Основы AS/400

Солтис Фрэнк

С каждым новым поколением микросхем производителям удается разместить на одном кристалле все больше транзисторов, примерно удваивая это число каждые 18 месяцев. Данная закономерность известна как закон Мура, названный так в честь Гордона Мура (Gordon Moore), председателя и одного из основателей Intel. В 1971 году Intel выпустила свой первый микропроцессор 4004, содержавший 2300 транзисторов на одной микросхеме. Современный кристалл микропроцессора содержит миллионы транзисторов. Предсказание Мура сбывается уже более четверти столетия1. Постоянное сокращение размера транзисторов позволяет увеличивать плотность их упаковки на кристалле. По мнению многих экспертов, вскоре после 2000 года появятся транзисторы размером всего лишь около 0,18 микрона; а еще менее чем через десять лет s 0,08 микрон. Для сравнения, толщина человеческого волоса примерно 80 микрон. Представьте себе тысячу транзисторов, размещенных на его срезе! Судя по

такой стремительности прогресса, закон Мура продержится еще не один десяток лет. Не пройдет и десятилетия, и мы, вероятно, увидим микросхемы с более чем 100 миллионами транзисторов; а размещение на одной микросхеме миллиарда транзисторов может стать возможным уже лет через 15 лет. Все это обеспечит та же самая кремниевая технология, которая применяется для современных микросхем. Необходимость ее замены возникнет, по-видимому, не раньше чем через 20 лет. Однако у микросхем с высокой плотностью упаковки есть и минусы. Они невероятно сложны, и их разработка и производство становятся все дороже. В будущем экономические проблемы, вероятно, приведут к прекращению производства микросхем несколькими известными сегодня фирмами. Уже сейчас завод, производящий кристаллы для современных микросхем стоит более 2 миллиардов долларов, а стоимость производства микросхем с размером транзисторов менее 0,1 микрон, вероятно, «перевалит» за 10 миллиардов. С учетом продолжающегося падения цен на полупроводниковые микросхемы, можно предположить, что через 10 лет производителей микросхем останется не более десятка.

Никто не знает, кто выдержит эту гонку, и сегодняшние удачи ничего не гарантируют в будущем. Возьмем, например, Intel. Многие считают, что благодаря популярности ПК, Intel s крупнейший производитель микропроцессоров. Но это не так! Intel производит только около 1,5 процента всех микропроцессоров. Motorola, Hitachi и даже Zilog (помнит ли кто-нибудь Z80?) продают гораздо больше микропроцессоров, чем Intel. Своим успехом Intel обязан, главным образом, высоким ценам, которые он устанавливает на свои микросхемы для ПК. Другие производители продают микросхемы равной производительности дешевле. Но пока существуют ПК, Intel может запрашивать высокие цены.

IBM твердо намерена оказаться в числе тех производителей микросхем, которые выживут в следующем десятилетии. Свои надежды мы возлагаем на процессоры PowerPC, чья технология будет фундаментом AS/400 и другой продукции IBM в течение следующих нескольких лет.

Итак, давайте более подробно рассмотрим эволюцию архитектуры PowerPC и использование ее в AS/400, а затем поговорим о процессорах, используемых в различных RISC-моделях AS/400.

Альянс PowerPC

В начале 1991 года Apple Computer подыскивала новый процессор для своих компьютеров. Ее специалисты полагали, что будущее процессоров ПК — в RISC-архитектуре. В то время процессоры ПК, производимые Motorola, Intel и другими фирмами, имели архитектуру CISC. Apple тогда использовала процессоры Motorola, и хотя последняя уже создала RISC-процессор, он не имел большого коммерческого успеха.

У технологии RISC фундаментальные преимущества над CISC. RISC-процессор более производителен, он упакован на кристалле меньшего размера и потребляет меньшую мощность. В Apple поняли, что вычислительная техника, в конце концов, будет двигаться в этом направлении, но в 1991 году подавляющее большинство доступных микропроцессоров по-прежнему имели архитектуру CISC.

В то время IBM производила одни из лучших RISC-процессоров. Они применялись в компьютерах RISC System/6000 (RS/6000). Все эти процессоры имели многокристальную 32-разрядную архитектуру, но IBM планировала выпустить в начале 1992 года однокристальную версию RCS (RISC Single Chip). Узнав, что Apple ищет новый RISC-микропроцессор, в IBM решили узнать, не подойдет ли им продукция IBM.

Оправившись от шока, вызванного тем, что их прямой конкурент на рынке ПК — IBM — пытается продать им процессоры, в Apple решили, что в этом что-то есть. Зная, что Motorola также работает над новым RISC-процессором, Apple предложила объединить усилия трех фирм. После переговоров IBM согласилась, и в сентябре 1991 года три фирмы официально объявили о совместной разработке некоторых новых технологий, включая большое семейство микропроцессоров. В основе дизайна микропроцессоров должен был лежать RSC. Новое семейство получило название PowerPC.

