DEC Alpha

DEC Alpha Microprocessador
DEC Alpha AXP 21064
Produzido em:	1992 até o presente
Fabricante:	Digital Equipment Corporation

O DEC Alpha, também conhecido como Alpha AXP, é um microprocessador de 64 bit construído na arquitetura RISC. Ele foi desenvolvido pela Digital Equipment Corporation (DEC).

Suporta os seguintes Sistemas Operacionais: OpenVMS (conhecido como OpenVMS AXP), Tru64 UNIX(Conhecido como DEC OSF/1 AXP e Digital UNIX), Windows NT (que usava uma camada de emulação de 32 bits, que posteriormente foi descontinuado pelo 4.0 SP6 e o Windows 2000RC1), Linux (Debian GNU/Linux, SUSE Linux, Gentoo Linux e Red Hat Linux), BSD UNIX (NetBSD, OpenBSD e FreeBSD até 6.x), Plan 9 from Bell Labs, e também o kernel L4Ka::Pistachio.

História

A empresa que procurava um sucessor para seu processador VAX que era de 32 bits, começou um projeto RISC com nome de "Prisma" no ano de 1980. Com a finalidade de oferecer aos usuário um microcódigo programavel que ficou conhecido como Epicode, juntamente com um SO chamado "Esmeralda", o qual executava programas do VMS. Mas o projeto prisma logo foi cancelado porque computadores VAX ainda estavam sendo vendidos e com isso a equipe achava que VAX teria um futuro promissor.

Entre 1980 e nos primeiros anos da década de 90, processadores RISC com arquitetura MPIS e Sparc se tornaram populares por oferecer uma melhor relação entre custo/desempenho comparado com os sistemas VAX, e então a DEC decidiu criar um processador RISC que seria o sucessor do VAX, com base nos conceitos do projeto PRISMA, os responsáveis pelo novo projeto foram Richard L. Sites e Richard T. Witek, algumas características do PRISMA foram alteradas para atender alguns novos objetivos do Alpha, como por exemplo, o reajuste para que programas VMS pudessem rodar em uma velocidade razoável sem sofrer conversão e o novo design foi para uma atualização que passou de 32 bits do prisma para 64 bits, porque iria acabar os bits das arquiteturas de 32bits. Na criação de uma nova arquitetura foi levado em conta alguns objetivos como, alta performance, longevidade, capacidade de executar sistemas operacionais UNIX e VMS tendo uma migração fácil de arquiteturas VAX e MIPS, todos esses objetivos influenciaram na concepção do projeto.

Somente em meados da década de 1990 os processadores receberam o nome de "Alpha", pois originalmente eram designados como a série DECchip 21 x 64, onde os dois primeiros dígitos "21" significa o século XXI e os dígitos "64" vem de 64 bits. Também eram identificados por número de EV (que seria uma abreviação formal de "Extended VAX" ou também tendo um significado humorístico de "Electric Vlasic" que homenageia o experimento elétrico picles no Western Research Lab).

Em 1996 a produção dos chips foi licenciada para Samsung Electronics Company. Após a aquisição da Digital pela Compaq, a maioria dos produtos alpha foram colocados como API NetWorks Inc, sendo uma empresa privada financiada pela Samsung e Compaq.

Em outubro de 2001, MicroWay tornou-se a vendedora e prestadora de serviços da linha de produtos baseado em Alpha NetWorks API.

Em 2001 a Compaq anunciou que Alpha poderia ser extinto até 2004 em favor ao Itanium da Intel, vendendo toda propriedade do Alpha para a Intel. No mesmo ano, HP como nova proprietária da Compaq anunciou que continuaria com a produção por mais alguns anos.

Arquitetura Alpha

Como um dos principais objetivos do projeto era longevidade e alta performance foi definido que o processador teria uma arquitetura de 64 bits, pois as arquiteturas que existiam na época ainda eram de 32 bits, sendo esse um dos principais pontos onde o Alpha se diferenciava das demais. Outro fato importante em que Alpha se destacou em relação aos concorrentes foi a técnica de múltiplas instruções, como não é possível acelerar um ciclo de clock, era necessário aumentar o trabalho que deve ser feito por um ciclo de clock, implementando cerca de 10 novas instruções por ciclo.

