Betriebssysteme I WS 2017/18. Prof. Dr. Dirk Müller. 05a 64-/32-Bit-Architekturen

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1 Betriebssysteme I 05a 64-/32-Bit-Architekturen Prof. Dr. Dirk Müller

2 Begriff Eine n-bit-architektur ist eine Prozessorarchitektur mit einer Wortbreite von n Bit. meist Zweierpotenzen: 8-, 16-, 32-, 64-Bit-Architekturen 2001 Intel IA-64 (Itanium) 2003 AMD Intel 64 (bes. x86_64) Betriebssysteme und Software, die auf eine solche Wortbreite ausgelegt sind, erhalten häufig das Attribut 64-Bit im Namen. 64-Bit-Linux (seit Kernel 2.4, 2001) 64-Bit-Windows (seit Windows XP, 2001 bzw. 2005) 64-Bit-Android (seit Android 5.0 Lollipop, 2014) Wortbreite, aka Wortlänge oder Busbreite: Größe des Datenworts, der kleinsten adressierbaren Einheit, in Bit relevant für Adressierung und Verwaltung von Daten im Hauptspeicher (RAM) und auf Festplatten/SSDs relevant für Verarbeitungsgeschwindigkeit insbesondere von Multimedia-Anwendungen und bei Kryptographie 2/7

3 Motivation Hauptspeicher und Festplatten immer größer RAM: 1 GB war 2005 Standard, heute 8 GB oder sogar 16 GB normal Festplatte: 100 GB war 2005 Standard, heute 1 TB bis 4 TB normal schnellere Verarbeitung großer Ganzzahlen für Kryptographie und für Multimedia-Anwendungen und Computerspiele gewünscht Sex-Appeal ( Größer ist besser. ) Das gilt nicht generell. Well, it depends. 3/7

4 Vorteile einfachere und schnellere Berechnung größerer Integer- Werte mittels breiterer ALU (arithmetic-logical unit) => Datenbanken, Multimedia, Spiele, Kryptographie 4-GB-Grenze echt überwunden 32 Bit: 2 32 B = 4 GB als maximal adressierbare Größe sowohl des logischen als auch des physischen Adressraums 64 Bit: 2 64 B = 16 EB maximal adressierbar aktuell nur 2 48 B = 256 TB genutzt maximaler Adressraum per Prozess stark vergrößert 32 Bit: max. 2 GB unter Windows, max. 3 GB unter Linux 64-Bit-Dateisysteme mit höherer max. Laufwerksgröße, max. Dateianzahl und max. Dateigröße voll unterstützt Beispiele: XFS, BTRFS für Linux Jahr-2038-Problem behoben Unix-Zeit startet am , zählt Sekunden in signed int 2 31 s 68,1 a; also Probleme ab /7

5 Nachteile, Risiken und Probleme 16-Bit-Software nicht mehr nativ nutzbar aber: in virtuellen Maschinen möglich 64-Bit-Kernel-Treiber auf 64-Bit-Betriebssystemen nötig Mischung zwischen 32-Bit- und 64-Bit-Software wie bei Anwendungsprogrammen mittels WOW64 nicht möglich Software benötigt mehr Speicher im RAM, im Cache und auf der Festplatte; ca. 25% bis 30% größer Gefahr der Verlangsamung bei der Ausführung: Speicher, Cache oder Festplatte als Flaschenhals bes. bei kleineren Programmen z. T. durch höhere Registeranzahl und IP-relative Adressierung ausgeglichen oder abgemildert Seitentabelle würde bei 4-KB-Seiten 2 52 Einträge haben Bei 8 B pro Eintrag erhielte man eine 30 PB große Tabelle. Auswege: mehrstufige Seitentabelle, invertierte Seitentabelle Die 64-Bit-Eigenschaft muss auf Hardware-, Betriebssystem- und Anwendungs-Ebene konsistent umgesetzt sein, um die volle Leistung entfalten zu können. 5/7

6 Ausblick: Betriebssysteme mit großem Adressraum 32 Bit: nicht genug, dass jeder Mensch auf der Erde sein eigenes Byte bekommen könnte (vgl. IPv4 auch mit 32 Bit) 64 Bit: jetzt mehr als 2 GB (!) für jeden Dateisysteme überflüssig Alle Dateien können ständig im virtuellen Speicher gehalten werden, Platz für > 1 Mrd. Filme (jeder auf 4 GB komprimiert). persistente Objektspeicherung Objekte im Adressraum gehalten, bis alle Referenzen auf sie entfernt sind, dann automatisches Löschen 64 Bit: Objekterzeugung mit 100 MB/s über 5000 Jahre möglich persistent: auch nach Ausschalten und Neustart verfügbar aber: persistenter Speicher als (neuer) limitierender Faktor mehrere Prozesse im selben Adressraum möglich Quelle: [Tan2009] 6/7

7 Zusammenfassung ab 2000: Erkenntnis, dass Datenbank-, Multimedia- und Kryptographie-Anwendungen perspektivisch nicht mehr gut mit 32 Bit Wortbreite auskommen werden Speicherverwaltung im RAM und auf Festplatten Verarbeitungsgeschwindigkeit 2001 erster Versuch einer radikalen Umstellung auf Itanium ohne Abwärtskompatibilität durch Intel scheitert 2003 Konkurrent AMD mit AMD64 erfolgreich 2005 Intel nach langem Zögern zum Nachziehen gezwungen: Intel 64 (besonders x86_64) abwärtskompatibel zu 32-Bit wichtige Hauptspeicher-, Dateisystems- und Datumsgrenzen überwunden, aber 25% größere Software bei Prozessoren und BS voll umgesetzt, aber immer noch einige 32-Bit-Anwendungen (bes. unter Windows) voller Nutzen erst bei konsistenter Umsetzung 7/7