ДЕКАБРЬСКАЯ ПРИЗМА

Не путать с Apollo PRISM .

ДЕКАБРЬСКАЯ ПРИЗМА

Дизайнер	Корпорация цифрового оборудования
Биты	32-битный
Представлено	1988 (отменен)
Дизайн	РИСК
Преемник	ДЭК Альфа
Регистры
64 × 32-битных регистра общего назначения 16 × 64-битных векторных регистров

ПРИЗМА ( Набор параллельных сокращенных ​ инструкций ​ и ​ машина ) — 32-битная RISC архитектура набора команд (ISA), разработанная Digital Equipment Corporation (DEC). Это был результат ряда исследовательских проектов DEC, реализованных в период 1982–1985 годов, и проект подвергался постоянно меняющимся требованиям и запланированному использованию, которые задерживали его внедрение. В конечном итоге этот процесс решил использовать дизайн для новой линейки рабочих станций Unix . Проектирование арифметико -логического блока (АЛУ) версии microPrism было завершено в апреле 1988 года, и были изготовлены образцы, но проектирование других компонентов, таких как блок с плавающей запятой (FPU) и блок управления памятью (MMU), летом еще не было завершено. когда руководство DEC решило отменить проект в пользу систем на базе MIPS . Для архитектуры PRISM была разработана операционная система под кодовым названием MICA , которая могла бы заменить VAX/VMS и ULTRIX в PRISM.

Отмена PRISM имела значительные последствия для DEC. Многие члены команды покинули компанию в течение следующего года, в частности Дэйв Катлер , который перешел в Microsoft и возглавил разработку Windows NT . Рабочие станции на базе MIPS пользовались умеренным успехом среди существующих пользователей DEC Ultrix, но не имели большого успеха в конкуренции с такими компаниями, как Sun Microsystems . от DEC Между тем производительность линейки VAX становилась все менее производительной, поскольку новые конструкции RISC превосходили даже топовую модель VAX 9000 . Изучая будущее VAX, компания пришла к выводу, что процессор, подобный PRISM, с некоторыми дополнительными изменениями, может охватить все эти рынки. началась с того места, на котором остановилась PRISM, Программа DEC Alpha в 1989 году.

История

Фон

Представленный в 1977 году, VAX имел ошеломительный успех для DEC, закрепив за ней второе место в мире по производству компьютеров после IBM . VAX был известен своей богатой архитектурой набора команд (ISA), которая была реализована в сложном микрокоде . VMS Операционная система была надстроена поверх этой ISA, что приводило к определенным требованиям к обработке прерываний и модели памяти, используемой для подкачки памяти . К началу 1980-х годов системы VAX стали «вычислительным центром многих технологических компаний, направляя спицы кабелей RS-232 к краям терминалов VT-100, которые поддерживали работу научного и инженерного отделов».

Эта счастливая ситуация была нарушена неустанным совершенствованием производства полупроводников , закрепленным законом Мура ; к началу 1980-х годов существовало несколько функциональных 32-битных однокристальных микропроцессоров с производительностью, аналогичной ранним машинам VAX, но способными вписаться в форм-фактор настольной коробки для пиццы . Такие компании, как Sun Microsystems, представили Motorola серии 68000 на базе рабочие станции Unix , которые могли заменить огромную многопользовательскую машину VAX на машину, которая обеспечивала еще большую производительность, но была достаточно недорогой, чтобы ее мог приобрести каждый пользователь, которому она требовалась. В то время как собственные команды DEC по микропроцессорам представляли серию реализаций VAX по более низким ценам, соотношение цены и качества их систем продолжало ухудшаться. Ко второй половине 1980-х годов DEC оказалась лишена доступа на технический рынок.

РИСК

В 1970-х годах IBM проводила исследования производительности своих компьютерных систем и, к своему удивлению, обнаружила, что 80% времени компьютера тратится на выполнение всего пяти операций. Сотни других инструкций в их ISA, реализованных с использованием микрокода, почти полностью остались неиспользованными. Наличие микрокода приводило к задержке при декодировании инструкций, поэтому даже когда кто-то вызывал одну из этих пяти инструкций напрямую, она выполнялась медленнее, чем могла бы, если бы микрокода не было. Это привело к созданию IBM 801 , первого современного RISC- процессора.

Примерно в то же время, в 1979 году, Дэйва Паттерсона отправили в творческий отпуск из Калифорнийского университета в Беркли, чтобы помочь команде западного побережья DEC улучшить микрокод VAX. Паттерсон был поражен сложностью процесса кодирования и пришел к выводу, что он несостоятелен. Сначала он написал статью о способах улучшения микрокодирования, но позже передумал и решил, что проблема заключается в самом микрокоде. Вскоре он начал проект RISC в Беркли . Появление RISC вызвало в компьютерной индустрии длительную дискуссию о его достоинствах; Когда Паттерсон впервые изложил свои аргументы в пользу этой концепции в 1980 году, DEC опубликовало пренебрежительное особое мнение.

