Mikroprocesor PowerPC 604e firmy Motorola

PowerPC – architektura mikroprocesorów typu RISC oraz nazwa handlowa mikroprocesorów zgodnych z tą architekturą.

Architektura mikroprocesora PowerPC została stworzona przez konsorcjum firm Apple - IBM - Motorola znane pod skrótem AIM. Z początku mikroprocesory tej architektury przeznaczone były na rynek komputerów osobistych, z czasem stały się często używanymi w zastosowaniach serwerowych , klastrowych oraz w systemach wbudowanych . Mikroprocesor stał się podstawą opublikowanych przez AIM specyfikacji platform referencyjnych PReP oraz CHRP . Popularność przyniósł mu wybór na CPU komputerów osobistych Macintosh produkowanych przez firmę Apple w latach 1994 - 2006 .

Mikroprocesor stosowany jest także w komputerach Pegasos , AmigaOne (uprzednio w kartach procesorowych dla komputera Amiga ), również w kilku projektach komputerów zgodnych Atari Falcon . Na bazie mikroprocesora PowerPC oraz jego sieciowej wersji PowerQUICC oparte były niektóre serie urządzeń sieciowych firmy Cisco . Stosowany jest chętnie w systemach wbudowanych , gdzie używana jest specjalna, nieznacznie różniąca się od oryginalnej w zakresie specyfikacji mikroarchitektury, wersja mikroprocesora.

Historia

Mikroprocesor PowerPC 601 firmy IBM

IBM

Historia PowerPC zaczęła się od prototypowego układu IBM 801 , który implementował pomysły uważanego przez wielu za ojca mikroarchitektury RISC – Johna Cocke'a . Pochodne układu IBM 801 stosowane były w systemach wbudowanych produkowanych przez IBM . Niewystarczająca wydajność mikroprocesorów wytwarzanych przez IBM skłoniła firmę do uruchomienia projektu budowy najszybszego procesora na rynku. W rezultacie prac otrzymano architekturę POWER wprowadzoną po raz pierwszy do użytku na początku lat 90. XX wieku w systemach RISC System/6000 .

Oryginalny mikroprocesor POWER , jedna z pierwszych implementacji superskalarnego procesora RISC, był konstrukcją wieloukładową. Inżynierowie firmy IBM szybko doszli do wniosku, że warto skupić się na budowie jednostki jednoukładowej przy jednoczesnej rezygnacji z kilku nadmiarowych instrukcji procesora.

AIM Alliance

Niedługo potem firma Apple została włączona do projektu rozwoju rodziny jednoukładowego mikroprocesora opartego o mikroarchitekturę POWER . Apple , jako jeden z największych klientów firmy Motorola zaprosił ją do wspólnych rozmów nad rozwojem mikroarchitektury POWER , co było podyktowane uprzednią, długą współpracą obydwu firm. Powstałe konsorcjum nazwano AIM od początkowych liter nazw Apple - IBM - Motorola .

W tym czasie Motorola posiadała własną architekturę RISC w postaci serii 88000 , która jednak nie zdobyła uznania na rynku. Z drugiej strony mikroprocesory serii 88000 były już w produkcji; Data General dostarczał komputery z 88k a Apple posiadał prototypowe wersje maszyn pracujących na bazie tego mikroprocesora.

W rezultacie prac nad architekturą nowego procesora stworzono specyfikację PowerPC (Performance Computing), dzięki której:

• IBM uzyskał wiarygodnego i doświadczonego producenta układów,
• Apple zdobyło dla swoich komputerów jeden z najszybszych procesorów RISC na rynku i wsparcie marketingowe ze względu na światową znajomość marki IBM ,
• Motorola uzyskała nowoczesną architekturę procesora RISC i pomoc technologiczną ze strony IBM

Pierwsze urządzenia oparte o PowerPC zostały przyjęte przez rynek z entuzjazmem. Oprócz komputerów Apple Macintosh , zarówno Motorola jak i IBM dostarczały systemy zbudowane na jego podstawie. Microsoft stworzył wersję Windows NT przeznaczoną dla architektury PowerPC, który był sprzedawany w zestawie z serwerami produkowanymi przez Motorolę , zaś Sun Microsystems wprowadził do sprzedaży przeznaczoną pod ten procesor wersję swojego sztandarowego systemu Solaris OS . IBM przeportował swój system AIX i planował wydać działającą na komputerach z zainstalowanym procesorem PowerPC wersję OS/2 . W połowie lat 90. wyniki benchmarków odnoszących się do procesorów architektury PowerPC dawały lepsze rezultaty niż te przeprowadzane dla najszybszych procesorów architektury IA-32 .

Zapotrzebowanie na mikroprocesory nowej architektury na maszynach desktopowych nigdy nie osiągnęło spodziewanego poziomu. Po krótkiej obecności na rynku zniknęły napisane pod PowerPC wersje systemów: Windows NT , Solaris OS , OS/2 . Fakt ten był spowodowany brakiem dostępności aplikacji możliwych do uruchomienia przy użyciu nowej architektury procesora. Jedynie komputery Macintosh produkowane przez Apple pozostawały wierne mikroprocesorom PowerPC.

