MIPS процессоры. Рынок встраиваемых систем

Как говорит Википедия , MIPS – микропроцессор, разработанный компанией MIPS Computer Systems (в настоящее время MIPS Technologies) и впервые реализованный 1985 году. Существует большое количество модификаций этой архитектуры, созданных специально для 3D-моделирования, быстрой обработки чисел с плавающей запятой, многопотоковых вычислений. Различные варианты этих процессоров использутся в роутерах Cisco и Mikrotik, смартфонах, планшетах и игровых консолях.

Инструкции MIPS достаточно просты для понимания, и именно с него рекомендуется начинать изучение ассемблера. Чем сейчас, собственно, и займёмся.

Структура программы на MIPS-ассемблере

Вот так выглядит классическая программа на MIPS-ассемблере.
Всё, что начинается на точку – это директивы . Директива.data означает начало сегмента данных, .text – начало сегмента кода.
Всё, после чего следует двоеточие, – это метки (v: , main: , loop: и endloop:).
Весь текст, следующий после знака # – это комментарии .
А то, что остаётся – это, собственно, инструкции и псевдоинструкции (макросы).

Data v: .word -1, -2, -3, -4, -5, -6, -7, -8, -9, -10 .text .globl main main: li $t0, 0 # $t0 = 0 (variable a) li $t1, 0 # $t1 = 0 (counter i) li $t2, 10 # $t2 = 10 (count limit l) loop: slt $t3, $t1, $t2 beq $t3, $zero, endloop la $t3, V sll $t4, $t1, 2 addu $t3, $t3, $t4 lw $t3, 0($t3) addu $t0, $t0, $t3 addiu $t1, $t1, 1 b loop endloop:

Типы в MIPS-ассемблере

Вот сравнительная таблица основных типов в C++ и в MIPS:

Как можно увидеть в таблице, выбор типа в для переменной в MIPS основывается только на объёме памяти, который будет занимать эта переменная. Обратите внимание, что MIPS в этом плане не различает signed- и unsigned-переменные.

Метки (символы)

В коде выше мы использовали несколько меток.
Метки (их ещё называют символами или этикетками) используются для того, чтоб давать «имена» адресам в памяти. Эти символы разделены на 2 больших класса: этикетки данных (адреса глобальных переменных, которые находятся в секции.data , в этом случае v:) и метки инструкций (адреса инструкций в секции.text , например main: , loop:).
Данные в секции.data обычно сохраняются в памяти начиная с адреса 0x10010000. Инструкции же хранятся начиная с адреса 0x00400000. Так как каждая инструкция MIPS-ассемблера занимает ровно 32 бита, следующая таблица «метка-адрес» будет верна для нашей программы:

С помощью меток очень удобно работать с глобальными переменными и другими данными из.data , но об этом чуть позже.

Основные директивы

Мы уже рассмотрели несколько директив, а именно.data и.text , и уже известно, что первая предназначена для хранения данных и объявления глобальных переменных, а вторая – собственно для кода программы. Посмотрим на остальные директивы MIPS:

.globl sym объявляет символ sym глобальным и позволяет обращатся к нему из других файлов;
.extern sym size объявляет, что данные, которые хранятся в sym имеют размер size , и делает sym глобальной меткой (см. предыдущую директиву);
.ascii str сохраняет строку str в памяти, не добавляя нулевой символ (\0) в конец;
.asciiz str сохраняет строку str и добавляет в конец нулевой символ (\0);
.byte b1, b2, ..., bn последовательно сохраняет в памяти байты b1, b2, ..., bn ;
.half h1, h2, ..., hn последовательно сохраняет в памяти 16-битные значения h1, h2, ..., hn ;
.word w1, w2, ..., wn последовательно сохраняет в памяти 32-битные значения w1, w2, ..., wn ;
.dword dw1, dw2, ..., dwn последовательно сохраняет в памяти 64-битные значения dw1, dw2, ..., dwn ;
.float f1, f2, ..., fn сохраняет в памяти числа с плавающей запятой f1, f2, ..., fn ;
.double d1, d2, ..., dn сохраняет в памяти числа с плавающей запятой (двойная точность) d1, d2, ..., dn ;
.space n выделить n байт в данном сегменте данных;
.align n выровнять все следующие данные до 2^n байт.

По поводу последней директивы: допустим, что в.data мы написали.align 1 . В таком случае даже если мы запишем в память, например в адрес 0x10010000 какое-то значение размером в 1 байт, следующий байт будет оставлен пустым, и если мы захотим записать ещё один байт в память, он уже получит адрес 0x10010002. В MIPS по умолчанию включено автоматическое выравнивание данных, и поэтому можно записать 16-битное значение (.half) только в чётный адрес памяти (0x10010000, 0x10010002, но не 0x10010003), 32-битное значение – только в адрес, кратный 4, а 64-битное – только в адрес, кратный 8.

Формат данных в.data

Данные в.data записываются в достаточно свободной манере. Нужно просто указать метку, тип данных и значение. В этом коде несколько примеров корректной записи данных:

Data var1: .byte "A", 0xF3, 127, -1, "\n" var2: .half -10, 0xffff var3: .word 0x12345678 var4: .float 12.3, -0.1 var5: .double 1.5e-10 var6: .dword 0x1234567812345678 str1: .ascii “i love mips\n" str2: .asciiz “zero-finished string" array: .space 100

Немного глубже мы рассмотрим типы данных по мере их использования в коде.