К середине 1980-х годов практически каждая компания, занимавшаяся разработкой процессоров, начала изучать подход RISC. Несмотря на отсутствие официального интереса, DEC не стала исключением. В период с 1982 по 1985 год в разных подразделениях DEC было предпринято не менее четырех попыток создания RISC-чипа. Titan от Западной исследовательской лаборатории DEC (WRL) в Пало-Альто, Калифорния, представлял собой высокопроизводительную разработку на основе ECL , которая была запущена в 1982 году и предназначалась для работы с Unix . SAFE ( Оптимизированная архитектура для быстрого выполнения ) — это 64-битная версия, запущенная в том же году и разработанная Аланом Котоком (известным из Spacewar! ) и Дэйвом Орбитсом и предназначенная для работы с VMS. HR-32 ( Hudson, RISC, 32-битный ), созданный в 1984 году Ричем Витеком и Дэном Добберпулом на фабрике в Гудзоне, штат Массачусетс , предназначенный для использования в качестве сопроцессора в VAX машине . В том же году Дэйв Катлер начал проект CASCADE в DECwest в Белвью, штат Вашингтон.

ПРИЗМА

В конце концов, в 1985 году Катлеру было предложено определить единый проект RISC, и он выбрал Рича Витека в качестве главного архитектора. В августе 1985 года был представлен первый проект генерального проекта, и началась работа над детальным проектом. Спецификация PRISM разрабатывалась в течение многих месяцев командой из пяти человек: Дэйв Катлер, Дэйв Орбитс, Рич Витек, Дилип Бхандаркар и Уэйн Кардоза. На протяжении этого раннего периода в дизайн постоянно вносились изменения, поскольку внутри компании спорили о том, должна ли она быть 32- или 64-битной, ориентирована на коммерческую или техническую нагрузку и так далее.

Эти постоянные изменения означали, что окончательная спецификация ISA не была завершена до сентября 1986 года. В то время было принято решение выпустить две версии базовой концепции: DECwest работала над «высококлассной» реализацией ECL, известной как Crystal , в то время как Semiconductor Команда перспективных разработчиков работала над microPRISM , версией CMOS . Эта работа была выполнена на 98% в 1985–86 годах и активно поддерживалась моделированием Пита Бенуа на большом VAXcluster .

В то время со стороны инженеров DEC в целом все еще существовал значительный скептицизм относительно того, действительно ли RISC быстрее или просто быстрее в тривиальных пятистрочных программах, используемых для демонстрации его производительности. Основанный на конструкции Crystal, в 1986 году его сравнили с самой быстрой на тот момент машиной, находившейся в разработке, VAX 8800 . Вывод был ясен: при любом объеме инвестиций проекты RISC превзойдут VAX в соотношении 2 к 1.

В середине 1987 года было принято решение сделать обе конструкции 64-битными, хотя это продлилось всего несколько недель. В октябре 1987 года компания Sun представила Sun-4 . Оснащенный процессором SPARC с частотой 16 МГц , коммерческой версией конструкции RISC Паттерсона, он работал в четыре раза быстрее, чем их предыдущий топовый Sun-3 с процессором Motorola 68020 с частотой 20 МГц . В этом выпуске DEC еще раз изменила цель PRISM, нацелив ее исключительно на рабочие станции. Это привело к тому, что microPRISM была переопределена как 32-битная система, а проект Crystal был отменен. Это привело к новым задержкам, в результате чего проект сильно отстал от графика.

К началу 1988 года система еще не была завершена; Разработка ЦП была почти завершена, но FPU и MMU, оба основанные на современном наборе микросхем Rigel для VAX, все еще находились в разработке. Команда решила прекратить работу над этими частями дизайна и полностью сосредоточиться на процессоре. Проектирование было завершено в марте 1988 года и записано на пленку к апрелю.

Отмена

На протяжении всего периода существования PRISM DEC участвовала в серьезных дебатах по поводу будущего направления компании. По мере появления новых рабочих станций на базе RISC преимущества VAX в производительности постоянно снижались, а соотношение цена/производительность полностью снижалось. Различные группы внутри компании обсуждали, как лучше всего отреагировать. Некоторые выступали за то, чтобы перевести VAX в категорию high-end, оставив low-end производителям рабочих станций, таким как Sun. Это привело к появлению программы VAX 9000 , которую внутри компании называли «убийцей IBM». Другие предлагали выйти на рынок рабочих станций, используя PRISM или обычный процессор. Третьи предлагали повторно реализовать VAX на RISC-процессоре.

Разочарованная растущим числом потерь от более дешевых и быстрых конкурирующих машин, небольшая группа мастеров в Пало-Альто , за пределами Central Engineering, занимавшаяся рабочими станциями и UNIX/ Ultrix , выдвинула идею использования готового RISC-процессора для построить новое семейство рабочих станций. Группа провела комплексную проверку и в конечном итоге остановила свой выбор на MIPS R2000 . Эта группа приобрела машину для разработки и создала прототип порта Ultrix для системы. От первых встреч с MIPS до прототипа машины прошло всего 90 дней. Полное производство версии DEC может начаться уже в январе 1989 года, тогда как пройдет как минимум еще год, прежде чем машина на базе PRISM будет готова.

