64-битная архитектура компьютеров

Введение

В компьютерной архитектуре 64-битные целые числа, адреса памяти или другие единицы данных имеют ширину 64 бита. Кроме того, 64-битные центральные процессоры (CPU) и арифметико-логические устройства (ALU) – это те, которые основаны на регистрах процессора, адресных шинах или шинах данных такого размера. Компьютер, использующий такой процессор, является 64-битным компьютером. С точки зрения программного обеспечения, 64-битные вычисления означают использование машинного кода с 64-битными адресами виртуальной памяти. Однако не все 64-битные наборы инструкций поддерживают полные 64-битные адреса виртуальной памяти; например, x86-64 и AArch64 поддерживают только 48 бит виртуального адреса, при этом остальные 16 бит виртуального адреса должны быть либо все нули (000), либо все единицы (111), а некоторые 64-битные наборы инструкций поддерживают менее 64 бит адреса физической памяти. Термин «64 бит» также описывает поколение компьютеров, в котором 64-битные процессоры стали стандартом. 64 бита – это размер слова, определяющий определенные классы компьютерной архитектуры, шины, память и процессоры, а также, соответственно, программное обеспечение, работающее на них. 64-битные процессоры используются в суперкомпьютерах с 1970-х годов (Cray 1, 1975) и в рабочих станциях и серверах на основе RISC (reduced instruction set computers) с начала 1990-х годов. В 2003 году 64-битные процессоры были представлены на рынке персональных компьютеров в виде процессоров x86-64 и PowerPC G5. 64-битный регистр может содержать любое из 264 (более 18 квинтиллионов или 1,8 × 1019) различных значений. Диапазон целых значений, которые могут быть сохранены в 64 битах, зависит от используемого представления целых чисел. При двух наиболее распространенных представлениях диапазон составляет от 0 до 18 446 744 073 709 551 615 (равно 264 − 1) при представлении в виде (беззнакового) двоичного числа и от −9 223 372 036 854 775 808 (−263) до 9 223 372 036 854 775 807 (263 − 1) при представлении в виде дополнительного кода. Следовательно, процессор с 64-битными адресами памяти может напрямую обращаться к 264 байтам (16 эксибайтам или EiB) адресуемой памяти. Если не указано иное, 64-битная компьютерная архитектура обычно имеет целые и адресные регистры шириной 64 бита, что обеспечивает прямую поддержку 64-битных типов данных и адресов. Однако процессор может иметь внешние шины данных или адресные шины разных размеров, даже больших (например, 32-битный Pentium имел 64-битную шину данных).

Computer architecture bit width

In computer architecture, 64 bit integers, memory addresses, or other data units are those that are 64 bits wide. Also, 64 bit central processing units (CPU) and arithmetic logic units (ALU) are those that are based on processor registers, address buses, or data buses of that size. A computer that uses such a processor is a 64 bit computer. From the software perspective, 64 bit computing means the use of machine code with 64 bit virtual memory addresses. However, not all 64 bit instruction sets support full 64 bit virtual memory addresses; x86 64 and AArch64 for example, support only 48 bits of virtual address, with the remaining 16 bits of the virtual address required to be all zeros (000 ) or all ones (111 ), and several 64 bit instruction sets support fewer than 64 bits of physical memory address. The term 64 bit also describes a generation of computers in which 64 bit processors are the norm. 64 bits is a word size that defines certain classes of computer architecture, buses, memory, and CPUs and, by extension, the software that runs on them. 64 bit CPUs have been used in supercomputers since the 1970s (Cray 1, 1975) and in reduced instruction set computers (RISC) based workstations and servers since the early 1990s. In 2003, 64 bit CPUs were introduced to the mainstream PC market in the form of x86 64 processors and the PowerPC G5. A 64 bit register can hold any of 264 (over 18 quintillion or 1.8×1019) different values. The range of integer values that can be stored in 64 bits depends on the integer representation used. With the two most common representations, the range is 0 through 18,446,744,073,709,551,615 (equal to 264 − 1) for representation as an (unsigned) binary number, and −9,223,372,036,854,775,808 (−263) through 9,223,372,036,854,775,807 (263 − 1) for representation as two's complement. Hence, a processor with 64 bit memory addresses can directly access 264 bytes (16 exbibytes or EiB) of byte addressable memory. With no further qualification, a 64 bit computer architecture generally has integer and addressing registers that are 64 bits wide, allowing direct support for 64 bit data types and addresses. However, a CPU might have external data buses or address buses with different sizes from the registers, even larger (the 32 bit Pentium had a 64 bit data bus, for instance).

Архитектурные последствия

Регистры процессоров обычно делятся на несколько групп: целочисленные, с плавающей точкой, SIMD (одна инструкция – множественные данные), регистры управления и часто специальные регистры для адресной арифметики, которые могут иметь различные назначения и названия, такие как адресные, индексные или базовые регистры. Однако в современных конструкциях эти функции часто выполняются более универсальными целочисленными регистрами. В большинстве процессоров для адресации данных в памяти могут использоваться только целочисленные или адресные регистры; другие типы регистров не могут быть использованы для этой цели. Размер этих регистров, как правило, ограничивает объем непосредственно адресуемой памяти, даже если существуют более широкие регистры, например, регистры с плавающей точкой. Большинство высокопроизводительных 32-битных и 64-битных процессоров (за некоторыми заметными исключениями, такими как более старые или встраиваемые процессоры ARM и 32-битные процессоры MIPS) имеют встроенное аппаратное обеспечение для работы с плавающей точкой, которое часто, но не всегда, основано на 64-битных единицах данных. Например, хотя архитектура x86/x87 имеет инструкции для загрузки и сохранения 64-битных (и 32-битных) значений с плавающей точкой в память, внутренний формат данных и регистров с плавающей точкой имеет ширину 80 бит, в то время как регистры общего назначения имеют ширину 32 бита. В отличие от этого, 64-битная линейка Alpha использует 64-битный формат данных и регистров с плавающей точкой, а также 64-битные целочисленные регистры.