Регистры

Одна основных частей MIPS-процессора – это регистры. В стандартном MIPS-процессоре имеется 32 основных регистра и ещё 32 в первом сопроцессоре – модуле, который используется для вычислений с плавающей запятой. Каждый регистр имеет размер 32 бита, соответственно в него целиком помещается одно значение типа int . Для хранения переменной типа long необходимо использовать сразу два регистра. К каждому регистру можно обратиться по его порядковому названию и по его общему названию. Общее – немного более human-readable. Имеются следующие регистры:

$zero ($0) – регистр, всегда содержащий значение 0 и доступный только для чтения;
$at ($1) – временный регистр процессора;
$v0-$v1 ($2-$3) – для результатов, возвращаемых функциями;
$a0-$a3 ($4-$7) – для аргументов функций;
$t0-$t9 ($8-$15, $24-$25) – для временных данных, можно использовать как угодно;
$s0-$s8 ($16-$23, $30) – для постоянных данных, можно использовать как угодно;
$k0-$k1 ($26-$27) – зарезервировано для ядра операционной системы;
$gp ($28) – поинтер для глобальных переменных, практически не используется;
$sp ($29) – поинтер стека, его значение всегда равно верхнему адресу стека;
$ra ($31) – бог солнца адрес инструкции, из которой была вызвана функция;
$f0 – для результатов, возвращаемых функцями, с плавающей запятой;
$f4, $f6, $f8, $f10, $f16, $f18 – для временных данных с плавающей запятой;
$f12, $f14 – для параметров функций с плавающей запятой

Инструкции MIPS

Примечание. C этого момента мы будем рассматривать MIPS-процессор, его инструкции и дополнения на примере замечательного симулятора MIPS под названием MARS , который можно загрузить отсюда . Имплементация MIPS в этом симуляторе полностью соответствует стандартам.

В коде в начале статьи мы уже выделили все функциональные части программы и определили инструкции и псевдоинструкции как то, что не является комментарием, символом (меткой) или директивой. Псевдоинструкции также называют макросами, они трансформируются в одну или несколько инструкций во время выполнения кода. Вот пример макроса:

La rdest, addr переходит в набор инструкций:

Lui $at, hi(addr) ori rdest, $at, lo(addr)

Как видно, MIPS-программы всегда записываются по одной инструкции на строчку.

Типы инструкций

Существует три основных типа инструкций MIPS-ассемблера:

тип R (register). В роли операндов используются три регистра – регистр назначения (сокр. $rd), первый аргумент ($rs), и второй аргумент ($rt). Пример такой инструкции – сложение трёх регистров: add $t2, $t0, $t1 В данном случае в $t2 будет помещён результат сложения значений в $t0 и $t1.
тип I (immediate). Операнды – два регистра и число. Пример инструкции типа I: addi $t3, $t2, 12 После выполнения в регистр $t3 будет помещён результат сложения $t2 и числа 12.
Тип J (jump). Единственный операнд – 26-битный адрес, куда нужно перейти. Инструкция j 128 перейдёт на адрес 128 в.text .

Также существуют инструкции для сопроцессоров, но их мы рассмотрим позже.

Инструкция syscall

syscall – одна из самых простых, но в то же время одна из самых значимых инструкций MIPS-ассемблера. Это – служебная инструкция, поэтому она рассматривается отдельно от остальных. syscall используется для обращения к операционной системе для произведения действий, которые процессор сам не в состоянии выполнить. Перед вызовом этой инструкции нужно положить в регистр $v0 служебный код – натуральное число от 1 до 12. В зависимости от кода операционная система будет производить одно или другое действие. Вот список служебных кодов и соответствующие им действия операционной системы, которые поддрерживает MARS:

Весь ввод и вывод происходит через консоль MARS"a.

Арифметические инструкции

Итак, рассмотрим некоторые основные арифметические инструкции. Будут использованы некоторые сокращения: rd – регистр, куда пишется результат, rs – первый аргумент, rt – второй аргумент. Также может встретиться imm16 – 16-битное целое число или imm5 – 5-битное натуральное число.

add rd, rs, rt сумма rs и rt записывается в регистр rd. Аккуратно, может вызвать переполнение.
sub rd, rs, rt rd = rs - rt. Также можно получить переполнение.
addu rd, rs, rt почти то же самое, что и предыдущая инструкция, но эта не может вызвать переполнение. Для арифметических вычислений предпочтительно использовать именно эту инструкцию.
subu rd, rs, rt rd = rs - rt. Также без переполнения, и поэтому рекомендуется к использованию.
addi rd, rs, imm16 rt = rs + 16-битное целое число. Как и add , может вызывать переполнение.
addiu rd, rs, imm16 то же самое, но без возможности переполнения. Use it.

Кстати, imm16 по умолчанию интерпретируются как позитивные. Например:
addiu $s1, $zero, 0xFFFF # $s1 = 0x0000FFFF (положительное значение)
Если нужно добавить отрицательное значение, то нужно явно это указать:
addiu $s1, $zero, -0xFFFF # $s1 = 0xFFFF0001 (негативное значение в дополнении к 2)

Давайте посмотрим на реальные вычисления с помощью этих инструкций. Возьмём, к примеру, следующий код (на C++):
int f = (g+h) - (i-j);
И переведём этот код в MIPS-инструкции. Сначала нужно вычислить значение справа от знака "=", а потом присвоить его переменной f. Допустим, что переменная f у нас будет находиться в регистре $s0, g – в $s1, h – в $s2, i – в $s3, а j – в $s4. Вот что получается:

Addu $t0, $s1, $s2 # t0 = s1 + s2 = g + h subu $t1, $s3, $s4 # t1 = s3 - s4 = i - j subu $s0, $t0, $t1 # s0 = f = t0 - t1 = (g+h) - (i-j)

А теперь можно протестировать получившийся код в MARS. Загрузите черновик вот

Предыдущие части:

Создание архитектуры RISC

Как уже неоднократно упоминалось, все х86-процессоры, решения компании Motorola и подавляющее большинство выпущенных в 1980-е годы кристаллов имели архитектуру CISC (Complex Instruction Set Computing). Совокупность всех особенностей привела к тому, что чипы стали не только сложными и дорогими в производстве, но и достигли своего потолка производительности. Для дальнейшего увеличения быстродействия требовалось наращивать количество транзисторов, однако освоенные технологические нормы не позволяли создавать более сложные решения. С этим столкнулась Intel при выпуске семейства i486. Для поднятия производительности они внесли изменения в архитектуру процессоров, добавив кэш-память, множители и конвейеры. Словом, 486-е «камни» получили некоторые «фишки» архитектуры RISC. Тем не менее к созданию RISC-платформы американская компания никакого отношения не имеет. Своим созданием архитектура обязана американскому инженеру Дэвиду Паттерсону, который руководил проектом Berkeley RISC с 1980 по 1984 годы.

