Computer Organization and Assembly Languages Final Project
The comparison between 32-bit and 64-bit microprocessor architecture
B94902029 郭彥伶 B94902055 吳明瑾
References
1. Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer's Manual Volume 1: Basic Architecture
2. AMD64 Architecture Programmer's Manual Volume 1: Application Programming 3. Wikipedia-X86-64: http://en.wikipedia.org/wiki/X86-64
4. Wikipedia-IA-32: http://en.wikipedia.org/wiki/IA-32
Preface
本學期在計算機組織與組合語言這門課中，老師介紹了 32-bit 的 architecture 還有 x86 assembly language，但卻甚少提及 64-bit 的 architecture，因此，在想要 了解 64-bit 的 architecture 及其在 media programming 方面與 32-bit 的差異之情況 下，我們決定了這個主題。
而這份 project 主要比較了 32-bit 和 64-bit 的 microprocessor architecture，內 容 則 涵 蓋 了 兩 種 architecture 中 memory 、 registers 、 instructions 及 media programming 方面(即 MMX, SSE, SSE2, SSE3)的對照。
Modes of Operation
32-bit
(1) Protected mode
z Multitasking
z Protected memory：讓每一個程式不會使用到其他程式所用的 memory，
避免兩個程式相衝。
z Virtual memory：讓程式可以 access 的 memory space 達到 4GB。
(2) Real-address mode
z 會在 DOS operating system 使用，程式可以任意存取 memory。
z 程式最多只能存取 1MB(20-bit)的 memory space。
z 在現在的 OS 中 (Ex. Windows, Linux)，只有開機的時候才會屬於 Real-address mode。
64-bit
(1) Compatibility mode
z 此模式下，64-bit 的 OS 能夠在不需要重新編譯的情況下執行 16-bit 和 32-bit 的 x86 應用程式。
z 與 32-bit 中的 Protected mode 相似，所以只能存取 linear-address space 中 的前 4GB。
(2) 64-bit mode
z 只有在使用 64-bit OS 的前提下才會使用到 64-bit mode。
z 只有 64-bit 的 OS 在執行程式時，能夠存取最多到 64-bit 的 linear address space。
z 將 general purpose registers 和 SIMD extension registers，從 8 個增加到 16 個，而且 general purpose registers 擴充成 64-bit。
z 重新定義 opcode，使 operand size 可以支援到 64-bit 的 operand。
32-bit
(1) Protected Mode:
(2) Real Mode
Protected mode 可支援 16-bit 跟 32-bit 的程式。
使用 table-based memory segmentation, paging 以及 privilege-checking，segmentation function 把 32-bit 的 effective address 和 16-bit 的 selector (包含 2-bit 的 Required Privilege Level, 1-bit 的 Table Indicator, 13-bit 的 index)，產生出一個 32-bit 的 linear address(為 16K 個 memory segments 之一)，
每一個空間皆可達到 4GB。
Paging 是非必須的，32-bit 的 physical address 可以靠 paging 產生，或者是 linear address 在沒有 改變的情況下直接當成 physical address 使用。
Real mode 支 援 16-bit 的 程 式 使 用 register-based shift-and-add segmentation，但是不支 援 paging。
對 16-bit 的 effective addresses 做 zero-extended 加上往左 shift 4 bit 的 16-bit segment-base address (內含特定實體記憶體位址的 address)，產生一個 20-bit 的 linear address。
此 linear address 再做 zero-extension extend 成 32-bit 的 physical address，但其最多只能存取 1MB 的 memory space。
64-bit
(1) 64-bit Mode
Segments以及real address在64-bit mode中 是無法使用的。
在64-bit mode中，程式產生一個可以達到 64 bits大小的virtual addresses，然後透過
PAE(Page Address Extensions) paging轉換到 physical address，但真正能執行的空間並沒有到 達64-bit。
(2) Compatibility Mode
由 程 式 所 產 生 的 16-bit 或 32-bit 的 effective addresses 跟此程式的 segments 結合，
產 生 一 個 32-bit( 最 大 可 以 zero-extended 到 64-bit)的 virtual(linear) address，之後 paging 的 方式與 64-bit mode 相同。
