Sun SPARC

SPARC (del inglés Scalable Processor ARChitecture) es una arquitectura RISC big-endian. Es decir, una arquitectura con un conjunto de instrucciones reducidas.

SPARC
Información
Tipo	plataforma
Desarrollador	Sun Microsystems
Fabricante	Sun Microsystems (adquirido por Oracle Corporation)
Fecha de lanzamiento	1987
Estandarización
Uso	Escritorio, Servidores

Sun UltraSparc II.

Fue originalmente diseñada por Sun Microsystems en 1985, se basa en los diseños RISC I y II de la Universidad de California en Berkeley que fueron definidos entre los años 1980 y 1982.

La empresa Sun Microsystems diseñó esta arquitectura y la licenció a otros fabricantes como Texas Instruments, Cypress Semiconductor, Fujitsu, LSI Logic entre otros.

SPARC es la primera arquitectura RISC abierta y como tal, las especificaciones de diseño están publicadas, así otros fabricantes de microprocesadores pueden desarrollar su propio diseño.

Una de las ideas innovadoras de esta arquitectura es la ventana de registros que permite hacer fácilmente compiladores de alto rendimiento y una significativa reducción de memoria en las instrucciones load/store en relación con otras arquitecturas RISC. Las ventajas se aprecian sobre todo en programas grandes.

La CPU SPARC está compuesta de una unidad de enteros (IU), que procesa la ejecución básica y una unidad de coma flotante (FPU) que ejecuta las operaciones y cálculos de números reales. La IU y la FPU pueden o no estar integradas en el mismo chip.

Aunque no es una parte formal de la arquitectura, las computadoras basadas en sistemas SPARC de Sun Microsystems tienen una unidad de manejo de memoria (MMU) y un gran caché de direcciones virtuales (para instrucciones y datos) que están dispuestos periféricamente sobre un bus de datos y direcciones de 32 bits.

Principales características

• Su característica distintiva es utilizar ventanas de registros.
• 32 registros de enteros de 32 bits.
• 16 registros de coma flotante de 64 bits (para el caso de doble precisión) que se pueden utilizar como 32 registros de 32 bits (para precisión simple).
• Modos de direccionamiento:
  • Inmediato, (constantes de 13 bits).
  • Directo, (offset de 13 bits).
  • Indirecto, (registro + offset de 13 bits o registro + registro).
• Utiliza instrucciones retardadas (saltos, load y store ).
• Manejo de memoria:
  • Espacio virtual de 4 Gigabytes.
  • Unidad de manejo de memoria (MMU) que trabaja con páginas de tamaño configurable.

Categorías de Instrucciones

La arquitectura SPARC tiene cerca de 50 instrucciones enteras, unas pocas más que el anterior diseño RISC, pero menos de la mitad del número de instrucciones enteras del 6800 de Motorola.

Las instrucciones de SPARC se pueden clasificar en cinco categorías:

• LOAD y STORE (la única manera de acceder a la memoria). Estas instrucciones usan dos registros o un registro y una constante para calcular la dirección de memoria a direccionar.

• Instrucciones Aritméticas/Lógicas/Shift. Ejecutan operaciones aritméticas, lógicas y de desplazamiento de bits. Estas instrucciones calculan el resultado si es una función de 2 operandos y guardan el resultado en un registro.

• Operaciones del Coprocesador. La IU extrae las operaciones de coma flotante desde las instrucciones del bus de datos y los coloca en la cola para la FPU. La FPU ejecuta los cálculos de coma flotante con un número fijo en unidad aritmética de coma flotante (el número es dependiente de la aplicación). Las operaciones de coma flotante son ejecutadas concurrentemente con las instrucciones de la IU y con otras operaciones de coma flotante cuando es necesario. La arquitectura SPARC también especifica una interfaz para la conexión de un coprocesador adicional.

• Instrucciones de Control de Transferencia. Estas incluyen jumps, calls, traps y branches. El control de transferencia es retardado usualmente hasta después de la ejecución de la próxima instrucción, así el pipeline no es vaciado porque ocurre un control de tiempo. De este modo, los compiladores pueden ser optimizados por ramas retardadas.

