Микропроцессор Motorola MPC7400 PowerPC G-4

     Осенью 1991г. компании: Apple, IBM и Motorola сообщили о решении создать семейство RISC-процессоров широкого спектра назначения. Предполагалось что эти процессоры будут использоваться начиная от серверов верхнего уровня и рабочих станций до настольных компьютеров. За основу создаваемого семейства был взят процессор Power (Performance Optimized With Enhanced RISC) фирмы IBM. Этот процессор был разработан ею для своих ЭВМ серии RS/6000, которые были коммерческим дебютом фирмы IBM на рынке RISC-процессоров.

     В 1993 году был создан процессор под торговой маркой PowerPC 601. Это устройство имело 32-разрядную внутреннюю структуру и работали на частотах 50, 66, 80 МГц. В нём использовалась суперскалярная архитектура - за 1 такт может выполняться до 3-х команд. Процессор оперирует с 8-, 16-, 32-битными целыми данными, а также с 32-, 64-битными числами с плавающей запятой. Последним 32-разрядным процессором этого семейства стал PowerPC 604. Он был анонсирован в конце 1995 года. Процессоры работали на частотах 100-150 МГц, и по производительности более чем на тре ть привосходили Pentium-1 с той же тактовой частотой и были сопоставимы с процессорами Pentium Pro.

     В 1995 году был анонсирован первый 64-разрядный процессор семейства PowerPC - процессор PowerPC 620. Как было заявлено, он предназначался для рабочих станций и высокопроизводительных серверов. Этот процессор имеет 6 независимых исполнительных устройств и внутренний кэш на 64 кбайт (по 32 кбайт на адреса и данные). В поцессоре применяется четырехконвейерная суперскалярная архитектура с шестью исполнительными устройствами:

1. Три целочисленных АЛУ.
2. Блок операций с плавающей точкой.
3. Блок загрузки/сохранения данных из/в память.
4. Блок операций с переходами.

За один такт процессор может выполнять до четырех команд. Шинный интерфейс этого процессора включает в себя унифицированную внутреннюю поддержку кэша 2-го уровня (не требует дополнительных тактов для управления логикой внешнего кэша). Внешний кэш может иметь обьем до 128 Мбайт и может работать как с тактовой частотой процессора, так и вдвое или вчетверо ниже.

     31 августа 1999 года компания Motorola создает RISC процессор семейства PowerPC, оринтированный на высоко производительные системы под названием MPC7400, который является первым представителем 4-го поколения микропроцессоров PowerPC.

MPC7400 PowerPC - быстродействующий 32-битный микропроцессор, с RISC архитектурой, в котором реализована 128-битовая технология AltiVec. Процессор отличался от аналогичных процессоров intel низким потреблением энергии. Микропроцессор построен с применением технологии AltiVec, которая успешно сочетает в себе традиционные скалярные операции, обрабатываемые полностью независимым ядром векторной обработки размещённом на чипе, основанном на медной технологии. 128-битовое векторное ядро процессора, которое является сердцем Motorola AltiVec технологии - мощное и эффективное устройство, которое работает параллельно с существующими в PowerPC архитектурными устройствами обработки целых чисел и чисел с плавающей запятой.

Управляющее устройство (Completion Unit):

• содержит 8-ступенчатый входной буфер
• способно изменять порядок исполнения инструкций и выполнять две инструкции за один такт.
• выполняет инструкции как в соответствии с программой, так и согласно буферам внеочередного выполнения
• преобразовывает поток инструкций в последовательную форму выполнения

Устройство-диспетчер (Dispatch unit):

• аппаратное определение зависимостей по данным между инструкциями
• Осуществляет пересылку двух инструкций к восьми независимым устройствам (system, branch, load/store, fixed-point unit 1, fixed-point unit 2, floating-point, AltiVec permute, AltiVec ALU)
• Выполняет контроль последовательности инструкций

Устройство обработки команд переходов (Branch processing unit):

