Motorola 88000

El 88000 (m88k para abreviar) es una arquitectura de conjunto de instrucciones RISC desarrollada por Motorola durante la década de 1980. El MC88100 llegó al mercado en 1988, unos dos años después que los competidores SPARC y MIPS. Debido al inicio tardío y los extensos retrasos en el lanzamiento del MC88110 de segunda generación, el m88k logró un éxito muy limitado fuera de la plataforma MVME y los entornos de controlador integrado. Cuando Motorola se unió a la alianza AIM en 1991 para desarrollar el PowerPC, terminó el desarrollo posterior del 88000.

Historia

Antecedentes

Motorola entró en la década de 1980 en una posición de fortaleza; su recientemente presentado Motorola 68000 superó fácilmente a cualquier otro microprocesador en el mercado, y su arquitectura de 32 bits se adaptó naturalmente al mercado emergente de estaciones de trabajo Unix. Intel no se movía agresivamente en el espacio de 32 bits, y las empresas que lo hicieron, en particular National Semiconductor, estropearon sus lanzamientos y dejaron a Motorola con el control de todo lo que no era Intel. En ese momento, Intel poseía alrededor del 80% del mercado total de computadoras, mientras que Motorola controlaba el 90% del resto.

A esto se sumó la introducción del concepto RISC a principios de la década de 1980. Al principio, hubo un intenso debate dentro de la industria sobre si el concepto realmente mejoraría el rendimiento o si sus programas de lenguaje de máquina más largos realmente ralentizarían la ejecución a través de accesos adicionales a la memoria. Todo ese debate terminó a mediados de la década de 1980 cuando surgieron las primeras estaciones de trabajo basadas en RISC; el último Sun-3/80 que se ejecuta en un Motorola 68030 de 20 MHz entregó alrededor de 3 MIPS, mientras que el primer Sun-4/260 basado en SPARC con un SPARC de 16 MHz entregó 10 MIPS. Hewlett-Packard, DEC y otros grandes proveedores comenzaron a pasarse a las plataformas RISC.

Este cambio en el mercado tenía el potencial de dejar a Motorola fuera de uno de sus únicos baluartes y uno de los más lucrativos. Apple siguió siendo el único gran proveedor de la empresa fuera del espacio de las estaciones de trabajo; otros usuarios del 68000, en particular Atari y Commodore International, se tambaleaban en un mercado que se estaba estandarizando rápidamente en el clon de PC.

El enfoque de Motorola

Los diseños de RISC fueron un esfuerzo consciente para adaptar el procesador a los tipos de operaciones que llamaban los compiladores en esa plataforma, en el caso de las estaciones de trabajo Unix, el lenguaje de programación C. El proyecto seminal IBM 801 había notado que los compiladores generalmente no usaban la gran mayoría de las instrucciones disponibles para ellos, y en su lugar usaban la versión más simple de las instrucciones, a menudo porque estas funcionaban más rápido. Sin embargo, proporcionar las otras versiones de estas instrucciones básicas también agregó gastos generales a la versión básica. La eliminación de estas instrucciones no utilizadas de la CPU eliminó esta sobrecarga y liberó un espacio significativo en el chip. Esto dio espacio para aumentar la cantidad de registros del procesador, lo que tuvo un impacto mucho mayor en el rendimiento que las instrucciones de casos especiales eliminadas. Por esta razón, se puede decir que el concepto RISC está impulsado por el diseño real de los compiladores.

Los artículos de Motorola sobre el diseño del 88000 hablan de instrucciones de un solo ciclo, grandes archivos de registro del procesador y otras características del concepto RISC, pero no mencionan la palabra "RISC" incluso una vez. Como los diseños RISC existentes ya habían ingresado al mercado, la compañía decidió que no intentaría competir con estos y, en su lugar, produciría el procesador más poderoso del mundo. Para ello, tomaron notas de diseño de una de las computadoras más rápidas de una era anterior, la supercomputadora CDC 6600. En particular, adoptaron el concepto de marcador de 6600. El marcador permitió a la CPU examinar el uso de registros de la instrucción e inmediatamente enviar aquellos que no dependían de cálculos previos que aún no estaban completos; esto permitió que las instrucciones se reordenaran para permitir que se ejecutaran las que tenían los datos requeridos mientras que otras tenían los datos cargados desde el caché o la memoria. Este reordenamiento de instrucciones podría mejorar el uso hasta en un 35%.

