Что такое mips процессор
Обновлено: 07.07.2024
В статье описана история развития архитектуры MIPS от ее рождения до настоящего времени. Дается описание основных возможностей специализированных расширений архитектуры. Приводятся основные характеристики IP-ядер, предоставляемых компанией MIPS Technologies, Inc. Рассматриваются наиболее интересные продукты, разработанные другими компаниями на основе MIPS-архитектуры. Затронуты вопросы нарушения интеллектуальной собственности и действия MIPS Technologies, Inc. по защите своих прав.
В 1981 г. команда Стендфордского университета, возглавляемая Джоном Хенесси (John Hennesy) начала работу над проектом, который впоследствии привел к появлению первого MIPS-процессора. Базовая концепция заключалась в значительном повышении производительности за счет существенного упрощения архитектуры процессора, в основу которой была положена идея конвейеризации. При этом была решена проблема блокировок или вынужденных остановок конвейера, называемых interlocks, которая считалась главным препятствием распространению идеи конвейерного вычисления. Именно это свойство и дало название архитектуре MIPS: Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages. Такая идеология потребовала исключить много полезных инструкций, требующих нескольких тактов на выполнение, однако общая производительность системы существенно увеличилась за счет повышения рабочей частоты процессора.
В 1984 г. Джон Хенесси покинул Стенфордский университет и основал компанию MIPS Computer Systems. В 1985 г. на рынок был выпущен первый коммерческий микропроцессор R2000, а в 1988 г. — его улучшенная версия R3000. Эти 32-разрядные процессоры в основном применялись в рабочих станциях компании Silicon Graphics Inc. (SGI). В 1991 г. MIPS Computer Systems разработала 64-разрядный микропроцессор R4000, который стал первым коммерческим 64-разрядным RISC-микропроцессором, однако при выводе его на рынок возникли финансовые проблемы. Для сохранения компании и данного проекта в 1992 г. фирма SGI, для которой проект R4000 был жизненно важен, купила копанию MIPS Computer Systems, впоследствии переименованную в MIPS Technologies, Inc. (MTI).
На заре своего развития архитектура MIPS обеспечивала высокую производительность и существенный выигрыш по сравнению с традиционными CISC-процессорами. За счет этого микропроцессоры MIPS позиционировались как высокопроизводительные и применялись в мощных рабочих станциях, в первую очередь графических станциях производства SGI. Помимо SGI, станции на базе MIPS производили Olivetti, Siemens-Nixdorf, Acer, DEC, NEC и др. [1]. На эти станции были портированы как собственные операционные системы типа IRIX (SGI), RISC/OS (MIPS), так и широко распространенные ОС — Linux, Unix, Microsoft Windows NT, Windows CE. Однако в конце 90-х гг. процессоры архитектуры х86 сделали резкий рывок в производительности, и количество продаваемых станций резко упало. В результате компания MIPS Technologies практически полностью покинула рынок рабочих станций и настольных компьютеров и сосредоточила свои усилия на продаже лицензий на IP-ядра собственной архитектуры для рынка встраиваемых систем.
С момента своего появления в 1985 г. архитектура MIPS непрерывно развивалась. Вслед за спецификацией MIPS-I, на основе которой разработаны процессоры R2000 и R3000, появилась спецификация MIPS-II, реализованная в микропроцессоре R6000. В 1992 г. была представлена 64-битная версия архитектуры MIPS-III, впервые реализованная в микропроцессорах серии R4000, на смену которой пришли версии MIPS-IV (микропроцессор R8000) и MIPS-V. Такое обилие версий архитектуры создавало путаницу у потребителей и проблемы с переносом системного ПО, поэтому в 1999 г. MIPS Technologies представила две базовые спецификации архитектуры, покрывающие все предыдущие: MIPS32, основанную на MIPS-I,-II c элементами MIPS-III, которой должны соответствовать все новые 32-разрядные микропроцессоры, и архитектуру MIPS64, являющуюся надмножеством MIPS32 и распространяющуюся на 64-разрядные микропроцессоры.
Помимо этого, для повышения потребительских свойств процессорных ядер был разработан целый набор расширений архитектуры, оптимизированный для определенного класса задач (ASE — Application Specification Extension). Ниже приведено краткое описание данного набора расширений [2].
MIPS 3D — является расширением архитектуры MIPS64, предназначенным для работы с 3D-графикой. Команды этого расширения позволяют ускорить работу алгоритмов цифровой обработки сигналов над данными с плавающей запятой.
MIPS16e — представляет собой подмножество 16-разрядных команд для снижения требований к памяти. Расширение позволяет разработчикам встраиваемых систем уменьшить размер памяти, требуемой для хранения программ. Экономия может составить до 40% по сравнению с традиционной 32-рязрядной реализацией. Кроме этого, применение MIPS16e позволяет снизить энергопотребление, повышает вероятность попадания в кэш-память при сохранении общей производительности.
