Windows Vista im Blick: Teil 3 – 32-bit- und 64-bit-Version von Windows

Die Markteinführung von Windows Vista, dem neuesten Betriebssystem von Microsoft, ist eine Gelegenheit für Ingenieure und Wissenschaftler, sich neue Technologien und Funktionen zur Lösung technischer Probleme zunutze zu machen. Im Gegensatz zu den vorherigen Versionen von Windows gibt es das neue Windows-Betriebssystem in zwei gängigen Versionen. Zum einen gibt es Windows Vista für 32-bit-Prozessoren und zum anderen die Windows Vista x64 Edition für 64-bit-Prozessoren. Ganz gleich, ob das Ziel darin besteht, ein System auf Windows Vista zu portieren oder eine neue Entwicklung auf dem Betriebssystem zu beginnen, entscheidend ist, die passende Version für den jeweiligen Bedarf zu wählen.

Worin besteht der Unterschied zwischen 64- und 32-bit-Prozessoren?

Im Folgenden soll erläutert werden, warum ein 64-bit-Betriebssystem den nächsten logischen Schritt in der PC-Entwicklung darstellt. Häufig reicht die maximale Größe des physikalischen Speichers eines Computers nicht für die Anzahl aller laufenden Programme aus. Dies ist besonders dann der Fall, wenn mehrere Prozesse oder Anwendungen gleichzeitig ausgeführt werden. Die Lösung dafür besteht darin, dass Programme einen Teil ihrer Daten auf der Festplatte speichern und ihn dann je nach Bedarf immer wieder in den physikalischen Speicher kopieren und aus ihm laden.

Diese Lösung wird häufig als „virtueller Speicher“ bezeichnet, in dem der Computer große Mengen zusammenhängenden physikalischen Speicher simuliert. Eine Seitentabelle sorgt dafür, dass Segmente des virtuellen Speichers nach Bedarf in den physikalischen Speicher verschoben werden. Übersteigt die Speichermenge, die von allen laufenden Prozessen benötigt wird, den verfügbaren physikalischen Speicher (RAM), speichert die Seitentabelle Prozesse mit geringerer Priorität auf der Festplatte in die Auslagerungsdatei (Page File), welche deutlich langsamer ist als der RAM. Wenn der Anwender diese Prozesse benötigt, bildet die Seitentabelle sie im physikalischen Speicher neu ab, wo der Anwender mit hohen Geschwindigkeiten auf sie zugreifen kann (siehe Abbildung 1). Die Gesamtzahl der im virtuellen Speicher enthaltenen Adressen – die gesamte Menge an Daten, die der Computer in seinem Arbeitsbereich für Anwendungen aufbewahren kann – wird von der Größe der Register auf dem Prozessor des Rechners bestimmt.

 

Abb. 1: Die Seitentabelle verschiebt Segmente des virtuellen Speichers nach Bedarf in den physikalischen Speicher, um mehr Speicherplatz für laufende Prozesse zur Verfügung zu stellen.

Bis vor kurzem nutzten alle Anwender-PCs 32-bit-Prozessoren. Die Bit-Größe eines Prozessors bezieht sich auf die Größe des Adressbereichs, die er zuordnen kann. Ein 32-bit-Prozessor kann auf 2^32 Bytes bzw. 4 GB Speicher referenzieren. Diese 32-bit-Prozessoren waren zu der Zeit Standard, als man annahm, 4 GB seien mehr als genug Speicherplatz für Softwareanwendungen auf Windows. Wenn ein Prozess, wie beispielsweise das Ausführen eines Programms, auf einem x86-Windows-Rechner mit einem 32-bit-Prozessor erstellt wird, weist das Betriebssystem seine 4 GB virtuellen Speicher zu, ohne den eigentlichen physikalischen Speicher eines Systems zu berücksichtigen. Die Hälfte dieses allokierten Speichers steht dem Anwender zur Verfügung, die andere Hälfte ist Kernel-Prozessen, wie z. B. Treibern, vorbehalten.In modernen Rechensystemen wird diese 4-GB-Höchstgrenze durch speicherintensive Anwendungen und mehrere parallel arbeitende Prozesse im Speicher immer öfter erreicht.

