Восьмого октября сего года ушёл из жизни Деннис Ритчи – человек, которого весь мир знал как создателя языка программирования С и соавтора операционной системы Unix.
Вклад, который внёс этот компьютерный гений в облик нынешнего мира цифровых вычислений, трудно переоценить. Язык С, выросший из исследовательских проектов Ритчи, сегодня используется в качестве инструмента для создания кода ядер большинства операционных систем, а его синтаксические и семантические отголоски в той или иной степени присутствуют во многих языках программирования.
Появление же произвело настоящую революцию в программистских умах, сделав возможным написание программ с помощью весьма простых и элегантных правил процедурного программирования, совмещенных со свежепредложенной Эдсгером Дейкстрой структурной методологией создания программ.
Конечно, программисты были влюблены в этот инструмент создания программ, представленный С и его последователями. А вот с исполнением полученного кода на конкретном "железе" всё было далеко не так гладко. Перефразируя поэта, можно сказать: "Любовная лодка эффективности языка программирования разбилась о быт процессорных архитектур". В чём же крылась причина этого кораблекрушения?
Вспомним в общих чертах, как процессор выполняет программу. Все необходимые для работы программы компоненты, а именно код и данные, располагаются в определённом адресном пространстве оперативной памяти. Процессоры, как правило, избегают обращаться к оперативной памяти напрямую, поскольку считается, что это сильно замедляет их работу. Поэтому в состав процессора входит специальный модуль вызова команд, который занимается выборкой инструкций программы из оперативной памяти и передаёт найденные инструкции исполнительному устройству процессора. В подавляющем большинстве случаев модуль вызова команды размещает найденную инструкцию и данные для обработки в специальные регистры процессора, к которым имеет доступ исполнительное устройство.
Процессоры с традиционной архитектурой хранят инструкции и данные в регистрах
Фактически процессор классической архитектуры (неважно, CISC или RISC) общается только с этими регистрами, знать не зная о том, что же происходит в памяти. Конечно же, у такой схемы обработки есть варианты. Например, регистры могут быть заменены или дополнены аппаратно реализованным пулом в виде очереди FIFO или же специальной кэш-памятью. Эти изменения и дополнения позволяют модулю вызова команды осуществлять предварительную выборку сразу нескольких инструкций, подыгрывая суперскалярности исполнительного устройства. Однако регистровая суть работы процессора при этом не меняется.
Беда же заключается в том, что языки программирования высокого уровня, подобные С (ассемблеры, вплотную приближенные к архитектуре процессора, не в счёт), создавая программу, используют совершенно другую методологию. Они размещают необходимые программе локальные переменные и иные структуры, необходимые для выполнения основной ветви программы и вызываемых из неё процедур, в области памяти, называемой "стек". Стек устроен по принципу оружейного магазина и на своей вершине содержит наиболее актуальные в данный момент данные.
Одним словом, стековая идиллия программ, которую создаёт компилятор, сталкивается с суровыми регистровыми буднями реальных процессорных архитектур. В этом не было бы ничего страшного, если бы не вызовы процедур.
В больших программных проектах достаточной редкостью является наличие одной линейно развивающейся ветви выполнения программы. То и дело её течение приостанавливается, чтобы вызвать какую-либо подпрограмму. А это значит, что информация о последней инструкции и данных основной ветви, хранящаяся в регистрах процессора, должна быть заменена на инструкции и данные вызываемой процедуры.
А если процедур много и вызываются они довольно часто? Нетрудно догадаться, кто в этом случае работает больше, модуль вызова команды или исполнительное устройство процессора. Вот и выходит, что в реальности архитектура процессора, основанная на регистрах, буксует при выполнении сложных программ с кучей процедур.
Именно об этой нестыковке и задумался коллектив исследователей (в его состав входил и Деннис Ритчи, и другие сотрудники Bell Labs), разрабатывая С-машину – гипотетическую безрегистровую процессорную архитектуру, оптимизированную для выполнения С-программ со множеством процедур и стековой организацией хранения данных.
