A PowerPC az Apple–IBM–Motorola cégek által megalkotott 32 és 64 bites RISC utasításkészletű mikroprocesszor-specifikáció, amely 1991-ben indult útjára, ekkor még csak tervek formájában. Első konkrét megvalósításai a PowerPC 600 családba tartozó PowerPC processzorok. Ezek tervezése az IBM és Motorola által, az AIM szövetség keretén belül közösen alapított és támogatott Somerset létesítményben történt a Texas állambeli Austin városában.

A Somerset kutatólaboratóriumot 1992-ben nyitották meg, célja a PowerPC processzorok megalkotása, majd általános célú PowerPC processzorok tervezése volt, személyi számítógépekben való felhasználás céljaira. Ennek első, 1993-ban megvalósult eredménye volt a PowerPC 601 processzor, amelyet rövidesen második generációs processzorok követtek, a PowerPC 603, PowerPC 604 és a 64 bites PowerPC 620.

Az alapcsalád CPUfutószalag-fokozatokjellemzőkPowerPC 6012,4,5,63 végrehajtóegység, elágazásbecslés; SMP támogatottPowerPC 60345 végrehajtóegység, elágazásbecslés; SMP nincsPowerPC 6046szuperskalár, sorrenden kívüli végrehajtás, 6 végrehajtó egység; SMP támogatottPowerPC 6205sorrenden kívüli végrehajtás, SMP támogatott

PowerPC 601

A PowerPC 601 az első mikroprocesszor-generáció, amely támogatja az alap 32 bites PowerPC utasításkészletet. A tervezési munka 1991 közepén indult be komolyabban és az első prototípus-csipek 1992 októberében készültek el. Az első 601-es processzorok 1993 októberében egy IBM RS/6000 munkaállomásban jelentek meg (a sokkal erősebb IBM POWER2 processzorvonal mellett) és az első Apple Power Macintosh gépekben 1994. március 14-én.

A 601-es volt a POWER/PowerPC architektúra első fejlett egycsipes megvalósítása. Tervezése igen feszített ütemterv szerint történt, mivel igyekeztek minél gyorsabban megalapozni a PowerPC piaci szegmensét és összekovácsolni az AIM szövetséget. A rendkívül agresszív ütemterv betartásának érdekében számos kulcsfontosságú technológiát és projektmenedzsment-stratégiát vetettek be a tervezés során, miközben alapvetően új funkciókat vezettek be az architektúrában, például jelentős teljesítménynövelést, új utasításokat, és ami ennél is fontosabb, a POWER/PowerPC architektúra első szimmetrikus többprocesszoros működésű (SMP) implementációját.

A 601 fejlesztőcsapata az IBM RISC Single Chip (RSC) processzorból indult ki, felhasználta annak alapfelépítését és egyéb részeit, de mindehhez hozzá kellett adniuk az IBM POWER utasításkészlet-architektúrából hiányzó nagyszámú PowerPC utasítás támogatását. Az RSC design szinte minden részét módosították, az alkotó szerkezeti elemeket meg kellett változtatniuk vagy teljesen újratervezni, mivel az egyesített bemeneti/kimeneti sín-struktúra és az SMP/memória-koherencia támogatás teljesen eltérő megoldásokat követelt. Az alapvető RSC struktúrára támaszkodó újabb PowerPC változtatások csökkentették az alaprajz, elrendezés és az időzítés finomhangolásának bizonytalanságait. A 601-es nem csak jelentős új funkciókat valósított meg, mint például az SMP, hanem hídként is szolgált a POWER és az eljövendő PowerPC processzorok között, hogy segítse az IBM-et és a szoftverfejlesztőket a PowerPC-re való átmenetben. A cél, a PowerPC minél korábbi piaci bevezetése, fokozta a fejlesztés iramát: az első 601-es prototípus mindössze 12 hónap alatt készült el (a tervezés kezdetétől a tape-out fázisig).

