1

64-bitna i 32-bitna arhitektura-sli�cnosti i

razlike

Jelena Vu�cini�c 214/2011, Katarina Magdelini�c 311/2011

5. novembar 2013.

Sa�zetak

Bavi�cemo se razli�citim temama koje se ti�cu 64-bitne i 32-bitne arhitekturera�cunara. Najve�ci akcenat �ce biti stavljen na njihove sli�cnosti i razlike, alipored toga podseti�cemo se osnovnih stvari o procesoru. Ponovi�cemo �stasu registri, govori�cemo o istoriji procesora, a potom �cemo razraditi temui nau�citi glavne stvari vezane za 32-bitnu i 64-bitnu arhitekturu.

Sadr�zaj

1 Op�ste stvari o registrima 3

1.1 CPU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Registri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 Kad je nastala 32-bitna arhitektura, a kada i za�sto 64-

bitna 6

3 Opis 32-bitne arhitekture 6

4 21. vek i po�cetak razvoja 64-bitne arhitekture 7

5 Prednosti 64-bitne u odnosu na 32-bitnu arhitekturu 7

6 Mane 64-bitne arhitekture 8

7 Sli�cnosti i razlike 32-bitne i 64-bitne arhitekture 9

7.1 Sli�cnosti arhitektura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97.2 Razlike arhitektura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

8 Budu�cnost 10

9 Zaklju�cak 10

Literatura 11

2

1 Op�ste stvari o registrima

Slika 1: CPU

1.1 CPU

CPU- Procesor (eng Central Processing Unit)ALU- Aritmeti�cko-logi�cka jedinica (eng. Arithmetic-Logic Unit)CU- Upravlja�cka jedinica(eng. Control Unit)RegistriSystem bus-Sistemska magistralaControl bus-KontrolaData bus-PodaciAdress bus-Adrese

Arhitektura ra�cunara ozna�cava op�stu kon�guraciju delova racunara, njihovoindividualno i uzajamno funkcionisanje, bitne karakteristike tih delova kaoi nacin njihovog medusobnog povezivanja. U te delove spadaju: unutra�snjai spolja�snja memorija, procesor, magistrale, mati�cna plo�ca i izlazni uredaji.Mi �cemo se orijentisati prvenstveno na delove procesora koji se nazivajuregistri, na�cin na koji je tekao njihov istorijski razvoj, razliku izmedu njihi sli�cno[2]. Kod prve generacije procesora (eng. Central Processing Unit,CPU), njegove glavne komponente su bile aritmeti�cko-logi�cka jedinica(eng. Arithmethic-Logic Unit, ALU) i upravlja�cka jedinica (eng. ControlUnit, CU). ALU je obavljala obradu podataka, a CU kontrolisala tuobradu i upravljala prenosom podataka u i iz CPU-a. Savremeni mikroprocesori�cesto objedinjuju funkcije izvr�savanja i kontrole. Da bi ra�cunar izvr�savaooperacije koje mu zadaje program, potrebno je da procesor ra�cunaraprepozna odredene instrukcije tog programa. Proces izvr�savanja instrukcijeod strane procesora podrazumeva:-dohvatanje instrukcije i njenu interpretaciju

3

-obezbedivanje argumenata instrukcije-�cuvanje vrednosti dobijenih pri njenom izvr�savanju-odredivanje naredne instrukcije i sli�cno. [4]

4

1.2 Registri

Registri predstavljaju memoriju za �cuvanje argumenata instrukcije,privremenih rezultata izracunavanja itd. Oni su distribuirani po jedinicamau procesoru prema svojoj nameni. Mo�ze se reci da oni predstavljajuinternu memoriju CPU-a. Preko registara se podaci prenose u ALU. Ucentralnom procesoru postoji vi�se rali�citih registara koji se mogu klasi�kovatiprema rali�citim kriterijumima:-nameni-vrsti podataka koju mogu da sadr�ze-mogu�cnostima pristupa.Naj�ce�s�ci je namena registara. Registri prema nameni dele se na:-registre op�ste namene-registre specijalizovane namene [4]

