Технология PowerPC

Реализации процессора AS/400

Первые использовавшиеся в AS/400 RISC-процессоры поддерживали только режим активных тегов и только структуру вводавывода AS/400. Поэтому они выполняли приложения, но не операционные системы, написанные для стандартного процессора PowerPC. Любая другая операционная система на одном из этих процессоров для таких функций как ввод-вывод должна пользоваться средствами, предоставляемыми операционной системой AS/400. (Подробнее об этом — в следующих лекциях).

Последнее поколение RISC-процессоров для AS/400е поддерживает и режим активных тегов, и режим неактивных тегов, а, кроме того, обе структуры вводавывода одновременно. Они способны исполнять любую ОС для PowerPC и используются как в серии AS/400е, так и в RS/6000. Процессоры будущего сохранят эти характеристики.

Процессоры Muskie первого поколения

Процессор первого поколения, известный под названием Muskie^{11При объявлении этих процессоров им были присвоены номера, а не имена. Например, процессору Muskie был дан весьма незатейливый идентификатор А30. Но так как названия гораздо легче для восприятия, в разговоре о процессорах AS/400 мы будем пользоваться ими вместо цифр.}, был разработан в Рочестере в 1995 году как старшая модель процессора для AS/400. На тот момент он был самым быстрым процессором PowerPC и самым быстрым микропроцессором IBM. Первоначально он имел время цикла 6,5 наносекунд, что соответствует тактовой частоте 154 МГц. В 1996 году мы представили еще более быстрые его версии со временем цикла 5,5 наносекунд (182 МГц).

Muskie явно предназначен для использования в системах коммерческих расчетов, а не в технических рабочих станциях. И хотя это не самая последняя наша разработка PowerPC, его стоит рассмотреть подробнее, чтобы понять различия между процессорами, предназначенными для коммерческих и научнотехнических расчетов. Тогда станет ясно, почему было решено сконцентрировать усилия Рочестера на разработке процессоров для коммерческих вычислений (и для AS/400, и для RS/6000), тогда как Остин занимается процессорами для научно-технических расчетов.

Процессор Muskie — одномодульный, многокристальный, конвейерный, супер-скалярный и предназначен для старших RISC-моделей AS/400. Это единственный многокристальный процессор семейства PowerPC. Процессор построен по четырех канальной (4way) суперскалярной схеме, то есть может выбирать и исполнять до четырех команд за цикл. Кроме того, поддерживаются и многопроцессорные конфигурации.

Вместе со всеми вспомогательными схемами процессор Muskie занимает семь кристаллов. Последние упакованы в один многокристальный модуль, насчитывающий более 25 миллионов транзисторов. Один из кристаллов управляет вводом-выводом, то есть технически не является частью процессора. Прочие шесть кристаллов, составляющих процессор, вместе с соединениями между ними показаны на рисунке 2.4.

Рис. 2.4. Эволюция PowerPC

Однокристальные процессоры обычно изготавливаются по технологии КМОП (комплиментарный метал-окисел-полупроводник). Микросхемы КМОП потребляют меньше мощности, чем микросхемы других технологий, то есть рассеивают меньше тепла. В результате, на одном кристалле может быть размещено больше транзисторов. Пока все схемы размещены на одном кристалле, маломощные цепи КМОП работают очень быстро. Иначе обстоит дело со связями между кристаллами. При использовании усилителей КМОП в многокристальном процессоре производительность уменьшается.

Все шесть кристаллов Muskie используют технологию БиКМОП (Биполярный-КМОП). Биполярная технология имеет высокое быстродействие (в этом ее преимущество) и потребляет большую мощность. Недостаток БиКМОП — большое выделение тепла. Из-за объема рассеиваемого тепла биполярные кристаллы не могут использовать столь же высокую плотность упаковки, как кристаллы КМОП. Технология БиКМОП позволяет размещать на одном кристалле как биполярные цепи (для внешних усилителей), так и цепи КМОП (для схем внутри кристалла).

БиКМОП отлично подходит для многокристального процессора. Например, известный Intel Pentium Pro выполнен в виде двухкристального модуля и использует технологию БиКМОП по тем же причинам, что и Muskie.