El diseño también usó buses de datos y direcciones separados. Esto fue costoso en términos de cantidad de pines; tanto la caché de direcciones como la de datos tenían 32 pines para su dirección y 32 pines para los datos, lo que significa que el sistema completo usaba 128 pines en el 'P-bus'. Este diseño se basó en la observación de que solo alrededor de un tercio de las operaciones estaban relacionadas con la memoria, el resto operaba con datos ya leídos. Esto favorecía mucho tener una ruta de instrucciones dedicada a un caché de instrucciones externo. Los cachés y las unidades de administración de memoria (MMU) asociadas eran inicialmente externas, un controlador de caché se podía conectar a los buses de datos o de instrucciones, y se podían usar hasta cuatro controladores en cualquiera de los buses. Internamente había tres buses de 32 bits, conectados a las unidades internas de diferentes maneras según se requería para leer y escribir datos en los registros.

Otra característica del nuevo diseño fue la compatibilidad integrada con coprocesadores especializados, o "unidades de funciones especiales", o SFU. Además de los comandos internos admitidos de fábrica, reservó una serie de bloques de 256 instrucciones que podrían usar los coprocesadores. Esto estaba dirigido a diseñadores que deseaban personalizar el sistema; se podrían agregar nuevas unidades funcionales sin afectar la arquitectura del conjunto de instrucciones existente, asegurando la compatibilidad del software para la funcionalidad principal. Cada 88000 vino con SFU1 ya instalado, la unidad de coma flotante (FPU).

Liberar

En 1987 era ampliamente conocido que Motorola estaba diseñando su propio procesador RISC. Conocido por la industria informática como el '78000', un homenaje al anterior 68000, se convirtió en el 88000 cuando se lanzó en abril de 1988.

Como efecto secundario de la complejidad del diseño, la CPU no cabía en un solo chip. El 68030, lanzado un año antes, tenía 273 000 transistores, incluida la unidad lógica aritmética (ALU) y la unidad de administración de memoria (MMU) en un solo chip, con la unidad de punto flotante (FPU) opcional como un chip separado. Por el contrario, el 88000 empaquetó la ALU y la FPU juntas en el MC88100 de 750 000 transistores, y la unidad de administración de memoria (MMU) y la caché de RAM estática de 16 KB en el MC88200 de 750 000 transistores. A diferencia del 68030, donde la FPU era realmente opcional, no se podía construir un sistema 88000 práctico sin al menos un MC88200. Los sistemas podrían incluir más de un MC88200, produciendo cachés más grandes y permitiendo múltiples rutas a la memoria principal para mejorar el rendimiento.

Dirigido a la gama alta del mercado, se afirmó que era el procesador de 32 bits más rápido del mundo cuando se lanzó. Funcionando a 20 MHz, alcanzó los 34 000 Dhrystones o 17 VUPS, en comparación con los aproximadamente 12 MIPS de un SPARC de 12,5 MHz de la misma época en la SPARCstation, o alrededor de los 3,3 MIPS del 68030 de 20 MHz. También estaba disponible como una pieza de 25 MHz a 21 MIPS, 48 387 Dhrystones.

En ese momento, Motorola comercializó el 88000 estrictamente para la gama alta del mercado, que incluía "inteligencia artificial de telecomunicaciones, gráficos, animación tridimensional, simulación, procesamiento paralelo y supercomputadoras", mientras sugerían la serie 68k existente se seguiría utilizando en el mercado de las estaciones de trabajo. En cambio, la mayoría de los clientes potenciales ignoraron el 88000 y el sistema vio poco uso.

Relanzamiento

Como el lanzamiento original casi no tenía uso fuera de los propios productos de Motorola, y esos clientes tradicionales comenzaban a pasarse a otros diseños RISC, la compañía relanzó el diseño en forma de un solo chip, el MC88110.. A fines de la década de 1980, varias compañías estaban examinando activamente la serie 88000 para su uso futuro, incluidas NeXT, Apple Computer y Apollo Computer, pero todas habían renunciado al diseño cuando el 88110 finalmente estuvo disponible en 1990.

Hubo un intento de popularizar el sistema con el grupo 88open, similar a lo que intentaba Sun Microsystems con su diseño SPARC. Parece haber fracasado en cualquier sentido práctico.

Abandono

A principios de la década de 1990, Motorola se unió al esfuerzo de AIM para crear una nueva arquitectura RISC basada en la arquitectura IBM POWER. Trabajaron algunas características del 88000 en la nueva arquitectura PowerPC para ofrecer a su base de clientes algún tipo de ruta de actualización. En ese momento, el 88000 se descartó lo antes posible.

Arquitectura

Al igual que el 68000 anterior, el 88000 se consideraba un "limpio" diseño. Es una arquitectura pura de carga/almacenamiento de 32 bits con cachés de datos e instrucciones separados (arquitectura Harvard) y buses de datos y direcciones separados. Tiene un conjunto de comandos pequeño y potente y utiliza un espacio de direcciones plano.

Una característica arquitectónica inusual es que tanto las instrucciones de números enteros como las instrucciones de coma flotante utilizan el mismo archivo de registro. Esto requiere que el archivo de registro único tenga suficientes puertos de lectura y escritura para admitir tanto la unidad de ejecución de enteros como la unidad de coma flotante.

