НС32000

NS32000 , , иногда известный как 32k , представляет собой серию микропроцессоров производимых National Semiconductor . Первый представитель семейства появился на рынке в 1982 году и некоторое время назывался 16032 , а затем стал 32016 . Это был первый микропроцессор общего назначения на рынке, который использовал внутри себя 32-битные данные: Motorola 68000 имел 32-битные регистры и инструкции для выполнения 32-битной арифметики, но использовал 16-битное АЛУ для арифметических операций с данными. таким образом, выполнение этих арифметических операций занимало в два раза больше времени. Однако 32016 содержал множество ошибок и часто не мог работать на номинальной скорости. Эти проблемы, а также наличие аналогичного 68000, доступного с 1980 года, привели к тому, что он мало использовался на рынке.

1985 года За этим последовало несколько улучшенных версий, в том числе 32032 , которая, по сути, представляла собой версию 32016 с исправленными ошибками и внешней 32-битной шиной данных. Хотя он предлагал примерно на 50% большую скорость, чем 32016, он уступал 32-битной Motorola 68020 , выпущенной годом ранее. Модель 32532 , выпущенная в 1987 году, превосходила по производительности современную Motorola 68030 почти в два раза, но к этому времени основной интерес к микропроцессорам переключился на RISC- платформы, и эта в остальном превосходная конструкция также практически не нашла применения.

National работала над дальнейшими улучшениями 32732 , но в конце концов отказалась от попыток конкурировать в сфере центральных процессоров (ЦП). Вместо этого базовая архитектура 32000 была объединена с несколькими вспомогательными системами и перезапущена как Swordfish микроконтроллер . ее заменила архитектура CompactRISC Она имела некоторый успех на рынке, прежде чем в середине 1990-х годов .

Концепция дизайна

Микропроцессор NS32008

Серия NS32000 ведет свою историю с попытки компании National Semiconductor создать однокристальную реализацию архитектуры VAX-11 . VAX хорошо известен своей высокоортогональной архитектурой набора команд (ISA), в которой любая инструкция может применяться к любым данным. Например, ADD Инструкция может добавлять содержимое двух регистров процессора или одного регистра к значению в памяти, двух значений в памяти или использовать регистр в качестве смещения по адресу. Такая гибкость считалась образцом дизайна в эпоху компьютеров со сложным набором команд (CISC).

National подала на DEC в суд в Калифорнии, чтобы гарантировать законность проекта, но когда DEC перенесла иск в Массачусетс, родной штат DEC, иск был отклонен и вместо него была разработана архитектура Series 32000. Хотя новая архитектура набора команд не была совместима с VAX-11, она сохранила свою в высшей степени « ортогональную » философию проектирования. То есть каждую инструкцию можно использовать с любым типом данных. В статьях того времени это также называлось «симметричным».

Исходное семейство процессоров состояло из ЦП NS16032 и варианта с низким энергопотреблением NS16C032, оба имели 16-битный тракт данных и поэтому требовали двух машинных циклов для загрузки одного 32-битного слова. Оба можно было использовать с блоком управления памятью NS16082 , который обеспечивал поддержку 24-битной виртуальной памяти для физической памяти объемом до 16 МБ. NS16008 представлял собой урезанную версию с 8-битным внешним каналом данных и без поддержки виртуальной памяти, которая имела уменьшенное количество контактов и, следовательно, была несколько проще в реализации. Ранние анонсы этого семейства включали NS16016 с 16-битной шиной данных, а NS16008 и NS16016 должны были иметь режим эмуляции Intel 8080 , работающего на скорости, в четыре раза превышающей скорость этого процессора.

В то же время National Semiconductor также анонсировала две будущие версии: NS32032 и NS32132. Первый по сути представлял собой версию NS16032 с 32-битной внешней шиной данных, позволяющей считывать данные с удвоенной скоростью. Этот проект должен был быть выпущен в 1984 году. NS32132 представлял собой версию с 29-битными внутренними адресами и 32-битными внешними адресами, что позволяло адресовать полные 4 ГБ памяти. Он должен был выйти в 1985 году.

Все это также можно использовать с модулем с плавающей запятой NS16081.

