home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Mac Mania 2 / MacMania 2.toast / Demo's / Tools&Utilities / PowerPC / The PowerPC Revolution! < prev   
Encoding:
Text File  |  1994-06-16  |  24.3 KB  |  371 lines  |  [TEXT/ttxt]

  1. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
  2. <The following excerpt was reprinted with permission from the upcoming MaxFacts(tm) Special
  3. Report entitled "The PowerPC Revolution!" This illustrated report, written by well known
  4. author Jim Hoskins, reviews the history leading to the landmark Apple/IBM/Motorola alliance,
  5. provides a close look at the four PowerPC microprocessors, and examines the individual and
  6. often surprising strategies of Apple, IBM, and Motorola. 50pp; Available July 1994; $26.95;
  7. Maximum Press, voice 800-989-6733 (source code 351), fax 615-254-2408; copyright Maximum
  8. Press 1994; all product names are trademarks of their respective companies>
  9. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
  10.  
  11.  
  12. 1.0 Introducing the PowerPC
  13.  
  14. The advent and introduction of the new PowerPC family of microprocessors by the Apple, IBM, and
  15. Motorola alliance is one of the most important and far-reaching events in recent computer history.
  16. With the PowerPC, these three companies have locked arms and stepped boldly into the raging river
  17. of Intel-based personal computer hardware and software in an attempt to make a major change in the
  18. flow of that river.
  19.  
  20. Although there are many electronic circuits in computer systems, the element that contributes the
  21. most to the system's capabilities and performance is its microprocessor(s). A microprocessor is a
  22. single chip containing millions of microscopic circuits that work together to do the data manipulation
  23. or  thinking  necessary to perform tasks for the computer's user. It executes the instructions that
  24. make up a computer program, acts as the control center for information flow inside the computer,
  25. and performs calculations on the data. The main processor resides on a large circuit board (called the
  26. system board or motherboard) housed inside the computer's mechanical frame.
  27.  
  28. Today, the Intel family of microprocessors is firmly entrenched as the standard of the personal
  29. computer world. The PowerPC initiative represents the first real threat to Intel's dominance since the
  30. introduction of the first Intel-based personal computer the IBM PC announced in 1981. In order
  31. to fully understand the significance of the Apple, IBM, and Motorola alliance and the PowerPC, it
  32. is necessary to first reflect on a bit of history.
  33.  
  34.  
  35. 1.1 A Glance Backwards
  36.  
  37. In 1975, IBM began work on a project known only as the  801 project.  Named after the building
  38. in which it resided, the 801 project was an experiment to develop a minicomputer that bucked the
  39. existing trend toward complex computer programming instructions. Under the leadership of IBM
  40. scientist John Cocke, the 801 approach was to simplify the range of instructions used to perform
  41. tasks and optimize the computer to execute this limited range of instructions with extreme efficiency.
  42. Born of this approach was the name reduced instruction set computing or RISC. Although RISC
  43. technology was used in some IBM products over the ensuing years, including the System/370 and
  44. 9370 mainframe computer families, RISC was not to enter the personal computer realm for 11 more
  45. years!
  46.  
  47. IBM entered the personal computer business on August 12, 1981, when an informal leg of IBM in
  48. Boca Raton, Florida, announced the IBM Personal Computer (IBM PC). The IBM PC was an
  49. experiment conducted by 12 developers under the leadership of IBM's Philip (Don) Estridge. The
  50. small computer system was designed in 12 months from off-the-shelf components including Intel's
  51. 8088 microprocessor. Not even the 12 developers imagined that the seed they planted with the IBM
  52. PC would grow to become a multi-billion dollar businesses.
  53.  
  54. Over the next decade, Intel developed more powerful microprocessors including the 80286, 80386,
  55. 80486, and finally the Pentium   currently Intel's most powerful microprocessor. Every time Intel
  56. developed a new microprocessor, IBM and many other companies making IBM-compatible
  57. computers (called clones) introduced more powerful computer systems that employed the new Intel
  58. microprocessor.
