Процессоры с архитектурой MIPS

Основная статья: архитектура MIPS

множество процессоров, реализующих ту или иную версию архитектуры MIPS С 1985 года было разработано и широко используется .

MIPS-микропроцессоры

Конвейерный MIPS, показывающий пять этапов: выборка инструкций, декодирование инструкций, выполнение, доступ к памяти и обратная запись.

Первый микропроцессор MIPS, R2000 , был анонсирован в 1985 году. Он добавил многоцикловые инструкции умножения и деления в несколько независимый встроенный блок. Были добавлены новые инструкции для извлечения результатов из этого устройства обратно в файл регистров процессора ; эти инструкции по получению результатов были взаимосвязаны .

R2000 мог загружаться как с прямым порядком байтов, так и с прямым порядком байтов . Он имел тридцать один 32-битный регистр общего назначения, но не имел регистра состояния ( регистр кода состояния (CCR), разработчики считали его потенциальным узким местом), особенность, которую он разделяет с AMD 29000 , DEC Alpha и RISC-V. . В отличие от других регистров, программный счетчик не доступен напрямую.

R2000 также поддерживал до четырех сопроцессоров, один из которых был встроен в главный центральный процессор (ЦП) и обрабатывал исключения, ловушки и управление памятью, а остальные три оставлялись для других целей. Один из них мог быть заполнен дополнительным (FPU) R2010 модулем вычислений с плавающей запятой , который имел тридцать два 32-битных регистра, которые можно было использовать как шестнадцать 64-битных регистров для двойной точности.

R3000 пришел на смену R2000 в 1988 году, добавив кеш-память объемом 32 КБ (вскоре увеличенную до 64 КБ) для инструкций и данных, а также поддержку многопроцессорной обработки с общей памятью в форме протокола когерентности кэша . Хотя в поддержке многопроцессорной обработки R3000 были недостатки, она успешно использовалась в нескольких успешных многопроцессорных компьютерах. R3000 также включал встроенный блок управления памятью (MMU), что было обычной функцией процессоров того времени. R3000, как и R2000, может работать в паре с FPU R3010 . R3000 был первой успешной разработкой MIPS на рынке, и в конечном итоге было выпущено более миллиона таких устройств. Более быстрая версия R3000, работающая на частоте до 40 МГц, R3000A обеспечивала производительность 32 миллиона инструкций в секунду (MIPS) или единицу производительности VAX (VUP). MIPS R3000A -совместимый процессор R3051, работающий на частоте 33,8688 МГц, использовался в Sony PlayStation, хотя у него не было FPU или MMU. В число сторонних разработок входят R3400 от IDT от Performance Semiconductor и R3500 , оба они представляли собой R3000A со встроенным FPU R3010. Toshiba R3900 , была практически первой системой на кристалле (SoC) для первых карманных ПК работавших под управлением Windows CE . Радиационно -стойкий вариант для использования в космосе, Mongoose-V , представляет собой R3000 со встроенным FPU R3010.

Серия R4000 , выпущенная в 1991 году, расширила MIPS до полной 64-битной конструкции слова , переместила FPU на основной кристалл, чтобы сформировать однокристальный микропроцессор, и на момент появления имела высокую тактовую частоту 100 МГц. Однако для достижения тактовой частоты кэши были уменьшены до 8 КБ каждый, и для доступа к ним требовалось три цикла. Высокие тактовые частоты были достигнуты за счет метода глубокой конвейерной обработки (тогда называемой суперконвейерной обработкой ). В 1993 году последовал улучшенный R4400 . Он имел первичные кэши большего размера (16 КБ), практически безошибочную 64-битную работу и поддержку большего кэша L2.

MIPS, ныне подразделение Silicon Graphics (SGI) под названием MTI, разработало недорогой R4200 , ставший основой для еще более дешевого R4300i . Производная этого микропроцессора NEC VR4300 использовалась в игровой консоли Nintendo 64 .

Вид снизу на корпус R4700 Orion с открытым кремниевым чипом, изготовленный IDT и разработанный Quantum Effect Devices.

