En la arquitectura de computadoras , los números enteros de 64 bits , las direcciones de memoria u otras unidades de datos [a] son aquellas que tienen 64 bits de ancho. Asimismo, las unidades centrales de procesamiento (CPU) y unidades lógicas aritméticas (ALU) de 64 bits son aquellas que se basan en registros de procesador , buses de direcciones o buses de datos de ese tamaño. Una computadora que utiliza dicho procesador es una computadora de 64 bits.
Desde la perspectiva del software, la informática de 64 bits significa el uso de código de máquina con direcciones de memoria virtual de 64 bits . Sin embargo, no todos los conjuntos de instrucciones de 64 bits admiten direcciones de memoria virtual completas de 64 bits; x86-64 y AArch64 , por ejemplo, admiten solo 48 bits de dirección virtual, y los 16 bits restantes de la dirección virtual deben ser todo ceros (000...) o todos unos (111...), y varios bits de 64 bits. Los conjuntos de instrucciones de bits admiten menos de 64 bits de dirección de memoria física.
El término 64 bits también describe una generación de computadoras en las que los procesadores de 64 bits son la norma. 64 bits es un tamaño de palabra que define ciertas clases de arquitectura de computadora, buses, memoria y CPU y, por extensión, el software que se ejecuta en ellos. Las CPU de 64 bits se han utilizado en supercomputadoras desde la década de 1970 ( Cray-1 , 1975) y en estaciones de trabajo y servidores basados en computadoras con conjunto de instrucciones reducido (RISC) desde principios de la década de 1990. En 2003, las CPU de 64 bits se introdujeron en el mercado general de PC en forma de procesadores x86-64 y el PowerPC G5 .
Un registro de 64 bits puede contener cualquiera de 2 64 (más de 18 quintillones o 1,8×10 19 ) valores diferentes. El rango de valores enteros que se pueden almacenar en 64 bits depende de la representación entera utilizada. Con las dos representaciones más comunes, el rango es de 0 a 18.446.744.073.709.551.615 (igual a 2.64 − 1) para la representación como un número binario ( sin signo ) , y de −9.223.372.036.854.775.808 ( −2.63 ) a 9.223.372.036.854,7 75.807 (2 63 − 1) por representación como complemento a dos . Por lo tanto, un procesador con direcciones de memoria de 64 bits puede acceder directamente a 264 bytes (16 exbibytes o EiB) de memoria direccionable por bytes .
Sin más calificaciones, una arquitectura de computadora de 64 bits generalmente tiene registros de números enteros y de direccionamiento de 64 bits de ancho, lo que permite soporte directo para tipos de datos y direcciones de 64 bits. Sin embargo, una CPU podía tener buses de datos externos o buses de direcciones con diferentes tamaños de registros, incluso mayores (el Pentium de 32 bits tenía un bus de datos de 64 bits, por ejemplo). [1]
Los registros del procesador generalmente se dividen en varios grupos: entero , punto flotante , instrucción única, datos múltiples (SIMD), control y, a menudo, registros especiales para aritmética de direcciones que pueden tener varios usos y nombres, como direcciones , índices o registros base . Sin embargo, en los diseños modernos, estas funciones suelen realizarse mediante registros enteros de propósito más general . En la mayoría de los procesadores, sólo se pueden utilizar registros de direcciones o números enteros para direccionar datos en la memoria; los otros tipos de registros no pueden. Por lo tanto, el tamaño de estos registros normalmente limita la cantidad de memoria direccionable directamente, incluso si hay registros, como los registros de punto flotante, que son más anchos.
La mayoría de los procesadores de alto rendimiento de 32 y 64 bits (algunas excepciones notables son las CPU con arquitectura ARM (ARM) más antigua o integrada y con arquitectura MIPS (MIPS) de 32 bits ) tienen hardware de punto flotante integrado, que a menudo, aunque no siempre, se basa en en unidades de datos de 64 bits. Por ejemplo, aunque la arquitectura x86 / x87 tiene instrucciones capaces de cargar y almacenar valores de punto flotante de 64 bits (y 32 bits) en la memoria, el formato de registro y datos de punto flotante interno tiene 80 bits de ancho, mientras que el formato general de registro y datos de punto flotante es de 80 bits. Los registros de propósito tienen 32 bits de ancho. Por el contrario, la familia Alpha de 64 bits utiliza un formato de registro y datos de punto flotante de 64 bits y registros enteros de 64 bits.