  59.  
  60. In each case, Intel made sure the programs written to run on earlier Intel microprocessors would be
  61. run on the new microprocessor. This is a critical point because the market acceptance and therefore
  62. commercial success of each microprocessor (and the computer systems that employed it) was largely
  63. determined by the number and popularity of programs available to run on it. Maintaining software
  64. compatibility with earlier microprocessors meant that all of the programs written over the years for
  65. ealier microprocessors were immediately available to run on the new microprocessor. This business
  66. model proved to be extremely successful for Intel, IBM, clone manufactures, and software
  67. developers. Over the  years, a large base of software for Intel-based, IBM-compatible computers
  68. developed, including many classic success stories such as Microsoft (makers of the best-selling
  69. Windows product), Lotus (makers of the 1-2-3 Spreadsheet program), and WordPerfect (makers of
  70. a popular word processing program of the same name) to name just a few.
  71.  
  72. Meanwhile, Steve Jobs at Apple Computer had chosen Motorola's 68000 microprocessor family for
  73. Apple's family of computers. First came the Lisa in 1983, which met with minimal success. Then, on
  74. January 24, 1984, Apple introduced the Macintosh, which offered unprecedented ease of use and
  75. turned out to be an enormous success. As with IBM's personal computer family, the Apple Macintosh
  76. family grew in power and diversity, with larger desktop systems and portable PowerBook models.
  77. Each time Motorola produced a more powerful microprocessor, Apple used it in their Macintosh line.
  78. Though there are many more IBM-compatible computers in use today than there are Apple
  79. Macintosh systems, the Macintosh holds a strong second place.
  80.  
  81. In January 1986, IBM announced the first personal computer class product to utilize the RISC
  82. approach they had worked with 11 years earlier: the IBM Personal Computer RT (for RISC
  83. Technology). The Personal Computer RT ran IBM's variation of the UNIX operating system, called
  84. AIX, rather than the DOS operating system that was the standard at the time. Due primarily to a lack
  85. of application programs for the Personal Computer RT and IBM's niche market positioning of the
  86. product, the Personal Computer RT met with limited success.
  87.  
  88. Also in 1986, in Austin, Texas, the same team of IBM hardware and software engineers took on the
  89. task of designing a new product family. It would represent IBM's second-generation RISC
  90. technology, combining the RISC philosophy and more traditional concepts with a goal of achieving
  91. superior performance. The result is the RISC System/6000 family of products and AIX version
  92. 3 both introduced on February 15, 1990. Since its introduction, the RISC System/6000 family of
  93. hardware and the AIX operating system have been widely accepted in the technical workstation and
  94. UNIX multiuser commercial environments. This acceptance is largely due to their price/performance
  95. parameters, larger set of application programs, and more effective marketing.
  96.  
  97. Here was the situation in 1991. IBM and other computer manufacturers had delivered millions of
  98. Intel-based personal computers, and the software companies had developed thousands of popular
  99. application programs for these computers. Microsoft had dominated the software industry with its
  100. Windows extension to the DOS operating system, which added many of the ease-of-use features
  101. previously available only on the Apple Macintosh. Although the microprocessor chips of both Intel
  102. and Motorola were growing in performance at a strong pace, so were the power requirements for
  103. those chips just when power-miser notebook computers were growing in popularity Furthermore,
  104. the performance advantage of RISC architectures was becoming more widely known by the industry
  105. as the RS/6000 and other RISC-based systems grew in popularity. Apple, IBM, and Motorola sensed
  106. that the time was ripe for a fundamental change.
  107.  
  108.  
  109. 1.2 The Apple/IBM/Motorola Alliance
  110.  
  111. At the first meeting of Apple and IBM neither group knew exactly what to expect. For example, out
  112. of respect for the more casual style at Apple, the IBMers dressed in casual clothes. Out of respect
  113. for the more formal IBM culture, the Apple employees dressed in suits. After a good laugh, the
  114. meeting proceeded. This initial spirit of mutual respect and cooperation resulted in the formation of
  115. an historic and sweeping alliance between Apple, IBM, and Motorola announced by the companies
  116. on October 2, 1991. At the same time, the alliance announced five separate initiatives including:
  117.  
