88000 RISC архитектурасы және оның тарихы

Кіріспе

RISC нұсқаулар жиынтығы архитектурасы

88000 (қысқаша m88k) – 1980-ші жылдары Motorola компаниясы әзірлеген RISC нұсқаулар жиынтығы архитектурасы. MC88100 1988 жылы нарыққа шықты, бұл SPARC және MIPS бәсекелестерінен екі жыл кейін болды. Екінші буын MC88110-ның шығуына кешігулер мен ұзақ күтулердің көптігіне байланысты, m88k MVME платформасынан және енгізілген басқару орталарынан тыс жерде шектеулі ғана жетістікке жетті. Motorola 1991 жылы PowerPC-ді әзірлеу үшін AIM альянсына қосылғаннан кейін, 88000-нің одан әрі дамытылуы тоқтатылды.

Өмірбаян

Motorola 1980-ші жылдарға күшті позицияда кірді; олардың жақында ұсынған Motorola 68000 микропроцессоры нарықтағы кез келген басқа микропроцессордан жоғары өнімділік көрсетті, ал оның 32 биттік архитектурасы жаңа жұмыс станциялары нарығына өте ыңғайлы болды. Intel компаниясы 32 биттік кеңістікке белсенді түрде енбеді, ал National Semiconductor компаниясы өздерінің өнімдерін сәтті шығара алмады, нәтижесінде Motorola Intel емес, барлық нарықты бақылауға ие болды. Ол кезде Intel жалпы компьютер нарығының шамамен 80%-ын, ал Motorola қалған 90%-ын бақылады. Осыған байланысты 1980-ші жылдардың басында RISC тұжырымдамасы енгізілді. Бастапқыда, индустрияда бұл тұжырымдама өнімділікті жақсарта ма, әлде оның машина тіліндегі бағдарламаларының ұзындығы қосымша жадқа қатынау арқылы орындалу жылдамдығын төмендете ме деген қызу пікірталас болды. Бірақ 1980-ші жылдардың ортасында алғашқы RISC негізіндегі жұмыс станциялары пайда болған кезде барлық пікірталас тоқтатылды; 20 МГц Motorola 68030 процессорда жұмыс істейтін соңғы Sun 3/80 шамамен 3 МИПС өнімділік көрсетті, ал 16 МГц SPARC процессормен жабдықталған алғашқы SPARC негізіндегі Sun 4/260 – 10 МИПС. Hewlett Packard, DEC және басқа ірі өндірушілер RISC платформаларына көшуді бастады. Бұл нарықтағы өзгеріс Motorola компаниясын оның негізгі және ең табысты салаларының бірі – жұмыс станциялары нарығынан шығарып тастау қаупін тудырды. Apple компаниясы жұмыс станциялары нарығынан тыс компанияның жалғыз ірі серігі болып қалды; 68000 процессорларын пайдаланған басқа компаниялар, атап айтқанда Atari Corporation және Commodore International, IBM PC-ге үйлесімділікпен тез стандартталған нарықта қиындыққа тап болды.

