ภาษามีอิทธิพลต่อการออกแบบ CPU อย่างไร [ปิด]

เรามักจะบอกว่าฮาร์ดแวร์ไม่สนใจภาษาที่โปรแกรมเขียนเนื่องจากเห็นเฉพาะรหัสไบนารี่ที่คอมไพล์ แต่นี่ไม่ใช่ความจริงทั้งหมด ยกตัวอย่างเช่นพิจารณา Z80 ผู้ต่ำต้อย ส่วนขยายไปยังชุดคำสั่ง 8080 มีคำแนะนำเช่น CPIR ซึ่งจะเป็นประโยชน์สำหรับการสแกนแบบ C (NULL สิ้นสุด) strlen()สตริงเช่นการดำเนินการ ผู้ออกแบบจะต้องระบุว่าการรันโปรแกรม C (ตรงข้ามกับ Pascal ที่ความยาวของสตริงอยู่ในส่วนหัว) เป็นสิ่งที่การออกแบบของพวกเขาน่าจะใช้ อีกตัวอย่างที่คลาสสิกเป็นเครื่องเสียงกระเพื่อม

มีตัวอย่างอะไรอีกบ้าง? เช่นคำแนะนำจำนวนและประเภทของการลงทะเบียนโหมดการกำหนดแอดเดรสที่ทำให้ตัวประมวลผลเฉพาะสนับสนุนหลักการของภาษาเฉพาะหรือไม่ ฉันสนใจเป็นพิเศษในการแก้ไขครอบครัวเดียวกัน

คำตอบที่มีอยู่เน้นการเปลี่ยนแปลงISA มีการเปลี่ยนแปลงฮาร์ดแวร์อื่น ๆ ด้วย ตัวอย่างเช่น C ++ มักใช้ vtables สำหรับการโทรเสมือน เริ่มต้นด้วย Pentium M Intel มีส่วนประกอบ "การคาดคะเนสาขาโดยอ้อม" ซึ่งเร่งการเรียกฟังก์ชันเสมือน

ชุดคำสั่ง Intel 8086 มีรูปแบบ "ret" ซึ่งเพิ่มค่าให้กับตัวชี้แบบสแต็กหลังจาก popping ที่อยู่ผู้ส่ง สิ่งนี้มีประโยชน์สำหรับการใช้งาน Pascal จำนวนมากที่ผู้เรียกฟังก์ชั่นจะส่งอาร์กิวเมนต์ลงบนสแต็กก่อนที่จะทำการเรียกใช้ฟังก์ชั่นและเปิดออกหลังจากนั้น หากรูทีนยอมรับพารามิเตอร์เช่นสี่ไบต์พารามิเตอร์อาจลงท้ายด้วย "RET 0004" เพื่อล้างสแต็ก ขาดคำสั่งดังกล่าวการประชุมที่เรียกเช่นนี้อาจจำเป็นต้องให้โค้ดปรากฏที่อยู่ผู้ส่งกลับไปที่รีจิสเตอร์อัพเดตตัวชี้สแต็กจากนั้นข้ามไปที่การลงทะเบียนนั้น

น่าสนใจรหัสส่วนใหญ่ (รวมถึงรูทีนระบบปฏิบัติการ) บน Macintosh เดิมใช้หลักการเรียก Pascal แม้จะไม่มีคำสั่งที่อำนวยความสะดวกใน 68000 การใช้การประชุมนี้บันทึกรหัส 2-4 ไบต์ที่ไซต์การโทรทั่วไป แต่จำเป็นต้องมีการเพิ่มเติม โค้ด 4-6 ไบต์ที่ไซต์ส่งคืนของทุกฟังก์ชันที่ใช้พารามิเตอร์

ตัวอย่างหนึ่งคือ MIPS ซึ่งมีทั้งaddและadduสำหรับการดักจับและละเว้นการล้นตามลำดับ (เช่นsubและsubu.) มันต้องการคำสั่งประเภทแรกสำหรับภาษาเช่น Ada (ฉันคิดว่า - ฉันไม่เคยใช้ Ada มาก่อน) ซึ่งจัดการกับ overflow อย่างชัดเจนและประเภทที่สองสำหรับภาษาเช่น C ที่ไม่สนใจ overflows

ถ้าฉันจำได้อย่างถูกต้อง CPU จริงมีวงจรเพิ่มเติมใน ALU เพื่อติดตามการไหลล้น ถ้าภาษาเดียวที่คนใส่ใจคือ C มันคงไม่ต้องการสิ่งนี้

