Специализированное оборудование для повышения производительности конвейера повышало не только сложность, но и цену аппаратуры. Для суперкомпьютеров цена не играет особой роли, чего не скажешь об обычных системах.
В конце 60-х годов Джон Кок работал над проектом быстрого компьютера для научных расчетов в IBM Research Laboratory в Сан-Хосе (San Jose), штат Калифорния, и вплотную столкнулся со сложностью оборудования, необходимого для поддержания загрузки конвейера. Кок полагал, что если переложить большую часть ответственности за это на компиляторы, то оборудование значительно упростится и подешевеет. И тогда высокопроизводительная обработка перестанет быть прерогативой суперкомпьютеров. Так родилась идея RISC.
К сожалению, этот исследовательский проект был прерван прежде, чем Кок смог реализовать свои идеи. Еще один шанс сделать это представился ему в 1976 году, в исследовательской лаборатории IBM Yorktown в Нью-Йорке. Коку было поручено спроектировать и построить высокопроизводительный контроллер телекоммуникаций. Именно этот контроллер, получивший кодовое наименование 801 (по номеру здания, в котором работал Кок) обычно считается первым RISC-компьютером.
801 доказал, что планирование загрузки конвейерного процессора может быть возложено на компилятор. Сочетание компилятора, генерировавшего поток команд, оптимизированный для конкретного конвейерного процессора, и упрощенного процессора типа загрузка/сохранение, аналогичного машине Сеймура Крея, до сих пор остается непревзойденным.
Современные RISC-процессоры используют идею Джона Кока s оптимизирующий компилятор, соответствующий аппаратуре процессора. Их производительность обеспечивается технологическими достижениями как аппаратуры, так и компиляторов. Поскольку за последние несколько лет компиляторы очень быстро прогрессируют, то есть даже предложения переименовать RISC в «Relegate Interesting Stuff to Compilers»[ 13 ].
Первым продуктом IBM, в котором использовались идеи 801, был PC RT. Подразделению по созданию продукции для офисов в Остине понадобился новый процессор. В качестве отправной точки для разработки был взят 801. Новый микропроцессор, названный ROMP (Research/Office Products Microprocessor), включал в себя подмножество 801, что обеспечивало низкую себестоимость. Главным архитектором и менеджером разработки PC RT выступал Гленн Хенри. Ранее он был программным менеджером нашего проекта в Рочестере, а после выхода на рынок System/38 перебрался в Остин, где возглавил первый проект IBM по созданию RISC-компьютера.
801 использовался также и другими организациями в качестве базы для создания RISC-процессоров. В начале 80-х исследования по этой теме велись группой Дэвида Паттерсона (David Patterson) в Калифорнийском университете в Беркли (Berkeley) и группой Джона Хеннеси (John Hennessy) в Станфордском университете. Именно Паттерсон и придумал термин «RISC». Выпускники обоих упомянутых университетов работали в IBM Research и знали 801. Проект Паттерсона лег в основу микропроцессора SPARC, использовавшегося компанией SUN, а проект Хеннеси s микропроцессора MIPS. Тем временем, в расположенной по соседству компании HP разработкой архитектуры PA-RISC занимался Джоел Бирнбаум (Joel Birnbaum), ранее возглавлявший группу 801 в IBM Research. Таким образом, PA-RISC также s прямой потомок проекта 801.
Ранние процессоры RISC, как и 801, использовали один конвейер. Кок и другие сотрудники IBM полагали, что повысить производительность можно путем распределения на каждом цикле нескольких команд из обычного линейного потока по нескольким конвейерам. Такой компьютер был создан и назван суперскалярным. Первый суперскалярный RISC-процессор появился в 1990 году в RS/6000. В основе его архитектуры также лежал 801.
Чтобы отметить суперскалярное расширение RISC-процессора, IBM назвала эту архитектуру POWER (Performance Optimization With Enhanced RISC). Архитектура POWER стала стартовой площадкой объединенного проекта Apple, IBM и Motorola.
Рисунок 2.2. Эволюция PowerPC
Чтобы удовлетворить будущие потребности всех трех корпораций, архитектуру POWER требовалось несколько изменить. Большинство процессоров POWER были многокристальными. Некоторое упрощение архитектуры сделало возможным создание дешевых однокристальных вариантов (иначе говоря, микропроцессоров). Кроме того, архитектура POWER не поддерживала многопроцессорные системы, так что и здесь понадобились соответствующие добавления. Были также увеличены возможности поддержки предполагаемых будущих приложений. Наконец, 32-разрядная архитектура POWER была расширена путем включения 64-разрядных адресов и операций. В результате всех этих изменений на свет появилась новая архитектура s PowerPC. Ее эволюция, начиная с 801, показана на рисунке 2.2.
