Архитектура процессоров. MIPS, Sparc, ARM и PowerPC
АрхивПлатформаАрхитектура PowerPC лежит в основе процессоров Playstation 3 и xBox 360. Ни MIPS, ни ARM на эту роль не годятся, процессоры Intel тоже, а об AMD и говорить не приходится.
Продолжение статьи об истории развития архитектур процессоров. Чтение лучше начать с первой части.
MIPS-архитектура: "Pentium 4" восьмидесятых годов
MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages), "процессор без блокировок в конвейере". Основная идея, которой руководствовался Джон Хеннеси, со своей командой проектировавший в 1981 году первый MIPS-процессор, такова. Сильно упростив внутреннее устройство CPU и используя очень длинный (по тем временам) конвейер, можно получить процессор, не умеющий выполнять сравнительно сложные инструкции, зато работающий на очень высоких тактовых частотах, позволяющих скомпенсировать потери производительности на эмуляцию этих сложных инструкций. Изначально предполагалось, что MIPS-процессоры не будут аппаратно поддерживать даже операции умножения и деления - благодаря чему можно было обойтись без сложных в реализации блокировок конвейера[Процедура приостановки конвейера, инициируемая, когда процессору встречается "медленно выполняющаяся" операция, которую невозможно выполнить на какой-то из стадий за один такт. В процессорах тех времен такими операциями являлись умножение и деление; в современных процессорах блокировку может вызвать неудачное обращение в оперативную память, не находящуюся в кэше CPU] (отсюда и название архитектуры). Тем не менее даже в самых первых MIPS’ах блокировки в конвейере, равно как и аппаратные инструкции умножения и деления все-таки присутствовали - "в чистом виде" идея оказалась малопригодной для создания коммерческих процессоров.
В 1984 году Хеннеси с командой покинул Стэндфордский университет и основал компанию MIPS Computer Systems. В 1985 она выпустила первый 32-разрядный MIPS-процессор R2000; в 1988 году - гораздо более быстрый, работающий с виртуальной памятью и поддерживающий многопроцессорность R3000. R3000 стал первым по-настоящему коммерчески успешным MIPS-процессором и использовался в рабочих станциях Silicon Graphics. Кстати, вариант MIPS R3000A хорошо известен в народе как центральный процессор приставки Sony PlayStation
В 1991 году вышел первый 64-разрядный MIPS R4000, легший в основу целого ряда различных процессоров, выпускавшихся по лицензиям другими фирмами. R4000 оказался настолько важен для SGI, что она не колеблясь приобрела испытывавшую тогда финансовые затруднения MIPS Computer Systems и превратила эту компанию в собственное подразделение MIPS Technologies. Тогда же SGI начала продавать лицензии на производство MIPS-процессоров сторонним фирмам, которые взялись разрабатывать свои, улучшенные варианты R4000. Помимо всего прочего, начиная с R4600 и R4700 (разработка Quantum Effects Devices) MIPS-процессоры стали основой для знаменитых маршрутизаторов Cisco, являющихся сегодня неотъемлемой частью большинства крупных сетей, включая интернет. Использовались 64-разрядные MIPS-процессоры и в приставках: R4300 - в Nintendo 64, R5900 - в PlayStation 2.
В 1994 году вышел R8000 - первый суперскалярный MIPS-процессор; в 1995-м - R10000, улучшенный во всех отношениях вариант R8000, поддерживавший внеочередное исполнение команд в конвейере. Работая на частоте 200 МГц, R10000 был одним из самых быстрых CPU того времени. Пожалуй, на те времена пришелся расцвет архитектуры MIPS - она была столь успешной, что в 1998 году SGI снова сделала из MIPS Technologies отдельную компанию. Правда, "в стиле Тараса Бульбы" ("я тебя породил, я тебя и убью"), - SGI сочла дальнейшее развитие MIPS как своей флагманской разработки бесперспективным и решила, когда настанет срок, перевести линейку Silicon Graphics на процессоры архитектуры IA-64 (Intel Itanium).