К разработке С-машины учёные подошли основательно. Предварительно была выполнена трассировка исполнения разных типов С-программ, позволившая собрать уникальную статистику, связанную с обращением к памяти и вызовом процедур. Кстати, позже эта статистика "стрельнула" в проекте виртуальной памяти, без которой немыслимо нынешнее поколение операционных систем.
Приступая к разработке С-машины, исследователи провели трассировку десятков С-программ
Согласно идеологии С-машины, инструкции программы получали доступ к необходимым им данным так, как это задумывалось компилятором языка С, то есть непосредственно обращаясь к находящимся в памяти стекам программы и её процедур и, например, таким элементам, как массивы. Такое неэффективное с точки зрения скорости доступа решение на практике оказывалось более продуктивным, чем постоянное перезаписывание более шустрых регистров.
В основе архитектуры С-машины лежит использование специальной кэш-памяти для отображения в ней стека программы
Кроме улучшения производительности, С-машина позволяла получать более компактный код, поскольку в ней не было потребности определять расположение данных необходимых текущей инструкции. По умолчанию они находились в вершине стека. Повышенная плотность кода означала ещё и сокращение трафика в шине данных, что опять же положительно сказывалось на производительности исполнения программы.
Проект С-машины стал активно развиваться в начале восьмидесятых годов прошлого столетия. Возможно, он так и остался бы эдакой игрой разума, если бы не "железные" амбиции компании AT&T, в недрах которой появился язык С и операционная система Unix.
Архитектура CRISP. С-машина в "железном" исполнении
Восьмидесятые годы прошлого столетия были настоящим Клондайком для разработчиков микропроцессоров. Твори, выдумывай, пробуй! Трудись в поте лица и не забывай скрестить пальцы "на удачу". Глядишь, баловница Судьба и подбросит тебе самородок в виде признания рынком именно твоей процессорной архитектуры.
Именно поэтому в процессорной гонке принимала участие и до мозга костей коммуникационная компания AT&T. Её исследовательский центр Bell Labs заслуженно считался кузницей гениальных идей и решений. Именно там получили путёвку в жизнь забытые ныне AT&T-процессоры.
Как и большинство компаний, AT&T начинала с четырёх и восьмиразрядных CISC-процессоров. Первым процессором, разработанным Bell Labs, был Mac-8 – восьмиразрядный процессор общего назначения, представленный 17 февраля 1977 года. В отличие от большинства конкурентов (например, Intel), использовавших для производства технологию NMOS, AT&T в содержащем всего 7500 транзисторов процессоре, MAC-8 применила более сложную для того времени, но эффективную технологию CMOS.
Процессор Mac-8 не нашёл признания на массовом рынке, но широко использовался в коммуникационном оборудовании, выпускаемом AT&T. И именно в нём проклюнулись первые ростки С-машины. Уникальной особенностью Mac-8 была возможность прямого отображения его регистров на адреса оперативной памяти и зачатки оптимизации процессорной архитектуры под особенности языка С.
Наследником Mac-8 стал процессор BellMac-32, который AT&T решила пустить в серию. Этот тридцатидвухразрядный процессор содержал сто пятьдесят тысяч транзисторов и имел в своём составе модуль управления памятью (MMU – Memory Management Unit). В модификации BellMac-32B, которая вышла на рынок под именем WE32100, впервые в истории микропроцессров на микросхему была интегрирована кэш-память на 256 команд.
Дэйв Дитцель
И именно этот процессор послужил прототипом для создания "железной" реализации С-машины – архитектуры CRISP (C-language Redused Instruction Set Computing). Закоперщиком стал инженер Дэйв Дитцель (Dave Ditzel). Его энтузиазм помог убедить коллег в перспективности не очень популярной в то время RISC-архитектуры применительно к идеям С-машины.
В период с 1983 по 1985 группа Дитцеля разработала фотолитографические матрицы первого варианта CRISP-процессора исключительно для исследовательских целей. В 1986 году CRISP был реализован в кремнии. Среди его уникальных особенностей были функция предсказания ветвлений и способность осуществлять ветвление одновременно с исполнением другой инструкции. Как и положено RISC-процессору, прототип CRISP выполнял большинство инструкций за один такт и, конечно же, в лучших традициях С-машины содержал специальную кэш-память для стека программы.
