處理器運(yùn)算位數(shù)

處理器運(yùn)算位數(shù)??
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??? CPU的位寬對(duì)CPU性能的影響絕不亞于主頻。位寬是指微處理器一次執(zhí)行指令的數(shù)據(jù)帶寬。處理器的尋址位寬增長(zhǎng)很快，業(yè)界已使用過(guò)4、8、16位尋址再到目前主流的32位，而64位尋址浮點(diǎn)運(yùn)算已經(jīng)逐步成為CPU的主流產(chǎn)品。
??? 受虛擬和實(shí)際內(nèi)存尺寸的限制，目前主流的32位CPU在性能執(zhí)行模式方面存在一個(gè)嚴(yán)重的缺陷：當(dāng)面臨大量的數(shù)據(jù)流時(shí)，32位的寄存器（注：為了處理數(shù)據(jù)，暫時(shí)儲(chǔ)存結(jié)果，或者做間接尋址等等動(dòng)作，每個(gè)處理器都具備一些內(nèi)建的內(nèi)存，這些能夠在不延遲的狀態(tài)下存取的內(nèi)存就稱為“寄存器”，每個(gè)寄存器的大小都相同）和指令集不能及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的處理運(yùn)算。
??? 32位CPU一次只能處理32位，也就是4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)；而64位CPU一次就能處理64位即8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。如果我們將總長(zhǎng)128位的指令分別按照16位、32位、64位為單位進(jìn)行編輯的話：舊的16位CPU（如Intel 80286 CPU）需要8個(gè)指令，32位的CPU需要4個(gè)指令，而64位CPU則只要兩個(gè)指令。顯然，在工作頻率相同的情況下，64位CPU的處理速度比16位、32位的更快。

??? 可以比較一下圖中的32位與64位CPU，64位的代碼流的數(shù)量沒(méi)有改變，其寬度隨著指令代碼的寬度而變化；而數(shù)據(jù)流的寬度則增加了一倍。雖然理論上在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)64位系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量是32位系統(tǒng)的兩倍，但理論和現(xiàn)實(shí)通常都是有差距的。
　要注意的是，CPU不只需要位寬夠?qū)挼募拇嫫?，也需要足夠?shù)量的寄存器，以確保大量數(shù)據(jù)處理。因此為了容納更多的數(shù)據(jù)，寄存器和內(nèi)部數(shù)據(jù)通道也必須加倍，因此在64位CPU中的寄存器位數(shù)一般是32位CPU中的兩倍。
　不過(guò)，雖然寄存器位數(shù)增加了，但正在執(zhí)行指令的指令寄存器卻都是一樣的，即數(shù)據(jù)流加倍而指令流不變。此外，增加數(shù)據(jù)位數(shù)還可以擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍。在通常使用的十進(jìn)制中，只能得到最多10個(gè)整數(shù)（一位數(shù)情況下），這是因?yàn)?~9中只有10個(gè)不同的符號(hào)來(lái)表示相應(yīng)的意思，想要表示10以上的數(shù)就需要增加一位數(shù)，兩位數(shù)（00-99）才可以表示100個(gè)數(shù)。
　可以得出十進(jìn)制的動(dòng)態(tài)范圍的計(jì)算公式：DR=10n （n表示數(shù)字位數(shù)）。在二進(jìn)制體系中，相應(yīng)的我們可以得到公式：DR=2n，那么目前使用的32位就可以達(dá)到232=4.3×109，升級(jí)到64位之后，就可以達(dá)到264=1.8×1019。動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大了43億倍。
??? 提示：擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍可以在一定程度上提高寄存器中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。比如，當(dāng)使用32位系統(tǒng)處理氣象模擬運(yùn)算任務(wù)時(shí)，當(dāng)處理的數(shù)據(jù)超過(guò)32位所能提供的最大動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)諸如Overflow（超過(guò)了最大正整數(shù)）或Underflow（低于最小的負(fù)整數(shù)）的錯(cuò)誤提示，這樣寄存器中的數(shù)據(jù)就無(wú)法保證準(zhǔn)確。
　除了運(yùn)算能力之外，與32位CPU相比，64位CPU的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存的控制上。由于地址使用的是特殊的整數(shù)，而64位CPU的一個(gè)ALU（算術(shù)邏輯運(yùn)算器）和寄存器可以處理更大的整數(shù)，也就是更大的地址。
　傳統(tǒng)32位CPU的尋址空間最大為4GB，使得很多需要大容量?jī)?nèi)存的大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理程序在這時(shí)都會(huì)顯得捉襟見(jiàn)肘，形成了運(yùn)行效率的瓶頸。而64位的處理器在理論上則可以達(dá)到1800萬(wàn)個(gè)TB（1TB=1024GB），將能夠徹底解決32位計(jì)算系統(tǒng)所遇到的瓶頸現(xiàn)象。
　當(dāng)然64位尋址空間也有一定的缺點(diǎn)：內(nèi)存地址值隨著位數(shù)的增加而變?yōu)樵瓉?lái)的兩倍，這樣內(nèi)存地址將在緩存中占用更多的空間，其他有用的數(shù)據(jù)就無(wú)法載入緩存，從而引起了整體性能一定程度的下降。
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