ДЭК Альфа

Альфа

Логотип Alpha Generation, используемый Digital
Дизайнер	Корпорация цифрового оборудования
Биты	64-битная
Представлено	1992 год ( 1992 )
Дизайн	РИСК
Тип	Загрузка-сохранение
Кодирование	Зафиксированный
Порядок байтов	С
Расширения	Расширение байтов/слов (BWX), расширение преобразования квадратного корня и чисел с плавающей запятой (FIX), расширение счета (CIX), инструкции видеоизображения (MVI)
Открыть	Да
Регистры
общего назначения	31 плюс всегда ноль R31
Плавающая точка	31 плюс всегда-0,0 F31

Альфа-микропроцессоры

Фото кристалла DEC AXP 21064

Пакет DEC AXP 21064

Голый кристалл DEC AXP 21064, установленный на визитной карточке, с некоторой статистикой

Компак 21264C

Alpha (первоначальное название Alpha AXP ) — это 64-битная набора команд компьютера (ISA) архитектура с сокращенным набором команд (RISC), разработанная Digital Equipment Corporation (DEC). Alpha был разработан, чтобы заменить 32-битные VAX компьютеры со сложным набором команд (CISC) и стать высококонкурентным RISC-процессором для рабочих станций Unix и аналогичных рынков.

Alpha реализована в серии микропроцессоров, первоначально разработанных и изготовленных DEC. Эти микропроцессоры наиболее широко используются в различных рабочих станциях и серверах DEC, которые в конечном итоге легли в основу почти всей их линейки среднего и высшего уровня. Несколько сторонних поставщиков также производили системы Alpha, включая материнские платы форм-фактора ПК .

Операционные системы , поддерживающие Alpha, включали OpenVMS (ранее называвшуюся OpenVMS AXP), Tru64 UNIX (ранее называвшуюся DEC OSF/1 AXP и Digital UNIX), Windows NT (прекращение выпуска которой прекращено после NT 4.0 ; и предварительную версию Windows 2000 RC2 ), Linux ( Debian , SUSE , Gentoo и Red Hat ), BSD UNIX ( NetBSD , OpenBSD и FreeBSD до 6.x), Plan 9 от Bell Labs и ядро ​​L4Ka::Pistachio . Порт Ultrix на Alpha был осуществлен во время первоначальной разработки архитектуры Alpha, но так и не был выпущен как продукт.

Архитектура Alpha была продана вместе с большей частью DEC компании Compaq в 1998 году. Compaq, уже являвшаяся клиентом Intel x86, объявила о постепенном отказе от Alpha в пользу будущей архитектуры Hewlett-Packard /Intel Itanium , и продала всю интеллектуальную собственность Alpha компании Intel в 2001 году. эффективно убивая продукт. Hewlett-Packard приобрела Compaq в 2002 году, продолжая развитие существующей линейки продуктов до 2004 года и продавая системы на базе Alpha, в основном существующей клиентской базе, до апреля 2007 года.

История

ПРИЗМА

Основная статья: DEC PRISM

Alpha возникла из более раннего проекта RISC под названием Parallel Reduced Instruction Set Machine ( PRISM ), который сам по себе является продуктом нескольких более ранних проектов. PRISM задумывался как гибкая конструкция, поддерживающая Unix-подобные приложения и существующее программное обеспечение VAX/VMS от Digital после незначительного преобразования. Новая операционная система под названием MICA будет поддерживать интерфейсы ULTRIX и VAX/VMS на одном ядре , что позволит легко переносить программное обеспечение для обеих платформ на архитектуру PRISM.

Начавшаяся в 1985 году конструкция PRISM постоянно менялась в ходе ее разработки в ответ на изменения на компьютерном рынке, что приводило к длительным задержкам ее внедрения. Лишь летом 1987 года было решено, что это будет 64-битная конструкция, одна из первых подобных конструкций в формате микропроцессора . В октябре 1987 года Sun Microsystems представила Sun-4 , свою первую рабочую станцию , использующую новый процессор SPARC . Sun-4 работает примерно в три-четыре раза быстрее, чем их последние разработки Sun-3 , использующие Motorola 68020 и любые Unix-предложения от DEC. Планы снова изменились; PRISM снова была переработана как 32-битная часть и нацелена непосредственно на рынок Unix. Это еще больше задержало разработку.

Наблюдая за тем, как сроки поставки PRISM продолжают откладываться, и столкнувшись с возможностью новых задержек, команда в офисе в Пало-Альто решила разработать собственную рабочую станцию ​​с использованием другого RISC-процессора. После комплексной проверки они выбрали MIPS R2000 и построили рабочую станцию ​​под управлением Ultrix за 90 дней. Это вызвало острую дискуссию внутри компании, которая достигла кульминации на собрании руководства в июле 1988 года. PRISM оказалась быстрее, чем R2000, но машины R2000 могли появиться на рынке к январю 1989 года, на год раньше, чем PRISM. Когда это предложение было принято, одна из двух первоначальных ролей PRISM исчезла. К этому моменту решение о создании VMS PRISM уже было принято, так что роли уже не оставалось. PRISM был отменен на встрече.