• Обрабатывает четыре инструкции за такт
• Содержит таблицу истории выполнения переходов (BHT-branch history table) на 512 последних инструкций перехода для предсказания динамики ветвлений
• Имеет 64-входной, 4-полосный ассоциативный BTIC (Branch Target Instruction Cache) - кеш целевых инструкций переходов для предотвращения простоя ALU

Устройство целочисленной обработки (Integer units):

• Устройство 1 выполняет операции умножения, деления, сдвига, циклического сдвига, сложения, вычитания, логические функции
• Устройство 2 выполняет операции сдвига, циклического сдвига, сложения, вычитания; логические функции
• Выполняются за один цикл операции сдвига, циклического сдвига, сложения, вычитания, логические функции
• Операции умножения и деления выполняются за несколько циклов

Устройство обработки чисел с плавающей точкой (Floating-point unit):

• Поддерживает стандарт IEEE-754 для оперирования с двойной и одинарной точностью числами с плавающей точкой
• Время выполнения инструкций составляет 3 такта, максимальная скорость прохождения операций в конвейере - 1 операция за такт.
• Аппаратная поддержка для операции деления
• Аппаратная поддержка для нормализации плавающих чисел

Устройство векторных вычислений AltiVec (AltiVec Unit):

• 128-битную шина данных
• Включает в себя два блока: модуль векторных перемещений и модуль ALU.
• Содержит собственный 128-битный VRF (vector register file) - векторный регистровый файл, 32 регистра.
• Модуль ALU состоит из блоков обработки целочисленных векторов VSIU (vector simple integer unit), обработки комплексных целочисленных векторов VCIU (vector complex integer unit) и векторов с плавающей запятой VFPU (vector floating-point unit)
• в целом блок выполняет операции согласно парадигме ОКМД-в-регистре.

Устройство загрузки и сохранения данных (Load/store unit):

• Осуществляет взаимодействие междукешем 1-го уровня данных процессора и вычислительными устройствами
• Обеспечивает доступ к кешированным данным за один цикл
• Обеспечивает генерацию эффективного адреса

Микропроцессор содержит внутренний кеш первого уровня первого уровня размером 64Kb (32Kb - инструкции, 32Kb - данные), который работает на частоте процессора.
МП поддерживает высокопроизводительную шину MPX с минимальным временем установки сигналов, что уменьшает количество холостых циклов; шина работает на частотах свыше 100 MHz. Для того, чтобы поддерживать совместимость со старыми системами, MPC7400 также поддерживает протокол шины Power 60x.

Процессор MPC7400 использует модель параллельной обработки, называемую SIMD (Single Instruction-Multiple Data) - Одна Инструкция Обрабатывает Много Данных. Motorola MPC7400 с AltiVec технологией может выполнить 20(???) операций за один такт, поэтому нецелесообразно сравнивать производительность других процессоров по тактовой частоте, т.к. стандартные процессоры обычно выполняют три инструкции за один такт. Использование C/C++ языковых расширений (например, интегрированных в компилятор GCC) позволяет разработчикам легко распараллеливать их приложения, реализовывая прирост производителности от 1.5 до 6 раз по сравнению с неоптимизированными скалярными приложениями. В отдельных случаях можно достигнуть 10-кратного повышения производительности.

Микропроцессор MPC7400 позволяет за один цикл обрабатывать числа с плавающей запятой с двойной точностью, обеспечивает возможности симметричной многопроцессорной обработки (SMP-symmetric multiprocessing), и поддерживает работу с внешним кешем 2-го уровня размером до 2MB.

Микропроцессор содержит отдельные устройства управления памятью (MMUs - memory management units) для инструкций и данных, для поддержания 4 петабайт (2^52) виртуальной памяти и 4 гигабайт (2^32) физической памяти. Они также предлагают четыре регистра перевода адреса блока инструкции (iBAT - instruction block address translation) и четыре регистра перевода адреса блока данных (dBAT - data block address translation).

Микропроцессоры MPC7400 обладает высокочастотным суперскалярным PowerPC ядром, способным обработать три инструкции за такт для семи независимых устройств выполнения.

Характеристики МП PowerPC 7400 (350-450 МГц)