Muchos conjuntos de instrucciones de computadora están diseñados para que un único registro entero pueda almacenar la dirección de memoria en cualquier ubicación de la memoria física o virtual de la computadora . Por lo tanto, el número total de direcciones en la memoria suele estar determinado por el ancho de estos registros. El IBM System/360 de la década de 1960 fue uno de los primeros ordenadores de 32 bits; tenía registros enteros de 32 bits, aunque solo usaba los 24 bits de orden inferior de una palabra para las direcciones, lo que daba como resultado un espacio de direcciones de 16 MiB ( 16 × 1024 2 bytes ). Las superminicomputadoras de 32 bits , como la DEC VAX , se hicieron comunes en la década de 1970, y los microprocesadores de 32 bits, como la familia Motorola 68000 y los miembros de 32 bits de la familia x86 comenzando con el Intel 80386 , aparecieron a mediados de la década de 1970 . década de 1980, lo que convirtió a 32 bits en una especie de consenso de facto como tamaño de registro conveniente.
Un registro de direcciones de 32 bits significaba que se podía hacer referencia a 2 32 direcciones, o 4 GiB de memoria de acceso aleatorio (RAM). Cuando se idearon estas arquitecturas, 4 GiB de memoria superaban con creces las cantidades típicas (4 MiB) en las instalaciones, por lo que se consideró que era suficiente espacio para direccionar. Se consideró que 4,29 mil millones de direcciones eran un tamaño apropiado para trabajar por otra razón importante: 4,29 mil millones de números enteros son suficientes para asignar referencias únicas a la mayoría de las entidades en aplicaciones como bases de datos .
Algunas arquitecturas de supercomputadoras de las décadas de 1970 y 1980, como el Cray-1 , [2] usaban registros de hasta 64 bits de ancho y admitían aritmética de enteros de 64 bits, aunque no admitían direccionamiento de 64 bits. A mediados de la década de 1980, el desarrollo del Intel i860 [3] comenzó y culminó con un lanzamiento en 1989; El i860 tenía registros enteros de 32 bits y direccionamiento de 32 bits, por lo que no era un procesador completamente de 64 bits, aunque su unidad gráfica admitía aritmética entera de 64 bits. [4] Sin embargo, 32 bits siguieron siendo la norma hasta principios de la década de 1990, cuando las continuas reducciones en el costo de la memoria llevaron a instalaciones con cantidades de RAM cercanas a los 4 GiB, y el uso de espacios de memoria virtual que superaban el límite de 4 GiB se volvió deseable para manejar ciertos tipos de problemas. En respuesta, MIPS y DEC desarrollaron arquitecturas de microprocesadores de 64 bits, inicialmente para estaciones de trabajo y servidores de alta gama . A mediados de la década de 1990, HAL Computer Systems , Sun Microsystems , IBM , Silicon Graphics y Hewlett-Packard habían desarrollado arquitecturas de 64 bits para sus sistemas de estaciones de trabajo y servidores. Una excepción notable a esta tendencia fueron los mainframes de IBM, que entonces utilizaban datos de 32 bits y tamaños de direcciones de 31 bits; Los mainframes de IBM no incluyeron procesadores de 64 bits hasta el año 2000. Durante la década de 1990, se utilizaron varios microprocesadores de 64 bits de bajo costo en electrónica de consumo y aplicaciones integradas. En particular, la Nintendo 64 [5] y la PlayStation 2 tenían microprocesadores de 64 bits antes de su introducción en las computadoras personales. Las impresoras de alta gama, los equipos de red y las computadoras industriales también utilizaban microprocesadores de 64 bits, como el Quantum Effect Devices R5000 . [ cita necesaria ] La informática de 64 bits comenzó a llegar a las computadoras de escritorio personales a partir de 2003, cuando algunos modelos de las líneas Macintosh de Apple cambiaron a procesadores PowerPC 970 (denominados G5 por Apple) y se lanzaron Advanced Micro Devices (AMD). su primer procesador x86-64 de 64 bits . La memoria física finalmente alcanzó los límites de 32 bits. En 2023, las computadoras portátiles estaban comúnmente equipadas con 16 GB y los servidores con hasta 64 GB de memoria, superando con creces la capacidad de direcciones de 4 GB y 32 bits.
