ejecutarse en cualquier momento) se ejecutan en modo de compatibilidad. Los programas en modo real y los programas que utilizan el modo 8086 virtual en cualquier momento no se pueden ejecutar en modo largo a menos que esos modos se emullen en el software. [11] : 11  Sin embargo, dichos programas se pueden iniciar desde un sistema operativo que se ejecuta en modo largo en procesadores que admiten VT-x o AMD-V creando un procesador virtual que se ejecuta en el modo deseado.

Dado que el conjunto de instrucciones básicas es el mismo, casi no hay penalización de rendimiento por ejecutar código x86 en modo protegido. Esto es diferente a IA-64 de Intel , donde las diferencias en el conjunto de instrucciones subyacente significan que la ejecución de código de 32 bits debe realizarse en emulación de x86 (haciendo que el proceso sea más lento) o con un coprocesador x86 dedicado. Sin embargo, en la plataforma x86-64, muchas aplicaciones x86 podrían beneficiarse de una recompilación de 64 bits , debido a los registros adicionales en el código de 64 bits y al soporte garantizado de FPU basado en SSE2, que un compilador puede usar para la optimización. Sin embargo, las aplicaciones que manejan regularmente números enteros más anchos que 32 bits, como algoritmos criptográficos, necesitarán una reescritura del código que maneja los números enteros enormes para aprovechar los registros de 64 bits.

Modo legado

El modo heredado es el modo en el que se encuentra el procesador cuando no está en modo largo. [11] : 14  En este modo, el procesador actúa como un procesador x86 antiguo y solo se puede ejecutar código de 16 y 32 bits. El modo heredado permite un direccionamiento virtual máximo de 32 bits, lo que limita el espacio de direcciones virtuales a 4 GiB. [11] : 14  : 24  : 118  Los programas de 64 bits no se pueden ejecutar desde el modo heredado.

Modo protegido

El modo protegido se convierte en un submodo del modo heredado. [11] : 14  Es el submodo en el que operan los sistemas operativos de 32 bits y los sistemas operativos de modo protegido de 16 bits cuando se ejecutan en una CPU x86-64. [11] : 14 

Modo real

El modo real es el modo de funcionamiento inicial cuando se inicializa el procesador y es un submodo del modo heredado. Es compatible con versiones anteriores de los procesadores Intel 8086 e Intel 8088 originales . El modo real lo utilizan principalmente hoy en día los cargadores de arranque de los sistemas operativos, que la arquitectura requiere para configurar los detalles de la memoria virtual antes de realizar la transición a modos superiores. Este modo también lo utiliza cualquier sistema operativo que necesite comunicarse con el firmware del sistema con una interfaz de estilo BIOS tradicional . [30]

Intel 64

Intel 64 es la implementación de x86-64 de Intel, utilizada e implementada en varios procesadores fabricados por Intel.

Historia

Históricamente, AMD ha desarrollado y producido procesadores con conjuntos de instrucciones inspirados en los diseños originales de Intel, pero con x86-64, los roles se invirtieron: Intel se encontró en la posición de adoptar la ISA que AMD creó como una extensión de la propia línea de procesadores x86 de Intel.

El proyecto de Intel se denominó originalmente Yamhill [31] (por el río Yamhill en el valle Willamette de Oregón). Después de varios años de negar su existencia, Intel anunció en la IDF de febrero de 2004 que el proyecto estaba en marcha. El presidente de Intel en ese momento, Craig Barrett , admitió que este era uno de sus secretos peor guardados. [32] [33]

El nombre que Intel le dio a este conjunto de instrucciones ha cambiado varias veces. El nombre que se usó en la IDF fue CT [34] (probablemente [¿ investigación original? ] para Clackamas Technology , otro nombre en código de un río de Oregón ); en cuestión de semanas comenzaron a referirse a él como IA-32e (para extensiones IA-32 ) y en marzo de 2004 dieron a conocer el nombre "oficial" EM64T (Extended Memory 64 Technology). A fines de 2006, Intel comenzó a usar el nombre Intel 64 para su implementación, en paralelo con el uso del nombre AMD64 por parte de AMD. [35]