ซีรี่ส์ Burroughs 5000 ได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับ ALGOL อย่างมีประสิทธิภาพและ iAPX-432 ของ Intel ได้รับการออกแบบมาเพื่อดำเนินการ Ada ได้อย่างมีประสิทธิภาพ Inmos Transputer มีภาษาของตัวเอง Occam ฉันคิดว่าโพรเซสเซอร์ Parallax "Propeller" ได้รับการออกแบบให้ตั้งโปรแกรมโดยใช้ตัวแปรพื้นฐานของตัวเอง

ไม่ใช่ภาษา แต่ชุดคำสั่ง VAX-11 มีคำสั่งเดียวในการโหลดบริบทของกระบวนการซึ่งได้รับการออกแบบหลังจากคำขอจากทีมออกแบบ VMS ฉันจำรายละเอียดไม่ได้ แต่ ISTR ใช้คำแนะนำมากมายในการนำไปใช้ซึ่งทำให้มีขีด จำกัด สูงสุดที่ร้ายแรงสำหรับจำนวนกระบวนการที่พวกเขาสามารถกำหนดเวลาได้

สิ่งหนึ่งที่ไม่มีใครพูดถึงก็คือความก้าวหน้าในการเพิ่มประสิทธิภาพคอมไพเลอร์ (ซึ่งภาษาพื้นฐานส่วนใหญ่ไม่เกี่ยวข้อง) ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงจากชุดคำสั่ง CISC (ซึ่งส่วนใหญ่ได้รับการออกแบบให้เข้ารหัสโดยมนุษย์) เป็นชุดคำสั่ง RISC ออกแบบให้เขียนโค้ดโดยคอมไพเลอร์)

ตระกูลโมโตโรล่า 68000 แนะนำที่อยู่autoincrementบางอย่างที่ทำให้การคัดลอกข้อมูลผ่านซีพียูที่มีประสิทธิภาพและมีขนาดกะทัดรัดมาก

[อัปเดตตัวอย่าง]

นี่คือรหัส c ++ บางอย่างที่มีอิทธิพลต่อ 68,000 แอสเซมเบลอร์

while(someCondition)
    destination[destinationOffset++] = source[sourceOffset++]

ดำเนินการในแอสเซมเบลอร์ธรรมดา (pseudocode ฉันลืมคำสั่งแอสเซมเบลอร์ 68000)

adressRegister1 = source
adressRegister2 = destination
while(someCondition) {
    move akku,(adressRegister1)
    move (adressRegister2), akku
    increment(adressRegister1, 1)
    increment(adressRegister2, 1)
}

ด้วยที่อยู่ใหม่มันกลายเป็นสิ่งที่แปลกไป

adressRegister1 = source
adressRegister2 = destination
while(someCondition) {
    move akku,(adressRegister1++)
    move (adressRegister2++), akku
}

เพียงสองคำแนะนำต่อวงแทน 4

ไอบีเอ็มเมนเฟรมซีรีย์ Z เป็นลูกหลานของ IBM 360 จากทศวรรษ 1960

มีคำแนะนำหลายอย่างที่เฉพาะเจาะจงเพื่อเร่งความเร็วโปรแกรมภาษาโคบอลและฟอร์แทรน ตัวอย่างแบบคลาสสิกคือBXLE- "Branch on Index Low Or Equal" ซึ่งส่วนใหญ่ของ Fortran forloop หรือ COBOL PERFORM VARYING x from 1 by 1 until x > nencapsulated ในคำสั่งเดียว

นอกจากนี้ยังมีทั้งครอบครัวของคำแนะนำทศนิยมบรรจุเพื่อรองรับเลขทศนิยมทศนิยมคงที่ทั่วไปในโปรแกรมภาษาโคบอล

ซีพียูรุ่นแรก ๆ ของ Intel มีคุณสมบัติดังต่อไปนี้หลาย ๆ รุ่นนั้นล้าสมัยแล้วในโหมด 64 บิต:

• คำแนะนำสำหรับ ENTER, LEAVE และ RET [คู่มือเริ่มต้นบอกอย่างชัดเจนว่าคำแนะนำเหล่านั้นถูกนำมาใช้กับภาษาที่มีโครงสร้างของบล็อกเช่น Pascal ซึ่งรองรับขั้นตอนซ้อนกัน]
• คำแนะนำสำหรับการเร่งเลขคณิต BCD (AAA, AAM, ฯลฯ ); นอกจากนี้ยังรองรับ BCD ใน x87
• คำแนะนำ JCXZ และ LOOP สำหรับการใช้ลูปที่นับ
• INTO สำหรับการสร้างกับดักทางคณิตศาสตร์มากเกินไป (เช่นใน Ada)
• XLAT สำหรับการค้นหาตาราง
• BOUND สำหรับตรวจสอบขอบเขตของอาร์เรย์

