Журнал «Компьютерра» №41 от 08 ноября 2005 года

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

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!

Вторая группа усовершенствований - отказ от поддержки безнадежно устаревших и давно не использующихся возможностей IA-32. В расширенном режиме не поддерживаются Real Mode и Virtual 8086-mode[Да-да, Virtual 8086 - это именно то, о чем вы сейчас подумали, - полная имитация процессора Intel 8086. Много ли найдется людей, которые пожалеют о его отсутствии?], и почти полностью отключена сегментация[Поскольку читатель уже заскучал от обилия технических фактов, не буду утомлять его описанием сегментированной модели памяти 80286, скажу только, что сегментация - это очень упрощенный аналог виртуальной памяти] (хотя некоторые настройки сегмента CS и сегменты FS/GS все же можно использовать); не поддерживаются инструкции, работавшие с этими сегментами, и инструкции, оперировавшие BCD-числами[BCD (Binary Coded Decimal) - это когда десятичное число записывается шестнадцатеричными цифрами. Например, 54d - в виде 54h = 01010100b вместо традиционных 36h = 00110110b]. Все это позволяет заметно облегчить процессору жизнь и в перспективе - повысить его производительность. К примеру, отказ от сегментации позволяет при обращении к оперативной памяти не вычислять линейный адрес и не проверять его допустимость в рамках сегмента, а значит, эффективность этой подсистемы при переходе к x86-64 существенно возрастет.

«А как обстоят дела с совместимостью со старыми программами?» - спросит читатель. Посмотрим: если обойтись без приставки REX, то процессор будет считать, что все записанные там данные - нули, то есть новые регистры не используются, а размер операндов инструкции равен 32 битам, то есть старшие 32 бита каждого 64-разрядного регистра при подобных вычислениях явным образом забиваются нулями. Как легко догадаться, инструкция без префикса REX даже в 64-битном режиме будет работать точно так же, как она работала и в 32-битном; и если соблюдать меры предосторожности (в частности, не выходить при адресации за границу «нижних 4 Гбайт» виртуальной памяти, то даже в 64-битном режиме все программы будут работать как и в 32-битном! Красивое решение? Мне кажется, да. Если программе не требуется поддержка всяческих «64-битностей», то она может запросто продолжать работать на «физически» 64-битном процессоре в 32-битном режиме, не используя ни 64-битные указатели, ни 64-битные вычисления, зато «радуясь» удвоенному количеству регистров и другим улучшениям x86.