РИСК ВАКС

Когда встреча закончилась, к Бобу Супнику подошел Кен Олсен и заявил, что чипы RISC, похоже, представляют собой будущую угрозу их линии VAX. Он попросил Супника подумать, что можно сделать с VAX, чтобы сохранить его конкурентоспособность по сравнению с будущими RISC-системами.

Это привело к формированию команды «RISCy VAX». Первоначально они рассматривали три концепции. Одна из них представляла собой урезанную версию архитектуры набора команд VAX (ISA), которая могла работать в RISC-подобной системе и оставлять более сложные инструкции VAX для системных подпрограмм. Другой концепцией была чистая RISC-система, которая могла бы «на лету» транслировать существующий код VAX в собственную ISA и сохранять его в кэше ЦП . Наконец, оставалась возможность использовать гораздо более быстрый CISC-процессор, работающий на полной версии VAX ISA. К сожалению, все эти подходы сопряжены с накладными расходами и не могут конкурировать с машиной, работающей на чистом RISC и использующей собственный RISC-код.

Затем группа рассмотрела гибридные системы, сочетающие в себе одно из существующих однокристальных решений VAX и чип RISC в качестве сопроцессора, используемого для обеспечения высокой производительности. Эти исследования показали, что система неизбежно будет ограничена частью с более низкой производительностью и не будет давать убедительных преимуществ. Именно в этот момент Нэнси Кроненберг отметила, что люди используют VMS, а не VAX, и что VMS имеет лишь несколько аппаратных зависимостей, основанных на моделировании прерываний и подкачке памяти. Похоже, не было веской причины, по которой VMS нельзя было бы портировать на RISC-чип, пока сохранялись эти небольшие части модели. Дальнейшая работа над этой концепцией показала, что это работоспособный подход.

Супник представил итоговый отчет Рабочей группе по стратегии в феврале 1989 года. Было поднято два вопроса: может ли полученная в результате конструкция RISC также стать лидером по производительности на рынке Unix и должна ли машина быть открытым стандартом? При этом было принято решение принять архитектуру PRISM с соответствующими модификациями. Это стало концепцией «EVAX», продолжением успешной реализации CMOS CVAX . Когда руководство приняло выводы, они решили дать проекту более нейтральное название, удалив «VAX», и в конечном итоге остановились на «Альфе». Название было вдохновлено использованием «Omega» в качестве кодового названия NVAX на базе модели VAX 4000 ; «Альфа» должна была обозначать начало новой линии (применительно к Альфе и Омеге ). Вскоре после этого начались работы по порту VMS на новую архитектуру .

Альфа

В новом дизайне используется большинство основных концепций PRISM, но он был перенастроен, чтобы позволить VMS и программам VMS работать с разумной скоростью без каких-либо преобразований. Основными разработчиками набора команд Alpha были Ричард Л. Сайтс и Ричард Т. Витек. Epicode PRISM был преобразован в PALcode Alpha , предоставляя абстрактный интерфейс для функций, специфичных для реализации платформы и процессора.

Основной вклад Alpha в микропроцессорную индустрию и основная причина ее производительности — это не столько архитектура, сколько ее реализация. В то время (как и сейчас) в индустрии микрочипов доминировали инструменты автоматизированного проектирования и компоновки. Разработчики микросхем Digital продолжали заниматься сложным ручным проектированием схем, чтобы справиться со сложной архитектурой VAX. Чипы Alpha показывают, что ручное проектирование схем, примененное к более простой и чистой архитектуре, позволяет добиться гораздо более высоких рабочих частот, чем те, которые возможны с помощью более автоматизированных систем проектирования. Эти микросхемы вызвали возрождение проектирования нестандартных схем в сообществе разработчиков микропроцессоров.

Первоначально процессоры Alpha имели обозначение серии DECchip 21x64 . с «DECchip», замененным в середине 1990-х на «Альфу». Первые две цифры «21» означают 21 век, а последние две цифры «64» означают 64 бита. Alpha с самого начала разрабатывалась как 64-битная, и 32-битной версии не существует. Средняя цифра соответствует поколению архитектуры Alpha. Внутри процессоры Alpha также обозначались номерами EV , официально EV означает «Extended VAX», но имело альтернативное юмористическое значение «Electric Vlasic », отдавая дань уважения эксперименту Electric Pickle в Western Research Lab.

В мае 1997 года DEC подала в суд на Intel за якобы нарушение ее патентов Alpha при разработке оригинальных чипов Pentium , Pentium Pro и Pentium II . В рамках мирового соглашения большая часть бизнеса DEC по разработке и производству микросхем была продана Intel. DEC StrongARM Сюда входила реализация компьютерной архитектуры ARM , которую Intel продавала как процессоры XScale, обычно используемые в карманных ПК . Ядро Digital Semiconductor, группа микропроцессоров Alpha, осталась за DEC, а связанные с ней офисные здания перешли к Intel как часть завода в Хадсоне.

Улучшенные модели

Первые несколько поколений чипов Alpha были одними из самых инновационных в свое время.

