PowerPC - Apple

Inhaltsverzeichnis

PowerPC

Entstehung

Idee

Technologie

RISC-Technologie

Die POWER-Architektur

Speicherhierarchie

Sprungvorhersage

Interner Aufbau

Die Vorteile der PowerPC Technologie

Apple

Geschichte

Technologie

2.2.1 QuickTime

2.2.2 Java-Technologie

iMac

Kriterien

Einsatzbereiche

2.6 Produkte

Anhang: Preisliste Apple Produkte

1. PowerPC

1.1 Entstehung

Der PowerPC ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit von IBM, Motorola und Apple. Es handelt sich um einen reinen RISC-Mikroprozessor, der aus dem - von IBM entwickelten - POWER-Konzept weiterentwickelt wurde. Als solcher enthält er die typischen RISC-Merkmale, wie feste Befehlslänge, reduzierte Befehlsanzahl und Superskalar-Pipelines.

Der PPC601 beinhaltet im Wesentlichen 3 parallele Befehlseinheiten - Fixed Point Unit, Floating-Point Unit und Branch Unit. Beim PPC603 kommt noch eine Load/Store Unit hinzu und beim PPC604 werden 2 weitere Integer Units verwendet, was eine zusätzliche Performance Steigerung bewirkt. Der anfängliche Befehls- und Datencache wurde später, wieder aus Geschwindigkeitsgründen getrennt in einen eigenen Daten-Cache und einen eigenen Befehls-Cache.

1.2 Idee

Die Grundidee des PowerPC ist der Versuch die Vorteile der verschiedenen PC und Mac-Welten nutzen zu können. Dies soll erreicht werden durch die Möglichkeit der Ausführung verschiedener Betriebssysteme, wie MacOS, AIX (Unix), OS/2 und WindowsNT auf einem einzigen PowerPC. Damit wäre es möglich die Hard- und Software beider Welten zu nutzen. Ein Schritt in diese Richtung stellt das Konzept der PowerPC Plattform dar, die im Wesentlichen aus einem Mikroprozessor der PowerPC-Familie und mehreren Control-Chips besteht. Diese Control-Chips bilden die Schnittstelle zu den verschiedenen Systemen.

Performance ist nicht das einige Kriterium, das man in Betracht zieht, wenn man ein Computersystem kauft. Man kauft Systeme um die Produktivität der Mitarbeiter zu steigern und die Kosten zu senken. Eine Möglichkeit dies zu erreichen hängt von der  Anzahl der verschiedenen Tasks ab, die ein System gleichzeitig bearbeiten kann. Man bevorzugt daher Systeme, für die ein weites Spektrum an Applikationen vorhanden ist.

1990 konkurrierten 5 Architekturen am Markt. Es war unübersehbar, dass alle 5 am Markt erfolgreich sein würden. Der Anwendungsmarkt würde weniger attraktiv sein, wenn die Anwendungsentwickler in 5 Architekturen zerteilt sein würden, weil jede Version eines Anwendungsprogrammes weniger Kunden angesprochen hätte.

Zusätzlich haben Kunden gemerkt, dass Multiprozessorsysteme besser wären, weil sie ein besseres Preis-Leistungsverhältnis und eine höhere Performance wie Einzelprozessorsysteme bieten. Deswegen bildeten Apple, Motorola und IBM eine Gemeinschaft, welche die POWER-Architektur entwickelten.

Technologie

1.3.1 RISC Technologie

RISC bedeutet wörtlich übersetzt: Reduced Instruction Set Computer. Im Vergleich zur bisher verwendetem CISC (Complex Instruction Set Computer) bedeutet dies, dass der Befehlssatz massiv gekürzt wurde. Dies heißt wiederum, dass dadurch die Geschwindigkeit gesteigert wird, ähnlich eines Coprozessors. Da die PowerPC Prozessoren durch den RISC-Befehlssatz nicht kompatibel zu den CISC Prozessoren sind heißt das aber, dass die Software angepaßt werden muss.