Когда этот вопрос был поднят в штаб-квартире DEC, в компании разделились мнения о том, какой подход лучше. Боба Супника попросили рассмотреть этот вопрос для предстоящего обзора проекта. Он пришел к выводу, что, хотя система PRISM кажется более быстрой, подход MIPS будет менее дорогим и выйдет на рынок гораздо раньше. На ожесточенном обзорном совещании исполнительного комитета компании в июле 1988 года компания решила отменить Prism и продолжить выпуск рабочих станций MIPS и высокопроизводительных продуктов VAX. Рабочая станция появилась как DECstation 3100 .

К этому времени образцы microPRISM были возвращены и оказались в основном рабочими. Они также доказали свою способность работать на частотах от 50 до 80 МГц по сравнению с 16–20 МГц у R2000. Прогнозы производительности, основанные на этих наблюдениях, предполагали значительное улучшение производительности по сравнению с существующими и анонсированными продуктами RISC от других поставщиков. Однако без сопутствующего блока вычислений с плавающей запятой, разработка которого была остановлена, или чипа интерфейса кэша, необходимого для работы на таких частотах, который был частью отмененного проекта, прогнозы производительности с плавающей запятой оставались гипотетическими.

Наследие

К моменту встречи в июле 1988 года компания почти полностью пришла к выводу, что подход RISC — это игра на рабочих станциях. Но производительность PRISM была аналогична производительности новейших машин VAX, а концепция RISC имела значительные возможности для роста. Когда встреча закончилась, Кен Олсен попросил Супника изучить способы, с помощью которых Digital могла бы поддерживать производительность систем VMS на конкурентной основе с системами Unix на базе RISC.

Группа инженеров сформировала команду, называемую по-разному «RISCy VAX» или «Extended VAX» (EVAX), для изучения этой проблемы. К концу лета группа исследовала три концепции: подмножество VAX ISA с RISC-подобным ядром, преобразованный VAX, который запускал собственный код VAX и транслировал его на лету в код RISC и сохранял в кеше, и ультраконвейерный VAX, гораздо более производительная реализация CISC. У всех этих подходов были проблемы, из-за которых они не могли конкурировать с простой RISC-машиной.

Затем группа рассмотрела системы, сочетающие в себе как существующее однокристальное решение VAX, так и RISC-чип для повышения 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 перенести 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? И с этим было принято решение принять архитектуру PRISM с соответствующими модификациями, ставшую в итоге Alpha , и начался порт VMS на новую архитектуру .

Когда PRISM и MICA были отменены, Дэйв Катлер ушел из Digital в Microsoft , где ему поручили разработку того, что стало известно как Windows NT . Архитектура Катлера для NT во многом была вдохновлена ​​многими аспектами MICA.

Дизайн

С точки зрения целочисленных операций архитектура PRISM была аналогична конструкции MIPS . Из 32 битов в инструкциях 6 старших и 5 младших битов были инструкцией, а остальные 21 бит слова оставались для кодирования либо константы , либо ячеек регистра . Было включено шестьдесят четыре 32-битных регистра по сравнению с тридцатью двумя в MIPS, но в остальном использование было аналогичным. В PRISM и MIPS отсутствуют окна регистрации , которые были отличительной чертой другого крупного проекта RISC, Berkeley RISC.

Дизайн PRISM отличался несколькими аспектами набора команд . Примечательно, что PRISM включала Epicode ( расширенный код инструкций процессора ), который определял ряд «специальных» инструкций, предназначенных для предоставления операционной системе стабильного ABI в различных реализациях. Epicode был предоставлен собственный набор из 22 32-битных регистров. Позже был также добавлен набор инструкций векторной обработки , поддерживаемый дополнительными шестнадцатью 64-битными векторными регистрами, которые можно было использовать различными способами.

Ссылки

Библиография

• Комерфорд, Ричард (июль 1992 г.). «Как DEC разработала Alpha» . IEEE-спектр . 29 (7): 26–31. дои : 10.1109/6.144508 .
• Шейн, Эдгар (2003). DEC умер, да здравствует DEC . Берретт-Келер. ISBN  9781576752258 .
• Супник, Боб (24 февраля 2008 г.). «Микропризма» . Проект моделирования компьютерной истории .

• Документы Prism на bitsavers.org

Дальнейшее чтение

• Бхандаркар, Дилип П. (1995). Альфа-архитектура и реализации . Цифровая пресса.
• Бхандаркар Д. и др. (1990. «Высокопроизводительная проблемно-ориентированная архитектура» . Proceedings of Compcon Spring '90 , стр. 153–160.
• Конрад Р. и др. (1989). «Микропроцессор 50 MIPS (пиковая) 32/64 b» . Сборник технических документов ISSCC , стр. 76–77.