Motorola-ның тәсілдері

RISC жобалары процессорды сол платформадағы компиляторлар шақыратын операциялардың түрлеріне бейімдеуге бағытталған, Unix жұмыс станциялары жағдайында C бағдарламалау тілі. IBM 801 жобасында компиляторлар әдетте оларға қолжетімді нұсқаулардың басым көпшілігін қолданбайды, оның орнына нұсқаулардың ең қарапайым нұсқасын қолданады, себебі олар тез орындалады. Алайда осы негізгі нұсқаулардың басқа нұсқаларын ұсыну негізгі нұсқаға қосымша шығындарды қосты. CPU-дан осы пайдаланылмаған нұсқауларды алып тастау бұл қосымша шығындарды жойды және чипте маңызды орынды босатты. Бұл процессор тіркеуіштерінің санын арттыруға мүмкіндік берді, бұл ерекше жағдай нұсқауларынан гөрі өнімділікке әлдеқайда үлкен әсер етті. Осы себепті RISC тұжырымдамасы компиляторлардың нақты әлемдегі дизайнымен басқарылады деуге болады. Motorola-ның 88000 дизайны туралы мақалаларында RISC тұжырымдамасының бір циклдік нұсқаулары, үлкен процессорлық тіркелімдер жиыны және басқа да белгілері туралы айтылады, бірақ "RISC" сөзі бір рет те айтылмайды. Қазіргі RISC жобалары нарыққа енгендіктен, компания олармен бәсекелесуге тырыспай, оның орнына әлемдегі ең қуатты процессорды шығаруға шешім қабылдады. Бұл үшін олар алдыңғы дәуірдегі ең жылдам компьютерлердің бірі CDC 6600 суперкомпьютерінен жобалық жазбалар алды. Олар 6600 модельінің көрсеткіш тақтасы тұжырымдамасын қабылдады. Көрсеткіш тақтасы CPU-ға нұсқаудың тіркеуіштерді пайдалануын тексеруге және бұрынғы есептеулерге сүйенбеген, әлі толық еместерді дереу жіберуге мүмкіндік берді; бұл нұсқауларды қайта реттеуге мүмкіндік берді, басқалары кештегі немесе жадтан жүктелген деректермен бірге, қажетті деректері бар нұсқауларды орындауға мүмкіндік берді. Бұл нұсқауды қайта реттеу пайдалануды 35%-ға дейін жақсарта алады. Сонымен қатар, дизайн жеке деректер мен нұсқаулық адрестік шиналарды қолданды. Бұл пин саны жағынан қымбат болды; нұсқаулар мен деректер кэшінде олардың мекенжайы үшін 32 пин және деректер үшін 32 пин болды, яғни толық жүйе "P шинасында" 128 пинді қолданды. Бұл жоба операциялардың тек үштен бір бөлігі жадпен байланысты екендігіне негізделген; қалғандары оқылған деректер бойынша жұмыс істеді. Бұл сыртқы нұсқау кэшке арналған жеке нұсқау жолының болуын қатты қалайды. Кэштер мен байланысты жад басқару бірліктері (MMU) бастапқыда сыртқы болды, кэш контроллерін деректерге немесе нұсқаулық шиналарына қосуға болады, ал төрт контроллер кез-келген шинада қолданылуы мүмкін. Ішкі жүйеде 32 биттік үш шина болды, олар деректерді тіркеуіштерге оқу және жазу үшін қажетті ішкі бірліктерге әртүрлі жолдармен қосылған. Жаңа дизайнның тағы бір ерекшелігі - арнайы процессорларды немесе "арнайы функциялық бірліктерді" немесе SFU-ларды қолдау үшін салынған. Қораптан тыс қолдайтын ішкі командаларға қоса, ол копроцессорлар пайдалана алатын 256 нұсқаудан тұратын бірнеше блоктарды бөліп қойды. Бұл жүйеге бейімделуді қалаған дизайнерлерге арналған; негізгі функционалдық үшін бағдарламалық қамтамасыз етудің үйлесімділігін қамтамасыз ете отырып, қолданыстағы нұсқаулар жиынтығының архитектурасына әсер етпей жаңа функционалдық бірліктер қосылуы мүмкін. Әр 88000-де SFU1 орнатылған, ол жылжымалы нүктелі блок (FPU) болды. Бранч және секіру нұсқауларында кідірілген тармақ опциясы бар (.n), ол келесі тізбекті нұсқаудың тармақ мақсатына қарамастан, тармақ шартына қарамастан, тармақ мақсатынан бұрын орындалуын қамтамасыз ету үшін көрсетілуі мүмкін. Тарамдық нұсқауды немесе нұсқаулық сілтемені өзгерте алатын басқа нұсқауды кідіру слотына орналастыру болашақтағы үйлесімділікті сақтау үшін ұсынылмайды.

RISC designs were a conscious effort to tailor the processor to the types of operations being called by the compilers on that platform, in the case of Unix workstations, the C programming language. The seminal IBM 801 project had noted that compilers generally did not use the vast majority of the instructions available to them, and instead used the simplest version of the instructions, often because these performed the fastest. Yet providing the other versions of these basic instructions also added overhead to the basic version. Removing these unused instructions from the CPU eliminated this overhead and freed up significant room on the chip. This gave room to increase the number of processor registers, which had a far greater impact on performance than the removed special case instructions. For this reason, the RISC concept can be said to be driven by the real world design of compilers. Motorola's articles on the 88000 design speak of single cycle instructions, large processor register files and other hallmarks of the RISC concept, but don't mention the word "RISC" even once. As existing RISC designs had entered the market already, the company decided that they would not attempt to compete with these and would instead produce the world's most powerful processor. To do this, they took design notes from one of the fastest computers of a previous era, the CDC 6600 supercomputer. In particular, they adopted the 6600's concept of a scoreboard. Scoreboarding allowed the CPU to examine the instruction's use of registers and immediately dispatch those that did not rely on previous calculations that were not yet complete; this allowed the instructions to be re ordered to allow ones that had their required data to run while others had their data loaded from the cache or memory. This instruction reordering could improve usage as much as 35%. The design also used separate data and instruction address busses. This was costly in terms of pin count; both the instruction and data caches had 32 pins for their address and 32 pins for the data, meaning the complete system used 128 pins on the "P bus". This design was based on the observation that only about one third of operations were memory related; the rest were operating on data already read. This strongly favored having a dedicated instruction pathway to an external instruction cache. The caches, and associated memory management units (MMU) were initially external, a cache controller could be connected to either the data or instruction busses, and up to four controllers could be used on either bus. Internally there were three 32 bit busses, connected to the internal units in different ways as required for reading and writing data to the registers. Another feature of the new design was its built in support for specialized co processors, or "special function units", or SFUs. In addition to the internal commands supported out of the box, it set aside a number of blocks of 256 instructions that could be used by co processors. This was aimed at designers who wished to customize the system; new functional units could be added without affecting the existing instruction set architecture, ensuring software compatibility for the main functionality. Every 88000 came with SFU1 already installed, the floating point unit (FPU). The branch and jump instructions incorporate a delayed branch option (. n), which can be specified to ensure that the subsequent sequential instruction is executed prior to the branch target instruction, irrespective of the branch condition. Placing branch instruction or other instruction which may change the instruction pointer, in the branch delay slot is deprecated in order to maintain future compatibility.