Дэвид Паттерсон - отец RISC

Первоначальной идеей, которая затем воплотилась в столь масштабный проект Berkeley RISC, стало исследование работы Motorola 68000. В ходе наблюдений выяснилось, что программы попросту не использовали подавляющее большинство инструкций, заложенных в процессор. Например, система Unix при компиляции использовала лишь 30% команд. Поэтому в рамках проекта Berkeley RISC планировалось создать такой процессор, который бы содержал лишь самые необходимые инструкции.

После нескольких лет исследований и разработки было выпущено несколько образцов процессоров, название которых и дало имя всей архитектуры. Сама аббревиатура RISC расшифровывается как Restricted (Reduced) Instruction Set Computer, что переводится как «компьютер с сокращенным набором команд». «Сокращенный набор команд» вовсе не означает, что количество инструкций меньше, чем число команд CISC-кристаллов. Разница состоит в том, что любая инструкция платформы RISC является простой и выполняется за один такт (по крайней мере, должна выполняться), тогда как на выполнение RISC-инструкции могло уходить несколько десятков тактов. При этом длина команды является фиксированной. Например, 32 бита. Также у RISC имеется гораздо больше регистров общего назначения. Плюс для этой архитектуры характерна конвейеризация. Именно ее использование (вкупе с упрощенными командами) позволяет эффективно наращивать тактовую частоту процессоров RISC.

Команда проекта Berkeley RISC

Дебютными решениями стали RISC I и RISC II - детища Паттерсона и проекта Berkeley RISC. Первый содержал более чем 44 000 транзисторов и работал на частоте 4 МГц. Такой процессор при выполнении небольших программ был в среднем в два раза быстрее VAX 11/780 и примерно в четыре раза производительнее, чем «камень» Zilog Z8000. RISC II отличался от предшественника большим количеством инструкций: 39 против 32. Он был более быстрым. Его преимущество над процессором VAX достигало 200%, а Motorola 68000 в некоторых программах был медленнее примерно в четыре раза.

Нужно отметить, что Berkeley RISC был частью большого проекта под названием VLSI. Сюда также входил проект Стэнфордского университета MIPS, который стартовал в 1981 году.

Процессоры MIPS

Главой проекта MIPS был ученый Стэнфордского университета Джон Хэннесси. Как и в случае с Berkeley RISC, задачей стартапа было исследование и создание такого процессора, который использовал бы конвейер и сокращенный набор команд. Архитектура MIPS-решений также предусматривала наличие вспомогательных блоков в составе кристалла: например, модулей для работы с памятью, целочисленного АЛУ (арифметико-логическое устройство) и декодеров команд. Отличием плана MIPS от Berkeley RISC было использование удлиненного конвейера. Архитектура RISC, в принципе, предполагает использование конвейера, но Хэннесси пошел дальше и предложил максимально удлинить конвейер в процессоре, то бишь еще больше «раздробить» выполнение одной операции. Такой подход открывал еще большие просторы по наращиванию тактовой частоты. При этом удлинение конвейера обеспечивало более эффективное распараллеливание выполнения команд. В то время распараллеливание являлось отличительной чертой RISC-архитектуры, поскольку ни в одном CISC-процессоре эта функция не была реализована вплоть до появления в них конвейеров. Например, в MIPS, так же как и в RISC, выполнение одной команды могло быть еще не завершено, когда начиналась выполняться другая. В процессорах CISC для старта выполнения одной инструкции было необходимо, чтобы была окончена обработка другой.

Джон Хэннесси - создатель архитектуры MIPS, а ныне президент Стэнфордского университета

В первоначальной спецификации процессоров MIPS не была предусмотрена поддержка таких элементарных операций, как умножение и деление. Сделано это было специально. Таким образом, разработчики хотели избавиться от необходимости использования так называемых блокировок конвейера. Сама блокировка представляла собой приостановку конвейера в тех случаях, когда операцию на определенной стадии конвейера невозможно выполнить за один такт. Тем не менее первые реализации архитектуры MIPS работали с блокировками и даже поддерживали операции умножения и деления. Прошло некоторое время, прежде чем в процессорах была реализована первоначальная задумка.

В 1984 году Хэннесси покинул Стэнфордский университет и основал компанию MIPS Computer Systems, которая и занялась выпуском процессоров с одноименной архитектурой. Спустя год увидел свет первый продукт компании - 32-битный «камень» R2000. Он стал первой коммерчески доступной RISC-моделью в истории. В 1988 году появился процессор следующего поколения под названием R3000. В сравнении с R2000 он получил поддержку многопроцессорности и кэш-памяти инструкций и данных. «Трехтысячный» оказался коммерчески успешным. Процессор использовался в серверных системах и рабочих станциях таких компаний, как Silicon Graphics, DEC, Seiko Epson и многих других. Плюс R3000 стал сердцем игровой консоли Sony PlayStation.

Процессор MIPS R3000

На разработку следующего поколения MIPS-процессоров ушло три года. Процессор R4000 был представлен в 1991 году. Он получил 64-битную архитектуру, встроенный сопроцессор и работал на более высокой тактовой частоте, нежели предшественники. Так, минимальная частота R4000 составляла 100 МГц. Объем кэш-памяти инструкций и данных составлял 8 Кбайт каждый. Спустя два года была представлена доработанная версия процессора с индексом R4400. Новый кристалл обладал увеличенным вдвое кэшем и поддерживал кэш-память второго уровня большего объема. Помимо этого, были исправлены многочисленные ошибки при работе в 64-разрядном режиме.

Удивительно, что, несмотря на коммерческий успех своих процессоров, MIPS испытывала финансовые трудности и в конечном счете была куплена компанией SGI и переименована в MIPS Technologies. Следом начались выдаваться лицензии на производство клонов сторонним компаниям. Так, компания QED (Quantum Effects Devices) создала недорогие MIPS-процессоры, которые использовались в маршрутизаторах Cisco. А NEC занималась производством «камня» VR4300, который «прописался» в игровой консоли Nintendo 64.

Процессор NEC VR4300 использовался в приставке Nintendo 64

В 1994 году появился процессор R8000. Он стал первым MIPS-решением с суперскалярной архитектурой, которая подразумевает параллельное выполнение команд при условии, что исполнение одной команды не зависит от результата другой. Например, R8000 умел обрабатывать до четырех инструкций за такт.

