Комп'ютери з комбінованою архітектурою

При реалізації архітектури КДФК виникають серйозні проблеми. Компілятор цього комп’ютера повинен в деталях враховувати внутрішні особливості процесора, аж до ор­ганізації роботи його функціональних пристроїв. Як наслідок, при випуску нової версії комп’ютера з більшою кількістю функціональних пристроїв доводиться радикально пе­реписувати і компілятор. Інша проблема - це за своєю суттю статична природа оптимі- зації, яку забезпечує компілятор КДФК. Важко передбачити, як, наприклад, поведеться компілятор, коли зіткнеться під час компіляції з непередбаченими динамічними ситуа­ціями, такими як очікування введення/виведення. Тому розробники сучасних швидко­діючих комп’ютерів починають відходити від чистої архітектури КДФК

У 2000 році корпорація Трансмета випустила процесор Crusoe, сумісний із системою команд процесора х86, який характеризується високою продуктивністю та зниженою споживаною потужністю. Покращання характеристик досягнуто шляхом заміни відчут­ної частки апаратури процесора допоміжною, але обов’язковою, програмною оболон­кою Процесор Crusoe складається з апаратного ядра та програмної оболонки, яка фор­мує програмний код для цього ядра. Ядром є нескладний КДФК, здатний виконувати до чотирьох простих команд в кожному такті. Доповнення апаратного ядра програмною оболонкою для формування програмного коду створює ефект присутності повноцінно­го набору апаратних засобів архітектури х86. Програмну оболонку формування коду на­зивають Code Morphing™ тому, що вона динамічно відбиває (“morphs”) зовнішні (склад­ні) команди процесора х86 у внутрішні (спрощені) в’язанки команд апаратного ядра

Технологія Code Morphing™ фірми Трансмета змінює традиційні методи проекту­вання процесорів. Практична апробація того, що серійні процесори можна реалізувати як гібрид програмних і апаратних засобів, суттєво розширила можливості проектуваль­ників по вибору та впровадженню оптимальних рішень. По перше, паралельна робота проектувальників апаратного ядра процесора та системних програмістів, які розробля­ють програмну оболонку, сприяє скороченню термінів розробки. По друге, зовнішня програмна оболонка формування коду із в язанок команд для ядра процесора забез­печує незалежний від прихованої апаратної архітектури розвиток програмних засобів комп’ютерної системи в цілому тобто системних та прикладних програм

Ядро процесора включає два функціональні пристрої для операцій з фіксованою ко­мою, функціональний пристрій для операцій з рухомою комою, функціональний при­стрій звернення до пам’яті (load/store) та функціональний пристрій виконання умовних переходів (рис. 5.28).

Тут ADD - операція додавання з фіксованою комою, FADD - операцією додавання з рухомою комою, LD - завантаження подвійного слова, a BRCC - умовний перехід за деякою умовою (Conditional Code Branch).

В’язанка команд процесора Crusoe отримала назву молекули. Вона має довжину 64/128 бітів та вміщує чотири команди (чотири атоми). Усі атоми в межах молекули ви­конуються паралельно. Формат молекули прямо визначає зв’язок атома із конкретним функціональним пристроєм, що значно і спрощує, і прискорює апаратні засоби. Самі молекули процесор опрацьовує із збереженням черговості, тобто без використання складних апаратних засобів невпорядкованого опрацювання. Для забезпечення ефек­тивного використання процесора мінімізується кількість незаповнених атомів, а у ви­падках несумісності атомів за паралельністю, на місце відсутнього атома вставляється пуста операція.

Програма Code Morphing є фундаментальною системою динамічної трансляції, що транслює команди однієї архітектури (в даному випадку КССК процесора х86) в команди іншої архітектури (КДФК). Програму Code Morphing розміщено в ПЗП процесора і вона є першою програмою, що виконується при завантаженні процесора. Рис. 5.29 ілюструє зв’язок між кодом процесора х86, програмою Code Morphing та ядром процесора Crusoe.

Завдяки тому, що програма формування коду КДФК, а саме, Code Morphing, ізолює програми процесора х86 (системні та прикладні разом із BIOS і операційною системою) від апаратури процесора Crusoe із притаманною йому системою команд КДФК, цю сис­тему команд можна змінювати без жодного впливу на систему команд процесора х86. Але при зміні архітектури КДФК певних змін зазнає і програма Code Morphing. Проте зміни до програми формування коду Code Morphing треба виконувати лише один раз на кожну зміну архітектури ядра.

Приховування реальної архітектури рівня машинних команд за шаром фірмової про­грами Code Morphing дозволяє уникнути проблем, притаманних чистим КДФК. Чисті КДФК змушують розробника компілятора враховувати усі деталі роботи конвеєра. При цьому найменші зміни у конвеєрі вимагають перепроектування компілятора (не зви­чайний, а оптимізуючий), що є надто складною ресурсомісткою та кропіткою працею. Зазначеної проблеми для процесора Crusoe просто не існує. З погляду системних про­грам Crusoe виглядає як стандартний процесор х86.

Описана технологія віртуалізації архітектури комп’ютера зі складною системою ко­манд є принципово новим і ефективним методом декомпозиції та вирішення складних завдань проектування сучасних комп’ютерів. Запропонований фірмою Трансмета про­грамно-апаратний метод проектування забезпечив вдалий розподіл функцій процесора між його програмною та апаратною частинами, і, тим самим, дозволив знайти компро­міс між вартістю та складністю, між продуктивністю та споживаною потужністю.

Програма Code Morphing формування коду КДФК транслює групи команд проце­сора х86, а не кожну відокремлену команду, як у суперскалярному процесорі. Зрозумі­ло, що опрацювання групи команд розширює діапазон дій програмного транслятора, що дає йому можливість враховувати семантику фрагмента коду, разом із притаман­ною фрагментові кореляцією поміж сусідніми командами. Саме це обумовлює перева­гу трансляційної технологій Crusoe. Більше того, суперскалярний процесор транслює команду кожного разу, як її виконує. Crusoe виконує трансляцію команди одноразово, зберігаючи результат трансляції у так званій трансляційній кеш пам’яті. Коли виконан­ня фрагмента програми процесора х86 повторюється, Crusoe не виконує повторну тран­сляцію, а забирає потрібне з трансляційної кеш пам’яті. Зрозуміло, що “компільований” фрагмент коду процесора х86 виконується швидше від “інтерпретованого”.

Програмна, а не апаратна, реалізація трансляції відкриває нові можливості. Адже апаратна реалізація складних алгоритмів трансляції збільшує кількість транзисторів на кристалі та споживану потужність. Crusoe виконує лише одноразову повільну трансля­цію при першому проході програми, а всі наступні проходи здійснює швидко, що дозво­ляє значно підвищити складність та ефективність програмно реалізованих алгоритмів трансляції, підвищивши тим самим характеристики комп’ютерної системи.

Зрозуміло, що програма Code Morphing використовує властивість локалізації (local­ity of reference) вибирань програмних кодів будь-якої універсальної машини. Апаратура процесора Crusoe опрацьовує отриманий від Code Morphing молекулярний код не хао­тично, а впорядковано, за природною чергою. Це гарантує впорядковане опрацювання оригінальних команд процесора х86. Саме молекули однозначно визначають паралелізм рівня машинних команд, тому апаратна реалізація процедури паралельного опрацюван­ня спрощується.