64-bit是不是晃點全人類的陰謀

32/3264-bit是不是晃點全人類的陰謀？伐木者注：最近大家談論比較多的就是64位的XP，在此轉貼一篇關于64位的性能評測。對于沒有耐心看完此貼的朋友，我可以先告訴大家結果。64位確實比32位先進，但性能提升是及其有限的。

16位計算機的內存尋址為640K，32位計算機的內存尋址能力是4G，64位將擴展到180億G。但現(xiàn)在有哪臺家用電腦用4G內存不夠？顯然，32位升級到64位遠不如當初從16位升級到32位值得歡呼。

任何規(guī)律都有其局限性的，摩爾定律也不例外，電腦總有一天會如同辦公桌一樣用二十年。一、64-bit究竟有沒晃點我們？

究竟我們是在期待處理器還是操作系統(tǒng)的升級?每次Intel和AMD竟相發(fā)布更高規(guī)格和性能處理器的時候,我們都難免沾沾自喜一番,可是買了最新的硬件,卻不得不面臨沒有操作系統(tǒng)和軟件支持的為難局面。在硬件開展快過軟件的時代，微軟的操作系統(tǒng)一次次地成為了我們的救命稻草。

Windows95-->Windows98se-->Windows2000-->WindowsXP，幾乎每次全新操作系統(tǒng)的發(fā)布都能夠給我們渙然一新的感覺，并帶著了整個IT產(chǎn)業(yè)向前開展。WindowsLonghorn更是為我們帶來全新的理念，3D化的操作界面，多媒體功能也完完全全地被貫徹到了PC系統(tǒng)當中，不過今天的主角顯然也決不會令大家失望。

AMDAthlon64處理器的發(fā)布，吹響了PC進軍64-bit平臺的口號，市場追隨者迅速被凝聚起來了，最后Intel也不得不破天荒跟隨AMD，在其Xeon和6XX系列處理內置了64-bit內存擴展技術?？墒钱斠磺懈偁幘挥行蜻M行的時候，越來越多的人才知道微軟竟然沒有64-bit的主流操作系統(tǒng)，當64-bit之風吹遍整個神州大地的時候，我們竟面臨無操作系統(tǒng)可用的為難境地。這好比你買了一臺奔馳汽車，卻只能在山澗的崎嶇小道行使一樣，感覺特別不爽。不過歷經(jīng)曲折之后，WindowsXP64bit版本終于可撥開烏云見明月。（其實筆者有一點還是異常擔憂的，微軟現(xiàn)在依靠在操作系統(tǒng)的壟斷地位，不斷深入各個軟件、硬件領域，即使操作系統(tǒng)也細分為N+1個版本，什么WindowsMobile、WindowsTablet、多媒體中心版本。人的精力、能力終歸是有限的，蓋茨面對這么多產(chǎn)品相必也力不從心吧。也就是說，更優(yōu)質操作系統(tǒng)的開發(fā)周期變長、所包含的技術減少，此時此刻，筆者都已經(jīng)深深感受到分拆微軟其實真可造福全人類，讓他們帶來更好的產(chǎn)品。這是題外話！）

當我們一次次提到64-bit計算的時候，很多人想到的可能會是“它有兩倍于32-bit平臺的性能，在3D建模時速度更快、效果更逼真，玩游戲自然也更流暢，那時候計算機就會是一個具有魔力的盒子，變得無所不能吧？〞。但也有一局部反對者認為（Intel早期便是這樣想的），64-bit只是個唬人的數(shù)字，晃點消費者去購置新平臺的陰謀而已。不過事實終歸是證明了一切，Intel、AMD、微軟、nVIDIA、ATi、VIA等等業(yè)界巨頭都在倡導著64-bit技術，這總不會是全人類造就的陰謀吧！那么對于64-bit，對于Intel和AMD各自的64-bit，我們都有充分的認知，有做好心理準備去迎接實現(xiàn)方法不同，結果都是邁入64-bit的平臺嗎？

Intel和AMD兩者是既有區(qū)別，也有共同點，首先是它們并不會帶來如我們期待的兩倍于32-bit的性能(那是理想化的結果)，正如雙核心處理器的性能并不會等于兩顆單核心處理器性能之和。以前我們有過從8bit處理器到16-bit，從16-bit到32-bit的區(qū)別，現(xiàn)在也是相同道理。目前面向PC平臺的64-bit技術其實都是在往昔x86指令架構(ISA)上的擴展，包括了AMD64和Intel代碼兼容的EM64T，都有各自的優(yōu)點和缺點。優(yōu)點包括了，比x86ISA提供了更大的內存尋址空間，更清晰方便的編程模式，還有性能的增益，并且保存了向目前32-bit應用程序兼容的能力。