SmartMIPS — данный набор команд создан для поддержки широкого набора алгоритмов шифрования, например RSA, DES, AES, elliptic curve и др., и позволяет реализовать их без дополнительного аппаратного ускорителя, экономя площадь кристалла и общую стоимость.
MIPS MT — это расширение позволяет в полной мере использовать преимущества многопоточной работы. MTI утверждает, что на ряде приложений многопоточность позволяет достичь 90% занятости процессора и обеспечивает до 40% повышения производительности без изменения программного кода при незначительном (около 6—10%) увеличении площади кристалла.
MIPS DSP — это расширение направлено на ускорение обработки сигналов и работы с аудио-/видеоданными. Реализация расширения набора инструкций добавляет всего 5—10% площади кристалла, при этом дает до 300% увеличения производительности ряда приложений.
CorExtend — данная опция предоставляет пользователю возможность самостоятельно расширять стандартный набор команд спецификаций MIPS32 или MIPS64 собственными командами, включение которых производится с помощью системы разработки CoWare’s CORXpert Personality Kit [3]. Данная возможность особенно востребована при построении системы под ограниченный набор задач с определенными алгоритмами работы.
На текущий момент компания MIPS Technologies предлагает для лицензирования достаточно большой набор 64- и 32-разрядных IP-ядер [4, 5].
64-разрядное семейство представлено двумя ядрами, появившимися в 2001 г., а именно MIPS64_5K и MIPS64_20K.
Ядро MIPS64_5K поставляется в двух вариантах: MIPS_5Кс без арифметического сопроцессора и MIPS_5Kf, содержащего сопроцессор вещественной арифметики. Реализованное по технологическому процессу 0,13 мкм, это семейство позволяет достичь 350 МГц в наихудшем варианте эксплуатации по температуре и напряжению питания и обеспечивает производительность 1,4 DMIPS/МГц.
Ядро MIPS64_20Kc, в отличие от всех других, поставляемых как синтезируемая RTL-модель (soft-блок), выпускается в виде законченной топологии (hard-блок) и имеет реализации для большинства крупнейших микроэлектронных фабрик. Его арифметический сопроцессор дополнен графическим расширением MIPS 3D. Реализованное по оптимизированному по энергопотреблению технологическому процессу 0,13 мкм, ядро позволяет достичь частоты 533 МГц в наихудших условиях и производительности в 1,7 DMIPS/МГц. На момент выхода на рынок ядро являлось лидером по производительности из всех лицензируемых IP-ядер.
Эти 64-разрядные ядра нашли широкое применение у потребителей, однако за прошедшее с 2001 г. время компания не представила ни одного нового 64-разрядного ядра, направив все усилия на развитие семейства 32-разрядных ядер. В настоящее время данное семейство совершенствуется в нескольких направлениях, как показано на рисунке 1.
Достигаемая частота, МГц (процесс, нм)
Потребляемая мощность, мВт/МГц
Занимаемая ядром площадь, мм2 (процесс, нм)
Лицензии на синтезируемые IP-ядра с MIPS-архитектурой приобрели более 250-ти компаний по всему миру, среди которых имеются ведущие производители электронных приборов. Ниже приводится информация по наиболее значимым на текущий момент достижениям MIPS-лицензиатов.
Компания Broadcom Corporation
Компания Broadcom Corporation [6] входит в 20 крупнейших мировых поставщиков полупроводниковых приборов с оборотом почти 4 млрд. долл. в 2007 г. Компания является не только разработчиком микропроцессоров, но также и производителем конечного оборудования. Основной рынок — высокопроизводительное коммуникационное и сетевое оборудование, а также сотовые телефоны. На сегодняшний день самым мощным микропроцессором в распоряжении компании является BCM1480, разработанный в 2004 г. и включающий в себя 4 ядра с архитектурой MIPS64, работающих на частоте до 1,2 ГГц, и набор периферийных устройств, ориентированных на коммуникационные и сетевые применения. Следует отметить, что данный процессор не обновлялся с 2004 г., что для микроэлектронной отрасли — достаточно большой интервал.
Компания Cavium Networks
Компания Cavium Networks [7] с годовым оборотом около 100 млн. долл. представляет на рынок несколько семейств микропроцессоров собственной разработки на базе MIPS-архитектуры для сетевых и коммуникационных применений, систем хранения данных и защиты информации. Среди клиентов компании — более 100 потребителей, включая всех ведущих производителей сетевого и коммуникационного оборудования.
Наибольшую производительность предоставляют микропроцессоры семейства OCTEON PLUS. Флагман семейства — разработанный в 2007 г. микропроцессор CN5860 — содержит 16 суперскалярных ядер с архитектурой MIPS64, работающих на частоте до 900 МГц, что обеспечивает производительность до 28,8 млрд операций в секунду. Помимо этого кристалл содержит аппаратные реализации алгоритмов шифрования, компрессии/декомпрессии, ускорения протокола TCP, средства обеспечения качества передачи пакетов (QoS).
