Журнал «Компьютерра» №41 от 08 ноября 2005 года - Журнал Компьютерра

Поэтому даже если бы в технологиях EM64T/AMD64 не было бы ничего сверх возможности оперировать с 64-битными указателями[Указатель на оперативную память (обычно просто говорят: указатель) - это ячейка памяти, в которой записывается номер другой ячейки. То есть, к примеру, мы можем как-то использовать в программе это число (номер ячейки) - присваивать его, изменять, увеличивать или уменьшать, а потом вызвать специальную операцию «разыменования» - взятия данных, расположенных по этому адресу в оперативной памяти. В C/C++ и подобных языках программирования указатели выделены в самостоятельный тип данных, и программист работает с ними «вручную»; в других языках «арифметику» указателей от программиста прячут, предлагая работать с более высокоуровневыми абстракциями, однако в машинном коде и оперативной памяти указатели встречаются почти всегда] на оперативную память, они по-прежнему оставались бы востребованными и своего покупателя все равно бы нашли. Но стоила бы в этом случае овчинка выделки?

Явные недостатки x86-64

Увы, нет. По крайней мере в ближайшие года три. Изменения регистров общего назначения и системы адресации памяти - совсем не то, что добавление новых регистров и новых инструкций для работы с ними. Расширения никак не влияют на работу старых программ, которые об их существовании и не догадываются; а вот пройти мимо изменений использующихся на каждом шагу регистров общего назначения - даже в уже существующих приложениях - невозможно. Очень часто приложения явным или неявным образом апеллируют к тому, что данные, которые они используют, имеют ту или иную длину и неожиданный сюрприз в виде занимающего не 4, а 8 байт указателя на оперативную память для них почти всегда фатален. Даже если программа не занимается «явным приведением типов», превращая их в 32-битные целые числа и обратно (это из сугубо программистских заморочек), то почти наверняка хоть где-нибудь она работает со структурой данных, в которую одним из компонентов входит тот самый указатель, и где для него отведено строго четыре байта, зажатых слева и справа данными той же или других структур. Так что подавляющее большинство существующих 32-битных программ в 64-битном режиме выполняться не будут.

Это не такая уж катастрофа, как может показаться: современные процессоры умеют быстро переключаться между 32- и 64-битным режимами, однако как минимум одно приложение, работающее на 64-битном компьютере, эти «нововведения» все-таки должно поддерживать. Ибо если даже операционная система, заведующая менеджментом виртуального адресного пространства, будет работать в 32-битном режиме, то ради чего мы боролись? Поэтому сформулируем «принцип номер один» для 64-битных систем: для поддержки 64-битности операционная система тоже должна быть 64-битной. Правда, объем переделок, которые для этого требуются, велик, но не бесконечен - релизы UNIX-систем с поддержкой AMD64 появились всего лишь несколькими месяцами позже представления новых систем, так что если бы этим дело и ограничилось, то особых поводов для беспокойства не возникло. Но, к сожалению, драйверы для операционных систем - это часть ОС, и, волей-неволей, они тоже должны быть 64-битными. А поскольку драйверы пишут тысячи и десятки тысяч «сторонних разработчиков», которым отнюдь не улыбается одновременно поддерживать 32- и 64-битные версии, не говоря о том, чтобы создавать драйвер для «железки», выпуск которой уже два года как прекращен, то это уже очень серьезная проблема, не решенная до сих пор[Сообществу OpenSource проще: там почти ко всем драйверам идут исходники, и зачастую достаточно простой перекомпиляции исходников, чтобы получить из 32-битной версии 64-битную или наоборот. Юниксоиды вообще стараются по возможности создавать переносимый код, который можно использовать с минимумом изменений на разных платформах; но даже если перекомпиляции недостаточно, то «модификация» этих исходников с исправлением тонких мест, вызывающих проблемы с 64-битностью, в принципе доступна любому мало-мальски грамотному программисту. Поэтому с «опенсорсными» 64-битными драйверами особых проблем сейчас нет. А вот с «фирменными» (вроде поддерживающего в Linux аппаратное ускорение OpenGL-драйвера для видеокарт nVidia) есть, хотя вендоры и стараются оперативно их решать].

Второе «слабое место» 64-битных процессоров в том, что обработка 64-битных данных заведомо требует больше времени, чем обработка 32-битных, и, что еще важнее, 64-битные программы и данные к ним занимают в оперативной памяти гораздо больше места. А поскольку оперативная память - ресурс медленный и дефицитный (кэш-память, особенно кэши первого уровня, имеет конечные размеры), то вместе с возросшей вычислительной сложностью это приводит к сильному падению «чистой» производительности процессора в 64-битных режимах. А что вы хотели, за все нужно платить, и в классическом варианте за поддержку большого объема памяти, устранение «проблемы мусора» и упрощение процедуры маппинга файлов на память приходится расплачиваться сравнительно невысоким быстродействием процессора, подсистемы оперативной памяти и несовместимостью с ранее написанными драйверами. Разумеется, в перспективе мы никуда от этого не уйдем, но сегодня потенциальные недостатки 64-битности для обычного пользователя перевешивают ее потенциальные достоинства.

Но кто сказал, что x86-64 - это только 64-битные указатели, команды и регистры GPR?..