  118.  PowerPC/Somerset Design Center: Apple, IBM, and Motorola were to team up and develop a new
  119. family of RISC-based microprocessors, which would start to become available in two to three years.
  120. To this end, the 37,000-square-foot Somerset Design Center located in Austin, Texas, was put into
  121. operation by IBM and Motorola with Apple's engineering participation in May 1992. Named after
  122. the King Arthur's legendary kingdom of Somerset, the facility represents a combined investment by
  123. the three companies of over $1 billion. The companies would leverage existing technologies, share
  124. costs, and seek high-volume applications in order to reduce the cost of these new RISC chips to
  125. below that of traditional RISC microprocessors. Somerset was staffed primarily by IBM and
  126. Motorola with approximately 300 engineers.
  127.  
  128. Taligent: Apple and IBM formed Taligent to develop a wholly new operating system based on the
  129. emerging object-oriented software technology which promises to streamline software development.
  130. Although elements of the technology being developed by Taligent will appear in other operating
  131. systems including Apple's System 7 and IBM's WorkPlace OS. The complete Taligent operating
  132. system is not expected until the middle of this decade.
  133.  
  134. Kaleida: Apple and IBM formed Kaleida to develop multimedia standards and technology, including
  135. a multimedia programming language called ScriptX. Multimedia is a term used to describe the
  136. interactive presentation of sound, video, images, computer graphics, and text all coordinated by a
  137. computer system.
  138.  
  139. PowerOpen: Apple, IBM, and Motorola were founding members of the PowerOpen Association,
  140. an independent corporation formed in Mary of 1993. The intent of the PowerOpen Environment is
  141. to create a software specification based on the PowerPC architecture, IBM's AIX (IBM's version of
  142. a UNIX operating system), and the Macintosh's popular user interface. PowerOpen-compliant
  143. operating systems will allow UNIX-based computers to run Apple and AIX application programs on
  144. PowerPC-based systems.
  145.  
  146. Macintosh and IBM Systems Networking: This was an initiative to make Apple's popular
  147. Macintosh computers better able to participate in IBM computer networks.
  148.  
  149.  
  150. 1.3 PowerPC Overview
  151.  
  152. PowerPC is the name given to a new family of microprocessors that conform to the PowerPC
  153. architecture. The fact that both the family of microprocessor chips and the architecture they
  154. implement are named PowerPC can be confusing. However, it is important to understand the
  155. distinction. The PowerPC architecture is a set of rules documented by Apple/IBM/Motorola in the
  156. PowerPC Architecture Manual that describe the behavioral characteristics which all compliant
  157. microprocessors must posses. Each member of the PowerPC microprocessor family is but one of
  158. many possible implementations of the PowerPC architecture.
  159.  
  160. The Apple/IBM/Motorola alliance has announced four individual microprocessor implementations
  161. of the PowerPC architecture:
  162.  
  163.    PowerPC 601: The bridge microprocessor from POWER to PowerPC for early adopters of
  164.     PowerPC
  165.  
  166.    PowerPC 603: PowerPC microprocessor for cost-sensitive portables/low-power, low-cost
  167.     systems
  168.  
  169.    PowerPC 604: Mainstream, high-performance microprocessor for uniprocessor or
  170.     multiprocessor desktop PCs, workstations and low-end servers
  171.  
  172.     PowerPC 620: 64-bit, high-performance microprocessor for high-end workstations, servers,
  173.     and multiprocessor systems.
  174.  
  175. Figure 2 shows the PowerPC microprocessor family at a glance and indicates the range of computer
  176. types spanned by each member. Due to the parallel development efforts on these chips at Somerset,
  177. Apple/IBM/Motorola intend to deliver a wide range of performance and function over a four-year
  178. period from 1993 through 1996. By comparison, it took ten years to get from the 68000
  179. microprocessr to the 68040 microprocessor. Now let's take a closer look at the PowerPC architecture
  180. and microprocessors.