El primer procesador que implementó Intel 64 fue el procesador multi-socket Xeon con nombre en código Nocona en junio de 2004. En contraste, los chips Prescott iniciales (febrero de 2004) no habilitaban esta característica. Posteriormente, Intel comenzó a vender Pentium 4 habilitados para Intel 64 utilizando la revisión E0 del núcleo Prescott, que se vendía en el mercado OEM como Pentium 4, modelo F. La revisión E0 también agrega eXecute Disable (XD) (el nombre de Intel para el bit NX ) a Intel 64, y se ha incluido en el entonces actual Xeon con nombre en código Irwindale . El lanzamiento oficial de Intel de Intel 64 (bajo el nombre EM64T en ese momento) en los procesadores de escritorio convencionales fue el Prescott-2M de paso N0.

El primer procesador móvil Intel que implementa Intel 64 es la versión Merom del procesador Core 2 , que se lanzó el 27 de julio de 2006. Ninguna de las CPU para portátiles anteriores de Intel ( Core Duo , Pentium M , Celeron M , Mobile Pentium 4 ) implementa Intel 64.

Implementaciones

Los procesadores de Intel que implementan la arquitectura Intel64 incluyen los Pentium 4 F-series/5x1, 506 y 516, los modelos Celeron D 3x1, 3x6, 355, 347, 352, 360 y 365 y todos los Celeron posteriores , todos los modelos de Xeon desde " Nocona ", todos los modelos de procesadores Pentium Dual-Core desde " Merom-2M ", los Atom 230, 330, D410, D425, D510, D525, N450, N455, N470, N475, N550, N570, N2600 y N2800, todas las versiones de los procesadores Pentium D , Pentium Extreme Edition , Core 2 , Core i9 , Core i7 , Core i5 y Core i3 , y los procesadores Xeon Procesadores de la serie Phi 7200.

X86S

X86S es una simplificación de x86-64 propuesta por Intel en mayo de 2023 para sus productos "Intel 64". [36] La nueva arquitectura eliminaría la compatibilidad con sistemas operativos de 16 y 32 bits, mientras que los programas de 32 bits seguirían ejecutándose en un sistema operativo de 64 bits. Una CPU ya no tendría el modo heredado y se iniciaría directamente en el modo largo de 64 bits . Habrá una forma de cambiar a la paginación de 5 niveles sin pasar por el modo no paginado. Las características específicas eliminadas incluyen: [37]

Intel cree que el cambio sigue lógicamente la eliminación de la puerta A20 en 2008 y la eliminación del soporte de sistemas operativos de 16 y 32 bits en el firmware de Intel en 2020. El soporte para sistemas operativos heredados se lograría a través de virtualización acelerada por hardware y/o emulación de anillo 0. [37]

Extensiones de rendimiento avanzadas

Advanced Performance Extensions es una propuesta de Intel de 2023 para nuevas instrucciones y 16 registros de propósito general adicionales.

Implementación x86-64 de VIA

VIA Technologies presentó su primera implementación de la arquitectura x86-64 en 2008 después de cinco años de desarrollo por parte de su división de CPU, Centaur Technology . [38] Con el nombre en código "Isaiah", la arquitectura de 64 bits se dio a conocer el 24 de enero de 2008, [39] y se lanzó el 29 de mayo bajo la marca VIA Nano . [40]

El procesador admite una serie de extensiones x86 específicas de VIA diseñadas para aumentar la eficiencia en dispositivos de bajo consumo. Se espera que la arquitectura Isaiah sea dos veces más rápida en rendimiento de números enteros y cuatro veces más rápida en rendimiento de punto flotante que el VIA Esther de la generación anterior a una velocidad de reloj equivalente . También se espera que el consumo de energía esté a la par con las CPU VIA de la generación anterior, con una potencia de diseño térmico que varía de 5 W a 25 W. [41] Al ser un diseño completamente nuevo, la arquitectura Isaiah se construyó con soporte para características como el conjunto de instrucciones x86-64 y la virtualización x86 que no estaban disponibles en sus predecesores, la línea VIA C7 , al tiempo que conserva sus extensiones de cifrado.