IA-32 versus x86-64

Переделывая почти весь процессор и весь набор поддерживаемых им инструкций, мы все равно получаем несовместимость в 64-битном режиме со старыми программами. Так почему бы заодно не исправить ошибки предшественников и не убрать из x86 устаревшие ограничения? 64-битный режим не просто улучшенная версия IA-32 ISA, фактически это следующая версия архитектуры x86, во многом лишенная «родовых травм» этого семейства, начинавшегося с микроконтроллеров и долгое время не претендовавшего на «серьезное» использование.

Первое и, пожалуй, главное преимущество, которое получила архитектура x86-64, - долгожданная поддержка шестнадцати регистров общего назначения и шестнадцати регистров XMM. На первый взгляд это чисто количественное изменение, но на самом деле - принципиальная во всех отношениях доработка архитектуры IA-32. Судите сами: у современного IA-32 восемь регистров общего назначения (EAX, EBX, ECX, EDX, EDI, ESI, EBP и ESP), восемь 64-битных регистров MMX (MMX0-MMX7) и восемь же регистров SSE (XMM0-XMM7). Не замечаете ничего странного? Откуда вообще взялась цифра восемь? Для ответа на этот вопрос нам потребуется обратиться к «основам основ» - к формату x86-инструкций.

Каждая инструкция представляет собой длинную комбинацию из пяти составляющих: а) опкода (operation code, opcode), описывающего, что нужно сделать с данными, б) поля ModR/M, в котором записывается «подвид» инструкции, режим адресации памяти (как и у всякого CISC-процессорa, этих подвидов у x86 много) и один или два регистра, используемых инструкцией, в) поля SIB (Scale-Index-Base), в котором при некоторых режимах адресации памяти записываются еще два регистра (база и индекс) и масштаб, г) полей Displacement и Immediate, в них записываются используемые инструкцией константы, д) набора «приставок» (prefixes), позволяющих задать «нестандартные» режимы использования инструкции. Обязательным является только поле опкода, все остальные опциональны и могут отсутствовать[Теперь понимаете, что имелось в виду под «непомерной сложностью декодирования CISC-инструкций»?].

Оставим в стороне вопрос о том, для чего нужна столь сложная конструкция и как она работает, и сосредоточимся на одном-единственном интересующем нас аспекте: как в x86 кодируются используемые инструкциями операнды. Смотрите: поля Reg/Opcode[В принципе здесь может быть записан не регистр, а (для некоторых инструкций) дополнительный опкод, указывающий на ту или иную разновидность одной и той же инструкции] и R/M[Здесь тоже не всегда записывается регистр - иногда это поле используют для кодирования одной из 24 разновидностей режимов адресации памяти. В x86 много подобных «тонкостей»] занимают по три бита, поля Index и Base в SIB - тоже трехбитные. А трехбитных комбинаций, как легко посчитать, всего восемь, именно столько регистров может быть одновременно доступно любой программе. Так было задумано еще три десятка лет назад, при проектировании Intel 8086, и с тех пор ничего не изменилось, хотя Pentium 4 отличается от 8086, как небо от земли. Восемь регистров современных Athlon и Pentium не блажь разработчиков и не техническая необходимость, а фундаментальное ограничение самого набора инструкций x86.

Что же делать, если нам хочется как-то обойти это ограничение, не теряя совместимости со старыми приложениями? К счастью, инженеры, проектировавшие x86 ISA, были очень талантливыми и прозорливыми, а потому заложили в архитектуру возможность вводить перед инструкциями приставки - специальные указатели, так или иначе изменяющие значения инструкций. Скажем, приставка LOCK говорит, что инструкция должна быть выполнена в «атомном» режиме["Атомный" режим - это когда выполнение инструкции гарантированно не будет прервано каким-нибудь внешним событием. К примеру, если мы что-нибудь записываем в оперативную память, то начиная с момента исполнения и до завершения атомной инструкции никто «посторонний» не сможет ни записать в то же место оперативной памяти, ни прочитать оттуда. Используется в многопроцессорных системах для организации межпроцессорного взаимодействия], приставки 2E и 2F подсказывают процессору, произойдет условный переход или нет, а приставка 66 приказывает переключаться между 16-битным и 32-битным представлением данных в регистрах. Поэтому когда разработчикам x86-64 понадобилось добавить в архитектуру IA-32 поддержку 64-битности, они сделали очень простую и в то же время гениальную вещь, введя набор 64-битных приставок REX, которые не столько расширяют возможности инструкций, сколько служат для кодирования дополнительной информации в четырех своих полях. Поле REX.W задает «размер» обрабатываемых данных: если здесь записан нолик, то обрабатываемые регистры интерпретируются как 32-битные, если единичка - то как 64-битные; а поля REX.R, REX.X и REX.B - старшие биты, дополняющие трехбитные поля ModR/M.Reg, SIB.Index и, в зависимости от ситуации, ModR/M.R/M или SIB.Base соответственно. Знаю, что это звучит не слишком понятно, поэтому тут же поясню, что это означает. На самом деле в 64-битном режиме мы используем 4-битную кодировку регистров процессора, но три младших регистровых бита записываем на их «традиционные» места в инструкции, а старший бит - переносим в приставку REX, обходя тем самым архитектурное ограничение. А заодно, помимо поддержки восьми новых GPR-регистров R8-R15 и SSE-регистров XMM8-XMM15, получаем возможность отключить 64-битные вычисления, когда они нам не требуются, - и пропорционально сэкономить на времени исполнения и занимаемом данными месте! И все это - одним-единственным байтом!