Hur stor är 128 bitar?

Med Windows 7 i 32-bitars och 64-bitars arkitekturformat tror man att nästa processorer och operativsystem kommer att vara 128-bitars. Är det sant och är det nästa naturliga utveckling?

Vad är 128-bitarsdatorer? Om man börjar med 32-bitarsdatorer kan processorn bearbeta 232 bitar information, vilket motsvarar 4 294 967 296 eller drygt 4 gigabyte. 64-bitarsdatorer är också 264 eller 18 446 744 073 709 551 616, det vill säga över 18 exobyte minne (quintiljoner). Detta är bara för 64 bitar. Och 128 bitar? Det är 2128 eller 3,4028236692093838463434633633747460743177e+38 bitar. Det är många bitar att arbeta med. Är detta nödvändigt? Det är det som är frågan; operativa bitar och tillgängliga bitar är två olika saker. Kan datorer, och framför allt programvara, använda ett sådant bitutrymme?

Processorn

Att besvara föregående fråga beror på processorns struktur. CPU:n har register, ALU:er (aritmetisk-logisk enhet ), som utför matematiken, och databussen, som förflyttar data från cacheminnet till minnet. Cykeln fetch-execute är viktig när det gäller att ta upp hur data behandlas.

Register är inte en del av minnet, de är snarare tillfälliga lagringsområden och de arbetar under kontrollenhetens täckmantel. De tar emot instruktioner eller data och utför logiska eller aritmetiska operationer. Mer information finns om rollen för en CPU eller mikroprocessorenhet.

Registren i CPU

Vad gör registret?

Registren tar emot information från minnet eller från CPU:n, håller den temporärt och vidarebefordrar den enligt anvisningar från kontrollenheten. Register är kopplade till en klocka, där en instruktion i registret utförs på en klockcykel. Antalet register varierar från dator till dator; varje register är utformat för att utföra en specifik funktion. Register har en specifik lagringskapacitet beroende på hur många bitar de är utformade med. Normalt finns 14 register i en mikrodator.

1]Ackumulatorregistret är ett särskilt dataregister och det lagrar resultatet av det sista bearbetningssteget i ALU:n.

2]Användarsynliga register är uppdelade i till dataregister och adressregister.

3]Adressregister används för att hålla minnesregister och nästa datastycke.

4]Dataregister lagrar data.

5]Tillståndsregister används för att avgöra om instruktionen ska exekveras eller inte.

6]Konstantregister används för att lagra skrivskyddade värden.

7]Flyttalregister lagrar flyttal.

8]Register för allmänna ändamål håller data och adresser.

9]Register för speciella ändamål används för att lagra programmets status och består av programräknare,

10]stapelpekare och

11]statusregister.

12]Programräknaren innehåller adressen till nästa instruktion som ska utföras.

13]Instruktionsregistret innehåller instruktionen medan den utförs.

14]Indexregistret lagrar ett index för minnesadresser.

Du kan läsa om En visuell tolkning av hur en CPU fungerar och få ytterligare information om register.

Fysisk adressutvidgning i 32-bitars processorer

Så finns det ett sätt som gör att 32-bitars processorn fungerar som en 64-bitars? Det finns det faktiskt. Det kallas Physical Address Extension (PAE).

Physical Address Extension är en teknik som gör det möjligt för processorer att adressera mer minne än vad som är tillgängligt enligt konstruktionen. Det kan endast göras på x86-system där 32 bitar kan fås att fungera upp till 64 bitar. Detta åstadkoms när adresseringsregistret delar upp det totala minnet i olika bankutrymmen där det sedan kan ge tillgång till hela minnet. Så när 32-bitarsdataregistret tar emot data kan det dela upp data i en andra bank och få 64-bitarsoperationen och den behandlas i en cykel.

När denna process sätts in agerar 32-bitarsregistren tillsammans för att efterlikna ett 64-bitarsregister. Detta gör att CPU-cykeln kan arbeta för att bearbeta två register och skicka dem till ALU:n för bearbetning i en cykel. Men detta är inte den enda CPU-implementering som finns tillgänglig.

