88000 ( сокращенно m88k) — это архитектура набора инструкций RISC, разработанная Motorola в 1980 - х годах. MC88100 появился на рынке в 1988 году, примерно через два года после конкурирующих SPARC и MIPS . Из-за позднего старта и значительных задержек с выпуском второго поколения MC88110 , m88k добился весьма ограниченного успеха за пределами платформы MVME и встроенных контроллеров. Когда Motorola присоединилась к альянсу AIM в 1991 году для разработки PowerPC , дальнейшая разработка 88000 прекратилась.
Motorola вошла в 1980-е годы в сильной позиции; недавно представленный компанией Motorola 68000 легко превзошел любой другой микропроцессор на рынке, а его 32-битная архитектура естественным образом подходила для развивающегося рынка рабочих станций . Intel не продвигалась агрессивно в 32-битное пространство, а компании, которые это делали, в частности National Semiconductor , провалили свои релизы и оставили Motorola контролировать все, что не было Intel . В то время Intel занимала около 80% всего компьютерного рынка, в то время как Motorola контролировала 90% остального.
В это время в начале 1980-х годов появилась концепция RISC. Сначала в отрасли шли жаркие дебаты о том, действительно ли концепция улучшит производительность, или же ее более длинные программы на машинном языке фактически замедлят выполнение из-за дополнительных обращений к памяти. Все эти дебаты закончились к середине 1980-х годов, когда появились первые рабочие станции на базе RISC; последняя модель Sun-3/80, работающая на 20-мегагерцовом Motorola 68030, обеспечивала около 3 MIPS, тогда как первая модель Sun-4/260 на базе SPARC с 16-мегагерцовым SPARC обеспечивала 10 MIPS. Hewlett-Packard , DEC и другие крупные поставщики начали переходить на платформы RISC.
Этот сдвиг на рынке мог потенциально вытеснить Motorola с рынка рабочих станций, одного из ее немногих оплотов и одного из самых прибыльных. Apple оставалась единственным крупным поставщиком компании за пределами рынка рабочих станций; другие пользователи 68000, в частности Atari Corporation и Commodore International , барахтались на рынке, который быстро стандартизировался на IBM PC-совместимых компьютерах . [1]
Проекты RISC были осознанной попыткой адаптировать процессор к типам операций, вызываемых компиляторами на этой платформе, в случае рабочих станций Unix, языку программирования C. В основополагающем проекте IBM 801 было отмечено, что компиляторы, как правило, не использовали подавляющее большинство доступных им инструкций, а вместо этого использовали простейшую версию инструкций, часто потому, что они выполнялись быстрее всего. Однако схемы, предоставляющие другие версии этих инструкций, добавляли накладные расходы даже к самой простой версии. Удаление этих неиспользуемых инструкций из ЦП устранило эти накладные расходы и освободило значительное место на чипе. Это дало возможность увеличить количество регистров процессора , что оказало гораздо большее влияние на производительность, чем удаленные специальные инструкции. По этой причине можно сказать, что концепция RISC обусловлена реальным дизайном компиляторов. [2]
Статьи Motorola о дизайне 88000 говорят об однотактных инструкциях, больших файлах регистров процессора и других отличительных чертах концепции RISC, но ни разу не упоминают слово «RISC». [3] Поскольку существующие разработки RISC уже вышли на рынок, компания решила, что не будет пытаться конкурировать с ними, а вместо этого будет производить самый мощный процессор в мире. Для этого она взяла проектные заметки одного из самых быстрых компьютеров предыдущей эпохи, суперкомпьютера CDC 6600. В частности, она переняла концепцию табло 6600. Табло позволяло ЦП проверять использование инструкций регистров и немедленно отправлять те, которые не полагались на предыдущие вычисления, которые еще не были завершены; это позволяло переупорядочивать инструкции, чтобы позволить тем, у которых были требуемые данные, выполняться, в то время как другие загружали свои данные из кэша или памяти. Такое переупорядочивание инструкций могло улучшить использование на целых 35%. [4]
В конструкции также использовались отдельные шины данных и адреса инструкций. Это было затратно с точки зрения количества контактов; как кэши инструкций, так и кэши данных имели 32 контакта для своего адреса и 32 контакта для данных, что означало, что вся система использовала 128 контактов на «P-шине». Эта конструкция была основана на наблюдении, что только около трети операций были связаны с памятью; остальные работали с уже считанными данными. Это настоятельно рекомендовало иметь выделенный путь инструкций к внешнему кэшу инструкций. Кэши и связанные с ними блоки управления памятью (MMU) изначально были внешними, контроллер кэша мог быть подключен либо к шинам данных, либо к шинам инструкций, и на любой шине можно было использовать до четырех контроллеров. Внутри было три 32-битные шины, подключенные к внутренним блокам разными способами, как требовалось для чтения и записи данных в регистры. [5]
