Poweri arhitektuur

Allikas: Vikipeedia

Poweri arhitektuur on termin, mis hõlmab selliste ettevõtete nagu IBM, Freescale, AMCC, Tundra ja P.A. Semi arendatud ja toodetud sarnaseid RISC käsustikke mikroprotsessoritele. Seda haldab power.org, kuhu kuulub üle 40 ettevõtte ja organisatsiooni.

Mõistet “Poweri arhitektuur” ei tohi segi ajada eri põlvkondade “POWER arhitektuuridega”, kus viimane tähistab tooteid, mis põhinevad POWERi, PowerPC ja Celli arhitektuuridel. Poweri arhitektuur kirjeldab protsessori arhitektuuri, tarkvara, tööriistakette, kommuuni ja lõpp-kasutaja rakendusi ega ole konkreetseid tehnoloogiaid või tooteid kirjeldavaks terminiks.

Sõnaseletuste loend[muuda | redigeeri lähteteksti]

POWERi, PowerPC ja Poweri arhitektuuri mõisted võivad tekitada segadust. Siin on toodud väike sõnaseletuste loend koos iga mõiste lühikirjeldusega.

Mõiste Kirjeldus
POWER (ingl.k Performance Optimization Width Enhanced RISC)

Jõudluse Optimiseerimine Täiustatud RISCga. IBM poolt disainitud mikroprotsessori arhitektuur.

PowerPC (ingl.k Power Performance Computing. ) 32/64-bitine käsustik POWER baasil loodud mikroprotsessoritele, kuhu on lisatud mõned uued elemendid. Disaineriteks AIM alliance; Apple, IBM ja Motorola.
PowerPC-AS PowerPC-Täiustatud Seeria. Koodnimi “Amazon”. Täielikult 64-bitine PowerPC variant, sisaldades mõningaid elemente POWER2 spetsifikatsioonist. Kasutusel IBM-i RS64 protsessori perekonnas ja uuemates POWER protsessorites.
POWERn Kus n tähistab numbrit 1-st 7-ni. IBM-i loodud tipp-protsessorid. Kasutavad erinevaid kombinatsioone POWER, PowerPC ja PowerPC-AS käsustikest.
Cell IBM, Sony ja Toshiba disainitud mikroprotsessori arhitektuur, mille üheks osaks on Power Arhitektuur.
Power arhitektuur Lai mõiste tähistamaks kõike mis on POWER, PowerPC ja Cell k.a tarkvara, tööriistakett ja lõpp-kasutaja rakendused. Need on käesoleva artikli teemaks.
Power ISA Uus käsustik, mis kombineerib POWER ja PowerPC viimaste versioonide käsustikke. Disaineriteks IBM ja Freescale.

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

POWER, PowerPC ja Power ISA-de arengud läbi aja

Power arhitektuur sai alguse 1980ndate lõpul IBM-is, kui firma tahtis tipp-jõudlusega RISC arhitektuuri oma keskastme tööjaamade ning serverite tarbeks. Tulemuseks oli “POWER arhitektuur”. Selle esimest implementatsiooni kasutasid RS/6000 arvutid, mis tulid välja 1990. aastal. See oli 10-kiibiline RIOS-1 protsessor, mida hiljem kutsuti POWER1. RIOS-1’st arendati hiljem välja RISC Üksik Kiip (RSC) protsessor.

1992. aastal lõid Apple, IBM ja Motorola AIM alliansi, et arendada POWER protsessorist massturu versiooni. Selle tulemusena loodi “PowerPC arhitektuur”. See on modifitseeritud variant POWER arhitektuurist. Esimeseks PowerPC implementatsiooniks oli PowerPC 601, mis valmistati 1993. aastal. See oli suures osas loodud RSC-l ja leidis kiiresti tee Apple’i Power Mac arvutitesse ja IBM RS/6000 süsteemidesse.

IBM laiendas oma POWER arhitektuuri nende RS/6000 süsteemi jaoks, mille tulemuseks oli 8-kiibiline POWER2 protsessor 1993. aastal ja ühe kiibiline versioon nimega P2SC ehk POWER2 Superkiip (ingl.k Super Chip) 1996. aastal.