Non-Uniform Memory Access

En annan CPU-implementering är Non-Uniform Memory Access (NUMA), som gör det möjligt för CPU:er att få tillgång till minnet oberoende av avståndet mellan minnesadresserna. Eftersom vissa minnesplatser ligger närmare CPU:n medan andra ligger längre bort, tar det längre tid för CPU:n att bearbeta data i minnet som ligger längre bort. För att lösa detta delas CPU:n upp i noder så att bearbetningen sker per nod och därmed snabbare oavsett minnets fysiska placering. Programmen kan då dra nytta av 64-bitarsbearbetning i en 32-bitarsmiljö om NUMA finns på plats. Detta väcker frågan: kan denna typ av bearbetning möjliggöra 128-bitarsoperationer?

64-bitars och 128-bitars operativsystem

Det är inte oundvikligt att använda 128-bitarsystem medan det finns processer i CPU:n som kan användas för att få en 32-bitarsprocessor att agera som en 64-bitarsprocessor, och en 64-bitarsprocessor att agera som en 128-bitarsprocessor. Om Physical Address Extension, som nu bara gäller för x86-system (32-bitarssystem), ändrades för 64-bitarssystem så att de kan agera som 128-bitarssystem, skulle det vara ett steg på vägen mot att arbeta med 128 bitar. Samma sak gäller för ändringar med hjälp av NUMA, i det här fallet på grund av antalet minnesplatser som är distanserade från CPU:n måste användas eftersom 64-bitars CPU:er naturligt kommer att vara större i storlek än en 32-bitars CPU.

För det sista finns det vissa tillämpningar, som 128-bitars kryptering eller kryptografi, som naturligt kan dra nytta av 128-bitars CPU:er. Krypteringsprocessen blir snabbare eftersom det bara tar en bearbetningscykel att utföra krypteringen. Men detta visar att för att dra full nytta av 128-bitars processorn måste man ha tillämpningar som är skrivna för att smälta in sömlöst i CPU-operationerna.

I det här läget är detta en av de största nackdelarna med tillämpningspraxis. De flesta program är fortfarande bara skrivna för 32-bitarsnivån, de är inte ens på 64-bitarsnivån. Detta kommer att kräva programvarudesignprogram som har skrivits om för att skapa 128-bitarsprogram. Programvarudesignprogram som Visual Studio, .Net Framework, SQL Server 2005 eller SQL Server 2008 måste producera 128-bitarsprogram. Men de är inte på den nivån – nu skapar de 32-bitarsprogram.

Vad kommer en 128-bitarsprocess att åstadkomma?

En större och snabbare processorkraft är det naturliga svaret på den frågan. Komplexa tillämpningar som kräver mycket bearbetningskraft, dvs. bearbetning som kan utföras på en CPU-cykel, är idealiska. Dessa är tekniska, matematiska eller vetenskapliga operationer. Det rör sig om sofistikerad finansiell eller ekonomisk modellering. Det är också komplexa medicinska, biologiska eller kemiska bearbetningar som måste utföras snabbt. Alla dessa tillämpningar som måste generera resultat snabbt kan dra nytta av ett operativsystem som kan vara synkroniserat med en 128-bitars CPU. Du kan läsa mer om 128 bitars arkitektur på 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

Detta inlägg är en del av serien: 64 Bit Computing vs 32 Bit Computing

I takt med att processorerna blir mer sofistikerade, ökar också operativsystemen som stöder dem. Detta sker nu med 64-bitarsdatorn och den äldre 32-bitarsdatorn. Att förstå hur storleken på CPU:n påverkar operativsystemet är målet för den här artikelserien.

1. Skillnaden mellan Windows7 X64 och X86
2. Komparera skillnaden mellan 32-bitars och 64-bitars Windows 7
3. Kan vi uppnå 128-bitars operativsystem och vad kommer det att åstadkomma?