Der PowerPC ist ein 32 Bit RISC Prozessor. Er ist superskalar und kann gleichzeitig die Abarbeitung von bis zu 4 Instruktionen starten und bis zu 6 Instruktionen beenden. Er besteht aus 3 Integer (2 SingleCycle, 1 MultiCycle), BranchProcessingUnit (BPU), LoadStoreUnit (LSU), FloatingPointUnit (FPU).

Befehle werden wie folgt abgearbeitet:

InstructionFetch. Laden aus Cache in DecodeQueue, bestimmen welcher Befehl anschließend ausgeführt wird (BranchPrediction)

InstructionDecode. Zeitkritische Dekodierarbeit

InstructionDispatch. Nicht zeitkritisches Dekodieren, Ausfindigmachen der richtigen ExecutionUnit, Bereitstellen von RenameBuffer und ReorderBuffers

Execute. Sechs Execute Einheiten (s. Abb.). Schreibt Ergebnis in RenameBuffer und benachrichtigt Completition

Completation. Entfernen der Instruktion vom ReorderBuffer, melden von Exceptions, zurückschreiben der RenameBuffer, Abbrechen von falsch ausgeführten Sprungvorhersagen.

1.3.2 Die POWER-Architektur

1991 entwickelten Prozessorarchitekten, Compilerexperten, Betriebssystemhersteller, Prozessordesigner, Systemarchitekten und Systemdesigner der drei Unternehmen eine Architektur, die den Wünschen der Unternehmen entsprachen. Weil es in der nötigen Zeit unmöglich gewesen wäre eine komplett neue Architektur zu entwickeln die den Wünschen der Kunden entsprach, verwendeten die Entwickler die POWER Architektur als Grundlage. Sie machten dann Anderungen um bestimmte Ziele zu erreichen.

Eine weite Spanne von low-cost bis zu high-performance Prozessoren

Genügend einfach um Prozessoren zu erzeugen, die eine kurze Umlaufzeit haben

Multiprozessorfeatures

Definieren einer 64-Bit-Architektur, die auf der 32-Bit-Architektur aufbaut, um Kompatibilität zur 32-Bit-Architektur zu gewährleisten.

Bei der Analyse der Applikationsprogramme und Betriebssysteme fand die Architektengruppe einen Konsens bei der Definition der PowerPC Architektur. Diese Architektur erreicht die vorhin genannten Ziele und erreichten, dass die POWER Kunden ihre existierenden Applikationen auf den neuen Systemen und die neuen Anwendungen auf ihren alten Systemen anwenden konnten.

Die PowerPC Architektur beinhaltet die meisten POWER Instruktionen. Fast alle herausgenommenen POWER Instruktionen können in der PowerPC Architektur durch andere Befehle ersetzt werden.

Der erste PowerPC Prozessor, der 601, implementiert alle bis auf zwei der POWER Instruktionen. Ein Ziel dieses Prozessors war es, den Applikationsverkäufern mehr Zeit zu geben um ihre Programme für die PowerPC Systeme neu zu kompilieren. Die meisten POWER Applikationen liefen gut auf den 601 basierenden Systemen.

Die PowerPC Architektur ist eine 64-Bit-Architektur. Diese Architektur verwendet 64-Bit-Adressierung und 64-Bit-Fixpunktberechnungen und unterstützt das dynamische Umschalten vom 64 Bit Modus in den 32 Bit Modus. Im 32 Bit Modus führt ein 64 Bit PowerPC Applikationen, die für die 32-Bit-Architektur kompiliert wurden aus.

1.3.3 Speicherhirarchie

Der Prozessor arbeitet intern mit 52 Bit virtuellen Adressen. Diese werden durch eine MMU (Memory Management Unit) in 32 Bit  physikalische Adressen umgesetzt. Dahinter gibt es einen 2x16kB großen First Level Cache.