En principio, un microprocesador de 64 bits puede direccionar 16 EiB ( 16 × 1024 6 = 2 64 = 18.446.744.073.709.551.616 bytes , o aproximadamente 18,4 exabytes) de memoria. Sin embargo, no todos los conjuntos de instrucciones, ni todos los procesadores que implementan esos conjuntos de instrucciones, admiten un espacio de direcciones físico o virtual completo de 64 bits.
La arquitectura x86-64 (a partir de 2016 [update]) permite 48 bits para memoria virtual y, para cualquier procesador, hasta 52 bits para memoria física. [26] [27] Estos límites permiten tamaños de memoria de 256 TiB ( 256 × 1024 4 bytes ) y 4 PiB ( 4 × 1024 5 bytes ), respectivamente. Actualmente, una PC no puede contener 4 pebibytes de memoria (debido al tamaño físico de los chips de memoria), pero AMD imaginó servidores grandes, clústeres de memoria compartida y otros usos del espacio de direcciones físicas que podrían acercarse a esto en el futuro previsible. Por lo tanto, la dirección física de 52 bits proporciona un amplio espacio para la expansión sin incurrir en el costo de implementar direcciones físicas completas de 64 bits. De manera similar, el espacio de direcciones virtuales de 48 bits fue diseñado para proporcionar 65,536 (2 16 ) veces el límite de 32 bits de 4 GiB ( 4 × 1024 3 bytes ), permitiendo espacio para una expansión posterior y sin incurrir en gastos generales de traducción completa de 64 bits. direcciones.
Power ISA v3.0 permite 64 bits para una dirección efectiva, asignada a una dirección segmentada con entre 65 y 78 bits permitidos, para memoria virtual y, para cualquier procesador determinado, hasta 60 bits para memoria física. [28]
La arquitectura Oracle SPARC 2015 permite 64 bits para la memoria virtual y, para cualquier procesador, entre 40 y 56 bits para la memoria física. [29]
La arquitectura del sistema de memoria virtual ARM AArch64 permite 48 bits para memoria virtual y, para cualquier procesador, de 32 a 48 bits para memoria física. [30]
La especificación DEC Alpha requiere que se admita un mínimo de 43 bits de espacio de direcciones de memoria virtual (8 TiB), y el hardware debe verificar y detectar si los bits restantes no admitidos son cero (para admitir la compatibilidad en procesadores futuros). Alpha 21064 admitía 43 bits de espacio de direcciones de memoria virtual (8 TiB) y 34 bits de espacio de direcciones de memoria física (16 GiB). Alpha 21164 admitía 43 bits de espacio de direcciones de memoria virtual (8 TiB) y 40 bits de espacio de direcciones de memoria física (1 TiB). Alpha 21264 admitía 43 o 48 bits de espacio de direcciones de memoria virtual configurables por el usuario (8 TiB o 256 TiB) y 44 bits de espacio de direcciones de memoria física (16 TiB).
Un cambio de una arquitectura de 32 bits a una de 64 bits es una alteración fundamental, ya que la mayoría de los sistemas operativos deben modificarse ampliamente para aprovechar la nueva arquitectura, porque ese software tiene que administrar la memoria real que direcciona el hardware. [31] También se debe portar otro software para utilizar las nuevas capacidades; El software antiguo de 32 bits puede ser compatible ya sea en virtud de que el conjunto de instrucciones de 64 bits es un superconjunto del conjunto de instrucciones de 32 bits, de modo que los procesadores que admiten el conjunto de instrucciones de 64 bits también pueden ejecutar código para la instrucción de 32 bits. set, o mediante emulación de software , o mediante la implementación real de un núcleo de procesador de 32 bits dentro del procesador de 64 bits, como ocurre con algunos procesadores Itanium de Intel, que incluían un núcleo de procesador IA-32 para ejecutar aplicaciones x86 de 32 bits . Los sistemas operativos para esas arquitecturas de 64 bits generalmente admiten aplicaciones de 32 y 64 bits. [32]
Una excepción significativa a esto es el IBM AS/400 , cuyo software se compila en una arquitectura de conjunto de instrucciones virtuales (ISA) llamada Technology Independent Machine Interface (TIMI); Luego, el código TIMI se traduce a código de máquina nativo mediante software de bajo nivel antes de ejecutarse. El software de traducción es todo lo que se debe reescribir para trasladar el sistema operativo completo y todo el software a una nueva plataforma, como cuando IBM hizo la transición del conjunto de instrucciones nativo para AS/400 del antiguo IMPI de 32/48 bits al nuevo PowerPC de 64 bits. -AS , cuyo nombre en clave es Amazon . El conjunto de instrucciones IMPI era bastante diferente incluso del PowerPC de 32 bits, por lo que esta transición fue incluso mayor que mover un conjunto de instrucciones determinado de 32 a 64 bits.
