【MIPS -最适用于设计MCU的处理器】连载二:

2.1 MIPS架构性能
所有的MIPS处理器内核,从高端多核解决方案到紧凑型、流水线更短的内核,都是基于性能相同的MIPS32基础架构而设计的。

MIPS内核的性能提高主要得益于内核执行单元的增强,其通过执行更长流水线、超标量和多线程微型架构来提高处理器的最大工作时钟频率。此外,由于整合了高速存储器接口、高效缓存控制器、存储器管理单元等设计特性,并支持大量标准架构中的浮点寄存器和加速器,还可获得额外的性能提升。

MIPS32架构带有32个标准通用寄存器(GPR),其中每个寄存器均为32位。在设计时可以选择创建另外32组寄存器,用作额外的数据存储或“影子寄存器”,可指定给专用向量中断控制器逻辑,相比传统的硬件/软件方法,这种方案能大幅度减少中断延迟,缩短上下文切换时间(context switching)。

通过硬件乘除法单元(MDU),以及大量符号/无符号乘法、除法和乘法-累加指令的软件支持,可提高MIPS32架构的信号处理性能。对MDU,MIPS架构采用了一条单独的流水线,其与整数流水线并行工作。

2.2 MIPS与ARM性能特性之比较
以RISC技术为基础,再加上MIPS架构中的可扩展硬软件设计,使得MIPS的解决方案比ARM的同类解决方案性能更高、功耗更低且面积更小。MIPS科技原来主要瞄准高性能工作站与服务器,而ARM最初针对低端移动系统开发基本内核。MIPS充分利用它在高性能设计方面的经验,向主流嵌入式系统市场转型。ARM则继续沿用其原有性能有限的架构,相比MIPS,它处于不利地位。

MIPS32 4K.处理器内核系列包括MIPS32 M4K.内核,其应用程序执行速度超过同类ARM Cortex.-M系列内核。这一优势部分可归功于更高效的MIPS指令集架构和优化软件工具,但主要原因还是在于MIPS架构具有众多专为更高的性能级和应用效率而设计的出色特性,其中包括一般是在微控制器设计中实现的加速功能。例如:

. MIPS 内核包含32个GPR,而ARM内核只有16个GPR。这意味着寄存器溢出更少,从而性能更高。

. MIPS内核包含有影子寄存器组,而ARM内核没有。使用映像寄存器可加速中断处理保存/恢复功能,减少上下文切换(context switching)和中断延迟中所需要的周期。

. MIPS架构主要执行单一操作指令,而ARM指令在写入GPR之前执行多个操作(如移位操作、算术操作、条件校验位等等),故MIPS更容易达到更高的时钟频率。

. MIPS架构采用比ARM更简单的存储器寻址模式工作,故更容易达到更高的时钟工作频率。

. MIPS架构的预测执行较少,这大大降低了其逻辑复杂性,并使MIPS内核能够达到更高的频率。

. M4K与M14K具有5级流水线结构,故无需预测分支方向。而ARM内核采用了复杂的分支预测和分支推测逻辑。

• MIPS架构实现了带延迟的分支,而ARM结构不这样;这意味着,利用MIPS,在短流水设计时可获得更高效率。

• MIPS同时提供32位和64位架构,MIPS64架构具有后向兼容性和更高的性能。ARM只有32位架构,而且并非所有版本都后向兼容。

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