Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 92

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.

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.

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.

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.

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.

Эксперименты с лабораторными вариантами CRISP показали, что, выигрывая в производительности, CRISP-аритектура была весьма энергоэкономичной.

Дитцель начал активно искать пути внедрения своей разработки. Первой откликнулась… компания Apple.

В 1988 году Apple, впечатлённая разрекламированными Дитцелем результатами тестирования прототипа CRISP-процессора, официально заказала AT&T партию этих микросхем. В недрах «яблочной компании» вызревал легендарный Newton — устройство, которое можно считать предшественником карманных компьютеров и даже современных планшетов. Именно в нём предполагалось использовать процессор CRISP.

Два года потребовалось команде Дэйва Дитцеля, чтобы наладить промышленное производство CRISP. Результат был назван Hobbit. Вероятнее всего, потому, что в сравнении с CISC-процессорами RISC-микросхемы казались полуросликами. К тому же Hobbit даже среди RISC-собратьев был странным С-говорящим созданием.

Полурослик содержал 413 000 транзисторов, размещённых на площади 95 квадратных миллиметров. Для его производства использовалась самая прогрессивная в то время 0,9 микронная технология. Идеология С-машины, на которой базировалась логика работы Hobbit, обеспечивала достаточно высокую производительность и беспрецедентно низкое энергопотребление.

Первая модель нового процессора официально именовалась AT&T 92010 и содержала три килобайта кэш-памяти для инструкций. В её модификации 92020, выпущенной в 1994 году, кэш был увеличен до четырёх килобайт. Вместе с процессором общего назначения AT&T выпустила и обвязку: контроллер дисплея и периферийного оборудования (клавиатура, мышь, коммуникационные порты) и контроллер карт расширения PCMCIA.