Хьюлетт-Паккардтың PA RISC архитектурасы

Кіріспе

Hewlett Packard Precision Architecture RISC (PA RISC) немесе Hewlett Packard Precision Architecture (HP/PA немесе жай ғана HPPA) – Hewlett Packard компаниясы 1980 жылдардан бастап 2000 жылға дейін әзірлеген жалпы мақсаттағы компьютерлік нұсқаулар жиынтығы архитектурасы (ISA). Архитектура алғаш рет 1986 жылдың 26 ақпанында HP 3000 сериялы 930 және HP 9000 модельді 840 компьютерлері TS1 атты алғашқы реализациясымен бірге таныстырылды. HP 2008 жылдың соңында PA RISC негізіндегі HP 9000 жүйелерін сатуды тоқтатты, бірақ 2013 жылға дейін PA RISC чиптерін қолдайтын серверлерді қолдауды жалғастырды. PA RISC-ті HP және Intel компаниялары бірлесіп әзірлеген Itanium (алғашқыда IA 64) ISA алмастырды.

Тарих

1980 жылдардың аяғында HP төрт компьютер сериясын жасады, барлығы CISC процессорларына негізделген. Бір желісі 1986 жылы басталған IBM PC-ге үйлесімді Intel i286 негізіндегі Vectra сериясы болды. Қалғандары Intel емес жүйелер болды. Олардың бірі – Motorola 68000 негізіндегі HP Series 300 жұмыс станциялары, тағы бір Series 200 желісі – арнайы сапфирге негізделген кремний (SOS) чип дизайнындағы техникалық жұмыс станциялары, SOS негізіндегі 16 биттік HP 3000 классикалық сериясы және соңында HP 9000 Series 500 миникомпьютерлері, өздерінің (16 және 32 биттік) FOCUS микропроцессорына негізделген. Precision Architecture – Hewlett Packard компаниясының ішінде Spectrum бағдарламасы ретінде белгілі болған жұмысының нәтижесі. HP Spectrum-ды PC-ге үйлесімсіз барлық машиналарын бір RISC процессорлық отбасына көшіру үшін жоспарлаған. 1982 жылдың басында HP зертханасында Precision Architecture бойынша жұмыстар басталды, нұсқаулар жиынтығы және виртуалды жад жүйесі анықталды. ТТЛ-дың алғашқы нұсқасын әзірлеу 1983 жылдың сәуірінде басталды. Процессордың симуляциясы 1983 жылы аяқталып, бағдарламалық жасақтаманы дамытушыларға 1984 жылдың шілдесінде түпкілікті процессор дизайны жеткізілді. 1985 жылы «зертханалық прототиптер», ал 1986 жылы өнім прототиптері жасалды. Алғашқы процессорлар 1986 жылы өнімдерге енгізілді. Онда 32 биттік бүтін сандық тіркелгілер және 16 биттік 64 биттік қозғалатын нүктелік тіркелгілер бар. HP Precision Architecture-да бір тармақты кідірту ұясы бар. Бұл тармақ нұсқаулығынан кейін келесі нұсқау орындалады, ал бағдарламаның басқару ағыны тармақтың мақсатты нұсқаулығына ауыстырылмайынша күтеді дегенді білдіреді. HP Precision процессоры сонымен қатар процессор күйі туралы сөз (PSW) тіркелгісін қамтиды. PSW тіркелгісінде виртуалды адрестеуді, қорғауды, үзілістерді және басқа да күй туралы ақпаратты қосатын әртүрлі флагтар бар. 1.1 нұсқасында қозғалатын нүктелік тіркелгілердің саны 16 жеткіліксіз және өнімділікті шектейтіні анықталғандықтан 32 есеге артты. Архитекторлар қатарында Аллен Баум, Ханс Джинс, Майкл Дж. Махон, Руби Бей Ло Ли, Рассел Као, Стив Мучник, Терренс С. Миллер, Дэвид Фотланд және Уильям С. Ворли болды. Бірінші іске асырылған TS1 – дискретті транзисторлық-транзисторлық логикалық (74F TTL) құрылғыларынан құралған орталық процессор. Кейінгі іске асырылымдар NMOS (NS1 және NS2) және CMOS (CS1 және PCX) процестерінде жасалған көп чипті VLSI жобалары болды. Олар алғаш рет 1980 жылдардың соңында HP 3000 машиналарының жаңа сериясында қолданылды – 930 және 950, сол кездегі даму зертханаларында «Spectrum жүйелері» деп белгілі болды. Бұл машиналар MPE XL-ді іске қосты. HP 9000 машиналары да жақын арада PA RISC процессорымен жаңартылды, UNIX-тің HP UX нұсқасын іске қосты. PA RISC архитектурасына портталған басқа операциялық жүйелерге Linux, OpenBSD, NetBSD, OSF/1, NeXTSTEP және ChorusOS кіреді. PA RISC желісінің ерекшелігі – оның көптеген буындарының 2-деңгейлі кэші жоқ. Оның орнына үлкен 1-деңгейлі кэштер қолданылады, бастапқыда жеке чиптер ретінде автобусқа қосылып, кейіннен чипке біріктірілді. Тек PA 7100LC және PA 7300LC-де L2 кэштері бар. PA RISC-тің тағы бір жаңалығы – MAX түріндегі векторлық нұсқаулардың (SIMD) қосылуы, олар алғаш рет PA 7100LC-де енгізілді. HP басқарған Precision RISC ұйымы 1992 жылы PA RISC архитектурасын ілгерілету үшін құрылды. Мүшелеріне Convex, Hitachi, Hughes Aircraft, Mitsubishi, NEC, OKI, Prime, Stratus, Yokogawa, Red Brick Software және Allegro Consultants, Inc. кірді. 1996 жылы ISA 64 битке дейін кеңейтілді, бұл түзету PA RISC 2.0 деп аталды. PA RISC 2.0 сонымен қатар кейбір қозғалатын нүктелі интенсивті алгоритмдерге көмектесетін біріктірілген көбейту-қосу нұсқауларын және мультимедиалық қолданбаларды жеделдетуге арналған нұсқауларды қамтитын MAX 2 SIMD кеңейтуін қосты. PA RISC 2.0-дің бірінші іске асырылған нұсқасы PA 8000 болды, ол 1996 жылдың қаңтарында ұсынылды.

