(स्व) प्रोसेसर की पहचान। भाग एक वास्तुकला की तुलना

मैं एक पूर्ण-प्लेटफ़ॉर्म सिम्युलेटर के भाग के रूप में केंद्रीय प्रोसेसर के सॉफ़्टवेयर मॉडल के साथ काम करता हूं। यह व्यवसाय, निश्चित रूप से, बहुत दिलचस्प है - आपको व्याख्या, द्विआधारी अनुवाद, वर्चुअलाइजेशन की तकनीकों से निपटना होगा (मैंने पहले से ही यहां इस बारे में लिखा था)। एक बार मेरा ध्यान इस तथ्य से आकर्षित हुआ था कि अधिकांश समय मैं केवल एकमात्र पर जाता हूं, प्रतीत होता है कि सबसे अधिक कम्प्यूटेशनल रूप से गहन निर्देश नहीं है। कारण यह है कि कई प्रकार के प्रोसेसर हैं, और वे सभी कई मायनों में समान हैं; हालाँकि, उनके बीच सटीक अंतर करना महत्वपूर्ण है।

इस लेख में, मैं वर्णन करता हूं कि प्रोसेसर क्यों और कैसे अपनी क्षमताओं का संचार कर सकते हैं, और विभिन्न निर्माताओं ने इस मुद्दे पर कैसे संपर्क किया। अपनी निरंतरता में, मैं इंटेल IA-32 के लिए CPUID निर्देश के विकास और विशेषताओं के बारे में बात करूंगा, उदाहरण के लिए, क्यों इंटेल SDM [1] में इसका विवरण लगभग 40 पृष्ठ है।

प्रोसेसर की पहचान क्यों

शुरू करने के लिए, मैं सामान्य रूप से ध्यान केंद्रित करना चाहता हूं और इसलिए बहुत आश्चर्यजनक तथ्य नहीं है: द्विआधारी कोड के बिना किसी भी परिवर्तन के समान पीसी प्रोग्राम उन प्रणालियों पर चल सकता है जो अंदर अलग तरीके से व्यवस्थित होते हैं। आखिरकार, विभिन्न निर्माताओं के सीपीयू, विभिन्न पीढ़ियां आंतरिक संरचना को दोहराती नहीं हैं: ट्रांजिस्टर के आकार अलग-अलग होते हैं, आवृत्ति भिन्न होती है, मेमोरी अलग-अलग आयोजित की जाती है, पाइपलाइन में विभिन्न चरणों की संख्या होती है, आदि। कभी-कभी कोई प्रोसेसर नहीं होता है - इसके बजाय, वर्चुअल मशीन कुछ अजीब फिसल जाती है। हालांकि, एक ही बाइनरी कोड लगभग हमेशा काम करता है! निर्देश के सेट (ISA, निर्देश सेट आर्किटेक्चर) के लिए विशिष्टताओं के रूप में तय किए गए हार्डवेयर डेवलपर्स और प्रोग्रामर के समझौते के लिए यह संभव है। इस इंटरफ़ेस की अपरिवर्तनीयता अक्सर माइक्रोप्रोसेसर उद्योग में एक उपक्रम की व्यावसायिक सफलता की कुंजी है।



और फिर भी, लगभग हर "वयस्क" सीपीयू वास्तुकला ने अपने विकास के दौरान विभिन्न आईएसए एक्सटेंशन का अधिग्रहण किया है। वे कंप्यूटिंग गति, कम बिजली की खपत, सुरक्षा सुविधाओं, तेज एन्क्रिप्शन, सिग्नल प्रोसेसिंग, वर्चुअलाइजेशन आदि में सुधार लाते हैं। एक विरोधाभासी स्थिति पैदा होती है: एक तरफ, स्थिरता की आवश्यकता होती है; दूसरी ओर, प्रतिस्पर्धी निर्माताओं से स्थायी योजक।



प्रोग्रामर, यदि लागू नहीं होते हैं, तो ऑपरेटिंग सिस्टम और कंपाइलर्स के लेखकों को ठीक से नापसंद करना होगा। उनके कार्यक्रम उन उपकरणों की सुविधाओं के बीच अंतर करने में "सक्षम" होना चाहिए, जिन पर वे चल रहे हैं, और निष्पादन शाखाओं का चयन करें जो कि पता लगाए गए एक्सटेंशन का उपयोग करते हैं।



प्रोसेसर आर्किटेक्चर पर विनिर्देशों के लिए, विशिष्ट रजिस्टरों और निर्देशों के रूप में पहचान उपकरण आमतौर पर इसके लिए वर्णित हैं। एक बार यह मेरे लिए दिलचस्प हो गया - क्या जानकारी में क्या अंतर मौजूद हैं, कितने विस्तार से और किस प्रारूप में विभिन्न विक्रेताओं ने सिस्टम प्रोग्रामर को अवगत कराया?

