X86-64

AMD Opteron fue el primer CPU en introducir las extensiones x86-64 en 2003.

x86-64 (también conocido como x64, x86_64 y AMD64) es la versión de 64 bits del conjunto de instrucciones x86. Soporta una cantidad mucho mayor de memoria virtual y memoria física de lo que le es posible a sus predecesores, permitiendo a los programas almacenar grandes cantidades de datos en la memoria. x86-64 también provee registros de uso general de 64 bits y muchas otras mejoras. La especificación fue creada por AMD, y ha sido implementada por AMD, Intel, VIA y otros. Es totalmente retrocompatible con el código x86 de 16 y 32 bits.[2] mientras que las aplicaciones existentes que fueron recodificadas para aprovechar las características del nuevo procesador, pueden alcanzar mejoras en el rendimiento.

Antes del lanzamiento, se usaron los nombres "x86-64" y "x86_64" para referirse al juego de instrucciones. Tras la publicación, AMD lo llamó "AMD64".[10] usan "AMD64".

El procesador AMD K8 fue el primero en implementar esta arquitectura; fue el primero en realizar un agregado importante a la arquitectura x86 diseñada por otra compañía que no era Intel. Intel se vio forzada a seguir su ejemplo y lanzar una familia NetBurst modificada la cual era totalmente compatible en software con la especificación y el diseño de AMD. VIA Technologies introdujo el x86-64 en su arquitectura VIA Isaiah con el VIA Nano.

La especificación x86-64 es diferente de la arquitectura del Intel Itanium (antiguamente "IA-64"), la cual no es compatible con el juego de instrucciones nativo de la arquitectura x86.

Visión general

Se trata de una arquitectura desarrollada originalmente por AMD a partir de la arquitectura x86, e implementada bajo el nombre de AMD64. El primer procesador (para computadoras personales) con soporte para este conjunto de instrucciones fue el Opteron, lanzado en abril de 2003. Posteriormente ha sido implementado en múltiples variantes del Athlon 64 y posteriores.

La empresa Intel desarrolló una arquitectura compatible bajo el nombre Intel 64 (antes EM64T). La cual ha sido utilizada en el Pentium 4 y posteriores microprocesadores de la compañía.

Descripción de la arquitectura

El conjunto de instrucciones del AMD x86-64 (renombrado posteriormente como AMD64) es una extensión directa de la arquitectura del x86 a una arquitectura de 64 bits, motivado por el hecho de que los 4GB de memoria que son direccionables directamente por una CPU de 32 bits ya no es suficiente para todas las aplicaciones. Algunos de los cambios:

  • Nuevos registros. El número de registros de propósito general se ha incrementado de 8 en los procesadores x86-32 a 16, y el tamaño de todos estos registros se ha incrementado de 32 bits a 64 bits. Adicionalmente, el número de registros MMX de 128 bits (usados para las instrucciones extendidas SIMD) se ha incrementado de 8 a 16. Los registros adicionales incrementan el rendimiento.
  • Registros MMX (SSE) adicionales: Igualmente el número de registros de 128 bits (usados para las instrucciones SSE) han aumentado de 8 a 16.
  • Espacio de direcciones mayor. Debido a la arquitectura de 64 bits, la arquitectura AMD64 puede direccionar hasta 16 exbytes de memoria. Las implementaciones futuras de la arquitectura del AMD64 puede proporcionar hasta 2 exabytes de memoria disponible. Si la paginación de memoria se utiliza correctamente, los sistemas operativos de 32 bits podrían tener acceso a algunas de las extensiones de dirección físicas sin tener que realizar la ejecución en modo largo (long).
  • Instrucción de acceso a datos relativa al puntero: Las instrucciones ahora pueden hacer referencias relativas al puntero de instrucciones (registro RIP). Esto permite crear código independiente de la posición que permite un código mucho más eficiente en bibliotecas dinámicas y código cargado en tiempo de ejecución.
  • Llamadas al sistema más rápidas. Debido a que la segmentación no está soportada en el modo de 64 bits, las llamadas al sistema no tienen las latencias asociadas con almacenar y recuperar la información de segmentación ni tienen que realizar las comprobaciones necesarias de protección a nivel de segmentación. Por lo tanto, AMD ha introducido una nueva interfaz de llamadas al sistema, al que se accede utilizando solamente la instrucción "SYSCALL". Aunque los sistemas operativos todavía pueden utilizar el sistema de interrupciones para las llamadas al sistema, en el modo de 64 bits utilizar "SYSCALL" es más rápido.
  • Instrucciones SSE. La arquitectura AMD 64 incluye las extensiones de Intel SSE y SSE2, las últimas cpus incluyen las instrucciones SSE3 y algunos también las SSE4. También están soportadas las instrucciones del x86 y MMX.
  • Bit NX. El bit NX es una característica del procesador que permite al sistema operativo prohibir la ejecución del código en área de datos, mejorando la seguridad. Esta características está disponible en los modos de 32 y 64 bits, y está soportada por Linux, Solaris, Windows XP SP2, Windows Server 2003 SP1.