Registri op�ste namene

Registri op�ste namene se koriste za razli�cite funkcije, npr. za �cuvanjerazli�citih vrsta podataka, adresa i kodova generisanih pri izvr�savanju programa.U zavisnosti od dizajna procesora i odgovaraju�ceg ma�sinskog jezika, mo�zemoih podeliti na:- akumulatore - koriste se za aritmeti�cko-logi�cke operacije- indeks registre - koriste se za indeksno adresiranje- pokaziva�ce segmenta - sadr�ze po�cetnu adresu segmenta na ra�cunarimasa segmentnim adresiranjem- pokaziva�ce steka - pokazuju na po�cetak memorije koja je odredjena zastek[4].

Specijalizovani registri

Koriste se pri izvr�savanju operacija, njihovoj kontroli, kao i za prikazteku�ceg stanja procesora i programa koji se izv�sava. Neki od njih su:- instrukcioni registar(IR) - sadr�zi poslednju pro�citanu instrukciju- registar memorijske adrese(RMA) - sadr�zi adresu u memoriji iz kojetreba preneti sadr�zaj u PRM ili u koji treba upisati sadr�zaj iz PRM- prihvatni registar memorije(PRM) - sadr�zi re�c koja je poslednja pro�citanaiz memorije ili koju treba upisati u memoriju na adresi koja je sadr�zanau RMA- broja�c instrukcija (PC) - sadr�zi adresu naredne instrukcije koju trebapreneti u procesor- registar koji sadr�zi status programa koji se trenutno izvr�sava- kontrolni registar pri izvr�savanju operacija u pokretnom zarezu- kontrolni registri[4]

5

2 Kad je nastala 32-bitna arhitektura, a

kada i za�sto 64-bitna

8-bitne, 16-bitne i 32-bitne procesorske arhitekture nastale su sredinom80-ih godina XX veka, a koriste se i danas. 32-bitna arhitektura kompanijeIntel se naziva IA-32 i u pitanju su procesori koji se nisu prakti�cno menjalijo�s od pojave procesora i386. Zapravo arhitektura se nije menjala, ali jenapredovala tehnologija izrade procesora, �sto je omogu�cilo ve�cu brzinu ie�kasnost kod dana�snjih ra�cunara. O 64-bitnoj arhitekturi se pri�ca jo�sod 1961. godine, ali je najrasprostranjenija i dalje 32-bitna arhitektura.Sony, IBM i Toshiba 2006. godine koriste ovu arhitekturu procesora zaPlayStation 3. Razlog za�sto nastaje 64-bitna arhitektura je ograni�cenjeveli�cine memorije (RAM) koja se mo�ze adresirati i manipulacija velikimblokovima podataka. Potreba za njom je nastala i zbog zahtevnih memorijskihaplikacija: sistema za upravljanje bazama podataka, CAD aplikacija itd.[1].

3 Opis 32-bitne arhitekture

Karakteristika IA-32 (eng. Intel Architecture, 32-bit) je postojanje 32-bitnih registara op�ste namene (GPR-General Purpose Registers). 32-bitnaarhitektura se pojavila kada je do�slo do problema izvodjenja 24-bitnihaplikacija na 16-bitnoj arhitekturi. Jedan od prvih 32-bitnih procesorabio je Intelov model Intel386 iz 1985. godine, napredni model iz familijeIntel 80x86. Ovaj mikroprocesor je predstavljao prvu 32-bitnu ma�sinu sa275000 tranzistora koja mo�ze da izvr�sava ve�ci broj softverskih programaistovremeno. Njegovi prethodnici iz iste familije su 8086 - 16-bitni procesorsa 4 16-bitna registara, 16 indeks registara i 4 segment registara koji jepostavio industrijski standard (1978. godine), a njegova jeftinija varijanta- 8088 izabran od strane IBM-a kada je ova kompanija projektovala svojPC (eng. Personal Computer), kao i 80286 - 16-bitna ma�sina sa svojih134000 tranzistora koja je ugradena u brojne PC-je[3]. Intel386 je biokompatibilan sa svojim prethodnicima. Adresa se ra�cunala formulom:bazni registar + indeks registar * skala (1, 2, 4 ili 8 bitova) + udaljenje.Pojavom 32-bitne arhitekture, vladalo je misljenje se da je problem zapisivanjapodataka u personalnim racunarima re�sen, jer 32-bitna arhitektura omogu�cujezapis 4.29 milijardi adresa. Novije serverske aplikacije, najvi�se baze podataka,rutinski zahtevaju vi�se od 4GB memorije, uklju�cuju�ci i RAM (physicalRAM) i virtuelnu memoriju. To je jedna od najve�cih mana 32-bitnearhitekture[1].