W 2004 roku Motorola zaprzestała produkcji układów mikroprocesorowych przenosząc dział rozwoju i produkcji do wydzielonej spółki pod nazwą Freescale Semiconductor . W tym samym czasie IBM zaprzestał całkowicie produkcji komputerów osobistych (opartych o procesory architektury IA-32 ) na rzecz chińskiego producenta Lenovo . IBM skupił się na przeprojektowaniu układu PowerPC zgodnie z oczekiwaniami producentów konsoli do gier takich jak: Sony PlayStation 3 , Nintendo Wii oraz Xbox 360 produkcji Microsoftu . 6 czerwca roku 2005 Apple zapowiedziało, że w następnych wersjach komputerów Macintosh będą stosowane jedynie procesory marki Intel . Od 12 stycznia roku 2006 dostępne są komputery Apple z procesorami marki Intel .

Charakterystyka

PowerPC został zaprojektowany zgodnie z filozofią RISC . Mikroarchitektura procesora pozwoliła na zastosowanie superskalarności . Obecnie w użyciu znajdują się zarówno zarówno wersje 64 bitowe jak i 32 bitowe procesora. W stosunku do architektury POWER w PowerPC wprowadzono:

• Obsługa trybów Big Endian oraz Little Endian , które mogą być przełączane w trakcie pracy procesora. Obsługa ta została zarzucona w PowerPC G5 ,
• Uzupełnienie operacji na danych zmiennoprzecinkowych podwójnej precyzji o operacje na danych zmiennoprzecinkowych pojedynczej precyzji,
• Kompletna specyfikacja 64 bitowej architektury,
• Usunięcie niektórych, rzadko używanych, instrukcji procesora POWER .

Big endian/Little endian

Niektóre z układów PowerPC produkcji IBM przeznaczonych na rynek systemów wbudowanych posiadają bit kolejności bajtowej dla każdej obsługiwanej strony pamięci . Poniższy opis nie odnosi się do tych układów.

Większość z dostępnych układów PowerPC może przełączać tryb kolejności bajtów pamięci (ang. endianess) za pomocą bitu w rejestrze MSR. Osobny bit w tym rejestrze odpowiada za kolejność bajtów w przypadku pracy procesora w trybie nadzorcy. Procesor po inicjalizacji startuje w trybie big endian a tablica stron pamięci dla TLB zawsze przechowuje dane w trybie big endian .

Systemy komputerowe firm Matrox oraz Mercury Computer Systems wykorzystują PowerPC działający w trybie little endian . Wynika to z faktu, że układ PowerPC pracuje w tych systemach jako koprocesor na szynie PCI i współdzieli dane z głównym procesorem zgodnym z mikroarchitekturą IA-32 . Zarówno systemy Sun Solaris jak i Windows NT w wersji dla układów PowerPC używały tego procesora w trybie little endian .

Rejestry wewnętrzne

Poniższa tabela prezentuje rejestry jednostki stałopozycyjnej mikroprocesora PowerPC (wspólne dla wszystkich wersji)

Licencjobiorcy

Firmy, które produkowały lub wykorzystywały na licencji układy zgodne z architekturą PowerPC.

• Motorola (obecnie Freescale Semiconductor ), jako członek konsorcjum AIM
• Nintendo dla procesora w konsoli do gier GameCube ,
• Sony i Toshiba , dla procesora Cell
• Huawei
• Cisco Systems
• Samsung
• Applied Micro Circuits Corporation (AMCC)
• Microsoft dla Xbox 360
• Nintendo dla Wii
• PA-Semi
• HCL
• Xilinx – układy FPGA Virtex-II Pro posiadają zintegrowany procesor zgodny z wersją embedded IBM PowerPC
• Altera
• Apple Computer

i inni.

