64位之夢——透視AMD Athlon64處理器[圖]

　　AMD64 ISA(x86-64)的基本架構原理

　　在了解這個架構之前，弄清楚一個問題是十分重要的——為什麼需要64位處理器？需要64位處理器的原因十分簡單，當今軟件的迅速發展對硬件資源提出了很高的要求，高性能的處理器和大容量的物理(虛擬)內存尋址空間成為必須。4GB內存在今天已不是什麼天文數字。而32位處理器最多僅能支持32位尋址，所以目前的32位x86架構系統的內存容量被限制在4GB，而32-bit操作系統一般只能管理2GB左右的內存，這也意味著應用程序所能使用的最大內存數量其實並不如人們想象的那樣充裕。盡管Xeon可以模擬36位尋址，最大內存容量可以達到64GB，但另一方面也會導致性能的下降。考慮到種種制約，人們開始考慮發展64位處理器。

　　AMD64 ISA是AMD專門為AMD64平臺開發的64位架構。與目前Itanium使用的64位IA64架構不同，AMD64 ISA是基於目前的x86-32架構的。這就意味著AMD64處理器可以暢通無阻地運行目前的32位應用程序，而且不需要像Itanium那樣進行模擬轉換，AMD64處理器可以實現全速運行，因此我們使用AMD64處理器的時候時也不需要等待軟件廠商為新平臺開發專用軟件。Hammer在繼承了K7系列的優點的同時灌注眾多先進技術。

　　為了實現64位運算，Hammer處理器在寄存器陣列中新增了寄存器，以實現對現有架構的擴展。

　　從圖中可以看到，使用64位架構後，新增了R8-R15 8個通用寄存器，原有的SSE單元也新增了8個寄存器使其能夠支持SSE2。

　　18年前，i386開啟了32位時代，當時CPU的寄存器從i286的16位AX寄存器擴展為32位的EAX寄存器。而現在要進入64位時代，EAX寄存器又需要擴充32位而成為RAX寄存器。從結構上看，Hammer對32位程序的兼容程度是不需要懷疑的，盡管運行32位程序時並不是滿負荷運行。

　　為了能夠同時支持32位及64位程序，x86-64架構允許處理器有兩種工作模式：包括兩種子模式(64位模式和兼容模式)的『長模式』和傳統模式。

　　工作模式操作系統是否需要再編譯默認地址長度操作數位數附加寄存器通用寄存器位數長模式64位模式64bit需要64 32需要64 兼容模式不需要64不需要32 傳統模式32bit或64bit不需要32 32不需要32 16 16

　　64位模式支持以下功能：64位虛擬地址通用寄存器擴展到64位(包括舊有的『EAX』，『EBX』等)新增8個64位通用寄存器64位程序指針新的程序指針實現相對尋址單一的指令，數據和堆棧空間組成連續的地址空間兼容模式提供了64位操作系統對現有的16位和32位應用程序的支持。該模式有其獨立的代碼處理方式，稱為保護模式。在這種模式下，應用程序會將處理器當作標准的x86處理器；但操作系統則會對這種機制進行地址變換，將中斷、異常及系統數據結構當作64位長模式來處理。除了長模式之外，x86-64支持傳統模式以兼容16位和32位操作系統。在這種模式下，Hammer就是一個標准的32位x86處理器，使用32位的內存段，32位的通用寄存器和程序指針。這種模式並不牽涉任何64位架構模式，所以保證它有絕對的兼容性。

　　從上面可以看到，Hammer可以完全支持64位長模式的操作系統。目前微軟的WindowsXP Professional，Windows2003 Server以及Windows Media Center都為AMD64提供了64bit版本，主流桌面平臺和工作站平臺的操作系統應該不存在什麼問題了；而高端服務器方面SuSE Linux會是一個不錯的選擇。因此我們不必再擔心AMD64處理器的操作系統支持問題，反倒是64位應用軟件目前還比較貧乏，但相信不少軟件商都願意往64位平臺靠攏。

　　全新構思：CPU內整合內存控制器

　　AMD64處理器技術上最大的變革在於CPU核心整合內存控制器。Transmeta的Crusoe處理器就是采用這種架構，而AMD則打算進一步擴展這一架構。CPU內建內存控制器的主要優點在於內存控制器可以以CPU頻率運行，比起傳統上位於北橋的內存控制器有更小的延時；而且CPU的頻率越高，延時就越小。

　　這樣做的另一個好處就是AMD不再需要依賴主板廠商的內存控制器。由於主板內存控制器性能不佳而導致內存性能低下並不是什麼新鮮的事情，這樣做不但AMD64處理器的性能更有保障，而且主板廠商也可以避免出現內存兼容性的問題。由於內存和CPU之間的數據傳輸再不需要經過CPU總線，所以可以避免瓶頸的出現。

　　要了解AMD64處理器內存控制器的工作原理，請看下圖：

　　圖中可以看到，處理器內封裝了內存控制器(MCT)和DRAM控制器(DCT)。MCT是處理器核心和DCT之間的連接界面，它不因為外部內存的類型而改變。相反DCT則是專門針對DRAM的內存連接界面，系統使用不同類型的內存可以通過改變這一部分來實現支持。由於這一部分只是整個處理當中很小的一部分，所以要作出修改以支持不斷發展的內存標准並不需要花費太大的力氣。