• Предсерийная модель, получившая обозначение EV3 , использовалась в прототипе системы под названием Alpha Demonstration Unit (ADU). ADU использовались для переноса операционных систем на архитектуру Alpha. Одним из ключевых отличий между EV3 и более поздними моделями было отсутствие блока с плавающей запятой.
• Первая версия, Alpha 21064 или EV4 , является первым CMOS- микропроцессором, рабочая частота которого конкурирует с более мощными ECL . мини-компьютерами и мейнфреймами
• Второй, 21164 или EV5 , является первым микропроцессором, разместившим на кристалле большой вторичный кэш.
• Третий, 21264 или EV6 , является первым микропроцессором, сочетающим в себе как высокую рабочую частоту, так и более сложную микроархитектуру внеочередного исполнения .
• 21364 или — первый высокопроизводительный EV7 процессор со встроенным контроллером памяти .
• Невыпущенный 21464 или EV8 был первым процессором, поддерживающим одновременную многопоточность , но эта версия была отменена после продажи DEC компании Compaq . Исследовательский проект Tarantula векторный , который, скорее всего, назывался бы EV9 , стал бы первым процессором Alpha, в котором использовался процессор .

Постоянные сообщения, приписываемые инсайдерам DEC, предполагают, что выбор тега AXP для процессора был сделан юридическим отделом DEC, который все еще переживал фиаско с торговой маркой VAX . После долгих поисков тег «AXP» оказался совершенно свободным. В компьютерной индустрии пошла шутка о том, что аббревиатура AXP означает «Почти точно ПРИЗМА».

Принципы проектирования

Архитектура Alpha задумывалась как высокопроизводительная конструкция. Digital планировала, что архитектура обеспечит тысячекратное увеличение производительности за двадцать пять лет. Чтобы обеспечить это, были удалены все архитектурные особенности, которые препятствовали выпуску нескольких инструкций, тактовой частоте или многопроцессорной обработке. В результате в Альфе нет:

• Слоты задержки ответвления
• Подавленные инструкции
• Инструкции по загрузке или сохранению байтов (позже добавленные с помощью расширений байтовых слов (BWX))

Коды условий

В Alpha нет кодов условий для целочисленных инструкций. чтобы устранить потенциальное узкое место в регистре состояния состояния. Инструкции, приводящие к переполнению, например, сложение двух чисел, результат которых не умещается в 64 бита, записывают 32 или 64 младших бита в регистр назначения. Перенос генерируется путем выполнения беззнакового сравнения результата с любым операндом, чтобы определить, меньше ли результат любого операнда. Если проверка была верной, значение единицы записывается в младший бит регистра назначения, чтобы указать условие.

Регистры

Регистры DEC Alpha

6 3 . . . 4 7 . . . 3 1 . . . 1 5 . . . 0 1 0 0 (битовая позиция) Регистры общего назначения Р0 Р0 Р1 Р1 Р2 Р2 •   •   •   Р29 Р29 30 рэндов 30 рэндов (ноль) R31 (ноль) R31, всегда ноль Регистры с плавающей запятой Ф0 Ф0 Ф1 Ф1 Ф2 Ф2 •   •   •   F29 F29 Ф30 Ф30 (ноль) F31 (ноль) F31, всегда ноль Счетчик программ ПК 0 0 Программный счетчик ​ ​ Регистры управления LR0 Блокировка ​ регистра 0 LR1 Блокировка ​ регистра 1 ФПКР FP Регистр управления ​ ​

Архитектура определяет набор из 32 целочисленных регистров и набор из 32 регистров с плавающей запятой в дополнение к программному счетчику , двум регистрам блокировки и регистру управления с плавающей запятой (FPCR). Он также определяет регистры, которые были необязательными и реализовывались только в том случае, если они были необходимы для реализации. регистры для PALcode Наконец, определяются .

Целочисленные регистры обозначаются от R0 до R31, а регистры с плавающей запятой обозначаются от F0 до F31. Регистры R31 и F31 жестко запрограммированы на ноль, и запись в эти регистры по инструкциям игнорируется. В цифровом формате рассматривалось использование комбинированного файла регистров, но было решено, что разделенный файл регистров лучше, поскольку он позволяет двухчиповым реализациям иметь файл регистров, расположенный на каждом чипе, а реализациям только с целыми числами опускать файл регистров с плавающей запятой, содержащий регистры с плавающей запятой. Также было установлено, что файл разделенного регистра более подходит для выполнения нескольких команд из-за меньшего количества портов чтения и записи. Также учитывалось количество регистров в файле регистров: претендентами были 32 и 64. Компания Digital пришла к выводу, что 32 регистра более подходят, поскольку требуют меньше места на кристалле , что повышает тактовую частоту. Такое количество регистров не считалось серьезной проблемой с точки зрения производительности и будущего роста, поскольку тридцать два регистра могли поддерживать как минимум восьмиканальную инструкцию.

Счетчик программ представляет собой 64-битный регистр, который содержит адрес виртуального байта, выровненный по длинному слову, то есть два младших бита счетчика программ всегда равны нулю. PC увеличивается на четыре до адреса следующей инструкции, когда инструкция декодируется. Флаг блокировки и регистр заблокированного физического адреса используются инструкциями с блокировкой загрузки и сохранением для поддержки многопроцессорности. Регистр управления плавающей запятой (FPCR) — это 64-битный регистр, определенный архитектурой, предназначенной для использования реализациями Alpha с IEEE 754 аппаратным обеспечением с плавающей запятой, совместимым со стандартом .

