Эмулятор 68k в PowerPC Mac OS: История и Принципы Работы

Введение

Эмулятор программного обеспечения, встроенный в классическую Mac OS для PowerPC. Эмулятор Mac 68k — это эмулятор программного обеспечения, встроенный во все версии классической Mac OS для PowerPC. Этот эмулятор позволял запускать приложения и системный код, изначально разработанные для моделей Macintosh на базе процессоров 680x0. За редкими исключениями, например, RAM Doubler от Connectix, эмулятор запускал всё программное обеспечение без ощутимых изменений, за исключением снижения производительности по сравнению с программой, скомпилированной для PowerPC.

Происхождение

Первая версия была написана Гэри Дэвидианом, который изначально создал её для использования на процессоре Motorola 88000, применявшемся в первой неудачной попытке Apple создать RISC-платформу. Более поздняя версия, использующая динамическую рекомпиляцию, была разработана Эриком Траутом, который впоследствии работал над успешными проектами эмуляции в Connectix, такими как Virtual Game Station и Virtual PC. До прихода Траута в компанию Connectix выпустила Speed Doubler, в состав которого входил ещё более быстрый эмулятор PowerPC 68k.

Реализация

Все версии этого эмулятора эмулировали подмножество инструкций "user" набора 68EC040 с использованием стека исключений, аналогичного 68020/68030. Документация Apple указывает, что эмулятор обеспечивал операционную среду, наиболее близкую к среде Macintosh Centris 610 – системы на базе микропроцессора Motorola 68LC040. Ранние версии эмулировали его путем декодирования каждой инструкции и немедленного выполнения серии эквивалентных инструкций PowerPC. Для PowerMac с PCI использовался эмулятор динамической рекомпиляции для повышения производительности. Динамическая рекомпиляция работает путем "рекомпиляции" часто используемых участков кода в более быстрые, нативные для PowerPC последовательности, которые кэшировались локально. Эмулятор мог распознавать одну и ту же последовательность кода 680x0 и выполнять ранее кэшированный код PowerPC, чтобы избежать повторного перевода. Теоретически, этот эмулятор мог эмулировать код 680x0 быстрее, чем любой реальный процессор 680x0 мог бы его выполнить. Отсутствие инструкций с плавающей точкой в 68LC040 упрощало эту задачу, хотя и не делало ее менее впечатляющей. Одной из причин успеха этой эмуляции было то, что многие API для Mac OS изначально были реализованы как программные ловушки на процессоре 680x0. Следовательно, вызов API воспринимался процессором 680x0 как эквивалент условия ошибки, что приводило к обработке этой ошибки через один из его аппаратных векторов. Этот вектор, в свою очередь, находил и запускал подпрограмму операционной системы из ROM или RAM. В эмуляторе такие ловушки можно было заменять нативным кодом PowerPC, так что эмулировался только сам код приложения, а любой вызываемый им системный API мог быть ускорен с помощью нативного кода PowerPC. Это также позволило Apple портировать ОС на PowerPC. Сначала переписывались только критически важные части кода, оставляя большую часть ОС эмулированной. Постепенно большая часть ОС была переписана для нативной работы, что со временем повышало производительность ОС. Для программиста переход на PowerPC был относительно безболезненным, поскольку эмулятор запускался и останавливался автоматически. Это было реализовано с помощью нового типа указателя, называемого Universal Procedure Pointer (UPP). Для кода 68k этот указатель выглядел как обычный указатель на код и мог использоваться как таковой. Однако на самом деле он указывал на структуру данных, содержащую специальную инструкцию ловушки и флаги, указывающие архитектуру набора инструкций (ISA) вызываемого кода. Из кода PowerPC этот UPP можно было передать функции CallUniversalProc() для его вызова. Эмулятор 68k затем обрабатывал такие детали, как представление переданных параметров в правильном порядке для соответствующей ISA, а также запускал и останавливал эмулятор по мере необходимости. Компиляторы для Mac OS автоматически создавали такие UPP при использовании соответствующих макросов, а системные библиотеки PowerPC содержали нативные заглушки для прозрачного вызова нативных или все еще 68k функций по мере необходимости. Это означало, что работа с двойной архитектурой требовала от программиста минимальных усилий, и, как и в случае с ОС, приложения могли довольно легко комбинировать код 680x0 и PowerPC.

All versions of this emulator emulated the "user" subset of the 68EC040 instruction set with a 68020/68030 exception stack frame. Apple developer documents indicate that the emulator provided an operating environment most closely resembling that of the Macintosh Centris 610, a system based on the Motorola 68LC040 microprocessor. Early versions emulated it by decoding each instruction and immediately carrying out a series of equivalent PowerPC instructions. For the PCI PowerMacs, the dynamic recompilation emulator was used to boost performance. Dynamic recompilation works by "recompiling" common sections of the code into faster, PowerPC native, sequences that were locally cached. The emulator could recognise the same sequence of 680x0 code and run the previously cached PowerPC code to avoid doing the translation again. This emulator was theoretically capable of emulating 680x0 code faster than any real 680x0 was capable of running it. The 68LC040 had no floating point instructions, making this feat slightly simpler but no less impressive. One reason that this emulation was so successful is that many of the APIs for the Mac OS were originally implemented as traps on the 680x0 processor; therefore, calling an API actually was recognised by the 680x0 as the equivalent of an error condition, which would cause it to handle that error through one of its hardware vectors. In turn, this vector would look up and run the operating system routine from ROM or RAM. In the emulator, such traps could be replaced by native PowerPC code, so the only code being emulated was the application itself, and any system API it called could be accelerated with native PowerPC code. This also allowed Apple time to port the OS to the PowerPC. At first only time critical aspects were rewritten in native code, leaving much of the OS emulated. Gradually most of the OS was rewritten to be native, so the OS got faster over time. For the programmer, the transition to the PowerPC was made fairly painless, because the emulator was started and stopped automatically. This was achieved using a new type of pointer called a Universal Procedure Pointer (UPP). For 68k code, this pointer appeared to be an ordinary pointer to code and could be used as such. However, it actually led to a data structure which contained a special trap instruction and flags indicating the instruction set architecture (ISA) of the called code. From PowerPC code, this UPP could be passed to the CallUniversalProc( ) function to call it. The 68k emulator then dealt with details such as presenting passed parameters in the right order for the ISA in question, as well as starting and stopping the emulator as required. The compilers for Mac OS created such UPPs automatically when the proper macros were used, and the PowerPC system libraries contained native stubs to transparently call through to native or still 68k functions as needed. This meant that dealing with the dual architecture required very little work for the programmer, and just like the OS, applications themselves could mix and match 680x0 and PowerPC code fairly easily.

Текущий статус

Поскольку он был встроен во все версии PowerPC классической Mac OS, эмулятор также являлся частью среды Classic в Mac OS X. Эмуляторы PowerPC Macintosh, такие как SheepShaver, соответственно, также используют этот эмулятор при запуске классической Mac OS. Нативная Mac OS X вне среды Classic никогда не использовала эмулятор.