Processador RISC com 64 bits, executava instruções de comprimento fixo de 32 bits cada, possui 32 registradores de inteiro e 32 registradores de ponto flutuante.

5 grupos foram criados para simplificar e facilitar ações pepiling no conjunto de instruções:

Arquitetura Alpha 21064

• Instruções de inteiro – São instruções de aritmética, comparação e lógica, que envolvem soma, subtração e multiplicação de números inteiros;
• Instruções de ponto flutuante – são as instruções convencionais encontradas em arquiteturas RISC e possuem operações adicionais para mesclar operações de sinal/expoente;
• Instruções Branch – São testes condicionais como positivo ou negativo, par ou ímpar, igual ou não a zero.;
• Instruções Load/Store – Realizam operações entre registradores;
• PALcode instruções – É um conjunto de sub-rotinas, sendo específico para o sistema operacional, as sub-rotinas são utilizadas no contexto de comutação, interrupções de exceções e gerenciamento de memória. As sub-rotinas são chamadas pelo hardware ou por instruções de CALL_PAL, PALcode somente é executado em PALmode, um modo privilegiado que acaba com alguns eventos do sistema permitindo o controle completo do PALcode do sistema físico do hardware.

A arquitetura foi projetada para sistemas multiprocessadores. Sua primeira versão executava dois comandos em unidades diferentes, em versões posteriores de 7 a 13 estágios de pipeline são processadas, dependendo da UC e a geração do processador.

A arquitetura alpha não possui branch delay slots, instruções suppressed e instruções byte load/store (mais tardes adicionadas com BWX), porque seu objetivo principal era ter um alto desempenho suportando um aumento de 1 milhão de vezes no desempenho por 25 anos.

O cache L1 foi integrado: 8Kb para instruções (I-cache, cache de instrução), mapeamento-direto (uma linha na cache deve ser armazenada em um lugar específico, o qual depende do seu índice), também de 8Kb para dados (D-cache, cache de dados), mapeamento-direto e write-through (é uma politica de escrita, onde cada escrita é imediatamente repetida na memória principal). Latência de leitura de D-cache foi 3 ciclos.

Especificações da arquitetura

Registradores

registradores DEC Alpha

63 . . . 47 . . . 31 . . . 15 . . . 01 00 (posição do bit) Registradores Gerais R0 R0 R1 R1 R2 R2 • • • R29 R29 R30 R30 R31 (zero) R31, sempre zero Registradores de Ponto-Flutuante F0 F0 F1 F1 F2 F2 • • • F29 F29 F30 F30 F31 (zero) F31, sempre zero Program Counter PC 0 0 Program Counter Registradores de Controle LR0 Lock Register 0 LR1 Lock Register 1 FPCR FP Control Register

O conjunto de registradores foi definido sendo, 32 registradores de inteiros, 32 de ponto flutuante, 1 contador chamado de PC (program counter), 2 registradores de fechamento chamados LR0 e LR1, também um registrador FPCR (floating-point control register) para controle de ponto flutuante. Os registradores de inteiros receberam os nomes de R0 até R31, os de ponto flutuante de F0 até F31, sendo os registradores R31 e F31 sempre zeros (hardwired) e a escrita nestes registradores era ignorada. O registrador PC (Program Counter) é de 64 bits e contém o endereço da próxima instrução quando uma instrução é decodificada, incrementando ao seu valor atual. Os registradores LR0 e LR1 são usados pelas instruções de load e store/condicional para suporte a multiprocessadores.

O registrador FPCR (registrador para controle de ponto flutuante) é usado para implementações do Alpha em hardware compatível com IEEE 754.

Formato de dados

Por ser uma arquitetura load/store todas as operações são realizadas entre registradores. Com registradores de 64 bits, sendo 32 de inteiros e 32 de ponto flutuante. Os tipos de inteiros suportados são Longword (32-bit) e quadword (64-bit) e também suporta 4 tipos de ponto flutuante, que são eles: IEEE single (32-bits), IEEE double (64-bits), VAX F-float e VAX G-float, estes dois últimos foram incluídos para manter a compatibilidade com o VAX.

1 byte	8 bits
Palavra	16 bits
Código	32 bits
Quadword	64 bits
Octaword	128 bits

Formato de instrução

Todas as instruções são de 32 bits, todos tem um código de operando (Opcode) de 6 bits.

