Технология PowerPC

Архитектура PowerPC

Архитектура PowerPC обладает всеми обычными характеристиками архитектуры RISC: команды фиксированной длины, операции регистр-регистр, простые режимы адресации и большой набор регистров. Но есть и характеристики, отличающие ее от других.

Как уже упоминалось, архитектура PowerPC — полностью 64-разрядная с 32-разрядным подмножеством. Она допускает как 32-разрядные, так и 64-разрядные версии процессоров PowerPC, но все они должны поддерживать, как минимум, 32-разрядное подмножество. Архитектура определяет переключатель режима 32/64, которые может использоваться операционной системой, чтобы позволить 64-разрядному процессору выполнять 32-разрядные программы.

В основе набора команд лежит идея суперскалярной реализации. В суперскалярном процессоре за один такт несколько команд могут быть распределены на несколько конвейеров. Аппаратура процессора просматривает поток команд и отправляет на выполнение максимально возможное число независимых команд (обычно от двух до четырех за цикл). Эти команды могут далее выполняться параллельно и даже завершиться в порядке, отличном от первоначального. Такой дополнительный параллелизм может значительно увеличить общую производительность процессора.

Команды направляются одновременно в три независимых исполняющих блока. Общая структура PowerPC показана на рисунке 2.3: блок переходов, блок фиксированной точки и блок плавающей точки. Также показан кэш команд^{9Кэш — это быстродействующая память небольшого объема, выступающая в роли буфера для основной памяти. У большинства RISC-процессоров отдельные кэши команд и данных. Если процессор однокристальный кэши могут располагаться либо на кристалле, либо в отдельной микросхеме, тогда как основная память всегда реализуется в виде отдельных микросхем.}, кэш данных, память и пространство вводавывода, которое в данной архитектуре выглядит как часть памяти.

Рис. 2.3. Эволюция PowerPC

Для каждого исполняющего блока архитектурой определен независимый набор регистров. Любая определенная архитектурой команда может выполняться только одним типом управляющих блоков. Таким образом, у каждого блока собственный набор регистров и собственный набор команд. Эти исполняющие блоки часто называют процессорами, так как им присущи все характеристики процессора. Можно считать, что процессор PowerPC содержит три отдельных процессора - исполняющих блока. При этом каждый исполняющий блок может иметь несколько конвейеров команд. Если, например, для модели, оптимизированной для вычислительных задач, важна производительность операций с плавающей точкой, то блок плавающей точки может содержать два и более конвейеров и, таким образом, выполнять более одной команды плавающей точки одновременно. То же самое верно и для двух других блоков. В принципе, возможно создать процессоры PowerPC, способные выполнять пять и более команд одновременно.

Преимущество такой схемы не только в одновременном выполнении нескольких команд, но также и в минимальной необходимости взаимодействия и синхронизации между блоками, что достигается благодаря наличию у каждого блока отдельных ресурсов. Исполняющие блоки могут подстраиваться под изменяющийся поток команд, позволять командам обгонять друг друга и завершаться в ином порядке.

Другая характеристика архитектуры PowerPC, отличающая ее от обычного RISC-процессора - использование нескольких составных команд. Самой большой недостаток RISC по сравнению с CISC — увеличение объема кода. Для выполнения одной и той же программы RISC требуется больше команд, чем CISC. Составные команды позволяют уменьшить это разрастание кода. Некоторые из них очень просты, например, обновление регистра базы при загрузке и сохранении, что позволяет исключить дополнительную команду прибавления. Другие более сложны, например, команды множественной загрузки и сохранения, позволяющие перемещать значения нескольких регистров одной командой. Есть также команды загрузки/сохранения цепочек, которые позволяют загружать и сохранять произвольно выровненную цепочку байтов. Фанатики CISC узнают в последней паре команд не слишком хорошо замаскированные команды пересылки символов.

Ортодоксы RISC негодуют и обвиняют архитекторов PowerPC в том, что они "продались" сторонникам CISC. На самом же деле, надо просто понять, что в реальности некоторые операции, такие как пересылка невыравненных строк байтов, происходят достаточно часто и требуют определенной оптимизации. Если составная команда дает то, что нужно, даже нарушая при этом какое-то неписаное правило "чистого" RISC, то пусть так и будет. Составные команды не означают возврата к архитектуре CISC, однако их применение в RISC-процессорах лишний раз доказывает, что в мире нет ничего абсолютно белого или черного.

Интенсивное применение суперскалярных возможностей и использование составных команд составляют философию проектирования архитектуры PowerPC. Эта философия используется также и другими архитектурами, такими как Sun SuperSPARC и Motorola 88110. Есть мнение, что такая сложность затрудняет достижение процессорами высоких тактовых частот, обычно измеряемых мегагерцами (МГц). Сторонники этой точки зрения полагают, что большая производительность может быть достигнута скорее за счет высокой тактовой частоты, а не интенсивного параллелизма на уровне команд.