Типы данных

В архитектуре Alpha байт определяется как 8-битное значение (октет), слово как 16-битное значение, длинное слово как 32-битное значение, четверное слово как 64-битное значение, а октаслово как данные 32-битное значение. 128-битные .

Архитектура Alpha изначально определяла шесть типов данных:

• Четверное слово (64-битное) целое число
• Длинное слово (32-битное) целое число
• IEEE T-с плавающей запятой (двойной точности, 64 бита)
• IEEE S-с плавающей запятой (одинарная точность, 32 бита)

Чтобы поддерживать уровень совместимости с VAX , 32-битной архитектурой, предшествовавшей Alpha, включены два других типа данных с плавающей запятой:

• VAX G-с плавающей запятой (двойной точности, 64 бита)
• VAX F-с плавающей запятой (одинарная точность, 32 бита)

VAX H-с плавающей запятой (четверенная точность, 128 бит) не поддерживался, но еще один 128-битный вариант с плавающей запятой, X-floating point, доступен в Alpha, но не в VAX.
H и X были описаны как похожие, но не идентичные. Программная эмуляция H-floating доступна от DEC, как и преобразователь уровней исходного кода под названием DECmigrate.

Память

Alpha имеет 64-битное линейное виртуальное адресное пространство без сегментации памяти. Реализации могут реализовать меньшее виртуальное адресное пространство с минимальным размером 43 бита. Хотя неиспользуемые биты не были реализованы в аппаратном обеспечении, таком как TLB , архитектура требовала, чтобы реализации проверяли, равны ли они нулю, чтобы обеспечить совместимость программного обеспечения с реализациями с большим (или полным) виртуальным адресным пространством.

Форматы инструкций

Alpha ISA имеет фиксированную длину команды 32 бита. Он имеет шесть форматов инструкций.

31	30	29	28	27	26	25	24	23	22	21	20	19	18	17	16	15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0	Тип
Код операции						Солнце					руб.					Неиспользованный			0	Функция							Rc					Целочисленная операция
Код операции						Солнце					Буквальный								1	Функция							Rc					Целочисленная операция, буквальная
Код операции						Солнце					руб.					Функция											Rc					Работа с плавающей запятой
Код операции						Солнце					руб.					Смещение																Формат памяти
Код операции						Солнце					Смещение																					Формат филиала
Код операции						Функция																										Формат CALL_PAL

Целочисленный формат операции используется целочисленными инструкциями. Он содержит 6-битное поле кода операции, за которым следует поле Ra, указывающее регистр, содержащий первый операнд, и поле Rb, указывающее регистр, содержащий второй операнд. Далее идет 3-битное поле, которое не используется и зарезервировано. 1-битное поле содержит «0», что отличает этот формат от формата целочисленных литералов. Далее следует 7-битное функциональное поле, которое используется вместе с кодом операции для указания операции. Последнее поле — это поле Rc, которое определяет регистр, в который должен быть записан результат вычисления. Все поля регистров имеют длину 5 бит и необходимы для адресации 32 уникальных ячеек, 32 целочисленных регистров.

Формат целочисленного литерала используется целочисленными инструкциями, которые используют литерал в качестве одного из операндов. Формат такой же, как формат целочисленной операции, за исключением замены 5-битного поля Rb и 3 битов неиспользуемого пространства 8-битным литеральным полем, которое расширяется нулями до 64-битного операнда.

Формат операций с плавающей запятой используется инструкциями с плавающей запятой. Он похож на формат целочисленной операции, но имеет 11-битное функциональное поле, что стало возможным благодаря использованию литеральных и неиспользуемых битов, которые зарезервированы в целочисленном формате операции.

Формат памяти используется в основном инструкциями загрузки и сохранения. Он имеет 6-битное поле кода операции, 5-битное поле Ra, 5-битное поле Rb и 16-битное поле смещения.

Инструкции ветвления имеют 6-битное поле кода операции, 5-битное поле Ra и 21-битное поле смещения. Поле Ra указывает регистр, который будет проверяться командой условного перехода, и если условие выполняется, счетчик программы обновляется путем добавления содержимого поля смещения к счетчику программы. Поле смещения содержит целое число со знаком, и если значение целого числа положительное, то при выборе перехода счетчик программы увеличивается. Если значение целого числа отрицательное, то счетчик программы уменьшается, если ветвь выбрана. Таким образом, диапазон ветвления составляет ±1 Mi инструкций или ±4 MiB. Архитектура Alpha была разработана с широким диапазоном возможностей как часть дальновидной цели архитектуры.

Формат CALL_PAL используется CALL_PAL инструкция, которая используется для вызова подпрограмм PALcode . В этом формате сохраняется поле кода операции, но остальные заменяются 26-битным функциональным полем, которое содержит целое число, определяющее подпрограмму PAL.

Набор инструкций

Инструкции по управлению

Инструкции управления состоят из условных и безусловных переходов и переходов. Инструкции условного и безусловного перехода используют формат инструкций перехода, тогда как инструкции перехода используют формат инструкций памяти.

Условные переходы проверяют, установлен или очищен младший бит регистра, или сравнивают регистр как знаковое четверное слово с нулем и выполняют переход, если указанное условие истинно. Условиями сравнения регистра с нулем являются равенство, неравенство, меньше, меньше или равно, больше или равно и больше. Новый адрес вычисляется путем выравнивания длинного слова и расширения знака 21-битного смещения и добавления его к адресу инструкции, следующей за условной ветвью.