История

Многие наборы инструкций компьютера разработаны таким образом, чтобы один регистр целых чисел мог хранить адрес памяти в любом месте физической или виртуальной памяти компьютера. Поэтому общее количество адресов в памяти часто определяется шириной этих регистров. IBM System/360 1960-х годов был одним из первых 32-битных компьютеров; он имел 32-битные регистры целых чисел, хотя использовал только 24 младших бита слова для адресов, что привело к 16 Мбайт (16 × 1024² байт) адресного пространства. 32-битные суперминикомпьютеры, такие как DEC VAX, стали распространены в 1970-х годах, а 32-битные микропроцессоры, такие как семейство Motorola 68000 и 32-битные представители семейства x86, начиная с Intel 80386, появились в середине 1980-х годов, что сделало 32 бита своего рода де-факто стандартом в качестве удобного размера регистра. 32-битный адресный регистр означал, что можно было адресовать 2³² адреса, или 4 Гигабайта оперативной памяти (RAM). Когда эти архитектуры разрабатывались, 4 Гигабайта памяти значительно превышали типичные объемы (4 Мегабайта) в установках, поэтому этого считалось достаточным запасом для адресации. 4,29 миллиарда адресов считались подходящим размером для работы по еще одной важной причине: 4,29 миллиарда целых чисел достаточно для присвоения уникальных идентификаторов большинству объектов в таких приложениях, как базы данных. Некоторые архитектуры суперкомпьютеров 1970-х и 1980-х годов, такие как Cray 1, использовали регистры шириной до 64 бит и поддерживали 64-битную целочисленную арифметику, хотя 64-битной адресации они не поддерживали. В середине 1980-х годов началась разработка Intel i860, которая завершилась выпуском в 1989 году; i860 имел 32-битные регистры целых чисел и 32-битную адресацию, поэтому не был полностью 64-битным процессором, хотя его графический блок поддерживал 64-битную целочисленную арифметику. Однако 32 бита оставались нормой до начала 1990-х годов, когда постоянное снижение стоимости памяти привело к появлению установок с объемом оперативной памяти, приближающимся к 4 Гигабайтам, и стало желательным использование виртуальных пространств памяти, превышающих предел в 4 Гигабайта, для решения определенных типов задач. В ответ MIPS и DEC разработали 64-битные микропроцессорные архитектуры, первоначально для высокопроизводительных рабочих станций и серверов. К середине 1990-х годов HAL Computer Systems, Sun Microsystems, IBM, Silicon Graphics и Hewlett Packard разработали 64-битные архитектуры для своих рабочих станций и серверных систем. Заметным исключением из этой тенденции были мэйнфреймы IBM, которые в то время использовали 32-битные данные и 31-битные размеры адресов; 64-битные процессоры в мэйнфреймы IBM были добавлены только в 2000 году. В 1990-х годах несколько недорогих 64-битных микропроцессоров использовались в потребительской электронике и встроенных приложениях. В частности, Nintendo 64 и PlayStation 2 имели 64-битные микропроцессоры еще до их появления в персональных компьютерах. Высокопроизводительные принтеры, сетевое оборудование и промышленные компьютеры также использовали 64-битные микропроцессоры, такие как Quantum Effect Devices R5000. 64-битные вычисления начали проникать на настольные компьютеры с 2003 года, когда некоторые модели в линейке Macintosh компании Apple перешли на процессоры PowerPC 970 (названные Apple G5), а Advanced Micro Devices (AMD) выпустила свой первый 64-битный процессор x86-64. Физическая память в конечном итоге догнала 32-битные ограничения. В 2023 году ноутбуки обычно оснащались 16 ГБ памяти, а серверы – до 64 ГБ, что значительно превышает 4 ГБ адресной емкости 32 бит.

Many computer instruction sets are designed so that a single integer register can store the memory address to any location in the computer's physical or virtual memory. Therefore, the total number of addresses to memory is often determined by the width of these registers. The IBM System/360 of the 1960s was an early 32 bit computer; it had 32 bit integer registers, although it only used the low order 24 bits of a word for addresses, resulting in a 16 MiB (16 × 10242 bytes) address space. 32 bit superminicomputers, such as the DEC VAX, became common in the 1970s, and 32 bit microprocessors, such as the Motorola 68000 family and the 32 bit members of the x86 family starting with the Intel 80386, appeared in the mid 1980s, making 32 bits something of a de facto consensus as a convenient register size. A 32 bit address register meant that 232 addresses, or 4 GiB of random access memory (RAM), could be referenced. When these architectures were devised, 4 GiB of memory was so far beyond the typical amounts (4 MiB) in installations, that this was considered to be enough headroom for addressing. 4.29 billion addresses were considered an appropriate size to work with for another important reason: 4.29 billion integers are enough to assign unique references to most entities in applications like databases. Some supercomputer architectures of the 1970s and 1980s, such as the Cray 1, used registers up to 64 bits wide, and supported 64 bit integer arithmetic, although they did not support 64 bit addressing. In the mid 1980s, Intel i860 development began culminating in a 1989 release; the i860 had 32 bit integer registers and 32 bit addressing, so it was not a fully 64 bit processor, although its graphics unit supported 64 bit integer arithmetic. However, 32 bits remained the norm until the early 1990s, when the continual reductions in the cost of memory led to installations with amounts of RAM approaching 4 GiB, and the use of virtual memory spaces exceeding the 4 GiB ceiling became desirable for handling certain types of problems. In response, MIPS and DEC developed 64 bit microprocessor architectures, initially for high end workstation and server machines. By the mid 1990s, HAL Computer Systems, Sun Microsystems, IBM, Silicon Graphics, and Hewlett Packard had developed 64 bit architectures for their workstation and server systems. A notable exception to this trend were mainframes from IBM, which then used 32 bit data and 31 bit address sizes; the IBM mainframes did not include 64 bit processors until 2000. During the 1990s, several low cost 64 bit microprocessors were used in consumer electronics and embedded applications. Notably, the Nintendo 64 and the PlayStation 2 had 64 bit microprocessors before their introduction in personal computers. High end printers, network equipment, and industrial computers, also used 64 bit microprocessors, such as the Quantum Effect Devices R5000. 64 bit computing started to trickle down to the personal computer desktop from 2003 onward, when some models in Apple's Macintosh lines switched to PowerPC 970 processors (termed G5 by Apple), and Advanced Micro Devices (AMD) released its first 64 bit x86 64 processor. Physical memory eventually caught up with 32 bit limits. In 2023, laptop computers were commonly equipped with 16GB and servers up to 64GB of memory, greatly exceeding the 4GB address capacity of 32 bits.