• Instrucciones de control de registros Read/Write. Estas instrucciones se incluyen para leer y grabar el contenido de varios registros de control. Generalmente la fuente o destino está implícito en la instrucción.

Ventanas de registros

Un rasgo único caracteriza al diseño SPARC, es la ventana con solape de registros. El procesador posee mucho más que 32 registros enteros, pero presenta a cada instante 32. Una analogía puede ser creada comparando la ventana de registros con una rueda rotativa. Alguna parte de la rueda siempre está en contacto con el suelo; así al girarla tomamos diferentes porciones de la rueda (el efecto es similar para el overlap de la ventana de registros). El resultado de un registro se cambia a operando para la próxima operación, obviando la necesidad de una instrucción Load y Store extra.

Se acordó para la especificación de la arquitectura, poder tener 32 registros "visibles" divididos en grupos de 8.

• De r0 a r7, registros GLOBALES.
• De r7 a r15, registros SALIDA.
• De r15 a r23, registros LOCALES.
• De r24 a r31, registros ENTRADA.

Los registros globales son "vistos" por todas las ventanas, los locales son solo accesibles por la ventana actual y los registros de salida se solapan con los registros de entrada de la ventana siguiente (los registros de salida para una ventana deben ponerse como registros de entrada para la próxima, y deben estar en el mismo registro).

El puntero de ventana mantiene la pista de cual ventana es la actualmente activa. Existen instrucciones para "abrir" y "cerrar" ventanas, por ejemplo para una instrucción "call", la ventana de registros gira en sentido antihorario; para el retorno desde una instrucción "call", esta gira en sentido horario.

Una interrupción utiliza una ventana fresca, es decir, abre una ventana nueva. La cantidad de ventanas es un parámetro de la implementación, generalmente 7 u 8.

La alternativa más elaborada para circundar lentamente la ventana de registros es colocar los registros durante el tiempo de compilación. Para lenguajes como C, Pascal, etc., esta estrategia es difícil y consume mucho tiempo. Por lo tanto, el compilador es crucial para mejorar la productividad del programa.

"Recientes investigaciones sugieren que la ventana de registros, encontradas en los sistemas SPARC pero no en otras máquinas RISC comerciales, están en condiciones de proveer excelente rendimiento para lenguajes de desarrollo como Lisp y Smalltalk." (R. Blau, P.Foley, etc. 1984).

Traps y Excepciones

El diseño SPARC soporta un set total de traps o interrupciones. Son manejados por una tabla que soporta 128 interrupciones de hardware y 128 traps de software. Sin embargo las instrucciones de coma flotante pueden ejecutarse concurrentemente con la instrucciones de enteros, los traps de coma flotante deben ser exactos porque la FPU provee (desde la tabla) las direcciones de las instrucciones que fracasan.

Protección de memoria

Algunas instrucciones SPARC son privilegiadas y pueden ser ejecutadas únicamente mientras el procesador esta en modo supervisor. Estas instrucciones ejecutadas en modo protegido aseguran que los programas de usuario no sean accidentalmente alterados por el estado de la máquina con respecto a sus periféricos y viceversa. El diseño SPARC también proporciona protección de memoria, que es esencial para las operaciones multitarea.

El SPARC tiene muchas similitudes con el diseño de Berkeley, el RISC II. Semejante al RISC II, él usa una ventana de registros para reducir el número de instrucciones Load y Store.

SPARC según Sun Microsystems

Hasta hace poco, las arquitecturas RISC tenían un pobre rendimiento con respecto a los cálculos de coma flotante. Por ejemplo, el IBM 801 implementaba las operaciones de coma flotante por software. Los proyectos de Berkeley, RISC I y RISC II, superaban a una VAX 11/780 en cálculos enteros pero NO en aritmética de coma flotante. Esto también es cierto para el procesador de Stanford, el MIPS. Los sistemas SPARC, en cambio, son diseñados para un rendimiento óptimo en los cálculos de coma flotante y soportan precisión simple, doble y extendida en los operandos y en las operaciones como lo especifica la norma 754 del ANSI/IEEE del estándar sobre coma flotante.