Cada um dos tipos será especificado logo abaixo da tabela:

31	30	29	28	27	26	25	24	23	22	21	20	19	18	17	16	15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0	Tipo
Opcode						Ra					Rb					Unused			0	Function							Rc					Integer operate
Opcode						Ra					Literal								1	Function							Rc					Integer operate, literal
Opcode						Ra					Rb					Function											Rc					Floating-point operate
Opcode						Ra					Rb					Displacement																Memory format
Opcode						Ra					Displacement																					Branch format
Opcode						Function																										CALL_PAL format

O formato Integer operate é usado por instruções de inteiro, o primeiro campo possui 6 bits e contém o opcode da instrução, o próximo campo é definido como Ra que específica o registrador que contém o primeiro operando e o Rb específica o segundo operando. Logo após um campo com 3 bits não é utilizado ficando reservado. Em seguida 1 bit contendo o valor "0" para distinguir do formato tipo de número inteiro literal. O campo function é definido com 7 bits e usado para especificar uma operação. Por último o campo Rc específica que o resultado do cálculo deve ser escrito.

O formato integer literal é similar ao integer operate, o que diferencia é o campo Rb e o unosed, ambos não existem, em vez disso este espaço é usado pelo número literal formando um campo de 8 bits, que é a grande diferença entre os dois formatos. Este formato é usado quando um dos operando é um número literal. O campo com 1 bit de espaço passa a ser definido pelo valor "1".

O formato floating-point operate também é similar ao integer operate, suas particularidades esta no campo function que utiliza um espaço de 11 bits onde é possível utilizar o campo literal (antes usado no formato integer literal) e o campo unused (usado no formato integer operate).

O formato memory é usado principalmente por instruções de Load/Store. Consiste em um campo de 6 bits para o opcode (como os demais), campo Ra com 5 bits e um campo displacement para deslocamento com 16 bits.

O formato branch possui apenas um campo para o opcode (6 bits), um campo Ra (5 bits) e um campo displacement (21 bits). No campo Ra é feito um teste em instruções de desvio condicional, se a condição por atendida o PC é atualizado, adicionando o conteúdo do campo displacement com o valor do PC (program counter). Se o valor do campo displacement for positivo, o PC é incrementado, mas se o valor do campo displacement for negativo o PC é decrementado, ambos se o desvio (branch) ocorrer.

O formato CALL_PAL é usado apenas pela instrução CALL_PALL que por sua vez é usada para chamar sub-rotinas PALcode. Este formato possui apenas dois campos, sendo eles, o opcode (6 bits) e o function (26 bits) que contém um número inteiro especificando uma sub-rotina PAL.

Memória

O processador Alpha possui um endereço de memória virtual de 64 bits sem segmentação de memória, podendo ser implementado no mínimo 43 bits. Mesmo não utilizando todos os bits possíveis como por exemplo TLBs, é necessário implementar para verificação dos bits iguais a zero para garantir a compatibilidade do software que implementarem um espaço maior ou o espaço completo de endereços virtuais.

Principais Modelos

A primeira versão do processador (1992) foi o Alpha 21064 ou EV4, sendo o primeiro microprocessador CMOS, rodava em 192 MHz e meses depois chegou a rodar em 200 MHz, com design superescalar e superpipelined.

A segunda versão, 21164 ou EV5 (1995), foi o primeiro a introduzir uma grande cache secundária no chip, com frequência de até 333 MHz, 500 MHz em 1996 e em 1998 chegou a velocidade de 666 MHz.

A terceira versão,21264 ou EV6 (1998),com 450 MHz, foi a primeira a combinar alta frequência operacional e a micro-arquitetura de execução fora de ordem. Em 2001 foi lançado o 21264C/EV68CB com frequência de 1,25 GHz

O controlador de memória no chip foi implementado pela primeira vez na quarta versão do processador, 21364 ou EV7 (2003).

A versão 21464 ou EV8 teria sido a primeira a incluir multithreading simultâneo, mas esta versão não foi produzida porque a empresa DEC foi vendida para a Compaq. Como última versão que ficou conhecido apenas pelo projeto de pesquisa, EV9, teria sido o primeiro processador a possuir uma unidade de vetor.