1990-ndate algul otsis IBM võimalust vahetada CISC disainil baseeruvad AS/400 miniarvutid RISC arhitektuuri vastu. Uue arhitektuuri arenduse koodnimeks oli “Amazon”. Insenerid, kes selle kallal töötasid andsid arhitektuurile nimeks PowerPC-AS (“Arenenud Seeria” või “Amazon Seeria”). PowerPC-AS sai RSC-l baseeruvaks mitme-protsessoriga serveri platvormiks. Arenduse jätkudes laiendas IBM-i uurimislabor RSC-d, et toetada 64-protsessori sidumist ja lisada AS/400-le spetsiifilisi omadusi. Selleks tulid juurde RS/6000 arendaja ning lisasid mõned POWER2 omadused. Kogu arendus lõppes sellega, et 1995. aastal tuldi välja 64-bitiste A10 ja A30 protsessoritega ning hiljem lisandus RS64 liin, mida kasutasid nii AS/400 kui RS/6000 süsteemid.

AIM Allians jätkas PowerPC arendamist 1997. aastani, tuues välja PowerPC protsessorite teise põlvkonna: PowerPC 602 TV-bokside ja mängukonsoolide tarbeks; PowerPC 603, mis oli suunatud kaasaskantavatele arvutitele; PowerPC 604 tööjaamade jaoks; ja PowerPC 620, mis kujutas endast 64-bitist tipp-klassi protsessorit serveritele. 602 ja 620 ei leidnud küll kunagi laialdast kasutust kuid 603 ja 604 ning nende järeltulijad said oma aladel väga populaarseiks. Motorola ja IBM tegid ka PowerPC “Book E”[1] laienduse, mida kasutati sisseehitatud lahendustes: Motorola PowerQUICC protsessorites ja IBM-i PowerPC perekonnas.

AIM Alliansi viimane ponnistus oli kolmanda põlvkonna PowerPC 750 1997. aastal. Motorola ja IBM läksid pärast seda PowerPC arhitektuuri arendamisel eri teid. Nii arvuti kui ka sisseehitatud süsteemide turul leidsid “G3” protsessorid laialdast kasutust ja IBM jätkas järgnevatel aastatel 750 perekonna arendust. Motorola seevastu valis sihtrühmaks sisseehitatud süsteemide turu, rõhudes PowerPC SoC disainile ja PowerPC 7400-le, mida nad kutsusid PowerPC neljandaks põlvkonnaks. See protsessor sisaldas Altiveci (SIMD üksus). PowerPC G4 tuli välja 1999. aastal ning seda kasutati lisaks Apple’i tööjamadele ja sülearvutitele ka erinevates telekomi ettevõtetes.

1998. aastal tuli välja POWER3, mis ühendas PowerPC ja POWER2 arhitektuurid, kuid seda kasutati vaid IBM-i RS/6000 serverites.

2000. aastal nägi ilmavalgust PowerPC-AS viimane implementatsioon RS64-IV, mida kasutati AS/400 ja RS/6000, ümbernimetatuna vastavalt eServer iSeeria ja eServer pSeeria. IBM tootis ka Nintendo GameCube mängukonsoolides kasutatavat Gekko protsessorit. See põhines protsessoril PowerPC 750CXe. IBM-i toodetud eksperimentaalsest 64-bitisest PowerPC protsessorist Rivina sai esimene 1GHz piiri ületanud mikroprotsessor.

2001. aastal tutvustas IBM POWER4 disaini, mis ühendas endas PowerPC-AS ja POWER3 arhitektuure.

2002. aastal vajas Apple hädasti uut tipp-klassi PowerPC osa ja lasi IBM-l teha 64-bitise PowerPC 970. Apple kirjeldas seda kui viienda põlvkonna PowerPC-d nn. “G5”. PowerPC 970 baseerus POWER4-l. Sellelt puudusid mõned serveritele suunatud omadused kuid AltiVec üksus jäi alles. 970 ja selle eelkäijaid kasutasid Apple, IBM ja mõned tipp-klassi sisseehitatud rakendused.