विभिन्न आर्किटेक्चर की तुलना

मैं कई लोकप्रिय सीपीयू परिवारों के लिए पहचान उपकरणों का एक संक्षिप्त अवलोकन प्रदान करता हूं। मैंने इसे इंटरनेट पर उपलब्ध प्रलेखन का अध्ययन करके तैयार किया, मेरे अपने प्रयोग जहां मैंने लोहे का एक टुकड़ा प्राप्त करने और खेलने के लिए समय पाया, ओपन ऑपरेटिंग सिस्टम की गुठली के आर्किटेक्चर पर निर्भर भागों के स्रोत कोड का अध्ययन किया, जैसे कि लिनक्स और फ्रीबीएसडी, साथ ही साथ व्यस्त दोस्तों के साथ चर्चा के माध्यम से। इन आर्किटेक्चर के लिए सिस्टम सॉफ्टवेयर विकसित करना। प्रत्येक मामले में, मैं बिट्स में प्रदान की गई वास्तु स्थिति की पूरी क्षमता का मूल्यांकन करूंगा।

MIPS32

MIPS32 आर्किटेक्चर [6, 7] (अब इमेजिनेशन टेक्नोलॉजीज के स्वामित्व में) PRID रजिस्टर में पहचान की जानकारी संग्रहीत करता है - शून्य कोप्रोसेसर का 15 वां रजिस्टर [8]। इसमें केवल 32 बिट्स शामिल हैं:





इसके अलावा, एफपीयू मॉड्यूल की क्षमताओं का वर्णन करने के लिए फ्लोटिंग प्वाइंट कार्यान्वयन रजिस्टर (एफआईआर) का उपयोग किया जाता है। यह रीड-ओनली भी काम करता है और इसकी चौड़ाई 32 बिट्स है।

एआरएम

यह लोकप्रिय आरआईएससी वास्तुकला डेवलपर्स को वर्तमान एक्सटेंशन की पहचान करने के सुविधाजनक साधनों के साथ लाड़ नहीं करता है। यह निष्कर्ष इस तथ्य से खींचा जा सकता है कि लिनक्स में एआरएम समर्थन कोड का एकीकरण केवल रिलीज 3.7 में किया गया था। सैमसंग के मेरे एक परिचित डेवलपर ने भी यही राय व्यक्त की थी। यह मुझे कुछ हद तक आश्चर्यचकित करता है, यह देखते हुए कि एआरएम वास्तुकला है जिसके साथ कई विक्रेता प्रोसेसर जारी करते हैं। ऐसा क्यों है, मैं इस लेख के अंत के करीब तर्क करने की कोशिश करूंगा।



32-बिट क्युपिड [10] सिस्टम कंट्रोल कॉप्रेस के रजिस्टर में कई गुणों को परिभाषित किया गया है, जिसमें वेंडर कोड और संशोधन शामिल हैं:



विभिन्न उत्पादों के लिए इस रजिस्टर के लिए मूल्यों के उदाहरण: इंटेल (XScale) PXA272 - 0x69054117, क्वालकॉम MSM7200A - 0x4117b362।



उल्लेखनीय रूप से अधिक जानकारी डिबग रजिस्टरों के माध्यम से प्राप्त की जा सकती है, हालांकि, इसके लिए कर्नेल विशेषाधिकारों की आवश्यकता होगी। सैद्धांतिक रूप से, प्रत्येक 32 बिट्स के 18 रजिस्टरों में, 576 बिट्स को एन्कोड किया जा सकता है। उपयोगकर्ता yulyugin ने लिनक्स कर्नेल मॉड्यूल [2] लिखा और रास्पबेरी पाई में उपयोग किए गए ARM1176JZFS के लिए डेटा एकत्र किया, जिसके लिए उन्हें बहुत धन्यवाद।