為了方便大家對未來64-bit平臺的選購，沉著駕御自己的工作、娛樂平臺，我們今天特地挑選了AMD和Intel的64-bit處理器，并搭配微軟最新的64-bitWindowsXP操作系統(tǒng)，進行一些技術解析和性能測試。在正式版本的WindowsXP64-bit發(fā)布后，想這也是開展的必然趨勢吧。最新的64-bit處理器與WindowsXPProx64版本在32bit和64-bit的應用究竟如何？不用再等待，現(xiàn)在就讓大家先睹為快。

二、64-bit技術的要點

把PC平臺帶入64-bit“深淵〞的始作俑者乃AMD，它最早提出了x86技術的64-bit擴展，這便是現(xiàn)在聞名于世的AMD64。在開發(fā)的早期，該技術一直被命名為x86-64，最后可能出于市場的原因，在正式推出的時候被修改為AMD64。實際上，AMD64也是AMDK8架構的官方名稱，因此在很多時候會搞得大家一塌糊涂。在64-bit深入人心，微軟明確表示不再開發(fā)第二款64-bit操作系統(tǒng)的時候，Intel也只能參加兼容AMD64的陣營，不過在命名的選擇上它的余地很少。再說無論怎樣，Intel都不會做“NowWithAMD64Compatibility〞（兼容AMD64)這種龜孫子的行為吧。在此嚴峻形勢而無可選擇的情況下，Intel只得復制AMD64技術，并被命名為Intel擴展內存64bit技術，也就是“EM64T〞。

在很多時候我們聽到商家和媒體聲嘶力竭地呼喊“64-bit處理器是區(qū)別于以往處理器的全新產(chǎn)品〞，其實我們現(xiàn)在明白它只不過是在x86的基礎上參加了新的64-bit指令擴展而已，當然除此外也有其它技術革新，因為社會肯定是不斷進步的，雖然道路會有些曲折。

現(xiàn)在市場上銷售的所有Athlon64和Opteron處理器都提供了對x86-64技術的兼容，而Intel方面則在Pentium4600系列和最新的Xeons處理器提供了相關技術支持。Intel信誓旦旦地聲稱，將會在所有桌面處理器產(chǎn)品線提供對64-bit技術的兼容，當然也包括Celeron低端產(chǎn)品。AMD方面雖然沒有表示在Sempron產(chǎn)品線也提供AMD64擴展，但如果Celeron也這樣做的話，它也只好不得以而為之了。

兩個競爭對手

在很長的一段時間里，能夠提供對64-bit技術支持的只有Linux操作系統(tǒng)，甚至現(xiàn)在所有市場上出售的WindowsXPx86-64仍是處于Beta階段。當然過幾天微軟就會正式推出最終版的WindowsXPx86-64，它也承諾將免費提供應現(xiàn)在的正版WindowsXP操作系統(tǒng)擁有者。在四月份發(fā)布的WindowsXP專業(yè)版x64和我們現(xiàn)時的XP有著比較大的區(qū)別，因為它是在效勞器版本W(wǎng)indowsXP技術的基礎上提供64-bit的支持。也就是說，它們原本就是微軟打算開發(fā)給IntelItanium處理器使用的，如果牽強地稱呼為WindowsXP64-bit未免有些不敬，它的穩(wěn)定性和平安性相信比之前的版本有質的提高。在四月前，市場上可用得到的Windowsx64乃RC2版，一旦WindowsXPx64Edition正式出售，也同時說明64-bit市場進入突飛猛進的時代，預計64-bit全面進入千家萬戶。

