PowerPC

Mikroprocesor PowerPC 604e firmy Motorola

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

Architektura mikroprocesora PowerPC była zbudowana przez konsorcjum firm Apple-IBM-Motorola znane pod skrótem AIM. Z początku mikroprocesory tej architektury przeznaczone były na rynek komputerów osobistych, z czasem są wielokrotnie 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), także w kilku projektach komputerów zgodnych Atari Falcon. Na bazie mikroprocesora PowerPC oraz jego sieciowej wersji PowerQUICC oparte były pewne 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 była 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 obu 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 oraz doświadczonego producenta układów,
• Apple zdobyło dla swoich komputerów jeden z najszybszych procesorów RISC na rynku oraz wsparcie marketingowe ze względu na światową znajomość marki IBM,
• Motorola uzyskała nowoczesną architekturę procesora RISC oraz pomoc technologiczną ze strony IBM

Pierwsze urządzenia oparte o PowerPC zostały przyjęte przez rynek z entuzjazmem. nieoczekiwanie komputerów Apple Macintosh, zarówno Motorola jak oraz 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 oraz 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 wcale 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. Zaledwie komputery Macintosh produkowane przez Apple pozostawały wierne mikroprocesorom PowerPC.

W 2004 roku Motorola zaprzestała produkcji układów mikroprocesorowych przenosząc dział rozwoju oraz 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 zaledwie procesory marki Intel. Od 12 stycznia roku 2006 dostępne są komputery Apple z procesorami marki Intel.

Charakterystyka

PowerPC stał się zaprojektowany zgodnie z filozofią RISC. Mikroarchitektura procesora pozwoliła na zastosowanie superskalarności. Aktualnie w użyciu leżą zarówno zarówno wersje 64-bitowe jak oraz 32-bitowe procesora. W stosunku do architektury POWER w PowerPC wprowadzono:

• Obsługa trybów Big Endian oraz Little Endian, które bywają przełączane w trakcie pracy procesora. Obsługa ta była 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, sporadycznie używanych, instrukcji procesora POWER.

Big endian/Little endian

Pewne 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.

Przeważajaca ilość 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 stale 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 oraz współdzieli dane z podstawowym procesorem zgodnym z mikroarchitekturą IA-32. Zarówno systemy Sun Solaris jak oraz 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 albo 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 oraz 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, wedle 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 oraz 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 oraz 8641D jedno- oraz 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 oraz 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 była 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 oraz telekomunikacyjne
• MPC 550/5xx (rdzeń 8xx): kontrolery przemysłowe
• MPC 5200/5200B (rdzeń 603e): kontrolery przemysłowe
• MPC 8260/82xx (PowerQUICC II) rdzeń 603, kontrolery sieciowe oraz telekomunikacyjne z wbudowaną w układ wysokowydajną, przełączaną szyną danych.
• MPC 8560/85xx (PowerQUICC III) rdzeń procesora PowerPC Book E, kontrolery sieciowe oraz 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 oraz Virtex-4, układy FPGA zawierające do czterech rdzeni PowerPC 405.
• Virtex-5, układy FPGA zawierające co najwyżej dwa rdzenie PowerPC 440.

Sprawdź też

• Architektura ARM

Linki zewnętrzne

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