Что такое МГц? В последние годы стало популярным выражать производительность микросхемы процессора ЭВМ с помощью этой единицы измерения. Для простоты восприятия, ее можно соотнести с оборотами в минуту автомобильного двигателя: эта величина показывает, насколько быстро вращается двигатель автомобиля, или сколько оборотов в минуту совершает коленчатый вал. Скорость процессора можно рассматривать как число тактов, которое он может выполнить в секунду. За один такт процессор обычно может выполнить одну простую команду, так что иногда данная величина воспринимается как приблизительное число команд, выполняемое процессором в секунду. Физическая единица герц (Гц) получила свое название в честь немецкого физика и равна одному циклу в секунду. Один мегагерц (МГц) - это миллион циклов в секунду.

Философию высокой тактовой частоты можно проиллюстрировать и примерами архитектур Digital Alpha, HP PARISC и MIPS R4000. Возьмем, например, PARISC 1.1. Этот процессор обычно выполняет две команды за такт. Менее мощные модели PowerPC могут за такт исполнять три команды, тогда как старшие модели - четыре и более. Этот дополнительный параллелизм дает PowerPC выигрыш в производительности, хотя и за счет увеличения сложности, что может снизить тактовую частоту.

Спор о том, какая из этих двух точек зрения лучше, продолжается. Противоборствующие лагеря условно можно назвать "Speed Daemons" (высокая тактовая частота) и "Brainiacs" (сложность). Суть вопроса в том, что тактовая частота, измеряемая мегагерцами, не всегда адекватно отражает общую производительность процессора. 150 МГц Brainiac может легко превзойти по производительности 300 МГц Speed Daemon. Все зависит от выполняемой программы и степени параллелизма команд, которой может достичь компилятор.

Некоторые новости указывают на то, что чаша весов склоняется на сторону архитектур Brainiac, таких как PowerPC. Судя по описанию, новая архитектура HP, получившая название PA-RISC 2.0, выглядит так, словно ее создатели поддались зову сирены сложности. Так как архитектура PA-RISC 2.0 остается процессор ориентированной, то как объявлено HP, 64-разрядные приложения для новой аппаратуры появятся примерно через 35 лет.

Расширения архитектуры PowerPC

Так как первое поколение процессоров PowerPC создавалось специально под AS/400 и не было PowerPC в полном смысле, мы решили дать этим процессорам новое название - PowerPC Optimized for the AS/400 Advanced Series, но так как это труднопроизносимо, решено было остановиться на более кратком варианте ѕ PowerPC AS. Большинство расшифровывают AS как Advanced Series, но многие из нас предпочитают считать, что это Amazon Series. Во втором поколении наших процессоров, представленном в 1997 году, мы реализовали и полную архитектуру PowerPC, и все расширения. Так как те же самые процессоры используются RS/6000, то обозначение AS более не имеет смысла. Самое существенное новшество архитектуры для AS/400 — использование тегов памяти (memory tags), которые будут подробно рассмотрены в "Одноуровневая память" . А вкратце мы поговорим об этом прямо сейчас.

В System/38 была реализована концепция одноуровневой памяти. Проще говоря, вся память, включая дисковую, представляет собой большое единое адресное пространство. Нам был необходим эффективный механизм защиты памяти от пользователей, не имеющих права доступа к ним. В MI адресация выполнялась с помощью 16-байтовых указателей. Указатель содержит некоторый адрес, и пользователь может этот адрес изменить (подробнее об этом будет рассказано в "Объекты" ). Поскольку адрес после изменения может указывать на любую область памяти, необходимо предотвратить неавторизованные изменения адресов пользователями.

С каждым словом памяти System/38, имеющим 32 разряда данных, связан специальный бит защиты памяти, называемый битом тега (tag bit). Указатель MI занимает четыре таких слова. Всякий раз, когда операционная система сохраняет в четырех последовательных словах памяти указатель, аппаратура включает (устанавливает в 1) четыре бита тега, для индикации того, что указатель содержит адрес, допустимый для данного пользователя. Если пользователь изменяет в памяти любую часть указателя, то аппаратура выключает (устанавливает в 0) бит тега. Если хотя бы один из битов тега сброшен, то адрес в указателе неверен и не может быть использован для доступа к памяти.

В целях безопасности бит тега не может быть одним из битов данных внутри слова, так как последние пользователь может видеть и изменять. Он должен быть скрытым, то есть храниться в недоступной пользователю области памяти, но где именно?

System/38 использует для каждого слова памяти биты кода коррекции ошибок. Содержащая их часть памяти невидима программам, работающим поверх MI. Мы решили добавить к битам кода коррекции ошибок еще один и использовать его как бит тега. При изменении слова памяти какой-либо пользовательской программой, процессор должен автоматически сбрасывать скрытый бит тега. Ведь если данное слово станет частью указателя, то тот будет неверным. Только микрокод расположенный ниже MI имеет команды для включения битов тега.