  181.  
  182.  
  183. 2.0 A Closer Look at the PowerPC
  184.  
  185. Figure 3 lists some basic characteristics of the PowerPC architecture and microprocessors determine
  186. the their overall capabilities and performance. This section takes a closer look at the following aspects
  187. of PowerPC:
  188.  
  189.     PowerPC Architecture
  190.     PowerPC 601 Microprocessor
  191.     PowerPC 603 Microprocessor
  192.     PowerPC 604 Microprocessor
  193.     PowerPC 620 Microprocessor
  194.     PowerPC Memory Management
  195.     PowerPC Performance Overview
  196.  
  197.  
  198. 2.1 Architecture
  199.  
  200. The PowerPC architecture is a reduced instruction set computing (RISC) architecture. The
  201. concept of RISC (pronounced  risk ) was explored within IBM during the 1970s. As the name
  202.  RISC  implies, the instruction set (i.e., the list of the various programming instructions that can be
  203. executed within the computer) is simplified and reduced compared with more traditional computers
  204. using complex instruction set computing (CISC) architectures. Today's most popular
  205. microprocessors, including the Intel 80X86 family and the Motorola 680X0 family, are based on
  206. CISC architectures.
  207.  
  208. Because the instructions in RISC architectures are very simple, programming instructions can more
  209. efficiently flow through the microprocessor's circuitry often resulting in an average execution time
  210. for each instruction roughly equivalent to the duration of one system clock pulse. The system clock
  211. is the heartbeat of the computer system. It steps the PowerPC 601 microprocessor through each step
  212. in the execution of a program. It is the time reference of the microprocessor and sets the pace for all
  213. microprocessor activity. Also, because the RISC instructions are simple, the can be implemented
  214. directly in circuitry on the microprocessor (which makes for more efficient execution) without taking
  215. up too much chip space thus reducing chip costs and power consumption while making room on the
  216. chip for other circuitry that can help improve performance (e.g. more registers).
  217.  
  218. Due to the complexity of CISC instructions, each instruction is typically performed by executing a
  219. predefined sequence of {micro-instructions (also called microcode). This means that the average
  220. execution time for each CISC instruction is typically much greater than the duration of one system
  221. clock pulse (often equivalent to many system clock pulses). Further, the simple instruction set of a
  222. RISC computer typically can be carefully employed (by sophisticated compilers) to perform even
  223. complex functions in a more efficient manner than is yielded by the CISC approach. So, although a
  224. typical CISC instruction performs more work than a typical RISC instruction, the combination of
  225. RISC instructions needed to perform a specific task usually takes less time to execute than the
  226. combination of CISC instructions needed to perform that task (see  RISC vs CISC Performance ).
  227. As it turns out, the RISC architecture also helps improve performance in a way  originally
  228. unanticipated. The RISC approach makes it more manageable to execute more than one instruction
  229. at a time (i.e., during one system clock pulse). Designs with this ability to dispatch and execute
  230. multiple instructions simultaneously are called superscalar designs. Because superscalar designs can
  231. do two or more things at once, they can get work done more quickly than equivalent non-superscalar
  232. designs. While today's CISC architectures also employ superscalar techniques, the simpler and more
  233. consistent RISC instructions usually lend themselves to simpler (thus less expensive and lower power)
  234. superscalar implementations. When used together, RISC and superscalar concepts make for
  235. microprocessors that have an average execution rate higher than one instruction per system clock
  236. pulse providing better overall microprocessor performance than CISC designs for many applications.
  237. IBM's first RISC architecture was used in the earlier IBM RT system, which had limited market
  238. acceptance. IBM's second-generation RISC architecture, called the Performance Optimized With
  239. Enhanced RISC (POWER) architecture, was introduced in February of 1990 with IBM's now
  240. popular RISC System/6000 family of UNIX-based workstations. The POWER architecture utilizes
  241. a blend of the original RISC architecture and some traditional CISC concepts, with an emphasis on
  242. doing multiple operations at the same time (superscalar).