2003. aastal ostis Tundra Motorolalt PowerPC 100 mikrokontrollerite perekonna. Samal ajal litsenseeris Culturecom IBM-lt PowerPC tehnoloogia oma V-Dragon protsessori tarvis.

Motorola asutas 2004. aastal oma pooljuhtide osakonna asemele uue firma nimega Freescale Semiconductor. Sel ajal tuli IBM välja POWER4 edasiarenguga POWER5. See tõstis PowerPC spetsifikatsiooni versioonini v.2.01[2] ja edasi 2005. aastal POWER5+ arhitektuuriga versioonini v.2.02.[3] 2004. aasta vältel litsenseeris AMCC seoses PowerPC 400 perekonnaga IBM-lt intelektuaalse omandi ja töötajad [4] Motorola/Freescale nimetas oma PowerPC perekonnad ümber vastavalt: e200, e300, e500 ja e600 ning kuulutas välja tuleva 64-bitise e700. Samal aastal asutas IBM koos 15 ettevõttega organisatsiooni Power.org, mille eesmärgiks on arendada Power Arhitektuuril põhinevaid tooteid. [5]

2005. aastal kinnitati Cell protsessori spetsifikatsioon,[6] mida olid IBM, Sony ja Toshiba neli aastat koos arendanud. Peamiselt kasutatakse seda Sony PlayStation 3-s. Cell protsessor kasutab üksikut 64-bitise Power Arhitektuuri tuuma, millele on lisatud 8 iseseisvat SIMD tuuma, mida kutsutakse SPE-deks. IBM avaldas ka Xenon protsessori, mis Microsofti Xbox 360 tarbeks loodud kolme tuumaline 64-bitine protsessor. Kuna Nintendol oli plaanis oma Wii mängukonsoolis kasutada 32-bitisel PowerPC arhitektuuril põhinevat Broadway protsessorit, oli IBM-l õnnestunud panna Power Arhitektuuriga protsessorid kolme peamisesse seitsmenda generatsiooni mängukonsooli.

P.A. Semi litsenseeris IBM-lt Power Arhitektuuri tehnoloogia oma PWRficient protsessorite tarvis.

Freescale ühines Power.org-ga 2006. aastal ja IBM tegi PowerPC 405 spetsifikatsiooni uurimisrühmadele ja akadeemiale vabalt kättesaadavaks.

Power.org väljastas 2006. aasta septembris Power ISA versiooni 2.03. [7] . Kõik eelnevad PowerPC spetsifikatsioonid jäävad 64-bitise Power ISA-ga ühilduvaks. Lisaks kõigele muule lisab see spetsifikatsiooni VMX, virtualisatsiooni ja vahelduva pikkusega kodeerimistehnoloogia (VLE).

2006. aasta neljandal kvartalil andis Power.org välja Power Arhitektuuriplatvormi juhendi. See pani aluse Linuxi operatsioonisüsteemi kasutavate Power Arhitektuuril baseeruvate arvutite loomiseks.

Aprillis 2007. avasid Freescale ja IPextreme litsenseerimisprogrammi Freescale’i PowerPC e200 tuuma jaoks.[8] Mais 2007 lansseeris IBM oma tipp-klassi mikroprotsessori POWER6, mis jooksis kiirustel kuni 5.0 Ghz ja oli seega eelmise põlvkonna POWER5 protsessorist kaks korda kiirem. POWER6 lisas POWER seeriasse AltiVeci kümnendaritmeetikat toetava FPU. AMCC kuulutas samal ajal välja oma tipp-klassi sisseehitatud protsessori Titan, mis saavutas kiiruse kuni 2Ghz, kulutades selleks väga vähe energiat. See kasutab Intrinsity poolt välja töötatud innovaatilist loogikadisaini ning on saadaval alates 2008. aastast.