В памяти AS/400 также используются биты тега. Поскольку в архитектуре PowerPC таковые не предусмотрены, нам пришлось добавить к ней режим активных тегов (tagsactive mode). В этом режиме процессор "знает" о битах тега и будет сбрасывать их всякий раз, когда пользователь изменяет слово в памяти. Все процессоры AS/400 работают в режиме активных тегов. Существующие процессоры PowerPC используют режим неактивных тегов.

65-разрядный процессор?

В AS/400 ширина слова памяти возросла до 64 разрядов данных. С каждой восьмеркой байтов памяти AS/400 связан бит тега и указатель MI, занимающий два таких слова. В 1991 году нам виделись некоторые преимущества в том, чтобы хранить два теговых бита в регистрах новых RISC-процессоров, так же как и в памяти. Кроме того, мы хотели сократить размер указателей MI до 8 байтов. Внутри 16-байтовых указателей было неиспользуемое пространство, и казалось, что как раз настал подходящий момент сжать их.

Для того чтобы хранить такие тегированные указатели в регистрах, размер целочисленных регистров нужно было увеличить до 65 разрядов. Мы разрабатывали описанную схему около года, но в 1992 году отказались от нее и вернулись к решению, хранить теги только в памяти. На то было три основных причины. Во-первых, изменение размера указателя влияло на OS/400 и требовало слишком многих модификаций ее кода. Во-вторых, такой подход ограничивал будущие расширения размера адреса 64 разрядами. И третье, самое важное — процессоры в режиме активных тегов оказались бы несовместимы с набором команд PowerPC.

Первоначально мы не считали совместимость с PowerPC важной. Будущие процессоры, реализующие режим неактивных тегов, где 65-й разряд игнорируется, были бы полностью совместимы с PowerPC. А реализация 32-разрядных команд в режиме активных тегов и соответствующее программное обеспечение не планировалась даже в начале проекта. Ведь предполагалось, что этот режим будет использоваться только операционной системой AS/400, которая имеет дело с 64-разрядными командами.

Затем, когда было решено поддерживать совместимость с набором команд PowerPC, мы избавились от 65-го разряда в процессоре. Тогда намечалось некое слияние операционных систем IBM (см. Приложение). В рамках этого проекта предполагалось и программное обеспечение, большая часть которого предназначалась для 32-разрядного процессора. Поэтому мы обеспечили поддержку 32-разрядного набора команд всеми процессорами даже в режиме активных тегов. Наши процессоры второго поколения имеют режимы как активных, так и неактивных тегов и могут исполнять все прикладное и системное ПО PowerPC.

Хотя мы вернулись к 64-разрядным процессорам уже много лет назад, даже в IBM есть люди, по-прежнему упоминающие 65-разрядные, которые так никогда и не были созданы. Эта путаница возникает потому, что многие не знают, что собственно делает бит тега. Вероятно, если бы мы назвали его "битом защиты указателя в памяти" (pointer in memory protection), то не ввели бы в заблуждение столько народу. Но боюсь, тогда бы нам пришлось все время объяснять, зачем нам понадобился "бит pimp"^{10Буквальный перевод с английского — "сводник". — Прим. переводчика.}.

Система команд Amazon

Архитектура PowerPC определяет привилегированные операции и команды, используемые только операционной системой и не предназначенные для прикладных программ. В AS/400 после специальных расширений этим "ведает" режим активных тегов. Например, механизм трансляции адреса должен поддерживать и одноуровневую память с единым адресным пространством, и обычную память с отдельным адресным пространством для каждого процесса. Мы используем режим активных тегов для того, чтобы приказать процессору использовать одноуровневую память. В режиме неактивных тегов процессор использует обычную трансляцию адреса PowerPC.

В состав других расширений AS/400 входят команды для работы с десятичными числами, некоторые новые команды загрузки и сохранения, а также расширения внутреннего регистра состояния процессора, предназначенные для оптимизации выполнения переходов. Мы не будем терять сейчас время на объяснение того, как эти команды используются в AS/400, а отложим это до следующих лекций, где рассмотрим, как используется каждая из расширенных команд, более подробно.

А сейчас хочу привести некоторые цифры. Они помогут подытожить разговор об изменениях в архитектуре AS/400 и связанных с ними перспективах развития архитектуры PowerPC.

• 32-разрядная архитектура PowerPC определяет 187 команд, причем 11 из них — необязательные.
• 64-разрядная архитектура PowerPC определяет 228 команд (187 из 32-разрядного набора + 41 дополнительная), из них 21 — необязательная.
• Архитектура Amazon определяет 253 команды (228 из 64-разрядного набора PowerPC + 25 дополнительных), из них 20 — необязательные. Заметьте, что 25 дополнительных команд доступны только в режиме активных тегов. Режим неактивных тегов поддерживает лишь 64-разрядный набор команд PowerPC. Но учтите, что определение любой архитектуры динамично и конкретные числа могут изменяться!