Безусловные переходы обновляют программный счетчик новым адресом, вычисляемым так же, как и условные переходы. Они также сохраняют в регистре адрес инструкции, следующей за безусловным переходом. Таких инструкций две, и они отличаются только подсказками, предусмотренными для аппаратуры предсказания ветвлений.

Имеется четыре инструкции прыжка. Все они выполняют одну и ту же операцию, сохраняя адрес инструкции после перехода и предоставляя счетчику программы новый адрес из регистра. Они отличаются подсказками, предоставляемыми оборудованию прогнозирования ветвлений. Для этой цели используется неиспользуемое поле смещения.

Целочисленная арифметика

Инструкции целочисленной арифметики выполняют сложение, умножение и вычитание длинных слов и четверных слов; и сравнение четверных слов. Инструкций по разделению нет, поскольку архитекторы считали, что аппаратная реализация разделения противоречит простоте. Помимо стандартных инструкций сложения и вычитания, существуют масштабированные версии. Эти версии сдвигают второй операнд влево на два или три бита перед добавлением или вычитанием. Инструкции Multiply Longword и Multiply Quadword записывают младшие 32 или 64 бита 64- или 128-битного результата в регистр назначения соответственно. Поскольку полезно получить старшую половину, Unsigned Multiply Quadword High предусмотрена инструкция (UMULH). UMULH используется для реализации алгоритмов арифметики и деления с высокой точностью. Концепция отдельной инструкции умножения, возвращающей старшую половину результата, была взята из PRISM .

Инструкции, работающие с длинными словами, игнорируют старшую половину регистра, и 32-битный результат расширяется по знаку перед записью в регистр назначения. По умолчанию инструкции сложения, умножения и вычитания, за исключением UMULH и масштабированных версий сложения и вычитания, не перехватывают переполнение. Когда такая функциональность требуется, предоставляются версии этих инструкций, которые выполняют обнаружение переполнения и перехватывают переполнение.

Инструкции сравнения сравнивают два регистра или регистр и литерал и записывают «1» в регистр назначения, если указанное условие истинно, или «0», если нет. Условиями являются равенство, неравенство, меньше или равно и меньше. За исключением инструкций, определяющих первые два условия, существуют версии, выполняющие знаковые и беззнаковые сравнения.

Инструкции целочисленной арифметики используют форматы инструкций целочисленной операции.

Логично и сдвиг

Логические инструкции состоят из инструкций для выполнения поразрядных логических операций и условных перемещений в целочисленных регистрах. Побитовые логические инструкции выполняют AND , NAND , NOR , OR , XNOR и XOR между двумя регистрами или регистром и литералом. Инструкции условного перемещения проверяют регистр как четверное слово со знаком на ноль и перемещают, если указанное условие истинно. Указанными условиями являются равенство, неравенство, меньше или равно, меньше, больше или равно и больше. Инструкции сдвига выполняют арифметический сдвиг вправо , а также логические сдвиги влево и вправо . Сумма сдвига задается регистром или литералом. Логические инструкции и инструкции сдвига используют форматы инструкций целочисленной операции.

Расширения

Расширения байтовых слов (BWX)

Более поздние версии Alpha включают расширения байтовых слов — набор инструкций для управления 8-битными и 16-битными типами данных. Эти инструкции впервые были представлены в микропроцессоре 21164А (EV56) и присутствуют во всех последующих реализациях. Эти инструкции выполняют операции, для реализации которых раньше требовалось несколько инструкций, что повышает плотность кода и производительность некоторых приложений. BWX также упрощает эмуляцию машинного кода x86 и написание драйверов устройств .

Мнемоника	Инструкция
LDBU	Загрузить расширенный нулем байт из памяти в регистр
LDWU	Загрузить слово с нулевым расширением из памяти в регистр
SEXTB	Знак расширения байта
SEXTW	Знак «Расширить слово»
STB	Сохранение байта из регистра в память
STW	Сохранение слова из регистра в память

Видеоинструкции по перемещению (МВИ)

Инструкции Motion Video (MVI) представляли собой расширение набора команд Alpha ISA, которое добавляло инструкции для операций с одной командой и несколькими данными (SIMD). Реализации Alpha, реализующие MVI, в хронологическом порядке: Alpha 21164PC (PCA56 и PCA57), Alpha 21264 (EV6) и Alpha 21364 (EV7). В отличие от большинства других наборов команд SIMD того же периода, таких как MIPS MDMX . или SPARC ( Visual Instruction Set , но, как и -RISC PA расширения мультимедийного ускорения MAX-1, MAX-2), MVI представлял собой простой набор команд состоит из нескольких инструкций, которые оперируют целочисленными типами данных, хранящимися в существующих целочисленных регистрах.

Простота MVI обусловлена ​​двумя причинами. Во-первых, Digital определила, что Alpha 21164 уже способен выполнять декодирование DVD с помощью программного обеспечения, поэтому не требует для этой цели аппаратного обеспечения, но неэффективен при MPEG-2 кодировании . Вторая причина — необходимость сохранить короткие сроки внедрения. Добавление большого количества инструкций усложнило бы и расширило бы логику декодирования инструкций, уменьшив тактовую частоту реализации.