В январе 1996 года MIPS представила процессор следующего поколения под названием R10000. «Десятитысячный» использовал такую же суперскалярную архитектуру, как и R8000, и, по сути, являлся доработанной версией предшественника. Также процессор имел кэш-память инструкций и данных объемом 32 Кбайт каждая и работал на частоте 175 МГц или 195 МГц. В 1997 году даже появилась версия чипа с частотой 250 МГц. Но даже при параметре 195 МГц R10000 был одним из быстрейших процессоров того времени.

Процессор R10000, произведенный компанией Toshiba

К сожалению, после запуска R10000 компания SGI забросила MIPS-архитектуру. Все последующие кристаллы основывались на ядре «десятитысячного» и не имели в сравнении с ним каких-то принципиальных отличий. Например, процессор R12000, представленный в 1998 году, получил дополнительную стадию в конвейер и улучшенную работу с очередями инструкций. Его тактовая частота составляла 270 МГц, 300 МГц или 360 МГц. После R12000 вышли еще два поколения процессоров MIPS: R14000 и R16000. Они получили поддержку более быстрых системных шин, увеличенные частоты и кэш-память большего объема. Например, R16000 мог работать на частоте 700 МГц и поддерживал 64 Кбайт кэш-памяти инструкций и данных.

После этого MIPS занялась продажей лицензий на 32-битную и 64-битную архитектуры MIPS32 и MIPS64.

Процессоры SPARC

Компания Sun Microsystems также решилась на разработку архитектуры - SPARC (Scalable Processor ARChitecture). Так, инженеры черпали вдохновение из проекта Berkeley RISC. А сам Дэвид Паттерсон даже привлекался к проекту в качестве консультанта. Тем не менее в результате SPARC больше напоминала MIPS-архитектуру. Например, в наборе команд платформы также отсутствовали инструкции умножения и деления. Особенностью архитектуры SPARC стало использование регистрового окна, с помощью которого был немного изменен процесс вызова функций в программах. Обычно при вызове программ процессор запоминал свое состояние (то есть запоминал состояние некоторых регистров общего и специального назначения), переходил к выполнению функции, а затем возвращался в свое исходное состояние до вызова функции. А в процессорах SPARC при вызове функции необходимые данные записывались в конец регистрового окна, а само регистровое окно перемещалось по файлу так, чтобы данные оказывались в начале окна. Такой подход в теории обеспечивал более высокую скорость работы.

Процессор SPARC V7, изготовленный компанией Fujitsu

Первая версия архитектуры получила название SPARC V7. Одноименный процессор на ее базе производился вплоть до 1992 года. Затем появилась следующая генерация архитектуры - SPARC V8. Она не претерпела каких-либо кардинальных изменений. Ключевыми отличиями стало добавление операций умножения и деления, а также улучшенное выполнение арифметики чисел с плавающей запятой. Как и SPARC V7, SPARC V8 оставалась 32-битной архитектурой, на базе которой был создан процессор microSPARC. Он принадлежал к Low-End-сегменту и использовался в небольших рабочих станциях и встраиваемых системах. Силами компаний Texas Instruments и Fujitsu также были выпущены улучшенные клоны. Более производительным решением стал процессор SuperSPARC.

Созданием следующего поколения архитектуры с именем SPARC V9 работала уже целая организация SPARC Architecture Committee, в состав которой, кроме самой Sun, входили такие компании, как Texas Instruments, Fujitsu, Philips и многие другие. Платформа была расширена до 64 бит и являлась суперскалярной с 9-стадийным конвейером. SPARC V9 предусматривала использование кэш-памяти первого уровня, разделенного на инструкции и данные объемом 16 Кбайт каждая, а также второго уровня емкостью 512-4096 Кбайт. Реализацией архитектуры стал процессор UltraSPARC с частотой 143-200 МГц.

Процессор UltraSPARC II

UltraSPARC не был единственным процессором с архитектурой SPARC V9. В 1997 году был представлен UltraSPARC II.

Процессоры ARM

История ныне популярных ARM-процессоров, а точнее самой архитектуры ARM, начинается с компании Acorn Computers и ее компьютера BBC Micro. В нем использовался «камень» MOS Technology 6502, однако его производительности было недостаточно, чтобы создать десктоп следующего поколения. По различным причинам другие доступные процессоры также не подходили под требования Acorn, поэтому в компании задумались о создании собственного чипа. После изучения различных архитектур, инженеры Acorn взяли за основу процессоры RISC и все тот же кристалл MOS Technology 6502.

Компьютер BBC Micro

У процессора MOS, например, была позаимствована архитектура доступа к памяти и набор инструкций. Каждая инструкция была дополнена специальным четырехбитным кодом условия. В зависимости от значения кода (true или false) инструкция могла выполняться или не выполняться. Это позволило сократить количество переходов при выполнение операций, которые негативно влияли на производительность конвейерной архитектуры. Также разработчики заложили в первоначальную ревизию архитектуры команды, которые выполняли несколько элементарных операций. Словом, немного отступили от правил RISC. Однако в конечном счете это лишь улучшило производительность процессора.

Разработка архитектуры была завершена в 1985 году созданием процессора ARM. Первые же коммерческие варианты появились в 1986 году и носили название ARM2. По сравнению с CISC-процессорами, ARM2 был очень простым - он содержал всего 30 000 транзисторов. При этом он потреблял очень мало энергии и в то же время был достаточно производительным. Несколько позже появились и ARM-процессоры, в которые были добавлены 4 Кбайт кэш-памяти, что еще больше повысило производительность кристаллов.

Процессор ARM2

К концу 1980-х годов Acorn занималась разработкой архитектуры ARM уже не в одиночку – к ней присоединилась Apple. В связи с этим подразделение, занимавшееся непосредственно ARM-процессорами, было преобразовано в отдельную компанию – Advanced RISC Machines. Первым продуктом новой компании стало процессорное ядро ARM6 и процессор ARM610, который использовался в одном из первых в мире КПК Apple Newton.

Однако ARM-процессоры уже не могли соперничать с CISC-решениями в плане производительности, а в RISC-сегменте господствовали процессоры с архитектурой MIPS. Тогда в ARM пошли иным путем. Компания начала позиционировать ARM6 как встраиваемое ядро, которое любой сторонний производитель мог использовать в своих процессорах за небольшие деньги. Такая политика принесла свои плоды, и ядро ARM стало очень популярным, а сама компания - коммерчески успешной.