Архитектура

Регистры НС 32000

3 1 . . . 2 3 . . . 1 5 . . . 0 7 . . . 0 0 (битовая позиция) Общие регистры Р0 Зарегистрироваться 0 Р1 Регистрация 1 Р2 Регистрация 2 Р3 Регистрация 3 Р4 Регистрация 4 Р5 Регистрация 5 Р6 регистр 6 Р7 Регистрация 7 Индексные регистры 0000 0000 СП1 Указатель стека ( пользователь ) 0000 0000 СП0 Указатель стека ) (прерывание 0000 0000 СБ Статическая ​ база ​ 0000 0000 ФП Указатель рамки ​ ​ 0000 0000 ИНТБЕЙС прерывания ​ База Счетчик программ 0000 0000 ПК Программный счетчик ​ ​   ПРОТИВ модуля Дескриптор Регистрация статуса программы   1 5 1 4 1 3 1 2 1 1 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 (битовая позиция)   – – – – я П С В Н С Ф – – л Т С ПСР

Процессоры имеют 8 32-битных регистров общего назначения, а также ряд регистров специального назначения:

• Указатель кадра
• Указатель стека (по одному для режимов пользователя и супервизора)
• Статический базовый регистр для ссылки на глобальные переменные.
• Базовый регистр ссылок для динамически подключаемых модулей (объектная ориентация)
• Счетчик программ
• Типичный регистр состояния процессора с младшим пользовательским байтом и старшим системным байтом.

(Дополнительные системные регистры не указаны).

Набор инструкций во многом соответствует модели CISC : инструкции с двумя операндами, операции между памятью, гибкие режимы адресации и кодирование инструкций переменной длины с выравниванием по байтам. Режимы адресации могут включать до двух смещений и двух обращений к памяти на операнд, а также масштабируемую индексацию, в результате чего самая длинная возможная инструкция составляет 23 байта. Реальное количество инструкций намного меньше, чем у современных RISC-процессоров.

В отличие от некоторых других процессоров автоинкремент базового регистра не предусмотрен; единственным исключением являются режимы адресации «наверху стека», которые извлекают источники и отправляют адресаты. Уникально то, что размер смещения кодируется в самых значимых битах: 0, 10 и 11 предшествуют 7-, 14- и 30-битным смещениям со знаком. (Хотя в остальном процессоры всегда имеют прямой порядок байтов, смещения в потоке команд сохраняются в обратном порядке).

Операнды общего назначения задаются с использованием 5-битного поля. К этому можно добавить индексный байт (с указанием индексного регистра и 5-битного базового адреса) и до двух смещений переменной длины на операнд.

32016

Первый чип в серии первоначально назывался 16032, но позже был переименован в 32016, чтобы подчеркнуть его 32-битную внутреннюю структуру. Это контрастирует с его основным конкурентом в этой области, Motorola 68000 (68k), выпущенным в 1979 году. В 68k использовались 32-битные инструкции и регистры, но его арифметико-логическое устройство (АЛУ), которое контролирует большую часть общей задачи обработки, было только 16-битным. Это означало, что для завершения операции ему пришлось дважды пропустить 32-битные данные через АЛУ. Напротив, NS32000 имеет 32-битное АЛУ, поэтому выполнение 16-битных и 32-битных инструкций занимает одинаковое время.

Впервые 32016 поступил в продажу в 1982 году в 46-контактном корпусе DIP . Возможно, это был первый 32-битный чип, дошедший до массового производства и продажи (по крайней мере, согласно данным маркетинга National). Однако в отчете, опубликованном в июне 1983 года, было отмечено, что National «обещала произвести этим летом объемы производства» 16032 деталей, «поставляя образцы в течение нескольких месяцев», а выборка сопроцессора с плавающей запятой «в этом месяце». ". Хотя выпуск 1982 года произошел примерно на два года позже 68k, 68k еще не получил широкого распространения на рынке, и 32016 вызвал значительный интерес. К сожалению, ранние версии были полны ошибок и редко могли работать на номинальной скорости. К 1984 году, по прошествии двух лет, список ошибок все еще содержал элементы, указывающие неконтролируемые условия, которые могли привести к остановке процессора и вызвать перезагрузку.

Первоначальная дорожная карта продукта предусматривала части 6 МГц и 10 МГц в 1983 году и части 12 МГц и 14 МГц в 1984 году. Однако сообщения в прессе в 1984 году указывали на трудности с соблюдением этой дорожной карты: по сообщениям, на увеличение частоты частей с 6 МГц до 8 МГц потребовалось пять месяцев, а представители оценивали еще «два, три или пять месяцев» для увеличить частоту до 10 МГц. Сообщается, что причиной этих проблем являются два неуказанных чипа из пяти в наборе микросхем. В статье начала 1985 года о рабочей станции Whitechapel MG-1 на базе 32016 отмечалось, что блок управления памятью 32081 «страдал от ошибок» и располагался на собственной плате, обеспечивая аппаратные исправления. В 1986 году компания Texas Instruments объявила о «полностью квалифицированном 32-битном микропроцессорном наборе TI32000 с тактовой частотой 10 МГц», состоящем из процессора TI32016 и блока управления памятью TI32082 в качестве 48-контактных устройств, блока управления синхронизацией TI32201 и блока операций с плавающей запятой TI32081 в качестве 24-контактного устройства. контактные устройства и блок управления прерываниями TI32202 в виде 40-контактного устройства с набором микросхем из пяти устройств «по цене 289 долларов США при количестве 100 единиц».