A 60x sín A rövid határidők miatt a 601-esben a már létező 88110 sín architektúrát használták fel. A specifikációba bekerült a 88000-es sín, mivel a 88k gépek (Data General, Apple) már a piacon voltak és a Motorola és Apple azzal érvelt, hogy ha a POWER/PowerPC processzorok sínkompatibilisek lesznek a 88k architektúrával, akkor az azokat használó gépek gyorsabban kerülhetnek piacra, mivel a cégeknek ehhez nem kell áttervezniük az alaplapokat. Ez így névlegesen az AIM szövetség és a vásárlók javát szolgálta. A Motorola vezetése nem csak a 88110-es sín-architektúra specifikációit nyújtotta át, hanem még egy csapatnyi, a 88110-es sínt jól ismerő tervezőt is, hogy ezzel is elősegítsék a 60x sín logikai implementációját és ellenőrzését. Az Apple rendszerek tervezőcsapata számára ismerős volt a Motorola 88110 bemeneti/kimeneti sínfelépítés (az Apple által forgalmazott 88k-alapú gépekből), ez a bemeneti/kimeneti sínmegvalósítás jól meghatározott és dokumentált, és a 601-es tervezőcsapat ezzel a síntechnológiával is csökkenthette a tervezési időt. A sínt átnevezték, a 601-es tervezethez igazodva, ez lett a 60x sín. A Motorola tervezői (és néhány Apple tervező is) csatlakoztak a több mint 120 IBM tervezőhöz a projektben.

The Bus Interface for 32-Bit Microprocessors – IBM.com

A 88110 sínrendszerének felhasználása a 60x sín alapjaként gyorsította a tervezést és egyéb előnyei is voltak. Segítette az Apple Power Macintosh csapatát a támogató ASIC-ek tervezésében, mivel kevesebb ilyen áramkört kellett újratervezniük. A processzor tervezői számára csökkentette a sínrendszer és az új sín-interfészek tervezésére és dokumentálására fordított időt, amellett sikeresen elkerülték a vezetés által feltételezett „Sínek Háborúját”, amennyiben a tervekben nem sikerült volna elfogadni a 88110-es sínt vagy az előző RSC síneket. Meg kell jegyezni azonban, hogy bár ez a döntés az Apple és az AIM szövetség hasznára vált, hátrányos volt viszont az első IBM RS/6000 rendszer tervezőcsapata számára, mivel nekik már megvoltak a kész ASIC támogató áramköreik az RSC teljesen eltérő sínfelépítése körül.

A 60x sín a későbbiekben meglehetősen hosszú életű alap interfésszé vált, a 601, 603, 604, G3, G4 és Motorola/Freescale PowerQUICC processzorok változataiban került felhasználásra.

Felépítés

A processzort az alkalmazások széles körében történő felhasználásra tervezték. Támogatja a külső másodlagos gyorsítótár használatát és a szimmetrikus többprocesszoros működést. Négy funkcionális egysége van: egy fixpontos egység (FXU, vagy Integer Unit, IU), egy lebegőpontos egység (FPU), egy elágazásfeldolgozó egység (BPU) és egy sorrendvezérlő egység. A processzor tartalmaz még egy memóriakezelő egységet is. A processzor egy szuperskalár eszköz, amely egyszerre több utasítást képes előkészíteni és feldolgozni párhuzamosan. Ez úgy éri el, hogy az utasításokat a 3 független végrehajtóegység felé (IU, FPU, BPU) továbbítja. A 3 fő végrehajtóegység 3 saját futószalaggal rendelkezik, amelyeknek első fokozata közös – ez maga az utasítás-előkészítő egység, amely szoros kapcsolatban van az elágazásfeldolgozó egységgel. Az elágazásfeldolgozó futószalag 2, az egész típusú/integer utasítás-futószalag 4, a memória-futószalag 5 (a betöltő/tároló utasítások számára), a lebegőpontos futószalag 6 fokozat hosszú. – előadás, 10. dia

Elsőként az IBM rendszerekben bocsátották ki, 1993 őszén. Az IBM PPC601, a Motorola MPC601 néven forgalmazta. 50-től -ig terjedő sebességen működik. -es CMOS folyamattal, négy alumínium-rétegű fémezéssel készült. A lapka felülete , amelyen tranzisztort tartalmaz. A 601-nek egy 32 KiB egyesített L1 gyorsítótára van, ez a kapacitás nagynak számított abban az időben a lapkára integrált gyorsítótárak között. A 601-es nagy teljesítményű processzornak számított a szegmensében, főleg a nagy gyorsítótárnak köszönhetően, felülmúlva a konkurens Intel Pentium (Intel P5) processzort. A PowerPC 601-et az Apple első Power Macintosh számítógépeiben használták, valamint az IBM és a Groupe Bull különféle RS/6000 munkaállomásaiban és SMP szervereiben.