2003 brachte AMD mit dem Athlon 64 den ersten 64-bit-Prozessor für Anwender auf den Markt, der sich im großen Umfang durchsetzen konnte, und prägte AMD64 als Name für den neuen Befehlssatz. Bei Microsoft heißt dieser Befehlssatz x64, angelehnt an die weit verbreitete Bezeichnung x86 für die Befehle, die auf 32-bit-Prozessoren ausgeführt werden. Gemäß der von Microsoft bevorzugten Namenskonventionen bezeichnet die Windows Vista x64 Edition in diesem Artikel die 64-bit-Version von Windows Vista.

Prozessoren, die größere Adressbereiche ansprechen können, bieten die Möglichkeit, mehr physikalischen Speicher als früher zu nutzen, wodurch der Mehraufwand beim Hin- und Herschieben von Prozessen in den physikalischen Speicher potenziell verringert werden kann. Die 64-bit-Prozessoren sind theoretisch in der Lage, auf 2^64 Speicherorte (bzw. 16 Exabytes) zu verweisen, was die Anzahl an Speicherorten, die von 32-bit-Prozessoren angesprochen werden kann, um über vier Milliarden Mal erhöht. Allerdings haben alle 64-bit-Versionen des Microsoft-Betriebssystems derzeit eine 16-Terabyte-Grenze beim Adressbereich und erlauben nicht mehr als 128 GB physikalischen Speicher, da ein 16-Terabyte-Arbeitsspeicher derzeit nicht möglich ist. Prozesse, die auf der Windows Vista x64 Edition erstellt wurden, bekommen acht Terabyte virtuellen Speicher für Anwenderprozesse und acht Terabyte für Kernel-Prozesse zugewiesen, womit ein virtueller Speicher mit einer Größe von 16 Terabyte gebildet wird.

Die Fähigkeit der Windows Vista x64 Edition, mehr Speicherplatz anzusprechen als frühere Versionen von Windows, trägt also dazu bei, die Zeit für das Ein- und Auslagern von Prozessen in bzw. aus dem Speicher dadurch zu verkürzen, indem mehr von diesen Prozessen im RAM abgelegt werden.

Falsche Annahmen zur Windows Vista x64 Edition

Betriebssysteme wie die Windows Vista x64 Edition sind nicht automatisch schneller als die 32-bit-Versionen. Insgesamt hängt die Leistung einer Anwendung davon ab, wofür sie eingesetzt und wie sie implementiert wird. Emulierte Anwendungen, die innerhalb der Windows-on-Windows-64-Schicht laufen (mehr dazu später), können nicht mehr Speicher ansprechen als auf einem 32-bit-System.

Treiber, die von der Windows Vista x64 Edition unterstützt werden, werden nicht unbedingt auch von der 64-bit-Version von Windows XP unterstützt. National Instruments unterstützt die Windows Vista x64 Edition mit Treiberversionen und Softwareupdates. Allerdings ist keine Unterstützung der Windows XP x64 Edition geplant.

Hardwareanforderungen für die unterschiedlichen Versionen von Windows Vista

Windows Vista erfordert erheblich mehr Rechenleistung als die bisherigen Versionen von Windows. Die verbesserte Benutzeroberfläche wird bei Verbrauchern wohl eine der größten Attraktionen des neuen Betriebssystems werden. Sie stellt jedoch viel höhere Anforderungen an Prozessor, Grafikkarte und Speicher eines Systems. Beide Versionen von Windows Vista stellen diese Leistungsanforderungen und bieten kompatible Modi für den Einsatz auf langsameren Systemen. Um die Windows Vista x64 Edition installieren zu können, muss allerdings ein 64-bit-Prozessor vorhanden sein. Die x86-Version von Windows Vista kann hingegen auf einem 64-bit-Prozessor als 32-bit-Betriebssystem ausgeführt werden.

