AMD64 & Intel EM64T

此圖是從intel datasheet：Intel64 and IA-32 Architectures Software Develops Manual Volume3A所截取下來，從這張圖就可知道CPU如何在各模式之間切換；及為什麼可以作到向下相容的架構。
圖二

圖一

AMD公司設計，可以在同一時間內處理64位的整數運算，並兼容于X86-32架構。其中支持64位邏輯定址，同時提供轉換為32位定址選項；但數據操作指令默認為32位和8位，提供轉換成64位和16位的選項；支持常規用途暫存器，如果是32位運算操作，就要將結果擴展成完整的64位。這樣，指令中有“直接執行”和“轉換執行”的區別，其指令字段是8位或32位，可以避免字段過長。
x86-64（也叫AMD64）的產生也並非空穴來風，x86處理器的32bit尋址空間限制在4GB內存，而IA-64的處理器又不能兼容x86。AMD充分考慮顧客的需求，加強x86指令集的功能，使這套指令集可同時支持64位的運算模式，因此AMD把它們的架構稱之為x86-64。在技術上AMD在x86-64架構中為了進行64位運算，AMD為其引入了新增了R8-R15通用暫存器作為原有X86處理器暫存器的擴充，但在而在32位環境下並不完全使用到這些暫存器。原來的暫存器諸如EAX、EBX也由32位擴張至64位。在SSE單元中新加入了8個新暫存器以提供對SSE2的支持。暫存器數量的增加將帶來性能的提升。與此同時，為了同時支持32和64位代碼及暫存器，x86-64架構允許處理器工作在以下兩種模式︰Long Mode(長模式)和Legacy Mode(傳統模式)，Long模式又分為兩種子模式(64bit模式和Compatibility mode兼容模式)。該標準已經被引進在AMD伺服器處理器中的Opteron處理器。
而今年也推出了支持64位的EM64T技術，再還沒被正式命為EM64T之前是IA32E，這是英特爾64位擴展技術的名字,用來區別X86指令集。Intel的EM64T支持64位sub-mode，和AMD的X86-64技術類似，採用64位的線性平面尋址，加入8個新的通用暫存器（GPRs），還增加8個暫存器支持SSE指令。與AMD相類似，Intel的64位技術將兼容IA32和IA32E，只有在營運64位作業系統下的時候，才將會採用IA32E。IA32E將由2個sub-mode組成︰64位sub-mode和32位sub-mode，同AMD64一樣是向下兼容的。Intel的EM64T將完全兼容AMD的X86-64技術。現下Nocona處理器已經加入了一些64位技術，Intel的Pentium 4E處理器也支持64位技術。
應該說，這兩者都是兼容x86指令集的64位微處理器架構，但EM64T與AMD64還是有一些不一樣的地方
AMD的K8不是真正的64bit處理器，其和Intel的EM64T處理器一樣，不是真正的64bit處理器。Microsoft的WINXP64bit也不是真正意義上的64bit作業系統。真正64bit系統（硬體和軟體系統）出來的時候，現下這些所謂的64bit全部會淘汰，而這段時間會相當長，至少三年內難以實現；況且配件的更新速度很快，只要用的順手，何必在意以後會怎樣。順便說一下，現下的K8實際上是40bit處理器，而非64bit處理器；EM64T實際上是32bit處理器，只是在物理內存尋址上擴展到36bit。
AMD64 及 EM64T 倒底誰是一顆真正的 64 bit處理器，不用太在意, 這兩者都是由 32bit 處理器改進而來, 前陣子在 bbs 的 hardware 版, 為了AMD64 是不是創新的架構, 爭論了許久. 不過, 實際使用上, AMD64 不論是要當 32bit或 64 bit處理器來用, 算是不錯, 效能好, 溫度又低!

由 Intel EM64T 技術談 64 位元 CPU
由於軟體的功能越來越強大且多元化，所消耗的系統資源相對的也越多，因此在軟體的功能不斷提升的同時，硬體的處理能力也就捉襟見拙。而新技術不斷的發展，除了代表科技的進步外，也因應這必然的趨勢，造就了電腦平台的變革 —DDRⅡ、PCI Express、Hyper Threading 與 EM64T 等。

一、何謂 64 位元 CPU我們知道一個功能強大的軟體其實是由無數行的程式所組合而成，每一行的程式碼均會透過編譯器編譯成數筆資料，送到 CPU 內部的暫存器中等待執行。而所謂的 64 位元也就是在這資料的寬度、暫存器的大小以及執行指令的長度均為 64 位元，另外在記憶體的定址能力同樣也為 64 位元。

