Журнал «Компьютерра» №41 от 08 ноября 2005 года

«А как обстоят дела с совместимостью со старыми программами?» - спросит читатель. Посмотрим: если обойтись без приставки REX, то процессор будет считать, что все записанные там данные - нули, то есть новые регистры не используются, а размер операндов инструкции равен 32 битам, то есть старшие 32 бита каждого 64-разрядного регистра при подобных вычислениях явным образом забиваются нулями. Как легко догадаться, инструкция без префикса REX даже в 64-битном режиме будет работать точно так же, как она работала и в 32-битном; и если соблюдать меры предосторожности (в частности, не выходить при адресации за границу «нижних 4 Гбайт» виртуальной памяти, то даже в 64-битном режиме все программы будут работать как и в 32-битном! Красивое решение? Мне кажется, да. Если программе не требуется поддержка всяческих «64-битностей», то она может запросто продолжать работать на «физически» 64-битном процессоре в 32-битном режиме, не используя ни 64-битные указатели, ни 64-битные вычисления, зато «радуясь» удвоенному количеству регистров и другим улучшениям x86.

К сожалению, «нет в мире счастья», и по кодировке префиксы REX совпадают с шестнадцатью «сокращенными» инструкциями семейств INC и DEC (увеличение или уменьшение содержимого регистра на единичку). Вдобавок в 64-битном режиме не поддерживается ряд инструкций и «режимов» x86 (о чем речь пойдет ниже), а для нескольких инструкций изменены опкоды или их смысловая нагрузка[К примеру, инструкция 90h в классическом x86 означает XCHG EAX, EAX (поменять местами регистр EAX с регистром EAX). Поскольку от перестановки двух одинаковых регистров их содержимое не меняется, то эту комбинацию часто используют в качестве однобайтной «пустышки» (NOP), которая ничего не выполняет, зато занимает 1 байт машинного кода. Зачастую некоторые инструкции хочется «выровнять» в оперативной памяти, сделав так, чтобы они, например, не «пересекали 16-байтные границы» (если этого не сделать, то при декодировании инструкции возникнет «штраф», связанный с тем, что процессору придется «склеивать» инструкцию из нескольких 16-байтных кусочков); и если, скажем, эта инструкция - начало цикла, то непрерывная выплата «штрафа» может существенно замедлить выполнение программы. Вставка нескольких NOP’ов, «закрывающих» возникающие из-за выравнивания «дырки» в коде, - обычная практика, однако в 64-битном режиме процессор не просто переставит EAX с EAX местами, а еще и заполнит старшие 32 бита регистра RAX нулями - и наша инструкция уже не будет «настоящим» NOP’ом. Поэтому в x86-64 опкод 90h обрабатывается по-особому, всегда интерпретируясь как NOP]; так что даже в «тепличных» 32-битных условиях перекомпиляция программ для поддержки x86-64 все-таки требуется. Но и унывать по этому поводу не приходится: получить все преимущества от расширенного набора регистров без перекомпиляции все равно невозможно, а если очень хочется запустить 32-битное приложение, это можно сделать, временно переведя процессор в «режим совместимости» (Compatibility Mode), в котором полностью имитируется классический IA-32.

Какие процессоры поддерживают x86-64?

В случае AMD - все новые CPU без исключения. Athlon 64, Mobile Athlon 64, Turion и Opteron поддерживают технологию AMD64 изначально; процессоры Sempron (изначально этой поддержки лишенные) - начиная с определенного степпинга (E) или определенной даты (осени 2005 года). Отличить «новые» Sempron от старых проще всего по логотипу на коробке: у 64-разрядных Sempron’ов на упаковке стоит значок AMD64.

В случае Intel технологию EM64T поддерживают только процессоры новых степпингов (начиная с "E") в исполнении LGA775. Pentium D, Pentium eXtreme Edition и Pentium 4 семейства 6xx поддерживают EM64T изначально; процессоры Xeon - начиная c 90-нм ядра Nocona; процессоры Pentium 4 семейства 5xx и Celeron D семейства 3xx - только те модели, номер которых заканчивается на шестерку или единичку. Pentium 4 Extreme Edition 3,73 ГГц тоже поддерживает EM64T. Все остальные модели (в частности, Pentium M и процессоры в исполнении Socket 478) технологию EM64T не поддерживают и в ближайшее время эту поддержку не получат.