Slika 2: Instrukcije x86

6

4 21. vek i po�cetak razvoja 64-bitne arhitekture

64-bitni procesori i arhitektura je ponudena u svetu samo od stranenekoliko ve�cih proizvodja�ca. Intel je u�sao na tr�zi�ste sa 64-bitnom Itaniumfamilijom procesora koja nije x86 kompatibilna. Zatim se pojavljuje iAMD sa svojom AMD-64 arhitekturom koja je kompatibilna sa x86 arhitekturom.Novine koje su done�sene 64-bitnom arhitekturom najbolje mo�zemo sagledatianalizom broja i du�zine registara op�ste namene (i ostalih registara). Pove�canisu i broj registara op�ste namene i njihova du�zina. Broj registara op�stenamene, kod AMD-64 procesora, je 16, a njihova du�zina je 64 bita. Odmahse mo�ze do�ci do zaklju�cka da je pove�canje broja registara op�ste namenepomoglo u pisanju e�kasnijeg koda nego u slu�caju IA-32 arhitekture.Dalje, zbog pove�cane du�zine registara omogu�cen je rad sa 64-bitnomaritmetikom . AMD-64 procesori rade u 3 re�zima:-Legacy Mode-Compatibility Mode-Long ModeOperativnim sistemom prebacujemo procesor u jedan od ova 3 re�zimarada. Legacy Mode podr�zava rad u 8-, 16- i 32-bitnom okru�zenju. Ta�cnijeu ovom re�zimu AMD-64 procesori rade kao i njihovi prethodnici, u IA-32arhitekturi. Compatibility Mode pokre�ce 32-bitne aplikacije unutar 64-bitnog okru�zenja. 32-bitne aplikacije se normalno(prirodno) izvr�savaju u64-bitnom okru�zenju, jer AMD-64 mikroarhitektura koristi iste instrukcijeu oba re�zima rada. Taj isti re�zim rada unutar 64-bitnog re�zima se naziva�compatibility mode". Jednostavno, 64-bitne operacije se od 32-bitnihrazlikuju po odgovaraju�cem pre�ksu. O long re�zimu �ce biti re�ci u narednomodeljku. Itanium je familija 64-bitnih Intelovih mikroprocesora koji implementirajuIntel Itanium arhitekturu, formalno nazvanu IA-64. Arhitektura je nastalau �rmi HP, ali je kasnije zajedni�cki razvijana od strane Intel-a i HP-a.Itanium arhitektura je bazirana na paralelnom izvr�savanju instrukcija, ukojima kompajler odlu�cuje koje instrukcije �ce se izvr�savati paralelno. Usvim Itanium modelima, jezgra izvr�savaju i do �sest instrukcija istovremeno[7].

5 Prednosti 64-bitne u odnosu na 32-bitnu

arhitekturu

64-bitna arhitektura dozvoljava mnogo ve�ci raspon zapisa podataka,a proizvoda�ci procesora taj broj ograni�cavaju otprilike na 4 petabajtaprostora. 64-bitna arhitektura takode podr�zava teoretski i vi�se od 16terabajta RAM memorije.

Osnovna prednost 64-bitne arhitekture predstavlja koli�cina adresibilnememorije. 4 Gb memorije na 32-bitnim platformama se 80-ih �cinilo vi�senego dovoljno. Novim milenijumom su velike baze podataka po�cele dazahtevaju mnogo vi�se od toga.

