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K8神威終于顯露！純64位應用全球首測

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

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

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

Athlon64的三大尷尬：

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

如何獲取WinXP 64-bit beta版的官方說明（點擊放大）

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

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

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

Athlon64的成功之本：

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

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

A64是毫無疑問的性能之王

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

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

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

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

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

點擊查看大圖

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

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

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

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

對于操作系統和處理器的配合過程您認為

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

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

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

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

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

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

今天我們暫且不討論Intel的P4 600系列的情況，我們先來談談Windows XP

的64位版本操作系統。畢竟離開了軟件，硬件便只是一堆冷冰冰的機器而已。

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

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

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

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

WinXP X64 RC1

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

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

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

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

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

1.NVIDIA Blobby Dancer

2.DivX Encorder

3.Mini-Gzip

4.RSA

5.Streams

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

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

這次我們的測試采用了三種方案以全面考證64位計算對軟硬件系統的影響：

1.采用64位系統運行64位程序。

2.采用64位系統運行32位程序。

3.采用32位系統運行32位程序。

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

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

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

64位指令工作原理示意圖

由于操作數一般需要存放在通用寄存器中，因此64位處理器通用寄存器的尺寸也必須是64位。這樣我們就很容易理解K8處理器里通用寄存器結構的上半部分（指RAX-RSP部分，下半部分我們后邊再提）。如下圖所示：

K8通用寄存器的擴展，點擊查看詳圖

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

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

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

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

我們知道：整數、地址、指令指針和浮點數據是按照數據形式來劃分的，CPU所要處理的3種主要數據類型。此外我們還可以根據數據需要CPU進行處理的類型，來將它們分為標量數據和矢量數據兩大類。

通常我們把需要CPU進行不同處理的單個數據稱為標量數據（Scala Data）。標量數據既可以是整數數據，也可以是浮點數據。其中整數標量數據的存放區一般為通用寄存器（GPR），浮點標量數據的存放區一般為浮點寄存器（FPR）。

與標量數據相對的是矢量數據（Vector Data）。所謂矢量數據就是指一列需要由處理器作相同處理的數據集合。比如處理器在做MP3編碼的過程中，需要對內存中的音頻文件里的各字節數據作相同的MP3編碼操作。那么通常使用MMX或SSE這類單指令多數據流(SIMD)指令，將數個字節打包為一組矢量數據，存放在MMX或SSE寄存器中，再送往相應的功能單元進行統一操作。

和標量數據一樣，這些矢量數據既可以是整數數據，也可以是浮點數據。矢量數據以封包的形式批量存放在MMX（對于使用MMX、3DNow！進行操作的數據而言）和XMM（對于使用SSE、SSE2進行操作的數據而言）寄存器中。

通過下面的圖，我們可以更好地了解標量數據和矢量數據的區別：

標量與矢量數據

以下，我們整理了標量數據和矢量數據在X86-32位處理器以及AMD的X86-64處理器中所用寄存器的具體區別如下表：

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

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

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

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

這種改進對服務器、科學計算這樣的領域雖然具有一定的意義，但顯然并不是普通家用環境急需的改進。試問在近期普通應用中，有多少情況下會用到超過232這樣大的整數數值和超過4GB的內存空間呢？

然而，如果你因此低估了K8和X86-64指令集的實力，那就大錯特錯了。

我們都知道，X86指令集本身屬于一種復雜指令集（CISC）。長期以來，使用X86指令集的處理器架構一直沿用寄存器結構。相比那些使用精簡指令集（RISC）的處理器架構來說，由于程序可見的寄存器數量較少，因此造成傳輸延遲，性能以及流水線工作效率相對落后，從而給X86架構處理器的表現造成了影響。同時程序和編譯器的優化難度也較大。

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

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

X86-64的寄存器擴展（點擊察看大圖）

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

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

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

首先我們來看看來自NVIDIA的Blobby Dancer，這個軟件是一個3D的程序，也是今天我們測試過程中唯一的一個3D程序。這個軟件的內容是一個由液體組成的人在不斷的跳舞，不同的系統能夠導致不同的幀速率，這也是我們評判性能的標準。

這個軟件中包含32bit版本和64bit版本兩個部分，分作兩個可執行程序。

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

測試的基準是記錄一段時間的幀速率，取平均值，幀速率越高的性能越好。

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

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

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

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

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

DivX壓縮的這個項目也是同樣的重要，因為這是一個非常考驗處理器性能的應用。在這個測試中，我們感受到了WinXP Pro X64的威力，在這個操作系統下，無論是采用32位的程序還是64位的程序，都有非常好的表現，甚至在32位程序運行的時候效率還要好一些。

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

如果讓我們注意一下具體的各個部分的情況，又能發現一些有意思的事情：

對于IO部分，操作系統對于成績影響比較大，采用64位操作系統的性能要好。

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

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

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

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

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

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

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

The Rotunda

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

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

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

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

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

隨著時間的推進，Intel的P4 6XX系列將于近期正式浮出水面，微軟的WinXP X64操作系統的正式版也將于近期發布，這些信息都在預示著一件事，這就是真正的64位大戰一觸即發。

不過，對于這場大戰，我們似乎還少了一些東西，這就是64位的應用程序，說是應用程序，其實初期也就是測試程序，如何能夠全面反映出64位系統下的性能，單單靠今天我們的這幾個軟件是不夠的。目前已經有越來越多的測試程序放出了64位的版本，我們PCPOP的處理器頻道（CPU.PCPOP.COM）將隨時關注這些信息，在第一時間給大家帶來最新最公正的測試。

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