ธงสัญญาณที่พบในการลงทะเบียนสถานะของ CPU จำนวนมากมีอยู่เพื่อให้ดำเนินการทางคณิตศาสตร์ที่ลงนามและไม่ได้ลงนามได้อย่างง่ายดาย

ชุดคำสั่ง SSE 4.1 แนะนำคำแนะนำสำหรับการประมวลผลสตริงทั้งที่ถูกนับและสิ้นสุดด้วยการเป็นศูนย์ (PCMPESTR ฯลฯ )

นอกจากนี้ฉันสามารถจินตนาการได้ว่าคุณสมบัติระดับระบบจำนวนหนึ่งได้รับการออกแบบมาเพื่อสนับสนุนความปลอดภัยของรหัสที่รวบรวม (การตรวจสอบการ จำกัด ส่วนเซ็กเมนต์เรียกใช้เกตส์ด้วยการคัดลอกพารามิเตอร์ ฯลฯ )

โปรเซสเซอร์ ARM บางตัวส่วนใหญ่เป็นอุปกรณ์พกพา ได้แก่ (d) Jazelle extension ซึ่งเป็นล่าม JVM สำหรับฮาร์ดแวร์ มันตีความ Java bytecode โดยตรง Jazelle-JVM ตระหนักถึงสามารถใช้ฮาร์ดแวร์เพื่อเพิ่มความเร็วในการประมวลผลและกำจัด JIT ส่วนใหญ่ แต่ทางเลือกในการใช้ซอฟต์แวร์ VM ยังคงมีอยู่หากไม่สามารถตีความ bytecode บนชิป

โปรเซสเซอร์ที่มีหน่วยดังกล่าวรวมถึงคำสั่ง BXJ ซึ่งทำให้โปรเซสเซอร์อยู่ใน "โหมด Jazelle" พิเศษหรือหากการเปิดใช้งานยูนิตล้มเหลวก็จะถูกตีความว่าเป็นคำสั่งสาขาปกติ หน่วยใช้ ARM รีจิสเตอร์เพื่อเก็บสถานะ JVM

ผู้สืบทอดต่อเทคโนโลยี Jazelle คือThumbEE

เท่าที่ฉันรู้ว่านี่เป็นเรื่องธรรมดาในอดีต

มีคำถามอยู่หลายคำถามที่ James Gosling กล่าวว่ามีคนพยายามทำฮาร์ดแวร์ที่สามารถจัดการกับ JVM bytecode ได้ดีขึ้น แต่จากนั้นคนเหล่านี้จะหาวิธีที่จะทำด้วยสามัญ "intel" intel x86 (อาจจะรวบรวม bytecode อย่างชาญฉลาด)

เขากล่าวว่ามีข้อได้เปรียบในการใช้ชิปยอดนิยมทั่วไป (เช่น intel) เนื่องจากมี บริษัท ขนาดใหญ่ที่ส่งเงินจำนวนมหาศาลไปที่ผลิตภัณฑ์

วิดีโอมีมูลค่าการตรวจสอบ เขาพูดเกี่ยวกับเรื่องนี้ในนาทีที่ 19 หรือ 20

ผมค้นหาหน้าอย่างรวดเร็วและดูเหมือนว่าไม่มีใครได้กล่าวถึง CPU ที่พัฒนาขึ้นโดยเฉพาะการดำเนินการออกมา การเขียนโปรแกรมภาษามาเป็นไปตามสแต็คที่มีขนาดกะทัดรัดและใช้ในระบบการควบคุม

Intel iAPX CPU ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับภาษา OO แม้ว่าจะไม่ได้ผลมากนัก

iAPX 432 ( Intel Processor ขั้นสูงสถาปัตยกรรม ) คือการออกแบบไมโครโปรเซสเซอร์ของอินเทลแรก 32 บิตแนะนำในปี 1981 เป็นชุดของสามวงจรแบบบูรณา มันมีจุดประสงค์เพื่อเป็นการออกแบบที่สำคัญของ Intel สำหรับทศวรรษ 1980 โดยใช้คุณสมบัติมัลติทาสกิ้งขั้นสูงและการจัดการหน่วยความจำจำนวนมาก การออกแบบจึงเรียกว่าMicromainframe ...