Вместе с компанией DEC была разработана архитектура для более производительных ARM-решений под названием StrongARM, которое представляло собой классическую скалярную архитектуру с 5-стадийным конвейером. Архитектура имела блоки управления памятью и поддерживала кэш-память инструкций и данных объемом 16 Кбайт каждая.

Первый процессор на базе StrongARM - SA-110 - был представлен в феврале 1996 года. Он работал на тактовых частотах 100 МГц, 160 МГц или 200 МГц. «Камень» использовался в Apple MessagePad 2000, а также системах Acorn Computer Risc PC и Eidos Optima. На протяжении 1996 года SA-110 оставался самым производительным мобильным процессором.

Apple MessagePad 2000 использовал процессор SA-110

В 1997 году права на архитектуру StrongARM были проданы компании Intel, которая занялась разработкой следующего поколения платформы. В 2000 году оно было представлено, но архитектура (а точнее реализация архитектуры) носила другое название - Xscale. Платформа получила множество изменений. Например, длина конвейера была увеличена до 8 стадий. Объем кэш-памяти как для инструкций, так и для данных увеличился до 32 Кбайт. XScale использовался в таких устройствах, как RIM Blackberry, Dell Axim, мобильном телефоне Motorola A780 и других девайсах.

Процессоры PowerPC

Если быть уж совсем точным, то первой компанией, начавшей разработку RISC-архитектуры, стала IBM. Еще в 1974 году стартовала разработка процессора IBM 801, которая и заложила первые основы для этой платформы. А проект Berkeley RISC окончательно сформировал архитектуру.

В начале 80-х годов некоторые процессоры IBM для встраиваемых систем использовали архитектуру 801. Процессор на его базе также «прописался» в компьютере IBM 9370.

В 1985 году IBM начала разработку RISC-архитектуры следующего поколения. Проект получил название America Project. Разработка процессора и набора инструкций для него закончилась в 1990 году. Сам кристалл получил название POWER1 и использовался в серверах и рабочих станциях IBM. Он обладал достаточно высоким уровнем производительности, но имел многочиповую компоновку и состоял из 11 различных микросхем. В 1992 году IBM представила бюджетный вариант процессора POWER1, который умещался в одном чипе.

Процессор POWER1. Даже, скорее, чипсет

В 1993 году была представлена второе поколение архитектуры POWER2. В него было добавлено по одному дополнительному блоку арифметико-логических операций и вычислений с плавающей запятой. Также был расширен набор команд: например, была добавлена операция вычисления квадратного корня из числа на аппаратном уровне. Тактовая частота процессора варьировалась от 55 МГц до 71 МГц, а кэш-память данных и инструкций - 256 Кбайт и 32 Кбайт соответственно. Как и предшественник, новый процессор имел многочиповую компоновку. Но в мае 1994 года была выпущена и одночиповая версия.

Однако еще до выхода POWER2 IBM вместе с Apple и Motorola образовали альянс AIM и договорились о создании улучшенной архитектуры на основе POWER. В выигрыше остались все три компании, получив один из самых быстрых RISC-процессоров на рынке. Разработанная совместно архитектура получила название PowerPC. Помимо базового набора функций платформы POWER, в нее были добавлены поддержка работы в двух режимах (big-endian и little-endian), новые инструкции для вычислений с плавающей запятой и обратная совместимость с 32-битным режимом работы для 64-разрядной версии архитектуры.

Процессор PowerPC первого поколения

В отличие от других RISC-архитектур, которые занимали узкие ниши рынка, PowerPC позиционировалась как платформа-конкурент x86. Ее основным назначением являлись персональные компьютеры. Так, процессор на базе PowerPC довольно долгое время использовался в компьютерах Apple Macintosh - вплоть до 2006 года.

Архитектура конкурировала наравне с x86 до 2001 года, но после этого угнаться за процессорами Intel и AMD не смогла. Несмотря на это, процессоры на базе PowerPC использовались в игровых консолях Sony PlayStation 3 и Microsoft Xbox 360.

Консоли Sony PlayStation 3 и Microsoft Xbox 360 работают под управлением процессора PowerPC

В 90-е годы IBM успела выпустить третью генерацию процессоров под названием POWER3, которая, по сути, стала реализацией 64-разрядной архитектуры PowerPC. Чип создавался с прицелом на использование в серверах и рабочих станциях, но в итоге его главным применением стали системы IBM RS/6000.

Процессоры DEC Alpha

Архитектура DEC VAX безнадежно устаревала и в начале 90-х в компании задумались о разработке собственной RISC-платформы. Ей стала Alpha, выпущенная в 1994 году. Первым процессором стал Alpha 21064 с кодовым названием EV4. Это 64-разрядный суперскалярный кристалл с конвейерной архитектурой. То есть имел классический RISC-дизайн. Процессор DEC выгодно отличала отлаженная работа всех его блоков. Так, при равной с другими «камнями» частоте EV4 показывал более высокую производительность. Внешняя шина процессора была 128-разрядной. Он имел 16 Кбайт кэш-памяти данных и инструкций и изготавливался с помощью технологии CMOS-4. Тактовая частота EV4 составляла 150 МГц или 200 МГц. Несколько позже появилась модификация под названием 21064A, которая могла работать на скоростях вплоть до 300 МГц, что обеспечило кристаллу звание самого быстрого процессора того времени. Основным применением EV4 стали серверы и рабочие станции.

Процессор Alpha 21064

Alpha 21064A оставался топовой моделью DEC до выхода следующего поколения процессоров - 21164 (EV5). Он обладал двумя целочисленными блоками и двумя модулями вычислений с плавающей запятой. В EV5 было уже три уровня кэш-памяти: два располагались непосредственно в процессоре, а третий был внешним. Кэш-память первого уровня была разделена на две части: кэш данных и кэш инструкций объемом 8 Кбайт каждый. Объем кэш-памяти второго уровня составлял 96 Кбайт. Тактовая частота процессора варьировалась от 266 МГц до 333 МГц. Alpha 21164 перенял пальму первенства у Alpha 21064A и был быстрейшим процессором до выхода Pentium Pro. Тем не менее, ответ DEC не заставил себя долго ждать - компания выпустила более производительный процессор Alpha 21164A, работающий на более высоких тактовых частотах (до 666 МГц). Процессор использовался в рабочих станциях и серверных компьютерах таких компаний, как Digital, Network Appliance и Cray Research.