64-битная временная линия данных

1961 IBM поставляет суперкомпьютер IBM 7030 Stretch, который использует 64-битные слова для данных и 32- или 64-битные слова для инструкций. 1974 Control Data Corporation запускает векторовый суперкомпьютер CDC Star 100, использующий 64-битную архитектуру слов (предыдущие системы CDC были основаны на 60-битной архитектуре). International Computers Limited запускает серию ICL 2900 с 32-битными, 64-битными и 128-битными целыми числами в дополнительном коде; 64-битной и 128-битной арифметикой с плавающей точкой; 32-битной, 64-битной и 128-битной упакованной десятичной арифметикой и 128-битным регистром-аккумулятором. Архитектура сохранилась в ряде машин ICL и Fujitsu. Последней из них является Fujitsu Supernova, которая эмулирует исходную среду на 64-битных процессорах Intel. 1976 Cray Research поставляет первый суперкомпьютер Cray 1, основанный на 64-битной архитектуре слов, который станет основой для последующих векторных суперкомпьютеров Cray. 1983 Elxsi запускает параллельный мини-суперкомпьютер Elxsi 6400. Архитектура Elxsi имеет 64-битные регистры данных, но 32-битное адресное пространство. 1989 Intel представляет процессор Intel i860 с упрощенным набором команд (RISC). Маркетировался как "64-битный микропроцессор", но фактически имел 32-битную архитектуру, дополненную 3D-графическим блоком, способным выполнять 64-битные целочисленные операции. 1993 Atari представляет видеоигровую консоль Atari Jaguar, в архитектуре которой используются некоторые 64-битные шины данных.

Временная линия 64-битных адресов

1991 MIPS Computer Systems производит первый 64-битный микропроцессор R4000, реализующий архитектуру MIPS III – третье пересмотрение архитектуры MIPS. Процессор используется в графических рабочих станциях SGI, начиная с IRIS Crimson. Kendall Square Research представила свой первый суперкомпьютер KSR1, основанный на собственной 64-битной RISC-архитектуре процессора с операционной системой OSF/1. 1992 Digital Equipment Corporation (DEC) представляет 64-битную архитектуру Alpha, разработанную в рамках проекта PRISM. 1994 Intel объявляет о планах по 64-битной архитектуре IA 64 (разработанной совместно с Hewlett Packard) как преемнице 32-битных процессоров IA 32. Ориентировочный срок запуска – 1998–1999 годы. 1995 Sun выпускает 64-битный процессор SPARC, UltraSPARC. Компания Fujitsu HAL Computer Systems выпускает рабочие станции на базе 64-битного процессора SPARC64 первого поколения, разработанного HAL. IBM выпускает микропроцессоры A10 и A30 – первые 64-битные процессоры PowerPC AS. IBM также выпускает 64-битную модернизацию системы AS/400, позволяющую конвертировать операционную систему, базу данных и приложения. 1996 Nintendo представляет игровую консоль Nintendo 64, построенную на базе недорогой версии MIPS R4000. HP выпускает первую реализацию 64-битной архитектуры PA RISC 2.0 – PA 8000. 1998 IBM выпускает линейку 64-битных процессоров PowerPC/POWER. 1999 Intel выпускает набор инструкций для архитектуры IA 64. AMD публично раскрывает набор 64-битных расширений для IA 32, известных как x86 64 (позже брендированных как AMD64). 2000 IBM выпускает свой первый 64-битный мейнфрейм z/Architecture, zSeries z900. z/Architecture – это 64-битная версия 32-битной архитектуры ESA/390, произошедшей от 32-битной архитектуры System/360. 2001 Intel выпускает линейку процессоров IA 64 после многократных задержек с выходом на рынок. Теперь известные как Itanium и ориентированные на высокопроизводительные серверы, продажи не оправдали ожиданий. 2003 AMD представляет линейки процессоров Opteron и Athlon 64, основанные на архитектуре AMD64 – первой 64-битной архитектуре процессоров на базе x86. Apple также выпускает 64-битный процессор "G5" PowerPC 970, произведенный IBM. Intel утверждает, что чипы Itanium останутся ее единственными 64-битными процессорами. 2004 Intel, реагируя на рыночный успех AMD, признает, что разрабатывает клон расширений AMD64 под названием IA 32e (позже переименованный в EM64T, а затем в Intel 64). Intel выпускает обновленные версии семейств процессоров Xeon и Pentium 4 с поддержкой нового 64-битного набора инструкций. VIA Technologies анонсирует 64-битный процессор Isaiah. 2006 Sony, IBM и Toshiba начинают производство 64-битного процессора Cell для использования в PlayStation 3, серверах, рабочих станциях и других устройствах. Intel выпускает Core 2 Duo как первый массовый процессор x86 64 для своих мобильных, настольных и рабочих станций. Предыдущие 64-битные расширения процессоров не были широко доступны на потребительском рынке (большинство 64-битных Pentium 4/D были OEM), 64-битные Pentium 4, Pentium D и Celeron не производились массово до конца 2006 года из-за проблем с низким выходом годных чипов (большинство пластин с хорошим выходом были предназначены для серверов и мейнфреймов, в то время как основная часть оставалась 130-нм 32-битной линией процессоров до 2006 года) и вскоре стали процессорами начального уровня после выхода Core 2. AMD выпускает свой первый 64-битный мобильный процессор, изготовленный по 90-нм технологии. 2011 ARM Holdings объявляет ARMv8 A – первую 64-битную версию семейства архитектур ARM. 30 октября 2012 года ARM Holdings анонсирует ядра Cortex A53 и Cortex A57 – первые ядра, основанные на 64-битной архитектуре. 2013 Apple анонсирует iPhone 5S с первым в мире 64-битным процессором в смартфоне, использующим систему на чипе A7 ARMv8 A, а также iPad Air и iPad Mini 2, которые являются первыми в мире 64-битными процессорами в планшете. 2014 Google анонсирует планшет Nexus 9 – первое Android-устройство, работающее на 64-битном чипе Tegra K1. 2015 Apple анонсирует iPod Touch (6-го поколения) – первый iPod Touch с 64-битным процессором A8 ARMv8 A на чипе, а также Apple TV (4-го поколения) – первый в мире 64-битный процессор в Apple TV. 2018 Apple анонсирует Apple Watch Series 4 – первые Apple Watch с 64-битным процессором S4 ARMv8 A на чипе. 2020 Synopsis объявляет ARCv3 ISA – первую 64-битную версию ARC ISA.