Чтобы понять, почему для реализации данной технологии требуется так много транзисторов, рассмотрим микросхемы процессора подробнее.

В состав шести основных кристаллов, составляющих процессор, входят кристалл процессорного блока PU (Processing Unit), кристалл блока плавающей точки FPU (FloatingPoint Unit) и четыре одинаковых кристалла блоков управления основной памятью MSCU (Main Store Control Unit). На кристалле PU расположены кэш команд, блок переходов и блок фиксированной точки. Кэш команд размером 8 килобайт имеет ширину 32 байта. Он может выбирать из памяти за один такт 32 байта (8 команд^{12Все команды PowerPC как для 32-, так и для 64-разрядных процессоров имеют размер 32 разряда.} ). Для передачи больших объемов данных за один такт имеются 32байтовые тракты данных. Даже регистровый стек блока фиксированной точки рассчитан на загрузку или сохранение четырех 64-разрядных регистров за один такт.

FPU размещается на отдельном кристалле и поддерживает стандарт IEEE для операций с плавающей точкой. Он спроектирован так, что способен выдавать результат в каждом такте, обеспечивая очень высокую производительность команд с плавающей точкой. Четыре команды за такт передаются от кристалла PU на кристалл FPU по 16байтовой Pшине. Все данные, хранимые в памяти, также пересылаются из PU по Pшине в кэш данных. Данные для FPU выбираются из кэша данных со скоростью 32 байта за такт. Данные из FPU и PU пересылаются в кэш данных по 16-байтовой шине сохранения.

MSCU содержит кэш данных, а также интерфейс памяти. Все четыре кристалла совместно реализуют 256килобайтовый кэш данных и интерфейсы к шинам данных (см. рисунок 2.4). Обращения к кэшу данных выполняются конвейерно, так что за каждый такт считываются 32 и сохраняются 16 байт данных. MSCU поддерживает многопроцессорные конфигурации, обеспечивая когерентность кэшей разных процессоров.

PU и FPU вместе насчитывают 5 конвейеров, однако в каждом цикле может быть распределено только 4 команды, а именно:

1. команда перехода (включая операцию над содержимым регистра условия);
2. команда загрузки/сохранения;
3. команда арифметики с фиксированной точкой;
4. команда фиксированной точки (логическая, сдвиг или циклический сдвиг; или команда плавающей точки).

Команды плавающей точки исполняются в FPU, но не могут быть выбраны на выполнение одновременно с командами фиксированной точки для логических операций, сдвига или циклического сдвига, выполняемыми в PU. Обратите внимание, что конвейер загрузки/сохранения выполняет выборку и запись данных как с фиксированной, так и с плавающей точкой. Несколько конвейеров выполняют фрагменты не скольких команд одновременно.

Процессор Muskie также может работать с разделяемой памятью, и таким образом поддерживает симметричное мультипроцессирование. Muskie первого поколения поддерживал конфигурации до 4 процессоров.

Будучи самым быстрым RISC-процессором IBM своего времени, Muskie оптимизирован для нужд коммерческих вычислений. Для иллюстрации приведем некоторые характеристики.

• Системы и серверы для коммерческих расчетов должны обрабатывать огромные объемы данных. 16-байтовые (128 бит) и 32-байтовые (256 бит) шины позволяют Muskie справляться с этими задачами. Для сравнения: типичные 8-байтовые (64-разрядные) шины, используемые большинством высокопроизводительных RISC-процессоров, предназначены для рабочих станций, где объем обрабатываемых данных гораздо меньше.
• Кэш — обычно слабое место большинства RISC-процессоров, даже если система способна перемещать большие объемы данных. Для устранения этого недостатка в Muskie предусмотрен 256килобайтовый кэш данных, работающий за один цикл.
• Поскольку команда перехода может вызвать простой конвейера, современные RISC-процессоры, подобно суперЭВМ, реализуют некоторую разновидность предсказания переходов. Для большинства RISC-процессоров точность предсказания переходов при выполнении технических задач составляет 80-90 процентов, благодаря тому, что в технических задачах процессор многократно повторяет последовательность команд тела цикла. Для программ подобного типа предсказание переходов работает отлично. В программах для коммерческих задач циклов гораздо меньше и точность предсказания переходов может быть ниже 50 процентов (это соответствует точности случайного выбора). Поэтому, вместо того чтобы пытаться угадать место перехода, Muskie выбирает команды из обоих мест перехода и начинает выполнять их. Данный метод, называемый спекулятивным выполнением (speculative execution), требует очень скоростного кэша (чем Muskie обладает), но зато позволяет достичь по сути стопроцентной точности на задачах любого типа.
• Еще один важный аспект коммерческих вычислений — высокие требования к целостности данных и коэффициенту готовности. Muskie реализует коды коррекции ошибок для всех связей за переделами кристаллов. Кроме того, большая часть логики управления и передачи данных на каждом кристалле также содержит различные схемы контроля. Типичный же RISC-процессор для рабочей станции вряд ли способен на чтолибо подобное в области определения и исправления ошибок.