Model	Model number	Year	Frequency [MHz]	Process [µm]	Transistors [millions]	Die size [mm2]	IO Pins	Power [W]	Voltage	Dcache [KB]	Icache [KB]	Scache	Bcache	ISA
EV4	21064	1992	100–200	0.75	1.68	234	290	30	3.3	8	8	–	128 KB–16 MB
EV4S	21064	1993	100–200	0.675	1.68	186	290	27	3.3	8	8	–	128 KB–16 MB
EV45	21064A	1994	200–300	0.5	2.85	164		33	3.3	16	16	–	256 KB–16 MB
LCA4	21066	1993	100–166	0.675	1.75	209		21	3.3	8	8	–
LCA4	21068	1994	66	0.675	1.75	209		9	3.3	8	8	–
LCA45	21066A	1994	100–266	0.5	1.8	161		23	3.3	8	8	–
LCA45	21068A	1994	100	0.5	1.8	161			3.3	8	8	–
EV5	21164	1995	266–500	0.5	9.3	299	296	56	3.3/2.5	8	8	96 KB	Up to 64 MB	R
EV56	21164A	1996	366–666	0.35	9.66	209		31–55	3.3/2.5	8	8	96 KB	Up to 64 MB	R,B
PCA56	21164PC	1997	400–533	0.35	3.5	141	264	26–35	3.3/2.5	8	16	–	512 KB–4 MB	R,B,M
PCA57	21164PC		600–666	0.28	5.7	101	283	18–23	2.5/2.0	16	32	–	512 KB–4 MB	R,B,M
EV6	1998	450–600	0.35	15.2	314	389	73	2.0	64	64	–	2–8 MB	R,B,M,F
EV67	21264A	1999	600–750	0.25	15.2	210	389		2.0	64	64	–	2–8 MB	R,B,M,F,C
EV68AL	21264B	2001	800–833	0.18	15.2	125			1.7	64	64	–	2–8 MB	R,B,M,F,C,T
EV68CB	21264C	2001	1000–1250	0.18	15.2	125		65–75	1.65	64	64	–	2–8 MB	R,B,M,F,C,T
EV68CX	21264D								1.65	64	64	–	2–8 MB	R,B,M,F,C,T
EV7	21364	2003	1000–1150	0.18	130	397		125	1.5	64	64	1.75 MB	–	R,B,M,F,C,T
EV7z	21364	2004	1300	0.18	130	397		125	1.5	64	64	1.75 MB	–	R,B,M,F,C,T
Cancelled
EV78/EV79	21364A	Slated for 2004	1700	0.13	152	300		120	1.2	64	64	1.75 MB	–	R,B,M,F,C,T
EV8	21464	Slated for 2003	1200–2000	0.125	250	420	1800	??	1.2	64	64	3 MB	–	R,B,M,F,C,T
Model	Model number	Year	Frequency [MHz]	Process [µm]	Transistors [millions]	Die size [mm²]	IO Pins	Power [W]	Voltage	Dcache [KB]	Icache [KB]	Scache	Bcache	ISA

Legenda de extensões ISA:

R - Suporte a hardware para o arrendodamento para maior que zero e menores que zero;

B - BWX, extensão de "Byte/Word", instruções que permitem operações de 8 bits e 16 bits e memória e i/o;

M - MVI, instruções de "multimedia";

F - Instruções para mover dados entre inteiros e registradores de ponto flutuante.

C - CIX, contagem

T - melhorar o desempenho da primeira tentativa de adquirir um bloqueio;

Principais Diferenças

O projeto Alpha possui algumas diferenças comparando com outros processadores RISC convencionais, como principal diferença é que o projeto Alpha foi desenvolvido como uma arquitetura de 64 bits com um número mínimo de instruções de 32 bits, já outras arquiteturas RISC eram inicialmente de 32 bits e somente mais tarde foram ampliadas.

Outra diferença significativa está no fato de que o Alpha foi projetado para permitir implementações de velocidade muito alta, onde as instruções são muito simples, as quais não possuem load de 4 registradores e realiza a verificação de bytes iguais a zero. O Alpha não tem nenhum registrador especial que impeça o pipelining de realizar várias operações. Todas as instruções interagem umas com as outras somente por uma instrução de escrita num registrador ou por memória e também uma leitura no mesmo lugar, com isso ficou fácil de criar implementações que emitissem várias instruções por ciclo de clock.