En hardware de 64 bits con arquitectura x86-64 (AMD64), la mayoría de los sistemas operativos y aplicaciones de 32 bits pueden ejecutarse sin problemas de compatibilidad. Si bien el mayor espacio de direcciones de las arquitecturas de 64 bits facilita el trabajo con grandes conjuntos de datos en aplicaciones como vídeo digital , informática científica y grandes bases de datos , ha habido un debate considerable sobre si ellos o sus modos de compatibilidad de 32 bits serán más rápidos que los de 64 bits. sistemas de 32 bits de precio similar para otras tareas.
Un programa Java compilado puede ejecutarse en una máquina virtual Java de 32 o 64 bits sin modificaciones. Las longitudes y la precisión de todos los tipos integrados, como char, short, int, long, floaty double, y los tipos que se pueden utilizar como índices de matriz, están especificadas por el estándar y no dependen de la arquitectura subyacente. Los programas Java que se ejecutan en una máquina virtual Java de 64 bits tienen acceso a un espacio de direcciones más grande. [33]
La velocidad no es el único factor a considerar al comparar procesadores de 32 y 64 bits. Aplicaciones como multitarea, pruebas de estrés y agrupación en clústeres (para computación de alto rendimiento (HPC)) pueden ser más adecuadas para una arquitectura de 64 bits cuando se implementan adecuadamente. Por este motivo, los clústeres de 64 bits se han implementado ampliamente en grandes organizaciones, como IBM, HP y Microsoft.
Resumen:
Un error común es pensar que las arquitecturas de 64 bits no son mejores que las de 32 bits a menos que la computadora tenga más de 4 GiB de memoria de acceso aleatorio . [34] Esto no es del todo cierto:
int a , b , c , d , e ; para ( a = 0 ; a < 100 ; a ++ ) { b = a ; c = b ; re = c ; mi = re ; } La principal desventaja de las arquitecturas de 64 bits es que, en comparación con las arquitecturas de 32 bits, los mismos datos ocupan más espacio en la memoria (debido a punteros más largos y posiblemente de otros tipos, y al relleno de alineación). Esto aumenta los requisitos de memoria de un proceso determinado y puede tener implicaciones para el uso eficiente de la caché del procesador. Mantener un modelo parcial de 32 bits es una forma de manejar esto y, en general, es razonablemente efectivo. Por ejemplo, el sistema operativo z/OS adopta este enfoque, que exige que el código del programa resida en espacios de direcciones de 31 bits (el bit de orden superior no se utiliza en el cálculo de direcciones en la plataforma de hardware subyacente), mientras que los objetos de datos pueden residir opcionalmente en espacios de 64 bits. regiones de bits. No todas estas aplicaciones requieren un gran espacio de direcciones ni manipulan elementos de datos de 64 bits, por lo que estas aplicaciones no se benefician de estas características.
Los sistemas de 64 bits basados en x86 a veces carecen de equivalentes de software escrito para arquitecturas de 32 bits. El problema más grave de Microsoft Windows son los controladores de dispositivos incompatibles para hardware obsoleto. La mayoría del software de aplicaciones de 32 bits puede ejecutarse en un sistema operativo de 64 bits en modo de compatibilidad , también denominado modo de emulación , por ejemplo, tecnología Microsoft WoW64 para IA-64 y AMD64. El entorno del controlador del modo nativo de Windows de 64 bits [37] se ejecuta sobre NTDLL.DLL de 64 bits , que no puede llamar al código del subsistema Win32 de 32 bits (a menudo dispositivos cuya función de hardware real se emula en software de modo de usuario, como Winprinters). Debido a que los controladores de 64 bits para la mayoría de los dispositivos no estuvieron disponibles hasta principios de 2007 (Vista x64), usar una versión de 64 bits de Windows se consideró un desafío. Sin embargo, desde entonces la tendencia se ha desplazado hacia la informática de 64 bits, sobre todo a medida que los precios de la memoria cayeron y aumentó el uso de más de 4 GiB de RAM. La mayoría de los fabricantes comenzaron a proporcionar controladores de 32 y 64 bits para dispositivos nuevos, por lo que la falta de disponibilidad de controladores de 64 bits dejó de ser un problema. Para muchos dispositivos antiguos no se proporcionaban controladores de 64 bits, por lo que no podían utilizarse en sistemas de 64 bits.