關于對32-bit程序的兼容問題，是一個值得積極探討的事情。Windowsx64通過一個稱為“WOW64”的工具，可以運行32-bit應用程序，而在性能的損失都是微乎其微的。也就是說，使用WindowsXPProx64，無論是應用界面和使用習慣都和當前的操作系統(tǒng)一般無二。不過任何事情可不能看外表，其中玄機和工夫都由廠家給完成了。比方設備的驅動，就必須為Windowsx64進行重新編譯，32-bit驅動在其上將不能夠正常工作。當然微軟已經(jīng)為當前主流的硬件設備內置了驅動程序，比方Intel925X和nForce4平臺就不需任何芯片組驅動。不過在另一方面，我們卻不得不等待硬件制造商發(fā)布最新版本的驅動，RealTek和nVIDIA都各自不斷更新音頻和視頻驅動，以期獲得更好的兼容性和性能、功能。ATi也已經(jīng)推出了64-bitbeta版本的催化劑顯示卡驅動，不過值得注意的是，很多硬件制造商還沒有做好向64-bit平臺遷移的準備。

有一些應用程序可能也還沒做好往Windows64遷移的準備，比方WinXPx64就會有兩個版本的InternetExplorer，分別是32-bit和64-bit的版本。微軟之所以把32-bitIE作為操作系統(tǒng)的默認，是因為目前大局部ActiveX控件都還是用32-bit代碼編寫，也就是說間諜軟件也不能運行在64-bit操作系統(tǒng)？不過隨著時間的進步，未來越來越多的程序將會使用64-bit程序作為默認編譯器，64-bit二進制也將唯一兼容64-bit處理器和操作系統(tǒng)。

三、64-bit技術的優(yōu)勢

1、完全解決內存尋址的問題

當AMD的設計團隊創(chuàng)立x86-64ISA的時候，它就為后者準備一些與生俱來的優(yōu)點，首先最為重要的是解決32-bit的硬傷--32bit的內存尋址空間：32-bit系統(tǒng)和硬件支持的最高物理內存為4GB，對于當前桌面PC來說，這似乎已經(jīng)足夠了，但越來越多的x86ISA平臺被應用于工作站和效勞器，4GB內存無異于杯水車新。并不僅僅如此而已，32-bit尋址的效率也實在不敢恭維。在默認的情況下，WindowsXP限制了應用程序僅能使用2GB的內存空間，而剩下的2GB則保存給系統(tǒng)任務。x86系統(tǒng)的尋址使用了一個稱為物理內存擴展的機制，這解決了4GB物理內存的限制，在某些效勞器版本的操作系統(tǒng)，它允許在32-bit系統(tǒng)支持最高達128GB的物理內存。然而，PAE使用的內存分頁被認為效率不高。

與此同時，一些用戶經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)卻在呈現(xiàn)級數(shù)的上升，比方高清晰的數(shù)字攝影機、HD視頻和HD游戲，顯示卡的內存甚至也已經(jīng)高達512MB?？茖W計算和技術工作站也已經(jīng)抵達了32-bit應用的頂峰。

在轉移到64-bit尋址的時候，內存尋址空間能力也從2^32增加到2^64，至此x86-64ISA

完全解決了內存數(shù)量的限制。64-bit尋址空間的峰值尋址空間是16EB，這在當前是無法想象的巨大數(shù)量。不過當前AMD64處理器并沒有完全利用64-bit的尋址能力，僅有40bits物理尋址空間，1TB，48bits的虛擬內存尋址空間，為256TB。開始WindowsXPx64支持128GB的物理內存和高達16TB的虛擬內存，緩存的最高上限也從32bit的1GB增加到64bit的1TB，1千倍。WindowsXPx64還為32-bit應用程序贏得了額外的增益，每個應用程序最高可以使用4GB的空間。

簡而言之，轉移到64bit后，x86ISA的內存限制被完全去除，為PC贏得了增長的空間。不過這個改良機制并不會帶來性能的增益，可用內存的多少并不代表就有多少內存。但這是與x86-64相比最重要的區(qū)別。

2、存放器，64-bit性能的重點

x86ISA普通存放器(GPRs)可用數(shù)目也是一個值得注意的問題。存放器的速度非?？?，要遠快于處理器內存的緩存，它在處理器內部用于儲存計算的值，要重復使用的數(shù)據(jù)通常會存放在存放器中。不過可惜好東西并不多，x86ISA僅能夠提供8個GPRs，數(shù)量之微也使得它一直處于耗盡狀態(tài)，而同代的處理器則可提供更多的GPRs，比方PowerPC604RISC架構可提供32個GPRs。由于沒有足夠的GPRs可用，x86編譯器為了得出正確可用的數(shù)據(jù)，只得花費大量時間在緩慢的數(shù)據(jù)排序上。