Вид упаковки сверху для 4700 р. Orion

Quantum Effect Devices (QED), отдельная компания, основанная бывшими сотрудниками MIPS, разработала R4600 Orion , R4700 Orion , R4650 и R5000 . В то время как R4000 увеличил тактовую частоту и пожертвовал емкостью кэша, в конструкции QED упор делался на большие кэши, доступ к которым можно было получить всего за два цикла, и на эффективное использование площади кремния. R4600 и R4700 использовались в недорогих версиях рабочей станции SGI Indy , а также в первых маршрутизаторах Cisco на базе MIPS, таких как маршрутизаторы серий 36x0 и 7x00. R4650 ( использовался в оригинальных WebTV приставках теперь Microsoft TV). FPU R5000 имел более гибкое планирование операций с плавающей запятой одинарной точности, чем R4000, и в результате SGI Indy на базе R5000 имел гораздо лучшую графическую производительность, чем R4400 Indy с аналогичной тактовой частотой и тем же графическим оборудованием. SGI дала старой графической плате новое имя, когда ее объединили с R5000 , чтобы подчеркнуть улучшение. Позже QED разработала RM7000 и RM9000 семейство устройств для встраиваемых систем. такие рынки, как компьютерные сети и лазерные принтеры. QED была приобретена производителем полупроводников PMC-Sierra в августе 2000 года, причем последняя компания продолжала инвестировать в архитектуру MIPS. RM7000 включал встроенный кэш L2 емкостью 256 КБ и контроллер для дополнительного кэша L3. RM9xx0 порт представляли собой семейство устройств SOC , которые включали периферийные устройства северного моста , такие как контроллер памяти , контроллер PCI , контроллер Gigabit Ethernet и быстрый ввод-вывод, такой как HyperTransport .

R8000 . (1994 г.) был первой суперскалярной конструкцией MIPS, способной выполнять две инструкции целого числа или с плавающей запятой и две инструкции памяти за цикл Конструкция была разделена на шесть микросхем: целочисленный блок (с 16 КБ инструкций и 16 КБ кэшей данных), блок с плавающей запятой, три полностью настраиваемых ОЗУ с тегами вторичного кэша (два для доступа к вторичному кэшу, одно для отслеживания шины), и контроллер кэша ASIC. В конструкции были два полностью конвейерных блока умножения-сложения двойной точности, которые могли передавать данные из внешнего вторичного кэша объемом 4 МБ. R8000 использовался на серверах SGI POWER Challenge в середине 1990-х годов, а позже стал доступен на рабочей станции POWER Indigo2. Хотя производительность его FPU вполне подходит научным пользователям, его ограниченная целочисленная производительность и высокая стоимость снижают привлекательность для большинства пользователей. R8000 продавался всего год и остается довольно редким.

В 1995 году R10000 был выпущен . Этот процессор имел однокристальную конструкцию, работал на более высокой тактовой частоте, чем R8000, и имел больший размер основного кэша инструкций и данных размером 32 КБ. Он также был суперскалярным, но его главным нововведением было выполнение вне порядка . Даже при наличии одного конвейера памяти и более простого FPU значительно улучшенная целочисленная производительность, более низкая цена и более высокая плотность сделали R10000 предпочтительным для большинства клиентов.

Некоторые более поздние разработки были основаны на ядре R10000. В R12000 использовался процесс 0,25 микрометра для уменьшения размера чипа и достижения более высоких тактовых частот . Пересмотренный R14000 позволил повысить тактовую частоту с добавленной поддержкой синхронной динамической памяти с произвольным доступом ) с двойной скоростью передачи данных ( ( DDR SDRAM DDR SDRAM ) и статической памяти с произвольным доступом (SRAM) во внешнем кэше . Более поздние итерации называются R16000 и R16000A и имеют более высокие тактовые частоты и меньший объем производства кристаллов по сравнению с предыдущими.

Другие члены семейства MIPS включают R6000 , реализацию логики с эмиттерной связью (ECL), производимую Bipolar Integrated Technology . R6000 представил архитектуру MIPS II. Его буфер резервного перевода (TLB) и архитектура кэша отличаются от всех других членов семейства MIPS. R6000 не обеспечил обещанных преимуществ в производительности, и, хотя он нашел некоторое применение в машинах с управляющими данными , он быстро исчез с массового рынка.