Еще одной особенностью нового дизайна была встроенная поддержка специализированных сопроцессоров, или «специальных функциональных блоков», или SFU. [5] В дополнение к внутренним командам, поддерживаемым из коробки, он выделял блоки из 256 инструкций, которые могли использоваться сопроцессорами. Это было нацелено на разработчиков, которые хотели настроить систему; новые функциональные блоки могли быть добавлены без влияния на существующую архитектуру набора инструкций , обеспечивая совместимость программного обеспечения для основных функций. [2] Каждый 88000 поставлялся с уже установленным SFU1, блоком с плавающей точкой (FPU). [5] Инструкции ветвления и перехода включают в себя опцию задержанного ветвления (.n), которую можно указать, чтобы гарантировать, что последующая последовательная инструкция будет выполнена до целевой инструкции ветвления, независимо от условия ветвления. [6] Размещение инструкции ветвления или другой инструкции, которая может изменить указатель инструкции, в слоте задержки ветвления устарело для поддержания будущей совместимости. [7]
К 1987 году стало широко известно, что Motorola разрабатывает свой собственный RISC-процессор. В компьютерной индустрии он получил обозначение «78000» [a] в честь более раннего 68000 [2] , а когда был выпущен в апреле 1988 года, стал называться 88000.
Как побочный эффект сложности конструкции, ЦП не помещался на одном кристалле. 68030, выпущенный годом ранее, имел 273 000 транзисторов, включая арифметико-логическое устройство (АЛУ) и блок управления памятью (БУП) на одном кристалле, с дополнительным блоком с плавающей точкой (ФПУ) в качестве отдельного кристалла. Напротив, 88000 упаковывал АЛУ и ФПУ вместе на 750 000 транзисторах MC88100, а блок управления памятью (БУП) и 16 КБ статического ОЗУ в 750 000 транзисторах MC88200. В отличие от 68030, где БУП был действительно необязательным, практическая система 88000 не могла быть построена без по крайней мере одного MC88200. Системы могли включать более одного MC88200, создавая большие кэши и позволяя несколько путей к основной памяти для повышения производительности. [2]
Нацеленный на верхний уровень рынка, он был заявлен как самый быстрый 32-битный процессор в мире, когда был выпущен. Работая на частоте 20 МГц, он достигал 34 000 Dhrystones или 17 VUPS , [8] [b] по сравнению с примерно 12 MIPS для 12,5 МГц SPARC того же года в SPARCstation , или около 3,3 MIPS 20 МГц 68030. Он также был доступен как часть 25 МГц с 21 MIPS, 48 387 Dhrystones. [9]
В то время Motorola продвигала 88000 строго на рынок high-end, включая «телекоммуникации, искусственный интеллект, графику, трехмерную анимацию, моделирование, параллельную обработку и суперкомпьютеры», в то время как она предполагала, что существующая серия 68k будет продолжать использоваться на рынке рабочих станций. Вместо этого большинство потенциальных клиентов проигнорировали 88000, [8] и система не нашла широкого применения.
Поскольку первоначальный релиз практически не нашел применения за пределами собственной продукции Motorola, а традиционные клиенты начали переходить на другие RISC-проекты, компания повторно запустила проект в однокристальной форме, MC88110. В конце 1980-х годов несколько компаний активно изучали серию 88000 для будущего использования, включая NeXT , Apple Computer и Apollo Computer , но все они отказались от проекта к тому времени, когда 88110 наконец стал доступен в 1992 году.
Была предпринята попытка популяризировать систему с помощью группы 88open , подобно тому, что пыталась сделать Sun Microsystems со своим проектом SPARC . Похоже, что она потерпела неудачу в каком-либо практическом смысле. [10]
В начале 1990-х годов Motorola присоединилась к усилиям AIM по созданию новой архитектуры RISC на основе архитектуры IBM POWER . Она внедрила несколько функций 88000 (таких как совместимый интерфейс шины [11] ) в новую архитектуру PowerPC , чтобы предложить своим клиентам некий путь обновления. В этот момент 88000 был снят с производства как можно скорее. [12]
Как и 68000 до него, 88000 считался «чистым» дизайном. Это чистая 32-битная архитектура загрузки/хранения с раздельными кэшами инструкций и данных ( архитектура Гарварда ) [13] и раздельными шинами данных и адреса. Он имеет небольшой, но мощный набор команд и использует плоское адресное пространство.
Необычной архитектурной особенностью является то, что как целочисленные инструкции, так и инструкции с плавающей точкой используют один и тот же файл регистров .
Первой реализацией 88000 ISA был микропроцессор MC88100 , который включал интегрированный FPU . С ним был сопряжен MMU и контроллер кэша MC88200 . Идея такого разделения обязанностей заключалась в том, чтобы упростить построение многопроцессорных систем; один MC88200 мог поддерживать до четырех MC88100. Однако это также означало, что построение самой простой системы с одним процессором требовало обоих чипов и значительной проводки между ними, что увеличивало затраты. Вероятно, это было еще одной важной причиной ограниченного успеха 88000.
Позднее эта проблема была решена с помощью суперскалярного MC88110 , который объединил CPU, FPU, MMU и кэш L1 в одном корпусе. Дополнительная модификация, сделанная по заказу проекта *T Массачусетского технологического института , привела к появлению MC88110MP, включающего внутричиповые коммуникации для использования в многопроцессорных системах. [14] Версия, способная работать на частоте до 100 МГц, планировалась как MC88120, но так и не была построена.
Реализация для встраиваемых приложений, MC88300, находилась в стадии разработки в начале 1990-х годов, но в конечном итоге была отменена. Ford Motor Company планировала использовать чипы, которые наряду с принятием поставщиками телекоммуникационного оборудования рассматривались как гарантия жизнеспособности архитектуры на неопределенный срок. [15] Motorola предложила дизайн PowerPC в качестве замены, который Ford принял. [16]
Motorola выпустила серию одноплатных компьютеров , известную как серия MVME , для построения систем «из коробки» на основе 88000, а также стекируемые компьютеры Series 900, использующие эти платы MVME. В отличие от систем с башенным или стоечным креплением , Series 900 располагались друг над другом и соединялись друг с другом с помощью кабелей типа «шина». Эта концепция так и не прижилась.
Число основных сторонних пользователей было ограничено. Единственное широкое применение было в серии Data General AViiON . Они были довольно популярны и остаются в ограниченном использовании сегодня. Для более поздних моделей DG перешла на Intel. Encore Computer построила свою машину Encore-91 на m88k, затем представила полностью переработанную версию как серию Infinity 90, но неясно, сколько из этих машин было продано. Encore перешла на Alpha . Tektronix представила свою линейку графических рабочих станций XD88 в апреле 1989 года. [17]
GEC Computers использовала MC88100 для создания GEC 4310, одного из компьютеров серии GEC 4000 , но проблемы с управлением памятью привели к тому, что он не работал так же хорошо, как более ранние компьютеры серии GEC 4000 на основе вентильной матрицы и Am2900 . Модель BBN Butterfly TC-2000 использовала процессор MC88100 и масштабировалась до 512 ЦП. Linotype-Hell использовала 88110 в своих рабочих станциях «Power», на которых работал редактор растровой графики DaVinci для обработки изображений.
MC88110 вошел в некоторые версии никогда не выпущенной машины NeXT , NeXT RISC Workstation , но проект был отменен вместе со всеми аппаратными проектами NeXT в 1993 году. 4-процессорные машины OMRON LUNA-88K из Японии использовали m88k и использовались в течение короткого времени в проекте ядра Mach в Университете Карнеги-Меллона . В начале 1990-х годов Northern Telecom использовала MC88100 и MC88110 в качестве центрального процессора в своем семействе телефонных коммутаторов DMS SuperNode.
Большинство других пользователей были гораздо меньше. Alpha Microsystems изначально планировала перейти на архитектуру 88K с Motorola 68000 и внутренне создала машину на ее основе, работающую под управлением UNIX System V , но позже от этого отказались в пользу более поздних производных 68K. [18] NCD использовала 88100 (без 88200) в своих 88K X-Terminals . Dolphin Server, ответвление умирающей Norsk Data , построило серверы на основе 88k. [19] Около 100 систем было поставлено в течение 1988-1992 гг.
Компания Virtuality использовала MC88110 в игровом автомате виртуальной реальности SU2000 в качестве графического процессора, по одному MC88110 на экран каждой гарнитуры виртуальной реальности .
В области встроенных компьютеров «Трехканальный компьютер VMS» в F-15 S/MTD использовал три 88000 в тройном избыточном компьютере. [20]
Motorola выпустила собственную производную UNIX System V , System V/88, для своих систем на базе 88000. Было два основных выпуска: Release 3.2 Version 3 и Release 4.0 Version 3. [21] Системы Data General AViiON работали под управлением DG/UX . Существуют порты OpenBSD для систем MVME, [22] рабочих станций LUNA-88K, [23] и систем Data General AViiON. [24] Существует по крайней мере один неофициальный экспериментальный порт NetBSD для систем MVME. [25]