MIPS R2000发布30年

在IBM推出全球首款智能手机之前的10年里,斯坦福大学的研究小组和硅谷精英合作,旨在设计一款将永远改变计算机发展前景的微处理器架构。

那是1986年,时任斯坦福大学校长的John L. Hennessy刚刚创办MIPS Computer Systems公司。

MIPS R2000的故事由此开始。MIPS R2000是第一款实现了MIPS指令集架构(ISA)的商业化微处理器芯片,也是第一款通过收益许可商业模式(如今该模式已广泛使用)进行销售的RISC处理器。

潜心研究RISC

通过大量集结硅谷的顶尖人才,Hennessy组成了一个强大的集芯片设计师、软件工程师和计算机架构研究人员于一体的精英团队,希冀创建终极的RISC处理器。其他主要创始人还包括前摩托罗拉技术专家Skip Stritter和来自IBM的John Moussouris。

1984年潜心于MIPS架构的Hennessy及其团队终于在1986年1月(30年前的今天)正式发布R2000。

John Hennessy教授检查MIPS R2000的布局

John Hennessy教授检查MIPS R2000的布局

MIPS R2000 CPU是基于MIPS I 的32位设计,可与Motorola 68000和Intel 80386微处理器抗衡。当时,MIPS R2000还面临着来自其他几个学术项目的激烈竞争,那些项目旨在为当时更成熟的CISC CPU创建一个可行的选择。

为快速占领市场并在激烈的竞争中脱颖而出,MIPS团队必须跳出固有思维模式。创办半导体制造工厂(通常称为代工厂)来制造MIPS芯片是绝不可能的,因为这样一项工程将耗资巨大。

为确保首次设计能投入生产,管理团队明智地采用了无工艺线制造模型。这种策略表明任何大型的半导体厂商均可以获得MIPS CPU生产授权——并且在接下来的几十年里为其他硅IP设计人员树立了标准规范。

早期的MIPS CPU R2000被授权对象包括集成设备技术(IDT)、大规模集成电路(LSI)逻辑、性能半导体和DEC。根据初步协议,厂商需免费向直接客户提供设备,尽管MIPS本身有一些早期的可建立参考服务器和工作站的样本。

分析MIPS R2000的架构

MIPS R2000的速度可高达15 MHz,在硅区域中占80 mm2。处理器包含约11万个晶体管,晶体管使用2.0μm双金属CMOS工艺节点进行布局。全局来看,基于MIPS的CPU于2015年制造,使用28 nm制程,且包含24至48个高频、具有运行高达2.5 GHz的超标量内核、大型且高度关联的L1和L2缓存及强大的DRAM带宽。这表示,频率速度将飞跃增长,半导体制造进程也将极大缩短。

MIPS R2000 CPU截图(通过CPU板)

MIPS R2000 CPU截图(通过CPU板)

可以配置R2000微处理器在高位优先或低位优先模式下运行。对于DEC工作站,可运行低位优先模式,以使VAX ISA和大量基于Intel的PC保持兼容性。同时,其他公司如Motorola 或IBM可采用低位优先模式,以支持两个格式的字节序,这类战略方法将建立广泛的客户基础。

R2000芯片的主要特征是,若无高速缓存缺失,执行时间将相当的快速。它传输的指令完成率着实令人深刻,在每指令需要几个周期的非RISC微处理器中,其每ALU周期可传输1个指令。下表展示了可成为其他RISC处理器基准的五级流水线设计:

MIPS RISC CPU的五级流水线设计

MIPS RISC CPU的五级流水线设计

由于MIPS架构在工作站和服务器制造商中广受欢迎,因此拥有良好的浮点性能是绝对的要求。为应对不断增长的计算性能的需求,工程团队在1987年年中设计了一个外部浮点单元,即R2010。此外,通过允许R2000 CPU编写直写式数据缓存且没有停滞,四级R2020写入缓存的性能大大提高。

MIPS设计透视

MIPS架构广受欢迎的一大原因是编译团队在软件优化方面的工作颇有成效。1986年以前,尚未出现一款真正基于MIPS的设备,工程师们于是建立了一个可将MIPS指令转换为本地VAX代码的快速模拟器。该模拟器还可用于MIPS架构上运行UNIX软件的二进制文件。

目前,有许多MIPS模拟器可供软件开发者使用,包括Imperas的QuantumLeap或开源QEMU仿真器等。喜欢冒险的读者可阅读下文。下文我们嵌入了JavaScript片段,由Mianzhi Wang基于James Larus原SPIM仿真器编写。

JavaScript中的基本MIPS仿真器(流水线仿真)

这种视觉模拟器包括完整的CPU流水线、通用寄存器和内存映射,使您可以在MIPS R2000处理器中实时快速编写和执行汇编代码。

前路在何方

1988年,MIPS Computer Systems 发布了R3000处理器,其使用一个类似的整体系统设计,但通过添加内存管理和缓存设施使速度更快。MIPS R3000是一款广受欢迎的CPU,其在很多工作站中都占据一席之地,如SGI、DEC、Evans & Sutherland及原SonyPlayStation 游戏机。

如今,在9月份指导美国宇航局的“新视野”号探测器完成冥王星飞跃任务后,MIPS R3000 CPU再次指导“新视野”飞跃柯伊伯地带。

多年来,MIPS架构继续开发MIPS II、MIPS III、MIPS IV和MIPS V ISA。目前,从嵌入式应用程序的小型微处理器,到高端网络设备或半自动汽车中的多核高性能CPU,两款ISA(MIPS32和MIPS64)已广泛应用。

MIPS架构

以下应用使用了MIPS CPU:

• Tesla Model S轿车使用超级计算机芯片实现自动驾驶功能
• Ikanos(最近被Qualcomm收购)、Lantiq (Intel 公司)、MediaTek或Qualcomm Atheros数以百万计的路由器和家庭控制中心如基于MIPS的WI-FI处理器理
• 分别由Qualcomm Atheros或MediaTek Wi-Fi芯片驱动的来自LIFX、Belkin或Ubiquiti网络的智能家居设备
• 中国的个人电脑和服务器整合了64位MIPS CPU
• Chrome笔记本、平板电脑、移动热点、物联网设备和其他便携设备使用 Altair Semiconductor或Sequans Communications的LTE调制解调器
• 智能手表和其他可穿戴设备使用节能Ingenic芯片
• 机顶盒、媒体播放器和数字电视将集成Broadcom处理器
• Maker-friendly开发板:Digilent chipKIT WiFIRE(微芯片PIC32)、Samsung ARTIK 1、Creator系列或其他众筹的物联网或嵌入式Linux包
• Cavium或Broadcom用于数据中心的企业网络设备和无线基础设施

原文链接: http://blog.imgtec.com/mips-processors/thirty-years-of-mips-r2000

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