Компания RMI Corporation
Компания RMI Corporation [8, 9], ранее известная как Raza Microelectronics, Inc., является одним из наиболее успешных лицензиатов MIPS. Компания специализируется на производстве микропроцессоров для широкого спектра встраиваемых устройств, в т.ч. для сетевого оборудования, устройств шифрования данных, коммутаторов беспроводного доступа и т.д.
Компания развивает несколько семейств MIPS-процессоров, среди которых можно выделить семейство многоядерных многопоточных микропроцессоров серии XLR собственной разработки, позиционируемых для сетевых применений, и семейство микропроцессоров серии Alchemy, более ориентированное на мультимедийные приложения.
Семейство микропроцессоров Alchemy досталось RMI в 2006 г. от компании AMD, которая, в свою очередь, купила его у компании Alchemy Semiconductor. Базовый микропроцессор Au1200 содержит 32-разрядное MIPS-ядро, блок DSP для работы с видеоинформацией и широкий набор периферийных устройств. Максимальная частота 500 МГц, при этом потребление составляет всего 500 мВт. Основное применение — персональные медиаплееры и цифровые медиа адаптеры.
Наиболее мощный представитель семейства XLR — разработанный в 2005 г. микропроцессор XLR700 — содержит во-
семь ядер с архитектурой MIPS64, каждое из которых может обслуживать четыре потока задач, работающих на частоте до 1,2 ГГц. Также микропроцессор содержит широкий набор устройств, таких как развитый блок шифрования данных, несколько портов гигабитного Ethernet и т.д.
Компания SiCortex
В конце 2007 г. ранее малоизвестная компания SiCortex, Inc. объявила о выпуске настольного суперкомпьютера SC5832 на основе микропроцессора с архитектурой MIPS64 собственной разработки [10]. В состав микропроцессора входят шесть 64-разрядных ядер, два контроллера памяти и контроллер внешнего интерфейса PCI Express. Рабочая частота — 500 МГц, потребляемая мощность 15 Вт, что на порядок меньше традиционных для таких систем 250 Вт. Суперкомпьютер SC5832 способен выполнять шесть трлн. операций в секунду, занимая при этом кабинет втрое меньшего размера и потребляя в 10 раз меньше энергии, чем традиционный кластер той же производительности.
Клоны архитектуры — Lexra, Loongson
Архитектура MIPS оказалась настолько удачной, что нашлись желающие разделить успех лидера. В 1997 г. компания Lеxra разработала собственное IP-ядро, способное выполнять все команды архитектуры MIPS-I, за исключением четырех команд невыровненной передачи lwl, lwr, swl, swr. Реализовать их было невозможно без нарушения патента 4,814,976, которым владела MIPS Technologies. Ядро было устроено таким образом, что когда подобные команды встречались в программном коде, происходило прерывание и команда эмулировалась программными средствами. Данное ядро было представлено общественности как MIPS-совместимое. Вначале бизнес Lexra развивался достаточно успешно, и ее IP-ядра, которые по многим параметрам превосходили аналогичные ядра MTI и стоили существенно дешевле, приобрели около 40 компаний, наиболее известные из которых — Realtek и Analog Devices [11]. Естественно, MIPS Technologies не могла спокойно наблюдать за потерей рынка и инициировала ряд судебных разбирательств. Суд признал правоту владельца, и Lexra была вынуждена уйти из данного бизнеса, а ее лицензиаты должны были приобрести лицензии MIPS Technologies [12].
Другим примером разработки микропроцессора, использующего систему команд MIPS без покупки лицензии у владельца, можно назвать семейство микропроцессоров китайской разработки серии Loongson (также встречаются названия Godson и Dragon). В 2002 г. компания BLX IC Design Corporation, созданная на базе Института компьютерной технологии Китайской Академии наук, разработала 32-разрядный MIPS-подобный микропроцессор Loongson-1 с частотой 266 МГц. Этот микропроцессор соответствовал 32-разрядному подмножеству MIPS-III архитектуры за исключением четырех команд невыровненной передачи, защищаемых патентом №976. Семейство достаточно бурно развивается: в настоящий момент выпускается 64-разрядная версия под именем Godson-2F с частотой 1,2 ГГц. Готовится выпуск следующего поколения микропроцессора, названного Godson-3, который, как ожидается, будет содержать четыре 64-разрядных MIPS-ядра, работающих на частоте 1,0 ГГц при технологии изготовления 65 нм. Производительность кристалла оценивается в 80 ГФлопс при ориентировочном энергопотреблении всего 20 Вт. Предполагается, что этот микропроцессор станет основой масштабной программы китайского правительства по созданию к 2010 г. суперкомпьютера производительностью более 1 ПФлопс.