इब्म प्रणाली z

आईबीएम सिस्टम z [4], जो मेनफ्रेम से एक प्रमुख वंशावली है, "गणनाकर्ताओं" से उतरे अधिकांश प्रणालियों के लिए संगठन से बहुत अलग है। लेकिन मेनफ्रेम पर, एक्सटेंशन को पहचानने में सक्षम होना आवश्यक था, जो 60 के दशक से बहुत अधिक जमा हो सकता था। इसके लिए, आर्किटेक्चर के पास एसटीएसआई और एसटीआईडीपी निर्देश हैं।



एसटीएसआई का उपयोग मॉडल के बारे में जानकारी प्राप्त करने के लिए किया जाता है, मूल कॉन्फ़िगरेशन की क्षमता पहचानकर्ता।



44 32-बिट रजिस्टरों में, लगभग 1.4 kbit डेटा रखा जा सकता है।



STIDP प्रोसेसर, सीरियल नंबर और तार्किक विभाजन पहचानकर्ता के प्रकार की रिपोर्ट करता है जो वर्चुअलाइजेशन के लिए उपयोग किया जाता है।

PowerPC

PowerPC [5] में एकमात्र PVR रजिस्टर 32 बिट्स चौड़ा है और इसमें केवल विक्रेता पहचानकर्ता और संशोधन शामिल हैं।



हालांकि, आईएसए के विस्तार के लिए एपीयू (एप्लिकेशन प्रोसेसर इकाइयों) के लिए एक तंत्र है - अलग-अलग "डिवाइस" जो डिकोडिंग और अतिरिक्त आदेशों को निष्पादित करते हैं। दुर्भाग्य से, मुझे इस बारे में विस्तृत जानकारी नहीं मिल पाई है कि क्या सभी उपलब्ध APU को प्रोग्रामेटिक रूप से सूचीबद्ध करना संभव है। यदि वे मुझसे कहेंगे तो मैं उनका आभारी रहूंगा।

स्पार्क

शुरुआत से ही SPARC v9 मानक [9] किसी भी विक्रेता से बंधा नहीं था और इसलिए इसके विनिर्देशन बहुत "राजनीतिक रूप से सही" दिखते हैं। दस्तावेज़ में अपेक्षाकृत कई आइटम जानबूझकर "कार्यान्वयन पर निर्भर" के रूप में लेबल किए गए हैं। पहचान के लिए, 64-बिट VER रजिस्टर प्रस्तुत किया गया है:

इंटेल IA-64 (इटेनियम)

इंटेल IA-64, जिसे इटेनियम के रूप में भी जाना जाता है, को इंटेल 80x86 श्रृंखला के बाद डिजाइन किया गया था और मूल रूप से उत्तरार्द्ध को दबाने के लिए डिज़ाइन किया गया था (आगे जो हुआ वह कहानी है)। यह आश्चर्य की बात नहीं है कि आईयूपी -64 [8] की पहचान करने के लिए इस्तेमाल किए जाने वाले क्युपिड रजिस्टरों का सेट इंटेल आईए -32 उर्फ x86 पर सीपीयूआईडी अनुदेश के आउटपुट संरचना जैसा दिखता है।

IA-64 सिस्टम वर्तमान में पांच क्युपिड रजिस्टरों तक की पेशकश करता है। इस घटना में कि भविष्य में एक एक्सटेंशन की आवश्यकता होती है, cpuid3 में बिट्स 7-7 ऐसे रजिस्टरों की कुल संख्या को संग्रहीत करते हैं (अर्थात, अधिकतम 256 हो सकते हैं)।

इंटेल इटेनियम 9100 के लिए क्युपिड रजिस्टरों की सामग्री (कोडनेम मोंटेवाले) ggg-cpuid प्रोग्राम का उपयोग करके प्राप्त की गई है [2]:



पहचान डेटा की पूरी क्षमता 5 × 64 = 320 बिट्स के रूप में अनुमानित की जा सकती है।

इंटेल आईए -32 और इंटेल 64

सभी परिचित आधुनिक पीसी, आईबीएम पीसी से उतरे, इंटेल आईए -32 का उपयोग करते हैं। इंटेल पेंटियम (और इसके क्लोन) के साथ शुरू, इस वास्तुकला के प्रोसेसर में एक सीपीयूआईडी अनुदेश है। 64-बिट एक्सटेंशन, जिसे Intel 64 [1] या AMD64 [3] के रूप में जाना जाता है, ने मौलिक रूप से इसके संचालन को नहीं बदला, इसलिए हम भविष्य में उनके बीच अंतर नहीं करेंगे।