La compatibilidad de los controladores era un problema menor con los controladores de código abierto, ya que los de 32 bits podían modificarse para su uso en 64 bits. El soporte para hardware fabricado antes de principios de 2007 era problemático para las plataformas de código abierto, [ cita necesaria ] debido al número relativamente pequeño de usuarios.
Las versiones de 64 bits de Windows no pueden ejecutar software de 16 bits . Sin embargo, la mayoría de las aplicaciones de 32 bits funcionarán bien. Los usuarios de 64 bits se ven obligados a instalar una máquina virtual de un sistema operativo de 16 o 32 bits para ejecutar aplicaciones de 16 bits o utilizar una de las alternativas para NTVDM . [38]
Mac OS X 10.4 "Tiger" y Mac OS X 10.5 "Leopard" sólo tenían un kernel de 32 bits, pero pueden ejecutar código en modo de usuario de 64 bits en procesadores de 64 bits. Mac OS X 10.6 "Snow Leopard" tenía kernels de 32 y 64 bits y, en la mayoría de las Mac, usaba el kernel de 32 bits incluso en procesadores de 64 bits. Esto permitió que esas Mac admitieran procesos de 64 bits y al mismo tiempo admitieran controladores de dispositivos de 32 bits; aunque no los controladores de 64 bits y las ventajas de rendimiento que pueden conllevar. Mac OS X 10.7 "Lion" se ejecutó con un kernel de 64 bits en más Mac, y OS X 10.8 "Mountain Lion" y versiones posteriores de macOS solo tienen un kernel de 64 bits. En sistemas con procesadores de 64 bits, los kernels de macOS de 32 y 64 bits pueden ejecutar código en modo de usuario de 32 bits, y todas las versiones de macOS hasta macOS Mojave (10.14) incluyen versiones de 32 bits de bibliotecas que 32-bits. Las aplicaciones de bits usarían, por lo que el software de modo de usuario de 32 bits para macOS se ejecutará en esos sistemas. Apple eliminó las versiones de 32 bits de las bibliotecas en macOS Catalina (10.15).
Linux y la mayoría de los demás sistemas operativos tipo Unix , y las cadenas de herramientas C y C++ correspondientes, han soportado procesadores de 64 bits durante muchos años. Muchas aplicaciones y bibliotecas para esas plataformas son software de código abierto , escritas en C y C++, de modo que si son seguras para 64 bits, se pueden compilar en versiones de 64 bits. Este modelo de distribución basado en código fuente, con énfasis en lanzamientos frecuentes, hace que la disponibilidad de software de aplicación para esos sistemas operativos sea un problema menor.
En programas de 32 bits, los punteros y los tipos de datos, como los números enteros, generalmente tienen la misma longitud. Esto no es necesariamente cierto en máquinas de 64 bits. [39] [40] [41] La combinación de tipos de datos en lenguajes de programación como C y sus descendientes, como C++ y Objective-C, puede funcionar en implementaciones de 32 bits, pero no en implementaciones de 64 bits.