Компания National изменила свою методологию проектирования, чтобы обеспечить возможность запуска детали в производство, и система проектирования, основанная на языке «Z», была разработана совместно с Тель-Авивским университетом, расположенным недалеко от проектного центра «NSC» в Герцлии , Израиль. . Язык «Z» похож на современные Verilog и VHDL , но имеет синтаксис, подобный Паскалю, и оптимизирован для двухфазных тактовых импульсов. Однако к тому времени, когда плоды этих усилий стали ощущаться в конструкции, на рынке уже были представлены многочисленные машины 68k, в частности Apple Macintosh , а 32016 так и не получил широкого распространения.

32016 имеет 16-битную внешнюю шину данных , 24-битную внешнюю адресную шину и полный 32-битный набор команд . Он также включает в себя интерфейс сопроцессора сопроцессоры, такие как FPU и MMU, , позволяющий подключать как одноранговые к основному процессору. MMU основан на подкачиваемой виртуальной памяти по запросу, которая является наиболее необычной функцией по сравнению с подходом к сегментированной памяти, используемым конкурентами, и стала стандартом для проектирования микропроцессоров сегодня. Архитектура поддерживает механизм перезапуска инструкций при ошибке страницы, что намного проще, чем подход Motorola, позволяющий выгрузить внутреннее состояние при ошибке страницы, которое необходимо прочитать обратно, прежде чем продолжить выполнение инструкции.

Микропроцессор NS32016

NS32081 ФПУ

Хотя его часто сравнивали с набором инструкций 68k, сотрудники NSC отвергли его; Одной из ключевых маркетинговых фраз того времени была «Элегантность - это все», в которой в высшей степени ортогональная серия 32000 сравнивалась с «кладджем». Одним из ключевых отличий является использование Motorola регистров адреса и регистров данных, при этом инструкции работают только с регистрами адреса или данных. Серия 32000 имеет регистры общего назначения, которые в технической документации называются регистрами «адресных данных».

32032

Микропроцессор NS32032

32032 был представлен в 1984 году. Он почти полностью совместим с 32016, но имеет 32-битную шину данных (хотя и сохраняет 24-битную адресную шину) для несколько более высокой производительности, описываемой как «производительность мини-компьютера», сравнимую с производительностью мини-компьютера. Система ВАКС-11. Также существовали 32008 и 32016 с урезанной до 8 бит шириной шиной данных для недорогих приложений. Философски он похож на MC68008 и столь же непопулярен.

Компания National также выпустила ряд сопутствующих вспомогательных микросхем, таких как блок с плавающей запятой NS32081 (FPU), блоки управления памятью NS32082 (MMU) NS32203 , прямой доступ к памяти (DMA) и контроллеры прерываний NS32202. Имея полный набор, а также микросхемы памяти и периферийные устройства, стало возможным построить 32-битную компьютерную систему, способную поддерживать современные многозадачные операционные системы, что раньше было возможно только на дорогих мини-компьютерах и мэйнфреймах .

• Фотографии
• 
  Процессор NS16032
• 
  NS16081 ФПУ
• 
  Процессор NS32032
• 
  NS32081 ФПУ
• 
  NS32082 ММУ
• 
  NS32202 Контроллер прерываний
• 
  Контроллер DMA NS32203

32332, 32532

В 1985 году National Semi представила NS32332, значительно улучшенную версию 32032. Судя по техническому описанию, усовершенствования включают «добавление нового аппаратного обеспечения выделенной адресации (состоящего из высокоскоростного ALU, барабанного переключателя и адресного регистра), очень эффективная увеличенная (20 байт) очередь предварительной выборки инструкций, новый интерфейс/протокол системы/шины памяти, повышенная эффективность протокола подчиненного процессора и, наконец, улучшения микрокода». Также был новый MMU NS32382, FPU NS32381 и (очень редкий) интерфейс NS32310 для Weitek FPA. Совокупный прирост производительности NS32332 в результате этих усовершенствований сделал его только на 50 процентов быстрее, чем исходный NS32032, и, следовательно, меньше, чем у основного конкурента, MC68020 .