註 1：paging 將 virtual addresses 轉換為 physical addresses。
註 2：segmentation selector 加上 effective address 也可以稱做是 logical address 或者是 far pointer。
註 3：virtual address 又稱做 linear address。
Basic Program Execution Registers
1. General purpose registers
z EBX — Pointer to data in the DS segment
z ECX — Counter for string and loop operations
z EDX — I/O pointer
z ESI — Pointer to data in the segment pointed to by the DS register; source pointer for string operations
r to data (or destination) in the segment pointed to by the ES
gment) 2. Seg
CS(
的 se e 中，CS, DS, ES, SS 被視為 0，這樣使 code, data
3. EFLA
在 32-bit
. EIP (instruction pointer) register
z 此 register 包含了在現在這個 code segment 中下一個要執行的 instruction 的 offset。
z 在 64-bit mode 中，EIP 被擴充到 64 bits 稱為 RIP。
z EDI — Pointe
register; destination pointer for string operations
z ESP — Stack pointer (in the SS segment)
z EBP — Pointer to data on the stack (in the SS se ment registers
code segment), DS, ES, FS, GS(data segments), SS(stack segment)內含 16-bit gment selector，在 64-bit mod
, stack 成為 flat address space，FS, GS 則為 exceptions。
GS (program status and control) register
64-bit mode 中，EFLAGS 被擴充到 64 bits 稱為 RFLAGS，前面的 被保留，後面的 32-bit 就是原來的 EFLAGS。
4
Offset
32-bit
z Displacement — An 8-bit, 16-bit, or 32-bit value.
Base — The value in a general-purpose register
z .
z Scale factor — A value of 2, 4, or 8 that is multiplied by the index value.
幾個元素的 offset 被稱為 effective address，除了 Scale factor 以外，每 可以是正的值也可以是負的值(2s complement)。
z Index — The value in a general-purpose register.
包含以上 一個元素
64-bit
z Displacement — An 8-bit, 16-bit, or 32-bit value.
z Base — The value in a 32-bit (or 64-bit if REX.W is set) general-purpose register.
z Index — The value in a 32-bit (or 64-bit if REX.W is set) general-purpose register.
z Scale factor — A value of 2, 4, or 8 that is multiplied by the index value.
P + Displacement — In 64-bit mode, RIP-relative addressing uses a signed ss of the next instruction by
Media Programming
z RI
32-bit displacement to calculate the effective addre
sign-extend the 32-bit value and add to the 64-bit value in RIP.
MM p
能 。
32-bit
ister 稱作 MMX register。
— 64-bit packed byte integers (signed and unsigned)
X
它定義了一種簡單且有彈性的SIMD execution model用來操作64-bit
acked integer data，但是會使用到x87 FPU，故MMX與floating point的運算不 同時使用，而MMX在32-bit與64-bit的表現並無顯著的不同
z 含有 8 個 64-bit data reg
z 三種的 data type
— 64-bit packed word integers (signed and unsigned)
z 在 compatibility mode 與 64-bit mode，MMX 的指令就和它們在 protection offset computation 方法
SSE
藉由 ，SSE延伸且擴
D execution model，未使用x87 FPU是它與MMX另外的不同點。
32-bit
z
z M上operation的control、status bit的32-bit register，稱作 MXCSR register。
一種新的data type
it etching of data, control of the cacheability of data, and control the
6
z e，SSE的指令就和它們在protection mode相同。
