NS32000

NS32000は、 32kとも呼ばれ、ナショナル セミコンダクター社が製造したマイクロプロセッサシリーズです。設計作業は 1980 年頃に始まり、 1981 年 4 月の国際固体回路会議で発表されました。

このファミリの最初のメンバーは1982年に発売され、短期間16032と呼ばれ、その後32016に改名されました。^{[1]これは、内部で}32ビットデータを使用する市場初の汎用マイクロプロセッサでした。モトローラ68000は32ビットのレジスタと32ビット演算を実行する命令を持っていましたが、データの算術演算には16ビットALUを使用していたため、それらの算術演算を実行するのに32016の2倍の時間がかかりました。^{[2] [3]}しかし、32016には多くのバグがあり、定格速度で実行できないことが多かった。これらの問題と、1980年から販売されていた類似の68000の存在により、初期のかなりの関心にもかかわらず、市場ではほとんど使用されませんでした。

その後、いくつかの改良版が続き、1985 年の32032は、基本的にはバグを修正した 32016 で、外部 32 ビット データ バスを備えていました。32016 より約 50% 高速でしたが、1 年前にリリースされた32 ビットのMotorola 68020に性能で負けました。1987 年にリリースされた32532 は、同時代のMotorola 68030よりほぼ 2 倍の性能でしたが、この時点でマイクロプロセッサへの関心はRISCプラットフォームに移っており、それ以外は優れた設計であったこのプロセッサもほとんど使用されませんでした。

ナショナルは32732のさらなる改良に取り組んでいたが、最終的に中央処理装置(CPU) 分野での競争を断念した。代わりに、基本的な 32000 アーキテクチャをいくつかのサポート システムと組み合わせ、 Swordfish マイクロコントローラとして再リリースした。これは市場である程度の成功を収めたが、 1990 年代半ばに CompactRISCアーキテクチャに置き換えられた。

NS32000 シリーズの歴史は、ナショナル セミコンダクター社がVAX-11アーキテクチャのシングル チップ実装を作ろうとした努力に遡ります。^[4] VAX は、あらゆる命令をあらゆるデータに適用できる、高度に「直交」した命令セット アーキテクチャ(ISA) でよく知られています。たとえば、命令は 2 つのプロセッサ レジスタADDの内容、または 1 つのレジスタをメモリ内の値、メモリ内の 2 つの値に追加したり、レジスタをアドレスに対するオフセットとして使用したりできます。この柔軟性は、複合命令セット コンピュータ(CISC)の時代の設計の模範と考えられていました。^[3]

ナショナルは、設計の合法性を確保するために、カリフォルニア州でデジタル・イクイップメント・コーポレーション(DEC) を訴えたが、DEC が訴訟をDEC の本拠地であるマサチューセッツ州に移したため、訴訟は取り下げられ、代わりにシリーズ 32000 アーキテクチャが開発された。新しい命令セット アーキテクチャはVAX-11 と互換性がなかったが、高度な「直交」設計哲学は維持されていた。つまり、すべての命令は、どのようなタイプのデータでも使用できる。当時の記事では、これを「対称的」とも呼んでいた。^[3]

オリジナルのプロセッサ ファミリは、NS16032 CPU と NS16C032 低電力版で構成され、どちらも 16 ビット データ パスを持ち、1 つの 32 ビット ワードをロードするのに 2 マシン サイクルを必要としました。どちらも NS16082メモリ管理ユニット(MMU) で使用でき、最大 16 MB の物理メモリに対して 24 ビットの仮想メモリサポートを提供しました。NS16008 は、8 ビットの外部データ パスを持ち、仮想メモリ サポートのない縮小版で、ピン数が減ったため、実装がいくらか容易でした。^[3] NS16008 と NS16016 はどちらも、そのプロセッサの 4 倍の速度で動作するIntel 8080のエミュレーション モードを搭載することになりました。 ^[5]

同時に、ナショナル セミコンダクターは、NS32032 と NS32132 という 2 つの将来のバージョンも発表しました。前者は、本質的には NS16032 のバージョンで、32 ビットの外部データ バスを備え、2 倍の速度でデータを読み取ることができます。これは 1984 年にリリースされる予定でした。NS32132 は、29 ビットの内部アドレスと 32 ビットの外部アドレスを備えたバージョンで、4 GB のメモリ全体をアドレス指定できます。これは 1985 年にリリースされる予定でした。^[3]

これらはすべてNS16081浮動小数点ユニット（FPU）でも使用できます。^[3]