National Semi представила NS32532 в начале 1987 года. Работая на частотах 20, 25 и 30 МГц, это была полная переработка внутренней реализации с пятиступенчатым конвейером, интегрированным кэшем/MMU и улучшенной производительностью памяти, что сделало его примерно в два раза производительнее, чем конкурирующие MC68030 и i80386 . На этом этапе RISC-архитектуры начали набирать популярность, и основными конкурентами стали теперь одинаково мертвые AM29000 и MC88000 , который считался более быстрым, чем NS32532. Для операций с плавающей запятой NS32532 использовал существующий интерфейс NS32381 или NS32580 с Weitek FPA. NS32532 был основой PC532 , аппаратного проекта «общественного достояния», и одного из немногих, создавших полезную машину под управлением реальной операционной системы (в данном случае Minix или NetBSD ).

Полумифический NS32732 (иногда называемый NS32764), задуманный как высокопроизводительный преемник NS32532, так и не появился на рынке.

рыба-меч

Производная версия NS32732 под названием Swordfish была предназначена для встраиваемых систем и появилась примерно в 1990 году. Swordfish имеет встроенный блок с плавающей запятой, таймеры, контроллеры DMA и другие периферийные устройства, которые обычно не доступны в микропроцессорах. Он имеет 64-битную шину данных и внутренний разгон с 25 до 50 МГц. Главным архитектором Swordfish является Дональд Альперт , который впоследствии руководил архитектурной командой, проектировавшей Pentium. Внутренняя микроархитектура Pentium аналогична предыдущей Swordfish.

В центре внимания Swordfish были высококачественные лазерные принтеры Postscript , производительность которых была исключительной по тем временам. Конкурирующие решения могли обрабатывать примерно одну новую страницу в минуту, но демонстрационная установка Swordfish печатала шестнадцать страниц в минуту, ограниченная только механикой лазерного двигателя. На каждой странице он распечатывал, сколько времени он простоял на холостом ходу в ожидании завершения работы двигателя.

Штамп Swordfish огромен, и в итоге от проекта было решено вообще отказаться, и продукт так и не пошел в производство. Уроки Swordfish были использованы при разработке CompactRISC. Вначале существовали как CompactRISC-32, так и CompactRISC-16, разработанные с использованием буквы «Z». Компания National никогда не выпускала на рынок чипы с ядром CompactRISC-32. Исследовательский отдел National работал с Мичиганским университетом над разработкой первой синтезируемой модели Verilog, которая использовалась начиная с CR16C и далее.

Другие

Версии старой линейки NS32000 для недорогих продуктов, таких как NS32CG16, NS32CG160, NS32FV16, NS32FX161, NS32FX164 и NS32AM160/1/3, все они основаны на NS302CG16, были представлены с 1987 года и позднее. Эти процессоры имели определенный успех на рынке лазерных принтеров и факсов , несмотря на острую конкуренцию со стороны чипов AMD и Intel RISC- . Особо следует отметить NS32CG16. Ключевым отличием между ним и NS32C016 является интеграция дорогого TCU (блока управления синхронизацией), который генерирует необходимую двухфазную тактовую частоту из кристалла, и удаление поддержки сопроцессора с плавающей запятой, что освободило пространство микрокода для полезной информации. Набор инструкций BitBLT, который значительно повышает производительность операций лазерного принтера, делая этот чип с 60 000 транзисторов быстрее, чем MC68020 с 200 000 транзисторов. NS32CG160 — это CG16 с таймерами и периферийными устройствами DMA, а чипы NS32FV/FX16x имеют дополнительные функции DSP поверх ядра CG16 BitBLT для рынка факсов/автоответчиков. Позже они были дополнены NS32GX32 на базе NS32532. В отличие от предыдущих чипов здесь не было дополнительного оборудования. NS32GX32 — это NS32532 без MMU, который продается по привлекательной цене для встраиваемой системы. Вначале это была просто перемеченная фишка. Неясно, был ли чип переработан для более дешевого производства.

Существуют таблицы данных для NS32132, очевидно, предназначенного для многопроцессорных систем. Это NS32032, расширенный арбитром. Загрузка шины NS32032 составляет около 50 процентов из-за его очень компактного набора команд или очень медленного конвейера, как это выразились бы конкуренты. Действительно, одно из предложенных применений NS32032 было частью «отказоустойчивой системы транзакций», в которой «параллельно использовались два 32032 и сравнивались результаты в альтернативных циклах памяти для обнаружения мягких ошибок». Чип NS32132 позволяет подключить пару процессоров к одной и той же системе памяти без особого изменения печатной платы. Прототипы систем были созданы компанией Diab Data AB в Швеции, но работали не так хорошо, как однопроцессорная система MC68020, разработанная той же компанией.

