RISC негізіндегі i960 микропроцессорының дизайны және тарихы

Кіріспе

RISC-ке негізделген микропроцессор дизайны

Intel-дің i960 (немесе 80960) микропроцессоры RISC-ке негізделген дизайн болып, 1990-шы жылдардың басында кіріктірілген микробасқарушы ретінде кең таралды. Бұл сегментте AMD 29000-мен бірге ең көп сатылатын процессор атанды. Сәттілігіне қарамастан, Intel 1990-шы жылдардың соңында i960 процессорларын сатуды тоқтатты, себебі DEC-пен жасалған келісім бойынша Intel StrongARM процессорын өндіру құқығын алды. Қазіргі таңда процессор әлі де кейбір әскери салаларда қолданылуда.

Шығу тегі

i960 дизайны Intel-дің iAPX 432 дизайнының 1980 жылдардың басында сәтсіздікке ұшырауына жауап ретінде басталды. iAPX 432 тегтелген, қорғалған, қоқыс жиналған жадты қолдайтын жоғары деңгейдегі тілдерді, мысалы Ada және Lisp тілдерін аппараттық құралдар арқылы тікелей қолдау үшін жасалған еді. Оның нұсқаулар жиынтығының күрделілігі, көп чипті жүзеге асыруы және дизайн кемшіліктері салдарынан iAPX 432 сол кездегі басқа процессорлармен салыстырғанда өте баяу болды. 1984 жылы Intel және Siemens бірлескен жобаны бастады, ол ақырында BiiN деп аталды. Бұл жобаның мақсаты – Ada тілінде толыққанды бағдарламаланатын жоғары деңгейдегі, қателерге төзімді, объектіге бағытталған компьютерлік жүйені құру болатын. Бұл жобаға i432 командасының көптеген мүшелері қосылды, бірақ IBM компаниясынан жаңа бас архитектор Гленфорд Майерс шақырылды. BiiN жүйелерінің күтілетін нарығы – банктер, өнеркәсіптік жүйелер және атом электр станциялары сияқты жоғары сенімділік қажет ететін компьютер пайдаланушылары болатын. Intel-дің BiiN жүйесіне жасаған маңызды үлесі – i432 процессорларының қорғалған жад тұжырымдамасынан әсер алған жаңа процессор дизайны болды. Жаңа дизайн i432 процессорларының сәтсіздігіне әкелген мәселелерді болдырмау және өнімділікті арттыру үшін бірқатар мүмкіндіктерді қамтуға тиіс еді. Алғашқы 960 процессорлары 1985 жылдың қазан айында жобалаудың соңғы кезеңіне, «таспаға түсіру» деп аталатын кезеңге енді және сол айда өндіріске жіберілді. Алғашқы жұмыс істейтін чиптер 1985 жылдың соңы мен 1986 жылдың басында жеткізілді. BiiN жобасы нарықтық жағдайларға байланысты сәтсіз аяқталды, ал 960 процессоры қолданыссыз қалды. Майерс BiiN жүйесі үшін жасалған толық мүмкіндіктер архитектурасының бірнеше кіші топтарын бөліп алып, дизайнды сақтауға тырысты. Ол Intel басшылығын i960 процессорын (сол кезде әлі де «P7» деп аталған) Intel 80286 және i386 процессорларының орнына (олар да i960 сияқты бір айда шығарылған) және Unix жүйелері үшін жаңадан пайда болып келе жатқан RISC нарығында, соның ішінде Стив Джобсқа NeXT жүйесінде пайдалану үшін жалпы мақсаттағы процессор ретінде сатуға көндіруге тырысты. Майерс Intel басшылығын i960 процессорын жалпы мақсаттағы немесе Unix процессоры ретінде қолдауға көндіре алмады, бірақ бұл чип ерте кезеңдегі жоғары өнімді 32 биттік кіріктірілген жүйелерде сұранысқа ие болды. i960 процессорының бас архитекторы – суперскалярлық технология маманы Фред Поллак болды. Ол сонымен қатар Intel iAPX 432 процессорының бас инженеры және i686 чипінің, яғни Pentium Pro процессорының бас архитекторы болды.

