Расширения архитектуры PowerPC

Так как первое поколение процессоров PowerPC создавалось специально под AS/400 и не было PowerPC в полном смысле, мы решили дать этим процессорам новое название s PowerPC Optimized for the AS/400 Advanced Series, но так как это труднопроизносимо, решено было остановиться на более кратком варианте s PowerPC AS. Большинство расшифровывают AS как Advanced Series, но многие из нас предпочитают считать, что это Amazon Series. Во втором поколении наших процессоров, представленном в 1997 году, мы реализовали и полную архитектуру PowerPC, и все расширения. Так как те же самые процессоры используются RS/6000, то обозначение AS более не имеет смысла. Самое существенное новшество архитектуры для AS/400 — использование тегов памяти (memory tags), которые будут подробно рассмотрены в главе 8. А вкратце мы поговорим об этом прямо сейчас.

В System/38 была реализована концепция одноуровневой памяти. Проще говоря, вся память, включая дисковую, представляет собой большое единое адресное пространство. Нам был необходим эффективный механизм защиты памяти от пользователей, не имеющих права доступа к ним. В MI адресация выполнялась с помощью 16-байтовых указателей. Указатель содержит некоторый адрес, и пользователь может этот адрес изменить (подробнее об этом будет рассказано в главе 5). Поскольку адрес после изменения может указывать на любую область памяти, необходимо предотвратить неавторизованные изменения адресов пользователями.

С каждым словом памяти System/38, имеющим 32 разряда данных, связан специальный бит защиты памяти, называемый битом тега (tag bit). Указатель MI занимает четыре таких слова. Всякий раз, когда операционная система сохраняет в четырех последовательных словах памяти указатель, аппаратура включает (устанавливает в 1) четыре бита тега, для индикации того, что указатель содержит адрес, допустимый для данного пользователя. Если пользователь изменяет в памяти любую часть указателя, то аппаратура выключает (устанавливает в 0) бит тега. Если хотя бы один из битов тега сброшен, то адрес в указателе неверен и не может быть использован для доступа к памяти.

В целях безопасности бит тега не может быть одним из битов данных внутри слова, так как последние пользователь может видеть и изменять. Он должен быть скрытым, то есть храниться в недоступной пользователю области памяти, но где именно?

System/38 использует для каждого слова памяти биты кода коррекции ошибок. Содержащая их часть памяти невидима программам, работающим поверх MI. Мы решили добавить к битам кода коррекции ошибок еще один и использовать его как бит тега. При изменении слова памяти какой-либо пользовательской программой, процессор должен автоматически сбрасывать скрытый бит тега. Ведь если данное слово станет частью указателя, то тот будет неверным. Только микрокод расположенный ниже MI имеет команды для включения битов тега.

В памяти AS/400 также используются биты тега. Поскольку в архитектуре PowerPC таковые не предусмотрены, нам пришлось добавить к ней режим активных тегов (tags-active mode). В этом режиме процессор «знает» о битах тега и будет сбрасывать их всякий раз, когда пользователь изменяет слово в памяти. Все процессоры AS/400 работают в режиме активных тегов. Существующие процессоры PowerPC используют режим неактивных тегов.

65-разрядный процессор?

В AS/400 ширина слова памяти возросла до 64 разрядов данных. С каждой восьмеркой байтов памяти AS/400 связан бит тега и указатель MI, занимающий два таких слова. В 1991 году нам виделись некоторые преимущества в том, чтобы хранить два теговых бита в регистрах новых RISC-процессоров, так же как и в памяти. Кроме того, мы хотели сократить размер указателей MI до 8 байтов. Внутри 16-байтовых указателей было неиспользуемое пространство, и казалось, что как раз настал подходящий момент сжать их.

Для того чтобы хранить такие тегированные указатели в регистрах, размер целочисленных регистров нужно было увеличить до 65 разрядов. Мы разрабатывали описанную схему около года, но в 1992 году отказались от нее и вернулись к решению, хранить теги только в памяти. На то было три основных причины. Во-первых, изменение размера указателя влияло на OS/400 и требовало слишком многих модификаций ее кода. Во-вторых, такой подход ограничивал будущие расширения размера адреса 64 разрядами. И третье, самое важное — процессоры в режиме активных тегов оказались бы несовместимы с набором команд PowerPC.

Первоначально мы не считали совместимость с PowerPC важной. Будущие процессоры, реализующие режим неактивных тегов, где 65-й разряд игнорируется, были бы полностью совместимы с PowerPC. А реализация 32-разрядных команд в режиме активных тегов и соответствующее программное обеспечение не планировалась даже в начале проекта. Ведь предполагалось, что этот режим будет использоваться только операционной системой AS/400, которая имеет дело с 64-разрядными командами.

Затем, когда было решено поддерживать совместимость с набором команд PowerPC, мы избавились от 65-го разряда в процессоре. Тогда намечалось некое слияние операционных систем IBM (см. Приложение). В рамках этого проекта предполагалось и программное обеспечение, большая часть которого предназначалась для 32-разрядного процессора. Поэтому мы обеспечили поддержку 32-разрядного набора команд всеми процессорами даже в режиме активных тегов. Наши процессоры второго поколения имеют режимы как активных, так и неактивных тегов и могут исполнять все прикладное и системное ПО PowerPC.

Хотя мы вернулись к 64-разрядным процессорам уже много лет назад, даже в IBM есть люди, по-прежнему упоминающие 65-разрядные, которые так никогда и не были созданы. Эта путаница возникает потому, что многие не знают, что собственно делает бит тега. Вероятно, если бы мы назвали его «битом защиты указателя в памяти» (pointer in memory protection), то не ввели бы в заблуждение столько народу. Но боюсь, тогда бы нам пришлось все время объяснять, зачем нам понадобился «бит pimp»[ 18 ].

Система команд Amazon

Архитектура PowerPC определяет привилегированные операции и команды, используемые только операционной системой и не предназначенные для прикладных программ. В AS/400 после специальных расширений этим «ведает» режим активных тегов. Например, механизм трансляции адреса должен поддерживать и одноуровневую память с единым адресным пространством, и обычную память с отдельным адресным пространством для каждого процесса. Мы используем режим активных тегов для того, чтобы приказать процессору использовать одноуровневую память. В режиме неактивных тегов процессор использует обычную трансляцию адреса PowerPC.

В состав других расширений AS/400 входят команды для работы с десятичными числами, некоторые новые команды загрузки и сохранения, а также расширения внутреннего регистра состояния процессора, предназначенные для оптимизации выполнения переходов. Мы не будем терять сейчас время на объяснение того, как эти команды используются в AS/400, а отложим это до следующих глав, где рассмотрим, как используется каждая из расширенных команд, более подробно.

А сейчас хочу привести некоторые цифры. Они помогут подытожить разговор об изменениях в архитектуре AS/400 и связанных с ними перспективах развития архитектуры PowerPC.

32-разрядная архитектура PowerPC определяет 187 команд, причем 11 из них — необязательные.

64-разрядная архитектура PowerPC определяет 228 команд (187 из 32-разрядного набора + 41 дополнительная), из них 21 — необязательная.

Архитектура Amazon определяет 253 команды (228 из 64-разрядного набора PowerPC + 25 дополнительных), из них 20 — необязательные. Заметьте, что 25 дополнительных команд доступны только в режиме активных тегов. Режим неактивных тегов поддерживает лишь 64-разрядный набор команд PowerPC. Но учтите, что определение любой архитектуры динамично и конкретные числа могут изменяться!