Manche Mainboards, die mit 64-bit-Prozessoren arbeiten, behalten die Beschränkungen eines 32-bit-Systems bei. Um die Vorteile der neueren Architektur ausnutzen zu können, ist es wichtig, dass der Adressbus des Mainboards groß genug ist. Mainboards mit größeren Daten- und Adressbussen limitieren derzeit immer noch künstlich die Menge des Speichers, da anderes nicht praktikabel wäre. Die Windows Vista x64 Edition erlaubt bis zu 128 GB Speicher, was deutlich mehr ist, als die meisten Mainboards heute unterstützen. Allerdings sollte man bedenken, dass Anwendungen, die unter der neuen Architektur erstellt wurden, erweiterungsfähig sein müssen, wenn sich technische Änderungen ergeben.

Vorteile der Windows Vista x64 Edition

Der Übergang zur 64-bit-Architektur wird vorwiegend durch die Beschränkungen der x86-Architektur bei der Speicheradressierung vorangetrieben. Anwendungen, die auf der Windows Vista x64 Edition ausgeführt werden, sollten theoretisch leistungsfähiger sein, da mehr Speicher verfügbar ist, selbst wenn die Anwendung innerhalb der WoW64-Schicht ausgeführt wird. Ähnlich wie die Vorteile, die durch eine Erweiterung des physikalischen Speichers in einem 32-bit-System möglich sind, erlaubt der größere Speicherplatz der Windows Vista x64 Edition, dass sich mehrere Prozesse gleichzeitig aktiv im RAM des Systems befinden.

Durch diese Neuerung entfällt bzw. verringert sich die Zeit, die für das Laden von Prozessen und dem Wechsel zwischen ihnen erforderlich ist, ein Zustand, der zur vollständigen Auslastung des Prozessors führen kann. Um die Vorteile eines 64-bit-Betriebssystems wie Windows Vista x64 Edition auszuschöpfen, sollte man in die Aufrüstung des Speichers (4 GB oder mehr) und des Mainboards investieren.

Für die Windows Vista x 64 Edition verlangt Microsoft nun für alle Treiber eine digitale Signatur. Neue, signierte Treiber werden benötigt, um Ausfälle zu reduzieren und die Stabilität zu verbessern. Damit sollen auch Anbieter identifiziert werden, die für Fehler verantwortlich sind. Mit Windows Vista x86 können Administratoren unsignierte Treiber installieren, aber Microsoft spricht sich ausdrücklich gegen deren Einsatz aus. Alle neuen Treiber von National Instruments werden digital signiert und nach Markteinführung des Microsoft-Betriebssystems sowohl für die 32-bit- als auch die 64-bit-Version von Windows Vista erhältlich sein.

Nachteile der Windows Vista x64 Edition

Windows XP war nur als ein 32-bit-Betriebssystem für 32-bit-Prozessoren verfügbar, bis Microsoft im Jahr 2005 eine 64-bit-Version auf den Markt brachte. Diese Version von Windows XP war weniger verbreitet, da es an verfügbaren Hard- und Softwaretreibern mangelte. Anbieter investierten nur zögernd in eine Plattform, die zu der Zeit für den Anwender eher aufgrund ihrer Neuartigkeit als ihres Nutzens interessant schien. Daher gab es Unstimmigkeiten hinsichtlich der Kompatibilität mit Standardgeräten wie beispielsweise Sound- und Grafikkarten.

Angesichts der zunehmenden Anzahl an 64-bit-Prozessoren ist nicht zu befürchten, dass die Windows Vista x64 Edition denselben Mangel an Unterstützung erleben wird. Es wird allerdings einige Zeit dauern, bis Anbieter 64-bit-Hard- und -Softwaretreiber zur Verfügung stellen. Ein Nachteil könnte darin bestehen, dass einige Hardwareanbieter kompatible Treiber für die 64-bit-Edition von Windows Vista nicht rechtzeitig zur Verfügung stellen werden. Es könnte auch sein, dass sie keine für die x64-Version erforderlichen signierten Treiber anbieten.