iAPX 432 ถูก"ออกแบบมาให้ตั้งโปรแกรมทั้งหมดในภาษาระดับสูง"โดยAdaเป็นอุปกรณ์หลักและรองรับการเขียนโปรแกรมเชิงวัตถุและการเก็บขยะในฮาร์ดแวร์และไมโครโค้ดโดยตรง การสนับสนุนโดยตรงสำหรับโครงสร้างข้อมูลต่างๆนั้นมีวัตถุประสงค์เพื่อให้ระบบปฏิบัติการที่ทันสมัยสำหรับ iAPX 432 สามารถใช้งานได้โดยใช้รหัสโปรแกรมน้อยกว่าโปรเซสเซอร์ทั่วไป คุณสมบัติและคุณสมบัติเหล่านี้ส่งผลให้การออกแบบฮาร์ดแวร์และไมโครโค้ดนั้นซับซ้อนกว่าตัวประมวลผลส่วนใหญ่ในยุคนั้นโดยเฉพาะไมโครโปรเซสเซอร์

ด้วยการใช้เทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ของวันวิศวกรของ Intel ไม่สามารถแปลการออกแบบเป็นการใช้งานครั้งแรกที่มีประสิทธิภาพมาก นอกจากการขาดการปรับให้เหมาะสมในคอมไพเลอร์ Ada ก่อนกำหนดสิ่งนี้มีส่วนทำให้ระบบคอมพิวเตอร์ค่อนข้างช้า แต่มีราคาแพงโดยทำการวัดประสิทธิภาพโดยทั่วไปที่ประมาณ 1/4 ความเร็วของชิป 80286 ใหม่ที่ความถี่สัญญาณนาฬิกาเดียวกัน (ในช่วงต้นปี 1982)

ช่องว่างประสิทธิภาพเริ่มต้นนี้ไปยังโปรไฟล์ที่ค่อนข้างต่ำและราคาต่ำ 8086- สายอาจเป็นเหตุผลหลักว่าทำไมแผนของ Intel ที่จะแทนที่หลัง (ที่รู้จักกันในชื่อ x86) ด้วย iAPX 432 ล้มเหลว แม้ว่าวิศวกรจะเห็นวิธีในการปรับปรุงการออกแบบรุ่นต่อ ๆ ไป แต่สถาปัตยกรรมความสามารถของ iAPX 432 ได้เริ่มได้รับการพิจารณาว่าเป็นค่าใช้จ่ายในการดำเนินการมากกว่าการสนับสนุนที่ทำให้มันง่ายขึ้น

โครงการ iAPX 432 เป็นความล้มเหลวในเชิงพาณิชย์สำหรับ Intel ...

68000 นั้นมี MOVEM ซึ่งเหมาะสมที่สุดในการผลักดันการลงทะเบียนหลายครั้งบนสแต็กในคำสั่งเดียวซึ่งเป็นสิ่งที่หลายภาษาคาดหวัง

หากคุณเห็น MOVEM (MOVE หลายรายการ) นำหน้า JSR (Jump SubRoutine) ตลอดทั้งรหัสคุณจะรู้ว่าคุณกำลังจัดการกับรหัสที่เป็นไปตาม C

อนุญาตให้ MOVEM เพิ่มการลงทะเบียนปลายทางอัตโนมัติโดยอนุญาตให้ใช้งานแต่ละครั้งเพื่อดำเนินการซ้อนต่อบนปลายทางหรือลบออกจากสแต็คในกรณีที่มีการลดลงอัตโนมัติ

http://68k.hax.com/MOVEM

สถาปัตยกรรม AVR ของ Atmel ได้รับการออกแบบมาอย่างสมบูรณ์ตั้งแต่พื้นดินขึ้นไปจนถึงเหมาะสำหรับการเขียนโปรแกรมใน C ตัวอย่างเช่นบันทึกย่อของแอปพลิเคชันนี้จะอธิบายเพิ่มเติม

IMO นี้เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับคำตอบที่ยอดเยี่ยมของ rockets4kids โดย PIC16-s รุ่นแรกได้รับการพัฒนาสำหรับการเขียนโปรแกรมแอสเซมเบลอร์โดยตรง (รวมคำสั่งทั้งหมด 40 คำสั่ง) โดยมีครอบครัวเป้าหมายรุ่นต่อมา C

เมื่อตัวประมวลผลร่วมตัวเลข 8087 ได้รับการออกแบบมันเป็นเรื่องธรรมดาสำหรับภาษาที่จะทำการคำนวณทางคณิตศาสตร์ทั้งหมดโดยใช้ชนิดความแม่นยำสูงสุดและปัดผลลัพธ์เป็นความแม่นยำต่ำเมื่อกำหนดให้กับตัวแปรความแม่นยำต่ำ ในมาตรฐาน C ดั้งเดิมตัวอย่างเช่นลำดับ:

float a = 16777216, b = 0.125, c = -16777216;
float d = a+b+c;

