Wie groß ist 128 Bit?

Mit dem Erscheinen von Windows 7 im 32-Bit- und 64-Bit-Architekturformat wird angenommen, dass die nächsten Prozessoren und Betriebssysteme 128 Bit sein werden. Stimmt das, und ist das die nächste natürliche Entwicklung?

Was ist 128 Bit Computing? Nun, beginnend mit 32-Bit-Computing kann die CPU 232 Bits an Informationen verarbeiten, das sind 4.294.967.296 oder knapp über 4 Gigabyte. 64-Bit-Computing ist ebenfalls 264 oder 18.446.744.073.709.551.616; das sind über 18 Exobytes Speicher (Quintillion). Das ist nur für 64 Bit. Und 128 Bit? Das sind 2128 oder 3,4028236692093846346337460743177e+38 Bits. Das sind eine Menge Bits, mit denen man arbeiten muss. Ist dies also notwendig? Das ist die Frage; operative Bits und verfügbare Bits sind zwei verschiedene Dinge. Können Computer und, was noch wichtiger ist, Software diese Art von Bits nutzen?

Die CPU

Die Beantwortung der vorherigen Frage hängt von der Struktur der CPU ab. Die CPU verfügt über Register, die ALUs (arithmetisch-logische Einheit), die die mathematischen Berechnungen durchführen, und den Datenbus, der die Daten vom Cache zum Speicher transportiert. Der Fetch-Execute-Zyklus ist wichtig, wenn es darum geht, wie Daten verarbeitet werden.

Register sind kein Teil des Speichers, sie sind vielmehr temporäre Speicherbereiche und arbeiten unter dem Deckmantel der Steuereinheit. Sie nehmen Anweisungen oder Daten auf und führen logische oder arithmetische Operationen aus. Mehr Informationen über die Rolle einer CPU oder Mikroprozessoreinheit.

Die Register in der CPU

Was tun die Register?

Register empfangen die Informationen aus dem Speicher oder von der CPU, halten sie vorübergehend fest und geben sie nach Anweisung der Steuereinheit weiter. Register sind an einen Takt gebunden, wobei ein Befehl im Register in einem Taktzyklus ausgeführt wird. Die Anzahl der Register ist von Computer zu Computer unterschiedlich; jedes Register ist für eine bestimmte Funktion vorgesehen. Die Register haben eine bestimmte Speicherkapazität, die von der Anzahl der Bits abhängt, für die sie ausgelegt sind. Normalerweise sind 14 Register in einem Mikrocomputer vorhanden.

1]Das Akkumulatorregister ist ein spezielles Datenregister und speichert das Ergebnis des letzten Verarbeitungsschritts der ALU.

2]Für den Benutzer sichtbare Register werden in Datenregister und Adressregister unterteilt.

3]Adressregister werden verwendet, um Speicherregister und das nächste Stück Daten zu halten.

4]Datenregister speichern Daten.

5]Bedingungsregister werden verwendet, um zu bestimmen, ob die Anweisung ausgeführt werden soll oder nicht.

6]Konstantenregister werden verwendet, um Nur-Lese-Werte zu speichern.

7]Fließkommaregister speichern Fließkommazahlen.

8]Allzweckregister halten die Daten und Adressen.

9]Spezialregister werden verwendet, um den Status des Programms zu speichern, und es besteht aus Programmzähler,

10]Stapelzeiger und

11]Statusregistern.

12]Der Programmzähler hält die Adresse des nächsten auszuführenden Befehls.

13]Das Befehlsregister hält den Befehl, während er ausgeführt wird.

14]Das Indexregister speichert einen Index von Speicheradressen.

Sie können über eine visuelle Interpretation der Funktionsweise einer CPU lesen und zusätzliche Informationen über Register erfahren.

Physikalische Adresserweiterung in 32-Bit-Prozessoren

Gibt es also eine Möglichkeit, den 32-Bit-Prozessor wie einen 64-Bit-Prozessor arbeiten zu lassen? Das gibt es tatsächlich. Sie nennt sich Physical Address Extension (PAE).

Physical Address Extension ist eine Technik, die es CPUs ermöglicht, mehr Speicher zu adressieren, als von Haus aus vorhanden ist. Dies ist nur bei x86-Systemen möglich, bei denen 32 Bits auf bis zu 64 Bits erweitert werden können. Dies wird erreicht, indem das Adressierungsregister den Gesamtspeicher in verschiedene Speicherbänke aufteilt, die dann den Zugriff auf den gesamten Speicher ermöglichen. Wenn also das 32-Bit-Datenregister Daten empfängt, kann es die Daten in eine zweite Bank aufteilen und die 64-Bit-Operation erhalten, die in einem Zyklus verarbeitet wird.

Wenn dieser Prozess in Gang gesetzt wird, wirken die 32-Bit-Register zusammen, um ein 64-Bit-Register zu imitieren. Dies ermöglicht es dem CPU-Zyklus, zwei Register zu verarbeiten und sie an die ALU zur Verarbeitung in einem Zyklus zu senden. Dies ist jedoch nicht die einzige CPU-Implementierung, die es gibt.