To 64bit or not to 64bit?

Так стоит ли переходить на x86-64 или нет? Думаю, после всего вышеизложенного ответ понятен: без сомнения, стоит! Технология x86-64 действительно предоставляет все преимущества 64-битных систем, содержит ряд качественных улучшений по сравнению с «классической» IA-32 ISA, но главное - позволяет не использовать 64-битные вычисления там, где этого не требуется, и сохраняет полную совместимость с любым 32-битным софтом. А потому единственный серьезный довод против, который до сих пор мешает широкому распространению технологии, - это необходимость поддержки x86-64 операционной системой и использования редких и порой не до конца отлаженных и «недооптимизированных» 64-битных драйверов.

Благодарим компании AMD (за предоставление тестового набора Athlon 64 X2 4800+), MSI (за материнскую плату MSI K8N SLI) и сеть магазинов «Неоторг» (за видеокарту MSI GeForce 7800GT).

64-битный Linux

Операционные системы семейства *nix и особенно их разновидности с открытым исходным кодом никогда не испытывали затруднений с портированием на самые разные архитектуры. Unix вообще задумывалась как портируемая операционная система[Недаром же стандарт на Unix-системы называется POSIX - Portable Operation System Interface for computer environments], а множество добровольных помощников - неплохой способ сократить время отладки и тестирования новой разновидности «операционки» и драйверов для нее.

Именно это и позволило юниксоидам в полной мере использовать 64-битные x86-процессоры сразу же после того, как появились первые компиляторы, поддерживающие 64-битные инструкции x86-64. Благо что при желании собрать свой «64-битный» дистрибутив может любой человек, обладающий достаточными познаниями в программировании, организации и администрировании *nix-систем; а перекомпилировать «обычную» программу для того, чтобы она получила поддержку x86-64, в большинстве случаев может и обычный пользователь. В мире Unix-систем, в отличие от Microsoft Windows, поддержка технологии x86-64 происходит гораздо естественнее - если приложение (или драйвер) распространяется в «исходниках», то в большинстве случаев его достаточно «пересобрать» (заново откомпилировать программу); а если в «бинарниках» (в заранее откомпилированном виде) - то почти всегда этот бинарник представлен в целом ряде вариантов под разные версии *nix-систем, среди которых наверняка найдется подходящая версия под вашу конкретную операционную систему. Поскольку все вышесказанное относится и к драйверам (которые могут считаться пусть и не самостоятельными, но программами), то проблем с ними тоже, как правило, не возникает[Для некоторых устройств unix-драйверов попросту не существует - ни для 32-битных, ни для 64-битных версий операционных систем. Но эту ситуацию уже никак, естественно, не исправишь].

Мы попробовали установить один из современных дистрибутивов с поддержкой x86-64 - Linux Corporate Server 3.0 от компании Mandrake. С инсталляцией и опознанием оборудования трудностей не было (разве что аудиокодек не распознался); с компиляцией тестовых приложений - тоже. В отличие от своих Windows-собратьев, скомпилированные наиболее распространенным компилятором GCC эти приложения выиграли в производительности куда больше (до 40-50%). Дело в том, что GCC - кроссплатформный компилятор, способный генерировать машинный код для двух десятков разных процессорных архитектур, а потому код для каждой из архитектур он генерирует по более простым алгоритмам, нежели «заточенные» под IA-32 компиляторы, и потому от «подводных камней» x86 страдает больше. К примеру, в x86 рекордно мало регистров общего назначения и регистров SSE по сравнению с другими процессорами, на которые GCC рассчитан. Поэтому переход к удвоенному числу регистров общего назначения так сильно упрощает GCC работу, что он перестает «по-глупому» спотыкаться - и возникает большая «дельта» между результатами одной и той же программы в 32-битном и 64-битном режиме. Разумеется, это справедливо не для всех приложений, но для очень многих, так что если ваш процессор поддерживает технологию x86-64 и вы намерены установить на него операционную UNIX-систему - лучше заранее купите 64-битный дистрибутив.