Процессоры Cobra первого и второго поколения

Как и Muskie, процессоры Cobra имеют расширенную 64-разрядную архитектуру PowerPC. Они суперскалярные, что позволяет использовать параллелизм на уровне команд. Функционально оба семейства процессоров исполняют один и тот же набор команд уровня приложений. Некоторые различия между ними заключаются в реализации необязательных команд. Так Cobra предназначается для средних и младших моделей AS/400, поэтому реализация команд, поддерживающих, например, мультипроцессирование, в нем не предусмотрена.

Все четыре модели процессоров Cobra разработаны в Эндикотте. В системах AS/400, объявленных в 1995 году, используются Cobra4 и CobraCR (CR расшифровывается как "cost reduced" — "цена уменьшена"). CobraCR — это Cobra4, но с возможностью работать только на частоте 50 МГц, самой низкой для этого процессора^{13Cobra4 может работать и на более высоких частотах. С характеристиками этого процессора мы скоро познакомимся.}.

Специально для тестирования нового программного обеспечения операционной системы команда проектировщиков в Эндикотте разработала вариант Cobra0. Он никогда не применялся в AS/400.

Существовала также версия CobraLite, названная так, поскольку в ней отсутствуют 17 обязательных команд PowerPC^{14CobraLite является первым поколением процессоров RISC, которые использовались в AS/400. Последующие модели Cobra, реализующие полный набор команд PowerPC, рассматриваются как второе поколение CobraLite.}. Ее разработала небольшая группа из Рочестера для системы Advanced 36, анонсированной в 1994 году.

При разработке процессоров Cobra ставилась задача объединить процессор и интерфейс памяти на одном кристалле, который, в результате, содержит 4,7 миллиона транзисторов. Интерфейс шины вводавывода располагается на отдельном кристалле, что позволяет использовать процессор с разными интерфейсами ввода-вывода. Cobra использует КМОП, а не БиКМОП, а точнее — технологию, названную IBM CMOS-5L. В результате, процессор рассеивает меньше тепла, чем Muskie, и меньше его нуждается в охлаждении. Только процессоры Cobra помещаются в корпуса не большого размера, изготовленные для Advanced Series в 1994 году.

Подобно Muskie, Cobra имеет 5 конвейеров, но за один цикл может распределять не более трех команд (то есть выполнен по трехканальной суперскалярной схеме). Это команды:

1. перехода (включая команду регистра условия);
2. загрузки/сохранения;
3. арифметики с фиксированной точкой (включая логические команды, команды сдвига и циклического сдвига), или команда плавающей точки, или команда регистра условия.

Три конвейера (фиксированной точки, плавающей точки и команд регистра условия) совместно используют третий слот диспетчирования команд.

Первые процессоры Cobra работали на тактовых частотах 50 и 77 МГц, но их конструкция, как уже упоминалось, допускает и более высокие частоты. Для поддержания подобной скорости Cobra имеет 4-килобайтный внутренний (на кристалле) кэш команд и 8-килобайтный (также внутренний) кэш данных. По сравнению с Muskie, это не очень много. Большой кэш трудно разместить в однокристальном процессоре, поэтому процессоры, подобные Cobra, используют иерархию кэшей. Маленькие внутренние кэши (называемые кэшами первого уровня или кэшами L1) дополняются большим по размеру внешним кэшем (кэш второго уровня или L2). Cobra может работать с внешним (на отдельной микросхеме) кэшем L2 размером 1 мегабайт.