プロセッサには、8 つの汎用 32 ビット レジスタと、一連の特殊用途レジスタがあります。

• フレームポインタ
• スタック ポインタ (ユーザー モードとスーパーバイザー モードにそれぞれ 1 つずつ)
• グローバル変数を参照するための静的ベースレジスタ
• 動的にリンクされたモジュールのリンク ベース レジスタ (オブジェクト指向)
• プログラムカウンタ
• 下位のユーザー バイトと上位のシステム バイトを持つ、典型的なプロセッサ ステータス レジスタ。

(追加のシステム レジスタはリストされていません)。

命令セットはCISCモデルに非常に近く、2 オペランド命令、メモリ間操作、柔軟なアドレッシング モード、可変長バイト境界整列命令エンコーディングを備えています。アドレッシング モードには、オペランドごとに最大 2 つの変位と 2 つのメモリ間接指定、およびスケール インデックスが含まれ、考えられる最長の命令は 23 バイトになります。実際の命令数は、現代の RISC プロセッサの数よりもはるかに少なくなっています。

他のプロセッサとは異なり、ベース レジスタの自動増分は提供されていません。唯一の例外は、ソースをポップして宛先をプッシュする「スタックのトップ」アドレッシング モードです。ユニークなことに、変位のサイズは最上位ビットでエンコードされます。0、10、11 の後に、7、14、30 ビットの符号付き変位が先行します。(プロセッサはそれ以外は一貫してリトルエンディアンですが、命令ストリーム内の変位はビッグエンディアンの順序で格納されます)。

汎用オペランドは 5 ビット フィールドを使用して指定されます。これにインデックス バイト (インデックス レジスタと 5 ビット ベース アドレスを指定) と、オペランドごとに最大 2 つの可変長変位を追加できます。

このシリーズの最初のチップは、当初 16032 と呼ばれていましたが、後に 32 ビット内部を強調するために 32016 に改名されました。これは、この分野の主な競合製品である 1979 年の Motorola 68000 (68k) とは対照的です。68k は 32 ビットの命令とレジスタを使用していましたが、全体の処理タスクの多くを制御する算術論理ユニット(ALU) は 16 ビットでした。つまり、32 ビット操作を完了するには、32 ビットのデータを ALU に 2 回 (16 ビットの半分を 2 つ) 循環させる必要がありました。これに対して、NS32000 には 32 ビットの ALU があり、32 ビット命令と 16 ビット命令の完了に同じ時間がかかります。

32016 は、1982 年に 46 ピンDIPパッケージで初めて出荷されました。32 ビット チップを 46 ピン パッケージに収めるには、データ バスを16 ビット幅にし、24 ビットアドレス バスとピンを共有する必要がありました。ピンを共有することで、ピンがデータ モードで使用されている間、外部ハードウェアはメモリ アドレスのアドレスをラッチする必要があり、これによりアクセスごとに 1 サイクルの遅延が発生します。したがって、内部の 32 ビット実装によってパフォーマンスは向上しますが、ピン数が少ないためにパフォーマンスは再び低下します。

これは大量生産され販売された最初の 32 ビット チップだったかもしれない (少なくともナショナルのマーケティングによると)。しかし、1983 年 6 月の出版物のレポートでは、ナショナルは「数か月前からサンプル出荷を行っており、この夏には 16032 個の生産を約束している」と述べられており、浮動小数点コプロセッサのサンプルは「今月」に出荷される予定である。^[6]

1982 年の発表は 68k より 2 年ほど遅れていましたが、68k はまだ市場で広く使用されていませんでした。32016 は大きな関心を集めました。残念ながら、初期のバージョンにはバグが多く、定格速度で動作することはほとんどありませんでした。2 年後の 1984 年になっても、エラッタ リストには、プロセッサが停止してリセットを余儀なくされる制御不能な状態を示す項目がまだ含まれていました。

当初の製品ロードマップでは、1983年に6MHzと10MHzの部品、1984年に12MHzと14MHzの部品が想定されていた。 ^[3]しかし、1984年の報道では、このロードマップの遵守が困難であることが示されており、部品の周波数を6MHzから8MHzに上げるのに5か月かかり、周波数を10MHzに上げるにはさらに「2、3、または5か月」かかると担当者は見積もっていた。チップセットの5つのチップのうち、2つのチップ（詳細は不明）がこれらの問題の原因であると報告された。^[7] 1985年初頭の32016ベースのホワイトチャペルMG-1ワークステーションに関する記事では、32081メモリ管理ユニットが「バグに悩まされている」ため、ハードウェア修正を提供する独自のボードに配置されていたと述べられていた。^[8] 1986年、テキサス・インスツルメンツは、48ピンデバイスとしてのTI32016 CPUとTI32082メモリ管理ユニット、24ピンデバイスとしてのTI32201タイミング制御ユニットとTI32081浮動小数点ユニット、40ピンデバイスとしてのTI32202割り込み制御ユニットで構成される「完全認定10MHz TI32000 32ビットマイクロプロセッサチップセット」を発表し、5つのデバイスチップセットの「100個単位での価格は289ドル」でした。^[9]