• Фотографии
• 
  Процессор NS32C016
• 
  NS32381 ФПУ
• 
  NS32382 ММУ
• 
  Процессор NS32532

Машины серии NS32000

• Рабочая станция Acorn Cambridge на базе 6502 — NS32016 (с хостом BBC Micro )
• Второй процессор BBC Micro 32016 — отдельное расширение для BBC Micro, обеспечивающее возможности NS32016 рабочей станции Acorn Cambridge.
• Лазерный принтер Canon LBP-8 Mark III — NS32CG16
• CompuPro 32016 – Карта NS32016 S-100
• Encore Multimax — мультипроцессоры NS32032, NS32332 и NS32532
• Электронные системы Emax – NS32008
• Эмулятор систем E-mu III – NS32016
• Рабочая станция ETH Zürich Ceres – NS32032
• Рабочая станция ETH Zürich Ceres-2 — NS32532
• Рабочая станция ETH Zürich Ceres-3 – NS32GX32
• General Robotics Corp. Python — Q-Bus NS32032 и N32016 плата
• Heurikon VME532 – Карта VME NS32532 (с кэшем)
• IBM RT PC - некоторые ранние модели использовали FPU NS32081 в качестве сопроцессора для IBM ROMP. микропроцессора
• Принтер этикеток Intermec (ранее A-Tech, а затем UBI) — NS32CG16
• Процессоры Labtam Unix System NS32032 и NS32332
• Lauterbach Incircuit Emulator ICE (32-разрядный системный контроллер, первая версия 1996 г., макс. 16 МБ ZIP20-RAM, Z180 для обслуживания Ethernet)
• Национальный полупроводник ICM-3216 – NS32016
• National Semiconductor ICM-332-1 — NS32332 с процессором ввода-вывода NS32016
• National Semiconductor SYS32/20 — дополнительная плата для ПК NS32016 с Unix
• Персональный мэйнфрейм Opus Systems Opus516 – дополнительная плата для ПК NS32016
• Персональный мэйнфрейм Opus Systems Opus532.32 – дополнительная плата для ПК NS32032
• PC532 – NS32532
• Sequent Balance — мультипроцессоры NS32016, NS32032 и NS32332
• Сименс ПК-MX2 — NS32016
• Siemens MX300-05/-10/-15/-30 – NS32332 (-05/-10) или NS32532 (-15/-30) под SINIX (MX300-55 и более поздние версии используют i486 )
• Siemens MX500-75/-85 – NS32532 (2–8 процессоров; платы Sequent / MX500-90 использует 2–12 процессоров i486)
• Symmetric Computer Systems S/375 [1] - NS32016, используется для перекрестной разработки 386BSD.
• Syte Information Technology Model 300 – графическая рабочая станция Unix на базе NS32032, несколько таких «нескольких тесно связанных микрокомпьютеров, организованных в архитектуру мэйнфрейма», включая «микро-мэйнфрейм» Syte Series 3000, на котором работает Global Environment Manager для управления несколькими виртуальными средами на каждом процессорном узле, с Syte в конечном итоге вышел из строя еще до первой поставки продукта
• Рабочая станция Tektronix 6130 и 6250 — NS32016 и NS32032
• Серия Tolerant Systems Eternity — NS32032 с процессором ввода-вывода NS32016
• Рабочая станция Тринити-колледжа – NS32332
• Сетевой контроллер Teklogix 9020 — NS32332
• Сетевой контроллер Teklogix 9200 — NS32CG160
• Уайтчепел MG-1 - NS32016
• Уайтчепел MG200 — NS32332

Наследие

В июне 2015 года Удо Мёллер выпустил полную реализацию Verilog процессора NS32000 на OpenCores . Полностью программно совместим с ЦП NS32532 с FPU N32381, он значительно быстрее при реализации на FPGA. оба работают с более высокой тактовой частотой и используют меньше циклов на инструкцию.

Ссылки

• Тревор Дж. Маршалл, Джордж Сколаро и Дэвид Л. Рэнд: Сопроцессор Definicon DSI-32 . Микро-Рог изобилия , август/сентябрь 1985 г.,
• Тревор Дж. Маршалл, Джордж Сколаро и Дэвид Л. Рэнд: Плата сопроцессора DSI-32 . Часть 1, BYTE , август 1985 г., стр. 120–136; Часть 2, BYTE, сентябрь 1985 г., стр. 116.

Внешние ссылки

Таблицы данных

• Технический паспорт семейства NS32000 (1986 г.)
• НС32532
• NS32C032
• НС32381
• Семейство Series 32000 от National Semiconductor , отличный «фан-сайт» и дом клона FPGA M32632.