Поскольку компания BLX не имела лицензии от владельца архитектуры, утверждая, что не нарушает патентов, а MTI активно возражала, легальный статус данной серии был не вполне понятен компьютерной общественности, учитывая опыт Lexra. Этот вопрос постоянно сопровождал все публикации по данной серии микропроцессоров. В итоге в марте 2007 г. компания STMicroelectronics купила лицензию у MIPS Technologies и заключила соглашение с BLX, по которому STMicroelectronics будет заниматься производством и распространением микропроцессоров семейства Godson от своего имени [13].
Следует отметить, что срок действия патента №976 истек 23-го декабря 2006 г., и это обстоятельство формально позволяет проектировать и продавать процессоры с архитектурой MIPS-I без лицензии, при условии, что они не будут позиционироваться как MIPS-совместимые, чтобы не нарушать права на торговую марку. Однако в настоящий момент таких прецедентов не известно. Также следует иметь в виду, что ряд новых команд, введенных в спецификации MIPS32, MIPS64, а также в расширения архитектуры, имеет основательную защиту патентами MTI, что делает прямое копирование современной архитектуры MIPS невозможным.
Отличительным свойством MIPS-архитектуры является способность обеспечить высокую производительность при относительно простом ядре, что означает возможность реализации с меньшим размером кристалла и, соответственно, с меньшей стоимостью конечного продукта. Благодаря этому, а также наличию богатого набора программного обеспечения, MIPS-процессоры нашли широкое применение на рынке встраиваемых систем. Так, в 1997 г. микропроцессоры с MIPS-архитектурой доминировали на рынке 32-разрядных RISC-микропроцессоров для встроенных систем с объемом производства в 44 млн. шт., почти в два раза превосходя ближайшего конкурента — семейство SuperH (23,5 млн. шт.) и более чем в четыре раза — семейство ARM (10 млн. шт.) [14]. Из наиболее известных успешных проектов с применением MIPS-процессоров можно назвать игровые консоли Nintendo 64, Sony PlayStation, Sony PlayStation 2 и Sony PSP, которые долгие годы обеспечивали MTI солидные лицензионные отчисления.
Однако к настоящему времени архитектура с объемом выпуска в 2007 г. порядка 400 млн. кристаллов в год [15] уступила место лидера архитектуре ARM, имеющей обьем выпуска в 2007 г. порядка 3 млрд. кристаллов [16]. Последняя захватила наиболее массовые сегменты рынка устройств со сверхнизким энергопотреблением, таких как сотовые телефоны, MP3-плееры, GPS-приемники и т.д. Тем не менее процессоры с MIPS-архитектурой продолжают лидировать в таких секторах как кабельные и DSL-модемы (95 и 52% рынка, соответственно), кабельные и спутниковые телевизионные приставки (76 и 30% рынка, соответственно), схемы для цифрового ТВ (59% рынка), DVD-проигрыватели (70%), сетевые концентраторы и коммутаторы (40%), принтеры (62%) и т.д. [17].
Для усиления своих позиций компания предпринимает серьезные шаги по расширению бизнеса. Так, в конце 2007 г. была заключена сделка по покупке португальской компании Chipidea Microelectronica, специализирующейся в области разработки аналоговых и цифро-аналоговых IP-ядер. С этого момента MIPS Technologies позиционирует себя как мирового лидера в данном сегменте рынка, к которому относятся радиочастотные приемники, блоки управления энергопитанием, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, комплексные решения для устройств WiMax, WiFi, контроллеров Blue-ray и т.д. [18].
В настоящее время компания MIPS Technologies считает своим основным конкурентным преимуществом то, что пользователю предлагается не просто набор IP-ядер, а целая экосистема, объединяющая в едином маршруте проектирования процессорные IP-ядра с возможностью расширения набора команд, аналоговые и цифро-аналоговые IP-блоки, широчайший набор прикладного и системного ПО, стандартные средства разработки программных и аппаратных решений, что в итоге позволяет разработчикам создавать современные конкурентоспособные изделия в короткие сроки, с меньшим риском и за меньшую стоимость [17].
Всё продолжаю свои части реферата. На этот раз об архитектуре MIPS. <br/><br/>MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages), "процессор без блокировок в конвейере" в дословном переводе. Основная идея, которой руководствовался Джон Хеннеси, со своей командой проектировавший в 1981 году первый MIPS-процессор, такова. Сильно упростив внутреннее устройство CPU и используя очень длинный (по тем временам) конвейер, можно получить процессор, не умеющий выполнять сравнительно сложные инструкции, зато работающий на очень высоких тактовых частотах, позволяющих скомпенсировать потери производительности на эмуляцию этих сложных инструкций. Изначально предполагалось, что MIPS-процессоры не будут аппаратно поддерживать даже операции умножения и деления – благодаря чему можно было обо.
Слив 3060 Gigabyte Gaming - на сегодня это за копейки
Недорогие RTX 3060 - крипта растет, а видяхи дешевеют
Этот материал написан посетителем сайта, и за него начислено вознаграждение.