จะส่งเสริมaและbเพื่อdoubleเพิ่มพวกเขาส่งเสริมcการdoubleเพิ่มและจากนั้นเก็บผลการปัดเศษให้floatเป็น แม้ว่ามันจะเร็วขึ้นในหลาย ๆ กรณีสำหรับคอมไพเลอร์เพื่อสร้างรหัสที่จะดำเนินการโดยตรงกับประเภทfloatแต่มันง่ายกว่าที่จะมีชุดของจุดลอยตัวซึ่งจะทำงานเฉพาะกับประเภทdoubleพร้อมกับรูทีนการแปลงเป็น / จากfloatกว่าที่จะมีชุดเฉพาะกิจการของการปฏิบัติในการจัดการการดำเนินงานและfloat double8087 ได้รับการออกแบบโดยใช้วิธีการทางคณิตศาสตร์เพื่อทำการคำนวณทางคณิตศาสตร์ทั้งหมดโดยใช้ชนิดจุดลอยตัว 80 บิต [80 บิตอาจถูกเลือกเพราะ:

1. สำหรับโปรเซสเซอร์ 16- และ 32 บิตหลายตัวมันจะเร็วกว่าในการทำงานกับแมนทิสซา 64 บิตและเลขชี้กำลังแยกต่างหากแทนที่จะทำงานกับค่าซึ่งแบ่งไบต์ระหว่างแมนทิสซาและเลขชี้กำลัง

2. เป็นการยากมากที่จะทำการคำนวณซึ่งแม่นยำกับความแม่นยำเต็มรูปแบบของประเภทตัวเลขที่ใช้ ถ้าใครพยายามคำนวณเช่น log10 (x) มันง่ายกว่าและเร็วกว่าในการคำนวณผลลัพธ์ที่แม่นยำภายใน 100ulp ของประเภท 80 บิตแทนที่จะคำนวณผลลัพธ์ที่แม่นยำภายใน 1ulp ของ 64- บิต ประเภทและการปัดเศษผลลัพธ์ก่อนหน้าเป็นความแม่นยำ 64 บิตจะให้ค่า 64- บิตซึ่งมีความแม่นยำมากกว่าหลัง

น่าเสียดายที่เวอร์ชันในอนาคตของภาษาได้เปลี่ยนความหมายของการทำงานของประเภทจุดลอยตัว ในขณะที่ความหมาย 8087 น่าจะดีมากหากภาษารองรับภาษาอย่างสม่ำเสมอหากฟังก์ชัน f1 (), f2 () และอื่น ๆ กลับมาประเภทfloatผู้เขียนคอมไพเลอร์จำนวนมากจะใช้มันเพื่อสร้างlong doubleนามแฝงสำหรับประเภท 64- บิตคู่ แทนที่จะเป็นประเภท 80- บิตของคอมไพเลอร์ (และไม่มีวิธีการอื่นในการสร้างตัวแปร 80 บิต) และเพื่อประเมินสิ่งที่ชอบโดยพลการ:

double f = f1()*f2() - f3()*f4();

ด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งต่อไปนี้:

double f = (float)(f1()*f2()) - (extended_double)f3()*f4();
double f = (extended_double)f1()*f2() - (float)(f3()*f4());
double f = (float)(f1()*f2()) - (float)(f3()*f4());
double f = (extended_double)f1()*f2() - (extended_double)f3()*f4();

โปรดทราบว่าถ้า f3 และ f4 คืนค่าเช่นเดียวกับ f1 และ f2 ตามลำดับนิพจน์ดั้งเดิมควรกลับศูนย์อย่างชัดเจน แต่นิพจน์หลังส่วนใหญ่อาจไม่ สิ่งนี้นำไปสู่การประณามคนที่ "แม่นยำพิเศษ" ของ 8087 แม้ว่าสูตรสุดท้ายโดยทั่วไปจะดีกว่าที่สามและ - ด้วยรหัสที่ใช้ประเภทสองขยายอย่างเหมาะสม - จะไม่ค่อยด้อยกว่า

ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา Intel ได้ตอบสนองต่อแนวโน้มของภาษา (IMHO โชคร้าย) ในการบังคับให้ผลลัพธ์ระดับกลางกลมกลืนกับความแม่นยำของตัวถูกดำเนินการโดยการออกแบบตัวประมวลผลในภายหลังเพื่อที่จะสนับสนุนพฤติกรรมดังกล่าว ความแม่นยำในการคำนวณระดับกลาง