Как пересобрать *nix-приложение для поддержки x86-64

Большинство используемых в обычной жизни вариантов Linux ориентированы на работу с бинарными пакетами, и пересобирать программы в них приходится нечасто. Если вы хотите насладиться преимуществами 64-битной архитектуры, убедитесь, что заветные цифры «64» содержатся в номере версии вашего «дистро» - большинство крупных сборщиков поставляют специальные билды для этих целей. Впрочем, использовать или не использовать «продвинутые» дистрибутивы - вопрос открытый: Linux состоит из множества пакетов, и может статься, что нужная программа не собрана под 64-битную архитектуру в вашем репозитарии. Тогда можно попробовать собрать ее из исходников самостоятельно. Скорее всего, архитектура должна определиться автоматически (например, на этапе выполнения скрипта configure или при подготовке пакета из src.rpm-файла), и все нужные опции компилятора включатся без вашего участия. В особо запущенных случаях потребуется ручная правка Makefile. Здесь надо действовать по ситуации - но чаще всего будет достаточно добавить ключ -march ‹имя-архитектуры› при запуске gcc или g++[Например, -march k8 для сборки под AMD64 (полный перечень опций можно найти в документации gcс наwww.gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/i386-and-x86_002d64-Options.html

Microsoft Windows XP x64-bit edition

Говоря о технологии x86-64, невозможно не упомянуть, пожалуй, главную операционную систему, с которой пользователям этой технологии придется работать, - Microsoft Windows.

Можно долго рассуждать на тему, насколько интересна и востребована сегодня технология x86-64, но раз ее так или иначе поддерживают почти все новые процессоры, то у пользователей возникает вопрос иного рода: как 64-битность использовать на практике. Впрочем, очевидно, что для начала потребуется установить на компьютер 64-битную операционную систему.

Windows XP Professional x64 edition

А поскольку для среднестатистического юзера понятия ОС и Microsoft Windows, можно сказать, равнозначны, то выбор у него не очень богатый: либо «более пользовательская» Windows XP Professional x64 edition, либо серверные разновидности Windows 2003 Server x64 edition. На самом деле выбор еще уже, поскольку, вопреки своему названию, Windows XP Professional x64 edition основывается отнюдь не на коде оригинальной Windows XP, а использует то же самое «ядро» от Windows 2003 Server. Так что какой бы вариант вы не предпочли, «достанется» вам примерно одно и то же, просто с разными настройками системы по умолчанию. «Обновлять» систему с 32 бит до 64 невозможно - в любом случае потребуется ее полная переустановка. Список доступных языков пока тоже невелик: либо английский, либо японский, либо пакет MUI с европейскими языками (в которые русский язык не включен); так что неопытному пользователю, боюсь, рекомендовать Windows x64 edition не приходится. Впрочем, еще год назад у Microsoft не было даже этого, так что даже такой скудный ассортимент - значительный шаг вперед.

Итак, все 64-битные варианты операционных систем от Microsoft основываются на ядре Windows 2003 Server и уже включают в себя первый сервис-пак к Windows 2003[Кстати, видимо, желание включить SP1 в состав x64 edition и вызвало длительную задержку с релизом Windows x64 edition], интерфейс DirectX 9.0c и медиаплейер Windows Media Player десятой версии. Единственное «видимое» отличие для пользователя этих «осей» от 2003 Server SP1 - это возможность запуска 64-битных приложений. Поддерживается как AMD64, так и EM64T, со всей сопутствующей последней технологии спецификой. В остальном чисто внешне новые операционные системы, если не считать красивых логотипов с подписями «x64 edition», ничем не отличаются от своих прародителей. Интерфейс, приемы работы в ОС, системные настройки - все остается прежним.