Процессор Alpha 21264

В 1996 году было представлено следующее поколение процессоров DEC - Alpha 21264 (EV6). Чип получил несколько важных изменений по сравнению с предшествующими моделями. Например, он поддерживал внеочередное исполнение инструкций, что повлекло за собой полную реорганизацию ядра. Целочисленные блоки и блоки загрузки/сохранения были объединены в единый модуль Ebox, а блоки вычислений с плавающей запятой выделены в модуль Fbox. Помимо самих блоков, эти юниты содержали еще и файлы регистров. Структура кэш-памяти опять стала двухуровневой - она пришла на смену трехуровневой организации кэша в Alpha 21164. Кэш первого уровня сохранил разделение на память для инструкций и для данных. Объем каждой части составлял 64 Кбайт. Что касается кэш-памяти второго уровня, то ее объем мог составлять от 1 Мбайт до 16 Мбайт. Плюс процессор получил поддержку предсказания ветвлений. С течением времени выпускались все новые и новые версии процессоров Alpha 21264, в которых, прежде всего, наращивалась тактовая частота. Последней модификацией стал Alpha 21264E, который работал на частоте 1250 МГц.

Увы, но линейка процессоров Alpha 21264 стала последней в истории «независимой» DEC. В начале 1998 года DEC признали банкротом, и она была поглощена компанией Compaq.

Архитектура Intel P5

Процессоры с архитектурой RISC в своем большинстве заняли свою специализированную нишу, однако в настольных системах все равно продолжали использоваться кристаллы с архитектурой x86. Их развитие продолжалось, пусть и с некоторыми изменениями.

Несмотря на то, что Intel вышла на рынок RISC-процессоров со своими решениями i860 и i960, основную ставку в компании все же делали на x86-кристаллы. Следующим поколением «камней» стали всем известные Pentium на базе архитектуры P5, выпущенные в 1993 году.

Была проделана большая работа. Во-первых, P5 стала суперскалярной. Архитектура работала с помощью двух конвейеров, каждый из которых мог выполнять две операции за такт. Во-вторых, шина данных стала 64-битной, что позволило передавать вдвое больший объем данных за цикл. В-третьих, кэш-память данных и инструкций была разделена на два отдельных блока объемом 8 Кбайт каждый. Помимо этого, в процессор был добавлен блок предсказания ветвлений, а модуль вычислений с плавающей запятой стал более производительным.

Первые процессоры линейки Pentium работали на частотах 60 МГц или 66 МГц. При этом для их работы требовалось напряжение 5 В, поэтому они сильно грелись. Также первые «пни» прославились неправильной работой блока вычислений с плавающей запятой, который в некоторых случаях при выполнении деления чисел выдавал неверный результат. Поэтому вскоре Intel запустила в продажу процессоры с исправленной архитектурой P54C.

Процессор Intel Pentium

P54C стала своего рода работой над ошибками. Производство новых процессоров было переведено на 0,6-мкм техпроцесс. Сами кристаллы теперь работали с напряжением 3,3 В, что позволило решить проблему с перегревом. Что касается изменений на уровне архитектуры, то в P54C был добавлен полуторный множитель - отныне процессоры работали на более высокой частоте, чем системная шина. Скорость работы процессоров составляла 75 МГц, 90 МГц или 100 МГц. Также P54C устанавливались в разъемы Socket 5 или Socket 7. В отличие от P5, которые поддерживали только Socket 4. Сама архитектура P54C еще раз получила обновление в 1995 году, когда была переведена на 350-нм техпроцесс. Это позволило вновь снизить энергопотребление кристаллов, а также увеличить их тактовую частоту до 200 МГц.

Архитектура MIPS была одной из первых RISC-архитектур, получившей признание со стороны промышленности. Она была анонсирована в 1986 году. Первоначально это была полностью 32-битовая архитектура, которая включала 32 регистра общего назначения длиною в 32 бит, 16 регистров плавающей точки и специальную пару регистров для хранения результатов выполнения операций целочисленного умножения и деления. Размер команд составлял 32 бит, в ней поддерживался всего один метод адресации, а адресное пространство также определялось 32 битами. Выполнение арифметических операций определялось стандартом IEEE 754. В компьютерной промышленности широкую популярность приобрели 32-битовые процессоры R2000 и R3000, которые в течение достаточно длительного времени служили основой для построения рабочих станций и серверов компаний Silicon Graphics, Digital, Siemens Nixdorf и др. Процессоры R3000/R3010 работали на тактовой частоте 33 или 40 МГц и обеспечивали производительность на уровне 20 SPECint92 и 23 SPECfp92.

На смену микропроцессорам семейства R3000 пришли новые 64-битовые микропроцессоры R4000 и R4400. (MIPS была первой в компьютерной промышленности компанией выпустившей процессоры с 64-битовой архитектурой). Набор команд этих процессоров (спецификация MIPS II) был расширен командами загрузки и записи 64-разрядных чисел с плавающей точкой, командами вычисления квадратного корня с одинарной и двойной точностью, командами условных прерываний, а также атомарными операциями, необходимыми для поддержки мультипроцессорных конфигураций. В процессорах R4000 и R4400 реализованы 64-битовые шины данных и 64-битовые регистры. В процессорах реализован метод удвоения внутренней тактовой частоты.

Процессоры R2000 и R3000 имели стандартные пятиступенчатые конвейеры команд. В процессорах R4000 и R4400 применяются более длинные конвейеры (иногда их называют суперконвейерами). Количество ступеней в процессорах R4000 и R4400 увеличилось до восьми, что объясняется прежде всего увеличением тактовой частоты и необходимостью распределения логики для обеспечения заданной пропускной способности конвейера. Процессор R4000 может работать с тактовой частотой 50/100 МГц и обеспечивает уровень производительности в 58 SPECint92 и 61 SPECfp92. Процессор R4400 может работать на частоте 50/100 МГц, или 75/150 МГц, показывая уровень производительности 94 SPECint92 и 105 SPECfp92.