1991 MIPS Computer Systems produces the first 64 bit microprocessor, the R4000, which implements the MIPS III architecture, the third revision of its MIPS architecture. The CPU is used in SGI graphics workstations starting with the IRIS Crimson. Kendall Square Research deliver their first KSR1 supercomputer, based on a proprietary 64 bit RISC processor architecture running OSF/1. 1992 Digital Equipment Corporation (DEC) introduces the pure 64 bit Alpha architecture which was born from the PRISM project. 1994 Intel announces plans for the 64 bit IA 64 architecture (jointly developed with Hewlett Packard) as a successor to its 32 bit IA 32 processors. A 1998 to 1999 launch date was targeted. 1995 Sun launches a 64 bit SPARC processor, the UltraSPARC. Fujitsu owned HAL Computer Systems launches workstations based on a 64 bit CPU, HAL's independently designed first generation SPARC64. IBM releases the A10 and A30 microprocessors, the first 64 bit PowerPC AS processors. IBM also releases a 64 bit AS/400 system upgrade, which can convert the operating system, database and applications. 1996 Nintendo introduces the Nintendo 64 video game console, built around a low cost variant of the MIPS R4000. HP releases the first implementation of its 64 bit PA RISC 2.0 architecture, the PA 8000. 1998 IBM releases the POWER3 line of full 64 bit PowerPC/POWER processors. 1999 Intel releases the instruction set for the IA 64 architecture. AMD publicly discloses its set of 64 bit extensions to IA 32, called x86 64 (later branded AMD64). 2000 IBM ships its first 64 bit z/Architecture mainframe, the zSeries z900. z/Architecture is a 64 bit version of the 32 bit ESA/390 architecture, a descendant of the 32 bit System/360 architecture. 2001 Intel ships its IA 64 processor line, after repeated delays in getting to market. Now branded Itanium and targeting high end servers, sales fail to meet expectations. 2003 AMD introduces its Opteron and Athlon 64 processor lines, based on its AMD64 architecture which is the first x86 based 64 bit processor architecture. Apple also ships the 64 bit "G5" PowerPC 970 CPU produced by IBM. Intel maintains that its Itanium chips would remain its only 64 bit processors. 2004 Intel, reacting to the market success of AMD, admits it has been developing a clone of the AMD64 extensions named IA 32e (later renamed EM64T, then yet again renamed to Intel 64). Intel ships updated versions of its Xeon and Pentium 4 processor families supporting the new 64 bit instruction set. VIA Technologies announces the Isaiah 64 bit processor. 2006 Sony, IBM, and Toshiba begin manufacturing the 64 bit Cell processor for use in the PlayStation 3, servers, workstations, and other appliances. Intel released Core 2 Duo as the first mainstream x86 64 processor for its mobile, desktop, and workstation line. Prior 64 bit extension processor lines were not widely available in the consumer retail market (most of 64 bit Pentium 4/D were OEM), 64 bit Pentium 4, Pentium D, and Celeron were not into mass production until late 2006 due to poor yield issue (most of good yield wafers were targeted at server and mainframe while mainstream still remain 130 nm 32 bit processor line until 2006) and soon became low end after Core 2 debuted. AMD released their first 64 bit mobile processor and manufactured in 90 nm. 2011 ARM Holdings announces ARMv8 A, the first 64 bit version of the ARM architecture family. 2012 ARM Holdings announced their Cortex A53 and Cortex A57 cores, their first cores based on their 64 bit architecture, on 30 October 2012. 2013Apple announces the iPhone 5S, with the world's first 64 bit processor in a smartphone, which uses their A7 ARMv8 A based system on a chip alongside the iPad Air and iPad Mini 2 which are the world's first 64 bit processor in a tablet. 2014Google announces the Nexus 9 tablet, the first Android device to run on the 64 bit Tegra K1 chip. 2015Apple announces the iPod Touch (6th generation), the first iPod Touch to use the 64 bit processor A8 ARMv8 A based system on a chip alongside the Apple TV (4th generation) which is the world's first 64 bit processor in an Apple TV. 2018Apple announces the Apple Watch Series 4, the first Apple Watch to use the 64 bit processor S4 ARMv8 A based system on a chip. 2020Synopsis announce the ARCv3 ISA, the first 64 bit version of the ARC ISA.

