處理器設計的謬誤(1)

　　在計算機發(fā)展的整個(gè)70年期間，曾經(jīng)出現了各種各樣的分立和嵌入式處理器種群，它們已經(jīng)進(jìn)化，并且有些種群已經(jīng)逐漸消失。從這一進(jìn)化中產(chǎn)生了許多新奇的設計。有些新奇的概念繼續生存，有些幾乎立即消亡，而一些概念僅僅存活了短暫的時(shí)間就銷(xiāo)聲匿跡了，但是，繼承他們基因的技術(shù)在后續的種群中再次出現。

　　本系列深度分析文章將調查13種不成功的處理器種群。這些文章探索了造成每一個(gè)處理器種群死亡的主要設計錯誤。每一個(gè)主要設計錯誤還用一個(gè)或幾個(gè)例子來(lái)闡述。然而，隨著(zhù)技術(shù)使得許多老的概念煥發(fā)新生、重塑輝煌并再次成為新概念而獲得無(wú)止境的重復利用，也許不知什么時(shí)候，勇猛的探索者/設計師將接下來(lái)遇見(jiàn)這些處理器種群當中的哪一個(gè)呢？這些種群可能被當成是恐龍：許多基于這些概念的處理器曾經(jīng)就是它們那個(gè)時(shí)代的優(yōu)勢種群，或者，已經(jīng)曾經(jīng)大放光芒并極其繁榮而引起了大量的關(guān)注。正是因為不斷進(jìn)化的世界造成了我們的處理器種群的必然演化甚至滅絕，但這并不意味著(zhù)一個(gè)處理器種群在它存在的鼎盛時(shí)期不能合理地適應世界。

錯誤1：設計高水平的計算機指令集架構以支持特殊的語(yǔ)言或語(yǔ)言域(Myopisaur)。

　　從最早的計算時(shí)代起，人們不斷推動(dòng)在抽象級解決編程問(wèn)題，從接線(xiàn)板編程、撥動(dòng)開(kāi)關(guān)輸入、機器語(yǔ)言輸入、匯編語(yǔ)言到整個(gè)一大群“高級”編程語(yǔ)言(HLL)，從上世紀50年代的Fortran和Cobol，乃至上下半葉研究出來(lái)的幾百或上千種編程語(yǔ)言。

　　HLL一被開(kāi)發(fā)出來(lái)，人們就開(kāi)始擔心用于捕獲編程問(wèn)題的答案HLL描述與被在目標機上執行的由HLL編譯器產(chǎn)生的實(shí)際指令之間的語(yǔ)義差異。每一種編譯器常常產(chǎn)生不好的結果—有時(shí)候非常糟糕。即使現在，盡管編譯器的開(kāi)發(fā)經(jīng)歷了50多年，但是，對于許多算法來(lái)說(shuō)，最高技能的人類(lèi)匯編語(yǔ)言編碼員所獲得的編譯結果的質(zhì)量，要比由最佳的HLL編程器與最佳的可用最優(yōu)化編譯器所產(chǎn)生的代碼高一個(gè)數量級(或一個(gè)數量級以上)。

　　計算機研究人員和商用計算機供應商不可避免地開(kāi)始研究根據特殊的HLL或語(yǔ)言種群調節一種特殊處理器的可行性，以期把處理器的指令集與語(yǔ)言的要求更為緊密地匹配起來(lái)，并縮小語(yǔ)義差異。其理論就是以那些目標HLL編寫(xiě)的程序應該在這些經(jīng)調整的機器上更為高效地執行。

一系列不合適的努力

　　為了實(shí)現這一方法—出現在從主機、微型機、分立微處理器IC到嵌入式處理器內核—的幾十年經(jīng)驗以及努力，已經(jīng)再三地確定這種方法是一個(gè)重大架構錯誤。的確，在Hennessy和Patterson關(guān)于計算機架構的開(kāi)創(chuàng )性圖書(shū)中可以發(fā)現這是典型的“謬誤和缺陷”之一[HEN, p. 142]。