El alto rendimiento en los cálculos de coma flotante resulta de la concurrencia de la IU y la FPU. La IU (Integer Unit) hace los "load" y "store" mientras la FPU (Floating Point Unit) ejecuta las operaciones y cálculos.

Los sistemas SPARC consiguen obtener velocidades elevadas como resultado del perfeccionamiento en las técnicas de fabricación de los chips.

El sistema SPARC entrega muy altos niveles de rendimiento. La flexibilidad de la arquitectura hace a los futuros sistemas capaces de obtener muchos mejores tiempos que el de la implementación inicial. Además, la arquitectura abierta hace esto posible por absorber los avances tecnológicos casi tan pronto como estos ocurren.

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Implementaciones

SPARC

• Primera generación liberada en 1987.
• Frecuencias de reloj de 16 a 50 MHz.
• Diseño escalar.

SUPER SPARC

• Segunda generación liberada en 1992.
• Frecuencias de reloj de 33 a 50 MHz.
• Diseño super escalar

ULTRA SPARC II

• Lanzado a mediados de 1996.
• Arquitectura super escalar de 4 etapas y de 64 bits.
• Cinco unidades de coma flotante.
• Velocidades entre 250 y 300 MHz.

Advanced Product Line (APL)

• Lanzado a mediados de 2004.
• Acuerdo comercial entre Sun Microsystems y Fujitsu
• Arquitectura super escalar compatible con en el diseño SPARC V9 de 64 bits.
• Velocidades entre 1,35 y 2,7 GHz.

Utilizado por Sun Microsystems, Cray Research, Fujitsu / ICL y otros.

Especificaciones de los microprocesadores SPARC

Esta tabla contiene las especificaciones de ciertos procesadores SPARC: frecuencia (megahertz), versión de la arquitectura, año de lanzamiento, número de hilos (hilos por núcleo multiplicado por el número de núcleos), proceso de fabricación (nanómetros), número de transistores (millones), tamaño de la matriz (mm²), número de pines de entrada/salida, energía disipada (watts), voltaje y tamaños de las cachés de datos, instrucciones, L2 y L3 (kibibytes).