ナショナルは、部品を量産化できるように設計方法論を変更し、イスラエルのヘルツリーヤにある「NSC」設計センターに近いテルアビブ大学と共同で「Z」言語に基づく設計システムを開発しました。「Z」言語は、今日のVerilogやVHDLに似ていますが、Pascal のような構文を持ち、 2 相クロック設計に最適化されています。しかし、これらの努力の成果が設計に表れ始めた頃には、Apple Macintosh をはじめ、すでに多数の 68k マシンが市場に出回っており、32016 が広く使用されることはありませんでした。

32016 には、16 ビットの外部データ バス、24 ビットの外部アドレス バス、および完全な 32 ビット命令セットがあります。また、コプロセッサインターフェイスも含まれており、 FPUやMMUなどのコプロセッサをメイン プロセッサのピアとして接続できます。MMU はデマンド ページング仮想メモリに基づいています。これは、競合他社が使用するセグメント化メモリ アプローチと比較して最も珍しい機能であり、今日のマイクロプロセッサの設計方法の標準となっています。アーキテクチャは、ページ フォールトでの命令再開メカニズムをサポートしています。これは、命令を続行する前にページ フォールト時に内部ステータスをダンプするモトローラのアプローチよりもはるかにクリーンです。

68k の命令セットと比較されることが多かったが、NSC の従業員はこれを否定した。当時の重要なマーケティング フレーズの 1 つは「エレガンスこそすべて」であり、高度に直交したシリーズ 32000 を「クラッジ」と比較した。重要な違いの 1 つは、モトローラがアドレス レジスタとデータ レジスタを使用し、命令がアドレス レジスタまたはデータ レジスタのいずれかでのみ機能することである。シリーズ 32000 には汎用レジスタがあり、技術文書では「アドレス データ」レジスタと説明されている。^[10]

32032 は 1984 年に発表されました。32016 とほぼ完全に互換性がありますが、32 ビット データ バス (24 ビット アドレス バスは維持) を備え、パフォーマンスがいくらか高速化され、VAX-11 システムに匹敵する「ミニコンピュータのパフォーマンス」と評されました。^{[11] :  39}また、低コストのアプリケーション用にデータ バスを 8 ビット幅に削減した 32016 である 32008 もありました。これはMC68008と原理的に似ていますが、同様に不評でした。

ナショナルは、NS32081浮動小数点ユニット(FPU)、NS32082メモリ管理ユニット(MMU)、NS32203ダイレクト メモリ アクセス(DMA)、NS32202割り込みコントローラなどの関連サポート チップ シリーズも製造しました。メモリ チップと周辺機器を加えたフル セットにより、高価なミニコンピュータやメインフレームでしか実現できなかった、最新のマルチタスク オペレーティング システムをサポートできる 32 ビット コンピュータ システムの構築が可能になりました。

• ダイの写真
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  NS16032 CPU
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  NS16081 ファンクション
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  NS32032CPU
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  NS32081 ファンクション
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  NS32082 マイクロプロセッサ
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  NS32202 割り込みコントローラ
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  NS32203 DMA コントローラ

1985 年、National Semiconductor は 32032 の大幅な改良版である NS32332 を発表しました。データシートによると、機能強化には「新しい専用アドレス指定ハードウェア (高速 ALU、バレルシフタ、アドレス レジスタで構成) の追加、非常に効率の高い (20 バイト) 命令プリフェッチ キューの増加、新しいシステム/メモリ バス インターフェイス/プロトコル、効率が向上したスレーブ プロセッサ プロトコル、そして最後にマイクロコードの強化」が含まれています。また、新しい NS32382 MMU、NS32381 FPU、および (非常に珍しい) Weitek FPA への NS32310 インターフェイスもありました。これらの機能強化による NS32332 の総合的なパフォーマンス向上は、元の NS32032 より 50 パーセント高速になっただけで、主な競合製品であるMC68020よりは劣っていました。

