Jak velký je 128 bitů?

S příchodem systému Windows 7 v 32bitovém a 64bitovém formátu architektury se předpokládá, že příští procesory a operační systémy budou 128bitové. Je to pravda a je to další přirozený vývoj?

Co je to 128bitová výpočetní technika? No, počínaje 32bitovou výpočetní technikou je procesor schopen zpracovat 232 bitů informací, což je 4 294 967 296 neboli něco málo přes 4 GB. 64bitové počítání je podobně 264 neboli 18 446 744 073 709 551 616; to je přes 18 exobajtů paměti (kvintilionů). To je jen pro 64 bitů. A 128 bitů? To je 2128 neboli 3,4028236692093846346337460743177e+38 bitů. To je hodně bitů, se kterými je třeba pracovat. Je to tedy nutné? To je otázka; operační bity a dostupné bity jsou dvě různé věci. Mohou počítače, a hlavně software, využít takový bitový prostor?“

Procesor

Odpovědi na předchozí otázku budou záviset na struktuře procesoru. CPU má registry, ALU (aritmeticko-logickou jednotku ), která provádí matematiku, a datovou sběrnici, která přesouvá data z cache do paměti. Cyklus fetch-execute je důležitý při řešení způsobu zpracování dat.

Registry nejsou součástí paměti, jsou to spíše dočasné paměťové oblasti a pracují pod záštitou řídicí jednotky. Přijímají instrukce nebo data a provádějí logické nebo aritmetické operace. Další informace naleznete na stránce Úloha procesoru neboli mikroprocesorové jednotky.

Registry v procesoru

Co dělá registr?

Registry přijímají informace z paměti nebo z procesoru, dočasně je uchovávají a předávají je dále podle pokynů řídicí jednotky. Registry jsou vázány na hodiny, přičemž instrukce v registru se provede za jeden takt. Počet registrů se v jednotlivých počítačích liší; každý z nich je určen k provádění určité funkce. Registry mají specifickou paměťovou kapacitu v závislosti na počtu bitů, kterými jsou vybaveny. Obvykle je v mikropočítači přítomno 14 registrů.

1]Akumulátorový registr je speciální datový registr a uchovává výsledek posledního kroku zpracování ALU.

2]Uživatelsky viditelné registry se dělí na datové a adresové.

3]Adresové registry slouží k uchování paměťových registrů a dalšího kusu dat.

4]Datové registry uchovávají data.

5]Stavové registry slouží k určení, zda se má instrukce provést, nebo ne.

6]Konstantní registry slouží k uchovávání hodnot pouze pro čtení.

7]Registry s plovoucí desetinnou čárkou uchovávají čísla s plovoucí desetinnou čárkou.

8]Registry pro obecné účely uchovávají data a adresy.

9]Registry pro speciální účely slouží k ukládání stavu programu a skládají se z čítače programu,

10]ukazatele zásobníku a

11]stavových registrů.

12]Čítač programu uchovává adresu následující prováděné instrukce.

13]Registr instrukcí uchovává instrukci při jejím provádění.

14]Indexový registr uchovává index paměťových adres.

Můžete si přečíst článek Vizuální výklad fungování procesoru a dozvědět se další informace o registrech.

Rozšíření fyzických adres u 32bitových procesorů

Existuje tedy způsob, který zajistí, aby 32bitový procesor fungoval jako 64bitový? Ve skutečnosti existuje. Říká se mu Physical Address Extension (PAE).

Physical Address Extension je technika, která umožňuje procesorům adresovat více paměti, než je k dispozici podle návrhu. Lze to provést pouze v systémech x86, kde lze 32 bitů zprovoznit až do 64 bitů. Toho se dosáhne, když adresovací registr rozdělí celkovou paměť do různých bank prostoru, kde pak může umožnit přístup k celé paměti. Jakmile tedy 32bitový datový registr obdrží data, může je rozdělit do druhé banky a získat 64bitovou operaci a ta je zpracována v jednom cyklu.

Když je tento proces zaveden, 32bitové registry pracují ve shodě a napodobují 64bitový registr. To umožňuje, aby cyklus procesoru pracoval tak, aby zpracoval dva registry a poslal je do ALU ke zpracování v jednom cyklu. Toto však není jediná dostupná implementace procesoru.