2007. aasta juunis said Power.org-i liikmed valmis Power ISA v.2.04[9] spetsifikatsiooniga. Edasiminekud olid suunatud peamiselt serverirakendustesse ning virtualisatsiooni. 2007 aasta septembris näidati Power Arhitektuuri Arendajate Konverentsil Power ISA v.2.05 ja ePAPR spetsifikatsioone. Samuti avaldati seal PowerPC 970MP-l[10] baseeruv Linuxipõhine disain. Power ISA v.2.05 spetsifikatsioon avaldati 2007 aasta detsembris.[11]

2008. aasta aprillis muutis IBM oma Power Arhitektuuril põhineva riistvara, System p ja System i tootemarki. Neid hakati nüüd kutsuma “Power Systems”. Samal ajal muutsid nad tootemarki ka i5/OS operatsiooni süsteemil millest sai “IBM i”. 25. mail 2008 oli IBM esimene kes purustas 1 Petaflopi barjääri oma Roadrunner superarvutiga.[12] 2008. aasta juunis võttis see maailma kiireimate arvutite Top500 nimistus esikoha, tõugates sellega troonilt seda kohta alates 2004 aasta novembrist hoidnud BlueGene/L nime kandva superarvuti. 16. juunil 2008 avalikustas Freescale QorlQ perekonnad: P1, P2, P3, P4 ja P5. Need olid PowerQUICC edasiarendused milles sisaldus kaheksa-tuumaline P4080. [13]

2008. aasta septembrs anti roheline tuli POWER7-l põhineva superarvuti “Blue Waters” loomiseks.[14] Selle maksumuseks määrati 208 millionit dollarit ja see peaks sisaldama 200 000 protsessorit, pakkudes 2010-2011 aastal mitme petaflopilist võimsust. 2008. aasta detsembris saadi valmis ePAPR v.1.0 spetsifikatsiooniga sisseehitatud Power Arhitektuuril põhinevate arvutite jaoks.[15]

Power ISA v.2.06 spetsifikatsioon väljastati 2009. aasta veebruaris.

Alates 2009. aasta juulist võimaldab Mentor Graphics kasutada Freescale’i QorlQ ja PowerQUICC III platvormidel mobiilset operatsioonisüsteemi Android. [16]

ISSCC 2010 konverentsil 2010. aasta veebruaris lansseeris IBM POWER/ protsessori ja avalikustas PowerPC A2 protsessori. Mõlemad on mitme-tuumalised ja mitme-lõimelised serveritele suunatud protsessorid, sisaldades igaüks enam kui miljard transistorit. Juunis kuulutas Freescale välja oma esimese 64-bitise tuuma e5500, mis on kasutusel QorlQ P5 perekonna prosessorites. [17]

2008. aasta juuni seisu kohaselt on TOP500 nimekirjas maailmas kiiruselt kolmas ja kuues superarvuti ning 50-st kiireimast superarvutist 22 kasutavad Power arhitektuuril põhinevaid IBM-i tehnoloogiaid. Top 10-st 5 kasutavad Power arhitektuuri protsessoreid arvutuselementidena ja üks kasutab neid kommunikatsiooniprotsessoritena.

Kirjeldus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Power arhitektuuriga protsessori üldskeem.

Käsustiku arhitektuur on jagatud mitmesse eri kategooriasse ja iga komponent on kirjeldatud kui osa kategooriast. Iga kategooria omakorda asetub konkreetsesse Raamatusse. Protsessorid implementeerivad neid kategooriaid. Mingite kindlate kategooriate implementeerimiseks on vaja erinevaid protsessorite klasse. Näiteks serveri klassiga protsessorid kasutavad kategooriaid nagu: ’’Server’’, ’’Baas’’, ’’Ujukoma’’, ’’64-bit’’ jne. Kõik protsessorid kasutavad Baaskategooriat.

Power on RISC lae/talleta arhitektuur. Sel on mitu komplekti registreid:

  • Kolmkümmend kaks 32-bitist või 64-bitist Üldkasutatavat registrit (GPR-i) integraal-operatsioonideks.
  • Kuuskümmend neli 128-bitist Vektor Skalaar registrit (VSR-i) vektor-operatsioonideks ja ujukoma-operatsioonideks.
    • Kolmkümmend kaks 64-bitist Ujukoma registit (FPR-i) VSR-i osana ujukoma-operatsioonideks.
    • Kolmkümmend kaks 128-bitist Vektor registrit (VR-i) VSR-i osana vektor-operatsioonideks.
  • Kaheksa 4-bitist Tingimus registri välja (CR-i) võrdluseks ja voo kontrolliks.
  • Spetsiaalsed registrid: Loendur-register (CTR), Viidaregister (LR), Ajabaas (TBU, TBL), Alternatiivne Ajabaas (ATBU, ATBL), Akumulaator (ACC), Olekuregistrid (XER, FPSCR, VSCR, SPEFSCR).