Шығару

1987 жылы Motorola өзінің RISC процессорын жасап жатқаны бұрын-соңды болжалмағандай кеңінен белгілі болды. Компьютер индустриясы оны ертерек шыққан 68000 процессорына құрмет ретінде "78000" деп атады, ал 1988 жылдың сәуірінде нарыққа шыққанда 88000 деп белгіленді. Дизайнның күрделілігіне байланысты, процессор бір чипке сыймады. Бір жыл бұрын шыққан 68030 процессорында 273 000 транзистор болған, оның ішінде арифметикалық-логикалық құрылғы (ALU) және жадты басқару құрылғысы (MMU) бір чипте орналасқан, ал жылжымалы нүктелік құрылғы (FPU) жеке чип ретінде сатылатын. Ал 88000 процессорында ALU және FPU 750 000 транзисторлық MC88100 чипінде біріктірілген, ал жадты басқару құрылғысы (MMU) және 16 КБ статикалық RAM кэші 750 000 транзисторлық MC88200 чипінде жинақталған. 68030 процессорында FPU шын мәнінде қосымша опция болған еді, ал 88000 процессорлы жүйе кем дегенде бір MC88200 чипінсіз жұмыс істеуге келмейді. Жүйеге бірнеше MC88200 чипін қосуға болады, бұл үлкен кэштерді құруға және өнімділікті арттыру үшін негізгі жадқа бірнеше жолмен қол жеткізуге мүмкіндік береді. Нарықтың жоғары сегментіне бағытталған бұл процессор шығарылған кезде әлемдегі ең жылдам 32 биттік процессор деп мәлімделді. 20 МГц жиілікте жұмыс істейтін процессор 34 000 Dhrystones немесе 17 VUPS көрсеткіштеріне жетті, ал сол кездегі SPARCstation-дағы 12,5 МГц SPARC процессоры шамамен 12 MIPS, ал 20 МГц 68030 процессоры – 3,3 MIPS көрсеткіштерін берді. Бұған қоса, 25 МГц жиілікті нұсқасы 21 MIPS және 48 387 Dhrystones көрсеткіштерімен қол жетімді болды. Ол кезде Motorola 88000 процессорын нарықтың жоғары сегментіне, соның ішінде "телекоммуникация, жасанды интеллект, графика, үш өлшемді анимация, модельдеу, параллель өңдеу және суперкомпьютерлер" салаларына сатты, ал 68k сериясы жұмыс станциялары нарығында қолданыла беретінін айтты. Бірақ көптеген әлеуетті клиенттер 88000 процессорын назарға алмады, нәтижесінде бұл жүйе кеңінен қолданылмады.

Қайта босату

Бастапқы шығарылым Motorola-ның өнімдерінен басқа жерде дерлік қолданылмағандықтан, ал осы дәстүрлі клиенттер басқа RISC жүйелеріне көшуді бастағандықтан, компания бұл дизайнды бір чиптік түрінде, MC88110 ретінде қайта іске қосты. 1980-жылдардың соңында NeXT, Apple Computer және Apollo Computer сияқты бірнеше компаниялар 88000 сериясын болашақта қолдану мүмкіндігін белсенді түрде қарастырды, бірақ 88110 1992 жылы қолжетімді болған кезде барлығы осы дизайндан бас тартты. Sun Microsystems SPARC дизайнымен жасағандай, жүйені танымал ету үшін 88open тобымен әрекет жасалды. Бірақ бұл әрекет ешқандай нақты нәтиже бермеген сияқты.