Alpha também não é convencional na abordagem á traps (overflow, underflow, etc.), onde estas são imprecisas. Podem ocorrer várias instruções depois da instrução que disparou a trap e ao mesmo tempo, traps de muitas instruções diferentes podem ser reportadas. Outro aspecto que diferencia esta arquitetura é na abordagem da memória compartilhada entre vários processadores, onde a partir de um segundo processador, uma sequência de leituras e escritas emitidas por um processador podem ser reordenados por uma implementação. Há uma série de dicas para implementações que a arquitetura Alpha disponibiliza, como por exemplo, dicas de pré-busca para o sistema de memória que pode permitir que a taxa de acerto na cache (hit) seja maior, dicas de mapeamento de endereço virtual permitindo um uso mais eficaz para grandes estruturas contíguas.

Outro aspecto que torna a arquitetura especialmente atraente para sistemas operacionais é a biblioteca chamada PALcalls sendo muito flexível pois permite a execução de recursos do VAX, VMS, MIPS e NT OSF/1, existe também uma versão da biblioteca para ensino de sistemas em tempo real, onde os processadores convencionais não são permitidos.

Extensões

Byte-Word Extensions (BMX)

Este conjunto de instruções foi introduzido a partir do microprocessador 21164A (EV56), sua funcionalidade é de manipular tipos de dados de 8bits e 16bits, sua principal vantagem foi o fato de que antes de sua implementação existiam várias instruções para realizar a mesma implementação, assim melhorando a densidade do código e também influenciava no desempenho de aplicativos. Outro ponto positivo foi a facilidade com que era feita a emulação de máquinas x86 com o auxilio do BMX.

Instrução	Descrição
LDBU	Load Zero-Extended Byte from Memory to Register
LDWU	Load Zero-Extended Word from Memory to Register
SEXTB	Sign Extend Byte
SEXTW	Sign Extend Word
STB	Store Byte from Register to Memory
STW	Store Word from Register to Memory

Motion Video Instructions (MVI)

Os processadores 21164PC (PCA56 e PCA57), 21264 (EV6) e o 21364 (EV7) foram os pioneiros na implementação das instruções MVI, adicionando instruções SIMD (Simple Instruction Multiple Data). Foi um conjunto de instruções simples, que era composto por instruções que operavam em tipos de dados inteiros, armazenando em registradores de inteiros. Teve como objetivo dois fatores que contribuíram para sua simplicidade, onde a decodificação de DVD era realizada por software, assim não requeria contribuição do hardware, no processador 21164. Outro fator foi a exigência de manter o propósito inicial do projeto que era de manter os ciclos de clock com alto desempenho, onde se fossem adicionadas muitas instruções reduziria a frequência de um ciclo.

Instrução	Descrição
MAXSB8	Vector Signed Byte Maximum
MAXSW4	Vector Signed Word Maximum
MAXUB8	Vector Unsigned Byte Maximum
MAXUW4	Vector Unsigned Word Maximum
MINSB8	Vector Signed Byte Minimum
MINSW4	Vector Signed Word Minimum
MINUB8	Vector Unsigned Byte Minimum
MINUW4	Vector Unsigned Word Minimum
PERR	Pixel Error
PKLB	Pack Longwords to Bytes
PKWB	Pack Words to Bytes
UNPKBL	Unpack Bytes to Longwords
UNPKBW	Unpack Bytes to Words

Floating-Point Extensions (FIX)

O primeiro processador a utilizar foi o Alpha 21264 (EV6), foi responsável por introduzir nove instruções entre raiz quadrada e para transferência de dados entre registradores inteiros e de ponto flutuante.

Instrução	Descrição
FTOIS	Floating-point to Integer Register Move, S_floating
FTOIT	Floating-point to Integer Register Move, T_floating
ITOFF	Integer to Floating-point Register Move, F_floating
ITOFS	Integer to Floating-point Register Move, S_floating
ITOFT	Integer to Floating-point Register Move, T_floating
SQRTF	Square root F_floating
SQRTG	Square root G_floating
SQRTS	Square root S_floating
SQRTT	Square root T_floating

Count Extensions (CIX)

O primeiro a utilizar foi o Alpha 21264A (EV67), o conjunto era composto por três instruções para a contagem de bits, as quais foram categorizadas como instruções aritmética de número inteiro.

