Linux中的32位與64位

在通用PC領(lǐng)域，不論是windows還是linux界，我們都會(huì)經(jīng)常聽(tīng)到"32位"與"64位"的說(shuō)法，類(lèi)似的還有"x86"與"x86_64"，"i386"與"amd64"，這兩組概念之間有著怎樣的聯(lián)系和區(qū)別呢？

實(shí)際上這兩組概念涉及了三個(gè)層次：硬件，系統(tǒng)和軟件。

1、硬件

早期的intel處理器，如i386,486,586,奔騰系列的CPU架構(gòu)，都是32位的(32位的寄存器，32位的虛擬地址空間)，統(tǒng)稱(chēng)為x86架構(gòu)。

隨著技術(shù)的發(fā)展，32位CPU已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足需求，intel與AMD采用不同的方法開(kāi)發(fā)64位架構(gòu)的CPU，intel使用與x86完全不同的IA64架構(gòu)，由于與原來(lái)的X86完全不兼容，因此在PC領(lǐng)域沒(méi)有得到應(yīng)用，只在服務(wù)器領(lǐng)域有一些使用。

而AMD開(kāi)發(fā)的架構(gòu)稱(chēng)為amd64(將寄存器擴(kuò)充為64位，支持64位虛擬地址)，能夠完全兼容x86指令集，不用任何修改就能運(yùn)行老的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，在PC界得到廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在市場(chǎng)上幾乎所有的PC用途的CPU都是支持amd64指令集的了。

當(dāng)然intel也很快開(kāi)發(fā)出支持該指令集的CPU，不過(guò)intel將其稱(chēng)為x64架構(gòu)，而不是用amd64這個(gè)名字。而在linux中則稱(chēng)為x86_64，即x86架構(gòu)的64位擴(kuò)展。

有關(guān)x86_64的詳細(xì)描述可翻閱《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》一書(shū)。

在linux中查看CPU是否64位的方法：如果/proc/cpuinfo內(nèi)的flags字段中含有"lm"，則表示使用的是64位CPU(運(yùn)行“grep 'lm' /proc/cpuinfo”命令，輸出不為空）。

2、系統(tǒng)

系統(tǒng)同樣可分為32位與64位。在x86_64架構(gòu)的CPU出現(xiàn)之前，PC的操作系統(tǒng)都是用32位，例如windows 2000，xp，當(dāng)時(shí)的unix，linux等。

在x86_64架構(gòu)出現(xiàn)后，系統(tǒng)也就有了兩個(gè)版本:32位和64位，兩者的主要區(qū)別在于與硬件體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的操作中。

由于x86_64架構(gòu)完全兼容x86架構(gòu)，因此，32位的系統(tǒng)完全可以在x86_64位上運(yùn)行，只不過(guò)它只使用了x86部分，沒(méi)有完全發(fā)揮硬件的功能而已。

而64位系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)針對(duì)64位的擴(kuò)展功能而開(kāi)發(fā)的，就是為了最大限度地發(fā)揮硬件的能力，它無(wú)法在x86架構(gòu)的cpu上運(yùn)行。

另外，不論是windows還是linux，驅(qū)動(dòng)程序都需要加載到內(nèi)核空間中，因此它的類(lèi)型(32位或64位）需要跟系統(tǒng)完全相同。

系統(tǒng)與CPU的關(guān)系如下圖所示：

查看linux系統(tǒng)是32位還是64位的方法：執(zhí)行shell命令“arch”，顯示為x86_64表示當(dāng)前系統(tǒng)為64位，顯示為i386,i486等表示系統(tǒng)是32位的。

3、軟件

在系統(tǒng)上運(yùn)行的應(yīng)用軟件同樣有32位和64位之分，老的應(yīng)用軟件運(yùn)行在32位CPU及32位系統(tǒng)中，屬于32位軟件。

出現(xiàn)了64位系統(tǒng)之后，也出現(xiàn)了專(zhuān)門(mén)運(yùn)行在64位系統(tǒng)，能夠最大限度使用64位系統(tǒng)的擴(kuò)展功能的原生64位程序。