История

Первое оборудование

В 1981 году Джон Л. Хеннесси начал «Микропроцессор без взаимосвязанных конвейерных стадий » ( MIPS проект ) в Стэнфордском университете, чтобы исследовать с сокращенным набором команд компьютерную технологию (RISC). Результаты его исследований убедили его в будущем коммерческом потенциале технологии, и в 1984 году он взял творческий отпуск, чтобы основать MIPS Computer Systems . Компания разработала новую архитектуру, которая также получила название MIPS , и представила первую реализацию MIPS, R2000 , в 1985 году. R2000 был улучшен, и в 1988 году этот дизайн был представлен как R3000. Эти 32-битные процессоры легли в основу их компания в течение 1980-х годов использовалась в основном в Silicon Graphics серии рабочих станций (SGI) , а затем в рабочих станциях и серверах DECstation Digital Equipment Corporation . Коммерческие проекты SGI отклонялись от Стэнфордского MIPS, реализуя большую часть блокировок аппаратно, предоставляя полные инструкции умножения и деления (среди прочего). Частично проектированием руководил архитектор программного обеспечения. Эрл Киллиан , который разработал расширение 64-битного набора команд MIPS III и руководил работой над микроархитектурой R4000.

В 1991 году MIPS выпустила первый битный микропроцессор R4000 64 - . Однако у MIPS возникли финансовые трудности при выводе его на рынок. Дизайн был настолько важен для SGI, в то время одного из немногих крупных клиентов MIPS, что SGI купила компанию в 1992 году, чтобы гарантировать, что дизайн не будет утерян. Новая дочерняя компания SGI получила название MIPS Technologies .

Лицензируемая архитектура

В начале 1990-х годов MIPS начала лицензировать свои разработки сторонним поставщикам. Это оказалось довольно успешным из-за простоты ядра, что позволило ему найти множество применений, в которых раньше использовались гораздо менее эффективные конструкции компьютеров со сложным набором команд (CISC) с аналогичным количеством вентилей и ценой; эти два параметра тесно связаны: цена ЦП обычно зависит от количества вентилей и количества внешних выводов. Компания Sun Microsystems попыталась добиться аналогичного успеха, лицензируя свое ядро ​​SPARC , но добилась такого же успеха. К концу 1990-х годов MIPS была лидером в области встраиваемых процессоров . По данным MIPS Technologies Inc., в 1997 году наблюдался экспоненциальный рост: в 1997 году было поставлено 48 миллионов процессоров на базе MIPS и 49% общей доли рынка RISC-процессоров. MIPS был настолько успешным, что SGI выделила MIPS Technologies в 1998 году. В 2000-х годах почти половина доходов MIPS поступала от лицензирования их разработок, а большая часть остальной части - от контрактных работ по проектированию ядер для третьих сторон.

В 1999 году компания MIPS Technologies заменила предыдущие версии архитектуры MIPS двумя архитектурами: 32-битной MIPS32 (на основе MIPS II с некоторыми дополнительными функциями MIPS III, MIPS IV и MIPS V) и 64-битной MIPS64 (на основе MIPS III, MIPS IV и MIPS V). на MIPS V) для лицензирования. Nippon Electric Corporation ( NEC ), Toshiba и SiByte (позже приобретенная Broadcom ) получили лицензии на MIPS64, как только о нем было объявлено. Philips , LSI Logic и Integrated Device Technology С тех пор к ним присоединились (IDT). Сегодня ядра MIPS являются одними из наиболее часто используемых «тяжеловесов». ядра на рынке компьютероподобных устройств: карманных ПК , приставок и т.д.