二、64 位元 CPU 的發展Intel CPU 的發展從 80386 之後便演進為 32 位元，到 1994 年 Intel 與 HP 共同開發 VLIW（Very Long Instruction Word）架構的 Itanium、Itanium2 的 IA-64 CPU，希望能將 HP 的 PA-RISC、COMPAQ 的 Alpha 以及 x86 架構的 PC 作一整合，以期降低研發高階伺服器處理器成本，並能跨平台的執行不同的作業系統。只是因為 Itanium、Itanium2 的 CPU 使用的是 VLIW 架構，雖然在執行 64 位元的作業系統與應用程式非常順暢，但於 32 位元的作業系統與應用程式中必須透過指令轉譯的方式來執行，導致在 32 位元的環境下效能不彰，因此發展上是叫好不叫座。在 64 位元 CPU 沈潛好一段時間之後，AMD 於 2003 年四月推出 64 位元 x86 架構的處理器 Opteron，以及 Apple 推出 PowerPC G5 的 RISC CPU，既可以執行 64 位元作業系統與應用程式，亦可向下相容於原本 32 位元的作業系統與應用程式，一時間 64 位元處理器的話題又熱絡起來。而 Intel 為了不讓競爭對手專美於前，於 2004 年春季 IDF 論壇中發表了 Intel 64bit Extension Technology 的新技術，並於 4 月份正式定名為 Intel Extended Memory 64 Technology（EM64T），並採用被稱之為 IA-32e 的新操作模式。

三、EM64T 技術Intel EM64T 是為了強化 IA-32 架構所發展的新技術。包含此技術的 IA-32 處理器除了可向下相容於現存的 32 位元軟體，並賦予軟體存取更多記憶體空間。並且允許那些開發於 32 位元定址模式下的軟體擁有執行於 64 位元定址空間的能力。相較於之前 IA32，擁有 EM64T 的 IA32e 最大的不同是將記憶體定址能力由原本 2 的 32 次方提升到 2 的 64 次方，也就是 18446744TB。

四、包含 EM64T 技術處理器的執行模式包含 IA32e 的處理器可執行在 Legacy IA-32 Mode 與 IA-32e Mode。IA-32e Mode 又包含了兩種子模式：1. Compatibility Mode：允許 64 位元的作業系統在不做任何的變動下執行大多數原生的 32 位元軟體。2. 64-bit Mode：允許 64 位元作業系統執行那些存取 64 位元位址空間的應用程式。

五、64-bit Mode 是用來在 64 位元作業系統下執行 64 位元應用程式，包含下列幾項特性：● 64 位元線性定址。● 8 個全新的一般暫存器（General-Purpose Register）。● 8 個全新 Streaming SIMD Extensions（SSE）暫存器支援 SSE、SSE2與SSE3。● 64 位元寬度的 GPR 與指令指標● 相同的 byte-register addressing● 更快速的中斷優化機制● 全新的指令指標相對定址模式64-bit Mode 可透過 64 位元作業系統藉由分割程式碼的準則來啟動。初始定址大小為 64 位元，初始運算元大小為 32 位元。

六、在 Compatibility Mode 中，絕大部分的 16 位元或 32 位元應用程式均可在不重新編譯的狀況下執行於 64 位元作業系統中。相同於 64-bit Mode，Compatibility Mode 可透過 64 位元作業系統藉由分割程式碼的準則來啟動。也就是說在同一時間中，64 位元應用程式也可被執行於 64-bit Mode，而不需重新編譯。

七、Legacy IA-32 Mode 包含保護模式、真實位址模式或是虛擬 8086 模式。針對這些模式撰寫的軟體，EM64T 的處理器均有完整的相容性。

上圖一列出 EM64T 處理器在不同模式下的差異：

上面圖二列出了在不同模式中所支援的暫存器類別：

八、64 位元處理器的迷思是不是購買了 64 位元處理器，相對的執行速度就是原本 32 位元的兩倍？其實以目前的作業系統 Windows XP 或是 Windows 2000 均為 32 位元的作業系統，而應用程式部分亦為 32 位元，也因此在程式碼分割與執行指令上仍為 32 位元寬，而 CPU 資料處理部分仍為 32 位元，也因此與目前的 IA-32 處理器並無差別。在未來 Windows XP 64-bit Edition for Extended System 上市後搭配 64 位元的應用程式，在效能方面才能有所提升。