Procesory ogólnego przeznaczenia

• PowerPC G1
  • 601 , 601v
• PowerPC G2
  • 602
  • 603 , 603e, 603ev
  • 604 , 604e, 604ev
  • 620 pierwsza 64- bitowa implementacja
• x704 implementacja w technologii BiCMOS zaprojektowana przez Exponential Technologies
• PowerPC G3
  • 740
  • 745
  • 750 ( 1997 ) 233 MHz oraz 266 MHz
  • 755
  • 750CX, 750CXe ( 2000 ) 366 MHz – 600 MHz
  • 750FX ( 2002 ) 600 MHz – 900 MHz
  • 750GX ( 2003 ) 733 MHz – 1,1 GHz
  • 750CL ( 2006 ) 400 MHz – 1 GHz, energooszczędna wersja 750GX, według plotek jest to procesor zastosowany w Wii
• PowerPC G4
  • 7400/7410 ( PowerPC G4 ) (1999) do 550 MHz, wyposażona w układ AltiVec , rozszerzenie typu SIMD oryginalnej specyfikacji PowerPC
  • 7450 rodzina procesorów z zegarem do 1,5 GHz i 256 KiB Cache L2 oraz z ulepszonym układem AltiVec ( PowerPC G4 )
  • 7447/7457 rodzina procesorów z zegarem do 1,8 GHz oraz 512 KiB Cache L2 ( PowerPC G4 )
  • 7448 rodzina procesorów produkowana w technologii 90nm z 1 MiB Cache L2 ( PowerPC G4 )
  • 8641S i 8641D jedno- i dwurdzeniowe procesory zbudowane na bazie jądra e600, użytego wcześniej w 7448.
• PowerPC G5
  • 970 ( 2003 ) 64-bitowa implementacja oparta na mikroprocesorze IBM POWER4 rozszerzona o jednostkę VMX (kompatybilna z AltiVec jednostka wykonawcza typu SIMD ) z 512 KiB Cache L2 z zegarami pracującymi z częstotliwościami 1,4 GHz, 1,6 GHz, 1,8 GHz, 1,9 GHz, 2,0 GHz, 2,1 GHz, 2,3 GHz, 2,5 GHz oraz 2,7 GHz wykonana w technologii 130 nm.
  • 970FX ( 2001 ) 512 KiB Cache L2, produkowany w technologii 90 nm.
  • 970GX ( 2003 ) 1 MiB Cache L2
  • 970MP ( 2005 ) z zegarem 1,6-2,5 GHz z 1 MiB Cache L2, pierwszy dwurdzeniowy procesor PowerPC ogólnego przeznaczenia
• Gekko 485 MHz (używany w Nintendo GameCube )
• PA6T-1682M (PWRficient) dwurdzeniowa jednostka pracująca z zegarem 2 GHz

Nowa generacja procesorów PowerPC, o planowanej nazwie POWER6, jest projektowana do pracy z zegarami z zakresu 4-5 GHz oraz udostępni funkcjonalność Simultaneous MultiThreading.

Procesory dla systemów wbudowanych

PowerPC IBM 970

AMCC

• 440SP: 533-667 MHz, 10/100/1G Ethernet , (2) 64bit PCI-X , 32bit PCI-X , XOR engine, 32k L1 Cache .
• 440SPe: 533-667 MHz, 10/100/1G Ethernet , (3) 64bit PCI-Express , 64bit PCI-X, XOR engine, 32k L1 Cache .
• 440EPx: 333-667 MHz, (2) 10/100/1G Ethernet , Hardware Security, PCI , DDR-II, FPU , USB 2.0, 32k L1 Cache .
• 440GR: 333-667 MHz, (2) 10/100 Ethernet , (4) UART , (2) IIC, 53 GPIO , SPI, 32k L1 Cache .
• 440GRx: 333-667 MHz, (2) 10/100/1G Ethernet , (4) UART , (2) IIC, 53 GPIO , SPI, DDR-II, Hardware Security, 32 KiB L1 Cache .

BAE Systems

• RAD750 : wersja do celów militarnych i misji kosmicznych, oparta na mikroprocesorze PowerPC 750 ze zwiększoną odpornością na promieniowanie elektromagnetyczne

Culturecom

• V-Dragon oparta na rdzeniu mikroprocesora PowerPC 405.

IBM (obecnie AMCC)

• 401
• 403: układ MMU dołączony w wersji 403GCX.
• 405: MMU , Ethernet , UART , PCI , SRAM , SDRAM ; wersja NPe405 została wzbogacona o nowe urządzenia sieciowe.
• 440xx: seria mikroprocesorów opartych o rdzeń Book E.
  • 440EP: 333-667 MHz, (2) 10/100 Ethernet , PCI , DDR , FPU , USB 1.1 & 2.0, 32 KiB L1 Cache .
  • 440GP: 400-500 MHz, (2) 10/100 Ethernet , PCI-X , DDR , 32 KiB L1 Cache .
  • 440GX: 533-800 MHz, (2) 10/100 Ethernet , (2) 10/100/1G Ethernet z mechanizmem TCP/IP offload, PCI-X , DDR , 32 KiB L1 Cache

Motorola (obecnie Freescale )

• MPC 860/8xx ( PowerQUICC ): kontrolery sieciowe i telekomunikacyjne
• MPC 550/5xx (rdzeń 8xx): kontrolery przemysłowe
• MPC 5200/5200B (rdzeń 603e ): kontrolery przemysłowe
• MPC 8260/82xx ( PowerQUICC II) rdzeń 603 , kontrolery sieciowe i telekomunikacyjne z wbudowaną w układ wysokowydajną, przełączaną szyną danych.
• MPC 8560/85xx ( PowerQUICC III) rdzeń procesora PowerPC Book E, kontrolery sieciowe i telekomunikacyjne z wbudowaną w układ wysokowydajną, przełączaną szyną danych.

PA Semi

• PA6T-1682M (PWRficient): dwurdzeniowa jednostka pracująca z częstotliwością zegara 2 GHz (nigdy nie wprowadzona do sprzedaży)

Xilinx

• Virtex-II Pro i Virtex-4, układy FPGA zawierające do czterech rdzeni PowerPC 405.
• Virtex-5, układy FPGA zawierające co najwyżej dwa rdzenie PowerPC 440.

Zobacz też

• Architektura ARM

Linki zewnętrzne

• Strona Power.org
• Strona Freescale Semiconductor
• IBM Power Architecture
• POWER to the people – A history of chipmaking at IBM