Временная линия 64-битных операционных систем

1985 Cray выпускает UNICOS, первую 64-битную реализацию операционной системы Unix. 1993 DEC выпускает 64-битную операционную систему DEC OSF/1 AXP Unix (позже переименованную в Tru64 UNIX) для своих систем, основанных на архитектуре Alpha. 1994 Поддержка процессора R8000 добавлена компанией Silicon Graphics в операционную систему IRIX в версии 6.0. 1995 DEC выпускает OpenVMS 7.0, первую полную 64-битную версию OpenVMS для Alpha. Выпущен первый 64-битный дистрибутив Linux для архитектуры Alpha. 1996 Поддержка процессоров R4x00 в 64-битном режиме добавлена компанией Silicon Graphics в операционную систему IRIX в выпуске 6.2. 1998 Sun выпускает Solaris 7, с полной поддержкой 64-битного UltraSPARC. 2000 IBM выпускает z/OS, 64-битную операционную систему, произошедшую от MVS, для новых 64-битных мэйнфреймов zSeries; 64-битный Linux на z Systems следует за выпуском CPU почти сразу. 2001 Linux становится первым ядром ОС, полностью поддерживающим x86 64 (на симуляторе, поскольку еще не было выпущено процессоров x86 64). 2001 Microsoft выпускает Windows XP 64 Bit Edition для архитектуры Itanium IA 64; она может запускать 32-битные приложения через уровень исполнения. 2003 Apple выпускает операционную систему Mac OS X 10.3 "Panther", которая добавляет поддержку 64-битной целочисленной арифметики на процессорах PowerPC 970. Несколько дистрибутивов Linux выпускаются с поддержкой AMD64. Выпущены версии FreeBSD с поддержкой AMD64. 4 января 2005 года Microsoft прекращает выпуск Windows XP 64 Bit Edition, поскольку с сентября прошлого года не было доступно компьютеров с процессорами IA 64, и объявляет, что разрабатывает версии Windows x86 64, чтобы заменить ее. 31 января Sun выпускает Solaris 10 с поддержкой процессоров AMD64 и EM64T. 29 апреля Apple выпускает Mac OS X 10.4 "Tiger", который обеспечивает ограниченную поддержку 64-битных приложений командной строки на компьютерах с процессорами PowerPC 970; более поздние версии для компьютеров Mac на базе Intel поддерживают 64-битные приложения командной строки на компьютерах Mac с процессорами EM64T. 30 апреля Microsoft выпускает Windows XP Professional x64 Edition и Windows Server 2003 x64 Edition для процессоров AMD64 и EM64T. 2006 Microsoft выпускает Windows Vista, включая 64-битную версию для процессоров AMD64/EM64T, которая сохраняет 32-битную совместимость. В 64-битной версии все приложения и компоненты Windows 64-битные, хотя многие из них также имеют 32-битные версии для совместимости с плагинами. 2007 Apple выпускает Mac OS X 10.5 "Leopard", который полностью поддерживает 64-битные приложения на машинах с процессорами PowerPC 970 или EM64T. 2009 Microsoft выпускает Windows 7, которая, как и Windows Vista, включает в себя полную 64-битную версию для процессоров AMD64/Intel 64; большинство новых компьютеров загружаются по умолчанию с 64-битной версией. Microsoft также выпускает Windows Server 2008 R2, которая является первой 64-битной операционной системой для серверов. Apple выпускает Mac OS X 10.6, "Snow Leopard", который поставляется с 64-битным ядром для процессоров AMD64/Intel64, хотя только некоторые последние модели компьютеров Apple будут работать с 64-битным ядром по умолчанию. Большинство приложений, поставляемых в комплекте с Mac OS X 10.6, теперь также 64-битные. 2013 Apple выпускает iOS 7, которая на машинах с процессорами AArch64 имеет 64-битное ядро, поддерживающее 64-битные приложения. 2014 Google выпускает Android Lollipop, первую версию операционной системы Android с поддержкой 64-битных процессоров. 2017 Apple выпускает iOS 11, поддерживая только машины с процессорами AArch64. У нее 64-битное ядро, которое поддерживает только 64-битные приложения. 32-битные приложения больше не совместимы. 2018 Apple выпускает watchOS 5, первую версию watchOS, которая обеспечивает 64-битную поддержку. 2019 Apple выпускает macOS 10.15 "Catalina", отказываясь от поддержки 32-битных приложений Intel. 2021 Microsoft выпускает Windows 11 5 октября, которая поддерживает только 64-битные системы, отказываясь от поддержки 32-битных систем. 2022 Google выпускает Pixel 7, который отказывается от поддержки не 64-битных приложений. Apple выпускает watchOS 9, первую версию watchOS, которая работает исключительно на моделях Apple Watch с 64-битными процессорами (включая Apple Watch Series 4 или более поздние, Apple Watch SE (1-го поколения) или более поздние и недавно представленные Apple Watch Ultra), прекращая поддержку Apple Watch Series 3 как последней модели Apple Watch с 32-битным процессором.

1985 Cray releases UNICOS, the first 64 bit implementation of the Unix operating system. 1993 DEC releases the 64 bit DEC OSF/1 AXP Unix like operating system (later renamed Tru64 UNIX) for its systems based on the Alpha architecture. 1994 Support for the R8000 processor is added by Silicon Graphics to the IRIX operating system in release 6.0. 1995 DEC releases OpenVMS 7.0, the first full 64 bit version of OpenVMS for Alpha. First 64 bit Linux distribution for the Alpha architecture is released. 1996 Support for the R4x00 processors in 64 bit mode is added by Silicon Graphics to the IRIX operating system in release 6.2. 1998 Sun releases Solaris 7, with full 64 bit UltraSPARC support. 2000 IBM releases z/OS, a 64 bit operating system descended from MVS, for the new zSeries 64 bit mainframes; 64 bit Linux on z Systems follows the CPU release almost immediately. 2001 Linux becomes the first OS kernel to fully support x86 64 (on a simulator, as no x86 64 processors had been released yet). 2001 Microsoft releases Windows XP 64 Bit Edition for the Itanium's IA 64 architecture; it could run 32 bit applications through an execution layer. 2003 Apple releases its Mac OS X 10.3 "Panther" operating system which adds support for native 64 bit integer arithmetic on PowerPC 970 processors. Several Linux distributions release with support for AMD64. FreeBSD releases with support for AMD64. 2005 On January 4, Microsoft discontinues Windows XP 64 Bit Edition, as no PCs with IA 64 processors had been available since the previous September, and announces that it is developing x86 64 versions of Windows to replace it. On January 31, Sun releases Solaris 10 with support for AMD64 and EM64T processors. On April 29, Apple releases Mac OS X 10.4 "Tiger" which provides limited support for 64 bit command line applications on machines with PowerPC 970 processors; later versions for Intel based Macs supported 64 bit command line applications on Macs with EM64T processors. On April 30, Microsoft releases Windows XP Professional x64 Edition and Windows Server 2003 x64 Edition for AMD64 and EM64T processors. 2006 Microsoft releases Windows Vista, including a 64 bit version for AMD64/EM64T processors that retains 32 bit compatibility. In the 64 bit version, all Windows applications and components are 64 bit, although many also have their 32 bit versions included for compatibility with plug ins. 2007 Apple releases Mac OS X 10.5 "Leopard", which fully supports 64 bit applications on machines with PowerPC 970 or EM64T processors. 2009 Microsoft releases Windows 7, which, like Windows Vista, includes a full 64 bit version for AMD64/Intel 64 processors; most new computers are loaded by default with a 64 bit version. Microsoft also releases Windows Server 2008 R2, which is the first 64 bit only server operating system. Apple releases Mac OS X 10.6, "Snow Leopard", which ships with a 64 bit kernel for AMD64/Intel64 processors, although only certain recent models of Apple computers will run the 64 bit kernel by default. Most applications bundled with Mac OS X 10.6 are now also 64 bit. 2013 Apple releases iOS 7, which, on machines with AArch64 processors, has a 64 bit kernel that supports 64 bit applications. 2014 Google releases Android Lollipop, the first version of the Android operating system with support for 64 bit processors. 2017 Apple releases iOS 11, supporting only machines with AArch64 processors. It has a 64 bit kernel that only supports 64 bit applications. 32 bit applications are no longer compatible. 2018 Apple releases watchOS 5, the first watchOS version to bring the 64 bit support. 2019 Apple releases macOS 10.15 "Catalina", dropping support for 32 bit Intel applications. 2021 Microsoft releases Windows 11 on October 5, which only supports 64 bit systems, dropping support for IA 32 systems. 2022 Google releases the Pixel 7, which drops support for non 64 bit applications. Apple releases watchOS 9, the first watchOS version to run exclusively on the Apple Watch models with 64 bit processors (including Apple Watch Series 4 or newer, Apple Watch SE (1st generation) or newer and the newly introduced Apple Watch Ultra), dropping support for Apple Watch Series 3 as the final Apple Watch model with 32 bit processor.