　　這一方法存在的基本問(wèn)題是多方面的：盡管已經(jīng)被調整為一種語(yǔ)言，但是，處理器可能(而且非?？赡軐?被用于運行于其它語(yǔ)言編寫(xiě)的程序。經(jīng)調整的處理器將—因其針對特定語(yǔ)言的調整—在運行采用這些其它HLL編寫(xiě)的程序時(shí)效率比較低。

　　在較早時(shí)代，硬件資源很少被花費在極少被采用的指令的有效執行上—這是對昂貴的架構資本的一種劣質(zhì)應用。

　　因一種HLL構造的一些非常特殊的應用，針對特定語(yǔ)言的指令可能終止執行，并且對于典型和最常見(jiàn)的應用是沒(méi)有用的。因此，對這種指令的硬件本質(zhì)上是一種浪費。

　　語(yǔ)言演化?；诠潭?、針對特殊HLL硬件的計算機架構較之于語(yǔ)言本身趨向于在非常長(cháng)的時(shí)間內維持不變，因為軟件比硬件更加易于變化。

　　針對特殊HLL的處理器的流行被目標HLL的普及而被無(wú)情地終結。在各種語(yǔ)言中的少數體驗造成一種處理器具有最少的市場(chǎng)訴求。

　　因此，這種架構方法的缺陷花了很長(cháng)時(shí)間才顯現出來(lái)。從上世紀60年代至80年代中期，在RISC架構方法發(fā)源以前，基于復雜指令集計算機(CISC)、針對特殊HLL的計算機架構激起了巨大的興趣。研究人員撰寫(xiě)了幾百或上千的論文，關(guān)于這個(gè)課題的專(zhuān)題研討會(huì )和座談會(huì )相當流行，而各個(gè)公司根據這一設計哲學(xué)向市場(chǎng)推出各種真實(shí)的機器。

E-mode意味著(zhù)緩慢的模式

　　Burroughs公司的"E-mode"機可能是被設計為支持特殊語(yǔ)言的最著(zhù)名的機器系列。這個(gè)系列包括從上世紀60年代初至90年代的B5000/6000/7000 和A-series機(一些兼容的處理器仍然在供貨)1。這些機器被設計為直接執行Algol 60。這種計算機家族還具有許多其它重要的功能，包括基于堆棧的架構、非平存儲器的利用、無(wú)匯編語(yǔ)言、操作系統和專(zhuān)用的管理子系統采用與Algol 60的直接對話(huà)編寫(xiě)、并且采用的是48比特的存儲字(加上標簽比特)。的確，在上世紀60年代和70年代期間，Burroughs幾乎成為了針對特殊HLL的計算機設計方法的偶像。

　　在這個(gè)時(shí)期，這家公司生產(chǎn)了中等規模和小型的針對Cobol的主機(B2000/3000/4000)，以及一種被用于B1700/1800機的有趣的微碼架構，其中，包括一組可以被進(jìn)出交換以匹配不同語(yǔ)言的解釋指令集組。正如關(guān)于B5000的最熱心評論所說(shuō)，Burroughs“專(zhuān)注于采用較高級的編程注釋以實(shí)際地排斥機器或匯編語(yǔ)言”[EAR]。

　　遺憾的是，Burroughs E-mode機因HLL機的若干缺點(diǎn)而受損。它們在標準科學(xué)和商務(wù)處理語(yǔ)言—FORTRAN和COBOL—上的表現肯定是缺乏活力的。后來(lái)，為這些機器構建C編譯器以及把Unix引入它們的根本架構上的嘗試被證明是困難的，因架構的分層存儲結構沒(méi)有小的部分。要嘗試把針對特定HLL的指令集擴展至較低端的機器(包括由Burroughs的接任者Unisys在1989年推出的一種單芯片實(shí)現—稱(chēng)為單芯片A系列主機處理器(SCAMP) [UNI])需要大量的微碼。遺憾的是，Algol 60從未真正以流行的編程語(yǔ)言起飛。這毫無(wú)疑問(wèn)減少了Burroughs機的普及程度。