In the late 1980s, HP was building four series of computers, all based on CISC CPUs. One line was the IBM PC compatible Intel i286 based Vectra Series, started in 1986. All others were non Intel systems. One of them was the HP Series 300 of Motorola 68000 based workstations, another Series 200 line of technical workstations based on a custom silicon on sapphire (SOS) chip design, the SOS based 16 bit HP 3000 classic series, and finally the HP 9000 Series 500 minicomputers, based on their own (16 and 32 bit) FOCUS microprocessor. The Precision Architecture is the result of what was known inside Hewlett Packard as the Spectrum program. HP planned to use Spectrum to move all of their non PC compatible machines to a single RISC CPU family. In early 1982, work on the Precision Architecture began at HP Laboratories, defining the instruction set and virtual memory system. Development of the first TTL implementation started in April 1983. With simulation of the processor having completed in 1983, a final processor design was delivered to software developers in July 1984. Systems prototyping followed, with "lab prototypes" being produced in 1985 and product prototypes in 1986. The first processors were introduced in products during 1986. It has thirty two 32 bit integer registers and sixteen 64 bit floating point registers. The HP Precision Architecture has a single branch delay slot. This means that the instruction immediately following a branch instruction is executed before the program's control flow is transferred to the target instruction of the branch. An HP Precision processor also includes a Processor Status Word (PSW) register. The PSW register contains various flags that enable virtual addressing, protection, interruptions, and other status information. The number of floating point registers was doubled in the 1.1 version to 32 once it became apparent that 16 were inadequate and restricted performance. The architects included Allen Baum, Hans Jeans, Michael J. Mahon, Ruby Bei Loh Lee, Russel Kao, Steve Muchnick, Terrence C. Miller, David Fotland, and William S. Worley. The first implementation was the TS1, a central processing unit built from discrete transistor–transistor logic (74F TTL) devices. Later implementations were multi chip VLSI designs fabricated in NMOS processes (NS1 and NS2) and CMOS (CS1 and PCX). They were first used in a new series of HP 3000 machines in the late 1980s – the 930 and 950, commonly known at the time as Spectrum systems, the name given to them in the development labs. These machines ran MPE XL. The HP 9000 machines were soon upgraded with the PA RISC processor as well, running the HP UX version of UNIX. Other operating systems ported to the PA RISC architecture include Linux, OpenBSD, NetBSD, OSF/1, NeXTSTEP, and ChorusOS. An interesting aspect of the PA RISC line is that most of its generations have no level 2 cache. Instead large level 1 caches are used, initially as separate chips connected by a bus, and later integrated on chip. Only the PA 7100LC and PA 7300LC have L2 caches. Another innovation of the PA RISC is the addition of vector instructions (SIMD) in the form of MAX, which were first introduced on the PA 7100LC. Precision RISC Organization, an industry group led by HP, was founded in 1992, to promote the PA RISC architecture. Members included Convex, Hitachi, Hughes Aircraft, Mitsubishi, NEC, OKI, Prime, Stratus, Yokogawa, Red Brick Software, and Allegro Consultants, Inc. The ISA was extended in 1996 to 64 bits, with this revision named PA RISC 2.0. PA RISC 2.0 also added fused multiply–add instructions, which help certain floating point intensive algorithms, and the MAX 2 SIMD extension, which provides instructions for accelerating multimedia applications. The first PA RISC 2.0 implementation was the PA 8000, which was introduced in January 1996.