Всё продолжаю свои части реферата. На этот раз об архитектуре MIPS.
MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages), "процессор без блокировок в конвейере" в дословном переводе. Основная идея, которой руководствовался Джон Хеннеси, со своей командой проектировавший в 1981 году первый MIPS-процессор, такова. Сильно упростив внутреннее устройство CPU и используя очень длинный (по тем временам) конвейер, можно получить процессор, не умеющий выполнять сравнительно сложные инструкции, зато работающий на очень высоких тактовых частотах, позволяющих скомпенсировать потери производительности на эмуляцию этих сложных инструкций. Изначально предполагалось, что MIPS-процессоры не будут аппаратно поддерживать даже операции умножения и деления – благодаря чему можно было обойтись без сложных в реализации блокировок конвейера (отсюда и название архитектуры). Тем не менее даже в самых первых MIPS’ах блокировки в конвейере, равно как и аппаратные инструкции умножения и деления все-таки присутствовали - "в чистом виде" идея оказалась малопригодной для создания коммерческих процессоров.
В 1984 году Хеннеси с командой покинул Стэндфордский университет и основал компанию MIPS Computer Systems. В 1985 она выпустила первый 32-разрядный MIPS-процессор R2000; в 1988 году - гораздо более быстрый, работающий с виртуальной памятью и поддерживающий многопроцессорность R3000. R3000 стал первым по-настоящему коммерчески успешным MIPS-процессором и использовался в рабочих станциях Silicon Graphics (SGI). Кстати, вариант MIPS R3000A хорошо известен в народе как центральный процессор приставки Sony PlayStation.
В 1991 году вышел первый 64-разрядный MIPS R4000, легший в основу целого ряда различных процессоров, выпускавшихся по лицензиям другими фирмами. R4000 оказался настолько важен для SGI, что она не колеблясь приобрела испытывавшую тогда финансовые затруднения MIPS Computer Systems и превратила эту компанию в собственное подразделение MIPS Technologies. Тогда же SGI начала продавать лицензии на производство MIPS-процессоров сторонним фирмам, которые взялись разрабатывать свои, улучшенные варианты R4000. Помимо всего прочего, начиная с R4600 и R4700 (разработка Quantum Effects Devices) MIPS-процессоры стали основой для знаменитых маршрутизаторов Cisco, являющихся сегодня неотъемлемой частью большинства крупных сетей, включая Интернет (например, в Нижнем Новгороде на маршрутизаторах Cisco живёт компания "Голден Телеком", владелец торговой марки Россия-Он-Лайн). Использовались 64-разрядные MIPS-процессоры и в приставках: R4300 - в Nintendo 64, R5900 - в PlayStation 2.
В 1994 году вышел R8000 - первый суперскалярный MIPS-процессор; в 1995-м - R10000, улучшенный во всех отношениях вариант R8000, поддерживавший внеочередное исполнение команд в конвейере. Работая на частоте 200 МГц, R10000 был одним из самых быстрых CPU того времени. Пожалуй, на те времена пришелся расцвет архитектуры MIPS – она была столь успешной, что в 1998 году SGI снова сделала из MIPS Technologies отдельную компанию. Правда, "в стиле Тараса Бульбы" ("я тебя породил, я тебя и убью"), - SGI сочла дальнейшее развитие MIPS как своей флагманской разработки бесперспективным и решила, когда настанет срок, перевести линейку Silicon Graphics на процессоры архитектуры IA-64 (Intel Itanium).
В итоге дизайн всех последующих MIPS-процессоров основывался на R10000. Изменялись только объем кэш-памяти и постепенно наращивалась тактовая частота. Фактически после прорыва R10000 архитектура MIPS была заброшена, и мало-помалу эти процессоры утратили лидирующее положение в индустрии. В 2001 году топовым CPU от MIPS Technologies был R14000 с тем же старым ядром R10000 и тактовой частотой всего 600 МГц. Конкуренты в лице, к примеру, более совершенных в технологическом плане AMD Athlon уже достигли частот 1,3-1,4 ГГц, были в несколько раз производительнее, а стоили куда меньше. Так что как "тяжелая высокопроизводительная RISC-архитектура" MIPS к началу нового тысячелетия умерла. Но компания MIPS Technologies процветает до сих пор – за счет лицензирования архитектуры сторонним разработчикам.
Еще в 1999 году MIPS Technologies упростила свою лицензионную политику, предложив всем желающим два варианта MIPS-архитектуры: MIPS32 – для 32-разрядных систем и MIPS64 – для 64-разрядных. С тех пор эту технологию лицензировали NEC, Toshiba, Broadcom, Philips, LSI Logic и IDT, выпустившие огромное количество специализированных интегрированных процессоров на ее основе. Сегодня MIPS – самая популярная высокопроизводительная архитектура, использующаяся во встраиваемых системах. А это львиная доля сетевых устройств (от роутеров Cisco Systems до небольших мостов домашних и офисных сетей); большая часть процессоров игровых приставок прошлых поколений; процессоры для WiFi (IEEE 802.11) и VoIP; кодеры-декодеры MPEG; некоторая часть процессоров терминалов, КПК и сотовых телефонов. Не очень завидная участь для бывшего лидера, но если сравнивать с судьбой SPARC или Alpha – не такая уж и плохая.