En muchos entornos de programación para C y lenguajes derivados de C en máquinas de 64 bits, intlas variables todavía tienen 32 bits de ancho, pero los enteros largos y los punteros tienen 64 bits de ancho. Se describe que tienen un modelo de datos LP64 , que es una abreviatura de "Long, Pointer, 64". [42] [43] Otros modelos son el modelo de datos ILP64 en el que los tres tipos de datos tienen 64 bits de ancho, [44] [43] e incluso el modelo SILP64 donde los enteros cortos también tienen 64 bits de ancho. [45] [46] Sin embargo, en la mayoría de los casos las modificaciones requeridas son relativamente menores y sencillas, y muchos programas bien escritos pueden simplemente recompilarse para el nuevo entorno sin cambios. Otra alternativa es el modelo LLP64 , que mantiene la compatibilidad con código de 32 bits dejando ambos y como 32 bits. [47] [43] LL se refiere al tipo entero largo , que es de al menos 64 bits en todas las plataformas, incluidos los entornos de 32 bits.intlong
También hay sistemas con procesadores de 64 bits que utilizan un modelo de datos ILP32 , con la adición de enteros largos de 64 bits; esto también se utiliza en muchas plataformas con procesadores de 32 bits. Este modelo reduce el tamaño del código y el tamaño de las estructuras de datos que contienen punteros, a costa de un espacio de direcciones mucho más pequeño, una buena opción para algunos sistemas integrados. Para conjuntos de instrucciones como x86 y ARM en los que la versión de 64 bits del conjunto de instrucciones tiene más registros que la versión de 32 bits, proporciona acceso a registros adicionales sin penalización de espacio. Es común en máquinas RISC de 64 bits, [ cita necesaria ] explorado en x86 como x32 ABI y recientemente se ha utilizado en Apple Watch Series 4 y 5. [48] [49]
Muchas plataformas de 64 bits hoy en día utilizan un modelo LP64 (incluidos Solaris, AIX , HP-UX , Linux, macOS, BSD e IBM z/OS). Microsoft Windows utiliza un modelo LLP64 . La desventaja del modelo LP64 es que el almacenamiento de a longen an intse trunca. Por otro lado, convertir un puntero en long"funcionará" en LP64. En el modelo LLP64 ocurre lo contrario. Estos no son problemas que afecten al código totalmente compatible con los estándares, pero el código a menudo se escribe con suposiciones implícitas sobre el ancho de los tipos de datos. El código C debería preferir ( u) intptr_ten lugar de longcuando convierte punteros en objetos enteros.
Un modelo de programación es una elección que se adapta a un compilador determinado, y varios pueden coexistir en el mismo sistema operativo. Sin embargo, el modelo de programación elegido como modelo principal para la interfaz de programación de aplicaciones (API) del sistema operativo suele dominar.
Otra consideración es el modelo de datos utilizado para los controladores de dispositivos . Los controladores constituyen la mayor parte del código del sistema operativo en la mayoría de los sistemas operativos modernos [ cita necesaria ] (aunque es posible que muchos no se carguen cuando el sistema operativo se está ejecutando). Muchos controladores utilizan mucho punteros para manipular datos y, en algunos casos, tienen que cargar punteros de cierto tamaño en el hardware que admiten para el acceso directo a la memoria (DMA). Como ejemplo, un controlador para un dispositivo PCI de 32 bits que solicita al dispositivo que envíe datos DMA a las áreas superiores de la memoria de una máquina de 64 bits no podría satisfacer las solicitudes del sistema operativo para cargar datos desde el dispositivo a la memoria por encima de la barrera de los 4 gibibytes . , porque los punteros para esas direcciones no encajarían en los registros DMA del dispositivo. Este problema se resuelve haciendo que el sistema operativo tenga en cuenta las restricciones de memoria del dispositivo al generar solicitudes a los controladores para DMA, o utilizando una unidad de administración de memoria de entrada-salida (IOMMU).
En agosto de 2023 [update], las arquitecturas de 64 bits para las que se fabrican procesadores incluyen:
La mayoría de las arquitecturas de 64 bits que se derivan de la misma arquitectura de 32 bits pueden ejecutar código escrito para las versiones de 32 bits de forma nativa, sin penalización en el rendimiento. [ cita necesaria ] Este tipo de soporte se denomina comúnmente soporte de dos arcos o, más generalmente, soporte de múltiples arcos .
Las versiones del procesador VR4300 se utilizan ampliamente en aplicaciones de automatización de oficina y de consumo, incluido el popular videojuego Nintendo 64TM e impresoras láser avanzadas, como la recientemente anunciada y galardonada familia de impresoras Hewlett-Packard LaserJet 4000.
Estado: El núcleo, el compilador y la cadena de herramientas funcionan. El kernel arranca y funciona en el simulador y se utiliza para migrar el área de usuario y ejecutar programas.