MMU: Die Pagegröße beträgt 4kB. Die im Prozessor liegenden TLBs (einer für Daten, einer für Instruktionen) sind 128 Einträge groß und 2 Wege assoziativ. Auf beide kann parallel zugegriffen werden.

First Level Cache: Es gibt getrennte Daten und Instruktionscaches. Beide sind 16kB groß und sind als 4-Wege 8-Wort Assoziativcaches mit LRU Algorithmus aufgebaut.

Über die BusInterfaceUnit wird auf den Speicher zugegriffen, dabei werden in den Cache jeweils 32 Byte gelesen.

1.3.4 Sprungvorhersage

Die Sprungvorhersage erfolgt spekulativ anhand eines 64 Einträge umfassenden vollassoziativen BranchTargetBuffer und einer 512 Einträge umfassenden BranchHistoryTable, die 2 Bit für in 4 Ebenen gewichtete Annahmen bezüglich der Sprungwahrscheinlichkeit beinhaltet:

StronglyTaken (wird sehr wahrscheinlich angesprungen)

Taken (wird wahrscheinlich angesprungen)

NotTaken (wird wahrscheinlich nicht genommen)

StronglyNotTaken (wird sehr wahrscheinlich nicht genommen)

1.3.5 Interner Aufbau

Der PowerPC unterscheidet 3 verschiedene Ebenen im Befehlssatz:

UserInstructionSetArchitecture (UISA), die den Standardbenutzerumfang des Befehlssatzes und der Register bereitstellt

VirtualEnvironmentArchitecture (VEA), die zusätzliche, weniger gebräuchliche Teile des Befehlssatzes, wie z.B. Multiprocessing, zur Verfügung stellt

OperationgEnvironmentArchitecture (OEA), die den Supervisorbefehlssatz und -register beinhaltet

Als Register stehen im PowerPC zur Verfügung:

32 GeneralPurposeRegisters (GPRs), 32 Bit, dazugehörig 12 RenameBuffers

32 FloatingPointRegisters (FPRs). 64 Bit, dazugehörig 8 RenameBuffers

ConditionRegister (CR), 32 Bit, acht 4-Bit-Felder für Resultate verschiedener Operationen

Floating-Point Status and Control Register (FPSCR), für ExceptionBits, etc. Der FP-Operationen

MachineStateRegister, Supervisorlevel, definiert den Prozessorstatus, gesichert vor ExceptionHandling, nach Abschluß desselben wieder hergestellt

Fließkommazahlen werden intern gemäß des IEEE 754-1985 Standards dargestellt, wobei aus Geschwindigkeitsgründen auch auf diverse Standards verzichtet werden kann.

1.3.6 Die Vorteile der PowerPC Technologie

Die Prozessoren zeichnen sich vorallem durch ihre extrem kleine Stromaufnahme aus, die dadurch eine sehr kleine Wärmeentwicklung vorweisen. Auch sind sie untereinander auch Software kompatibel, was die Software wie auch die Hardwareentwicklung vereinfacht. Ein weiteres Highlight ist das Superscalar. Damit wird erreicht, dass der Prozessor mehrere Befehle gleichzeitig verarbeiten kann.

2. Apple

2.1 Geschichte

Die Idee der Gründer, einen benutzerfreundlichen Personal Computer "for the rest of us" zu entwickeln, schien zu einer Zeit teurer Großrechner mehr als utopisch zu sein.

Apple wurde am 1. April 1976, mit Sitz in Palo Alto, Kalifornien, gegründet. Seither hat Apple in vielen Bereichen Pionierarbeit geleistet und Maßstäbe für eine menschlichere Technik gesetzt.

Meilensteine der Firmengeschichte:

April 1976: Der Apple I wird im Homebrew Computer Club vorgestellt. Der 6502-Prozessor verfügt über eine Taktfrequenz von 1,023 MHz und 4 KByte RAM. Sein Preis 666,66 US-Dollar

April 1977: Der Apple II präsentiert sich mit Farbgrafikdarstellung.