Niveles de microarquitectura

En 2020, a través de una colaboración entre AMD, Intel, Red Hat y SUSE , se definieron tres niveles de microarquitectura (o niveles de características) sobre la línea base x86-64: x86-64-v2, x86-64-v3 y x86-64-v4. [42] [43] Estos niveles definen características específicas a las que los programadores pueden apuntar para proporcionar optimizaciones en tiempo de compilación. Las características expuestas por cada nivel son las siguientes: [44]

Los niveles de características de la microarquitectura x86-64 también se pueden encontrar como AMD64-v1, AMD64-v2... o AMD64_v1... en configuraciones donde se utiliza la nomenclatura "AMD64". Estos se utilizan como sinónimos de la nomenclatura x86-64-vX y, por lo tanto, son funcionalmente idénticos. Por ejemplo, la documentación del lenguaje Go o la distribución Linux Fedora.

Todos los niveles incluyen características que se encuentran en los niveles anteriores. Las extensiones del conjunto de instrucciones que no están relacionadas con el cálculo de propósito general, incluidas AES-NI y RDRAND , están excluidas de los requisitos del nivel.

Diferencias entre AMD64 e Intel 64

Aunque son casi idénticos, existen algunas diferencias entre los dos conjuntos de instrucciones en la semántica de unas pocas instrucciones de máquina (o situaciones) poco utilizadas, que se utilizan principalmente para la programación de sistemas . [47] Los compiladores generalmente producen ejecutables (es decir, código de máquina ) que evitan cualquier diferencia, al menos para los programas de aplicación ordinarios . Por lo tanto, esto es de interés principalmente para los desarrolladores de compiladores, sistemas operativos y similares, que deben lidiar con instrucciones de sistema individuales y especiales.

Implementaciones recientes

Implementaciones más antiguas

Adopción

Gráfico de áreas que muestra la representación de diferentes familias de microprocesadores en la lista de clasificación de supercomputadoras TOP500, de 1993 a 2020 [78]

En las supercomputadoras rastreadas por TOP500 , la aparición de extensiones de 64 bits para la arquitectura x86 permitió que los procesadores x86 de 64 bits de AMD e Intel reemplazaran la mayoría de las arquitecturas de procesadores RISC utilizadas previamente en dichos sistemas (incluidos PA-RISC , SPARC , Alpha y otros), así como los x86 de 32 bits, aunque el propio Intel inicialmente intentó sin éxito reemplazar x86 con una nueva arquitectura de 64 bits incompatible en el procesador Itanium .

A partir de 2023 , una supercomputadora basada en HPE EPYC llamada Frontier es la número uno. La primera supercomputadora basada en ARM apareció en la lista en 2018 [79] y, en los últimos años, los coprocesadores de arquitectura no CPU ( GPGPU ) también han jugado un papel importante en el rendimiento. Los coprocesadores Xeon Phi "Knights Corner" de Intel , que implementan un subconjunto de x86-64 con algunas extensiones vectoriales, [80] también se utilizan, junto con los procesadores x86-64, en la supercomputadora Tianhe-2 . [81]

Compatibilidad y características del sistema operativo

Los siguientes sistemas operativos y versiones admiten la arquitectura x86-64 en modo largo .

BSD

Libélula BSD

En febrero de 2004 se inició el trabajo preliminar de infraestructura para un puerto x86-64. [82] Este desarrollo se estancó más tarde. El desarrollo se reanudó durante julio de 2007 [83] y continuó durante Google Summer of Code 2008 y SoC 2009. [84] [85] La primera versión oficial que contenía soporte para x86-64 fue la versión 2.4. [86]

LibreBSD

FreeBSD agregó por primera vez soporte para x86-64 bajo el nombre "amd64" como una arquitectura experimental en 5.1-RELEASE en junio de 2003. Fue incluida como una arquitectura de distribución estándar a partir de 5.2-RELEASE en enero de 2004. Desde entonces, FreeBSD la ha designado como una plataforma de nivel 1. La versión 6.0-RELEASE corrigió algunas peculiaridades con la ejecución de ejecutables x86 bajo amd64, y la mayoría de los controladores funcionan tal como lo hacen en la arquitectura x86. Actualmente se está trabajando para integrar más completamente la interfaz binaria de aplicación (ABI) x86, de la misma manera que funciona actualmente la compatibilidad con ABI de 32 bits de Linux.