Nicht einheitlicher Speicherzugriff

Eine weitere CPU-Implementierung ist der nicht einheitliche Speicherzugriff (NUMA), der es CPUs ermöglicht, unabhängig vom Abstand der Speicheradressen auf den Speicher zuzugreifen. Da einige Speicherplätze näher an der CPU liegen, während andere weiter entfernt sind, dauert es länger, bis die CPU die Daten im weiter entfernten Speicher verarbeitet hat. Um dieses Problem zu lösen, wird die CPU in Knoten aufgeteilt, so dass die Verarbeitung pro Knoten und damit schneller erfolgt, unabhängig vom physischen Speicherort. Anwendungen können dann die Vorteile der 64-Bit-Verarbeitung in einer 32-Bit-Umgebung nutzen, wenn NUMA vorhanden ist. Dies wirft die Frage auf: Kann diese Art der Verarbeitung 128-Bit-Operationen ermöglichen?

64-Bit- und 128-Bit-Betriebssysteme

Die Verwendung von 128-Bit-Systemen ist nicht unvermeidlich, da es Prozesse in der CPU gibt, die dazu verwendet werden können, einen 32-Bit-Prozessor wie einen 64-Bit-Prozessor und einen 64-Bit-Prozessor wie einen 128-Bit-Prozessor zu betreiben. Wenn die Physical Address Extension, die derzeit nur für x86 (32-Bit)-Systeme gilt, für 64-Bit-Systeme modifiziert würde, so dass sie sich wie 128-Bit-Systeme verhalten können, wäre dies ein Schritt in Richtung auf die Arbeit mit 128 Bit. Dasselbe gilt für Modifikationen, die NUMA verwenden, in diesem Fall wegen der Anzahl der Speicherplätze, die von der CPU entfernt sind, weil 64-Bit-CPUs natürlich größer sind als eine 32-Bit-CPU.

Schließlich gibt es einige Anwendungen, wie 128-Bit-Verschlüsselung oder Kryptographie, die natürlich die Vorteile einer 128-Bit-CPU nutzen können. Der Verschlüsselungsprozess wird schneller sein, weil nur ein Verarbeitungszyklus für die Verschlüsselung benötigt wird. Dies zeigt jedoch, dass man, um die Vorteile des 128-Bit-Prozessors voll auszuschöpfen, Anwendungen braucht, die so geschrieben sind, dass sie sich nahtlos in die CPU-Operationen einfügen.

Das ist derzeit einer der größten Nachteile in der Anwendungspraxis. Die meisten Anwendungen sind immer noch nur für die 32-Bit-Ebene geschrieben, sie sind nicht einmal auf der 64-Bit-Ebene. Dies erfordert Softwareentwicklungsprogramme, die neu geschrieben wurden, um 128-Bit-Anwendungen zu erstellen. Softwareentwicklungsprogramme wie Visual Studio oder das .Net Framework oder SQL Server 2005 oder SQL Server 2008 müssten 128-Bit-Anwendungen erstellen. Aber sie sind nicht auf diesem Niveau – jetzt erzeugen sie 32-Bit-Anwendungen.

Was wird ein 128-Bit-Prozess bewirken?

Größere und schnellere Verarbeitungsleistung ist die natürliche Antwort auf diese Frage. Ideal sind komplexe Anwendungen, die viel Rechenleistung benötigen, d.h. eine Verarbeitung, die in einem CPU-Zyklus erledigt werden kann. Dies sind technische, mathematische oder wissenschaftliche Operationen. Dies sind anspruchsvolle Finanz- oder Wirtschaftsmodelle. Es handelt sich auch um komplexe medizinische, biologische oder chemische Verarbeitungen, die schnell durchgeführt werden müssen. Alle diese Anwendungen, die schnell Ergebnisse liefern müssen, können von einem Betriebssystem profitieren, das mit einer 128-Bit-CPU synchronisiert werden kann. Weitere Informationen zur 128-Bit-Architektur finden Sie unter Windows 128 Bit Architecture – How much RAM can a Processor Handle.

Intel Micro Architecture Image: Wikimedia Commons

Intel 1820 Architecture Image: Wikimedia Commons

Numa: Image Wikimedia Commons

Dieser Beitrag ist Teil der Serie: 64-Bit-Computing vs. 32-Bit-Computing

Wenn die CPUs immer ausgefeilter werden, dann auch die Betriebssysteme, die sie unterstützen. Dies geschieht jetzt mit dem 64-Bit-Computer und dem älteren 32-Bit-Computer. Ziel dieser Artikelserie ist es, zu verstehen, wie sich die Größe der CPU auf das Betriebssystem auswirkt.

1. Der Unterschied zwischen Windows7 X64 und X86
2. Vergleich des Unterschieds zwischen 32-Bit und 64-Bit Windows 7
3. Können wir 128-Bit-Betriebssysteme erreichen und was wird damit erreicht?