The i960 design was begun in response to the failure of Intel's iAPX 432 design of the early 1980s. The iAPX 432 was intended to directly support high level languages that supported tagged, protected, garbage collected memory—such as Ada and Lisp—in hardware. Because of its instruction set complexity, its multi chip implementation, and design flaws, the iAPX 432 was very slow in comparison to other processors of its time. In 1984, Intel and Siemens started a joint project, ultimately called BiiN, to create a high end, fault tolerant, object oriented computer system programmed entirely in Ada. Many of the original i432 team members joined this project, although a new lead architect, Glenford Myers, was brought in from IBM. The intended market for the BiiN systems was high reliability computer users such as banks, industrial systems, and nuclear power plants. Intel's major contribution to the BiiN system was a new processor design, influenced by the protected memory concepts from the i432. The new design was to include a number of features to improve performance and avoid problems that had led to the i432's downfall. The first 960 processors entered the final stages of design, known as taping out, in October 1985 and were sent to manufacturing that month, with the first working chips arriving in late 1985 and early 1986. The BiiN effort eventually failed, due to market forces, and the 960 was left without a use. Myers attempted to save the design by extracting several subsets of the full capability architecture created for the BiiN system. He tried to convince Intel management to market the i960 (then still known as the "P7") as a general purpose processor, both in place of the Intel 80286 and i386 (which taped out the same month as the first i960), as well as the emerging RISC market for Unix systems, including a pitch to Steve Jobs for use in the NeXT system. Myers was unsuccessful at convincing Intel management to support the i960 as a general purpose or Unix processor, but the chip found a ready market in early high performance 32 bit embedded systems. The lead architect of i960 was superscalarity specialist Fred Pollack who was also the lead engineer of the Intel iAPX 432 and the lead architect of the i686 chip, the Pentium Pro.

80960MC

i960MC бастапқы BiiN жүйесінің барлық мүмкіндіктерін қамтыды; бірақ бұл мүмкіндіктер сипаттамада көрсетілмегендіктен, i960MC неге соншалықты үлкен және 132 тіректің 53-і «қосылмаған» деп белгіленгеніне кейбіреулер таңырды. I960-тың кейінгі нұсқалары, мысалы 80960Jx сериясы, «қосылмаған» тіректердің саны аз, қуат және жер тіректерi көбірек, сондай-ақ қосымша I/O тіректерi бар. Дегенмен, бұл «қосылмаған» тіректер ішкі жағынан қосылмаған және BiiN мүмкіндіктерімен байланыссыз – олардың ішіндегі кремнийлік кристалда оларға арналған қосылымдар жоқ. 80960MC чипінде жадты басқару блогы бар және Intel компаниясының M82965 шина кеңейтім блогымен бірлесіп, қателерге төзімді жүйелерді қолдайды. Екі чип те MIL STD 883C стандартына сәйкес келеді. Екі чип 1989 жылдың бірінші тоқсанында, тиісінше 2400 және 1700 АҚШ доллары бағамен қолжетімді болды. 1988 жылдың тамызында кеңейтілген температуралық диапазонға арналған үлгілер де қолжетімді болды. Ол 32 32 биттік тіркегіштерді, 512 байттық нұсқау кешін, стек фрейм кешін, жоғары жылдамдықты 32 биттік мультиплекстелген жарылыс шинасын және үзіліс контроллерін қамтиды. Сондай-ақ, 256 үзіліс векторы және үзіліс басымдылығының 32 деңгейі бар. Бұл бірінші бір чиптік суперскалярлық RISC жүзеге асырылымы болды. C сериясы тек бір ALU-ды қамтыды, бірақ арифметикалық нұсқауды, жадқа сілтеме жасауды және тармақталу нұсқауын бір уақытта орындап, белгілі бір жағдайларда цикл сайын екі нұсқауды қолдай алды. Алғашқы шығарылған нұсқалар 33 МГц жиілікте жұмыс істеді, ал Intel чипті 66 MIPS өнімділікке қабілетті деп жариялады. i960CA микроархитектурасы 1987–1988 жылдары жобаланып, 1989 жылдың 12 қыркүйегінде ресми түрде жарияланды. Кейін, 1992 жылдың мамырында i960CF пайда болды, оған үлкен нұсқау кеші (1 КБ орнына 4 КБ) және 1 КБ дерек кеші қосылды, бірақ FPU немесе MMU болған жоқ.

80960MX

80960MX – кеңейтілген архитектураның суперскалярлық іске асырылуы болып табылады, сағаттық циклде үшке дейін нұсқауды орындау арқылы 25 VAX MIPS тұрақты өнімділігін қамтамасыз етеді. Ол Бірлескен Өнеркәсіптік Ұшқышсыз Көліктер Жұмыс Тобының (JIAWG) 32 биттік ISA стандартын іске асырды. Алғашқыда 348 контактілі керамикалық торлы тізбекте жиналған, кейіннен жалаңаш кристалл түрінде жеткізілді. i960 MX объектіге бағытталған бағдарламалауды қолдайды. 33-ші таңба 32 биттік дерек сөзін және 32 биттік жад мекенжайын ажыратады. Бұл жадтың қорғалған бөлімдеріне жасалма сілтемелер жасауға тыйым салады.