EAX और ECX में CPUID दो 32-बिट मान लेता है, जिसे एक पत्ती और एक सबलिस्ट (अंग्रेजी पत्ती और सबलाइफ़) कहा जाता है, और परिणामों को चार 32-बिट रजिस्टरों में डालता है: EAX, EBX, ECX और EDX। मैं ध्यान देता हूं कि 64-बिट मोड में, सभी रजिस्टरों के केवल 32 बिट्स अभी भी उपयोग किए जाते हैं।

सैद्धांतिक रूप से, एक शीट और एक सबलिस्ट एक कुंजी के 64 बिट्स को एनकोड करता है, और आउटपुट में 128 बिट डेटा होता है। सौभाग्य से, सभी संयोजन वर्तमान में मान्य नहीं हैं। दुर्भाग्य से, उप-शीट के साथ चादरों के संयोजन का एक विशिष्ट तर्क है। कमांड की शुरुआत के बाद से, सीपीयूआईडी के आउटपुट वॉल्यूम (यानी, शीट और उप शीट्स के वैध संयोजनों की संख्या) का कई बार विस्तार किया गया है।

CPUID एक अलग लेख को समर्पित करने के लिए काफी दिलचस्प है। यहाँ मैं केवल यह कहूँगा कि इसके निष्कर्ष से आप समझ सकते हैं कि प्रोसेसर में कितने कोर हैं, इसके कैश की व्यवस्था कैसे की गई है, इसमें कौन से निर्देश मौजूद हैं, और निश्चित रूप से, जिन्होंने इसका उत्पादन किया है।

इंटेल Xeon CPU E5-2690 के लिए CPUID आउटपुट ggg-cpuid [2] का उपयोग करके प्राप्त किया गया है।



अपनी वर्तमान स्थिति में, CPUID लगभग 3 kbps डेटा एनकोड करने में सक्षम है।

पहचान उपकरण तुलना

यह तुलना, अफसोस, यहाँ नहीं होगी। दावा किए गए एक्सटेंशन की संरचना में बहुत अलग-अलग प्रोसेसर हैं। लेकिन अभी भी एक सामान्य बात है। माना जाता है कि सभी सिस्टम हमें कम से कम दो मापदंडों का पता लगाने की अनुमति देते हैं: निर्माता और कुछ प्रोसेसर संशोधन संख्या। वास्तव में, यह पहचान के लिए न्यूनतम आवश्यक सेट प्रतीत होता है। यदि आप एक सॉफ़्टवेयर एप्लिकेशन में पत्राचार तालिका "विक्रेता" → "उत्पाद" → "एक्सटेंशन की सूची" संग्रहीत करते हैं, तो यह विशिष्ट रूप से उस हार्डवेयर के टुकड़े के गुणों की पहचान करने में सक्षम होगा, जिस पर इसे लॉन्च किया गया था। वैसे, मुझे ऑपरेटिंग सिस्टम के स्रोत कोड में बिल्कुल ऐसा दृष्टिकोण मिला: एक या दो (नेस्टेड) ​​बड़े स्विच।

यह कहना नहीं है कि यह अतिसूक्ष्मवाद सुविधाजनक है। सबसे पहले, आपको किसी तरह की तालिका बनाने और संग्रहीत करने की आवश्यकता है, और इसके लिए आपको उचित मात्रा में प्रलेखन खोदना और क्षेत्र प्रयोगों का संचालन करना होगा। दूसरे, भविष्य के सिस्टम के संबंध में परिणामी कोड की अत्यधिक कठोरता है। यह एक नए विक्रेता के लिए बाजार में प्रवेश करने के लिए या पहले से ही मौजूद एक संगत प्रतीत होने वाले सीपीयू को एक नए संशोधन नंबर के साथ जारी करने के लिए पर्याप्त है, और इस तरह के एक कार्यक्रम बाद के पुनर्संयोजन के साथ तालिका को अपडेट किए बिना इसे पहचान नहीं पाएंगे। उपलब्ध एक्सटेंशन को एन्कोड करने के लिए बिट मास्क का उपयोग करने से "पुराने" कोड को नए एक्सटेंशन को अनदेखा करने की अनुमति मिलती है, लेकिन ज्ञात लोगों को पहचानने के लिए, जो आगे की अनुकूलता के लिए उपयोगी है।