National Semiconductor は 1987 年初めに NS32532 を発表しました。20、25、30 MHz で動作するこの製品は、5 ステージ パイプライン、統合キャッシュ/MMU、メモリ パフォーマンスの向上により内部実装を完全に再設計し、競合製品のMC68030やi80386の約 2 倍の性能を実現しました。この段階では RISC アーキテクチャが浸透し始めており、主な競合製品はAM29000とMC88000となり、NS32532 よりも高速であると考えられていました。浮動小数点については、NS32532 は既存の NS32381 または Weitek FPA への NS32580 インターフェイスを使用していました。^[12] NS32532は、パブリックドメインハードウェアプロジェクトであるPC532 の基礎となり、実際のオペレーティングシステム（この場合はMinixまたはNetBSD）を実行する便利なマシンを生み出した数少ないものの1つでした。

NS32532 の高性能な後継機として構想された半ば神話的な NS32732 (NS32764 と呼ばれることもある) は、結局市場には登場しませんでした。

NS32732 の派生製品である Swordfish は組み込みシステム向けで、1990 年頃に登場しました。Swordfish には、マイクロプロセッサでは通常利用できない浮動小数点ユニット、タイマー、DMA コントローラなどの周辺機器が統合されています。64 ビット データ バスを備え、内部で 25 MHz から 50 MHz にオーバークロックされています。Swordfish の主任設計者は Donald Alpert で、彼は後にPentium の設計チームを率いました。Pentium の内部マイクロアーキテクチャは、先行する Swordfish に似ています。

Swordfish の焦点はハイエンドのPostScript レーザー プリンターにあり、そのパフォーマンスは当時としては並外れたものでした。競合ソリューションは 1 分間に約 1 ページしかレンダリングできませんでしたが、Swordfish デモ ユニットは 1 分間に 16 ページを印刷でき、これはレーザー エンジンのメカニズムによってのみ制限されます。各ページには、エンジンが完了するまで待機しているアイドル時間が印刷されます。

Swordfish のダイは巨大で、最終的にプロジェクトは完全に中止されることになり、製品が生産されることはありませんでした。Swordfish から得た教訓は CompactRISC の設計に活かされました。当初は、CompactRISC-32 と CompactRISC-16 の両方があり、どちらも「Z」を使用して設計されていました。National は CompactRISC-32 コアを搭載したチップを市場に投入することはありませんでした。National の研究部門はミシガン大学と協力して最初の合成可能な Verilog モデルを開発し、CR16C 以降は Verilog が使用されました。

NS32CG16、NS32CG160、NS32FV16、NS32FX161、NS32FX164、NS32AM160/1/3 など、NS302CG16 をベースにした低コスト製品向けの旧 NS32000 ラインのバージョンが 1987 年以降に導入されました。

これらのプロセッサは、AMDや Intel RISCチップとの激しい競争にもかかわらず、レーザー プリンタおよびFAX市場である程度の成功を収めました。特に NS32CG16 は注目に値します。このプロセッサと NS32C016 の主な違いは、水晶から必要な 2 相クロックを生成する高価なタイミング コントロール ユニット (TCU) が統合されていることと、浮動小数点コプロセッサ サポートが削除されたことです。これにより、便利な BitBLT 命令セット用のマイクロコード スペースが解放され、レーザー プリンタ操作のパフォーマンスが大幅に向上し、この 60,000 トランジスタ チップは 200,000 トランジスタの MC68020 よりも高速になりました。NS32CG160 は、タイマーと DMA 周辺装置を備えた CG16 であり、NS32FV/FX16x チップは、FAX および留守番電話市場向けに CG16 BitBLT コア上に追加の DSP 機能を備えています。これらは、後に NS32532 ベースの NS32GX32 によって補完されます。以前のチップとは異なり、追加のハードウェアはありませんでした。NS32GX32 は、MMU のない NS32532 で、組み込みシステム向けに魅力的な価格で販売されています。当初、これは注目のチップに過ぎませんでした。チップが低コスト生産のために再設計されたかどうかは不明です。

NS32132 のデータシートは存在し、明らかにマルチプロセッサ システム用に設計されている。これはアービタで拡張された NS32032 である。NS32032 のバス使用率は約 50 パーセントであるが、これは非常にコンパクトな命令セット、または競合他社の表現によれば非常に遅いパイプラインによるものである。実際、NS32032 の提案されたアプリケーションの 1 つは、「2 つの 32032 を並列に使用し、交互にメモリ サイクルの結果を比較してソフト エラーを検出する」という「フォールト トレラント トランザクション システム」の一部である。^[6] NS32132 チップを使用すると、PCB をほとんど変更せずに、2 つの CPU を同じメモリ システムに接続できる。プロトタイプ システムはスウェーデンのDiab Data ABによって構築されたが、同じ会社が設計したシングル CPU の MC68020 システムほどのパフォーマンスは得られなかった。

