VAX

VAX – architektura procesorów opracowana przez firmę Digital; także seria komputerów bazujących na tej architekturze. Ta 32-bitowa architektura opracowana została, aby zastąpić różne (wzajemnie niezgodne) architektury komputerów serii Programmed Data Processor (PDP).

DEC VAX

Typ	32-bity
Premiera	1977
Procesor	VAX (CISC, pamięć wirtualna)
System operacyjny	VAX/VMS, Ultrix, BSD UNIX, VAXELN

Głównymi cechami architektury VAX-owej była obsługa wirtualnej pamięci implementowanej metodą stronicowania i tzw. ortogonalny zestaw instrukcji^[1]. VAX odbierany był jako kwintesencja CISC: posiadał bardzo dużą liczbę trybów adresowania i instrukcji maszynowych, włączając obsługę tak złożonych zagadnień jak dodawanie/usuwanie elementów kolejki.

Nazwa

Nazwa VAX jest skrótem od Virtual Address eXtension (od ang. Rozszerzenie o Adresy Wirtualne) i były ku temu dwa powody: po pierwsze, komputery te były jednymi z pierwszych używającymi wirtualnej pamięci, a po drugie dlatego, że VAX był 32-bitowym rozszerzeniem starszego 16-bitowego komputera PDP-11. Pierwsze wersje VAX-a miały nawet tryb wstecznej zgodności, emulujący wiele spośród instrukcji starego PDP, w szczególności VAX-11, którego nazwa odnosiła się właśnie do rzeczonej zgodności. Późniejsze wersje przerzuciły tę funkcjonalność (jak i wiele z rzadziej używanych instrukcji CISC-owych) na system operacyjny.

Systemy operacyjne

Domyślnym systemem operacyjnym był VAX/VMS (później przemianowany na OpenVMS, przeniesiony na Alphę)^[2]. Architektura VAX i system operacyjny VMS były projektowane równolegle, aby najlepiej wykorzystać ich zalety: podobna historia powtórzyła się przy projektowaniu rozwiązania VAXcluster. Inne systemy operacyjne na VAX-a to Unix BSD, w różnych wydaniach włączając 4.3BSD, Ultrix-32, VAXELN i Xinu. Z nowszych warto wymienić NetBSD i OpenBSD obsługujące różne komputery VAX, a także pewne działania mające przystosować Linuxa do pracy na VAX-ach.

Historia

VAX-11/780

Pierwszą wprowadzoną na rynek maszyną VAX był VAX-11/780 pokazany akcjonariuszom Digitala 25 października 1977 r.^[3] Za architekturę odpowiedzialny był Bill Strecker, doktorant Gordona Bella^[4] na Uniwersytecie Carnegie Mellon^[5]. Powstało wiele modeli VAX różniących się wydajnością, funkcjonalnością i cenami. Superminikomputery VAX osiągnęły znaczną popularność w latach 80. XX w.

Przez pewien czas VAX-11/760 był punktem odniesienia w benchmarkowaniu procesorów, ponieważ jego szybkość wynosiła około 1 MIPS. Co ciekawe: rzeczywista liczba instrukcji wykonywanych w ciągu sekundy przez ten komputer była bliższa 500.000. Jako że jeden MIPS VAX-owy równał się prędkości VAX-11/760, komputer o wydajności 27 MIPS-ów VAX-owych wykonywałby ten sam program około 27 razy szybciej niż VAX-11/760. W obrębie społeczności Digitalowej częściej nazywano tę miarę VUP (VAX Unit of Performance – ang. VAX-owa Jednostka Wydajności), ponieważ MIPS-y jako takie nie są porównywalne między różnymi architekturami. Powiązanym z tym pojęciem jest cluster VUP, używany przy pomiarze wydajności rozwiązań VAXcluster. Wydajność tego komputera dalej jest podstawą w benchmarku BRL-CAD-a, narzędziu do analizy wydajności dołączonym do tego pakietu.

VAX 8350 – otwarty

VAX miał wiele różnych implementacji. Oryginalny CPU wykonany był w technologii TTL i zajmował więcej niż jedną szafę. Były też układy zbudowane z wielu macierzy bramek logicznych typu ECL lub technologii macrocell array włączając superminikomputery VAX 8600 i 8800, jak i mainframe’a VAX 9000. CPU zbudowane z zestawów układów scalonych w technologii MOSFET znalazły zastosowanie w maszynach 8100 i 8200.