Этот материал написан посетителем сайта, и за него начислено вознаграждение.
Подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен или telegram-канал @overclockers_news - это удобные способы следить за новыми материалами на сайте. С картинками, расширенными описаниями и без рекламы.
То, о чем говорили сторонники Open Source с 1980-х — свершилось! Сегодня архитектура процессоров MIPS стала Open Source. Учитывая, что такие компании как Broadcom, Cavium, китайский ICT и Ingenic платили MIPS за архитектурную лицензию (право сделать совместимую по системе команд микроархитектурную реализацию) миллионы долларов (иногда более десяти миллионов), это историческая веха. Теперь у RISC-V нет преимущества в этом аспекте, да и ARM придется оправдываться. У MIPS до сих пор есть технические преимущества перед RISC-V — лучшая плотность кода у nanoMIPS, лучшая поддержка аппаратной многопоточности, лучшие бенчмарки на high-end ядрах, более полная экосистема. И 8 миллиардов выпущенных чипов на основе MIPS.
Вот команда разработчиков 64-битного процессорного ядра MIPS I6400 «Samurai» и MIPS I6500 «Daimyo» в Сан-Франциско. Это ядро лицензировала в частности японская компания автомобильной электроники DENSO, поставщик Тойоты:
А вот представители российской компании ЭЛВИС-НеоТек вместе с русскими, украинскими и казахстанским разработчиком ядер MIPS и софтвера для него. ЭЛВИС-НеоТек является как лицензиатом ядер MIPS, так и разработчиком собственного по микроархитектуре ядра, совместимого с архитектурой MIPS. А также аппаратных блоков видео-обработки и алгоритмов распознавания:
Российское MIPS-коммьюнити оказано непосредственное влияние на этот шаг:
Сегодня я разговаривал с президентом MIPS Артом Свифтом. До нынешнего поста Арт был вице-председателем комитета по маркетингу RISC-V, вице-президентом Sun, DEC и Cirrus Logic. Я спросил у Арта, чем же отличается Open MIPS от не ставшего популярным Open SPARC.
Арт ответил, что Sun Microsystems была открытой только на словах и не очень любила строить коммьюнити. А вот мы в Open MIPS будем заниматься именно построением коммьюнити. Причем методы построения всемирного коммьюнити будут основаны на опыте строительства MIPS-коммьюнити в России (!), а точнее на работе с российскими компаниями (ЭЛВИС-НеоТек, Байкал Электроникс, НИИСИ, НИИМА Прогресс) и университетами, которые проводили семинары по MIPSfpga (МИЭТ, МФТИ, ИТМО, МИФИ, МГУ, СГАУ, НГТУ, ТГУ, КПИ и другие).
Немного истории. Истоки MIPS — в Стенфорде начала 1980-х годов. В 1984 году была основана компания MIPS Computer Systems, которая потом неоднократно меняла владельцев (Silicon Graphics, MIPS Technologies, Imagination Technologies, Wave Computing). В том же 1984 году возникла и компания ARM. Вот основатель MIPS Джон Хеннесси с первым чипом:
Впоследствие MIPS использовался в ранних игровых приставках Nintendo64 и Sony Playstation. Вот девушка Ирина в музее компьютеров рядом с рабочими станциями Silicon Graphics, которые использовались для съемок первых реалистично-графических голливудских фильмов, включая «Парк Юрского Периода». Эти же компьютеры упомянуты в романе русского писателя Виктора Пелевина «Поколение П». Внутри — процессор MIPS R4000:
А вот — встреча в прошлом году в Москве участников семинаров по MIPSfpga, образовательной программы, в которой университетские исследователи могут модицифировать реальный промышленный процессор MIPS interAptiv UP, синтезировать его для ПЛИС и посмотреть, как он работает, в том числе в потактовом режиме. В центре — Роберт Оуэн, менеджер образовательных программ Imagination Technologies, слева от него — Станислав Жельнио, автор российского учебного ядра schoolMIPS (его можно найти на GitHub):
В вот российский компьютер на основе процессора КОМДИВ-64, с вариантом архитектуры MIPS + спроектированной в России микроархитектурой + разработанными в России векторными расширениями архитектуры:
А вот Максим Горбунов, менеджер из НИИСИ, где был спроектирован КОМДИВ-64. Максим — второй слева, между специалистом по образовательным программам из российского Самсунга Татьяной Волковой и специалистом по образованию школьников из МФТИ Андреем Огневым:
Вот в офисе лицензиата MIPS Байкал Электроникс. Процессор Байкал-Т1 на основе MIPS P5600 «Apache» используется сейчас в российских контроллерах станков и сетевых устройствах:
А вот в Киевском Политехническом Институте на хакатоне MIPSfpga. Победители этого хакатона впоследствие получили бронзу на европейском финале конкурса Innovate FPGA, организованного Интелом:
Этот хакатон также вошел в презентации и статьи про практику MIPSfpga в университетах:
MIPS вдохновил создателей специализированных вычислительных устройств, например David Wentzlaff, который читает курс по продвинутой процессорной архитектуре в Принстоне и на Курсере:
Устройство, которое разработано Девидом, предстваляло из себя сетку (mesh) из 64 процессоров. Интересно, что сейчас Wave Computing, компания, частью которой является MIPS, тоже работает над сеткой, но из десятков тысяч процессорных элементов. Эта архитектура предназначена для ускорителя нейросетей, чипа на 7 нанометров, который Wave Computing разрабатывает совместно с Broadcom. Вот в офисе Wave Computing в Campbell, California. Слева специалист по функциональной верификации и UVM Jon Wang, а справа старший директором по Custom Design Steve Dilbeck. Стив — большой авторитет в asynchronous design, dynamic logic и разных эффектах на уровне транзисторов, когда размеры опускаются до 7 нанометров, а частоты поднимаются выше 6 гигагерц:
Всем привет! В продолжении серии кратких обзоров наиболее популярных процессоров нашего недавнего прошлого и настоящего встречайте героя этого выпуска - процессор архитектуры MIPS .
Дизайн первого процессора с одновременно простой и эффективной архитектурой под обозначением R2000 появился в первой половине 80-х годов в Стэнфордском университете. Аббревиатура MIPS обозначает микропроцессор без взаимосвязанных этапов конвейера . Философией этого проекта стало крайнее упрощение набора команд, что наилучшим образом сказалось на сложности декодера инструкций и всего процессора целиком, но, пожалуй, главное в этой архитектуре это конвейеризация всех внутренних операций.
Устранение аппаратных блокировок между пятью этапами конвейера означает, что каждый из этапов выполнения инструкции происходят на различных частях процессора. Это позволяет выполнять несколько инструкций одновременно, но при этом каждая из выполняемых инструкций имеет свою стадию выполнения.
Давайте рассмотрим особенности работы конвейера, но без излишних подробностей.
Конвейер
Все пять стадий выполнения инструкции очень хорошо выделяются на схеме и разделены временными регистрами хранения промежуточных данных (вертикально ориентированные блоки зеленого цвета). Такая внешняя элегантность архитектуры сделала этот процессор пожалуй, самым распространенным для изучения в технических вузах.
Схема процессора с архитектурой MIPS ярко выделяет стадии конвейера Схема процессора с архитектурой MIPS ярко выделяет стадии конвейераПервый этап выполнения инструкции это ее выборка из памяти программ ( IF ). Содержимое регистра указателя очередной исполняемой инструкции увеличивается при помощи сумматора, а также регистр может быть загружен произвольным адресом при операции перехода на произвольную инструкцию.
Второй этап выполнения команды это обращение к регистрам ( ID ). В некоторых инструкциях содержатся коды регистров, предназначенные для их активации. Содержимое регистров (32-битные слова) переходит далее в следующий этап выполнения.
На третьем этапе происходит арифметическая операция над содержимым регистров ( EX ). Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения самых различных операций над числами. Результат операции сохраняется во временный регистр для перехода на новую стадию.
В стадии номер четыре происходит доступ к памяти данных либо для чтения либо для записи ( MEM ). Для этого необходимо, как минимум, выставить адрес ячейки памяти, а также в случае записи данных необходимо эти данные уже иметь во временном регистре.
На пятой стадии происходит запись содержимого ячейки памяти в какой-либо регистр из регистрового файла ( WB ).
Итак, конвейер обеспечивает ускорение выполнения инструкций за счет параллелизации и упрощения каждой части конвейера.
Почему " MIPS" мелькает в характеристиках сетевого оборудования?
Вопрос в заголовке этого раздела возможно и мало кого волнует, но каким-то способом эта архитектура стала практически стандартом в оборудовании вычислительных сетей. Попробуем разобраться почему так получилось.
Маршрутизатор MikroTik RouterBOARD 2011iL with Atheros 74K MIPS CPU, 64MB RAM, 5xLAN, 5XGbit LAN Маршрутизатор MikroTik RouterBOARD 2011iL with Atheros 74K MIPS CPU, 64MB RAM, 5xLAN, 5XGbit LANВ 80-х годах прошлого века наш мир начал опоясываться паутиной компьютерных сетей. В некоторый момент времени под строго определенные интеллектуальные задачи организации взаимодействия всех участников сети перестали выделять компьютеры целиком, а решили начать производство минимально необходимого и достаточного оборудования. Хоть под пластиковым корпусом и скрывается компьютер, но теперь это весьма недорогое изделие, однако выполняющее свои функции на все 100%.