она привлекла несколько новых компаний, занимающихся производством Поскольку архитектура MIPS подлежит лицензированию, за прошедшие годы процессоров. Одним из первых стартапов по разработке процессоров MIPS была компания Quantum Effect Devices (см. следующий раздел). Команда разработчиков MIPS, разработавшая R4300i , основала компанию SandCraft , которая спроектировала R5432 для NEC, а затем выпустила SR71000 , один из первых процессоров с внеочередным исполнением для рынка встраиваемых систем. Первоначальная команда DEC StrongARM в конечном итоге разделилась на два стартапа на базе MIPS: SiByte, которая выпустила SB-1250 , одну из первых высокопроизводительных систем на кристалле (SOC) на базе MIPS; в то время как Alchemy Semiconductor (позже приобретенная AMD ) произвела Au-1000 SoC для использования с низким энергопотреблением. Lexra MIPS использовала архитектуру, подобную , и добавила расширения DSP для рынка аудиочипов и поддержку многопоточности для сетевого рынка. Из-за того, что Lexra не лицензировала архитектуру, между двумя компаниями было возбуждено два судебных процесса. Первая проблема была быстро решена, когда Lexra пообещала не рекламировать свои процессоры как MIPS-совместимые. Второй (о патенте MIPS 4814976 на обработку невыровненного доступа к памяти) был затяжным, нанес ущерб бизнесу обеих компаний и завершился тем, что MIPS Technologies предоставила Lexra бесплатную лицензию и крупную выплату наличными.

Появились две компании, специализирующиеся на создании многоядерных процессорных устройств с использованием архитектуры MIPS. Raza Microelectronics, Inc. выкупила линейку продуктов у обанкротившейся SandCraft и позже начала производить восьмиядерные устройства для телекоммуникационного и сетевого рынков. Cavium , первоначально поставщик процессоров безопасности, также производил устройства с восемью ядрами ЦП, а затем и с 32 ядрами для тех же рынков. Обе эти фирмы разработали свои ядра самостоятельно, лицензируя только архитектуру, а не покупая ядра у MIPS.

Рабочий стол

Дополнительная информация: Передовая вычислительная среда.

Среди производителей, создавших компьютерных рабочих станций системы с использованием процессоров MIPS, — SGI , MIPS Computer Systems, Inc. , Whitechapel Workstations , Olivetti , Siemens-Nixdorf , Acer , Digital Equipment Corporation , NEC и DeskStation .

Операционные системы, перенесенные на эту архитектуру, включают IRIX , от SGI Windows NT (до версии 4.0), Windows CE , Linux , FreeBSD , NetBSD , OpenBSD , UNIX System V , SINIX , QNX операционные системы MIPS Computer Systems. и собственные RISC/ .

В начале 1990-х годов возникли предположения, что MIPS и другие мощные RISC- процессоры обгонят архитектуру Intel IA-32 . Этому способствовала поддержка первых двух версий Microsoft архитектуры Windows NT for Alpha , MIPS и PowerPC , а также, в меньшей степени, Clipper и SPARC . Однако, поскольку Intel быстро выпустила более быстрые версии своих процессоров класса Pentium , Microsoft Windows NT v4.0 прекратила поддержку всего, кроме IA-32 и Alpha. Благодаря SGI решению о переходе на архитектуры Itanium и IA-32 в 2007 году (после банкротства в соответствии с Главой 11 2006 г.) ) и приобретением в 2009 году компанией Rackable Systems, Inc. , поддержка потребительского рынка MIPS/IRIX закончилась в декабре 2013 года, как первоначально планировалось. Тем не менее, по-прежнему существует группа поддержки для особых случаев и отремонтированных систем, которые по-прежнему доступны в ограниченном количестве.

Встроенные рынки

Ingenic JZ4725 является примером SoC на базе MIPS .

В течение 1990-х годов архитектура MIPS была широко принята на рынке встраиваемых систем, в том числе для использования в компьютерных сетях , телекоммуникациях , аркадных видеоиграх , игровых консолях , компьютерных принтерах , цифровых телевизионных приставках , цифровых телевизорах , DSL и кабельных модемах , а также персональные цифровые помощники .

Низкое энергопотребление и тепловые характеристики встроенных реализаций MIPS, широкая доступность встроенных инструментов разработки и знание архитектуры означают, что использование микропроцессоров MIPS во встроенных функциях, вероятно, останется распространенным явлением.

Синтезируемые ядра для встраиваемых рынков

В последние годы Большая часть технологий, используемых в различных поколениях MIPS, предлагалась в виде полупроводниковых ядер интеллектуальной собственности (IP-ядер) в качестве строительных блоков для встроенных процессоров конструкций как 32-битные , так и 64-битные . Предлагаются базовые ядра, известные как 4K и 5K . Эти ядра можно комбинировать с дополнительными модулями, такими как модули с плавающей запятой (FPU), системы с одной командой, несколькими данными ( SIMD ), различные устройства ввода-вывода (I/O) и т. д.

