MIPS構(gòu)架：曾經(jīng)是英特爾的“眼中釘”

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我們都知道目前主流構(gòu)架有三種：X86，ARM 和 MIPS，X86 在 PC 時(shí)代稱(chēng)霸江湖，ARM 趕上了移動(dòng)通信的好時(shí)機(jī)，在手持端風(fēng)風(fēng)光光，而 MIPS 似乎就有些尷尬，還未美麗就已老去。

ARM 的合作伙伴們基于 ARM 的設(shè)計(jì)向移動(dòng)和嵌入式市場(chǎng)的出貨量已經(jīng)達(dá) 500 億片。對(duì)于安卓系統(tǒng)，ARM 已然成為標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì) Intel 和 MIPS 而言是個(gè)問(wèn)題。盡管安卓的主要編程語(yǔ)言是 Java，開(kāi)發(fā)者也可以使用現(xiàn)有的代碼（比如 C 或者 C++）去開(kāi)發(fā)應(yīng)用。這些固定平臺(tái)的應(yīng)用通常都編譯成 ARM 處理器的程序，不全都會(huì)編譯成 Intel 或者 MIPS 處理器的程序。了解決這個(gè)問(wèn)題，Intel 和 MIPS 要使用特殊的轉(zhuǎn)換軟件把 ARM 的指令轉(zhuǎn)換成他們處理器使用的指令，這當(dāng)然是會(huì)降低性能的。

本期《處理器史話》我們就來(lái)講講 MIPS 的歷史，讓我們看看這個(gè)曾經(jīng)的主流構(gòu)架有著如何風(fēng)光的發(fā)展史。

MIPS 是世界上很流行的一種 RISC 處理器。MIPS(Microprocessor without interlocked piped stages)，意思是“無(wú)內(nèi)部互鎖流水級(jí)的微處理器”，其機(jī)制是盡量利用軟件辦法避免流水線中的數(shù)據(jù)相關(guān)問(wèn)題。它最早是在 80 年代初期由斯坦福(Stanford)大學(xué) Hennessy 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研制出來(lái)的，是一種簡(jiǎn)潔、優(yōu)化、具有高度擴(kuò)展性的 RISC 架構(gòu)。它的基本特點(diǎn)是：包含大量的寄存器、指令數(shù)和字符、可視的管道延時(shí)時(shí)隙，這些特性使 MIPS 架構(gòu)能夠提供最高的每平方毫米性能和當(dāng)今 SoC 設(shè)計(jì)中最低的能耗。

MIPS 架構(gòu)是一種采取 RISC 的處理器架構(gòu)。1981 年出現(xiàn)，由 MIPS 科技公司 開(kāi)發(fā)并授權(quán)，廣泛被使用在許多電子產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、個(gè)人娛樂(lè)裝置與商業(yè)裝置上。最早的 MIPS 架構(gòu)是 32 位，最新的版本已經(jīng)變成 64 位。

MIPS 公司的 R 系列就是在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的 RISC 工業(yè)產(chǎn)品的微處理器，這些系列產(chǎn)品為很多計(jì)算機(jī)公司采用構(gòu)成各種工作站和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

每款處理器構(gòu)架的誕生總是和它的創(chuàng)造者有著分不開(kāi)的關(guān)系，因此在介紹 MIPS 架構(gòu)之前，我們先來(lái)認(rèn)識(shí)一下它的締造者：John Hennessy。

現(xiàn)任斯坦福大學(xué)校長(zhǎng)——約翰·亨尼斯

約翰·亨尼斯（John Hennessy），美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校計(jì)算機(jī)系教授和斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)系教授，是現(xiàn)今計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域非常受人尊敬的學(xué)者和開(kāi)創(chuàng)者，現(xiàn)任斯坦福大學(xué)校長(zhǎng)。2015 年 6 月，斯坦福大學(xué)發(fā)表聲明，這位校長(zhǎng)計(jì)劃于 2016 年 9 月份退休，據(jù)說(shuō)離任后將全身心投入教學(xué)工作。

作為一名計(jì)算機(jī)科學(xué)家，John Hennessy 同時(shí)還是谷歌和思科公司的董事會(huì)成員，在美國(guó)硅谷一直擁有巨大影響力。他精通硬件、軟件，是具有傳奇色彩的 MIPS 編譯器和幾代 MIPS 硬件產(chǎn)品的技術(shù)上的領(lǐng)導(dǎo)者。

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下面的內(nèi)容將展示這位傳奇人物的傳奇經(jīng)歷：