Тастауы

1990 жылдардың басында Motorola IBM POWER архитектурасына негізделген жаңа RISC архитектурасын жасау үшін AIM жобасына қосылды. Олар 88000 процессорының кейбір мүмкіндіктерін (мысалы, үйлесімді шина интерфейсін) жаңа PowerPC архитектурасына енгізіп, клиенттеріне жаңарту мүмкіндігін ұсынды. Содан кейін 88000 процессордан тезірек бас тартылды.

Сәулет

68000 сияқты, 88000 де "таза" дизайн деп есептелді. Бұл таза 32 биттік жүктеу/сақтау архитектурасы, бөлек нұсқаулар және деректер кэштерімен (Гарвард архитектурасы), сондай-ақ жеке деректер және адрес шиналарымен жабдықталған. Ол кішкентай, бірақ қуатты командалар жиынтығына ие және жазық адрес кеңістігін қолданады. Архитектураның ерекше ерекшелігі – бүтін сан нұсқаулары мен қозғалатын нүкте нұсқаулары бірдей регистрлік файлды пайдаланады.

Қолданылу

88000 ISA-ның алғашқы іске асырылуы MC88100 микропроцессоры болды, оған интеграцияланған FPU енгізілген. Оған MC88200 MMU және кэш контроллері қосылды. Бұл міндеттерді бөлудің мақсаты көп процессорлы жүйелерді құруды жеңілдету болды; бір MC88200 төрт MC88100-ге дейін қолдау көрсетуге болатын. Дегенмен, бұл бір процессормен ең қарапайым жүйені құру үшін екі чипті және олардың арасындағы көптеген қосымша сымдарды қажет етті, бұл құнның өсуіне әкелді. Бұл 88000-нің шектеулі сәттілігіне тағы бір маңызды себеп болуы мүмкін. Бұл мәселе кейіннен суперскалярлы MC88110 арқылы шешілді, ол CPU, FPU, MMU және L1 кэшін бірге біріктіріп, бір корпусқа орналастырды. MIT-тың *T жобасының сұрауымен жасалған қосымша өзгерту MC88110MP-ге әкелді, ол көп процессорлы жүйелерде пайдалану үшін чип ішіндегі байланыс құралдарын қамтыды. 100 МГц жылдамдыққа дейін жететін нұсқасы MC88120 деп жоспарланған, бірақ ол ешқашан жасалмады. Ал 1990 жылдардың басында кіріктірілген (embedded) қолданбаларға арналған MC88300 іске асырылуы әзірленді, бірақ соңында жоба тоқтатылды. Ford Motor Company чиптерді пайдалануды жоспарлағандықтан, оларға PowerPC дизайны ұсынылды, олар оны қабылдады.

