AMD64

AMD64 (myös nimillä x86-64, x86_64 ja x64) on AMD:n kehittämä 64-bittinen suoritinarkkitehtuuri, joka suunniteltiin kehitysaskeleeksi 32-bittisestä x86-arkkitehtuurista.^[1] Vanhoja 16- ja 32-bittisiä real mode- ja protected mode-ohjelmia varten suorittimessa on vielä mukana niille tukea säilyttäen yhteensopivuuden vanhoille ohjelmille.^[1] 64-bittiset ohjelmat suoritetaan long mode -tilassa.^[1] Intelillä oli kilpaileva EM64T-arkkitehtuuri, jota Intel muokkasi täyteen AMD64-yhteensopivuuteen lisäämällä LAHF- ja SAHF-käskyt.^[2][3]

AMD64 -logo.

Historia

AMD ilmoitti arkkitehtuurista vuonna 1999^[4] ja julkaisi määrittelyn vuonna 2000.^[5] Se toteutettiin ensimmäisen kerran vuonna 2003 julkaistuissa AMD Opteron ja AMD Athlon 64 -suorittimissa. AMD64 -käskykanta oli ensimmäinen merkittävä lisäys x86-arkkitehtuuriin, joka oli jonkun muun yhtiön kuin Intelin tekemä. Intelin oma strategia 64-bittisyyteen siirtymiseksi oli julkaista Intel Itanium -arkkitehtuuri IA-64-käskykannalla, joka ei ollut alaspäin yhteensopiva ja jossa aikaisemmat PC:n käyttöjärjestelmät ja ohjelmat eivät siis toimineet.^[6][7] Intel joutui myös ottamaan käyttöön AMD64 -käskykannan, ensi kertaa vuonna 2004 NetBurst-mikroarkkitehtuurin Prescott-versiossa (Pentium 4). Intel käytti tästä kuitenkin nimeä EM64T ja Microsoft neutraalia x64-nimeä.^[8] VIA Technologies käytti AMD64-käskykantaa VIA Isaiah -arkkitehtuurissaan (VIA Nano -prosessori).

Lisensointi

Intel ja AMD ovat sopineet ristiin lisensoinnista, jolloin myös Intel käyttää AMD64-tilaa prosessoreissaan.

Intel lisensoi AMD:lle oikeuden käyttää alkuperäistä x86 arkkitehtuuria.^[9][10]

Vuonna 2009 AMD ja Intel sopivat useita lakikiistoja ja erimielisyyksiä jatkaen ristiinlisensointisopimuksia.^[11][12]

Arkkitehtuurin eroja x86:een nähden

Samalla piirillä on legacy-mode tuki IA-32 käskykannalle. Kun prosessori toimii long-mode tilassa tietyt erot tulevat voimaan.^[13]

• Enemmän rekistereitä. Yleiskäyttöisten rekisterien määrä on nostettu IA-32:n kahdeksasta kuuteentoista.^[13]
• Suurempi osoiteavaruus. Virtuaalisen osoiteavaruuden kokoa on kasvatettu 32 bitistä 48 bittiin.^[13] AMD64-arkkitehtuurissa suurin osoitettava muistin määrä on siis 256 teratavua, kun x86-32-arkkitehtuurissa se oli 4 gigatavua. Lisäksi osoittimien käyttämättömien bittien käyttöä on rajoitettu siten, että arkkitehtuuria on helppo myöhemmin laajentaa 64-bittiseen osoiteavaruuteen säilyttäen yhteensopivuus vanhoihin käyttäjätason ohjelmiin, vaatien muutoksia vain käyttöjärjestelmän muistinhallinnalta.
• Muistin osoittaminen suhteessa ohjelmalaskuriin (englanniksi instruction pointer relative data access – lyhyemmin RIP relative data access). Muistiin pystyy AMD64-arkkitehtuurissa viittaamaan myös suhteessa ohjelmalaskuriin.^[13] Tämä mahdollístaa osoiteriippumattoman koodin.
• SSE-käskykanta. AMD64-arkkitehtuuri sisältää SSE2-käskykantalaajennuksen x87- ja MMX-käskyjen lisäksi.^[13]
• NX-bitti. NX-bitti on suojausteknologia, joka mahdollistaa tiettyjen muistialueiden merkitsemisen suorituskieltoon. Näin pyritään ehkäisemään puskuriylivuotohaavoittuvuuksien aiheuttamia haittoja. AMD julkaisi tuen Athlon 64 -suorittimissa ja Intel Prescott-ytimellisissä Pentium 4 -suorittimissa.^[14][15][16]
• Segmentoitu muisti ei ole enää tuettu. Muistisivujen käyttö on tyypillisempää ja mahdollistaa yksinkertaisemman ohjelmoinnin sekä tehokkaamman moniprosessoinnin.^[17]

Ohjelmien suorituksessa long mode -tilassa on käytössä uusi ABI, muutoin käytössä on vanha yhteensopivuustila.^[18]

Jatkokehitys

AMD64-yhteensopiva 64-bittinen käskykanta vaati jo määritelmien mukaan SSE ja SSE2 -tuen. 32-bittistä liukulukukäskykantaa x87 tai MMX-käskyjä ei vaadita, mutta kaikki suorittimet toteuttavat ne silti.^[19]

Käskykantaa on sittemmin laajennettu vielä SSE3- ja SSE4-käskyillä ja AVX-käskyillä laajentamalla SIMD-rekisterit 256-bittisiksi, joilla voi laskea neljää 64-bittistä liukulukua tai kahdeksaa 32-bittistä liukulukua rinnan. AVX2 eli Haswell New Instructions mahdollisti kokonaislukujen käsittelyn 256-bittisissä SIMD-rekistereissä.

AVX/AVX2-käskyt toteuttavaa käskykantaa on nimitetty x86-64-v3 -mikroarkkitehtuuriksi. On tehty suunnitelmia, että tämä vuonna 2013 Intelin "Haswell"-prosessorissa julkaistu ja AMD Excavatorissa toteutettu käskykanta otettaisiin pienimmäksi vaadituksi käskykannaksi, etenkin palvelimiin suunnatuissa käyttöjärjestelmissä.^[20]

Toimintatilat

Toimintatila		Vaadittu käyttöjärjestelmän tyyppi	Sovellusten uudelleenkääntäminen tarvitaan	Osoitteen oletuskoko	Operandin oletuskoko	Rekisterilaajennukset	Tyypillinen yleiskäyttöisen rekisterin koko
Long mode	64-bittinen tila	Uusi 64-bittinen käyttöjärjestelmä	kyllä	64	32	kyllä	64
	Yhteensopivuustila		ei	32		ei	32
				16	16		16
Legacy Mode	Suojattu tila	Vanha 32-bittinen käyttöjärjestelmä	ei	32	32	ei	32
				16	16
	Virtuaalinen 8086-tila			16	16		16
	Reaalitila	Vanha 16-bittinen käyttöjärjestelmä