Nombre	Modelo	Frecuencia (MHz)	Versión de Arq.	Año	Total de hilos​	Proceso (nm)	Transistores (millones)	Tamaño matriz (mm²)	Pines de ES	Consumo (W)	Voltaje (V)	caché D L1 (KiB)	caché I L1 (KiB)	caché L2 (KiB)	cache L3 (KiB)
SPARC	(varios), incluyendo el MB86900​	14,28–40	V7	1987–1992	1×1=1	800–1300	~0,1–1.8	--	160–256	--	--	0–128 (unificadas)		N/P	N/P
microSPARC I (Tsunami)	TI TMS390S10	40–50	V8	1992	1×1=1	800	0,8	225?	288	2,5	5	2	4	N/P	N/P
SuperSPARC I (Viking)	TI TMX390Z50 / Sun STP1020	33–60	V8	1992	1×1=1	800	3,1	--	293	14,3	5	16	20	0-2048	N/P
SPARClite	Fujitsu MB8683x	66–108	V8E	1992	1×1=1	--	--	--	144, 176	--	2,5/3,3V-5,0V, 2,5V-3,3V	1, 2, 8, 16	1, 2, 8, 16	N/P	N/P
hyperSPARC (Colorado 1)	Ross RT620A	40–90	V8	1993	1×1=1	500	1,5	--	--	--	5?	0	8	128-256	N/P
microSPARC II (Swift)	Fujitsu MB86904 / Sun STP1012	60–125	V8	1994	1×1=1	500	2,3	233	321	5	3,3	8	16	N/P	N/P
hyperSPARC (Colorado 2)	Ross RT620B	90–125	V8	1994	1×1=1	400	1,5	--	--	--	3,3	0	8	128-256	N/P
SuperSPARC II (Voyager)	Sun STP1021	75–90	V8	1994	1×1=1	800	3,1	299	--	16	--	16	20	1024-2048	N/P
hyperSPARC (Colorado 3)	Ross RT620C	125–166	V8	1995	1×1=1	350	1,5	--	--	--	3,3	0	8	512-1024	N/P
TurboSPARC	Fujitsu MB86907	160–180	V8	1996	1×1=1	350	3,0	132	416	7	3,5	16	16	512	N/P
UltraSPARC (Spitfire)	Sun STP1030	143–167	V9	1995	1×1=1	470	3,8	315	521	30​	3,3	16	16	512-1024	N/P
UltraSPARC (Hornet)	Sun STP1030	200	V9	1998	1×1=1	420	5,2	265	521	--	3,3	16	16	512-1024	N/P
hyperSPARC (Colorado 4)	Ross RT620D	180–200	V8	1996	1×1=1	350	1,7	--	--	--	3.3	16	16	512	N/P
SPARC64	Fujitsu (HAL)	101–118	V9	1995	1×1=1	400	--	Multichip	286	50	3,8	128	128	--	--
SPARC64 II	Fujitsu (HAL)	141–161	V9	1996	1×1=1	350	--	Multichip	286	64	3,3	128	128	--	--
SPARC64 III	Fujitsu (HAL) MBCS70301	250–330	V9	1998	1×1=1	240	17,6	240	--	--	2,5	64	64	8192	--
UltraSPARC IIs (Blackbird)	Sun STP1031	250–400	V9	1997	1×1=1	350	5,4	149	521	25​	2,5	16	16	1024 or 4096	none
UltraSPARC IIs (Sapphire-Black)	Sun STP1032 / STP1034	360–480	V9	1999	1×1=1	250	5,4	126	521	21​	1,9	16	16	1024–8192	N/P
UltraSPARC IIi (Sabre)	Sun SME1040	270–360	V9	1997	1×1=1	350	5,4	156	587	21	1,9	16	16	256–2048	N/P
UltraSPARC IIi (Sapphire-Red)	Sun SME1430	333–480	V9	1998	1×1=1	250	5,4	--	587	21​	1,9	16	16	2048	N/P
UltraSPARC IIe (Hummingbird)	Sun SME1701	400–500	V9	1999	1×1=1	180 Al	--	--	370	13​	1,5-1,7	16	16	256	N/P
UltraSPARC IIi (IIe+) (Phantom)	Sun SME1532	550–650	V9	2000	1×1=1	180 Cu	--	--	370	17,6	1,7	16	16	512	N/P
SPARC64 GP	Fujitsu SFCB81147	400–563	V9	2000	1×1=1	180	30,2	217	--	--	1,8	128	128	8192	--
SPARC64 GP	--	600–810	V9	--	1×1=1	150	30,2	--	--	--	1,5	128	128	8192	--
SPARC64 IV	Fujitsu MBCS80523	450–810	V9	2000	1×1=1	130	--	--	--	--	--	128	128	2048	--
UltraSPARC III (Cheetah)	Sun SME1050	600	V9 / JPS1	2001	1×1=1	180 Al	29	330	1368	53	1,6	64	32	8192	N/P
UltraSPARC III (Cheetah)	Sun SME1052	750–900	V9 / JPS1	2001	1×1=1	130 Al	29	--	1368	--	1,6	64	32	8192	N/P