　　注釋?zhuān)宏P(guān)于E-mode機—[ORG73]、[CHU-CAR]和[CHU-DOR]—有幾篇參考文選可用，這里僅僅給出了其中幾篇。

　　如上所述，Burroughs以面向B2000/3000/ 4000計算機的COBOL語(yǔ)言繼續它的針對特殊HLL的設計哲學(xué)，它至少具有針對更為流行、鎖定商務(wù)的HLL的有點(diǎn)。

許多語(yǔ)言，同樣差的結果

　　針對特定HLL的處理器設計的吸引力，還導致人們開(kāi)發(fā)直接運行用APL [HAS]、Lisp [WHO]、Prolog [FAG]以及其它直接針對Basic、Fortran、Pascal、PL/I和Snobol [DIT80]編寫(xiě)的程序的機器。的確，針對特定HLL的計算機架構設計方法所存在的問(wèn)題導致人們在1980年[DIT80]對它們進(jìn)行了深刻的反思，只是在CISC工作站出現之前、以及后來(lái)在上世紀80年代中期RISC處理器和工作站出現之時(shí)。

　　從主機時(shí)代向著(zhù)小型和微型計算機時(shí)代的遷移，見(jiàn)證了上述針對特定HLL的計算機架構設計方法以Burroughs B1700/1800獲得重復使用，它為若干語(yǔ)言提供了微碼指令集(COBOL、RPG以及其中的Fortran) [ORG77]和許多專(zhuān)用的工作站級機器。被設計來(lái)直接執行LISP的機器就是一個(gè)特別著(zhù)名的例子(LISP機、Symbolics)。

　　分立微處理器時(shí)代也看到了若干針對特定HLL的微處理器架構，包括：被設計來(lái)運行Occam的Inmos Transputer；由貝爾實(shí)驗室設計的用于直接執行C程序的CRISP處理器[DIT87a, DIT87b]；在所有這類(lèi)微處理器當中，也許最為著(zhù)名(或聲名狼藉)的就是英特爾公司的432，它被設計為運行以Ada語(yǔ)言編寫(xiě)的程序[GEH]。Transputer及其Occam描述了一種針對特定HLL的處理器的功能之一，有時(shí)候，它的開(kāi)發(fā)者對于特殊的計算理論以信奉宗教般或準宗教般的熱愛(ài)投入，從而以奴性的方式證明它自己對于一種編程語(yǔ)言的奉獻，并盡力進(jìn)行實(shí)質(zhì)努力以開(kāi)發(fā)一種支持它的機器。

　　盡管Transputer編譯器后來(lái)形成為更加傳統的HLL，但是，Transputer是以Occam推出的，這是一種基于Tony Hoare的計算序列處理概念。Transputer就是特定為Occam構建的。Inmos的領(lǐng)導人Iann Barron是Occam的最高牧師。Transputer的歷史描述了前面所列出的針對HLL的架構所存在的問(wèn)題之一。它的成功高度依賴(lài)于找到一個(gè)對Occam有足夠興趣的市場(chǎng)，以購買(mǎi)為它而設計的處理器，或者，對Transputer有足夠的興趣以采納它作為與眾不同的語(yǔ)言。這聽(tīng)起來(lái)很像一次宗教對話(huà)。

　　英特爾公司的432被設計為執行Ada，Ada在更為一般的意義上說(shuō)是面向對象的語(yǔ)言。英特爾公司的432可能代表針對特定HLL處理器的極端情況，它對任何語(yǔ)言均無(wú)法實(shí)現足夠的性能，包括用來(lái)設計它的Ada語(yǔ)言。實(shí)際上，英特爾公司的432微處理器整個(gè)冗長(cháng)的故事一直遭受設計錯誤的折磨。在[GEH]中引證了一些設計錯誤，我們發(fā)現它們分別是：