Dezember 1980: Apple geht an die Börse.

Jänner 1983: Die "Lisa" mit graphischer Benutzeroberfläche und Motorola 68000

Prozessor wird vorgestellt.

Juni 1983: Der 1.000.000ste Apple II verläßt die Produktion

Januar 1984: während des SuperBowls schaltet Apple einmalig seinen

aufsehenerregenden Werbespot '1984' zur Einführung des Apple Macintosh.

September 1992: Apple startet seine Macintosh Performa Linie für den           Heimbereich.

Februar 1993: der 10.000.000ste Apple Macintosh läuft vom Band.

Mai 1993: Apple setzt erstmalig die RISC-basierte PowerPC Prozessorfamilie für die neuen PowerMac Modelle ein.

August 1993: Apple stellt das völlig neuartige Newton-Konzept mit integrierter Handschriftenerkennung vor.

September 1994: Apple gibt das Betriebssystem Mac OS zur Lizensierung           frei.

Januar 1996: erste öffentliche Demonstration des Mac OS auf der PowerPC           Plattform (CHRP).

November 1996: der 26.000.000 Macintosh wird produziert. Weltweit arbeiten ca. 60.000.000 Menschen am Mac.

Januar 1997: Apple erwirbt NeXT Software und kündigt unter den Namen 'Rhapsody' die Entwicklung einer neuen Betriebssystem-Generation an.

August 1997: Apple stellt Mac OS 8 vor, das sich in den ersten Wochen über 2 Millionen mal allein in den USA verkauft.

September/Oktober 1997: Apple liefert termingerecht die ersten         Entwicklerversionen von Rhapsody und der 'Yellow Box' an über 10.000 Entwickler aus.

November 1997: Apple stellt die populäre Power Macintosh G3-Linie vor

Mai 1998 Es werden die PowerBooks mit dem leistungsfähigen G3-Prozessor ausgeliefert. Mit dem 'AppleStore' bietet Apple seinen Kunden (beginnend mit den USA) die Möglichkeit, online zu bestellen.  Auf der Entwicklerkonferenz stellt Steve Jobs die modifizierte Betriebssystemsstrategie vor: 'Rhapsody' wird künftig 'Mac OS X' heißen und deutliche Erleichterungen für Entwickler bringen, daneben wird das bisherige Mac OS weiterentwickelt.

August/September 1998: Mit dem Apple iMac stellt Apple einen           aufsehenerregenden Internet-Computer für Heimanwender vor.

Technologie

2.2.1 QuickTime

Multimedia ist, wenn sich alles am Computer bewegt und dazu auch noch Geräusche vorhanden sind. Wie bringt man aber Video, Sound, Animationen und ganze Arrangements dieser Elemente auf den Computer, ohne die Kapazitäten des Rechners zu sprengen und ohne den Anwender mit hochkomplizierter Technologie zu belasten?

Die Antwort darauf ist QuickTime. QuickTime ist eine Technologie, die es Entwicklern ermöglicht, existierende Programme mit multimedialen Fähigkeiten auszustatten oder völlig neue Anwendungen zu erschaffen.

Durch Quicktime kann man heute Videosequenzen mit 30 Bildern pro Sekunde in voller Auflösung ansehen, Musikstücke in CD-Qualität anhören oder Animationen auf dem Computer betrachten. Als Anwender merkt man nicht einmal, welche Technologie dahintersteckt, denn die QuickTime Grundausstattung ist Bestandteil des Macintosh Betriebssystems und die Entwicklung weiterer QuickTime Komponenten geht immer weiter.

Mit QuickTime VR ist das Erstellen von virtuellen Umgebungen aus normalen Photos möglich. Es kann auch die freie Navigation/Interaktion in diesen künstlichen Räumen erreicht werden.