Ограничения переработчиков

В принципе, 64-битный микропроцессор может адресовать 16 EiB (16 × 10246 = 264 = 18 446 744 073 709 551 616 байт, или около 18,4 эксабайт) памяти. Однако не все наборы инструкций и не все процессоры, реализующие эти наборы инструкций, поддерживают полное 64-битное виртуальное или физическое адресное пространство. Архитектура x86 64 (по состоянию на 2016 год) позволяет использовать 48 бит для виртуальной памяти и, для любого процессора, до 52 бит для физической памяти. Эти ограничения допускают размеры памяти 256 TiB (256 × 10244 байт) и 4 PiB (4 × 10245 байт) соответственно. В настоящее время ПК не может содержать 4 пебибайта памяти (из-за физического размера чипов памяти), но AMD предполагала создание больших серверов, кластеров с общей памятью и других применений физического адресного пространства, которые могут приблизиться к этому в обозримом будущем. Таким образом, 52-битный физический адрес предоставляет достаточно места для расширения, не требуя затрат на реализацию полных 64-битных физических адресов. Аналогично, 48-битное виртуальное адресное пространство было разработано для обеспечения 65 536 (216) раз превышающего 32-битное ограничение в 4 GiB (4 × 10243 байт), предоставляя пространство для последующего расширения и не внося накладных расходов на преобразование полных 64-битных адресов. Power ISA v3.0 позволяет использовать 64 бита для эффективного адреса, отображаемого в сегментированный адрес с разрешением от 65 до 78 бит для виртуальной памяти и, для любого данного процессора, до 60 бит для физической памяти. Архитектура Oracle SPARC 2015 позволяет использовать 64 бита для виртуальной памяти и, для любого процессора, от 40 до 56 бит для физической памяти. Архитектура системы виртуальной памяти ARM AArch64 позволяет использовать 48 бит для виртуальной памяти и, для любого процессора, от 32 до 48 бит для физической памяти. Спецификация DEC Alpha требует поддержки как минимум 43 битов адресного пространства виртуальной памяти (8 TiB), а аппаратное обеспечение должно проверять и генерировать исключение, если оставшиеся неподдерживаемые биты равны нулю (для обеспечения совместимости на будущих процессорах). Alpha 21064 поддерживала 43 бита виртуального адресного пространства памяти (8 TiB) и 34 бита физического адресного пространства памяти (16 GiB). Alpha 21164 поддерживала 43 бита виртуального адресного пространства памяти (8 TiB) и 40 бит физического адресного пространства памяти (1 TiB). Alpha 21264 поддерживает пользовательскую настройку 43 или 48 бит виртуального адресного пространства памяти (8 TiB или 256 TiB) и 44 бита физического адресного пространства памяти (16 TiB).

In principle, a 64 bit microprocessor can address 16 EiB (16 × 10246 = 264 = 18,446,744,073,709,551,616 bytes, or about 18.4 exabytes) of memory. However, not all instruction sets, and not all processors implementing those instruction sets, support a full 64 bit virtual or physical address space. The x86 64 architecture (as of 2016) allows 48 bits for virtual memory and, for any given processor, up to 52 bits for physical memory. These limits allow memory sizes of 256 TiB (256 × 10244 bytes) and 4 PiB (4 × 10245 bytes), respectively. A PC cannot currently contain 4 pebibytes of memory (due to the physical size of the memory chips), but AMD envisioned large servers, shared memory clusters, and other uses of physical address space that might approach this in the foreseeable future. Thus the 52 bit physical address provides ample room for expansion while not incurring the cost of implementing full 64 bit physical addresses. Similarly, the 48 bit virtual address space was designed to provide 65,536 (216) times the 32 bit limit of 4 GiB (4 × 10243 bytes), allowing room for later expansion and incurring no overhead of translating full 64 bit addresses. The Power ISA v3.0 allows 64 bits for an effective address, mapped to a segmented address with between 65 and 78 bits allowed, for virtual memory, and, for any given processor, up to 60 bits for physical memory. The Oracle SPARC Architecture 2015 allows 64 bits for virtual memory and, for any given processor, between 40 and 56 bits for physical memory. The ARM AArch64 Virtual Memory System Architecture allows 48 bits for virtual memory and, for any given processor, from 32 to 48 bits for physical memory. The DEC Alpha specification requires minimum of 43 bits of virtual memory address space (8 TiB) to be supported, and hardware need to check and trap if the remaining unsupported bits are zero (to support compatibility on future processors). Alpha 21064 supported 43 bits of virtual memory address space (8 TiB) and 34 bits of physical memory address space (16 GiB). Alpha 21164 supported 43 bits of virtual memory address space (8 TiB) and 40 bits of physical memory address space (1 TiB). Alpha 21264 supported user configurable 43 or 48 bits of virtual memory address space (8 TiB or 256 TiB) and 44 bits of physical memory address space (16 TiB).