Viele 32-bit-Anwendungen werden nicht für die Windows Vista x64 Edition aktualisiert. Ein Großteil der 32-bit-Software wird jedoch dank der Microsoft-Emulationsschicht auch weiterhin funktionieren. Diese Emulationsschicht, bekannt als Windows on Windows 64 bzw. WoW64, erlaubt es, dass 32-bit-Programme so ausgeführt werden, als würden sie auf einer 32-bit-Version von Windows laufen. Dies wird durch die Übersetzung von 32-bit-Befehlen in 64-bit-Befehle realisiert.   Emulierte Programme verhalten sich so, als würden sie auf einem x86-Computer laufen und innerhalb der zwei GB virtuellen Speichers arbeiten, die eine 32-bit-Version von Windows jedem Prozess zuteilt. Allerdings können 32-bit-Programme auf der Windows Vista x64 Edition trotz WoW64 weder die Vorteile des größeren 64-bit-Adressbereichs noch die breiteren 64-bit-Register auf den 64-bit-Prozessoren nutzen.

Um mit der Windows Vista x64 Edition arbeiten zu können, muss in sehr viel RAM-Speicher investiert werden. Der Overhead bei Windows Vista ist größer als bei bisherigen Betriebssystemen wie Windows XP. Bei langsameren Systemen wird man deshalb Leistungsverringerungen feststellen.

Evaluierung eines Entwicklungssystems auf Windows Vista

Windows Vista stellt für Nutzer von Anwender-PCs in vielerlei Weise eine Steigerung von Windows XP dar, und insbesondere die 64-bit-Version ist sehr interessant. Die 64-bit-Prozessoren haben enormes Potenzial, das von modernen PCs nicht gänzlich ausgenutzt wird. Das bedeutet, das noch ein erheblicher Spielraum für Erweiterungen während der kommenden Jahre vorhanden ist. Allerdings wurde die Windows Vista x64 Edition nicht ausschließlich für Ingenieure und Wissenschaftler entwickelt, und nicht alle wissenschaftlichen und technischen Anwendungen werden sofort von dem Wechsel auf einen PC mit Windows Vista x64 profitieren können.

Folgende Anwendungsarten dürften sich bei einem Einsatz auf der Windows Vista x64 Edition leistungsmäßig verbessern, vorausgesetzt, dass sowohl 64-bit-Anwendungssoftware als auch 64-bit-Treiber zur Verfügung stehen:

• Anwendungen zur Erstellung digitalen Inhalts bei computergestütztem Design und digitaler Videobearbeitung
• Anwendungen, die mathematische Genauigkeit und Fließkommaleistung erfordern
• Anwendungen, die mit großen, leistungsstarken Datenbanken zu tun haben
• Bilddatenerfassungs- und -analyseanwendungen mit großen Mengen an Daten, die mit hohen Geschwindigkeiten direkt in den Speicher abgelegt werden

Falls eine spezifische Anwendung nicht zu einer dieser Kategorien gehört, sollte der Einsatz von Windows Vista x64 gut überdacht werden. Nicht jede Anwendung profitiert von der x64-Architektur. Außerdem wird es eine gewisse Zeit dauern, bis die x64-Version eine breite Akzeptanz gefunden hat.

Zusammenfassung

Windows Vista x64 ist das erste Mainstream-Betriebssystem von Microsoft, das Unterstützung von Add-on-Drittanbietern zur Verfügung stellt. Daher ist der Wechsel von einem 32-bit-Betriebssystem wie Windows XP zu einem 64-bit-Betriebssystem wie der Windows Vista x64 Edition in vielen Fällen eine Überlegung wert.

Ob ein Wechsel zur Windows Vista x64 Edition erfolgreich umsetzbar ist, hängt jedoch zu einem großen Teil von der jeweiligen Anwendung und ihren Anforderungen ab. Für manche Anwender bietet die Windows Vista x64 Edition die seit langem benötigte Leistungsverbesserung, wohingegen sie für andere Anwender Applikationen, die zur Ausführung auf x86-Plattformen entwickelt wurden, nur unnötig verkomplizieren oder sich sogar negativ auf die Leistung auswirken könnte.

Weiterführende Informationen zu Windows Vista

LabVIEW, National Instruments, ni und ni.com sind Warenzeichen von National Instruments. Andere erwähnte Produkt- und Firmennamen sind Warenzeichen oder Handelsbezeichnungen der jeweiligen Unternehmen.