MVI состоит из 13 инструкций:

Мнемоника	Инструкция
MAXSB8	Максимальный векторный байт со знаком
MAXSW4	Максимум векторного подписанного слова
MAXUB8	Максимум векторного беззнакового байта
MAXUW4	Максимум векторного беззнакового слова
MINSB8	Минимум векторного байта со знаком
MINSW4	Минимум векторного подписанного слова
MINUB8	Минимум векторного беззнакового байта
MINUW4	Минимум векторного беззнакового слова
PERR	Ошибка пикселя
PKLB	Упакуйте длинные слова в байты
PKWB	Упаковать слова в байты
UNPKBL	Распаковать байты в длинные слова
UNPKBW	Распаковать байты в слова

Расширения с плавающей запятой (FIX)

Расширения с плавающей запятой (FIX) являются расширением архитектуры Alpha. Он вводит девять инструкций для извлечения квадратного корня с плавающей запятой и для передачи данных в и из целочисленных регистров и регистров с плавающей запятой. Alpha 21264 (EV6) — первый микропроцессор, реализующий эти инструкции.

Мнемоника	Инструкция
FTOIS	Перемещение регистра с плавающей запятой в целое число, S_floating
FTOIT	Перемещение регистра с плавающей запятой в целое число, T_floating
ITOFF	Перемещение регистра из целого числа в число с плавающей запятой, F_floating
ITOFS	Перемещение регистра из целого числа в число с плавающей запятой, S_floating
ITOFT	Перемещение регистра из целого числа в число с плавающей запятой, T_floating
SQRTF	Квадратный корень F_floating
SQRTG	Квадратный корень G_floating
SQRTS	Квадратный корень S_floating
SQRTT	Квадратный корень T_floating

Расширения подсчета (CIX)

Count Extensions (CIX) — это расширение архитектуры, которое вводит три инструкции для подсчета битов. Эти инструкции относятся к категории инструкций целочисленной арифметики. Впервые они были реализованы на Alpha 21264A (EV67).

Мнемоника	Инструкция
CTLZ	Считаем ведущий ноль
CTPOP	Подсчитать население
CTTZ	Считать конечный ноль

Реализации

На момент анонса Alpha была объявлена ​​​​архитектурой на следующие 25 лет. Хотя этого не произошло, Альфа, тем не менее, прожила достаточно долгую жизнь. Первая версия, Alpha 21064 (также называемая EV4 ), была представлена ​​в ноябре 1992 года и работала на частоте до 192 МГц; небольшое уменьшение кристалла ( EV4S , уменьшенное с 0,75 мкм до 0,675 мкм) несколько месяцев спустя работало на частоте 200 МГц. 64-битный процессор представлял собой суперконвейерную и суперскалярную конструкцию, как и другие конструкции RISC, но, тем не менее, превосходил их все, и DEC рекламировала его как самый быстрый процессор в мире. Пристальное внимание к проектированию схем, отличительная черта команды разработчиков Hudson, такая как огромная централизованная схема тактирования, позволило им запускать процессор на более высоких скоростях, хотя микроархитектура была довольно похожа на другие RISC-чипы. Для сравнения, менее дорогой Intel Pentium , когда он был выпущен следующей весной, работал на частоте 66 МГц.

Alpha 21164 или EV5 стал доступен в 1995 году с частотой процессора до 333 МГц. В июле 1996 года скорость линии была увеличена до 500 МГц, в марте 1998 года - до 666 МГц. Также в 1998 году была выпущена Alpha 21264 ( EV6 ) с частотой 450 МГц, которая в конечном итоге достигла (в 2001 году с 21264C / EV68CB ) 1,25 ГГц. В 2003 году был выпущен Alpha 21364 или EV7 Marvel , по сути, с ядром EV68 с четырьмя процессорами по 1,6 ГБ/с. каналы межпроцессорной связи для повышения производительности многопроцессорной системы, работающие на частоте 1 или 1,15 ГГц.

В 1996 году лицензия на производство чипов Alpha была передана компании Samsung Electronics . После покупки Digital компанией Compaq большая часть продуктов Alpha была передана API NetWorks , Inc. (ранее Alpha Processor Inc.), частной компании, финансируемой Samsung и Compaq. В октябре 2001 года Microway стала эксклюзивным поставщиком продаж и услуг линейки продуктов API NetWorks на базе Alpha.

25 июня 2001 года Compaq объявила, что к 2004 году Alpha будет прекращена в пользу Intel Itanium , отменила запланированный чип EV8 и продала всю интеллектуальную собственность Alpha компании Intel . Hewlett-Packard объединилась с Compaq в 2002 году; HP объявила, что разработка серии Alpha продолжится еще несколько лет, включая выпуск варианта EV7 с тактовой частотой 1,3 ГГц, получившего название EV7z . Это будет последняя итерация Alpha, EV79 с толщиной 0,13 мкм также будет отменена.

Alpha также реализована в Piranha , исследовательском прототипе, разработанном группами корпоративных исследований и непрерывной разработки оборудования Compaq в Западной исследовательской лаборатории и Центре системных исследований. Piranha — это многоядерная конструкция для рабочих нагрузок обработки транзакций , содержащая восемь простых ядер. Он был описан на 27-м ежегодном международном симпозиуме по компьютерной архитектуре в июне 2000 года.