• 美國(guó)國(guó)家工程研究院和國(guó)家科學(xué)研究院成員；
• 于 Villanova 大學(xué)獲得電子工程學(xué)士，在紐約州立大學(xué)獲得計(jì)算機(jī)科學(xué)碩士和博士學(xué)位 ；
• 1977 年，受聘于斯坦福大學(xué)；
• 1981 年，組織研究人員致力于研究 RISC，并被稱(chēng)為“RISC 之父”；
• 1984 年，合作研制出 MIPS 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；
• 1999 年，任主管學(xué)術(shù)和財(cái)務(wù)的副校長(zhǎng)，致力于生物科學(xué)和生物工程方面的跨學(xué)科建設(shè)，并努力提高教職員工的工資待遇；
• 2000 年，任斯坦福大學(xué)校長(zhǎng)。

神人！牛人！

崇拜完畢，請(qǐng)走進(jìn) MIPS 架構(gòu)及其處理器的世界。

1. 關(guān)于 MIPS
MIPS 是星球上第一個(gè) RISC 研究項(xiàng)目的結(jié)晶，由 John Hennessy 領(lǐng)導(dǎo)的小組在 1981 年就開(kāi)始設(shè)計(jì)。

從技術(shù)甚或?qū)W術(shù)角度來(lái)看，MIPS 大概是最干凈和有效的 RISC 架構(gòu)體系了。因此，全世界學(xué)習(xí)處理器架構(gòu)設(shè)計(jì)的人，無(wú)不以 MIPS 作為學(xué)習(xí)和研究目標(biāo)的。至今在處理器本身的許多技術(shù)路線上，也要領(lǐng)先 ARM 兩年以上，比如多處理（多線程和多核）、64 位等等。不過(guò)，在商業(yè)上，ARM 架構(gòu)比 MIPS 成功許多，以年化的收入來(lái)衡量的話，ARM 收入比 MIPS 大約多 4 倍，以出貨片數(shù)計(jì)的話，差距更大（大至約 9~10 倍）。關(guān)于 ARM 架構(gòu)及其產(chǎn)品，在以后的章節(jié)中會(huì)詳細(xì)講解并與其對(duì)比。

MIPS 處理器是八十年代中期 RISC CPU 設(shè)計(jì)的一大熱點(diǎn)。MIPS 是賣(mài)的最好的 RISC CPU，可以從任何地方，如 Sony，Nintendo 的游戲機(jī)，Cisco 的路由器和 SGI 超級(jí)計(jì)算機(jī)，看見(jiàn) MIPS 產(chǎn)品在銷(xiāo)售。和英特爾相比，MIPS 的授權(quán)費(fèi)用比較低，因此受到除英特爾外的大多數(shù)芯片廠商親睞。

早期 MIPS 架構(gòu)處理器 R2000

MIPS 作為一個(gè)開(kāi)放體系優(yōu)點(diǎn)很多，它更偏重于服務(wù)器、高端點(diǎn)產(chǎn)品，接下來(lái)，我們走進(jìn) MIPS 的世界。

2.MIPS32 位架構(gòu)
MIPS32 架構(gòu)刷新了 32 位嵌入式處理器的性能標(biāo)準(zhǔn)。

它是 MIPS 科技公司下一代高性能 MIPS-Based 處理器 SoC 發(fā)展藍(lán)圖的基礎(chǔ)，并向上兼容 MIPS64 64 位架構(gòu)。

MIPS 架構(gòu)擁有強(qiáng)大的指令集、從 32 位到 64 位的可擴(kuò)展性、廣泛的軟件開(kāi)發(fā)工具以及眾多 MIPS 科技公司授權(quán)廠商的支持，是領(lǐng)先的嵌入式架構(gòu)。MIPS32 架構(gòu)是以前的 MIPS I? 和 MIPS II?指令集架構(gòu)(ISA)的擴(kuò)展集，整合了專(zhuān)門(mén)用于嵌入式應(yīng)用的功能強(qiáng)大的新指令，以及以往只在 64 位 R4000 和 R5000 MIPS 處理器中能見(jiàn)到的已經(jīng)驗(yàn)證的存儲(chǔ)器管理和特權(quán)模式控制機(jī)制。通過(guò)整合強(qiáng)大的新功能、標(biāo)準(zhǔn)化特權(quán)模式指令以及支持前代 ISA，MIPS32 架構(gòu)為未來(lái)所有基于 32 位 MIPS 的開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的高性能基礎(chǔ)。

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MIPS32 架構(gòu)基于一種固定長(zhǎng)度的定期編碼指令集，并采用導(dǎo)入 / 存儲(chǔ)(load/store)數(shù)據(jù)模型。經(jīng)改進(jìn)，這種架構(gòu)可支持高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)化執(zhí)行。其算術(shù)和邏輯運(yùn)算采用三個(gè)操作數(shù)的形式，允許編譯器優(yōu)化復(fù)雜的表達(dá)式。此外，它還帶有 32 個(gè)通用寄存器，讓編譯器能夠通過(guò)保持對(duì)寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)的頻繁存取進(jìn)一步優(yōu)化代碼的生成性能。