Instrução	Descrição
CTLZ	Count Leading Zero
CTPOP	Count Population
CTTZ	Count Trailing Zero

Sistemas baseados em Alpha

A série de workstations e servidores DEC 3000 AXP, servidores DEC 4000 AXP e servidores DEC 7000 AXP e 10000, foram os primeiros sistemas baseado no DEC Alpha.

DECpc AXP também conhecido como DEC 2000 AXP foi o primeiro sistema a oferecer suporte a Windos NT, tempos depois foi produzido as versões Celebris XL e Digital Personal Workstation PC com o processador 21164.

DEC também produziu computadores industriais (VMEbus), incluindo o 64 AXPvme baseado no 21068 e o AXPvme 64LC, baseado no 21066.

Como modelos mais recente temos, AXPvme 100, AXPvme 166 e AXPvme 230 baseados no processador 21064A. Os últimos foram o VME Alpha 5/352 e VME Alpha 5/480 que foram baseados no processador 21164.

Em 1994 foi lançado uma linha de AlphaStation e sistemas AlphaServer, utilizando processadores 21064 ou 21164, introduziram barramento PCI, buffers compatíveis com VGA e PS/2 (teclados e mouses).

A série 8000 AlphaServer substitui o DEC 7000/10000 AXP. O AlphaStation XP1000 foi o primeiro a trabalhar com processador 21264, os modelos mais recentes foram categorizados em DS (servidor departamental), ES (servido corporativo) ou GS (servidor global).

Os modelos AlphaServer ES47, ES80, GS 1280 e AlphaStation ES47 utilizaram o chip 21364.

Placa do processador Gray T3E

Para ajudar a terceiros no desenvolvimento de hardware e software para a plataforma, DEC produziu placas de avaliação, tais como o EB64 + e EB164 para o alpha 21064A e 21164 respectivamente.

Os processadores 21164 e 21264 foram utilizados pela NetApp em vários sistemas de armazenamento conectado à rede, enquanto os processadores 21064 e 21164 foram utilizados por Cray em seus supercomputadores massivamente paralelos T3D e T3E (foto ao lado).

Comparação de Desempenho

Para ilustrar o desempenho comparativo de sistemas baseados em Alpha, alguns números de desempenho SPEC (SPECint95, SPECfp95) são listados abaixo. Levando em consideração um computador (CPU, barramento, memória, otimizador de compilador), não apenas a CPU e também considerar que estes dados são de 1992 a 1995. A tabela mostra que o desempenho da arquitetura Alpha comparando com a arquitetura da HP e Intel. O desempenho entre a Intel e a Alpha é considerável, chegando razoavelmente perto da Alpha, por outro lado a HP também é chega razoavelmente perto da Alpha, mas as duas rodam em taxas de clock (MHz) menores. O destaque da tabela abaixo mostra os valores de consumo de energia e o preço de uma CPU.

SPEC Benchmark 1995 Performance comparison (using SPECint95 and SPECfp95 Result [1])

System	CPU	MHz	integer	floating point
AlphaServer 8400 5/350	21164 (EV5)	350	10.1	14.2
Intel Alder System (200 MHz, 256KB L2)	Pentium Pro	200	8.9	6.75
HP 9000 C160	PA 8000	160	10.4	16.3

2000 Performance comparison (using SPECint95 and SPECfp95 Result)

System	CPU	MHz	integer	floating point
AlphaServer ES40 6/833	21264 (EV6)	833	50.0	100.0
Intel VC820 motherboard	Pentium III	1000	46.8	31.9
HP 9000 C3600	PA-8600	552	42.1	64.0

Ligações externas

• Alpha Architecture Handbook, versão 4.
• CBR - Computer Business Review (24 de fevereiro de 1992). "DEC revela mais sobre Alpha, desafios Hewlett-Packard precisão arquitetura RISC".
• Alpha Architecture Tecnical Summary (25 de fevereiro de 1992). "Arquitetura Alpha".
• GBell's CyberMuseum for Digital Equipment Corp (DEC): Documents, Photo Albums, Talks and videotapes about Computing History
• Open VMS Operating System Concepts