Nerovnoměrný přístup do paměti

Další implementací procesoru je nerovnoměrný přístup do paměti (NUMA), který umožňuje procesoru přistupovat k paměti bez ohledu na vzdálenost paměťových adres. Protože některá místa v paměti jsou blíže k procesoru, zatímco jiná jsou vzdálenější, bude procesoru trvat déle, než zpracuje data v paměti, která je vzdálenější. Pro vyřešení tohoto problému je procesor rozdělen do uzlů, takže zpracování probíhá na jeden uzel, a tudíž rychleji bez ohledu na fyzické umístění paměti. Aplikace pak mohou využívat výhod 64bitového zpracování v 32bitovém prostředí, pokud je zavedena NUMA. Nabízí se otázka: Může tento typ zpracování umožnit 128bitové operace?“

64bitový a 128bitový operační systém

Používání 128bitových systémů není nevyhnutelné, zatímco v procesoru existují procesy, které lze použít k tomu, aby se 32bitový procesor choval jako 64bitový a 64bitový procesor jako 128bitový. Kdyby se rozšíření fyzických adres, které se nyní vztahuje pouze na systémy x86 (32 bitů), upravilo pro 64 bitové systémy tak, aby se mohly chovat jako 128 bitové systémy, znamenalo by to určitý pokrok v práci se 128 bity. Totéž platí pro modifikace využívající NUMA, v tomto případě se kvůli počtu paměťových míst, která jsou vzdálena od procesoru, musí použít, protože 64bitové procesory budou přirozeně větší než 32bitové.

Nakonec existují některé aplikace, jako je 128bitové šifrování nebo kryptografie, které mohou přirozeně využít 128bitový procesor. Proces šifrování bude rychlejší, protože k provedení šifrování bude potřeba pouze jeden výpočetní cyklus. Z toho však vyplývá, že pro plné využití 128bitového procesoru je třeba mít aplikace napsané tak, aby plynule splynuly s operacemi procesoru.

V tomto bodě je to jeden z největších nedostatků v aplikační praxi. Většina aplikací je stále napsána pouze pro 32bitovou úroveň, nejsou ani na 64bitové úrovni. To si vyžádá programy pro návrh softwaru, které byly přepsány pro vytvoření 128bitových aplikací. Programy pro návrh softwaru, jako je Visual Studio nebo .Net Framework nebo SQL Server 2005 či SQL Server 2008, by musely vytvářet 128bitové aplikace. Na této úrovni však nejsou – nyní vytvářejí 32bitové aplikace.

Čeho dosáhne 128bitový proces?

Přirozenou odpovědí na tuto otázku je větší a rychlejší výpočetní výkon. Ideální jsou složité aplikace, které potřebují velký výpočetní výkon, tj. zpracování, které lze provést během jednoho taktu procesoru. Jedná se o inženýrské nebo matematické či vědecké operace. Jedná se o sofistikované finanční nebo ekonomické modelování. Jsou to také složitá lékařská nebo biologická či chemická zpracování, která musí být provedena rychle. Každá z těchto aplikací, která potřebuje rychle generovat výsledky, může těžit z operačního systému, který může být synchronizován se 128bitovým procesorem. Pohyb v problematice 128bitové architektury si můžete přečíst na stránce Windows 128bitová architektura – kolik paměti RAM zvládne procesor.

Obrázek mikroarchitektury Intel: Obrázek: Wikimedia Commons

Architektura Intel 1820 Obrázek: Wikimedia Commons

Numa: Obrázek Wikimedia Commons

Tento příspěvek je součástí seriálu: S tím, jak se zdokonalují procesory, zdokonalují se i operační systémy, které je podporují. To se nyní děje v případě 64bitových počítačů a starších 32bitových počítačů. Pochopit, jak velikost procesoru ovlivňuje operační systém, je cílem této série článků.

1. Rozdíl mezi Windows7 X64 a X86
2. Porovnání rozdílu mezi 32bitovým a 64bitovým systémem Windows 7
3. Můžeme dosáhnout 128bitové provozuschopnosti operačního systému a čeho tím dosáhneme

?