A 601 és 601+ mikroprocesszorok egyedüli gyártója az IBM volt, a processzort a vermonti Burlington és New York-i East Fishkill városokban levő üzemeiben gyártották. A 601 az IBM CMOS-4s folyamatával, a 601+ az IBM CMOS-5x folyamatával készült. Egy nagyon kis számú 601 és 601+ processzort átcímkéztek: Motorola logókkal és alkatrész-számokkal látták el őket és így terjesztették a Motorolán keresztül. Ezt az akciót mostanra már nehéz nyomon követni, a megjelent sokféle „Motorola MPC601” kép miatt, de nevezetes a Motorola marketing-eredménye, mikor 1994-ben a Time magazin címlapjára került 601-es szintén Motorola jelzéseket viselt. thumb|right|IBM gyártmányú 90 MHz-es PowerPC 601v – megfigyelhető a valamivel kisebb lapkaméret

PowerPC 601v

1994-ben bemutatták a 601 egy frissített változatát, a PowerPC 601v vagy PowerPC 601+ processzorokat, amelyek 90-től -ig terjedő órajeleken működnek. Ezeket egy újabb -es négy fémrétegű CMOS folyamattal gyártották, ami egy méretű lapkát eredményezett. A 601+ kialakítás a gyártási folyamat CMOS-4s-ről CMOS-5x-re történő átalakítás eredménye volt, egy az IBM-en belüli tervezőcsapat munkája. Hogy elkerüljék a piacra kerülési időt növelő késedelmeket, melyek a kialakításbeli változtatások következményeiként lépnek fel a tervezőeszközökben és a gyártástechnológiában elkerülhetetlen további változtatások miatt, a cég úgy döntött, hogy mind a 601(v), mind a 601+ processzorokat az IBM EDA eszközeivel tervezik, IBM rendszereken, és kizárólag IBM létesítményekben gyártják.

Allen, M.; Becker, M. (February 1993). "Multiprocessing Aspects of the PowerPC 601 Microprocessor". Proceedings of Compcon. pp. 117–126. Becker, Michael K. et al. (September 1993). "The PowerPC 601 Microprocessor". IEEE Micro. pp. 54–68. Moore, C.R. (February 1993). "The PowerPC 601 Microprocessor". Proceedings of Compcon. pp. 109–116. PowerPC 601 Whitepaper Az Ars Technica cikke

PowerPC 603

A PowerPC 603 volt az első, a teljes 32 bites PowerPC Architektúra specifikációt implementáló (azt maradéktalanul megvalósító) processzor. Alacsony költségű alsó kategóriás/belépő szintű processzornak szánták, hordozható és beágyazott rendszerekben történő felhasználásra. Fő jellemzője a többfokozatú beépített teljesítmény- és energiafelhasználás-szabályozó rendszer (doze – szendergés, nap – szundikálás és sleep – alvó üzemmód), amely a hordozható eszközökben történő felhasználást segíti és képes az energiafelhasználás drámai csökkentésére, így a processzor mindössze -ot fogyaszt alvó üzemmódban.

A 603-nak négyfokozatú futószalagja és öt végrehajtóegysége van: fixpontos egység, lebegőpontos egység, elágazásjósló egység, betöltő-tároló egység és egy rendszer registry egység. Két külön 8 KiB-os L1 gyorsítótárat alkalmaz az utasítások és adatok számára, egy 32/64 bites 60x memóriasínnel rendelkezik, amely max. -en működhet. A síncsatlakozó lehetővé teszi, hogy a sín frekvenciája a processzor órajel-frekvenciájával megegyező, ill. annak fele, harmada vagy negyede legyen. A 603 magot egyprocesszoros rendszerekhez tervezték, nem rendelkezik többprocesszoros működéshez (SMP) szükséges hardvertámogatással.

A PowerPC 603 tranzisztorból áll, az IBM és a Motorola gyártotta egy -es négy fémrétegű CMOS folyamattal. A lapka területe , fogyasztása 3 W -en. A 603 architektúra közvetlen elődje a PowerPC 750 architektúrának, melyet az Apple a PowerPC „G3” néven forgalmazott.

Alsó kategóriás és hordozható Macintosh modellekben használták, de széles körben használták még különböző beágyazott készülékekben is. A processzornak viszonylag rossz híre volt az Apple gépek körében, mivel a 68k emulációs szoftver nem fért bele a viszonylag kicsi gyorsítótárakba, ezzel korlátozta az elérhető teljesítményt a régebbi szoftverekben. Ez a gyenge teljesítmény elfogadhatatlanná tette laptop CPU-ként való felhasználását is, így nem is készült ilyen gép, és ez késleltette az Apple PowerBook 5300 és PowerBook Duo 2300 bevezetését.

IBM white paper a PowerPC 603-ról

PowerPC 603e és 603ev right|thumb|180px|IBM PPC603ev, 200 MHz