Утверждается, что ранние версии архитектуры Sunway основаны на Alpha, однако, начиная с SW26010 , Sunway использует новую архитектуру набора команд, не связанную с Alpha.

История модели

Модель	Номер модели	Год	Частота [МГц]	Процесс [мкм]	Транзисторы [миллионы]	Размер матрицы [мм 2 ]	я прикалываю	Мощность [Вт]	Напряжение	Дкэш [КБ]	Икэш [КБ]	Скеш	Бкэш	ОДИН
ЭВ4	21064	1992	100–200	0.75	1.68	234	290	30	3.3	8	8	–	128 КБ–16 МБ
EV4S	21064	1993	100–200	0.675	1.68	186	290	27	3.3	8	8	–	128 КБ–16 МБ
ЕВ45	21064А	1994	200–300	0.5	2.85	164		33	3.3	16	16	–	256 КБ–16 МБ
LCA4	21066	1993	100–166	0.675	1.75	209		21	3.3	8	8	–
LCA4	21068	1994	66	0.675	1.75	209		9	3.3	8	8	–
ДМС45	21066А	1994	100–266	0.5	1.8	161		23	3.3	8	8	–
ДМС45	21068А	1994	100	0.5	1.8	161			3.3	8	8	–
ЕВ5	21164	1995	266–500	0.5	9.3	299	296	56	3.3/2.5	8	8	96 КБ	До 64 МБ	Р
ЕВ56	21164А	1996	366–666	0.35	9.66	209		31–55	3.3/2.5	8	8	96 КБ	До 64 МБ	Р, Б
PCA56	21164ПК	1997	400–533	0.35	3.5	141	264	26–35	3.3/2.5	8	16	–	512 КБ–4 МБ	Р,Б,М
PCA57	21164ПК		600–666	0.28	5.7	101	283	18–23	2.5/2.0	16	32	–	512 КБ–4 МБ	Р,Б,М
ЕВ6	21264	1998	450–600	0.35	15.2	314	389	73	2.0	64	64	–	2–8 МБ	Р, Б, М, Ф
ЕВ67	21264А	1999	600–750	0.25	15.2	210	389		2.0	64	64	–	2–8 МБ	Р, Б, М, Ж, Ц
ЭВ68АЛ	21264Б	2001	800–833	0.18	15.2	125			1.7	64	64	–	2–8 МБ	Р, Б, М, Ж, К, Т
EV68CB	21264C	2001	1000–1250	0.18	15.2	125		65–75	1.65	64	64	–	2–8 МБ	Р, Б, М, Ж, К, Т
EV68CX	21264D								1.65	64	64	–	2–8 МБ	Р, Б, М, Ж, К, Т
ЕВ7	21364	2003	1000–1150	0.18	130	397		125	1.5	64	64	1,75 МБ	–	Р, Б, М, Ж, К, Т
EV7z	21364	2004	1300	0.18	130	397		125	1.5	64	64	1,75 МБ	–	Р, Б, М, Ж, К, Т
Отменено
ЭВ78/ЭВ79	21364А	Запланировано на 2004 год	1700	0.13	152	300		120	1.2	64	64	1,75 МБ	–	Р, Б, М, Ж, К, Т
ЕВ8	21464	Запланировано на 2003 год	1200–2000	0.125	250	420	1800	??	1.2	64	64	3 МБ	–	Р, Б, М, Ж, К, Т

ISA-расширения

• R — Аппаратная поддержка округления до бесконечности и отрицательной бесконечности.
• B – BWX, «Расширение байта/слова», добавляющее инструкции, позволяющие выполнять 8- и 16-битные операции из памяти и ввода-вывода.
• М – МВИ, «мультимедийные» инструкции.
• F – FIX, инструкции для перемещения данных между целочисленными регистрами и регистрами с плавающей запятой, а также для извлечения квадратного корня.
• C – CIX, инструкции по подсчету и поиску битов.
• T — поддержка предварительной выборки с намерением изменения для повышения производительности первой попытки получить блокировку.

Производительность

Чтобы проиллюстрировать сравнительную производительность систем на базе Alpha, Standard Performance Evaluation Corporation ниже приведены некоторые показатели производительности (SPEC) (SPECint95, SPECfp95). Обратите внимание, что результаты SPEC сообщают об измеренной производительности всей компьютерной системы (ЦП, шина, память, оптимизатор компилятора), а не только ЦП. Также обратите внимание, что эталонный тест и масштаб менялись с 1992 по 1995 год. Однако цифры дают приблизительное представление о производительности архитектуры Alpha (64-разрядной версии) по сравнению с современными предложениями HP (64-разрядной версии) и Intel ( 32-битная). Возможно, наиболее очевидная тенденция заключается в том, что, хотя Intel всегда могла приблизиться к Alpha по производительности целых чисел, в производительности с плавающей запятой разница была значительной. С другой стороны, HP ( PA-RISC ) также достаточно близок к Alpha, но эти процессоры работают на значительно более низких тактовых частотах (МГц). В таблицах отсутствуют два важных значения: энергопотребление и цена процессора.