NetBSD

El soporte de la arquitectura x86-64 se incluyó por primera vez en el árbol de código fuente de NetBSD el 19 de junio de 2001. A partir de NetBSD 2.0, publicado el 9 de diciembre de 2004, NetBSD/amd64 es un puerto totalmente integrado y compatible. El código de 32 bits todavía se admite en el modo de 64 bits, con una capa de compatibilidad del núcleo netbsd-32 para llamadas al sistema de 32 bits. El bit NX se utiliza para proporcionar una pila y un montón no ejecutables con granularidad por página (la granularidad de segmento se utiliza en x86 de 32 bits).

OpenBSD

OpenBSD ha sido compatible con AMD64 desde OpenBSD 3.5, publicado el 1 de mayo de 2004. La implementación completa en el árbol de la compatibilidad con AMD64 se logró antes del lanzamiento inicial del hardware porque AMD había prestado varias máquinas para el hackathon del proyecto ese año. Los desarrolladores de OpenBSD han adoptado la plataforma debido a su compatibilidad con el bit NX , que permitió una implementación sencilla de la función W^X .

El código para el puerto AMD64 de OpenBSD también se ejecuta en procesadores Intel 64 que contienen el uso clonado de las extensiones AMD64, pero como Intel omitió el bit NX de la tabla de páginas en los primeros procesadores Intel 64, no hay capacidad W^X en esas CPU Intel; los procesadores Intel 64 posteriores agregaron el bit NX bajo el nombre de "bit XD". El multiprocesamiento simétrico (SMP) funciona en el puerto AMD64 de OpenBSD, a partir de la versión 3.6 del 1 de noviembre de 2004.

Dos

Es posible ingresar al modo largo bajo DOS sin un extensor DOS, [87] pero el usuario debe regresar al modo real para poder llamar a las interrupciones del BIOS o DOS.

También es posible ingresar al modo largo con un extensor DOS similar a DOS/4GW , pero más complejo ya que x86-64 carece del modo virtual 8086. El propio DOS no es consciente de eso, y no se deberían esperar beneficios a menos que se ejecute DOS en una emulación con un backend de controlador de virtualización adecuado, por ejemplo: la interfaz de almacenamiento masivo.

Linux

Linux fue el primer núcleo de sistema operativo en ejecutar la arquitectura x86-64 en modo largo , comenzando con la versión 2.4 en 2001 (antes de la disponibilidad del hardware). [88] [89] Linux también proporciona compatibilidad con versiones anteriores para ejecutar ejecutables de 32 bits. Esto permite que los programas se recompilen en modo largo mientras se conserva el uso de programas de 32 bits. Las distribuciones Linux actuales se entregan con núcleos x86-64 nativos y userlands . Algunas, como Arch Linux , [90] SUSE , Mandriva y Debian , permiten a los usuarios instalar un conjunto de componentes y bibliotecas de 32 bits cuando se instalan desde un medio de distribución de 64 bits, lo que permite que la mayoría de las aplicaciones de 32 bits existentes se ejecuten junto con el sistema operativo de 64 bits.

La interfaz binaria de aplicación ( ABI) x32 , introducida en Linux 3.4, permite que los programas compilados para la ABI x32 se ejecuten en el modo de 64 bits de x86-64 mientras que solo utilizan punteros y campos de datos de 32 bits. [91] [92] [93] Aunque esto limita el programa a un espacio de dirección virtual de 4 GiB, también disminuye la huella de memoria del programa y en algunos casos puede permitir que se ejecute más rápido. [91] [92] [93]

Linux de 64 bits permite hasta 128  TiB de espacio de direcciones virtuales para procesos individuales y puede direccionar aproximadamente 64 TiB de memoria física, sujeto a las limitaciones del procesador y del sistema, [94] o hasta 128 PiB (virtuales) y 4 PiB (físicos) con paginación de 5 niveles habilitada. [95]

macOS

Mac OS X 10.4.7 y versiones superiores de Mac OS X 10.4 ejecutan herramientas de línea de comandos de 64 bits utilizando las bibliotecas matemáticas y POSIX en máquinas basadas en Intel de 64 bits, al igual que todas las versiones de Mac OS X 10.4 y 10.5 las ejecutan en máquinas PowerPC de 64 bits. Ninguna otra biblioteca o marco funciona con aplicaciones de 64 bits en Mac OS X 10.4. [96] El núcleo y todas las extensiones del núcleo son solo de 32 bits.