Modos de funcionamiento

Modo de funcionamiento Requerido por el Sistema Operativo Es necesaria la recompilación de la aplicación Tamaño por defecto del direccionamiento Tamaño por defecto de los operandos Extensiones del registro Tamaño típico del Registro de Propósito General
Modo largo Modo 64 bits SO nuevos de 64 bits 64 32 64
Modo de
compatibilidad
no 32 no 32
16 16 16
Modo de
Herencia
Modo protegido SO de 32 bit heredados no 32 32 no 32
16 16
Modo 8086 virtual 16 16 16
Modo real SO de 16 bit heredados

Explicación del modo de funcionamiento

Hay dos modos primarios de operación para esta arquitectura:

Modo Largo

Es el utilizado por algunos BSDs, GNU/Linux (x86_64), Solaris 10, y por las ediciones de 64 bits de Windows XP Professional, Windows Vista, Windows 7 y Windows 8.

Dado que el conjunto de instrucciones es el mismo, no hay una penalización importante en la ejecución del código x86. Esto no sucede en la arquitectura de Intel IA-64, donde las diferencias en el ISA subyacente implican que la ejecución de código de 32 bits equivale a utilizar un procesador completamente diferente. En todo caso, en AMD 64, las aplicaciones de 32 bits del x86 podrían todavía beneficiarse de una recompilación a 64 bits. Los registros adicionales disponibles en el código de 64 bits, pueden ser utilizados por un compilador de alto nivel para la optimización.

Usando el modo largo, un sistema operativo de 64 bits puede ejecutar aplicaciones de 32 bits y 64 bits simultáneamente. También un x86-64 incluye un soporte nativo para ejecutar las aplicaciones de 16 bits del x86. Microsoft ha excluido explícitamente el soporte para aplicaciones de 16 bits en la edición x64 de Windows XP Professional debido a los problemas de conseguir que el código de 16 bits del x86 pueda funcionar con su emulador WoW64.

Modo de Herencia

El modo utilizado por los sistemas operativos de 16 bits, como MS-DOS, y los sistemas operativos de 32 bits, como Windows XP. En este modo, sólo se puede ejecutar código de 16 bits o de 32 bits. Los sistemas operativos de 64 bits como Windows XP Professional x64 y Windows Server 2003 x64 no se ejecutarán.

AMD64

Estudio de mercado

AMD64 representa un cambio con el pasado de AMD cuyo comportamiento era seguir los estándares de Intel, aunque mantiene los comportamientos anteriores de Intel extendiendo la arquitectura del x86, desde los 16 bits 8086 hasta los 32 bits 80386, siempre sin eliminar compatibilidad hacia atrás. La arquitectura del AMD64 extiende la arquitectura de 32 bits del x86 ( IA-32) añadiendo registros de 64 bits, con modos de total compatibilidad de 32 bits y 16 bits para software ya existente. Incluso el modo de 64 bits permite compatibilidad hacía atrás, facilitando que las herramientas del x86 como los compiladores puedan ser adaptadas a la arquitectura AMD64 con un esfuerzo mínimo. La arquitectura del AMD64 dispone de características como el bit NX.

Implementaciones

Los procesadores siguientes implementan la arquitectura AMD64:

Intel 64

Intel 64 (antes conocida como EM64T) es la implementación Intel de la tecnología x86-64.

Historia

Durante mucho tiempo de la historia, AMD ha producido y distribuido procesadores basados en los diseños originales de Intel, pero en un giro de la historia, Intel, al ver la oportunidad, adoptó la arquitectura x86-64 de AMD, creada como una extensión de la línea de procesadores x86 propios de Intel. Como AMD luego renombró su arquitectura a AMD64, Intel de igual manera renombró la suya a Intel 64.

Implementaciones

Esta arquitectura está implementada en los siguientes modelos de procesadores:

  • Pentium 4 720 Extreme Edition
  • Pentium 4 630
  • Serie 6xx
  • Pentium 4 524
  • Serie 5x6
  • Serie 5x1
  • Celeron D 355
  • Celeron D 331
  • Serie 3x6
  • Serie 3x1

Diferencias entre AMD64 e Intel 64

Aunque existe un alto nivel de compatibilidad a nivel binario, se pueden encontrar pequeñas diferencias entre los dos conjuntos de instrucciones. Un ejemplo menor es el añadido de la instrucción CMPXCHG16B (que intercambia dos palabras de 64 bits), una extensión de la instrucción CMPXCHG8B presente en la mayoría de los procesadores x86 del mercado; los primeros procesadores AMD no disponían de esta instrucción, por lo tanto todos los procesadores EM64T la incluyeron.

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