Ядра MIPS имели коммерческий успех и теперь имеют множество потребительских и промышленных применений. Ядра MIPS можно найти в новых Cisco , Linksys маршрутизаторах и Mikrotik, кабельных модемах и модемах асимметричной цифровой абонентской линии (ADSL), смарт-картах , лазерных принтеров механизмах , телевизионных приставках , роботах и ​​портативных компьютерах. В мобильных телефонах и КПК MIPS в значительной степени не смог вытеснить действующую конкурирующую архитектуру ARM .

Процессоры с архитектурой MIPS включают: IDT RC32438; ATI/AMD Xilleon ; Алхимия Au1000, 1100, 1200; Broadcom Sentry5; RMI XLR7xx, Cavium Octeon CN30xx, CN31xx, CN36xx, CN38xx и CN5xxx; Infineon Technologies EasyPort, Amazon, Danube, ADM5120, WildPass, INCA-IP, INCA-IP2; Микрочиповая технология PIC32; NEC EMMA и EMMA2, NEC VR4181A, VR4121, VR4122, VR4181A, VR4300, VR5432, VR5500; Дубовые технологии поколения; PMC-Сьерра RM11200; QuickLogic QuickMIPS ESP; Тошиба Донау , Тошиба TMPR492x, TX4925, TX9956, TX7901; КОМДИВ-32 , КОМДИВ-64 , ЭЛВИС Мультикор из России.

Суперкомпьютеры на базе MIPS

Одним из интересных, но менее распространенных вариантов использования архитектуры MIPS являются суперкомпьютеры с большим количеством процессоров. компания Silicon Graphics (SGI) переориентировала свой бизнес с настольных графических рабочих станций на рынок высокопроизводительных компьютеров В начале 1990-х годов . Успех первого вторжения компании в серверные системы, серии Challenge на базе R4400 и R8000 , а затем и R10000 , побудил SGI создать гораздо более мощную систему. Внедрение интегрированного R10000 позволило SGI создать систему Origin 2000 , которую в конечном итоге можно масштабировать до 1024 процессоров с использованием межсоединения NUMAlink cc-NUMA. Origin 2000 положил начало серии Origin 3000 , которая имела то же максимальное количество процессоров 1024, но использовала чипы R14000 и R16000 с частотой до 700 МГц. Суперкомпьютеры на базе MIPS были сняты с производства в 2005 году, когда SGI приняла стратегическое решение о переходе на архитектуру Intel Itanium IA-64 .

Стартап по производству высокопроизводительных вычислений под названием SiCortex представил в 2007 году суперкомпьютер на базе MIPS с массовым параллелизмом. Машины основаны на архитектуре MIPS64 и высокопроизводительном межсоединении с использованием топологии графа Каутца . Система очень энергоэффективна и мощна в вычислительном отношении. Самым инновационным аспектом системы был многоядерный процессорный узел, объединяющий шесть ядер MIPS64, с перекрестным переключателем контроллер памяти , механизм прямого доступа к памяти (DMA), контроллеры Gigabit Ethernet и PCI Express — все на одном кристалле, потребляющем всего 10 Вт энергии. мощности, но при этом имеет пиковую производительность с плавающей запятой 6 гигафлопс . Самая мощная конфигурация, SC5832, представляет собой однокорпусный суперкомпьютер, состоящий из 972 таких узловых микросхем, что в общей сложности обеспечивает 5832 процессорных ядра MIPS64 и пиковую производительность 8,2 терафлопс.

Лунгсон

Основная статья: Лунгсон

Loongson — это семейство MIPS-совместимых микропроцессоров, разработанное Китайской академии наук Институтом вычислительных технологий (ICT) . Ранние модели, разработанные китайцами независимо, не поддерживали четыре инструкции, запатентованные MIPS Technologies. В июне 2009 года ICT лицензировала архитектуры MIPS32 и MIPS64 у MIPS Technologies. Начиная с 2006 года многие компании выпустили компьютеры на базе Loongson, в том числе неттопы и нетбуки, предназначенные для использования с низким энергопотреблением.