對(duì)于C程序來(lái)說(shuō)，64位程序相比32位程序最大的區(qū)別就是int，long以及指針數(shù)據(jù)類(lèi)型的長(zhǎng)度都是64位的，可以使用64位的虛擬地址空間。

實(shí)際遠(yuǎn)不止這些，編繹器在將64位C程序翻譯成匯編語(yǔ)言或者機(jī)器語(yǔ)言時(shí)，會(huì)盡量使用64位處理器的寄存器，盡量避免訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存，例如把函數(shù)的參數(shù)，及局部變量?jī)?yōu)先放在寄存器，而不是在用戶(hù)棧中。

另外在64位系統(tǒng)中，為了兼容數(shù)量眾多的老的應(yīng)用程序，系統(tǒng)都會(huì)增加一個(gè)虛擬層，用來(lái)翻譯x86指令，這樣32位程序也可以在64位系統(tǒng)中運(yùn)行(windows和linux都支持)。

同樣在64位系統(tǒng)中，使用64位編繹器一般也可以選擇編譯成32位程序(gcc使用-m32編譯成32位可執(zhí)行文件)。

另外在PC上，軟件能否運(yùn)行，只需看系統(tǒng)是否支持即可，可以不用理會(huì)CPU的架構(gòu)。軟件與系統(tǒng)的關(guān)系如下圖所示：

linux中查看可執(zhí)行文件是32位還是64位的方法：執(zhí)行shell命令“file /usr/bin/xxx", 如果是32位程序，顯示為"ELF 32-bit ..."；如果是64位，則顯示為："ELF 64-bit..."。

4、linux發(fā)行版與內(nèi)核

在linux發(fā)行版中，一般會(huì)針對(duì)不同的架構(gòu)發(fā)布不同的安裝光盤(pán)，以debian為例，可用于PC的就有i386和amd64這兩個(gè)版本。

根據(jù)上面的描述，這兩個(gè)版本的系統(tǒng)都可以安裝在使用64位的CPU的機(jī)器上，而使用32位CPU的機(jī)器上則只能安裝i386版本的系統(tǒng)。

在debian amd64光盤(pán)中帶的內(nèi)核及軟件包全都是64位版本的，而debian i386光盤(pán)中則有32位和64位的內(nèi)核，以及32位的軟件，可能是考慮到有些用戶(hù)想用64位內(nèi)核來(lái)運(yùn)行32位程序吧。

內(nèi)核源代碼是沒(méi)有32位，64位之分的，在編譯內(nèi)核時(shí)可以用ARCH參數(shù)手工指定編譯成哪一個(gè)架構(gòu)。例如："make ARCH=i386 menuconfig"，"make ARCH=i386"用于配置，編譯32位內(nèi)核；

而"make ARCH=x86_64 menuconfig"，"make ARCH=x86_64"則用于配置，編譯64位內(nèi)核。

但是，在debian amd64光盤(pán)安裝的系統(tǒng)里編譯的32位內(nèi)核是無(wú)法引導(dǎo)的，因?yàn)橄到y(tǒng)安裝的所有軟件包都是原生64位程序，無(wú)法在32位內(nèi)核上運(yùn)行，典型的錯(cuò)誤是提示引導(dǎo)時(shí)找不到能運(yùn)行的init程序；

而使用debian i386光盤(pán)安裝的系統(tǒng)中編譯的64位內(nèi)核卻可以使用，只是需要在配置內(nèi)核時(shí)加上IA32 Emulation支持(menuconfig的："Executable file formats/Emulations"-->"IA32 Emulation")。

基于這樣的原因，我原來(lái)用搭建的debian amd64光盤(pán)安裝的系統(tǒng)(http://www.cnblogs.com/xiongyuanxiong/p/3523306.html)，現(xiàn)在也改成用debian i386光盤(pán)來(lái)安裝了，這樣就能同時(shí)編譯新的32位和64位官方內(nèi)核進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

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