Усилиями инженеров Apple, IBM и Motorola был создан новый проектный центр для разработки микропроцессоров PowerPC. Персонал Somerset[ 14 ] Design Center, расположенного в Остине, состоит, в основном, из инженеров IBM и Motorola. В конце 1995 года Somerset стал частью подразделения IBM Microelectronics. Сотрудничающие фирмы имеют право производить и продавать процессоры, разработанные в Сомерсете. Например, Apple покупает микросхемы PowerPC как у IBM, так и у Motorola. Процессоры PowerPC Motorola производятся на заводе этой фирмы в Остине. IBM производит свои микросхемы PowerPC в Барлингтоне (Burlington), штат Вермонт.
Важно отметить, что RISC-процессоры в последние несколько лет неуклонно прогрессируют. Практически каждый их производитель, включая консорциум PowerPC, ныне поставляет на рынок 64-разрядный RISC-процессор, на кристалле которого установлена аппаратура динамического планирования, использующая описанный выше алгоритм Томасуло, а также предсказания переходов. Удивительно, но мы, кажется, совершили полный круг? В современные процессоры снова включена вся аппаратура, для устранения которой и была первоначально предложена RISC-архитектура. Сеймур Крей мог бы гордиться: ведь аппаратные решения, предложенные им впервые в 1964 году, взяли верх над более простыми архитектурами ранних RISC-процессоров. Это определенно не те RISC-процессоры, что раньше!
RISC-процессор AS/400 для коммерческих расчетов
В 1990 году была разработана новая архитектура RISC-процессора для будущих моделей AS/400. Первоначальная архитектура процессора, получившая неуклюжее название Internal Microprogrammed Interface (IMPI)[ 15 ] была разработана в середине 70-х для System/38 и предназначалась для поддержки интерактивных коммерческих систем обработки транзакций.
IMPI была преимущественно архитектурой память-память. С помощью одной команды данные могли быть выбраны из памяти, изменены процессором и записаны обратно. Обычно, интерактивные приложения обработки транзакций перемещают много данных, но изменяют лишь их малую часть. Рассмотрим типичную операцию обновления инвентарной описи.
Пользователь делает заказ по телефону. Наше приложение должно обновлять инвентарную запись для каждой проданной им единицы товара. Инвентарная запись выбирается из памяти, или, что вероятнее всего, с диска. Размер заказа сравнивается с полем количества в записи, и если это количество достаточно, то оно уменьшается на число проданных единиц товара. Наконец, обновленная запись помещается обратно в память, и к ней может обратиться другой пользователь системы.
Описанная операция может считаться отдельной транзакцией, или быть частью более крупной транзакции. В любом случае, мы имеем дело с обработкой транзакций.
Кроме того, данное приложение интерактивно, так как им управляет человек за терминалом (приемщик заказа). Этому человеку исключительно важно получить ответ быстро. Следовательно, для создания интерактивной системы обработки транзакций абсолютно необходим процессор, который в состоянии перемещать большие объемы данных и выполнять операции в короткое время. AS/400 отлично подходит для приложений такого типа.
На протяжении многих лет мы исследовали тысячи коммерческих приложений, написанных для AS/400 и других многопользовательских систем Рочестера. Все они имеют ряд общих характеристик. Рассмотрим некоторые из них.
Возможность поддерживать параллельную работу сотен и даже тысяч пользователей.
Длинные последовательные цепочки команд, причем большая часть длины такой цепочки приходится на код операционной системы, а не приложения. Приложения выполняют множество обращений к операционной системе за различными видами обслуживания, например, для ввода-вывода.
Адресация структур данных в AS/400 выполняется посредством указателей, что требует использования целочисленной арифметики для обновления адресов.
При обработке данных используются, в основном, строковые или целочисленные сравнения, обновления и вставки. Арифметика с плавающей точкой используется редко.
Циклы в приложениях для AS/400 встречаются реже, а нециклические переходы чаще, чем в приложениях для научных расчетов.
Обрабатываемые данные разбросаны по большому объему дискового пространства. Объем данных, выбираемых за одно обращение к диску, относительно невелик, а последовательные обращения с большой вероятностью будут обращены к разным дискам.