Mittels QuickTime Conferencing ist der Austausch von Video- und Audiodaten über Netzwerke - dazu zählt selbstverständlich das Internet - in Echtzeit möglich.

QuickTime ist aber auch die Basis, wenn man mit dem Macintosh seine eigenen Videos einspielen, bearbeiten und wieder ausgeben möchte. Durch die eingebauten Kompressionstechniken bleiben auch die Datenmengen in einem erträglichen Rahmen.

Ein kleines Beispiel: Beethovens 5. Symphonie nimmt in CD-Qualität gut und gern 300 Megabyte in Anspruch. Als QuickTime-Datei, natürlich ebenfalls in digitaler Qualität, reicht der Platz auf einer Diskette.

Auch um die nötige Systemaufrüstung für die QuickTime-Erweiterungen muss sich der Anwender keine Gedanken machen: Die Hersteller der Software - Spiele, Videoschnittsysteme, Videokonferenz-Produkte, etc. - versorgen den Anwender automatisch mit allem Notwendigen.

Das alles gilt nicht nur für den Macintosh, sondern auch für andere Plattformen wie DOS/Windows oder Unix, denn auch hier hat man die Leistungsfähigkeit der QuickTime-Technologie erkannt und in die Umgebungen und Produkte implementiert.

2.2.2 Java-Technologie

Apple und Microsoft haben eine gemeinsame Java-Technologie für die Macintoshplattform entwickelt.

Beide Unternehmen Apple Computer und Microsoft haben ihre Java-Technologien verschmolzen, um eine einheitliche Java Virtual Machine (VM) für das Mac OS zu entwickeln. Die neue, einheitliche Java VM um eine Reihe von Microsoft-Technologien für Java ergänzt werden.

Derzeit besitzen Apple und Microsoft eigene Java VMs für das Mac OS. Die vereinbarte Kooperation hat bessere Performance, höhere Stabilität und Funktionalität von Java für den Macintosh sowie eine größere Übereinstimmung in den Java-Implementierungen von Mac OS- und Windows-basierten Personal Computern zur Folge.

Damit können Entwickler Programme schreiben, die alle Fähigkeiten von Java mit den Möglichkeiten und der Leistungsfähigkeit des Mac OS kombinieren.

Die Zusammenarbeit zwischen Apple und Microsoft erlaubt es, eine Java-kompatible Virtual Machine mit zusätzlichen Microsoft-Technologien zu entwickeln, um den Anwendern die bestmögliche Java-Performance zur Verfügung zu stellen.

Macintoshanwender und -entwickler haben schon bisher viele Vorteile aus Microsofts innovativen Technologien gezogen. Die verstärkte Zusammenarbeit mit Apple führt zu einer noch besseren Java-Implementation des Microsoft Internet Explorers.

Um eine noch höhere Kompatiblität und Konsistenz von Java-Applets zu erreichen, tauschen Apple und Microsoft ihre Kompatibilitäts-Testverfahren aus.

iMac

Apple hat einen Computer entwickelt, mit dem man schnell und einfach auf das enorme Potential des Internet zugreifen kann.

Die Ausstattung:

Der iMac wird mit folgenden Komponenten geliefert:

233 MHz PowerPC G3 Prozessor

32 MB SDRAM

4 GB Harddisk

24fach CD-ROM Laufwerk

integriertes 56K Modem

10/100BaseT Ethernet Anschluß

eingebauter USB-Anschluß (Universal Serial Bus) mit 12 Mbit/Sek.

Mac OS 8.1

umfangreiches Softwarepaket

Verfügbare Peripheriegeräte

Der iMac USB-Anschluß ermöglicht den Anschluß zahlreicher Peripheriegeräte, einschließlich Drucker, Festplattenlaufwerke, Scanner, Kameras, Spielkonsolen und vieles mehr.