Ilustrovano obi�cnim jezikom, 64-bitne platforme mogu da opslu�zujutoliko velike baze podataka, da su u stanju da zapamte ime svake osobekoja je ikada �zivela na zemlji, dok je, recimo, 32-bitna platforma moglada zapamti imena svih stanovnika SAD 1977. godine.

Itanium familija procesora svoj najve�ci tehnolo�ski napredak pokazuje utemelju svoje nove 64-bitne arhitekture - Eksplicitnom ra�cunanju pomo�cuparalelnih instrukcija (eng. Explicitly Parallel Instruction Computing- EPIC).EPIC predstavlja najsavremeniju inovaciju u oblasti procesorskih tehnologija,

7

koji prevazilazi i ograni�cenja performansi u CISC(eng. Complex Instruction-Set Computer) i RISC(eng. Reduced Instruction-Set Computer) tehnologijama.Dok CISC i RISC tehnologije koriste neke interne tehnike u cilju izvr�savanjavi�se instrukcija istovremeno �cime se delovi procesora optere�cuju analiziranjemkoda i promenom redosleda instrukcija u kodu, EPIC tehnologija prevazilaziuobi�cajenu sekvencijalnu prirodu arhitektura time �sto dozvoljava softveruda komunicira sa sa procesorom eksplicitno u momentu kada paralelnoizvr�savanje instrukcija postane potrebno. Ovo rezultira time da procesormo�ze da jednostavno 'zgrabi' �sto je ve�ci broj instukcija mogu�c i da ihizvr�sava istovremeno, sa minimalnom prethodnom obradom koju, umestonjega, vr�si softver. Kako su jo�s ostvarene pobolj�sane performanse?One se ogledaju u smanjenju broja grana, smanjenju proma�saja u pogadanjugrananja kao i smanjenju efekata ka�snjenja izmedu memorije i CPU-a. IA-64 (Itanium) arhitektura, prema Intel-u, predstavlja najzna�cajniji napredaku oblasti mikroprocesorskih arhitektura od uvodenja �cipa 80386 1985.godine.

Prema proizvoda�cu AMD, najve�ci broj 32-bitnih aplikacija se izvr�savabr�ze u okru�zenju 64-bitnih operativnih sistema nego u 32-bitnom operativnomsistemu. S druge strane, 64-bitni operativni sistemi mogu izvr�savati paralelno32-bitne i 64-bitne procese istovremeno. 64-bitna arhitektura je pro�sirenare�zimom rada nazvanim Long, koji se aktivira pomo�cu upravlja�ckog bitaLMA (eng. Long Mode Active), u kojima je kompatibilna sa 16-bitnim i32-bitnim aplikacijama i sistemima, a kada nije u ovom re�zimu tj. LMAje aktiviran, procesor radi u 64-bitnom okru�zenju[1]. Ovim se posti�zekompatibilnost unazad koja je jedna od pozitivnih svojstava 64-bitnearhitekture.

6 Mane 64-bitne arhitekture

S obzirom na veoma naprednu i inovativnu tehnologiju 64-bitne arhitekture,te�sko je da se ijedna njena osobina podvede pod "manu", jer smo do sadazaklju�cili da je ona u odnosu na 32-bitnu arhitekturu br�za i sposobnijaza multi-tasking, �sto zadovoljava potrebe modernog korisnika bilo kogtipa. Ipak, postoje odredene mane 64-bitnih sistema, kao �sto je ta dau odnosu na 32-bitnu arhitekturu, isti podaci zauzimaju vi�se mesta umemoriji, zbog ve�cih pokaziva�ca i potrebnog poravnavanja na 64 bita. Ovopove�cava memorijske zahteve odredenih procesa i potrebu za e�kasnijomupotrebom procesorskog ke�sa. Ostajanje na delimi�cno 32-bitnom modeluje jedno, po svoj prilici e�kasno, re�senje za ovaj problem. Na primer, z/OSoperativni sistem koristi ovaj pristup, zahtevaju�ci 31-bitni adresni prostor(bit najve�ce te�zine nije uklju�cen u izra�cunavanje adrese) dok podaci mogubiti opcionalno u 32 ili 64 bita[6].

