AMD Am29000

AMD Am29000 （一般に29kと略される）は、 Advanced Micro Devices （AMD）が開発、製造した32 ビットRISC マイクロプロセッサおよびマイクロコントローラのファミリです。独創的なBerkeley RISCをベースにした29k は、いくつかの重要な改良が加えられました。これらは、一時期、市場で最も人気のある RISC チップであり、^[要出典]さまざまなメーカーの レーザー プリンターで広く使用されていました。

1984年から1985年にかけて開発され、1987年3月に発表され、1988年5月に発売された^{[1] [2] [3]}最初のAm29000に続いていくつかのバージョンが発売され、1995年にAm29040で終了しました。 ^[4] 29050は、 1サイクルあたり1回の乗算と加算を実行できる浮動小数点ユニットをいち早く搭載したことで有名です。

AMD は1995 年後半までスーパースカラーバージョンを設計していましたが、設計チームが PC ( x86 ) 側のビジネスのサポートに異動になったため、29k の開発を中止しました。AMD の組み込みビジネスで残った部分は、80186派生製品の組み込み 186 ファミリに向けて再編成されました。その時点で、AMD のリソースの大部分はデスクトップ PC 用の高性能 x86 プロセッサに集中しており、29k 設計のアイデアや個々の部品の多くを使用してAMD K5 が製造されていました。

29k は、 Sun SPARC、Intel i960、ARM、RISC-Vにもつながった同じBerkeley RISC設計から進化しました。

バークレー RISC 由来の設計の一部で使用されている設計要素の 1 つに、レジスタ ウィンドウの概念があります。これは、プロシージャ呼び出しを大幅に高速化するために使用される手法です。この考え方は、大規模なレジスタ セットをスタックとして使用し、呼び出し中にレジスタ セットにローカル データをロードし、プロシージャが戻ったときにそれらのレジスタを「デッド」としてマークするというものです。ルーチンから返される値は、「グローバル ページ」、つまり SPARC の上位 8 つのレジスタに配置されます (例)。スタンフォード大学の競合する初期の RISC 設計であるスタンフォードMIPSもこの概念を検討しましたが、改良されたコンパイラでは、ハードワイヤード ウィンドウよりも汎用レジスタをより効率的に使用できると判断しました。

オリジナルのバークレー設計、SPARC、および i960 では、ウィンドウのサイズは固定されていました。ローカル変数を 1 つだけ使用するルーチンでも、SPARC では 8 つのレジスタが使用され、この高価なリソースが無駄になります。29000 がこれらの以前の設計と異なるのは、この点です。この例では、2 つのレジスタのみが使用され、1 つはローカル変数用、もう 1 つは戻りアドレス用です。また、プロシージャ スタック用の同じ 128 個のレジスタに加えて、グローバル アクセス用に 64 個のレジスタが追加されました。これに対して、SPARC には合計 128 個のレジスタがあり、グローバル セットは標準のウィンドウ 8 個でした。この変更により、29000 ではさまざまなワークロードでレジスタの使用が大幅に改善されました。

29000 では、レジスタ ウィンドウ スタックもメモリ内 (理論上はキャッシュ内) スタックで拡張されました。ウィンドウがいっぱいになると、呼び出しはレジスタ スタックの最後からメモリにプッシュされ、ルーチンが戻ったときに必要に応じて復元されます。一般に、29000 のレジスタ使用法は、Berkeley のコンセプトに基づく競合設計よりもかなり先進的でした。

バークレー設計とのもう一つの違いは、29000 には特別な用途の条件コード レジスタが含まれていないことです。任意のレジスタをこの目的に使用でき、コードを多少複雑にすることで条件を簡単に保存できます。分岐ターゲット キャッシュ (29000 では 512 バイト、29050 では 1024 バイト) は、分岐先アドレスにある 4 つまたは 2 つの連続した命令のセットを保存し、分岐が実行される際の命令フェッチ待ち時間を削減します。29000 には分岐予測システムが含まれていないため、分岐が実行される場合は遅延がありました。つまり、29000 には分岐遅延スロットが 1 つあります。^[5]バッファーは、分岐のターゲット アドレスから 4 つまたは 2 つの命令を保存することでこれを緩和し、フェッチ バッファーがメモリからの新しい命令で再充填される間に、これらの命令を即座に実行できます。^[6]

仮想アドレス変換のサポートは、MIPS アーキテクチャと同様のアプローチに従っていました。64 エントリの変換ルックアサイド バッファ(TLB) が仮想アドレスから物理アドレスへのマッピングを保持し、変換されていないアドレスに遭遇すると、その結果生じる TLB「ミス」により、プロセッサは物理メモリへの適切なマッピングを提供するソフトウェア ルーチンにトラップします。TLBミス イベント時に置換する TLB エントリを選択するためにランダムレジスタを使用する MIPS アプローチとは対照的に、29000 は専用のlru (最近最も使用されていない) レジスタを提供しました。^[7] 29000 ファミリの一部の製品は、シリコンの一部を周辺装置専用にできるように、16 個の TLB エントリのみを提供しました。これを補うために、マッピングで使用される最大ページ サイズが 8 KB から 16 MB に増加しました。^{[8] : 305–306}

最初のAm29000は1988年にリリースされ、 MMUを内蔵していましたが、浮動小数点サポートはAm29027 FPUにオフロードされていました。MMUまたは分岐ターゲットキャッシュに障害が発生したユニットはAm29005として販売されました。^[6]