Weitere Merkmale:

Sehr schnelle Netzwerkunterstützung für LAN-Netzwerke oder Internet

2D/3D-Grafikbeschleunigung für professionelle Multimedia-Funktionalität

Hochqualitativer, flimmerfreier Monitor

höhenverstellbare, platzsparende Tastatur

Kriterien

Computer

Leistung und Geschwindigkeit

Speichermedien

Video

Erweiterbarkeit

Kommunikation und Netzwerk

Kompatibilität

MacOS Systemversion

Schnittstellen

PowerBook

Technologie

Design

Erweiterungsmöglichkeiten

Bildschirm

Batterie

Schnittstellen

Größe und Gewicht

Monitore

Bildqualität

Ergonomisches Design

Kompatibilität

Bildröhre

Auflösung

Strahlungsintensität

Drucker

Druckqualität

Druckgeschwindigkeit

Anwenderfreundlichkeit

Speicher

Seitenbeschreibungssprachen

Zeichensätze

Papier

Lebensdauer

Newton

Funktionen und Module

Kommunikationsfunktionen

Erweiterungsoptionen

Abmessung

Stromversorgung

Computeranbindung

2.5 Einsatzbereiche

Einsatz des Macintosh im Musikunterricht

Konzept zur Durchführung von computerunterstütztem Einzelunterricht

Eine einfache Möglichkeit, den Macintosh im Musikunterricht einzusetzen ist, wenn jedem Schüler ein Arbeitsplatz zur Verfügung steht. Soundkarten sind im Gegensatz zu anderen Computern nicht erforderlich, da der interne Soundchip eines Macs von verschiedenen Programmen angesprochen wird.

Eine der wichtigsten Voraussetzungen des sinnvollen Einsatzes von Musiksoftware ist eine möglichst einfache Handhabung dieser Programme. Der Schüler muß nach einer kurzen Einführung selbständig arbeiten können.

Mit der Apple-Systemerweiterung QuickTime Musical Instruments ist es möglich, MIDI-Files abzuhören. Diese MIDI-Files können in verschiedenen Sequenzer- und/oder Notationsprogrammen, die QuickTime ansprechen, nach verschiedenen Ansätzen bearbeitet werden.

Gute Erfahrungen wurden mit dem Programm Music Time 2.0 gemacht. Es bietet die Möglichkeit, über Tastatur (in Echtzeit) wie auf einem MIDI Keyboard Musikstücke einzuspielen.

Da der Apple-Schulcomputer serienmäßig mit einem CD-ROM-Laufwerk ausgestattet ist, läßt sich ferner Multimedia-Software einsetzen, die von Schüler nach einer kurzen Einführung angewendet werden kann.

Konzept zur Durchführung von computerunterstütztem Klassenunterricht

Bei diesem Modell lassen sich auch komplexe Programme einsetzen, da der Lehrer ständig zur Verfügung steht und durch die Programme führt. Dieses Konzept hat das Ziel, computerunterstützten Gruppenunterricht mit nur einem Rechner unter aktiver Beteiligung der Schüler durchzuführen.

2.6 Produkte

Computer (CPU)

PowerMacintosh 9600/200

PowerMacintosh 9600/200MP

PowerMacintosh 9600/233

PowerMacintosh 8600/200

PowerMacintosh 6500/200

PowerMacintosh 7300/166

PowerMacintosh 7300/200

PowerMacintosh 4400/200

PowerBooks

PowerBook 1400

PowerBook 3400

Monitore

Apple Multiple Scan 20' Farbmonitor, TCO Version

Apple Multiple Scan 1710 Farbmonitor, TCO Version

Apple Multiple Scan 1710av Farbmonitor, TCO Version

Apple Multiple Scan 15 Farbmonitor

Drucker

Apple LaserWriter 4/600

Apple LaserWriter 12/640

Apple Color LaserWriter 12/660

Apple Color StyleWriter 1500

Apple Color StyleWriter 2200

Newton

Newton MessagePad 2000

3. Anhang: Apple Preisliste