UltraSPARC III Cu (Cheetah+)	Sun SME1056	1002–1200	V9 / JPS1	2001	1×1=1	130 Cu	29	232	1368	80​	1,6	64	32	8192	none
UltraSPARC IIIi (Jalapeño)	Sun SME1603	1064–1593	V9 / JPS1	2003	1×1=1	130	87,5	206	959	52	1,3	64	32	1024	N/P
SPARC64 V (Zeus)	Fujitsu	1100–1350	V9 / JPS1	2003	1×1=1	130	190	289	269	40	1,2	128	128	2048	--
SPARC64 V+ (Olympus-B)	Fujitsu	1650–2160	V9 / JPS1	2004	1×1=1	90	400	297	279	65	1	128	128	4096	--
UltraSPARC IV (Jaguar)	Sun SME1167	1050–1350	V9 / JPS1	2004	1×2=2	130	66	356	1368	108	1,35	64	32	16384	N/P
UltraSPARC IV+ (Panther)	Sun SME1167A	1500–2100	V9 / JPS1	2005	1×2=2	90	295	336	1368	90	1,1	64	64	2048	32768
UltraSPARC T1 (Niagara)	Sun SME1905	1000–1400	V9 / UA 2005	2005	4×8=32	90	300	340	1933	72	1,3	8	16	3072	N/P
SPARC64 VI (Olympus-C)	Fujitsu	2150–2400	V9 / JPS1	2007	2×2=4	90	540	422	--	120	--	128x2	128x2	6144	N/P
UltraSPARC T2 (Niagara 2)	Sun SME1908A	1000–1600	V9 / UA 2007	2007	8×8=64	65	503	342	1831	95	1,1–1,5	8	16	4096	N/P
UltraSPARC T2 Plus (Victoria Falls)	Sun SME1910A	1200–1600	V9 / UA 2007	2008	8×8=64	65	503	342	1831	-	-	8	16	4096	N/P
SPARC64 VII (Jupiter)​	Fujitsu	2400–2880	V9 / JPS1	2008	2×4=8	65	600	445	--	150	--	64x4	64x4	6144	N/P
UltraSPARC "RK" (Rock)​	Sun SME1832	2300	V9 / --	canceled​	2×16=32	65	?	396	2326	?	?	32	32	2048	?
SPARC64 VIIIfx (Venus)​​	Fujitsu	2000	V9 / JPS1	2009	1x8=8	45	760	513	1271	58	?	32x8	32x8	6144	N/P
SPARC T3 (Rainbow Falls)	Oracle/Sun	1650	V9 / UA _?_	2010	8×16=128	40​	????	371	?	139	?	8	16	6144	none
SPARC64 VII+ (Jupiter-E or M3)​​	Fujitsu	2667-3000	V9 / JPS1	2010	2x4=8	65	-	-	-	160	-	64x4	64x4	12288	N/P
MCST-4R	MCST (Russia)	750-1000	V9	2010	1x4=4	90	150	115	-	15	1	32	16	2048	N/P
SPARC T4 (Yosemite Falls)​	Oracle	2850-3000	V9 / OSA2011?	2011	8×8=64	40	855	403	?	240	?	16x8	16x8	128x8	4096
SPARC64 IXfx​​	Fujitsu	1850	V9 / JPS1?	2012	1x16=16	40	1870	484	1442	110	?	32x16	32x16	12288	N/P
SPARC64 X	Fujitsu	????-3000	V9 / JPS	2012	2x16=32	28	2950	587,5	1500	?	?	64x16	64x16	24576	N/P
SPARC T5	Oracle	3600	V9 / OSA2011?	2013	8×16=128	28	?	?	?	?	?	16x8	16x8	128x16	8192
SPARC M5	Oracle	3600	V9 / OSA2011?	2013	8×6=48	28	?	?	?	?	?	16x6	16x6	128x6	49152
SPARC M6	Oracle	3600	V9 / OSA2011?	2013	8×12=96	28	?	?	?	?	?	16x12	16x12	128x12	49152
Nombre (codename)	Modelo	Frecuencia (MHz)	Versión Arq.	Año	Total de hilos​	Proceso (nm)	Transistores (millions)	Tamaño matriz (mm²)	Pines de ES	Consumo (W)	Voltaje (V)	caché D L1 (KiB)	caché I L1 (KiB)	caché L2 (KiB)	cache L3 (KiB)

Notas:

Enlaces externos

• SPARC International, Inc.
• SPARC Standards Documents Depository
• OpenSPARC - La iniciativa de SUN para crear una comunidad para el desarrollo de la arquitectura del procesador
• Solaris Operating System for SPARC Platforms
• UltraSPARC Processors
• UltraSPARC Modules
• SPARC64™ V Background Briefing (inglés)
• Multi-core multi-thread processor SPARC64™ VI (inglés)

• Datos: Q273190
• Multimedia: SPARC microprocessors / Q273190