80960Jx

80960Jx кіріктірілген қосымшаларға арналған процессор. Ол 32 биттік көптеген адрестік/деректер шинасымен, командалық және деректер кэшімен, 1К чиптегі жедел жадымен, үзіліс басқарушысымен және екі тәуелсіз 32 биттік таймермен жабдықталған. 80960Jx-тың тестілеу мүмкіндіктері ONCE (тікелей схемада эмуляция) режимі және шекаралық сканерлеу (JTAG) құрамына кіреді.

80960VH

1998 жылдың қазан айында жарияланған i960VH Embedded PCI процессоры 32 биттік 33 МГц PCI шинасымен және 100 МГц i960JT процессорлық өзегімен жабдықталған. Өзегінде сондай-ақ 16 КБ нұсқаулар кэші, 4 КБ деректер кэші және 1 КБ кіріктірілген жад бар. Басқа да өзектік мүмкіндіктерге екі 32 биттік таймер, бағдарламаланатын үзіліс контроллері, I²C интерфейсі және екі арналы DMA контроллері кіреді.

80960Rx

80960Rx процессорлары I/O процессорлары деп белгіленді және PCI шинасының (2.1 немесе 2.2 нұсқасына байланысты) іске асырылуын, сондай-ақ 80960Jx өзегін қамтыды. Оларды аналық платаларда борттық PCI құрылғыларын және PCI кеңейту карталарын іске асыру үшін пайдалануға болады. RM/RN/RS нұсқалары 100 МГц ішкі сағат жылдамдығына жету үшін 3 есе шинадан өзекке көбейтумен JT өзегін пайдаланды, ал RD нұсқасы 66 МГц жылдамдыққа жету үшін 2 есе көбейтумен JF өзегін пайдаланды. RP нұсқасында 33 МГц шина жылдамдығымен жұмыс істейтін JF өзегі болды.

Түрлендірудің ерекшеліктері

+ 5 В ЧастиМодель нөмірі Негізгі жиілік Шина жиілігі Көбейткіш iCache dCache Вольтаж Разъем 80960MC 20,25 МГц 20,25 МГц 1.0x 0,5 Кбайт жоқ 5.0 В PGA 132 80960SA 10,12,16,20 МГц 10,12,16,20 МГц 1.0x 0,5 Кбайт жоқ 5.0 В 80 PQFP,84 PLCC 80960SB 10,16 МГц 10,16 МГц 1.0x 0,5 Кбайт жоқ 5.0 В 80 PQFP,84 PLCC 80960KA 10,20,25 МГц 10,20,25 МГц 1.0x 0,5 Кбайт жоқ 5.0 В 132 PQFP,132 PGA 80960KB 16,20,25 МГц 16,20,25 МГц 1.0x 0,5 Кбайт жоқ 5.0 В 132 PQFP,132 PGA 80960CA 16,25,33 МГц 16,25,33 МГц 1.0x 1 Кбайт жоқ 5.0 В 168 PGA,196 PQFP 80960CF 25,33,40 МГц 25,33,40 МГц 1.0x 4 Кбайт 1 Кбайт 5.0 В 168 PGA,196 PQFP

+ 3.3 В ЧастиМодель нөмірі Негізгі жиілік Шина жиілігі Көбейткіш iCache dCache Вольтаж Разъем 80960JA 16,25,33 МГц 16,25,33 МГц 1.0x 2 Кбайт 1 Кбайт 3.3 В 132 PQFP,132 PGA 80960JF 25,33 МГц 25,33 МГц 1.0x 4 Кбайт 2 Кбайт 3.3 В 132 PQFP,132 PGA 80960JD 33,40,50,66 МГц 16,20,25,33 МГц 2.0x 4 Кбайт 2 Кбайт 3.3 В 132 PQFP,132 PGA 80960JS 25,33 МГц 25,33 МГц 1.0x 16 Кбайт 4 Кбайт 3.3 В 132 PQFP,132 PGA,196 MPBGA 80960JC 50,66 МГц 25,33 МГц 2.0x 16 Кбайт 4 Кбайт 3.3 В 132 PQFP,132 PGA,196 MPBGA 80960JT 75,100 МГц 25,33 МГц 3.0x 16 Кбайт 4 Кбайт 3.3 В 132 PQFP,132 PGA,196 MPBGA 80960HA 25,33,40 МГц 25,33,40 МГц 1.0x 16 Кбайт 8 Кбайт 3.3 В 168 PGA,208 PQ4 80960HD 50,66,80 МГц 25,33,40 МГц 2.0x 16 Кбайт 8 Кбайт 3.3 В 168 PGA,208 PQ4 80960HT 75 МГц 25 МГц 3.0x 16 Кбайт 8 Кбайт 3.3 В 168 PGA,208 PQ4

