linux内核学习之三：linux中的"32位"与"64位"

在通用PC领域，不论是windows还是linux界，我们都会经常听到"32位"与"64位"的说法，类似的还有"x86"与"x86_64"，"i386"与"amd64"，这两组概念之间有着怎样的联系和区别呢？
实际上这两组概念涉及了三个层次：硬件，系统和软件。

1 硬件

早期的intel处理器，如i386,486,586,奔腾系列的CPU架构，都是32位的(32位的寄存器，32位的虚拟地址空间)，统称为x86架构。随着技术的发展，32位CPU已经无法满足需求，intel与AMD采用不同的方法开发64位架构的CPU，intel使用与x86完全不同的IA64架构，由于与原来的X86完全不兼容，因此在PC领域没有得到应用，只在服务器领域有一些使用。而AMD开发的架构称为amd64(将寄存器扩充为64位，支持64位虚拟地址)，能够完全兼容x86指令集，不用任何修改就能运行老的操作系统和应用软件，在PC界得到广泛的应用，现在市场上几乎所有的PC用途的CPU都是支持amd64指令集的了。当然intel也很快开发出支持该指令集的CPU，不过intel将其称为x64架构，而不是用amd64这个名字。而在linux中则称为x86_64，即x86架构的64位扩展。有关x86_64的详细描述可翻阅《深入理解计算机系统》一书。

在linux中查看CPU是否64位的方法：如果/proc/cpuinfo内的flags字段中含有"lm"，则表示使用的是64位CPU(运行“grep 'lm' /proc/cpuinfo”命令，输出不为空）。

2 系统

系统同样可分为32位与64位。在x86_64架构的CPU出现之前，PC的操作系统都是用32位，例如windows 2000，xp，当时的unix，linux等。在x86_64架构出现后，系统也就有了两个版本:32位和64位，两者的主要区别在于与硬件体系结构相关的操作中。由于x86_64架构完全兼容x86架构，因此，32位的系统完全可以在x86_64位上运行，只不过它只使用了x86部分，没有完全发挥硬件的功能而已。而64位系统专门针对64位的扩展功能而开发的，就是为了最大限度地发挥硬件的能力，它无法在x86架构的cpu上运行。另外，不论是windows还是linux，驱动程序都需要加载到内核空间中，因此它的类型(32位或64位）需要跟系统完全相同。系统与CPU的关系如下图所示：

查看linux系统是32位还是64位的方法：执行shell命令“arch”，显示为x86_64表示当前系统为64位，显示为i386,i486等表示系统是32位的。

3 软件

在系统上运行的应用软件同样有32位和64位之分，老的应用软件运行在32位CPU及32位系统中，属于32位软件。出现了64位系统之后，也出现了专门运行在64位系统，能够最大限度使用64位系统的扩展功能的原生64位程序。对于C程序来说，64位程序相比32位程序最大的区别就是int，long以及指针数据类型的长度都是64位的，可以使用64位的虚拟地址空间。实际远不止这些，编绎器在将64位C程序翻译成汇编语言或者机器语言时，会尽量使用64位处理器的寄存器，尽量避免访问内存，例如把函数的参数，及局部变量优先放在寄存器，而不是在用户栈中。另外在64位系统中，为了兼容数量众多的老的应用程序，系统都会增加一个虚拟层，用来翻译x86指令，这样32位程序也可以在64位系统中运行(windows和linux都支持)。同样在64位系统中，使用64位编绎器一般也可以选择编译成32位程序(gcc使用-m32编译成32位可执行文件)。另外在PC上，软件能否运行，只需看系统是否支持即可，可以不用理会CPU的架构。软件与系统的关系如下图所示：

linux中查看可执行文件是32位还是64位的方法：执行shell命令“file /usr/bin/xxx", 如果是32位程序，显示为"ELF 32-bit ..."；如果是64位，则显示为："ELF 64-bit..."。

4 linux发行版与内核

在linux发行版中，一般会针对不同的架构发布不同的安装光盘，以debian为例，可用于PC的就有i386和amd64这两个版本。根据上面的描述，这两个版本的系统都可以安装在使用64位的CPU的机器上，而使用32位CPU的机器上则只能安装i386版本的系统。在debian amd64光盘中带的内核及软件包全都是64位版本的，而debian i386光盘中则有32位和64位的内核，以及32位的软件，可能是考虑到有些用户想用64位内核来运行32位程序吧。

内核源代码是没有32位，64位之分的，在编译内核时可以用ARCH参数手工指定编译成哪一个架构。例如："make ARCH=i386 menuconfig"，"make ARCH=i386"用于配置，编译32位内核；而"make ARCH=x86_64 menuconfig"，"make ARCH=x86_64"则用于配置，编译64位内核。但是，在debian amd64光盘安装的系统里编译的32位内核是无法引导的，因为系统安装的所有软件包都是原生64位程序，无法在32位内核上运行，典型的错误是提示引导时找不到能运行的init程序；而使用debian i386光盘安装的系统中编译的64位内核却可以使用，只是需要在配置内核时加上IA32 Emulation支持(menuconfig的："Executable file formats/Emulations"-->"IA32 Emulation")。

基于这样的原因，我原来用搭建的debian amd64光盘安装的系统(http://www.cnblogs.com/xiongyuanxiong/p/3523306.html)，现在也改成用debian i386光盘来安装了，这样就能同时编译新的32位和64位官方内核进行对比测试。