В итоге дизайн всех последующих MIPS-процессоров основывался на R10000. Изменялись только объем кэш-памяти и постепенно наращивалась тактовая частота. Фактически после прорыва R10000 архитектура MIPS была заброшена, и мало-помалу эти процессоры утратили лидирующее положение в индустрии. В 2001 году топовым CPU от MIPS Technologies был R14000 с тем же старым ядром R10000 и тактовой частотой всего 600 МГц. Конкуренты в лице, к примеру, более совершенных в технологическом плане AMD Athlon уже достигли частот 1,3-1,4 ГГц, были в несколько раз производительнее, а стоили куда меньше. Так что как "тяжелая высокопроизводительная RISC-архитектура" MIPS к началу нового тысячелетия умерла. Но компания MIPS Technologies процветает до сих пор - за счет лицензирования архитектуры сторонним разработчикам.
Еще в 1999 году MIPS Technologies упростила свою лицензионную политику, предложив всем желающим два варианта MIPS-архитектуры: MIPS32 - для 32-разрядных систем и MIPS64 - для 64-разрядных. С тех пор эту технологию лицензировали NEC, Toshiba, Broadcom, Philips, LSI Logic и IDT, выпустившие огромное количество специализированных интегрированных процессоров на ее основе. Сегодня MIPS - самая популярная высокопроизводительная архитектура, использующаяся во встраиваемых системах. А это львиная доля сетевых устройств (от роутеров Cisco Systems до небольших мостов домашних и офисных сетей); большая часть процессоров игровых приставок прошлых поколений; процессоры для WiFi и VoIP; кодеры-декодеры MPEG; некоторая часть процессоров терминалов, КПК и сотовых телефонов. Не очень завидная участь для бывшего лидера, но если сравнивать с судьбой SPARC или Alpha - не такая уж и плохая.
Регистровые окна SPARC
При построении RISC-процессоров принимается во внимание медлительность оперативной памяти. Обращения к ней (даже с учетом различных кэшей) - "дорогостоящи" и требуют дополнительных вычислений, а потому, насколько это возможно, их следует избегать. Но Load/Store-архитектура и большое число регистров - не единственное, что можно сделать.
В любом программном коде можно встретить немало вызовов функций - фактически требований к процессору перейти в заданное место программы, продолжить выполнение программы до специальной инструкции возврата, после чего - вернуться к тому месту, где произошел вызов, почти полностью восстановив свое состояние до вызова функции. Чтобы это можно было сделать, при вызове функции процессор должен "запомнить" свое текущее состояние - в частности, содержимое некоторых регистров общего назначения и значительной части специальных регистров. Традиционное решение - "запихнуть" все необходимые данные в специальную конструкцию - стек[ Стек можно условно представить как запаянную с одного конца трубку, в которую по одному кладутся и по одному же извлекаются шарики (данные). Первый положенный в трубку шарик извлекается последним, так что если мы, скажем, по очереди положим (push) в стек числа 1, 2, 3, то извлекая (pop) данные, мы поочередно достанем 3, 2, 1.], которую процессор поддерживает на аппаратном уровне и которая в большинстве процессоров реализована в виде пары служебных регистров и выделенного участка оперативной памяти, куда все складываемые в стек данные и записываются. Поэтому любой вызов функции в традиционной схеме неявным образом приводит к записи в оперативную память десятков, а то и сотен байт информации. Есть даже целый ряд модельных задачек на эту тему - как написать компилятор, минимизирующий количество сохраняемой информации; причем кое-какие из этих наработок поддерживаются популярными компиляторами (например, соглашение __fastcall в некоторых компиляторах C/C++). Но оказывается, что всего этого можно избежать.
В типичной SPARC-архитектуре используется регистровый файл из 128 регистров; причем пользователю из них одномоментно доступны только расположенные подряд 24 регистра, образующие в этом файле окно, плюс еще восемь стоящих особняком глобальных регистров. Глобальные регистры используются для глобальных переменных[В структурных языках программирования типа C принято разделять локальные переменные, которые определены и используются только одной конкретной функцией и существуют только то время, пока эта функция работает; и глобальные переменные, которые существуют все время, пока выполняется программа, и доступны всем функциям программы]; регистровое окно - для локальных. Когда нам нужно вызвать какую-нибудь функцию, мы записываем необходимые для ее работы исходные данные в конец окна, а процессор при вызове функции попросту смещает окно по регистровому файлу таким образом, чтобы записанные данные оказались в начале нового, пока пустого окна. Требовавшие сохранения временные данные вызывавшего функцию кода оказываются за пределами окна, так что испортить их нечаянными действиями невозможно. А когда функция заканчивает работу, то полученные результаты записываются в те же самые регистры в начале окна, после чего процессор смещает его обратно. И никаких расходов на сохранение-восстановление стека.