為了解決這樣的瓶頸，x86-64ISA帶來了更多更好的存放器。首先它增加了8個GPRs，總數(shù)到達16，并且它們都沒有32-bit值的限制，都能儲存64-bit數(shù)據(jù)類型。此外在新的GPRs中，x86-64還包括了8個新的128-biSSE/SSE2存放器，總共也是16個。在這樣的處理后，x86-64ISA比x86獲得了性能的長足進步。

x86-64與x86ISA相比增加的存放器

那么性能的增長究竟有幾何？這還要依據(jù)應用程序，要知道某些程序并沒有使用上述的所有存放器，不過它們在用x86-64重新編譯后，均可獲得本地數(shù)據(jù)類型的好處。此外代碼的復雜程度、應用程序的計算密度都會影響到性能，比方用Fortran語言代碼的性能增益就要比單純的執(zhí)行2進制數(shù)據(jù)來得明顯。

也就是為什么會有些人說，64-bit程序的性能與32-bit比并沒有沒什么增益，但是在某些情況下，所見到的性能卻是獲得了實實在在的增長。

3、指令集，性能增長的魅力

x86ISA在編程模塊也存在一些惱人的問題，比方有些指令集是并不需要使用到的，現(xiàn)在MMX、3DNow、x87、SSE、SSE2和SSE3已經(jīng)能夠處理之前的x86ISA。x86-64則丟棄了MMX、3DNow!、x87FPU，而是把SSE和SSE2作為其核心指令集。SSE/SSE2指令集能復制其它指令集的功能，但是在切換到64-bit模式后，WinXPx64就不能夠執(zhí)行FPU和MMX存放器。也就是說MMX、3DNow!和x87FPU在WOW6432-bit兼容模式可以執(zhí)行，但在64-bit應用卻不行。至于最新的SSE3，則有望在不遠的將來被64-bit處理器支持，AMD也預計在AMD64架構參加SSE3的支持。

x87FPU與RISC設計相比，一直被認為乃x86CPU架構的短板，也就是說x86處理器的FPU性能相當糟糕。SSE2使用更現(xiàn)代的編程模塊，取代了x87基于堆棧的編程模塊，從而在浮點運數(shù)性能上獲得了增長的潛力。SSE2還取代了x87的IEEE80-bit精度，換為可選擇的IEEE32-bit或者64-bit浮點運算。這樣做的好處是x86-64處理器在執(zhí)行64-bit模式的時候可獲得類似RISCCPUs的浮點性能，不過由于精度的差異，這些結果和x87FPU的會有些區(qū)別。

由于64-bitISA取消了MMX、3DNow!和x87FPU，包括了匯編代碼的程序將無法在Windowsx64編譯。這也意味著應用程序，包括游戲，使用匯編代碼進行的優(yōu)化都必須犧牲。那么在32-bit到64-bit轉移的時候，x86-64額外存放器所帶來的優(yōu)勢似乎又被這樣給消去了。某些32-bit游戲、程序如果使用大量優(yōu)化的話，它完全可以到達轉移到64-bit所帶來的性能。

我們的測試平臺和方法

Pentium4系統(tǒng)的所有測試都翻開Hyper-Threading功能。系統(tǒng)桌面被設置為1152x864@32-bit@85Hz刷新率，所有測試垂直刷新功能都被禁止。進行的測試包括了以下應用程序：

SiSoftSandra2005SR110.50

DOOM31.1withtrdelta1demo

FarCry1.3withtr3-pierdemo

UnrealTournament2004v3355withtrdemo1

TheChroniclesofRiddick:EscapefromButcherBaywithtrdemo3

3DMark05v120

POV-RayforWindows3.6.1a32-bit

POV-RayforWindows3.664-bit

picCOLORv4.0build53232-bit

picCOLORv4.0build53264-bit

ThePanoramaFactoryv3.3

ThePanoramaFactoryv3.3AMD64EditionBeta3

BlobbyDancerforAMD64demo

五、測試結果

由于大局部人對游戲都會非常感興趣，因此我們也從此測試開始。首個測試是“超世紀戰(zhàn)警:逃離屠場〞，這是個非常火暴的游戲，很多玩家甚至認為它比Doom3還要略勝一籌。該游戲除了32-bit版本外，還特地開發(fā)了64-bit版本。