Доступность программного обеспечения

В 64-битных системах на основе x86 иногда отсутствуют эквиваленты программного обеспечения, написанного для 32-битных архитектур. Наиболее серьезная проблема в Microsoft Windows — несовместимые драйверы устройств для устаревшего оборудования. Большинство 32-битных программных приложений могут работать на 64-битных операционных системах в режиме совместимости, также называемом режимом эмуляции, например, технология Microsoft WoW64 для IA 64 и AMD64. 64-битная среда драйверов Windows Native Mode работает поверх 64-битной системы и не может вызывать 32-битный код подсистемы Win32 (часто для устройств, чья фактическая аппаратная функция эмулируется в программном обеспечении пользовательского режима, например, Winprinters). Поскольку 64-битные драйверы для большинства устройств были недоступны до начала 2007 года (Vista x64), использование 64-битной версии Windows считалось сложной задачей. Однако тенденция с тех пор сместилась в сторону 64-битных вычислений, особенно по мере снижения цен на память и увеличения использования более 4 ГБ оперативной памяти. Большинство производителей начали предоставлять как 32-битные, так и 64-битные драйверы для новых устройств, поэтому проблема недоступности 64-битных драйверов отпала. 64-битные драйверы не были предоставлены для многих старых устройств, которые, следовательно, не могли использоваться в 64-битных системах. Совместимость драйверов была менее проблематичной с драйверами с открытым исходным кодом, поскольку 32-битные драйверы можно было модифицировать для 64-битного использования. Поддержка оборудования, выпущенного до начала 2007 года, была проблематичной для платформ с открытым исходным кодом из-за относительно небольшого числа пользователей. 64-битные версии Windows не могут запускать 16-битное программное обеспечение. Однако большинство 32-битных приложений будут работать нормально. 64-битным пользователям приходится устанавливать виртуальную машину с 16- или 32-битной операционной системой для запуска 16-битных приложений или использовать одну из альтернатив NTVDM. Mac OS X 10.4 "Tiger" и Mac OS X 10.5 "Leopard" имели только 32-битное ядро, но могли запускать 64-битный код пользовательского режима на 64-битных процессорах. Mac OS X 10.6 "Snow Leopard" имел как 32-битное, так и 64-битное ядра, и на большинстве компьютеров Mac использовалось 32-битное ядро даже на 64-битных процессорах. Это позволило этим компьютерам поддерживать 64-битные процессы, сохраняя при этом поддержку 32-битных драйверов устройств, хотя и не 64-битных драйверов и преимуществ производительности, которые они могут обеспечить. Mac OS X 10.7 "Lion" работал с 64-битным ядром на большем количестве компьютеров Mac, а OS X 10.8 "Mountain Lion" и более поздние версии macOS имеют только 64-битное ядро. На системах с 64-битными процессорами как 32-битное, так и 64-битное ядра macOS могут запускать 32-битный код пользовательского режима, и все версии macOS до macOS Mojave (10.14) включают 32-битные версии библиотек, которые используются 32-битными приложениями, поэтому 32-битное программное обеспечение пользовательского режима для macOS будет работать на этих системах. 32-битные версии библиотек были удалены Apple в macOS Catalina (10.15). Linux и большинство других Unix-подобных операционных систем, а также инструментальные цепочки C и C++ для них, поддерживают 64-битные процессоры уже много лет. Многие приложения и библиотеки для этих платформ являются программным обеспечением с открытым исходным кодом, написанным на C и C++, поэтому, если они безопасны для 64-битной среды, их можно скомпилировать в 64-битные версии. Эта модель распространения, основанная на исходном коде, с акцентом на частые выпуски, делает доступность прикладного программного обеспечения для этих операционных систем менее острой проблемой.

x86 based 64 bit systems sometimes lack equivalents of software that is written for 32 bit architectures. The most severe problem in Microsoft Windows is incompatible device drivers for obsolete hardware. Most 32 bit application software can run on a 64 bit operating system in a compatibility mode, also termed an emulation mode, e. g., Microsoft WoW64 Technology for IA 64 and AMD64. The 64 bit Windows Native Mode driver environment runs atop 64 bit , which cannot call 32 bit Win32 subsystem code (often devices whose actual hardware function is emulated in user mode software, like Winprinters). Because 64 bit drivers for most devices were unavailable until early 2007 (Vista x64), using a 64 bit version of Windows was considered a challenge. However, the trend has since moved toward 64 bit computing, more so as memory prices dropped and the use of more than 4 GiB of RAM increased. Most manufacturers started to provide both 32 bit and 64 bit drivers for new devices, so unavailability of 64 bit drivers ceased to be a problem. 64 bit drivers were not provided for many older devices, which could consequently not be used in 64 bit systems. Driver compatibility was less of a problem with open source drivers, as 32 bit ones could be modified for 64 bit use. Support for hardware made before early 2007, was problematic for open source platforms, due to the relatively small number of users. 64 bit versions of Windows cannot run 16 bit software. However, most 32 bit applications will work well. 64 bit users are forced to install a virtual machine of a 16 or 32 bit operating system to run 16 bit applications or use one of the alternatives for NTVDM. Mac OS X 10.4 "Tiger" and Mac OS X 10.5 "Leopard" had only a 32 bit kernel, but they can run 64 bit user mode code on 64 bit processors. Mac OS X 10.6 "Snow Leopard" had both 32 and 64 bit kernels, and, on most Macs, used the 32 bit kernel even on 64 bit processors. This allowed those Macs to support 64 bit processes while still supporting 32 bit device drivers; although not 64 bit drivers and performance advantages that can come with them. Mac OS X 10.7 "Lion" ran with a 64 bit kernel on more Macs, and OS X 10.8 "Mountain Lion" and later macOS releases only have a 64 bit kernel. On systems with 64 bit processors, both the 32 and 64 bit macOS kernels can run 32 bit user mode code, and all versions of macOS up to macOS Mojave (10.14) include 32 bit versions of libraries that 32 bit applications would use, so 32 bit user mode software for macOS will run on those systems. The 32 bit versions of libraries have been removed by Apple in macOS Catalina (10.15). Linux and most other Unix like operating systems, and the C and C++ toolchains for them, have supported 64 bit processors for many years. Many applications and libraries for those platforms are open source software, written in C and C++, so that if they are 64 bit safe, they can be compiled into 64 bit versions. This source based distribution model, with an emphasis on frequent releases, makes availability of application software for those operating systems less of an issue.