Üldiselt on käsud 32 biti pikkused, erandiks on vaid VLE (vahelduva pikkusega kodeering) alamkäsustik mis võimaldab suuremat kooditihedust madalama astme sisseehitatud rakendustel. Enamus käske on kolmeste gruppidena, st. nad sisaldavad kaht lähteoperaatorit ja ühte sihtkohta. Toetatud on üksik ja topeltäpsusega ujukoma-operatsioonid, kaasa arvatud FMA ja kümnend ujukoma käsud. Integraal ja ujukoma andmetele on ühes käsus kuni 16 elemendini olemas SIMD operatsioonide sätted.

Olemas on tugi nii Harvardi vahemälule, st. poolitatud andmete ja käskude vahemälule, kui ka ühendatud vahemälude tugi. Mäluoperatsioonid on rangelt lae/talleta, kuid lubavad ka järjekorravälist täitmist. Toetatud on nii jämedaotsaline (big endian) kui peeneotsaline (little endian) adresseerimine koos eraldi kategooriatega mooditud ja lehekülje põhise otsalisuse jaoks. Toetatud on 32-bitine ja 64-bitine adresseerimine.

Kasutusvaldkonnad[muuda | redigeeri lähteteksti]

Mõned näited kus Power arhitektuuri kasutatakse.

Protsessorid[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • MPC5000, PowerQUICC ja QorIQ Freescale’i protsessorid
  • BlueGene/L ja BlueGene/P IBM-i superarvutite protsessorid
  • Virtex FPGA-d Xilinx-lt
  • V-Dragon CPU (Culturecom)
  • SeaStar, SeaStar2 and SeaStar+ kommunikatsiooniprotsessorid Cray XT3, Cray XT4 ja Cray XT5 superarvutites

Süsteemid[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • IBM System i ja System p serverid ning BlueGene superarvutid
  • PowerMac, iMac(enne Inteli protsessoreid), iBook]] and PowerBook (Apple)
  • Bandai Pippin mängukonsool Bandailt (riistvara ja operatsioonisüsteemi disainis Apple)
  • Pegasos/Open Desktop Workstation ja EFIKA PowerPC-l põhinevad arvutid Genesilt
  • Sam440ep emaplaadid (ACube Systems)
  • TiVo series 1 DVR
  • Cell BE ja PowerPC baasil arvutid (Mercury Computer Systems)
  • GameCube ja Wii mängukonsoolid (Nintendo)
  • Xbox 360 (Microsoft)
  • PlayStation 3 ja ZEGO (Sony)
  • Cisco marsruuterid

Operatsioonisüsteemid[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • Linux
    • Yellow Dog Linux Terra Softilt, mis on tehtud spetsiaalselt Power arhitektuuriga riistvarale
  • NetBSD, OpenBSD, FreeBSD ja OpenDarwin
  • Classic Mac OS ning Mac OS X (Apple Inc.)
  • OS/2, AIX ja i5/OS (IBM)
  • Solaris (Sun Microsystems, nüüd Oracle) ja OpenSolaris
  • Windows NT (Microsoft)
  • Plan 9 (Bell Labs)
  • BeOS (Be Inc.)
  • OS-9 (RadiSys)
  • eCos avatud lähtekoodiga RTOS
  • INTEGRITY (Green Hills Software)
  • uC/OS-II (Micrium)
  • VxWorks (Wind River Systems)
  • QNX
  • LynxOS (LynuxWorks)
  • OSE (ENEA)
  • MorphOS (MorphOS Team)
  • AmigaOS 4 (Hyperion Entertainment)

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

Välislingid[muuda | redigeeri lähteteksti]