+ PCI I/O Процессордың нұсқаларыМодель нөмірі Негізгі жиілік Шина жиілігі Көбейткіш iCache dCache PCI нұсқасы Вольтаж Разъем 80960RP 33 МГц 33 МГц 1.0x 4 КБ 2 КБ PCI 2.1 3.3 В 352 PBGA 80960RD 66 МГц 33 МГц 2.0x 4 КБ 2 КБ PCI 2.1 3.3 В 352 PBGA 80960VH 100 МГц 33 МГц 3.0x 16 КБ 4 КБ PCI 2.1 3.3 В 324 PBGA 80960RM/N 100 МГц 33 МГц 3.0x 16 КБ 4 КБ PCI 2.1 3.3 В 540 PBGA 80960RS 100 МГц 33 МГц 3.0x 16 КБ 4 КБ PCI 2.2 3.3 В 540 PBGA 80302/3 100 МГц 66 МГц 1.5x 16 КБ 4 КБ PCI 2.2 3.3 В 540 PBGA

Дамудың аяқталуы

Intel I/O құрылғы контроллерлер нарығында i960 процессорын I2O стандартымен күшейтуге тырысты, бірақ бұл көп сәттілікке жетпеді және жобалау жұмыстары ақырында тоқтатылды. 1990 жылдардың ортасына қарай оның бағасы мен өнімділігі арақатынасы жаңадан жасалған бәсекелес чиптерден нашарлады, сондай-ақ Intel батареямен жұмыс істейтін жүйелерде қолдануға болатын, қуатты аз тұтыну нұсқасын шығармады. 1990 жылы i960 командасы болашақ i386 процессорларын дамыту бойынша қатар жұмыс істейтін "екінші команда" ретінде қайта бағытталды – атап айтқанда, P6 процессоры, кейіннен Pentium Pro аталды. i960 жобасы басқа, кішігірім әзірлеу тобына берілді, бұл оның даму циклының аяқталуын қамтамасыз етті.

Ағымдағы жағдай

Кейбір i960 I/O процессорлары, мысалы 80303, RAID алгоритмдері үшін кіріктірілген аппараттық XOR қозғалтқышын қамтиды. Олар жоғары деңгейлі, RAID мүмкіндігі бар SCSI диск массиві, хост-адаптерлік карталар, сондай-ақ Digital Equipment/Compaq/HP-ның жоғары деңгейлі SCSI және DSSI, және соңында Fibre Channel HSx сериясы, дербес RAID контроллерлері үшін контроллер ретінде қолданылады. I960RS чипі Adaptec-тің AAR 2400A контроллерін де қуаттандырады, ол төрт стандарттық параллель ATA дискісін пайдаланып, шағын PC серверлері мен жұмыс станциялары үшін қолжетімді RAID 5 қорғалған, қателерге төзімді сақтау жүйесін құрады. i960 Fabric OS-ті іске қосу үшін кейбір Brocade Fibre Channel коммутаторларында да қолданылған. i960 архитектурасы ойын автоматтарында да қолданылады. Қазіргі уақытта олар IGT Stepper S2000 отбасы және i960 бейне отбасыларында кездеседі. Сондай-ақ, Sega-ның танымал Model 2 сериялы аркадалық тақталарының негізгі процессоры ретінде қолданылды. Үндістан Әуе Күштерінің HAL Tejas жеңіл шайқас ұшағының MMR (көп режимді радары) i960-ты пайдаланады деген ақпарат бар. HAL Tejas 2015 жылы қолдануға берілді. Үндістанның Ғарыш зерттеулер ұйымы (ISRO) өздерінің ұшыру құралдарындағы бортындағы компьютерлерде осы чипті пайдаланады. i960 процессоры сондай-ақ Келвин Хьюз радарларындағы автоматты радарлық кестелеуге көмектесетін (ARPA) интерфейс тақталарында қолданылады. Чип HP X терминалдарында қолданылған. Кейбір SATA RAID контроллерлері Intel-дің 80303 IOP (Intelligent I/O Processor) технологиясын пайдаланады, ол PCI-PCI көпірін, жад контроллерін және 80960JT 100 CPU ядросын біріктіреді. Чип Alcatel Lucent 1000 ADSL кеңжолақты модемінде де қолданылған.