Три партнера понимали, что успех на рынке зависит от объема продаж новых микросхем и возможностей выбора программного обеспечения. Для этого они стали привлекать к использованию PowerPC производителей аппаратного и программного обеспечения, включая Toshiba, Canon, Zenith Data Systems, Harris Computer и Groupe Bull. Чтобы еще больше повысить объем продаж процессоров, члены альянса привлекли и фирмы,

работающие вне области вычислительной техники. Хороший пример такого сотрудничества s компания Ford Motor. В будущих автомобилях Ford микропроцессоры PowerPC будут применяться для управления важнейшими узлами — от двигателя до системы торможения.

Эволюция PowerPC

Концепция RISC была разработана Джоном Коком (John Cocke) из IBM Research. Кок установил, что прогресс в области компиляторов достиг той точки, когда можно упростить набор команд процессора, и возложить на компилятор значительную часть работы, ранее выполнявшейся аппаратурой. Впервые идеи Кока были воплощены в миникомпьютере IBM 801. Процессоры PowerPC s прямые наследники 801.

Основным мотивом создания архитектур CISC было желание сократить семантический разрыв между двоичным машинным языком процессора и ЯВУ, используемыми программистами. В двоичный машинный язык вводились команды, соответствующие инструкциям языка высокого уровня. Идея заключалась в том, чтобы процессор исполнял меньшее количество сложных команд, что позволило бы сэкономить память. К несчастью, машинные команды стали настолько сложны, что при создании практически любого процессора приходилось применять микропрограммирование. Накладные расходы микропрограммируемого эмулятора замедляли выполнение часто встречающихся простых команд. Кок доказывал, что при использовании только простых команд, необходимость в микропрограммировании отпадет, а все команды будут выполняться аппаратурой непосредственно. Более того, если бы стоимость памяти не была столь существенна, то компиляторы могли бы напрямую подставлять код для выполнения более сложных функций. Потребности в памяти увеличились бы, но возросла бы и производительность.

Дизайн процессора 801 был заимствован у суперкомпьютеров s самых быстродействующих ЭВМ. Хотя сам термин «суперкомпьютер» до середины 70-х годов не использовался, но конструкторы, стремившиеся раздвинуть пределы возможностей аппаратных технологий, были всегда. Невозможно говорить о суперкомпьютерах, не вспомнив о Сеймуре Крее (Seymour Cray). Если хотите, Крей и суперкомпьютер — это синонимы. Современные архитектуры RISC-процессоров многим обязаны этому первопроходцу [ 10 ] .

10

К несчастью, Сеймур Крей — отец суперкомпьютеров s умер в октябре 1996 года от ранений, полученных в автокатастрофе. Он начал разрабатывать компьютеры в 1950 году в миннесотской компании Engineering Research Associates, и создал там первый в мире коммерческий успешный компьютер для научных расчетов ERA 1103. В 1957 году Крей — среди основателей корпорации Control Data. Его проекты компьютеров 6600 и 7600 определили новые стандарты для всей промышленности. В 1972 году он основал первую из своих собственных фирм — Cray Research, в рамках которой создал самые быстрые в мире суперкомпьютеры общего назначения. Значение его наследия для всех нас, специалистов компьютерной индустрии, неоценимо.

Значительно повысить производительность процессоров позволил метод конвейерной обработки (pipelining). На протяжении уже многих лет эта технология используется при создании всех компьютеров, от ПК до больших ЭВМ. Суть ее — в параллельном исполнении фрагментов последовательных команд на разных этапах аппаратного конвейера. Первый компьютер общего назначения, использовавший конвейерную обработку, появился еще в 1961 году. Это был IBM 7030, известный также под названием Stretch.

Рисунок 2.1а Конвейерный скалярный процессор — пятиэтапный конвейер команд.

Пример пятиэтапного конвейера команд показан на рисунке 2.1а. Время, необходимое для выполнения каждого этапа выполнения команды, называется временем цикла процессора (processor cycle time).

На рисунке 2.1б показана временная диаграмма пятиэтапного конвейера. В течение первого цикла процессора команда № 1 выбирается из буфера команд аппаратурой первого этапа конвейера. В течение второго цикла команда № 1 декодируется, и содержимое необходимых регистров считывается аппаратурой второго этапа. В то же самое время, аппаратура первого этапа считывает из буфера команд команду № 2. Теперь аппаратура разных стадий конвейера параллельно обрабатывает разные части двух разных команд. Благодаря такому параллелизму и достигается повышенная производительность процессоров с конвейерной обработкой. Обратите внимание: предполагается, что некоторая другая часть аппаратуры процессора обеспечивает заполнение буфера команд.