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    說(shuō)到K8處理器，大家不免會(huì)想到AMD大肆宣傳的X86-64指令集的概念。而要較為明晰地理解X86-64指令集，就必須從64位處理器的本質(zhì)談起。

● 理解64位指令

    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(shù)（Operand）組成。其中操作數(shù)可以是等待處理的數(shù)據(jù)，也可以是待處理數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址。而操作碼則描述將要對(duì)操作數(shù)進(jìn)行何種處理。

    需要強(qiáng)調(diào)的是，通常所說(shuō)的64位指令，并不是指指令的全長(zhǎng)或操作碼的長(zhǎng)度為64位，而是指操作數(shù)所能達(dá)到的最大位數(shù)為64位。通過(guò)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(zhì)。

 64位指令工作原理示意圖

    由于操作數(shù)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(jié)構(gòu)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(kuò)展，點(diǎn)擊查看詳圖

    從上面的圖示可以看出，相對(duì)于傳統(tǒng)的X86處理器而言，K8在進(jìn)行64位擴(kuò)展的時(shí)侯，把8個(gè)通用寄存器增加到了64位，同時(shí)增加了指令指針寄存器的位數(shù)為64位。

    至于尋址方面，由于地址數(shù)據(jù)只不過(guò)是整數(shù)操作數(shù)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(shù)據(jù)長(zhǎng)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(dāng)然，為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，以上我們所說(shuō)的操作數(shù)，只不過(guò)是現(xiàn)代CPU所處理的操作數(shù)中的整數(shù)數(shù)據(jù)（地址數(shù)據(jù)）。它們由處理器中的ALU（算術(shù)邏輯單元）和AGU（地址生成單元）進(jìn)行處理，一般使用通用寄存器（GPR）來(lái)保存。實(shí)際上，我們還需要處理通常保存在浮點(diǎn)寄存器、MMX以及XMM寄存器里的浮點(diǎn)以及其它多種數(shù)據(jù)。

    不過(guò)，在我們進(jìn)一步談這些除了整數(shù)和地址數(shù)據(jù)外其它數(shù)據(jù)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(guān)寄存器和數(shù)據(jù)類型的基本知識(shí)。

● 寄存器和數(shù)據(jù)類型

    我們知道：整數(shù)、地址、指令指針和浮點(diǎn)數(shù)據(jù)是按照數(shù)據(jù)形式來(lái)劃分的，CPU所要處理的3種主要數(shù)據(jù)類型。此外我們還可以根據(jù)數(shù)據(jù)需要CPU進(jìn)行處理的類型，來(lái)將它們分為標(biāo)量數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)兩大類。

    通常我們把需要CPU進(jìn)行不同處理的單個(gè)數(shù)據(jù)稱為標(biāo)量數(shù)據(jù)（Scala Data）。標(biāo)量數(shù)據(jù)既可以是整數(shù)數(shù)據(jù)，也可以是浮點(diǎn)數(shù)據(jù)。其中整數(shù)標(biāo)量數(shù)據(jù)的存放區(qū)一般為通用寄存器（GPR），浮點(diǎn)標(biāo)量數(shù)據(jù)的存放區(qū)一般為浮點(diǎn)寄存器（FPR）。

    與標(biāo)量數(shù)據(jù)相對(duì)的是矢量數(shù)據(jù)（Vector Data）。所謂矢量數(shù)據(jù)就是指一列需要由處理器作相同處理的數(shù)據(jù)集合。比如處理器在做MP3編碼的過(guò)程中，需要對(duì)內(nèi)存中的音頻文件里的各字節(jié)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)流(SIMD)指令，將數(shù)個(gè)字節(jié)打包為一組矢量數(shù)據(jù)，存放在MMX或SSE寄存器中，再送往相應(yīng)的功能單元進(jìn)行統(tǒng)一操作。

    和標(biāo)量數(shù)據(jù)一樣，這些矢量數(shù)據(jù)既可以是整數(shù)數(shù)據(jù)，也可以是浮點(diǎn)數(shù)據(jù)。矢量數(shù)據(jù)以封包的形式批量存放在MMX（對(duì)于使用MMX、3DNow！進(jìn)行操作的數(shù)據(jù)而言）和XMM（對(duì)于使用SSE、SSE2進(jìn)行操作的數(shù)據(jù)而言）寄存器中。

    通過(guò)下面的圖，我們可以更好地了解標(biāo)量數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)的區(qū)別：

 標(biāo)量與矢量數(shù)據(jù)

    以下，我們整理了標(biāo)量數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)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(qū)別如下表：

    實(shí)際上，MMX和XMM通過(guò)寄存器映射的方法，也可以參與標(biāo)量浮點(diǎn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。同時(shí)數(shù)據(jù)類型也遠(yuǎn)不止整數(shù)、浮點(diǎn)這兩類基本數(shù)據(jù)類型，還包括有指令指針數(shù)據(jù)、BCD數(shù)據(jù)，位數(shù)據(jù)等。要把這些情況一一說(shuō)清，顯然不是一兩篇文章能解決得了問(wèn)題的。

    幸好，這些省略的部分與我們的結(jié)論并沒(méi)有影響，因此我們敘述時(shí)使用了簡(jiǎn)化的措施。需要更詳細(xì)完整的資料，您可以參考Intel的IA32以及AMD的X86-64架構(gòu)編程指導(dǎo)書。

    從上表我們可以看見(jiàn)，K8的64位擴(kuò)展部分似乎僅對(duì)于整數(shù)、地址數(shù)據(jù)有效。對(duì)浮點(diǎn)和向量數(shù)據(jù)則仍然保持原樣。

    經(jīng)過(guò)上面的分析，我們似乎可以得出這樣的結(jié)論，那就是：我們能從K8向64位的擴(kuò)展所獲得的好處，只不過(guò)是可以在同樣一條指令中，處理更大數(shù)值的整數(shù)數(shù)值以及管理空間更大的內(nèi)存區(qū)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(shù)據(jù)，因此顯然要花費(fèi)更多條指令對(duì)尺寸超過(guò)32位的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

    這種改進(jìn)對(duì)服務(wù)器、科學(xué)計(jì)算這樣的領(lǐng)域雖然具有一定的意義，但顯然并不是普通家用環(huán)境急需的改進(jìn)。試問(wèn)在近期普通應(yīng)用中，有多少情況下會(huì)用到超過(guò)232這樣大的整數(shù)數(shù)值和超過(guò)4GB的內(nèi)存空間呢？

    然而，如果你因此低估了K8和X86-64指令集的實(shí)力，那就大錯(cuò)特錯(cuò)了。