MIPS 常用指令集有 31 條，下面請(qǐng)出鏡率最高的三位登場(chǎng)：

沒(méi)有看錯(cuò)，這就是 MIPS 指令集！簡(jiǎn)單的程度簡(jiǎn)直是“毫無(wú)道理”可言！看來(lái)，只要有些基礎(chǔ)的學(xué)生都可以上手，是不是有同感呢？

不管元芳怎么看，反正我是有同感的。

估計(jì)看到這里，大家一定會(huì)理解，為什么 MIPS 如此受歡迎了吧？

感嘆完畢，下文接上。

MIPS32 架構(gòu)從流行的 R4000/R5000 類(lèi) 64 位處理器衍生出特權(quán)模式異常處理和存儲(chǔ)器管理功能。它采用一組寄存器來(lái)反映緩存器、MMU、TLB 及各個(gè)內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)的其它特權(quán)功能的配置。通過(guò)對(duì)特權(quán)模式和存儲(chǔ)器管理進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并經(jīng)由配置寄存器提供信息，MIPS32 架構(gòu)能夠使實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、其它開(kāi)發(fā)工具和應(yīng)用代碼同時(shí)被執(zhí)行，并在 MIPS32 和 MIPS64 處理器系列的各個(gè)產(chǎn)品之間復(fù)用。

它的高性能緩存器及存儲(chǔ)器管理方案的靈活性，仍繼續(xù)成為 MIPS 架構(gòu)的一大優(yōu)勢(shì)。MIPS32 架構(gòu)利用定義良好的緩存控制選項(xiàng)進(jìn)一步擴(kuò)展了這種優(yōu)勢(shì)：

• 指令和數(shù)據(jù)緩存器的大小可以從 256byte 到 4Mbyte。數(shù)據(jù)緩存可采用回寫(xiě)或直寫(xiě)策略，無(wú)緩存也是可選配置。存儲(chǔ)器管理機(jī)制可以采用 TLB 或塊地址轉(zhuǎn)換(BAT)策略 。
• 由于增加了密集型數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)流和斷言操作(predicated operations) ，可滿足嵌入式市場(chǎng)不斷增長(zhǎng)的計(jì)算需求。
• 條件數(shù)據(jù)移動(dòng)(Conditional data move)和數(shù)據(jù)緩存預(yù)取(prefetch)指令被引入，以期提高通信及多媒體應(yīng)用的數(shù)據(jù)吞吐量。固定浮點(diǎn) DSP 型指令可進(jìn)一步增強(qiáng)多媒體處理能力。

這些新指令，包括乘法、乘加、乘減和“前導(dǎo)計(jì)數(shù)(count leading)0s/1s”，在處理音頻、視頻和多媒體等數(shù)據(jù)流時(shí)，無(wú)需在系統(tǒng)中增加額外的 DSP 硬件即可提供更高的性能。功能強(qiáng)大的浮點(diǎn)指令可加快某些任務(wù)的執(zhí)行速度，比如一些 DSP 算法的處理、圖形操作的實(shí)時(shí)計(jì)算。浮點(diǎn)操作可選擇軟件仿真。最后，為簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成任務(wù)，MIPS32 標(biāo)準(zhǔn)定義 EJTAG(增強(qiáng)型 JTAG)選項(xiàng)功能作為非入侵式、片上實(shí)時(shí)調(diào)試系統(tǒng)。

與非網(wǎng)原創(chuàng)內(nèi)容，謝絕轉(zhuǎn)載！

與非網(wǎng)原創(chuàng)內(nèi)容，謝絕轉(zhuǎn)載！

系列匯總：

之一：第一款處理器之謎

之二：處理器的春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代：8 位處理器的恩怨與紛爭(zhēng)（上）

之三：處理器的春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代：8 位處理器的恩怨與紛爭(zhēng)（下）

之四：處理器的三國(guó)時(shí)代：蘋(píng)果攪動(dòng) MCU 江湖

之五：處理器的三國(guó)時(shí)代：DR 公司盛氣凌人，IBM 轉(zhuǎn)身成就微軟

之六：32 位處理器的攻“芯”計(jì)：英特爾如何稱(chēng)霸 PC 江湖？

之七：AMD 稱(chēng)霸 PC 處理器市場(chǎng)的“曇花一現(xiàn)”

之八：CPU 兩大陣營(yíng)對(duì)擂，X86 構(gòu)架讓英特爾如日中天

之九：你知道 X86 構(gòu)架，你知道 SH 構(gòu)架嗎？

之十：SuperH 系列處理器：昔日惠普 Jornada PDA 的“核芯”