Mac OS X 10.5 admite aplicaciones GUI de 64 bits que utilicen Cocoa , Quartz , OpenGL y X11 en máquinas basadas en Intel de 64 bits, así como en máquinas PowerPC de 64 bits. [97] Todas las bibliotecas y marcos que no son GUI también admiten aplicaciones de 64 bits en esas plataformas. El núcleo y todas las extensiones del núcleo son solo de 32 bits.

Mac OS X 10.6 es la primera versión de macOS que admite un kernel de 64 bits . Sin embargo, no todas las computadoras de 64 bits pueden ejecutar el kernel de 64 bits, y no todas las computadoras de 64 bits que pueden ejecutar el kernel de 64 bits lo harán de forma predeterminada. [98] El kernel de 64 bits, al igual que el kernel de 32 bits, admite aplicaciones de 32 bits; ambos kernels también admiten aplicaciones de 64 bits. Las aplicaciones de 32 bits tienen un límite de espacio de dirección virtual de 4 GiB en cualquiera de los kernels. [99] [100] El kernel de 64 bits no admite extensiones de kernel de 32 bits , y el kernel de 32 bits no admite extensiones de kernel de 64 bits.

OS X 10.8 incluye sólo el kernel de 64 bits, pero continúa admitiendo aplicaciones de 32 bits; sin embargo, no admite extensiones de kernel de 32 bits.

macOS 10.15 incluye solo el kernel de 64 bits y ya no admite aplicaciones de 32 bits. Esta eliminación de la compatibilidad ha presentado un problema para WineHQ (y la versión comercial CrossOver ), ya que necesita poder seguir ejecutando aplicaciones de Windows de 32 bits. La solución, denominada wine32on64 , fue agregar procesadores que hacen que la CPU entre y salga del modo de compatibilidad de 32 bits en la aplicación nominalmente de 64 bits. [101] [102]

macOS utiliza el formato binario universal para empaquetar versiones de 32 y 64 bits de código de aplicación y biblioteca en un único archivo; la versión más adecuada se selecciona automáticamente en el momento de la carga. En Mac OS X 10.6, el formato binario universal también se utiliza para el núcleo y para aquellas extensiones de núcleo que admiten núcleos de 32 y 64 bits.

Solaris

Solaris 10 y versiones posteriores admiten la arquitectura x86-64.

Para Solaris 10, al igual que con la arquitectura SPARC , sólo hay una imagen del sistema operativo, que contiene un núcleo de 32 bits y un núcleo de 64 bits; se denomina imagen de DVD-ROM "x64/x86". El comportamiento predeterminado es arrancar un núcleo de 64 bits, lo que permite ejecutar tanto los ejecutables de 64 bits como los de 32 bits existentes o nuevos. También se puede seleccionar manualmente un núcleo de 32 bits, en cuyo caso sólo se ejecutarán los ejecutables de 32 bits. El isainfocomando se puede utilizar para determinar si un sistema está ejecutando un núcleo de 64 bits.

Para Solaris 11, solo se proporciona el núcleo de 64 bits. Sin embargo, el núcleo de 64 bits admite ejecutables, bibliotecas y llamadas del sistema tanto de 32 como de 64 bits.

Ventanas

Las ediciones x64 del cliente y servidor de Microsoft Windows ( Windows XP Professional x64 Edition y Windows Server 2003 x64 Edition) se lanzaron en marzo de 2005. [103] Internamente, en realidad son la misma compilación (5.2.3790.1830 SP1), [104] [105] ya que comparten la misma base de origen y los mismos binarios del sistema operativo, por lo que incluso las actualizaciones del sistema se lanzan en paquetes unificados, de forma muy similar a las ediciones Windows 2000 Professional y Server para x86. Windows Vista , que también tiene muchas ediciones diferentes, se lanzó en enero de 2007. Windows 7 se lanzó en julio de 2009. Windows Server 2008 R2 se vendió solo en ediciones x64 e Itanium; las versiones posteriores de Windows Server solo ofrecen una edición x64.

Las versiones de Windows para x64 anteriores a Windows 8.1 y Windows Server 2012 R2 ofrecen lo siguiente:

En Windows 8.1 y Windows Server 2012 R2, los espacios de direcciones virtuales del modo usuario y del modo kernel se han ampliado a 128 TiB. [23] Estas versiones de Windows no se instalarán en procesadores que carezcan de la CMPXCHG16Binstrucción.