В последние годы специальный космический чип Loongson (1E04/1E0300/1E1000,1F04/1F0300,1J) использовался на 3–5 навигационных спутниках Beidou.

Рассвет 6000

Основная статья: Рассвет информационной индустрии § Рассвет 6000

Dawning 6000 Суперкомпьютер , прогнозируемая производительность которого превышает 1 P FLOPS , будет использовать процессор Loongson . В настоящее время Dawning 6000 разрабатывается совместно компаниями ICT и Dawning Information Industry. Ли Гоцзе, председатель компании Dawning Information Industry, директор и академик в области ИКТ, сказал, что исследования и разработки Dawning 6000, как ожидается, будут завершены через два года. Ожидается, что к тому времени высокопроизводительные компьютеры китайского производства достигнут двух основных целей: во-первых, внедрение процессоров отечественного производства; во-вторых, существующая кластерная структура высокопроизводительных компьютеров будет изменена, как только производительность достигнет 1 ПФЛОПС.

МИПС Аптив

Объявлено в 2012 году, Семейство MIPS Aptiv включает три 32-разрядных процессора на базе архитектуры MIPS32 Release 3.

микроАптив

микроАптив представляет собой компактное встроенное процессорное ядро ​​реального времени с пятиступенчатым конвейером и набором инструкций сжатия кода microMIPS. microAptiv может быть сконфигурирован как микропроцессор (microAptiv UP) с кэшем инструкций и данных и блоком управления памятью , либо как микроконтроллер (microAptiv UC) с блоком защиты памяти (MPU). ЦП объединяет функции DSP и SIMD для удовлетворения требований к обработке сигналов для встраиваемых сегментов начального уровня, включая промышленный контроль, интеллектуальные счетчики, автомобильную и проводную/беспроводную связь.

ИнтерАптив

ИнтерАптив представляет собой многопроцессорное ядро, использующее девятиэтапный конвейер с многопоточностью. Ядро можно использовать для высокопараллельных задач, требующих оптимизации затрат и энергопотребления, таких как интеллектуальные шлюзы, обработка основной полосы в пользовательском оборудовании LTE и малых сотах, контроллеры твердотельных накопителей (SSD) и автомобильное оборудование.

активный

активный — это суперскалярное процессорное ядро ​​с нарушением порядка, доступное в одноядерных и многоядерных версиях продукта. proAptiv предназначен для обработки приложений в подключенной бытовой электронике и обработки плоскости управления в сетях.

МИПС Воин

Объявлено в июне 2013 г. Семейство MIPS Warrior включает в себя несколько 32-битных и 64-битных процессоров на основе архитектур MIPS Release 5 и 6.

Воин М-класса

32-битные ядра MIPS для встроенных устройств и микроконтроллеров:

• Ядра MIPS M5100 и MIPS M5150 (MIPS32 Release 5): пятиступенчатая конвейерная архитектура, microMIPS ISA, модуль MIPS DSP r2, быстрая обработка прерываний, расширенные возможности отладки/профилирования и управление питанием.
• Ядра MIPS M6200 и M6250 (MIPS32 Release 6): шестиступенчатая конвейерная архитектура, microMIPS ISA, выделенный модуль DSP и SIMD

Воин I-класса

64-битные процессоры MIPS для высокопроизводительных встроенных систем с низким энергопотреблением:

• Многопроцессорное ядро ​​MIPS I6400 (MIPS64 Release 6): одновременная многопоточность (SMT), аппаратная виртуализация, 128-битный SIMD, расширенное управление питанием, многоконтекстная безопасность, возможность расширения до согласованной многокластерной работы.

Воин P-класса

32-битные и 64-битные процессоры приложений MIPS:

• Многопроцессорное ядро ​​MIPS P5600 (MIPS32 Release 5): аппаратная виртуализация с обходом таблицы оборудования, 128-битный SIMD, 40-битная расширенная физическая адресация (XPA)
• Многопроцессорное ядро ​​MIPS P6600 (MIPS64 Release 6): аппаратная виртуализация с аппаратным обходом таблицы, 128-битный SIMD

Пустяки

Персонаж-кролик MIPS из Super Mario 64 был назван в честь микропроцессора MIPS.

См. также

• Список процессоров с архитектурой MIPS