  243.  
  244. In 1991, a team of computer architects from Apple, IBM, and Motorola worked to define a single
  245. architecture that would pave the way for future computing in everything from small portable
  246. computers to the most powerful supercomputers. The result of this work was the PowerPC
  247. architecture introduced in October of 1991. IBM owns the rights to the PowerPC architecture and
  248. licenses it to Apple, Motorola, and other companies. Some key goals for the new PowerPC
  249. architecture included the following:
  250.  
  251.    Maintain compatibility with RISC System/6000 application programs (start with the
  252. POWER architecture as a base design)
  253.  
  254.    Enable more powerful addressing/data handling/software (extend the POWER
  255. architecture from 32 bits to 64 bits and add single-precision floating point instructions and bi-endian
  256. support)
  257.  
  258.    Facilitate low-cost, smaller, faster, single-chip implementations (eliminate some of the
  259. more complex instructions in the POWER architecture)
  260.  
  261.    Facilitate aggressive superscalar implementations (remove some features found in the
  262. POWER architecture that complicated superscalar implementation)
  263.  
  264.    Facilitate multiprocessing (add features that allow a single computer system to employ
  265. multiple microprocessors in parallel to perform work)
  266.  
  267. The most significant enhancement over the POWER architecture introduced in the PowerPC
  268. architecture was the extension to 64 bits. The smallest piece of information stored within a computer
  269. is called a bit. These bits are grouped into bytes (8 bits), half-words (16 bits), words (32 bits), and
  270. double words (64 bits) to form the computer's representation of numbers, letters of the alphabet,
  271. memory addresses, instructions in a program, and so on. The extension to 64 bits means that the
  272. all-important general registers (used to hold information being acted upon by the microprocessor)
  273. within a compliant microprocessor must be capable of holding 64-bits. While some registers in
  274. POWER (i.e. those that hold floating point data) were already 64-bits wide, other very important
  275. registers (i.e. those holding integer data) were expanded from 32-bits to 64-bits in the PowerPC
  276. architecture. Since programming instructions act (i.e. move, add, etc.) on the contents of  registers
  277. - bigger registers means that more information can be processed by each instruction. Also, address
  278. registers used to access information stored in main memory (the circuits within a computer system
  279. designed to hold information) are elongated to 64 bits, which enables computer systems to manage
  280. more main memory (an ever-increasing need). Instructions that handle single-precision (32-bit)
  281. floating point operands were added to the PowerPC architecture for those applications that need
  282. speed more than accuracy.
  283.  
  284. Because extending the architecture to 64 bits causes incompatibilities with programs written for the
  285. 32-bit POWER architecture, special provisions were made in the PowerPC architecture to recover
  286. this compatibility. That is, 64-bit implementations of the PowerPC architecture will support a function
  287. that allows software to switch the computer's mode of operation back and forth between 32-bit
  288. compatibility mode and 64-bit native mode. This switch is implemented in a way that has very little
  289. effect on the operation/performance of the microprocessor. It should be noted that only one of the
  290. four microprocessors announced so far (the PowerPC 620) implements the 64-bit architecture. The
  291. others implement the 32-bit option defined in the PowerPC architecture.
  292.  
  293. As mentioned earlier, some of the instructions provided in the POWER architecture were not
  294. included in the PowerPC architecture in order to better accommodate superscalar and
  295. multiprocessor implementations of the PowerPC architecture (see  The Multiprocessor
  296. Advantage ). What does this mean for compatibility with RISC System/6000 programs? The
  297. PowerPC architecture maintains complete compatibility (at the binary level) with application
  298. programs (i.e., POWER's user-privilege instructions but not with earlier RISC System/6000
  299. operating system versions. This is because some of the operating-system-only programming
  300. instructions (i.e., POWER's OS-privilege instructions) offered on the original POWER architecture
  301. are not supported in the PowerPC architecture. Even though three rarely used user-privilege
  302. instructions from the POWER architecture are not supported in the PowerPC architecture, care was
  303. taken to allow the operating system to intercept these instructions and translate them on the fly
  304. (emulate them) to allow normal operation to continue.