　　AMD64處理器整合的內存控制器提供了64位和128位界面，目前整合的DCT支持PC1600/2100/2700/3200的DDR內存標准，也就說可以支持單通道和雙通道的DDR內存。另外鑒於AMD64處理器要主攻服務器市場，所以支持ECC內存也是順理成章的事。

　　在目前已推出的AMD64處理器當中，Opteron和Athlon64 FX-51都整合了雙通道DDR內存控制器，內存峰值帶寬可達6.4GB/s，而Athlon64則只支持單通道DDR內存，配搭PC3200時內存帶寬為3.2GB/s。AMD聲稱其內存控制器可以支持未來的內存標准，所以隨後DDRII或其他內存標准推出以後，相信AMD會作出相應的修改。

　　Hammer整合了內存控制器之後，主板廠商很有可能會推出單一芯片的芯片組。因為傳統意義上的北橋在省缺了內存控制器之後就只剩下了AGP控制器，而這一部分又很容易整合到南橋芯片中。nForce3 Pro150便是這樣一款單一芯片的芯片組。Hammer整合內存控制器的設計簡化了主板的設計，也降低主板成本，更有利於配套主板的普及和市場推廣。

　　掃除瓶頸：HyperTransport超級總線

　　HyperTransport是AMD公司最新開發的一種新型、高速、高性能的為主板上的集成電路互聯而設計的端到端總線技術，該技術設計的目的是解決32位和64位處理器系統中的輸入輸出瓶頸問題。HyperTransport可以提供比PCI、PCI-X和AGP等輸入輸出總線體系結構高一個數量級的總線數據處理量，並且可以廣泛應用到服務器、工作站、網絡轉換器以及嵌入式應用設備當中。

　　HyperTransprot特性及功能概要總線類型雙點對點單向鏈路連接位寬2，4，8，16或32位協議基於4字節(32位)數據包傳輸，數據包包括請求、響應、廣播三種類型，每種類型的包都可以提供命令、地址或數據信息

　　帶寬100-6400MB/s 數據信號頻率400MHz-1.6GHz 工作頻率400，600，800，1000，1200和1600百萬次傳輸/秒雙工全雙工最大負載包或突發數據長度64Bytes 電源管理ACPI兼容信號使用100歐姆終端電阻的1.2V低電壓差分信號(LVDS)

　　在AMD64平臺當中，HyperTransport總線用於連接處理器和芯片組或芯片組之間。對於多路處理器系統，每一個處理器都使用了額外的HyperTransport控制器以實現處理器之間的互聯。究竟HyperTransport總線有什麼優點呢？簡單來說，它有著高速度，低延時，結構簡單等優點。雖然每路HyperTransport總線僅由兩條端到端的單向數據傳輸路徑組成(一條為輸入、一條為輸出)，但極限數據傳輸率竟可以達到驚人的6400MB/s，可以通過設置2，4，8，16或32bit的位寬和400，600，800，1000，1200，1600MHz的工作頻率來得到從100MB/s到6400MB/s的數據傳輸率。舉個例子，用於連接多路Hammer處理器系統的HyperTransport總線可以提供每路3200MB/s的帶寬。

　　由於HyperTransport標准是開放的，所以其他生產商業可以參與到產品的研發中來。當要在系統中實現新功能或增加總線帶寬時，只要增加額外的HyperTransport接口就可以了。

　　事實上AMD就是這樣做的，在現有的處理器當中，較低端的Athlon64僅有一個HyperTransport接口，而Opteron和Athlon64 FX-51則具有3個HyperTransport接口，這些接口除了用於連接芯片組之外，還可以在多路處理器系統中用於CPU之間的互連通信。

　　由於系統總線的瓶頸問題已經由來以久，HyperTransport總線的應用能很好地解決處理器之間，橋芯片之間以及處理器與橋芯片之間的高速互連問題，因此AMD64平臺除了具備優秀的總線效能之外，在周邊設備的配搭上更具靈活性。

　　正是由於AMD64處理器具有如此突出的技術優勢，所以各大廠商和眾多個人用戶纔在它身上寄予了深切的期望。究竟AMD真能憑借它們的新產品給Intel以沈重打擊嗎？我們的評測或許會幫助大家解答這個問題。

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　　文章內容：

　　第一頁：千呼萬喚始出來　Athlon 64 發展歷程

　　第二頁：AMD 64  核心構架詳解

　　第三頁：AMD 64  基本構架與原理

　　第四頁：產品介紹——Athlon 64與Athlon 64 FX

　　第五頁：測試平臺介紹

　　第六頁：測試平臺與測試說明

　　第七頁：CPU性能與內存性能測試

　　第八頁：圖形子系統性能測試，多媒體與綜合應用測試

　　第九頁：64位Windows平臺應用測試，測試總結——仍然期待的Athlon 64