Сравнение производительности тестов SPEC 1995 года (с использованием SPECint95 и SPECfp95 результатов [1] )

Система	Процессор	МГц	целое число	с плавающей запятой
АльфаСервер 8400 5/350	21164 (ЭВ5)	350	10.1	14.2
Система Intel Alder (200 МГц, 256 КБ L2)	Пентиум Про	200	8.9	6.75
HP 9000 C160	ПА-8000	160	10.4	16.3

Сравнение производительности 2000 года (с использованием SPECint 95 и SPECfp95 результатов )

Система	Процессор	МГц	целое число	с плавающей запятой
АльфаСервер ES40 6/833	21264 (ЭВ6)	833	50.0	100.0
Материнская плата Intel VC820	Пентиум III	1000	46.8	31.9
HP 9000 C3600	ПА-8600	552	42.1	64.0

Системы на базе Альфа

Первое поколение систем на базе DEC Alpha включает DEC 3000 AXP рабочие станции и серверы начального уровня DEC 4000 AXP , серверы среднего класса DEC 7000 AXP и 10000 AXP и высокопроизводительные серверы . Системы DEC 3000 AXP используют ту же шину TURBOchannel , что и предыдущие модели DECstation на базе MIPS , тогда как система 4000 основана на Futurebus +, а системы 7000/10000 разделяют архитектуру с соответствующими моделями VAX .

DEC также выпустила персонального компьютера рабочую станцию ​​Alpha конфигурации (ПК) с шиной расширенной отраслевой стандартной архитектуры (EISA), DECpc AXP 150 (кодовое имя Jensen , также называемое DEC 2000 AXP). Это первая система Alpha, поддерживающая Windows NT . Позже DEC выпустила альфа-версии своих линеек ПК Celebris XL и Digital Personal Workstation с процессорами 21164.

Digital также производила одноплатные компьютеры на базе VMEbus для встраиваемого и промышленного использования. Первое поколение включает AXPvme 64 и AXPvme 64LC на базе 21068, а также AXPvme 160 на базе 21066. Они были представлены 1 марта 1994 года. Более поздние модели, такие как AXPvme 100, AXPvme 166 и AXPvme 230, основаны на процессоре 21066A. , а Alpha VME 4/224 и Alpha VME 4/288 основаны на процессоре 21064A. Последние модели Alpha VME 5/352 и Alpha VME 5/480 основаны на процессоре 21164.

Чип 21066 используется в компактной рабочей станции DEC Multia VX40/41/42 и ноутбуке ALPHAbook 1 от Tadpole Technology.

В 1994 году DEC выпустила новую линейку систем AlphaStation и AlphaServer . В них используются процессоры 21064 или 21164, имеется шина PCI , VGA -совместимые буферы кадров , а также клавиатуры и мыши в стиле PS/2 . Серия AlphaServer 8000 заменяет DEC 7000/10000 AXP и также использует шины XMI и FutureBus+.

AlphaStation XP1000 — первая рабочая станция на базе процессора 21264. Более поздние модели AlphaServer/Station, основанные на 21264, делятся на семейства DS (сервер подразделения), ES (корпоративный сервер) или GS (глобальный сервер).

Последний чип 21364 используется в моделях AlphaServer ES47, ES80 и GS1280 и AlphaStation ES47.

DEC произвела ряд OEM- материнских плат , таких как AXPpci 33 «NoName» на базе 21066 и 21068, что стало частью серьезного продвижения компании на OEM-рынок. AlphaPC 164 и AlphaPC 164LX на базе 21164, AlphaPC 164SX и AlphaPC 164RX на базе 21164PC и AlphaPC 264DP на базе 21264. Несколько третьих сторон, таких как Samsung и API, также производили материнские платы OEM, такие как API UP1000 и UP2000.

Чтобы помочь третьим сторонам в разработке аппаратного и программного обеспечения для платформы, DEC выпустила оценочные платы, такие как EB64+ и EB164 для микропроцессоров Alpha 21064A и 21164 соответственно.

Процессоры 21164 и 21264 использовались NetApp в различных сетевых системах хранения данных, а процессоры 21064 и 21164 использовались компанией Cray в их T3D и T3E суперкомпьютерах с массовым параллелизмом .

Суперкомпьютеры

Самым быстрым суперкомпьютером на базе процессоров Alpha стал ASCI Q в Национальной лаборатории Лос-Аламоса. Машина была построена как кластер HP AlphaServer SC45/GS. Он имел 4096 процессоров Alpha (21264 EV-68, 1,25 ГГц) и достигал максимальной _{производительности} 7,727 терафлопс .

Внешние ссылки

• Справочник по архитектуре Alpha, версия 4
• Справочник по архитектуре Alpha, версия 3
• Цифровой технический журнал, том 4, номер 4, специальный выпуск 1992 г. Alpha AXP Architecture and Systems. Архивировано 23 января 2023 г. в Wayback Machine. Этот выпуск содержит несколько статей Alpha's Architects.
• Архивная библиотека технической документации. По этой ссылке можно найти справочные руководства по аппаратному обеспечению и технические описания для микропроцессоров Alpha, наборов микросхем и материнских плат OEM. Включает справочник Alpha Architecture и различные руководства по программированию.
• Разговор с Дэном Добберпулом (1 октября 2003 г.)
• Конспекты лекций доктора Брюса Хаттона по компьютерной архитектуре