सभी आर्किटेक्चर में वास्तव में भिन्न क्या है, प्रदान किए गए पहचान डेटा की मात्रा है। इस ग्राफ में, मैंने ऊपर वर्णित सभी प्रोसेसर के लिए बिट्स में संबंधित वास्तुशिल्प राज्य की क्षमता के अनुमानित मूल्यों को एक साथ इकट्ठा किया।



फिर मैंने प्रत्येक वास्तुकला की विशेषताओं से मूल्यों के कुछ सहसंबंध को खोजने की कोशिश की, लेकिन मैं वास्तव में सफल नहीं हुआ। उदाहरण के लिए, सिस्टम का "आयु" डेटा की मात्रा को प्रभावित नहीं करता है। सामान्य तौर पर, वास्तुकला की उम्र निर्धारित करना काफी मुश्किल है, क्योंकि एक अक्सर दूसरे से बढ़ता है। सबसे पहले मैं लिखना चाहता था कि 2005 में सिस्टम z की घोषणा की गई थी, लेकिन मुझे याद आया कि यह सिस्टम / 360 से आता है, जो 1960 के दशक में दिखाई दिया। इंटेल IA-32 के साथ एक ही कहानी। इसके आधुनिक रूप में पहचान 1993 में दिखाई दी (इससे पहले क्या हुआ, मैं दूसरे भाग में लिखूंगा); लेकिन 8086 1970 के दशक से आता है! इंटेल IA-64 (2000 के दशक की शुरुआत में घोषित) ने भ्रमित करने वाले कॉन्टिड को "शो ऑफ" करने में सक्षम होने के लिए बेशुमार एक्सटेंशन को शामिल करने का प्रबंधन नहीं किया। एमआइपी और एआरएम को भी युवा सिस्टम नहीं कहा जा सकता है, वे पहले से ही कम से कम 1980 के दशक में अस्तित्व में थे, लेकिन किसी तरह उन्होंने विश्वसनीय पहचान नहीं की।



मेरे लिए वास्तव में जो देखने योग्य था वह यह था कि विस्तार की पहचान करने के साधनों की मात्रा और गुणवत्ता वास्तुकला की "अंतर्निहितता" पर निर्भर थी। यदि सिस्टम मूल रूप से एम्बेडेड सिस्टम के लिए बाजार के लिए अभिप्रेत था जिसमें बाइनरी कोड पोर्टेबिलिटी एक बिक्री कारक नहीं है, तो पहचान का साधन अपेक्षाकृत सबसे कम है। इसके विपरीत, पीसी बाजार, जिसके लिए लगभग दस कंपनियां सीपीयू का उत्पादन करती थीं (मुझे कल यह जानकर आश्चर्य हुआ कि सीमेंस में भी 8086 का एक क्लोन था!), और विशेष अनुप्रयोगों के साथ IoT से लेकर सुपरकंप्यूटर तक के आर्किटेक्चर अनुप्रयोगों की सीमा स्पष्ट की आवश्यकता निर्धारित की गई। बाइनरी कोड की पोर्टेबिलिटी के साथ एक साथ भेदभाव, जिसके कारण अविश्वसनीय आकार में IA-32 CPUID की "सूजन" हुई।

निष्कर्ष

इस संक्षिप्त समीक्षा में, मैं उदाहरण के साथ विशिष्ट सीपीयू मॉडल की पहचान के विवरण का पर्याप्त विवरण नहीं दे पाया। इसके अलावा, कुछ कम लोकप्रिय प्रोसेसर परिवारों का उल्लेख नहीं किया गया था: एआरसी, अल्फा, एवीआर, जेड 80, 68000, 6502, सेल, एल्ब्रस ... और, अगर इंटेल आईए -32 के लिए मैं अभी भी एक विस्तृत विवरण बनाने की कोशिश कर सकता हूं, तो अन्य आर्किटेक्चर के लिए, अफसोस मेरा ज्ञान काफी दुर्लभ है। हालांकि, मैं धीरे-धीरे उनसे मिलने की उम्मीद करता हूं। इसलिए, मैं आभारी रहूंगा यदि टिप्पणियों में पाठक प्रलेखन के लिंक साझा करते हैं या कोड के साथ अपने अनुभव के बारे में बात करते हैं जो प्रोसेसर एक्सटेंशन की पहचान की आवश्यकता होती है।

आपका ध्यान के लिए धन्यवाद!

साहित्य

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