Implementaciones

Motorola 88100 CPU RISC

La primera implementación del 88000 ISA fue el microprocesador MC88100, que incluía una FPU integrada. Junto a esto estaba la MMU MC88200 y el controlador de caché. La idea detrás de esta división de funciones era permitir que los sistemas multiprocesador se construyeran más fácilmente; un solo MC88200 podría admitir hasta cuatro MC88100. Sin embargo, esto también significó que construir el sistema más básico, con un solo procesador, requería ambos chips y un cableado considerable entre ellos, lo que aumentaba los costos. Es probable que esta sea otra de las principales razones del éxito limitado del 88000.

Motorola 88110 CPU RISC

Esto se solucionó más tarde con el superescalar MC88110, que combinó la CPU, la FPU, la MMU y la caché L1 en un solo paquete. Una modificación adicional, realizada a instancias del proyecto *T del MIT, dio como resultado el MC88110MP, que incluye comunicaciones en chip para uso en sistemas multiprocesador. Se planeó una versión capaz de alcanzar velocidades de hasta 100 MHz como MC88120, pero nunca se construyó.

Una implementación para aplicaciones integradas, el MC88300, estuvo en desarrollo a principios de la década de 1990, pero finalmente se canceló. Ford Motor Company había planeado usar los chips, por lo que se les ofreció un diseño PowerPC como reemplazo, que aceptaron.

Productos y aplicaciones

MVME-197LE

Motorola lanzó una serie de computadoras de placa única, conocida como la serie MVME, para construir "listos para usar" sistemas basados en el 88000, así como las computadoras apilables de la Serie 900 que emplean estas placas MVME. A diferencia de los sistemas de montaje en torre o en rack, la Serie 900 se ubicaba una encima de la otra y se conectaba entre sí con un cableado tipo bus. El concepto nunca se puso de moda.

Los principales usuarios de terceros estaban limitados. El único uso generalizado sería en la serie Data General AViiON. Estos fueron bastante populares y siguen teniendo un uso limitado en la actualidad. Para modelos posteriores, DG se pasó a Intel. Encore Computer construyó su máquina Encore-91 en el m88k, luego introdujo un rediseño completamente nuevo como la serie Infinity 90, pero no está claro cuántas de estas máquinas se vendieron. Encore se mudó al Alfa.

GEC Computers usó el MC88100 para construir el GEC 4310, uno de los ordenadores de la serie GEC 4000, pero los problemas con la gestión de la memoria hicieron que no funcionara tan bien como sus ordenadores de la serie GEC 4000 basados en matriz de puertas y Am2900 anteriores. El modelo TC-2000 de BBN Butterfly usó el procesador MC88100 y se amplió a 512 CPU. Linotype-Hell usó el 88110 en su programa "Power" estaciones de trabajo que ejecutan el editor de gráficos de trama DaVinci para la manipulación de imágenes.

El MC88110 se convirtió en algunas versiones de una máquina NeXT nunca lanzada, la estación de trabajo NeXT RISC, pero el proyecto se canceló junto con todos los proyectos de hardware NeXT en 1993. Las máquinas OMRON LUNA-88K de 4 procesadores de Japón usaban el m88k, y se utilizaron durante un breve período de tiempo en el proyecto Mach kernel de la Universidad Carnegie Mellon. A principios de la década de 1990, Northern Telecom utilizó el MC88100 y el MC88110 como procesador central en su familia de conmutadores telefónicos DMS SuperNode.

La mayoría de los otros usuarios eran mucho más pequeños. Alpha Microsystems originalmente planeó migrar a la arquitectura 88K desde Motorola 68000 e internamente creó una máquina a su alrededor que ejecutaba UNIX System V, pero luego se descartó a favor de derivados posteriores de 68K. NCD usó el 88100 (sin el 88200) en sus 88K X-Terminals. Dolphin Server, un derivado del moribundo Norsk Data, construyó servidores basados en 88k. Se enviaron alrededor de 100 sistemas durante 1988-1992.

Virtuality usó el MC88110 en la máquina arcade de realidad virtual SU2000 como procesador de gráficos, con un MC88110 por pantalla de cada auricular de realidad virtual.

En el espacio de la computadora integrada, la "Computadora VMS tricanal" en el F-15 S/MTD usó tres 88000 en una computadora triplemente redundante.

Soporte del sistema operativo

Motorola lanzó su propio derivado de UNIX System V, System V/88, para sus sistemas basados en 88000. Hubo dos versiones principales: Versión 3.2 Versión 3 y Versión 4.0 Versión 3. Los sistemas Data General AViiON ejecutaban DG/UX. Existen puertos OpenBSD para los sistemas MVME, las estaciones de trabajo LUNA-88K y los sistemas Data General AViiON. Existe al menos un puerto NetBSD experimental no oficial para los sistemas MVME.