Ponekad, aplikacije ne pokazuju potrebu za 64-bitnom arhitekturomu smislu toga da ne ordiniraju sa 64-bitnim podacima uop�ste niti im jepotreban toliki adresni prostor, pa ne dobijaju ni�sta time �sto je arhitektura64-bitna, mada su takve retke.

64-bitni sistemi ponekad imaju nedostatak softvera, koji je napisanza 32-bitnu arhitekturu. Najve�ci problem u Microsoft Windows-u sunekompatibilni drajveri za zastareli hardver. Medutim, ve�cina proizvoda�caje pocela da obezbeduje i 32-bitne i 64-bitne drajvere za nove uredaje, takoda je problem nedostupnosti 64-bitnih drajvera uglavnom re�sen. Jedinoza veoma stare uredaje nisu obezbedeni 64-bitni drajveri, mada je i toopravdano time da ti uredaji ne mogu ni da budu kori�s�ceni na 64-bitnim

8

sistemima.

7 Sli�cnosti i razlike 32-bitne i 64-bitne arhitekture

7.1 Sli�cnosti arhitektura

Intel prezentuje 64-bitnu Itanium familiju procesora koja nije kompatibilnasa 32-bitnom Intel-ovom arhitekturom (poznatom kao IA-32). Kasnije sepojavljuje AMD sa svojom AMD64 arhitekturom koja je kompatibilna sax86 (tj. IA-32) arhitekturom.

AMD-64 procesori,kao �sto je ve�c re�ceno, imaju tri re�zima rada:-Legacy mode-Compatibility mode-Long mode

Operativni sistem odlu�cuje u kom re�zimu ce procesor raditi. U Legacyre�zimu, AMD-64 procesor radi kao njegovi prethodnici, u 8-bitnom, 16-bitnom i 32-bitnom okru�zenju. Compatibility re�zim omogucava izvr�savanje32-bitnih aplikacija u 64-bitnom okru�zenju. Unutar Long re�zima, postojedva podre�zima: 64-bitni i kompatibilni mod, a o samom Long re�zimu jeu ranijim odeljcima bilo re�ci. Takode, treba pomenuti i AS/400, IBM-ovoperativni sistem koji je funkcionisao po principu TIMI (eng.TechnologyIndependent Machine Interface). TIMI predstavlja virtualni skup instrukcijakoji je nezavisan od ma�sine na kojoj se izvr�sava, tj. od skupa instrukcijasamog procesora. Ovo funkcioni�se tako �sto se TIMI instrukcije nikadane izvr�se direktno, ve�c se prevode na instrukcije stvarne ma�sine na kojojtreba da se izvr�se. To zna�ci da je za AS/400 nebitno da li je arhitekturaprocesora 32-bitna ili 64-bitna. Takode, kompajlirani Java program semo�ze izvr�siti na 32-bitnoj ili 64-bitnoj Java virtualnoj ma�sini bez ikakvihmodi�kacija. I na kraju, 64-bitni procesor poseduje kompatibilnost unazad,i mo�ci �ce da izvr�si ve�cinu 32-bitnog softvera[6].

Slika 3: 32-bitna i 64-bitna arhitektura

7.2 Razlike arhitektura

Prelazak sa 32-bitne na 64-bitnu arhitekturu je neizbe�zan pod dana�snjimtehnolo�skim okolnostima, i ve�cina operativnih sistema mora da se modi�kujeda bi ispratila novu arhitekturu. Osnovne razlike ovih arhitektura seogledaju u koli�cini adresive memorije - ograni�cenje prostora �zi�cke memorijena 32-bitnim arhitekturama iznosi oko 3Gb, dok 64-bitne arhitekture

9

mogu da adresiraju daleko vi�se od toga. Neke 64-bitne arhitekture podr�zavajuve�ci broj registara op�ste namene nego njihovi 32-bitni prethodnici. Ovorezultira zna�cajnim pove�canjima brzine izvr�savanja programa, jer procesorne mora da potra�zuje podatke iz ke�sa ili glavne memorije, po�sto podacimogu da stanu u njegove, postoje�ce registre.