Процессоры R4000 имели внутреннюю кэш-память емкостью 16 Кбайт, разделенную на 8-Кб кэш команд и 8-Кб кэш данных. С точки зрения реализации кэш-памяти процессор R4400 имеет более развитые возможности. Он выпускается в трех модификациях: PC (Primary Cash) - имеет внутренние кэши команд и данных емкостью по 16 Кбайт. Процессор в такой конфигурации предназначен главным образом для дешевых моделей рабочих станций. SC (Secondary Cash) содержит логику управления кэш-памятью второго уровня. MC (Multiprocessor Cash) - использует специальные алгоритмы обеспечения когерентности и согласованного состояния памяти для многопроцессорных конфигураций.

Компания MIPS объявила о создании своего нового суперскалярного процессора R10000, который в ближайшем будущем должен появиться на рынке. По заявлениям представителей MIPS Technology R10000 обеспечивает пиковую производительность в 800 MIPS при работе с внутренней тактовой частотой 200 МГц за счет обеспечения выдачи для выполнения четырех команд в одном такте синхронизации. При этом он обеспечивает обмен данными с кэш-памятью второго уровня со скоростью 3.2 Гбайт/с.

Чтобы обеспечить столь высокий уровень производительности в процессоре R10000 реализованы многие последние достижения в области технологии и архитектуры процессоров. На рис. 8.9 показана блок-схема этого микропроцессора.

Кэш-память данных первого уровня процессора R10000 имеет емкость 32 Кбайт и организована в виде двух одинаковых банков размером по 16 Кбайт, что обеспечивает двухкратное расслоение при выполнении обращений к этой кэш-памяти. Каждый банк представляет собой двухканальную множественно-ассоциативную кэш-память с размером строки (блока) в 32 байта. Кэш данных индексируется с помощью виртуального адреса и хранит теги физических адресов памяти. Такой метод индексации позволяет выбрать подмножество кэш-памяти в том же такте, в котором формируется виртуальный адрес. Однако для того, чтобы поддерживать когерентность с кэш-памятью второго уровня, в кэше первого уровня хранятся теги физических адресов памяти.

Интерфейс кэш-памяти второго уровня процессора R10000 поддерживает 128-битовую магистраль данных, которая может работать с тактовой частотой 200 МГц, обеспечивая скорость обмена 3.2 Гбайт/с. Все стандартные синхронные сигналы управления статической памятью вырабатываются внутри процессора. Минимальный объем кэш-памяти второго уровня составляет 512 Кбайт, максимальный размер - 16 Мбайт. Размер строки этой кэш-памяти программируется и может составлять 64 или 128 байт.

Объем внутренней двухканальной множественно-ассоциативной кэш-памяти команд составляет 32 Кбайт. Команды частично декодируются до их размещения в кэше команд. При этом к каждой команде добавляются 4 дополнительных бит, которые указывают исполнительное устройство, в котором она будет выполняться. Размер строки кэш-памяти команд составляет 64 байта.

Устройство переходов процессора может декодировать и выполнять одну команду перехода в каждом такте. Поскольку за каждой командой перехода следует слот задержки, максимально могут быть выбраны одновременно две команды перехода, но только одна более ранняя команда перехода может декодироваться в данный момент времени. Бит признака перехода добавляется к каждой команде во время декодирования команд. Эти биты используются для пометки команд перехода в конвейере выборки команд. Направление условного перехода прогнозируется с помощью специальной памяти, которая хранит историю выполнения переходов в прошлом. Двухбитовый код в этой памяти обновляется каждый раз, когда принято окончательное решение о направлении перехода. Все команды, выбранные вслед за командой условного перехода, считаются условными (спекулятивными). Это означает, что в момент их выборки заранее не известно, будет ли завершено их выполнение. Процессор допускает предварительное прогнозирование направления четырех команд условного перехода, которые могут разрешаться в произвольном порядке. Специальный стек переходов содержит строку на каждую выполняемую спекулятивно команду условного перехода. Каждая строка этого стека содержит информацию, необходимую для восстановления состояния процессора, если спекулятивные команды перехода были предсказаны неверно. Стек переходов позволяет быстро и эффективно восстановить конвейер, если прогноз направления перехода оказался неверным.

Рис. 8.9. Блок схема процессора R 10000

Процессор R10000 содержит три очереди (буфера) команд (очередь целочисленных команд, очередь команд плавающей точки и очередь адресных команд). Эти три очереди осуществляют выдачу команд в динамике в соответствующие исполнительные устройства. С каждой командой в очереди хранится тег команды, который перемещается вместе с командой по ступеням конвейера. Каждая очередь осуществляет динамическое планирование потока команд и может определить моменты времени, когда становятся доступными операнды, необходимые для каждой команды. Кроме того, очередь определяет порядок выполнения команд на основе анализа состояния соответствующих исполнительных устройств. Как только ресурс оказывается свободным очередь выдает команду в соответствующее исполнительное устройство.

Зависимости между командами могут привести к деградации производительности процессора. Чтобы этого избежать применяется специальная методика, которая называется методикой переименования регистров. Ее основная задача - определение зависимостей между командами и обеспечение точного адреса прерывания программы. В процессе переименования регистров каждый логический регистр, указанный в команде, заменяется физическим регистром на основе таблицы распределения регистров. Такое переименование происходит для каждого регистра результата команды. Поэтому, когда команда записывает в логический регистр новое значение, этот логический регистр переименовывается и будет использовать имя нового физического регистра. Однако, его предыдущее значение оказывается сохраненным в старом физическом регистре. Сохранение значений старого регистра позволяет обрабатывать точные прерывания. В то время как все команды переименовываются, логические номера их регистров сравниваются для определения зависимостей между четырьмя командами, декодированными в одном и том же такте.

В процессоре R10000 имеются пять полностью независимых исполнительных устройств: два целочисленных АЛУ, два основных устройства плавающей точки и два вторичных устройства плавающей точки, которые работают с длинными операциями, такими как деление и вычисление квадратного корня.

Устройство загрузки/записи содержит очередь адресов, устройство вычисления адреса, устройство преобразования виртуальных адресов в физические (TLB), стек адресов, буфер записи и кэш-память данных первого уровня. Устройство загрузки/записи выполняет команды загрузки, записи, предварительной выборки, а также команды работы с кэш-памятью.

