Архитектура HP Precision: История и особенности PA-RISC

Введение

Архитектура набора команд Hewlett Packard Precision Architecture RISC (PA RISC) или Hewlett Packard Precision Architecture (HP/PA или просто HPPA) — это архитектура набора команд (ISA) для компьютеров общего назначения, разработанная компанией Hewlett Packard с 1980-х по 2000-е годы. Архитектура была представлена 26 февраля 1986 года с выпуском компьютеров HP 3000 серии 930 и HP 9000 модели 840, в которых была реализована первая версия – TS1. Компания HP прекратила продажи систем HP 9000 на базе PA RISC в конце 2008 года, но продолжала поддерживать серверы с процессорами PA RISC до 2013 года. Архитектуре PA RISC на смену пришла ISA Itanium (первоначально IA 64), разработанная совместно HP и Intel.

История

В конце 1980-х годов HP производила четыре серии компьютеров, все на базе процессоров CISC. Одной из них была совместимая с IBM PC Vectra Series на базе Intel i286, запущенная в 1986 году. Все остальные системы не были совместимы с IBM PC. Одной из них была серия HP 3000 на базе рабочих станций Motorola 68000, другая – серия 200 технических рабочих станций, основанная на специализированном чипе SOS (silicon on sapphire), серия 16-битных классических HP 3000 на базе SOS и, наконец, 32-битные миникомпьютеры HP 9000 серии 500, основанные на собственном микропроцессоре FOCUS. Архитектура Precision Architecture – результат программы Spectrum, разработанной внутри Hewlett Packard. HP планировала использовать Spectrum для перехода всех своих машин, несовместимых с IBM PC, на единое семейство RISC-процессоров. Работа над архитектурой Precision Architecture началась в лабораториях HP в начале 1982 года с определения набора инструкций и системы виртуальной памяти. Разработка первой реализации на TTL-логике началась в апреле 1983 года. После завершения моделирования процессора в 1983 году, в июле 1984 года окончательный проект был передан разработчикам программного обеспечения. Затем последовало создание прототипов систем: в 1985 году были изготовлены лабораторные прототипы, а в 1986 году – опытные образцы. Первые процессоры были внедрены в продукты в 1986 году. Архитектура включает в себя тридцать два 32-битных целочисленных регистра и шестнадцать 64-битных регистров с плавающей точкой. HP Precision Architecture имеет один слот задержки ветвления. Это означает, что инструкция, следующая непосредственно за инструкцией ветвления, выполняется до того, как управление программой будет передано целевой инструкции ветвления. Процессор HP Precision также включает в себя регистр состояния процессора (PSW), содержащий различные флаги, обеспечивающие виртуальное адресное пространство, защиту, обработку прерываний и другую служебную информацию. Количество регистров с плавающей точкой было увеличено до 32 в версии 1.1, когда стало очевидно, что 16 регистров недостаточны и ограничивают производительность. Среди архитекторов были Аллен Баум, Ханс Джинс, Майкл Дж. Махон, Руби Бей Ло Ли, Рассел Као, Стив Мучник, Терренс С. Миллер, Дэвид Фотланд и Уильям С. Ворли. Первой реализацией стала TS1 – центральный процессор, построенный на дискретных транзисторно-транзисторных логических элементах (74F TTL). Последующие реализации представляли собой многокристальные интегральные схемы VLSI, изготовленные по технологиям NMOS (NS1 и NS2) и CMOS (CS1 и PCX). Впервые они были использованы в новой серии машин HP 3000 в конце 1980-х годов – моделях 930 и 950, которые в то время широко известны как системы Spectrum, название, данное им в лабораториях разработки. Эти машины работали под управлением MPE XL. Вскоре машины HP 9000 были модернизированы процессором PA RISC и работали под управлением HP UX, версии UNIX. Другие операционные системы, портированные на архитектуру PA RISC, включают Linux, OpenBSD, NetBSD, OSF/1, NeXTSTEP и ChorusOS. Особенностью линейки PA RISC является то, что большинство ее поколений не имеют кэша второго уровня. Вместо этого используются большие кэши первого уровня, первоначально реализованные в виде отдельных чипов, соединенных шиной, а затем интегрированные непосредственно в кристалл процессора. Кэши L2 присутствуют только в моделях PA 7100LC и PA 7300LC. Еще одним нововведением PA RISC стало добавление векторных инструкций (SIMD) в виде MAX, впервые представленных в PA 7100LC. Precision RISC Organization, отраслевая группа под руководством HP, была основана в 1992 году для продвижения архитектуры PA RISC. В нее входили Convex, Hitachi, Hughes Aircraft, Mitsubishi, NEC, OKI, Prime, Stratus, Yokogawa, Red Brick Software и Allegro Consultants, Inc. В 1996 году ISA была расширена до 64 бит, и эта версия получила название PA RISC 2.0. PA RISC 2.0 также добавила инструкции fused multiply–add, которые ускоряют определенные алгоритмы, интенсивно использующие операции с плавающей точкой, и расширение SIMD MAX 2, обеспечивающее инструкции для ускорения мультимедийных приложений. Первой реализацией PA RISC 2.0 стал PA 8000, представленный в январе 1996 года.

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.