1991年にこのラインは拡張され、それぞれ8KB と4KBの命令キャッシュを搭載したAm29030とAm29035が発売された。 ^[9]その時までには^[10]、オンチップキャッシュはないが、完全にパイプライン化された積和演算を行う浮動小数点ユニット、ヒット率が80%とされる1KBのより大きな分岐ターゲットキャッシュ、4エントリのTLBのような物理アドレスキャッシュによって高速化された、よりパイプライン化されたロード演算を備えたAm29050も利用可能になった。スーパースカラープロセッサではないが、浮動小数点演算と整数演算を同じサイクルで完了することができる。整数側と浮動小数点側には、それぞれレジスタへの書き込みポートがある。^[11] 428,000個のトランジスタ^[12]を1ミクロンプロセス^[13]で搭載し、0.8ミクロンの有効チャネル長^[11]を持ち、20、25、33、40 MHzで利用可能でした。後にAm29040は33、40、50 MHzでリリースされました。これはAm29030と似ていますが、4 KBのデータキャッシュ、乗算ユニット、およびその他のいくつかの機能強化を備えています。^[14] 119 mm ² Am29040には120万個のトランジスタが搭載され、0.7ミクロンプロセスで動作しました。^{[15] [16]}

29Kのスーパースカラー版が設計されていたが、x86に取って代わられた。コードネームはJaguar ^[3]で、1994年11月と1995年8月に発表された。^{[17] [18]これは、6つの}予約ステーションへの4ウェイディスパッチと、 4ウェイリタイアによる命令の投機的アウトオブ オーダー実行が可能な先進的な設計だった。レジスタファイルは、一度に4回の読み取りと2回の書き込みが可能だった。命令とデータのキャッシュはそれぞれ8KBだった。キャッシュからのロードはストアをバイパスできた。コスト上の理由と対象市場のため、オンチップFPUは搭載されていなかった。0.4ミクロンプロセスで100MHzの周波数を達成すると予想されていた。^{[17] [19]}

AMD は、未発表の 29K マイクロアーキテクチャをx86互換プロセッサのK5シリーズの基礎として使用しました。ALU は、わずかな変更を加えたリオーダー バッファと同様に引き継がれました。FPUは29050 から引き継がれましたが、80 ビット精度に拡張されました。K5 は、キャッシュされた命令のプリデコード情報を利用して、デコード時に x86 命令を「RISC-OP」に変換しました。AMD は、スーパースカラー 29K は K5 よりもパフォーマンスがわずかに劣るだけで、サイズの違いによりコストが大幅に削減されると主張しました。^{[20] [17]}

Honeywell 29KII は AMD 29050 をベースにした CPU であり、リアルタイム航空電子機器で広く使用されていました。

• ダイの写真
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  アム29000
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  アム29030
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  アム29040
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  アム29050

29000 は、Unix ワークステーションでの使用が見込まれる「中～高性能組み込みアプリケーション」向け製品として位置付けられ、^{[7] X 端末、レーザー プリンタ コントローラ カード、グラフィックス アクセラレータ カード、光学式文字認識ソリューション、ネットワーク ブリッジなど、さまざまな製品に使用されました。 [21]} 29000 のメモリ アーキテクチャは、製品設計者にとって特に魅力的でした。外部キャッシュ メモリを使わずにダイナミック RAM を直接使用しながら、許容できるパフォーマンスを維持できるためです。^{[21] :  1}プログラム命令とデータを保持するために使用するメモリ テクノロジの選択に、ある程度の柔軟性が認められます。^[22]

29kは、特にMacintoshやIBM PC互換機で、計算アクセラレータやコプロセッサとして使われた。例えば、Yarc Systems Corporationは、Macintosh IIやPC ATシステム用の29kベースの「RISCコプロセッサ」カードを製造した。また、Motorola 68020や68030プロセッサを搭載した「CISCコプロセッサ」カードや、T800トランスピュータプロセッサを搭載した「並列コプロセッサ」カードも製造した。^[23]同社のNuSuper（当初はMcCray ^[24]という名前だった）とAT-Superカードは、Am29000 CPUとAm29027浮動小数点アクセラレータを採用しており、^[23]、CPUをAm29050にアップグレードしたMacRageousが続いた。 ^{[25]このようなアクセラレータカードは、Macintosh II 自体の数倍の性能を発揮し、} DECstation 3100などの RISC ワークステーションと競合するベンチマーク結果となった。また、システムに複数のカードを取り付けることも可能であった。しかし、このようなカードを搭載した Macintosh II システムのコストは、Unix が動作する既存の RISC ワークステーションのコストに近づいた。^[26] AT-Super の価格は約 4,600 ドルで、Intel の i860 プロセッサを採用した類似製品と競合しながら、Unix が動作すると報告された。^[27]

29k を採用した注目すべき製品としては、Apple のMacintosh IIfx用Macintosh Display Card 8.24 GCがあり、30 MHz Am29000 プロセッサ、64 KB の静的 RAM キャッシュ、2 MB のビデオ RAM を搭載し、QuickDraw グラフィカル ツールキットで使用するために 2 MB の動的 RAM を追加できるオプションがありました。29k の搭載により、この特定のバージョンのカードは Apple が販売した他のバージョンと差別化され、24 ビット/ピクセルの画像を処理する際のパフォーマンスが大幅に向上しました。^[28]

• AMD Am2900 および Am29000 ファミリーのリスト

• AMD 29k (Streamlined Instruction Processor) ID ガイド
• Mann, Daniel (1995)、29K RISC ファミリーの評価とプログラミング(PDF) 、Advanced Micro Devices、 2007 年 9 月 27 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ29k ファミリーに関する PDF ブック
• chipdb.org さまざまな Am29000 プロセッサの画像