Расположение окон в SPARC’ах можно программировать, добиваясь максимально эффективного использования схемы (либо много окон, но маленьких, либо мало - но больших; в зависимости от того, что за функции встречаются в программе) - этот факт даже отражен в названии процессора (Scalable Processor ARChitecture). Подобно многим своим RISC-сестрам, разработанная в середине 80-х годов и пережившая расцвет в середине 90-х, SPARC-архитектура не выдержала "гонки мегагерц" и сегодня фактически умерла. Но предложенный ею подход живет и здравствует - его позволяет использовать, например, архитектура IA-64 (Itanium).
Условные инструкции ARM
Архитектура ARM (Advanced RISC Machines) разработана в 1983-85 годах в компании Acorn Computers. Команда Роджера Вильсона и Стива Фербера взяла за основу набора инструкций ARM некогда популярный, а ныне забытый процессор MOS Technology 6502 и снабдила его специальным четырехбитным кодом условия, которым можно было дополнить любую инструкцию.
Идея условных инструкций проста, как все гениальное: инструкция с условным кодом выполняется, только если в процессоре выставлен бит соответствующего условия. В противном случае она игнорируется. Ближайший аналог в наборе инструкций x86 - инструкции условного перехода, срабатывающие, только если в процессоре был выставлен тот или иной флаг; в архитектуре ARM подобные "условности" применимы к любой инструкции, а флаги можно определять самостоятельно. Идея в том, что в коде типа
Если (условие) то Выполнить1 иначе Выполнить 2
вместо того, чтобы записать традиционную конструкцию
1. Вычислить условие
2. Если условие выполнено, то идти к 5
3. Выполнить2
4. Идти к 6
5. Выполнить1
6. …
используя условные инструкции, можно записать
1. Вычислить условие и поставить Флаг1 по результатам вычисления
2. Выполнить1 при условии выставленного Флаг1
3. Выполнить2 при условии невыставленного Флаг1
Обратите внимание, что получившийся код не только более компактен, но и лишен одного условного и одного безусловного перехода, присутствовавших в классическом варианте, - тех самых переходов, которые обычно больно бьют по производительности конвейерных архитектур.
Еще ряд дополнений в ARM предусматривал введение инструкций, одновременно выполняющих несколько простых операций, тем самым избавляя регистры процессора от необходимости сохранять результаты промежуточных вычислений и увеличивая вычислительную плотность кода. Этот подход нетипичен для RISC-процессоров, поскольку плохо вписывается в "основную идею" их максимального упрощения, но в конечном счете он привел к тому, что процессоры Acorn при прочих равных получили большую производительность на единицу частоты. Конечно, ARM-подход тоже имеет недостатки (например, необходимость выполнять пустые инструкции), однако в общем и целом он позволяет создавать очень простые процессоры с очень хорошей производительностью.
В 1985 вышел первенец архитектуры ARM - 32-разрядный процессор ARM1; в 1986-м - первый коммерческий вариант архитектуры, процессор ARM2. ARM2 был настоящим шедевром - в его ядре насчитывалось всего 30 тысяч транзисторов (вчетверо меньше, чем в i80286, и втрое меньше, чем в MC68000); он отличался крайне низким энергопотреблением и обладал при всем при том производительностью, превосходящей производительность 286-го процессора (не говоря уже о том, что 286-й был 16-разрядным, а ARM2 - 32-разрядным процессором). Немного позже увидел свет и ARM3, в котором появилось четыре килобайта кэш-памяти, еще увеличившей производительность процессоров ARM.