Ze znaczną zmianą w obrębie architektury VAX wiązał się komputer MicroVAX I: w czasie jego wprowadzenia na rynek technologia nie pozwalała jeszcze na zaimplementowanie pełnego zestawu instrukcji VAX jako pojedynczego układu VLSI (ani nawet jako zestawu układów VLSI, jak uczyniono to w procesorze V-11 systemów 8200 i 8300). Postanowiono więc zaimplementować najbardziej złożone elementy modelu programowego jako oprogramowanie emulujące pozostawiając sprzętową implementację jedynie najpotrzebniejszych operacji. Ten nowy podział znacznie ograniczył złożoność mikrokodu VAX-a, i był nazywany architekturą „MicroVAX”. W komputerze MicroVAX I ALU i rejestry zaimplementowane były na jednej macierzy bramek, a cała reszta funkcji kontrolnych przy pomocy konwencjonalnych układów logicznych.

Implementacja pełnego VLSI to mikroprocesor MicroVAX-a II: 78032 (lub DC333) CPU oraz 78132 (DC335) FPU. Był to jednocześnie pierwszy mikroprocesor wyposażony w MMU^[6]. MicroVAX II zbudowany był na bazie pojedynczej płyty procesorowej i obsługiwał system operacyjny MicroVMS lub Ultrix-32. Miał 1 MB wbudowanej pamięci i wykorzystywał szynę Q-22 z obsługą DMA. Liczni następcy MicroVAX-a II mieli znacznie poprawioną wydajność i pojemność pamięci.

Kolejne VAX-owe procesory VLSI to wyżej wymieniony V-11, CVAX, „SOC” (System on Chip, z ang. „System w jednym układzie”, czyli CVAX zbudowany w postaci jednego układu scalonego), Rigel, Mariah i NVAX. Mikroprocesory VAX rozwinęły się w niedrogie stacje robocze i zastąpiły bardziej rozbudowane modele VAX-ów. Tak szerokie spektrum typów komputerów (od mainframe do stacji roboczych) opartych na jednym modelu programowym nie było w tamtych czasach powszechne. Na procesorach CVAX były wymalowane różne ciekawe obrazki: na uwagę zasługuje napis „CVAX, jeśli zależy wam na tyle, że kradniecie to, co najlepsze” w łamanym rosyjskim, adresowany do inżynierów sowieckich, którzy dokonywali wstecznej inżynierii kradzionych komputerów DEC dla zastosowań wojskowych^[7][8].

Ostatecznie architekturę VAX zastąpiły technologie RISC. W 1989 r. Digital wprowadził linie serwerów i stacji roboczych w architekturze MIPS (odpowiednio DECsystem i DECstation). W 1992 r. Digital wprowadził własną architekturę RISC, Alpha AXP, przemianowaną później na Alpha, i własny układ DECchip 21064: szybki, 64-bitowy procesor zdolny do obsługi systemu operacyjnego OpenVMS.

W sierpniu 2000 roku Compaq ogłosił, że VAX-y przestaną być oferowane klientom^[9]. W 2005 r. zakończona została produkcja komputerów VAX, ale stare maszyny są jeszcze w użyciu. W dalszym ciągu dostępne są programowe emulatory VAX-a: SRI CHARON-VAX oraz SIMH.

Architektura procesora

Architektura procesora w skrócie
Nazwa	VAX
Projektant	Digital Equipment Corporation
Liczba bitów	32
Rok wprowadzenia	1977
Typ	CISC, Pamięć-pamięć
Wielkość rozkazów	różna (od 1 do 321 bajtów)
Kolejność bajtów	Little endian
Rozszerzenia	VAXvector
Liczba rejestrów	16

Mapa pamięci wirtualnej

Pamięć wirtualna komputera VAX podzielona była na 4 sekcje po 1 GB każda (gigabajt w tym kontekście oznacza 2³⁰ bajtów):

Sekcja	Zakres adresów (szesnastkowo)
P0	0x00000000 – 0x3fffffff
P1	0x40000000 – 0x7fffffff
S0	0x80000000 – 0xbfffffff
S1	0xc0000000 – 0xffffffff

W systemie operacyjnym VMS P0 była używana na procesy w przestrzeni użytkownika, P1 na stos, S0 na system operacyjny, a S1 była zarezerwowana.