  305.  
  306. Another important compatibility issue lies in the way a microprocessor organizes information in main
  307. memory. As we saw earlier, information is stored as  words  each consisting of four bytes and stored
  308. in sequential memory addresses. Some microprocessors (e.g. Motorola 680X0 and those used in
  309. RS/6000 systems) store the highest-order (i.e. most significant) byte of the word in the first memory
  310. address. This is called big-endian byte ordering because the  big-end  of the word comes first in
  311. memory. Other microprocessors (e.g. Intel 80X86) store the lowest-order (i.e. least significant) byte
  312. in the first memory address. This is called little-endian byte ordering because the  little-end  of the
  313. word comes first in memory. In order to preserve compatibility with both of these environments and
  314. the operating systems based on each, the PowerPC Architecture requires compliant microprocessors
  315. to support both byte ordering schemes. The default byte ordering scheme is big-endian but it can be
  316. set to little-endian under program control.
  317.  
  318. The bottom line is that PowerPC-compliant computer systems can run POWER (i.e., RISC
  319. System/6000) application programs as well as other types of application programs, as we will see
  320. later.
  321.  
  322.  With this understanding of the PowerPC architecture, let's now look more closely at each of the four
  323. PowerPC microprocessor implementations: PowerPC 601, PowerPC 603, PowerPC 604, PowerPC
  324. 620.
  325.  
  326.  
  327. Complete Table of Contents for "The PowerPC Revolution!"
  328.  
  329. Abstract
  330. Executive Summary 
  331. 1.0  Introducing the PowerPC
  332.     1.1 A Glance Backwards 
  333.     1.2 The Apple/IBM/Motorola Alliance 
  334.     1.3 PowerPC Overview
  335. 2.0  A Closer Look at the PowerPC 
  336.     2.1 Architecture
  337.     2.2 601 Microprocessor
  338.     2.3 603 Microprocessor
  339.     2.4 604 Microprocessor
  340.     2.5 620 Microprocessor
  341.     2.6 Memory Management
  342.     2.7 Performance Overview
  343. 3.0  The PowerPC and Software
  344.     3.1 Software Basics
  345.     3.2 PowerPC Software Challenges
  346.     3.3 The PowerOpen Environment
  347. 4.0  Apple's Vision for the PowerPC 
  348.     4.1 The First PowerPC Macs
  349.     4.2 Apple's Software Strategy
  350.     4.3 Upgrades for Existing Macs
  351.     4.4 Macs of the Future
  352. 5.0  IBM's Vision for the PowerPC 
  353.     5.1 RS/6000 Systems
  354.     5.2 Power Personal Systems
  355.          5.2.1 The PowerPC Reference Platform
  356.          5.2.2 Operating System Strategy
  357.     5.3 AS/400 Systems
  358.     5.4 Other IBM Product Lines
  359. 6.0  Motorola's Vision for the PowerPC 
  360.     6.1 Promoting a New Standard 
  361.     6.2 Other PowerPC-Related Projects
  362.  
  363. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
  364. <The preceeding excerpt was reprinted with permission from the upcoming MaxFacts(tm) Special
  365. Report entitled "The PowerPC Revolution!" This illustrated report, written by well known author
  366. Jim Hoskins, reviews the history leading to the landmark Apple/IBM/Motorola alliance, provides a
  367. close look at the four PowerPC microprocessors, and examines the individual and often surprising
  368. strategies of Apple, IBM, and Motorola. 50pp; Available July 1994; $26.95; Maximum Press, voice
  369. 800-989-6733 (source code 351), fax 615-254-2408; copyright Maximum Press 1994; all product
  370. names are trademarks of their respective companies>
  371. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------