Primer u C-u:

int a, b, c, d, e;for(a=0; a<100; a++){b=a;c=b;d=c;e=d;}

Ukoliko je procesor sposoban da sa�cuva dve ili tri vrednosti ili promenljiveu registrima, morao bi da premesti neke vrednosti iz registara u memoriju,da bi uspeo da obradi i promenljive d i e; ovo je proces koji �ce zauzetimnogo ciklusa CPU-a. Procesor koji je sposoban da sve vrednosti ipromenljive interno sa�cuva mo�ze da radi sa njima bez ikakve potrebe zapreme�stanjem podataka izmedu memorije i registara[6].

8 Budu�cnost

Danas na svetu postoje dva velika proizvoda�ca mikroprocesora - Intel iAMD, koji se medusobno takmi�ce ko �ce ugrabiti ve�ci kola�c. Osim ova dvaproizvoda�ca, treba spomenuti i Motorolu, koja je uspela da se odr�zi natr�zi�stu kao proizvoda�c procesora za personalne ra�cunare. Svakako da sebudu�cnost mikroprocesora nalazi u 64-bitnoj arhitekturi zbog potrebe zasve ve�cim bazama podataka, koje zahtevaju velike koli�cine memorije kojemo�ze da zadovolji samo 64-bitna arhitektura. Kompjuterske arhitekturesu evoluirale do stupnja u kome optimalno iskori�scavaju postoje�ce hardverskei softverske tehnologije u cilju �sto boljih performansi. Pobolj�sane performansesu postignute: paralelizmom na nivou instrukcija, procesa i algoritamskomnivou. Ova tri nivoa ne isklju�cuju jedni druge, ve�c �ce verovatno bitiiskori�sceni svi zajedno u cilju pobolj�sanja performansi budu�cih sistema.64-bitni standard otvara mogu�cnosti superiornih performansi uz najnaprednijihardver i softver dana�snjice, ali i pravi uvod u budu�cnost u kojoj �ce ovakvaarhitektura imati performanse toliko visoke da su u ovom trenutku samoteoretski zamislive.[5]

9 Zaklju�cak

64-bitna arhitektura svojim mogu�cnostima pobolj�sanja performanside�nitivno oblikuje razvoj kompjuterskih tehnologija dana�snjeg doba. Onaje nastala kao logi�can naslednik 32-bitne arhitekture kojoj duguje mnogeideje i koncepte na kojima je bazirana, odgovaraju�ci zahtevima modernogdoba u kome informacija i njeno �cuvanje, pored ostalih modernih vrednosti,odreduju put kojim �ce razvoj kompjuterskih tehnologija nastaviti da sekre�ce.

10

Literatura

[1] Link Group. 64-bitna procesorska arhitektura, 2013. on-line at: http://www.link.co.rs/printer/index/page/amd.

[2] Jelena Had�zi-Puri�c. Arhitektura pc ra�cunara. on-line at:http://poincare.matf.bg.ac.rs/~jelenagr/1d/Arhitektura%

20i%20princip%20radaPC%20.pdf.

[3] Intel. Intel timeline: A history of innovation. on-lineat: http://www.intel.com/content/www/us/en/history/

historic-timeline.html?iid=about+ln_history.

[4] Dr.Nenad Miti�c. Osnovi ra�cunarskih sistema(Drugo izdanje).Computer Equipment and Trade, CET, Beograd, 2003.

[5] Nepoznat. Enterprise computing's 64-bit era arrives.on-line at: http://www.incontextmag.com/article/

Enterprise-computings-64-bit-era-arrives.

[6] Wikipedia. 64-bit computing. on-line at: http://en.wikipedia.org/wiki/64-bit.

[7] Wikipedia. Itanium. on-line at: http://en.wikipedia.org/wiki/

Itanium#Architecture.

11