Функции этих устройств совсем не сложные, как правило все вращается вокруг перенаправления пакетов информации с одного входа на другой выход. Для этого процессор коммутатора (маршрутизатора) анализирует содержимое заголовков информационных пакетов.
Как уже неоднократно упоминалось, все х86-процессоры, решения компании Motorola и подавляющее большинство выпущенных в 1980-е годы кристаллов имели архитектуру CISC (Complex Instruction Set Computing). Совокупность всех особенностей привела к тому, что чипы стали не только сложными и дорогими в производстве, но и достигли своего потолка производительности. Для дальнейшего увеличения быстродействия требовалось наращивать количество транзисторов, однако освоенные технологические нормы не позволяли создавать более сложные решения. С этим столкнулась Intel при выпуске семейства i486. Для поднятия производительности они внесли изменения в архитектуру процессоров, добавив кэш-память, множители и конвейеры. Словом, 486-е «камни» получили некоторые «фишки» архитектуры RISC. Тем не менее к созданию RISC-платформы американская компания никакого отношения не имеет. Своим созданием архитектура обязана американскому инженеру Дэвиду Паттерсону, который руководил проектом Berkeley RISC с 1980 по 1984 годы.
Дэвид Паттерсон — отец RISC
Первоначальной идеей, которая затем воплотилась в столь масштабный проект Berkeley RISC, стало исследование работы Motorola 68000. В ходе наблюдений выяснилось, что программы попросту не использовали подавляющее большинство инструкций, заложенных в процессор. Например, система Unix при компиляции использовала лишь 30% команд. Поэтому в рамках проекта Berkeley RISC планировалось создать такой процессор, который бы содержал лишь самые необходимые инструкции.
После нескольких лет исследований и разработки было выпущено несколько образцов процессоров, название которых и дало имя всей архитектуры. Сама аббревиатура RISC расшифровывается как Restricted (Reduced) Instruction Set Computer, что переводится как «компьютер с сокращенным набором команд». «Сокращенный набор команд» вовсе не означает, что количество инструкций меньше, чем число команд CISC-кристаллов. Разница состоит в том, что любая инструкция платформы RISC является простой и выполняется за один такт (по крайней мере, должна выполняться), тогда как на выполнение CISC-инструкции могло уходить несколько десятков тактов. При этом длина команды является фиксированной. Например, 32 бита. Также у RISC имеется гораздо больше регистров общего назначения. Плюс для этой архитектуры характерна конвейеризация. Именно ее использование (вкупе с упрощенными командами) позволяет эффективно наращивать тактовую частоту процессоров RISC.
Команда проекта Berkeley RISC
Дебютными решениями стали RISC I и RISC II — детища Паттерсона и проекта Berkeley RISC. Первый содержал более чем 44 000 транзисторов и работал на частоте 4 МГц. Такой процессор при выполнении небольших программ был в среднем в два раза быстрее VAX 11/780 и примерно в четыре раза производительнее, чем «камень» Zilog Z8000. RISC II отличался от предшественника большим количеством инструкций: 39 против 32. Он был более быстрым. Его преимущество над процессором VAX достигало 200%, а Motorola 68000 в некоторых программах был медленнее примерно в четыре раза.
Нужно отметить, что Berkeley RISC был частью большого проекта под названием VLSI. Сюда также входил проект Стэнфордского университета MIPS, который стартовал в 1981 году.
Процессоры MIPS
Главой проекта MIPS был ученый Стэнфордского университета Джон Хэннесси. Как и в случае с Berkeley RISC, задачей стартапа было исследование и создание такого процессора, который использовал бы конвейер и сокращенный набор команд. Архитектура MIPS-решений также предусматривала наличие вспомогательных блоков в составе кристалла: например, модулей для работы с памятью, целочисленного АЛУ (арифметико-логическое устройство) и декодеров команд. Отличием плана MIPS от Berkeley RISC было использование удлиненного конвейера. Архитектура RISC, в принципе, предполагает использование конвейера, но Хэннесси пошел дальше и предложил максимально удлинить конвейер в процессоре, то бишь еще больше «раздробить» выполнение одной операции. Такой подход открывал еще большие просторы по наращиванию тактовой частоты. При этом удлинение конвейера обеспечивало более эффективное распараллеливание выполнения команд. В то время распараллеливание являлось отличительной чертой RISC-архитектуры, поскольку ни в одном CISC-процессоре эта функция не была реализована вплоть до появления в них конвейеров. Например, в MIPS, так же как и в RISC, выполнение одной команды могло быть еще не завершено, когда начиналась выполняться другая. В процессорах CISC для старта выполнения одной инструкции было необходимо, чтобы была окончена обработка другой.
Читайте также: