88000 ( сокращенно m88k ) — это архитектура набора команд RISC , разработанная Motorola в 1980-х годах. MC88100 появился на рынке в 1988 году, примерно на два года позже конкурирующих SPARC и MIPS . Из-за позднего запуска и значительных задержек с выпуском MC88110 второго поколения m88k добился очень ограниченного успеха за пределами платформы MVME и сред встроенных контроллеров. Когда Motorola присоединилась к альянсу AIM в 1991 году для разработки PowerPC , дальнейшее развитие 88000 закончилось.
Motorola вступила в 1980-е годы в сильной позиции; их недавно представленный 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 сделали, особенно National Semiconductor , провалили свои выпуски и оставили Motorola под контролем все, что не было Intel . В то время Intel занимала около 80% всего компьютерного рынка, а Motorola контролировала 90% остального.
Это привело к появлению в начале 1980-х годов концепции RISC. Сначала в отрасли шли ожесточенные споры о том, действительно ли эта концепция улучшит производительность или ее более длинные программы на машинном языке действительно замедлят выполнение из-за дополнительного доступа к памяти. Все подобные дебаты прекратились к середине 1980-х годов, когда появились первые рабочие станции на базе RISC; последний Sun-3/80 , работающий на Motorola 68030 с частотой 20 МГц , обеспечивал около 3 MIPS, тогда как первый Sun-4/260 на базе SPARC с SPARC 16 МГц обеспечивал 10 MIPS. Hewlett-Packard , DEC и другие крупные поставщики начали переходить на платформы RISC.
Этот сдвиг на рынке потенциально мог лишить Motorola доступа на рынок рабочих станций, один из ее единственных оплотов и один из самых прибыльных. Apple оставалась единственным крупным поставщиком компании за пределами рабочих станций; другие пользователи 68000, особенно Atari Corporation и Commodore International , барахтались на рынке, который быстро стандартизировал IBM PC-совместимые устройства .
Проекты RISC были сознательной попыткой адаптировать процессор к типам операций, вызываемых компиляторами на этой платформе, в случае рабочих станций Unix, языке программирования C. В плодотворном проекте IBM 801 отмечалось, что компиляторы обычно не используют подавляющее большинство доступных им инструкций, а вместо этого используют самые простые версии инструкций, часто потому, что они выполняются быстрее всего. Тем не менее, предоставление других версий этих базовых инструкций также добавляло накладные расходы по сравнению с базовой версией. Удаление этих неиспользуемых инструкций из ЦП устранило эти накладные расходы и освободило значительное пространство на кристалле. Это дало возможность увеличить количество регистров процессора , что оказало гораздо большее влияние на производительность, чем удаление специальных инструкций. По этой причине можно сказать, что концепция RISC основана на реальной конструкции компиляторов. [1]
В статьях Motorola о конструкции 88000 говорится об однотактных инструкциях, больших файлах регистров процессора и других отличительных чертах концепции RISC, но слово «RISC» не упоминается ни разу. [2] Поскольку существующие разработки RISC уже вышли на рынок, компания решила, что не будет пытаться конкурировать с ними и вместо этого будет производить самый мощный процессор в мире. Для этого они взяли проектные заметки с одного из самых быстрых компьютеров предыдущей эпохи — суперкомпьютера CDC 6600 . В частности, они переняли концепцию табло 6600 . Табло позволяло ЦП проверять использование регистров инструкцией и немедленно отправлять те, которые не полагались на предыдущие вычисления, которые еще не были завершены; это позволило изменить порядок инструкций, чтобы позволить выполнять те, у которых были необходимые данные, в то время как данные других загружались из кэша или памяти. Такое изменение порядка инструкций может улучшить использование на целых 35%. [3]
В конструкции также использовались отдельные адресные шины данных и команд. Это было дорого с точки зрения количества контактов; и кэш инструкций, и данные имели 32 контакта для адреса и 32 контакта для данных, то есть вся система использовала 128 контактов на «P-шине». Этот дизайн был основан на наблюдении, что только около трети операций были связаны с памятью; остальные работали с уже прочитанными данными. Это сильно способствовало выделению специального пути для инструкций к внешнему кэшу инструкций. Кэши и связанные с ними блоки управления памятью (MMU) изначально были внешними, контроллер кэша мог быть подключен как к шине данных, так и к шине команд, и на каждой шине можно было использовать до четырех контроллеров. Внутри было три 32-битные шины, подключенные к внутренним блокам разными способами, необходимыми для чтения и записи данных в регистры. [4]
Еще одной особенностью новой конструкции была встроенная поддержка специализированных сопроцессоров, или «модулей специальных функций», или SFU. [4] В дополнение к внутренним командам, поддерживаемым «из коробки», он выделил ряд блоков по 256 инструкций, которые могли использоваться сопроцессорами. Это было нацелено на дизайнеров, желающих настроить систему; новые функциональные блоки можно было добавлять, не затрагивая существующую архитектуру набора команд , обеспечивая совместимость программного обеспечения для основных функций. [1] Каждые 88000 поставлялись с уже установленным SFU1, блоком с плавающей запятой (FPU). [4] Инструкции ветвления и перехода включают опцию отложенного ветвления (.n), которую можно указать, чтобы гарантировать, что последующая последовательная инструкция будет выполнена до целевой инструкции ветвления, независимо от условия ветвления. [5] Размещение команды ветвления или другой инструкции, которая может изменить указатель команды, в слоте задержки ветвления не рекомендуется для обеспечения совместимости в будущем. [6]
К 1987 году стало широко известно, что Motorola разрабатывает собственный RISC-процессор. Называемый в компьютерной индустрии «78000», [a] дань уважения более раннему 68000, [1] он стал 88000, когда был выпущен в апреле 1988 года.
Побочным эффектом сложности конструкции стало то, что ЦП не помещался на одном чипе. Модель 68030, выпущенная годом ранее, имела 273 000 транзисторов, включая арифметико-логический блок (ALU) и блок управления памятью (MMU) на одном кристалле, а также дополнительный блок с плавающей запятой (FPU) в виде отдельного чипа. Напротив, в 88000 ALU и FPU были объединены на транзисторе MC88100 на 750 000, а блок управления памятью (MMU) и кэш- память статического ОЗУ объемом 16 КБ - на транзисторе MC88200 на 750 000. В отличие от 68030, где FPU был действительно необязательным, практичную систему 88000 невозможно было построить без хотя бы одного MC88200. Системы могут включать более одного MC88200, создавая больший кэш и обеспечивая несколько путей к основной памяти для повышения производительности. [1]
Нацеленный на рынок высшего класса, на момент своего выпуска он был заявлен как самый быстрый 32-битный процессор в мире. При работе на частоте 20 МГц он достиг 34 000 Dhrystones или 17 VUPS [ 7 ] по сравнению с примерно 12 MIPS для SPARC 12,5 МГц того же поколения в SPARCstation или около 3,3 MIPS для 68030 с частотой 20 МГц. Он также был доступен в виде Часть 25 МГц при 21 MIPS, 48 387 Dhrystones. [8]
В то время Motorola продавала 88000 исключительно элитному сегменту рынка, включая «телекоммуникации, искусственный интеллект, графику, трехмерную анимацию, моделирование, параллельную обработку и суперкомпьютеры», хотя они предполагали, что существующая серия 68k будет продолжать использоваться. использоваться на рынке рабочих станций. Вместо этого большинство потенциальных клиентов проигнорировали 88000 [7] , и система не нашла широкого применения.
Поскольку первоначальная версия практически не нашла применения за пределами собственных продуктов Motorola, а традиционные клиенты начали переходить на другие конструкции RISC, компания перезапустила конструкцию в однокристальной форме MC88110. В конце 1980-х несколько компаний активно изучали серию 88000 для будущего использования, в том числе NeXT , Apple Computer и Apollo Computer , но все отказались от этой конструкции к тому времени, когда 88110 наконец стал доступен в 1990 году.
Была попытка популяризировать систему с помощью группы 88open , аналогично тому, что Sun Microsystems пыталась сделать со своим дизайном SPARC . Похоже, что в практическом смысле это провалилось. [9]
В начале 1990-х годов компания Motorola присоединилась к усилиям AIM по созданию новой RISC-архитектуры на основе архитектуры IBM POWER . Они внедрили некоторые функции 88000 (например, совместимый интерфейс шины [10] ) в новую архитектуру PowerPC , чтобы предложить своим клиентам своего рода путь обновления. В этот момент 88000 были сброшены как можно скорее. [11]
Как и предшествующий 68000, 88000 считался «чистым» дизайном. Это чистая 32-битная архитектура загрузки/сохранения с отдельными кэшами инструкций и данных ( Гарвардская архитектура ) [12] и отдельными шинами данных и адреса. Он имеет небольшой мощный набор команд и использует плоское адресное пространство.
Необычной архитектурной особенностью является то, что и целочисленные инструкции, и инструкции с плавающей запятой используют один и тот же файл регистров .
Первой реализацией 88000 ISA был микропроцессор MC88100 , который включал интегрированный FPU . К нему был подключен MMU MC88200 и контроллер кэша . Идея такого разделения обязанностей заключалась в том, чтобы упростить создание многопроцессорных систем; один MC88200 может поддерживать до четырех MC88100. Однако это также означало, что для создания самой простой системы с одним процессором требовались как микросхемы, так и значительная проводка между ними, что увеличивало затраты. Вероятно, это было еще одной важной причиной ограниченного успеха 88000.
Позже эта проблема была решена с помощью суперскаляра MC88110 , который объединил ЦП, FPU, MMU и кэш L1 в единый пакет. Дополнительная модификация, сделанная по заказу проекта *T Массачусетского технологического института , привела к созданию MC88110MP, включающего встроенную связь для использования в многопроцессорных системах. [13] Версия, способная работать на частоте до 100 МГц, планировалась как MC88120, но так и не была построена.
Реализация встроенных приложений MC88300 находилась в стадии разработки в начале 1990-х годов, но в конечном итоге была отменена. Компания Ford Motor Company планировала использовать эти чипы, поэтому в качестве замены им была предложена конструкция PowerPC, и они согласились. [14]
Motorola выпустила серию одноплатных компьютеров , известную как серия MVME , для создания «готовых» систем на базе 88000, а также стекируемые компьютеры Series 900, использующие эти платы MVME. В отличие от систем, монтируемых в башню или стойку , устройства Series 900 располагались друг на друге и подключались друг к другу с помощью кабелей, подобных шине. Эта концепция так и не прижилась.
Основные сторонние пользователи были ограничены. Единственное широкое применение будет в серии Data General AViiON . Они были довольно популярны и сегодня используются ограниченно. Для более поздних моделей DG перешла на Intel. Encore Computer построила свою машину Encore-91 на базе m88k, а затем представила полностью перепроектированную серию Infinity 90, но неясно, сколько из этих машин было продано. Encore перешёл в Альфу . Tektronix представила линейку графических рабочих станций XD88 в апреле 1989 года. [15]
Компания 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 их более ранние компьютеры серии GEC 4000 на базе вентильной матрицы и Am2900 . Модель BBN Butterfly TC-2000 использовала процессор MC88100 и масштабировалась до 512 процессоров. Linotype-Hell использовала 88110 на своих рабочих станциях Power, на которых работал редактор растровой графики DaVinci для манипулирования изображениями.
MC88110 использовался в некоторых версиях никогда не выпускавшейся машины NeXT , рабочей станции NeXT RISC , но проект был отменен вместе со всеми аппаратными проектами NeXT в 1993 году. 4-процессорные машины OMRON LUNA-88K из Японии использовали m88k и были некоторое время использовался в проекте ядра Маха в Университете Карнеги-Меллон . В начале 1990-х годов компания Northern Telecom использовала MC88100 и MC88110 в качестве центрального процессора в своем семействе телефонных коммутаторов DMS SuperNode.
Большинство других пользователей были намного меньше. Первоначально Alpha Microsystems планировала перейти на архитектуру 88K с Motorola 68000 и внутри компании создала на ее основе машину под управлением UNIX System V , но позже от нее отказались в пользу более поздних производных 68K. [16] Компания NCD использовала 88100 (без 88200) в своих X-терминалах 88K . Dolphin Server, дочерняя компания умирающей компании Norsk Data , создавала серверы на базе 88k. В период 1988-1992 годов было поставлено около 100 систем.
Virtuality использовала MC88110 в аркадном автомате виртуальной реальности SU2000 в качестве графического процессора, по одному MC88110 на экран каждой гарнитуры виртуальной реальности .
Во встроенном компьютерном пространстве «трехканальный компьютер VMS» на F-15 S / MTD использовал три 88000 в компьютере с тройным резервированием. [17]
Motorola выпустила собственную версию UNIX System V , System V/88, для своих систем на базе 88000. Существовало два основных выпуска: выпуск 3.2 версии 3 и выпуск 4.0 версии 3. [18] Общие данные Системы AViiON работали под управлением DG/UX . Порты OpenBSD существуют для систем MVME, [19] рабочих станций LUNA-88K, [20] и систем Data General AViiON. [21] Существует по крайней мере один неофициальный экспериментальный порт NetBSD для систем MVME. [22]