Выполнение всех команд загрузки и записи начинается с трехтактной последовательности, во время которой осуществляется выдача команды, вычисление виртуального адреса и преобразование виртуального адреса в физический. Преобразование адреса осуществляется только однажды во время выполнения команды. Производится обращение к кэш-памяти данных и пересылка требуемых данных завершается при наличии данных в кэш-памяти первого уровня. В случае промаха, или в случае занятости требуемого разделяемого порта регистрового файла, обращение к кэшу данных и к тегу должно быть повторено после получения данных либо из кэш-памяти второго уровня, либо из основной памяти.

TLB содержит 64 строки и выполняет преобразование виртуального адреса в физический. Виртуальный адрес для преобразования поступает либо из устройства вычисления адреса, либо из счетчика команд.

Внешняя кэш-память второго уровня управляется с помощью внутреннего контроллера, который имеет специальный порт для подсоединения кэш-памяти. Специальная магистраль данных шириной в 128 бит осуществляет пересылки данных на тактовой частоте процессора 200 МГц. В процессоре имеется также 64-битовая шина данных системного интерфейса. Кэш-память второго уровня имеет двухканальную множественно-ассоциативную организацию. Максимальный размер - 16 Мбайт. Минимальный размер 512 Кбайт. Пересылки осуществляются 128-битовыми порциями (4 32-битовых слова). Для пересылки больших блоков данных используются последовательные циклы шины:

Четырехсловные обращения (128 бит) используются для команд кэш-памяти;

Восьмисловные обращения (256 бит) используются для перезагрузки первичного кэша данных;

Шестнадцатисловные обращения (512 бит) используются для перезагрузки первичного кэша команд;

Тридцатидвухсловные обращения (1024 бит) используются для перезагрузки кэш-памяти второго уровня.

Системный интерфейс процессора R10000 работает в качестве шлюза между самим процессором и связанным с ним кэшем второго уровня и остальной системой. Системный интерфейс работает с тактовой частотой внешней синхронизации. Возможно программирование работы системного интерфейса на тактовой частоте 200, 133, 100, 80, 67, 57 и 50 МГц.

Процессор поддерживает протокол расщепления транзакций, позволяющий осуществлять выдачу очередных запросов процессором или внешним абонентом шины, не дожидаясь ответа на предыдущий запрос. Максимально поддерживается до четырех одновременных транзакций на шине.

Процессор R10000 допускает два способа организации многопроцессорной системы. Один из способов связан с созданием специального внешнего интерфейса для каждого процессора системы. Этот интерфейс обычно реализуется с помощью заказной интегральной схемы, которая организует шлюз к основной памяти и подсистеме ввода/вывода. При таком типе соединений процессоры не связаны друг с другом непосредственно, а взаимодействуют через этот специальный интерфейс. Хотя такая реализация общепринята, ее стоимость достаточно высока.

Второй способ предназначен для достижения максимальной производительности при минимальных затратах. Он подразумевает использование от двух до четырех процессоров, объединенных шиной Claster Bus. В этом случае необходим только один внешний интерфейс для взаимодействия с другими ресурсами системы.

Рис. 8.9. Блок схема процессора R 10000

Четырехсловные обращения (128 бит) используются для команд кэш-памяти;
Восьмисловные обращения (256 бит) используются для перезагрузки первичного кэша данных;
Шестнадцатисловные обращения (512 бит) используются для перезагрузки первичного кэша команд;
Тридцатидвухсловные обращения (1024 бит) используются для перезагрузки кэш-памяти второго уровня.

Микропроцессорная архитектура MIPS - одна из старейших архитектур, построенных по принципам RISC систем. Главной отличительной особенностью этой архитектуры стал не приостанавливаемый конвейер. Этот факт нашел отражение в названии архитектуры MIPS - Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages.

Фундаментальным условием работы классического микропроцессора является непрерывный поток внешних команд. Эти команды могут иметь разное назначение, а соответственно и время исполнения. С целью ускорения быстродействия, современные микропроцессоры используют специальный механизм под названием «конвейер». Заключается этот механизм в возможности разбиения отдельных команд на части и одновременного исполнения разных частей нескольких команд. Например, одновременно с выборкой следующей команды, производится декодирование текущей и исполнение предыдущей. В итоге использование конвейера позволяет полностью загрузить внутренние блоки процессора и не иметь элементов, простаивающих без действия. К сожалению, подобный механизм содержит узкое место, о котором было сказано выше – разное время исполнения команд. Например, для простого перемещения данных требуется гораздо меньше времени, чем для выполнения сложных математических операций. В итоге некоторые команды вынужденно останавливают действие конвейера на какой-либо стадии, в результате чего падает быстродействие всей системы.

Именно с подобной проблемой решили бороться разработчики MIPS процессоров. Ими было принято решение об оптимизации, как конвейера, так и всей системы команд для недопущения простоев. Вследствие этого в MIPS процессорах отказались от «тяжелых» команд аппаратного умножения и деления. Результатом стали увеличенная тактовая частота и повышенное быстродействие микропроцессора, превышавшее показатели моделей с классической архитектурой. Именно на подобных процессорах строились первые графические станции фирмы SGI. Также MIPS процессоры нашли широкое применение в индустрии суперкомпьютеров и встраиваемых систем.

Постепенно разработчики из MIPS Technologies перестали ориентроваться на выпуск процессоров, а сконцентрировались только на разработке ядер. Сама архитектура MIPS стала лицензируемой и нашла применение в моделях процессоров различных производителей. В частности лицензии приобрели такие гиганты как NEC, Toshiba и Philips.

В настоящее время архитектура MIPS потеряла свое, некогда доминирующее, место на рынке RISC процессоров. Тем не менее, эти микропроцессоры очень активно используются для построения встраиваемых систем. Их применяют в сетевом оборудовании, принтерах, роботах и игровых приставках. Именно MIPS процессор стал ядром знаменитых изделий Sony PlayStation 2 и PlayStation Portable. Единственное место, куда не смогла проникнуть эта архитектура – сотовые телефоны, смартфоны и карманные компьютеры. Весь этот большой рынок прочно заняли ARM микропроцессоры.