64-битные модели данных

В 32-битных программах указатели и типы данных, такие как целые числа, обычно имеют одинаковую длину. Это не обязательно верно для 64-битных машин. Смешивание типов данных в языках программирования, таких как C и его потомков, таких как C++ и Objective C, может работать на 32-битных реализациях, но не на 64-битных реализациях. Во многих средах программирования для C и C-производных языков на 64-битовых машинах переменные `int` по-прежнему имеют ширину 32 бита, но длинные целые числа и указатели имеют ширину 64 бита. Они описываются как имеющие модель данных LP64, которая является аббревиатурой "Long, Pointer, 64". Другие модели – это модель данных ILP64, в которой все три типа данных имеют ширину 64 бита.

In 32 bit programs, pointers and data types such as integers generally have the same length. This is not necessarily true on 64 bit machines. Mixing data types in programming languages such as C and its descendants such as C++ and Objective C may thus work on 32 bit implementations but not on 64 bit implementations. In many programming environments for C and C derived languages on 64 bit machines, int variables are still 32 bits wide, but long integers and pointers are 64 bits wide. These are described as having an LP64 data model, which is an abbreviation of "Long, Pointer, 64". Other models are the ILP64 data model in which all three data types are 64 bits wide,

+ 64 bit data models Datamodel Pointer, Sample operating systems ILP32 16 32 32 64 32 x32 and ABIs on Linux systems; MIPS N32 ABI. LLP64 16 32 32 64 64 Microsoft Windows (x86 64, IA 64, and ARM64) using Visual C++; and MinGW LP64 16 32 64 64 64 Most Unix and Unix like systems, e. g., Solaris, Linux, BSD, macOS. Windows when using Cygwin; z/OS ILP64 16 64 64 64 64 HAL Computer Systems port of Solaris to the SPARC64 SILP64 64 64 64 64 64 Classic UNICOS (versus UNICOS/mp, etc.) Many 64 bit platforms today use an LP64 model (including Solaris, AIX, HP UX, Linux, macOS, BSD, and IBM z/OS). Microsoft Windows uses an LLP64 model. The disadvantage of the LP64 model is that storing a long into an int truncates. On the other hand, converting a pointer to a long will "work" in LP64. In the LLP64 model, the reverse is true. These are not problems which affect fully standard compliant code, but code is often written with implicit assumptions about the widths of data types. C code should prefer (u)intptr t instead of long when casting pointers into integer objects. A programming model is a choice made to suit a given compiler, and several can coexist on the same OS. However, the programming model chosen as the primary model for the OS application programming interface (API) typically dominates. Another consideration is the data model used for device drivers. Drivers make up the majority of the operating system code in most modern operating systems (although many may not be loaded when the operating system is running). Many drivers use pointers heavily to manipulate data, and in some cases have to load pointers of a certain size into the hardware they support for direct memory access (DMA). As an example, a driver for a 32 bit PCI device asking the device to DMA data into upper areas of a 64 bit machine's memory could not satisfy requests from the operating system to load data from the device to memory above the 4 gibibyte barrier, because the pointers for those addresses would not fit into the DMA registers of the device. This problem is solved by having the OS take the memory restrictions of the device into account when generating requests to drivers for DMA, or by using an input–output memory management unit (IOMMU).

+ 64-битная модель данных
Datamodel | Pointer | Sample operating systems
------- | -------- | --------
ILP32 | 16 | 32 | 32 | 64 | 32 x32 и ABI на системах Linux; MIPS N32 ABI.
LLP64 | 16 | 32 | 32 | 64 | 64 Microsoft Windows (x86 64, IA 64 и ARM64) с использованием Visual C++; и MinGW
LP64 | 16 | 32 | 64 | 64 | 64 Большинство Unix и Unix-подобных систем, например, Solaris, Linux, BSD, macOS. Windows при использовании Cygwin; z/OS
ILP64 | 16 | 64 | 64 | 64 | 64 HAL Computer Systems порт Solaris на SPARC64
SILP64 | 64 | 64 | 64 | 64 | 64 Classic UNICOS (против UNICOS/mp и т. д.)

Многие 64-битные платформы сегодня используют модель LP64 (включая Solaris, AIX, HP UX, Linux, macOS, BSD и IBM z/OS). Microsoft Windows использует модель LLP64. Недостатком модели LP64 является то, что хранение длинного целого числа в `int` приводит к усечению. С другой стороны, преобразование указателя в длинное целое число будет "работать" в LP64. В модели LLP64 происходит обратное. Это не проблемы, которые влияют на полностью стандартный код, но код часто пишется с неявными предположениями о ширине типов данных. В коде на C следует предпочитать `(u)intptr_t` вместо `long` при приведении указателей к целочисленным типам. Модель программирования – это выбор, сделанный для конкретного компилятора, и несколько моделей могут сосуществовать в одной ОС. Однако модель программирования, выбранная в качестве основной для интерфейса прикладного программирования ОС (API), обычно доминирует.

Еще одним фактором является модель данных, используемая для драйверов устройств. Драйверы составляют большую часть кода операционной системы в большинстве современных операционных систем (хотя многие из них могут не загружаться при запуске операционной системы). Многие драйверы активно используют указатели для манипулирования данными, и в некоторых случаях им приходится загружать указатели определенного размера в аппаратное обеспечение, которое они поддерживают, для прямого доступа к памяти (DMA). Например, драйвер для 32-битного PCI-устройства, запрашивающий устройство для передачи данных DMA в верхние области памяти 64-битной машины, не сможет удовлетворить запросы операционной системы на загрузку данных из устройства в память выше 4-гибибайтного барьера, поскольку указатели на эти адреса не поместятся в регистры DMA устройства. Эта проблема решается путем учета ОС ограничений памяти устройства при генерации запросов драйверам для DMA или использованием блока управления памятью ввода-вывода (IOMMU).