Трудно сказать, ожидала ли Acorn Computers такого успеха, однако воспользовалась им в полной мере. В 1990 году Acorn, работавшая над развитием ARM уже в сотрудничестве с Apple, преобразовала подразделение, занимавшееся ARM, в отдельную фирму- Advanced RISC Machines. Результатом совместной работы стало ядро ARM6 и процессор ARM610, использовавшийся, в частности, в одном из первых КПК в мире - Apple Newton. Ядро ARM6 было по-прежнему невероятно простым (всего 35 тысяч транзисторов!), мало потребляющим и обеспечивало приличный уровень производительности. Поскольку тягаться в производительности с гораздо более сложными монстрами вроде i386 оно не могло (да и ниша высокопроизводительных вычислений была прочно занята MIPS), руководство Advanced RISC Machines избрало оригинальный способ ведения бизнеса - позиционировав ARM6 как "встраиваемое" вычислительное ядро, которое любой желающий за сравнительно небольшие деньги мог интегрировать в свои специализированные процессоры. Ядро ARM6 вышло столь удачным и так хорошо подходило для этой бизнес-модели (благодаря простоте, его можно было изготавливать даже на сильно устаревшем дешевом оборудовании), что вскоре архитектура ARM получила широчайшее распространение. Самый яркий пример подобного "гибрида" - ядро ARM7TDMI, являющееся основой для подавляющего большинства процессоров сотовых телефонов. Сегодня ARM используется в более чем 75% всех интегрированных процессоров, выпускаемых в мире, - от контроллеров жестких дисков, калькуляторов и микропроцессоров игрушек до сетевых маршрутизаторов. То есть там, где от процессора не требуется очень высокого быстродействия.
Другое направление, которым сегодня "жива" ARM, - это более производительная архитектура StrongARM, широко используемая в КПК, коммуникаторах и некоторых терминалах. StrongARM была разработана в 1995 году компанией DEC совместно с ARM; а позднее, после судебного разбирательства, - продана вместе с соответствующим подразделением корпорации Intel, которая сейчас и занимается ее развитием в виде линейки процессоров XScale.
Архитектура PowerPC
Последняя из ныне здравствующих процессорных RISC-архитектур - это, конечно же, знаменитая PowerPC, детище альянса Apple, IBM и Motorola (AIM). Сегодня на PowerPC есть четкие спецификации, следуя которым любой желающий может разработать совместимый с ним процессор. Ничего особо интересного в нем нет - это самый что ни на есть классический RISC-процессор без специальных "примочек". Существуют 32- и 64-разрядные версии PowerPC (причем 64-разрядные совместимы с 32-разрядным кодом), а равно и ряд стандартизованных расширений (типа эппловского набора инструкций AltiVec). В то время как MIPS и ARM "специализировались" на тех или иных применениях, PowerPC, подобно x86, позиционировалась в основном для обычных персоналок и серверов. Вплоть до 2001 года x86 и PowerPC развивались более или менее синхронно, однако из-за технологических проблем и неспособности угнаться за процессорами AMD и Intel в "гонке мегагерц" PPC шаг за шагом сдавала позиции. А исчерпав "запас прочности" и застряв на частотах 1,0-1,4 ГГц, она стала стремительно проигрывать архитектуре x86, по-прежнему сохранявшей высокие темпы развития из-за ожесточенной схватки Intel и AMD. Поскольку "отступать" PowerPC было в общем-то некуда (нишу интегрированных процессоров оккупировали ARM и MIPS), то многие посчитали ее верным кандидатом на вымирание. Даже Apple недавно "отреклась" от своей архитектуры, переметнувшись в стан приверженцев x86. Только крайне дорогие серверные процессоры POWER, выпускавшиеся на пределе технологических возможностей Голубого гиганта (Power4, в частности, стали первыми в мире двухъядерниками), еще довольно уверенно чувствуют себя в линейке продуктов IBM.
Однако ситуация, похоже, начала меняться: именно архитектура PowerPC положена в основу будущих многоядерных процессоров всех игровых приставок шестого поколения (от Sony, Microsoft и Nintendo), поскольку ни MIPS, ни тем более ARM на эту роль не годятся; процессоры Intel в их текущем варианте плохо подходят для создания игровых приставок нового поколения; о процессорах AMD и говорить не приходится - компания просто не в состоянии обеспечить достаточный объем их производства. Вот и остается единственным кандидатом на роль нового "суперпроцессора" только всем доступная, технологически более простая, нежели x86, и достаточно производительная архитектура PowerPC. Что еще важнее для PPC, именно она положена в качестве аппаратной основы концепции Cell, которая, возможно, станет следующим шагом в развитии компьютинга. Так что пожелаем РРС удачи - от наличия на рынке множества альтернатив пользователи только выигрывают, и видеть в обозримом будущем абсолютную монополию x86, даже в варианте AMD64, лично мне не хотелось бы.
- Из журнала "Компьютерра"