在測試時候我們首先用正常的游戲記錄demo，然后在通過回放的形式進行測試。在GeForce6系列GPUs，游戲支持高級的軟渲染模式，但是顯示卡的負擔也非常吃力。

1、超世紀戰(zhàn)警:逃離屠場

以下測試結果中，如果標明“Win32”表示測試的系統(tǒng)是32-bit版本W(wǎng)indowsXPPro，如果“Win64”則表示運行在WinXPProx64RC2。標注“32-bit〞則是使用32-bit的應用程序，標注“64-bit〞則說明使用64-bit應用程序。不過在很多情況可能會是“Win64”和“32-bit〞的混合體，它是在Windowsx64操作系統(tǒng)執(zhí)行32-bit程序。

AMD和IntelCPU在使用64-bit模式的時候并沒有獲得巨大的性能進步。不過有趣的是，Athlon64在WinXPx64執(zhí)行32-bit代碼要比WinXP32-bit快。Pentium4則相反，在64-bit操作系統(tǒng)的性能反而不及32-bit。似乎轉移到64-bit應用的性能并非如預期的理想。

2、Doom3

接著我們使用一些32-bit游戲進行測試，由于可使用的64-bit游戲并不多，我們在測試的時候多少有些被動。在此我們也是用錄制demo的方式，然后是回放測試。

Doom3在轉移到64-bit操作系統(tǒng)的時候并沒有獲得性能增長或者損失，這對于準備換平臺的人來說可是個好消息。

3、FarCry

FarCry是個非常有趣的游戲，它和Riddick一樣，在包裝盒上使用了AMD64的Logo。不過和Riddick不同，F(xiàn)arCry的64-bit版本一再拖延，現(xiàn)在我們也只有使用32-bit的方式測試。

4、虛幻競技場2004

Pentium4在使用64-bit操作系統(tǒng)的時候，獲得了一定性能進步。保守點說，32-bit游戲在WinXPx64的執(zhí)行效能要比WinXP32bits模式的好。

5、picCOLOR專業(yè)測試

picCOLOR是一個圖象處理和分析的工具，也是從32-bit應用程序轉移到64-bit的典型。它被廣泛使用在科學應用上，比方質點流量分析。picCOLOR也用進了CPU技術的優(yōu)點，包括MMX、SSE2和Hyper-Threading，由于有64-bt版本，所以我們能夠測試x86-64ISA。

比照64-bit和32bit的性能比較并不直觀，由于32-bit程序使用了一些匯編代碼進行優(yōu)化,并參加MMX來對程序進行加速。由于MMX不支持的緣故，匯編代碼在64-bit模式將不能夠被執(zhí)行，64-bit編譯器也沒法執(zhí)行64-bit編譯。也就是說，picCOLOR64-bit模式?jīng)]有優(yōu)化的代碼。

幸好，32-bitpicCOLOR包括了禁止MMXcode的功能，我們也得以從高階語言(C語言）執(zhí)行2進制編譯器，picCOLOR的32-bit和64-bit模式也能夠獲得比較。在下面的圖表中，標注"32-bit/NoMMX〞表示沒有包括MMX代碼。

與32-bit版本沒有使用MMX匯編代碼優(yōu)化的程序相比，Pentium4和Athlon64在64-bit都獲得了矚目的性能進步。不過有個現(xiàn)象也非常有趣，Pentium4在32-bit模式有較好的性能，而Athlon644000+在64-bit模式表現(xiàn)更加優(yōu)秀，究其原因是Athlon64使用x86-64ISA的收益。

另一方面，32-bitpicCOLOR在使用MMX后，要比沒有使用要更快，而在WinXPx64運行32-bit程序的時候，幾乎沒有任何性能增長或者喪失。

6、ThePanoramaFactory

ThePanoramaFactory是一個專門制作具有360度環(huán)場效果的影像式虛擬現(xiàn)實軟件，您也可以使用它來制作出超廣角的照片，而且只要輕輕松幾個步驟就可以做到，再也不需要使用Photoshop等影像編修軟件大費周章的做調整了。

在轉移到64-bit模式獲得的性能增長是顯著的，Athlon64在64-bit模式幾乎有1一分鐘的增長，而Pentium4獲得的性能也相似。

交換函數(shù)，作為程序性能的核心局部，在使用x86-ISA后獲得了巨大的進步。在整體時間，我們不相信讀/寫等I/O函數(shù)被包括在PanoramaFactory的計算中。

7、POV-Ray

是指建立逼真出色圖片的電腦繪圖技術.