Las siguientes características adicionales se aplican a todas las versiones x64 de Windows:

Consolas de videojuegos

Tanto la PlayStation 4 como la Xbox One , y todas las variantes de esas consolas, incorporan procesadores AMD x86-64, basados ​​en la microarquitectura Jaguar . [116] [117] El firmware y los juegos están escritos en código x86-64; no está involucrado ningún código x86 heredado.

La generación actual, la PlayStation 5 y las Xbox Series X y Series S respectivamente, también incorporan procesadores AMD x86-64, basados ​​en la microarquitectura Zen 2. [118] [119]

Aunque se considera una PC, Steam Deck utiliza una unidad de procesamiento acelerado (APU) AMD x86-64 personalizada, basada en la microarquitectura Zen 2. [120]

Convenciones de nombres de la industria

Dado que AMD64 e Intel 64 son sustancialmente similares, muchos productos de software y hardware utilizan un término independiente del proveedor para indicar su compatibilidad con ambas implementaciones. La designación original de AMD para esta arquitectura de procesador, "x86-64", todavía se utiliza para este propósito, [2] al igual que la variante "x86_64". [3] [4] Otras empresas, como Microsoft [6] y Sun Microsystems / Oracle Corporation , [5] utilizan la contracción "x64" en el material de marketing.

El término IA-64 se refiere al procesador Itanium y no debe confundirse con x86-64, ya que es un conjunto de instrucciones completamente diferente.

Muchos sistemas operativos y productos, especialmente aquellos que introdujeron soporte x86-64 antes de la entrada de Intel al mercado, utilizan el término "AMD64" o "amd64" para referirse tanto a AMD64 como a Intel 64.

Licencias

x86-64/AMD64 fue desarrollado exclusivamente por AMD. Hasta abril de 2021, cuando expiraron las patentes pertinentes, AMD tenía patentes sobre técnicas utilizadas en AMD64; [123] [124] [125] AMD tuvo que obtener la licencia de esas patentes para poder implementar AMD64. Intel celebró un acuerdo de licencia cruzada con AMD, otorgando a AMD la licencia de sus patentes sobre técnicas x86 existentes y a AMD la licencia de sus patentes sobre técnicas utilizadas en x86-64. [126] En 2009, AMD e Intel resolvieron varias demandas y desacuerdos sobre licencias cruzadas, ampliando sus acuerdos de licencia cruzada. [127] [128] [129]

Véase también

Notas

  1. ^ Se utilizan varios nombres para el conjunto de instrucciones. Antes del lanzamiento, se utilizaban x86-64 y x86_64, mientras que tras el lanzamiento AMD lo denominó AMD64. [1] Intel utilizó inicialmente los nombres IA-32e y EM64T antes de decidirse finalmente por "Intel 64" para su implementación. Algunos en la industria, incluyendo Apple , [2] [3] [4] utilizan x86-64 y x86_64, mientras que otros, notablemente Sun Microsystems [5] (ahora Oracle Corporation ) y Microsoft , [6] utilizan x64. La familia de sistemas operativos BSD y varias distribuciones Linux [7] [8] utilizan AMD64, al igual que Microsoft Windows internamente. [9] [10]
  2. ^ En la práctica, los sistemas operativos de 64 bits generalmente no admiten aplicaciones de 16 bits, aunque las versiones modernas de Microsoft Windows contienen una solución limitada que admite de manera efectiva los instaladores InstallShield y Microsoft ACME de 16 bits al sustituirlos silenciosamente con código de 32 bits. [12]
  1. ^ The Register informó que el modelo G1 (0F49h) de Pentium 4 se probará el 17 de octubre y se enviará en grandes cantidades el 14 de noviembre. [66] Sin embargo, el documento de Intel dice que las muestras están disponibles el 9 de septiembre, mientras que el 17 de octubre es la "fecha de primera disponibilidad de material posterior a la conversión", que Intel define como "la fecha proyectada en la que un cliente puede esperar recibir los materiales posteriores a la conversión... los clientes deben estar preparados para recibir los materiales posteriores a la conversión en esta fecha". [67]

Referencias

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