• ダイの写真
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  NS32C016 CPU
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  NS32381 ファンクション
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  NS32382 マイクロプロセッサ
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  NS32532CPU

• Acorn Cambridge Workstation – NS32016 (6502 ベースのBBC Microホスト付き)
• BBC Micro 32016 セカンド プロセッサ- Acorn Cambridge Workstation の NS32016 機能を提供する BBC Micro の独立した拡張機能
• Canon LBP-8 Mark III レーザープリンター – NS32CG16
• CompuPro 32016 – NS32016 S-100 カード^[13]
• Encore Multimax – NS32032、NS32332、NS32532 マルチプロセッサ
• E-mu システム Emax – NS32008
• E-muシステムエミュレータIII – NS32016
• ETH チューリッヒ Ceresワークステーション – NS32032
• ETH チューリッヒCeres-2ワークステーション – NS32532
• ETH チューリッヒCeres-3ワークステーション – NS32GX32
• General Robotics Corp. Python – NS32032 および N32016 Q-Busカード
• Heurikon VME532 – NS32532 VME カード (キャッシュ付き)
• IBM RT PC – 初期のモデルでは、 IBM ROMPマイクロプロセッサのコプロセッサとしてNS32081 FPUが使用されていました。
• Intermec (旧 A-Tech、その後 UBI) ラベル プリンター – NS32CG16
• インターグラフ インタープロ 32 (NS 32032)
• Labtam Unix システム NS32032 および NS32332 CPU
• Lauterbach インサーキット エミュレータ ICE (システム コントローラ 32 ビット、最初のバージョンは 1996 年、最大 16 MB の ZIP20-RAM、イーサネットを提供する Z180)
• ナショナルセミコンダクターICM-3216 – NS32016
• ナショナル セミコンダクター ICM-332-1 – NS32332 および NS32016 I/O プロセッサ
• National Semiconductor SYS32/20 – NS32016 PC アドオンボード（Unix 搭載）
• Opus Systems Opus516 パーソナルメインフレーム – NS32016 PCアドオンボード^[14]
• Opus Systems Opus532.32 パーソナルメインフレーム – NS32032 PCアドオンボード^[15]
• PC532 – NS32532
• シークエントバランス – NS32016、NS32032、NS32332 マルチプロセッサ
• シーメンスPC-MX2 – NS32016
• Siemens MX300-05/-10/-15/-30 – SINIXの NS32332 (-05/-10) または NS32532 (-15/-30) (MX300-55 以降はi486 を使用)
• Siemens MX500-75/-85 – NS32532 (2～8 個の CPU、Sequent ボード / MX500-90 は 2～12 個の i486 を使用)
• 対称コンピュータシステムS/375 [1] – NS32016、386BSDのクロス開発に使用
• Syte Information Technology Model 300 – NS32032ベースのUnixグラフィックワークステーション、^[16]このような「メインフレームアーキテクチャに編成された複数の密結合マイクロコンピュータ」がいくつかあり、各プロセッサノードで複数の仮想環境を管理するためにGlobal Environment Managerを実行するSyte Series 3000「マイクロメインフレーム」を構成していましたが、^[17] Syteは最終的に最初の製品出荷前に故障しました^[18]
• Tektronix 6130 および 6250 ワークステーション – NS32016 および NS32032
• Tolerant Systems Eternity シリーズ – NS32032 (NS32016 I/O プロセッサ搭載)
• トリニティ カレッジ ワークステーション – NS32332
• Teklogix 9020 ネットワーク コントローラ – NS32332
• Teklogix 9200 ネットワーク コントローラ – NS32CG160
• ホワイトチャペルMG-1 – NS32016
• ホワイトチャペル MG200 – NS32332

2015年6月、Udo MöllerはOpenCores上でNS32000プロセッサの完全なVerilog実装をリリースしました。^{[19] N32381 FPUを搭載したNS32532 CPUと完全にソフトウェア互換性があり、} FPGA に実装すると大幅に高速化され、^[20]より高いクロックレートで動作し、命令あたりのサイクル数が少なくなります。

データシート

• データブック NS32000 ファミリー (1986)
• NS32532
• NS32C032
• NS32381
• National Semiconductor のシリーズ 32000 ファミリ。優れた「ファン サイト」であり、M32632 FPGA クローンの本拠地です。