Өнімдер мен қолдану

Motorola 88000 негізіндегі "қораптан тыс" жүйелерді құру үшін MVME сериясы деп аталатын бір тақталы компьютерлер сериясын, сондай-ақ осы MVME тақталарын пайдаланатын 900 сериялы жинақталатын компьютерлерді шығарды. Мұнара немесе тіреудегі жүйелерден айырмашылығы, 900 сериясы бірін-бірің үстіне орналасып, автобус сияқты кабельдермен байланысты. Бұл тұжырым қабылдауға аспады. Басты үшінші тарап пайдаланушылары шектеулі болды. Олар тек Data General AViiON сериясында кеңінен қолданылды. Бұл жүйелер өте танымал болды және бүгінде де шектеулі түрде қолданылады. Кейінгі үлгілерде DG Intel-ге көшті. Encore Computer m88k негізінде Encore 91 машинасының құрамын жасады, содан кейін Infinity 90 сериясын толығымен жаңадан құрды, бірақ осы машиналардың нешеуі сатылғаны белгісіз. Олар Alpha архитектурасына көшті. Tektronix 1989 жылдың сәуір айында XD88 графикалық жұмыс станцияларын ұсынды. GEC Computers MC88100-ді GEC 4310 құрамында, GEC 4000 сериялы компьютерлерінің бірі ретінде пайдаланды, бірақ жадты басқару мәселелері оның бұрынғы есіктік тізбектерге негізделген және Am2900 негізделген GEC 4000 сериялы компьютерлерінен нашар жұмыс істеуіне әкелді. BBN Butterfly TC 2000 үлгісі MC88100 процессорын пайдаланды және 512 процессорға дейін кеңейтілді. Linotype Hell 88110-ды "Power" жұмыс станцияларында бейнелерді өңдеу үшін DaVinci растрлық графикалық редакторымен қолданды. MC88110 ешқашан шығарылмаған NeXT машинасының кейбір нұсқаларына, NeXT RISC Workstation-ға енгізілді, бірақ жоба 1993 жылы барлық NeXT аппараттық жобаларымен бірге тоқтатылды. Жапониядан шыққан 4 процессорлы OMRON LUNA 88K машиналары m88k-ті пайдаланды және Карнеги Меллон университетіндегі Mach ядролық жобасында қысқа мерзімге қолданылды. 1990 жылдардың басында Northern Telecom MC88100 және MC88110 телефондық коммутациялық құрылғыларының DMS SuperNode отбасындағы орталық процессор ретінде пайдаланды. Басқа пайдаланушылардың көпшілігі одан да кішкентай болды. Alpha Microsystems бастапқыда Motorola 68000 архитектурасынан 88K архитектурасына көшуді жоспарлаған және UNIX System V жүйесін іске қосатын машинаны ішкі түрде жасаған, бірақ кейіннен 68K туындыларының пайдасына бас тартты. NCD 88K X терминалдарында 88100 (88200 болмағанда) пайдаланды. Dolphin Server, құлдырап бара жатқан Norsk Data компаниясының еншілес кәсіпорны, 88k негізінде серверлер құрды. 1988-1992 жылдары шамамен 100 жүйе жеткізілді. Virtuality SU2000 виртуалды шындық аркада машинасының графикалық процессоры ретінде әрбір виртуалды шындық гарнитурасының әр экраны үшін бір MC88110-ты пайдаланды. Қалтадағы компьютерлер саласында F 15 S/MTD құрамындағы "Үш арналы VMS компьютері" үш 88000 процессорын үш еселенген компьютерде пайдаланды.

Motorola released a series of single board computers, known as the MVME series, for building "out of the box" systems based on the 88000, as well as the Series 900 stackable computers employing these MVME boards. Unlike tower or rack mount systems, the Series 900 sat on top of each other and connected to one another with bus like cabling. The concept never caught on. Major 3rd party users were limited. The only widespread use would be in the Data General AViiON series. These were fairly popular, and remain in limited use today. For later models, DG moved to Intel. Encore Computer built their Encore 91 machine on the m88k, then introduced a completely ground up redesign as the Infinity 90 series, but it is unclear how many of these machines were sold. Encore moved to the Alpha. Tektronix introduced their XD88 line of graphics workstations in April 1989. GEC Computers used the MC88100 to build the GEC 4310, one of the GEC 4000 series computers, but issues with memory management meant it didn't perform as well as their earlier gate array based and Am2900 based GEC 4000 series computers. The BBN Butterfly model TC 2000 used the MC88100 processor, and scaled to 512 CPUs. Linotype Hell used the 88110 in their "Power" workstations running the DaVinci raster graphics editor for image manipulation. The MC88110 made it into some versions of a never released NeXT machine, the NeXT RISC Workstation, but the project was canceled along with all NeXT hardware projects in 1993. The 4 processor OMRON LUNA 88K machines from Japan used the m88k, and were used for a short time on the Mach kernel project at Carnegie Mellon University. In the early 1990s Northern Telecom used the MC88100 and MC88110 as the central processor in its DMS SuperNode family of telephone switches. Most other users were much smaller. Alpha Microsystems originally planned to migrate to the 88K architecture from the Motorola 68000, and internally created a machine around it running UNIX System V, but it was later scrapped in favour of later 68K derivatives. NCD used the 88100 (without the 88200) in its 88K X Terminals. Dolphin Server, a spin off from the dying Norsk Data, built servers based on the 88k. Around 100 systems were shipped during 1988 1992. Virtuality used the MC88110 in the SU2000 virtual reality arcade machine as a graphics processor, with one MC88110 per screen of each virtual reality headset. In the embedded computer space, the "Tri channel VMS Computer" in the F 15 S/MTD used three 88000s in a triply redundant computer.

Операциялық жүйелерді қолдау

Motorola өзінің 88000 негізіндегі жүйелері үшін UNIX System V туындысы System V/88-ді шығарды. Екі маңызды релиз болды: Релиз 3.2, 3 нұсқасы және Релиз 4.0, 3 нұсқасы. Data General AViiON жүйелері DG/UX-те жұмыс істеді. OpenBSD порттары MVME жүйелері, LUNA 88K жұмыс станциялары және Data General AViiON жүйелері үшін қолжетімді. MVME жүйелері үшін кем дегенде бір ресми емес, эксперименталды NetBSD порты бар.