—Ada編譯器產(chǎn)生謬誤的指令；
—Ada編譯器并不執行通用的子表達式消除；
—編譯器由數值/結果通過(guò)參數，即使對于大的陣列(而不是由參考值)；
—編譯器總是采用非常慢的模塊間調用，即使當不必要時(shí)；
—指令以比特排列，因此，解碼速度慢；
—從字面上看，不允許一個(gè)以上的指令流；
—機器的程序調用效率極低—超過(guò)1000個(gè)時(shí)鐘周期，包括282個(gè)等待狀態(tài)；相比之下，在那個(gè)時(shí)代的其它處理器采用不到100個(gè)時(shí)鐘周期。

　　因此，英特爾的432執行通用的基準比Vax 11/780要慢10~26倍，而比8MHz 8086要慢2~23倍。對于英特爾來(lái)說(shuō)，幸運的是，x86處理器以及用于IBM PC的接任者的演化取得了成功，從而讓英特爾的432完全消失，它已經(jīng)被當今大多數的計算從業(yè)者所遺忘。

Java: 最新注定要失敗的努力

　　針對特定處理器的最后劫掠一直就在當今的嵌入式時(shí)代，利用由Sun、ARM以及其它供應商設計的特殊硬件來(lái)執行Java(Sun公司的picoJava處理器以及ARM公司的Jazelle處理器等等)。這些針對Java的處理器鼓動(dòng)起一些興趣，但是，并未激發(fā)狂熱。在當代的嵌入式世界中，設計工程師為了陳述Java應用，在傳統的高性能處理器以及即時(shí)(JIT)編譯上解釋Java已經(jīng)被證明是更加引人興趣的路線(xiàn)。此外，在嵌入式處理器性能上的持續改善常常證明對于在嵌入式產(chǎn)品中的許多Java應用來(lái)說(shuō)是相當足夠的，這些應用主要是面向控制和用戶(hù)界面。如果針對特定語(yǔ)言的處理器路線(xiàn)通過(guò)四個(gè)計算時(shí)代已經(jīng)證明它自身就是最令人誤導的方法的話(huà)，對于那些希望利用硬件以超越通用目的處理器的方式加速語(yǔ)言、以及用那些語(yǔ)言編寫(xiě)的應用程序的人來(lái)說(shuō)，有什么其它的選項是不受限制的？

　　要拋棄的第一個(gè)概念一定是“一切關(guān)于語(yǔ)言”這個(gè)概念。的確，對于數據處理加強的應用來(lái)說(shuō)，它更多的“一切關(guān)于”計算以及通信內核和嵌入在程序中的算法。如果一個(gè)應用程序涉及重復地執行大矢量的標量積，那么，對于不采用具有規模適當的硬件乘法器或者更好的乘法-累加器(MAC)單元的處理器來(lái)說(shuō)，不論采用Fortran、Ada、C、Java、Basic或是COBOL編寫(xiě)的程序來(lái)執行這一應用，其速度均會(huì )很慢。如果對于所采用的語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，處理器具有合適功能的單元和良好HLL編譯器(或解釋器)，那么，以這些語(yǔ)言當中的任何一種表達的算法應該執行得相當快速，不論采用什么語(yǔ)言。

　　正是算法的特征—而不是語(yǔ)言的特征—被用于設計、修改或選擇正確的處理器。對于這一應用，你或者可以搜尋一種具有乘法器或MAC單元的處理器(和或零開(kāi)銷(xiāo)的循環(huán))—DSP可能是良好的選擇，或者—甚至更好的—你可以采用指令集擴展以裁剪一個(gè)可配置的處理器內核，使之更為精確地滿(mǎn)足應用的性能和通信要求。在這種意義上說(shuō)，搜尋一種針對特定HLL的計算機架構現在可以由搜尋一種面向特定應用的指令集處理器(ASIP)來(lái)取代。

　　注釋*：本系列文章以“Processor Design: System-On-Chip Computing for ASICs and FPGAs, Jari Nurmi (editor), Springer, June 2007. ”一書(shū)的其中一章為基礎。

　　注釋1：作者之一Grant Martin為Burroughs工作。在這篇系列文章中一再采用E-mode機作為例子，可以被視為對令人感興趣的那個(gè)時(shí)代的有點(diǎn)懷舊和充滿(mǎn)深情的回憶。

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