以存取新增的8個XMM register(XMM8-XMM15) 。
SSE
它多 rs。
32-
新的data type
— 128-bit packed word integers — 128-bit packed doubleword integers
支援pairs of packed double-precision floating-point的操作，所以允許在 更精確的運算，增進了在科學、工程應用上與3D幾何
tegers的操作，所以對SIMD的operation提供了 這樣的能力對於RSA authentication和RC5
助的。
mode 相同，只是 memory operand 要以上面所述之 來 specify。
增加對packed和scalar single-precision floating-point的操作 充了SIM
含有 8 個 128-bit data register 稱作 XMM register。
一個提供XM
z
—128-bit packed single-precision floating-point data type
z 除了single-precision floating-point operation的指令外，開始有支援explic pref
ordering of store operations的指令。
4-bit
在compatibility mod
z 在64-bit mode，才可 2
支援了packed double-precision floating-point與128-bit packed intege bit
z 六種
— 128-bit packed double-precision floating-point — 128-bit packed byte integers
— 128-bit packed quadword integers
z 因為
XMM registers上做
技術上processor的表現。
z 因為提供了128-bit packed in 更穩定、更大的處理能力，
encryption這類的應用是非常有幫
6
z
z 新增的8個XMM register(XMM8-XMM15)
SSE3
ramming environment 與 SSE2 無任何差別也沒有新增任何 data type，
它 6
z 增的8個XMM register(XMM8-XMM15)
z 有些SSE3的instruction會直接操作到GPR，故要以上面所述之offset putation方法來specify。
4-bit
在compatibility mode，SSE2的指令就和它們在protection mode相同。
在64-bit mode，才可以存取
z 有些SSE2的instruction會直接操作到GPR，故要以上面所述之offset computation方法來specify。
其 prog
是針對 64-bit 的 architecture 來發展。
4-bit
z 在compatibility mode，SSE2的指令就和它們在protection mode相同。
在64-bit mode，才可以存取新
com
z 大部分的SIMD instruction是做垂直的運算，SSE3最大的不同點是增加了 12個水平的加減運算指令。
Conclusion
64-bit 的 architecture 早已行之有年，各大 OS 也都有對應的平台，但是應用 軟體產品卻很少有 64-bit 的產品而且缺乏 64-bit 的驅動程式，所以目前個人電腦 平台在 64-bit 的應用並不廣泛。
其實，64-bit 的運算，在個人電腦上實際應用不多，在 32-bit 的 architecture 上，已經可以存取高達 4GB 的 memory，對於一邊個人電腦使用戶來說，記憶體 的使用率距離 4GB 還有很大的距離；而以下是在 64-bit 的個人電腦中，對於檔 案壓縮以及影像壓縮的測試，但由於軟體環境尚未成熟，應該還有很大的進步空 間，至於要如何降低 64-bit 對記憶體使用量的影響，則是程式設計者的一大挑戰。
B 1.1.4 檔案解壓縮測試 MiniGZip with ZLI
測試項目
（數字越低越好） 64 位元 32 位元 成長幅度
壓縮檔案 3.625 秒 8.796 秒 +145%
Athlon 64 3800+
1.2
解壓檔案 03 秒 1.250 秒 +3.9%
壓縮檔案 4.640 秒 7.828 秒 +69%
Pentium 4F 3.2GHz
解壓檔案 0.656 秒 0.719 秒 +9.6%
※註：ZLIB 採用針對 AMD 最佳化的版本。
DivX 影像壓縮測試
（數字越高越好） 64 位元
測試項目
32 位元 成長幅度
FPS 3.74 FP/s 3.72 FP/s +0.5%
Athlon 64 3800+
35.71 FP/s 33.80 FP/s +5.7%
En.FPS
FPS 7.28 FP/s 5.97 FP/s +22%
Pentium 4F 3.2GHz
En.FPS 27.13 FP/s 21.09 FP/s +28.6%
※註：DivX encoder 採 D 最佳化 ，我們將一 的 wmv 檔 YUV 格式，
再進行影像壓縮的工
用針對 AM 的 5.03 版本 個 770kB 案先轉為
作。
(以上資料引用自http://www.poweruser.com.tw/)
料解壓縮、資料加密、影像處理的特殊應用來說，64-bit 運算便佔了很大的優勢 因為擁有 64-bit 的 flat memory 的存取能力，相較於 4GB
rtual memory PAE 延伸到相當於 64G 6-bit 的
memory，對於大型的資料庫或者是伺服器，都將不會發生不規則存取大範圍記 對於資料庫、資
，
的 vi 的空間限制，甚至是 B 的 3
憶體的程式行為 使記憶體存 彰；因 的高階 伺服器市
被 4-bit 的 R 器產品 並不令 意外。
出，微 Longhorn 核心的 OS(也就是已上市的 Vista) 推出時，應 該就是推出 64-bit 產品的最佳時機，雖然 64-bit 系統的普遍化依然言之過早，但 是 64-bit 的系統取代 32-bit 的系統似乎是長期趨勢，也許未來的 Longhorn 和市 場持續成長的個人用 Linux 平臺，才是 64-bit 系統最後的答案。
，而 取效率不 此，現在 運算及
場幾乎都已經 眾多 6 ISC 處理 所主宰， 人感到
有報導指 軟