Poziomy uprzywilejowania

VAX korzystał z czterech poziomów (trybów) uprzywilejowania:

Lp.	Tryb	Użycie w systemie VMS	Uwagi
0	Kernel	Jądro systemu operacyjnego	Najwyższy poziom uprzywilejowania
1	Executive	System plików
2	Supervisor	Powłoka (DCL)
3	User	Zwykłe programy	Najniższy poziom uprzywilejowania

Rejestr stanu procesora

CM	TP	MBZ	FD	IS	cmod	pmod	MBZ	IPL	MBZ	DV	FU	IV	T	N	Z	V	C
31	30	29	27	26	25	23	21	20	15	7	6	5	4	3	2	1	0

Bity	Nazwa	Komentarz
31	PDP-11 compatibility mode	ang. tryb zgodności z PDP-11
30	trace pending	dotyczy śledzenia wykonania programu
29:28	MBZ (must be zero)	zawsze zero
27	first part done (interrupted instruction)	dotyczy przerwania[10]
26	interrupt stack	stos przerwania
25:24	current privilege mode	obecny poziom uprzywilejowania
23:22	previous privilege mode	poprzedni poziom uprzywilejowania
21	MBZ (must be zero)	zawsze zero
20:16	IPL (interrupt priority level)	granica poziomu priorytetu dla przerwań[11]
15:8	MBZ (must be zero)	zawsze zero
7	decimal overflow trap enable	sterowanie zachowaniem w przypadku przepełnienia w przypadku operacji dziesiętnych[12]
6	floating-point underflow trap enable	jw., ale dotyczy operacji zmiennoprzecinkowych
5	integer overflow trap enable	jw., ale dotyczy zwykłych operacji całkowitoliczbowych
4	trace	śledzenie wykonania
3	negative	wynik ostatniej ujemny
2	zero	wynik ostatniej operacji zerowy
1	overflow	czy nastąpiło przepełnienie?
0	carry	bit przeniesienia

Komputery w technologii VAX

Pierwszym był VAX-11/760 z rodziny VAX-11, we wczesnych latach 80. został on zastąpiony przez high-endowy VAX 8000. Również w latach 80. do rodziny VAX dołączył MicroVAX i VAXstation. Następcą MicroVAX-a był VAX 4000, a VAX 8000 – VAX 6000. W późnych latach 80. zaprezentowano system klasy mainframe, VAX 9000. Na początku lat 90. wprowadzono odporne na awarie komputery VAXft i zgodne z Alphą VAX 7000/10000. Wiele maszyn VAX było również sprzedawanych w wersji VAXserver.

Projekty porzucone

Nie udało się ukończyć projektu BVAX high-endowego VAX-a w technologii ECL. Takoż nie wprowadzono w życie dwóch innych ECL-owych projektów: „Argonaut” i „Raven”^[13]. Nigdy nie dostarczono także VAX-a znanego jako „Gemini” (który był projektem awaryjnym na wypadek porażki systemu Scorpio).

Klony

Istniały liczne „klony”, zarówno autoryzowane, jak i pirackie. Wśród nich wymienić warto:

• Klony wczesnych VAX-ów produkowane przez Systime Ltd z Wlk. Brytanii. Na przykład Systime 8750 (odpowiednik komputera VAX 11/750)^[14].
• Odporne VAX-y odpowiadające specyfikacjom wojskowym oferowane przez Norden Systems jako MIL VAX^[2].
• Węgierskie klony budowane przez Narodowy Instytut Badań Fizycznych (KFKI). Były to klony wczesnych VAX-ów, i nazwane były TPA-11/540, /560 i /580^[15].
• SM 52/12^[16] z Czechosłowacji: opracowane przez VUVT w Żylinie i produkowane od 1986 r. przez ZVT w Bańskiej Bystrzycy.

Fotografie

• 
• 
•