自己动手写处理器之第一阶段(2)——MIPS指令集架构的演变

将陆续上传本人写的新书《自己动手写处理器》(尚未出版),今天是第三篇。我尽量每周四篇


      MIPS指令集架构自上世纪80年代出现后。一直在进行着更新换代,从最初的MIPS I到MIPS V,发展到可支持扩展模块的MIPS32、MIPS64系列,再到集成代码压缩技术的microMIPS32、microMIPS64。每一个MIPS ISA都是其前一个的超集,没有不论什么遗漏,仅仅有添加新的功能。

      1、MIPS Ⅰ

      提供载入/存储、计算、跳转、分支、协处理及其他特殊指令。该指令集架构用于最初的MIPS处理器R2000/R3000。R2000是1985年推出的首款MIPS CPU,由110000个晶体管组成,是一个8MHz的32位处理器。R3000是R2000的下一代产品。与前者相比不过时钟频率不同。

      2、MIPS Ⅱ

      添加了自陷指令、链接载入指令、条件存储指令、同步指令、可能分支指令、平方根指令。最初计划用在MIPS 处理器R6000上,但因为工艺选择的问题,R6000从1988年開始设计后,就一直问题不断,终于未能大规模生产。

但MIPSⅡ指令集架构是后期MIPS32指令集架构的直接先驱。

      3、MIPS Ⅲ

      提供了32位指令集,同一时候支持64位指令集。最初用于MIPS处理器R4000。R4000是于1991年推出的64位处理器,首次增加了浮点处理器单元,主时钟频率提高到了100MHz。后来出现了一系列的R4000处理器。

      4、MIPS Ⅳ

      在MIPS III基础上添加了条件移动指令、预取指令以及一些浮点指令。最初用于MIPS处理器R8000,后来应用于R5000/R10000。R5000与R10000尽管使用同样的指令集架构。可是两者微架构的设计理念全然不同。

R5000于1995年推出。採用的是经典的五级流水线、顺序运行。

R10000于1996年推出,採用的是乱序运行。

      5、MIPS Ⅴ

      在MIPS IV的基础上添加了能够提高代码生产效率和数据转移效率的指令。可是没有不论什么一个处理器基于该架构。MIPS V指令集架构是后期MIPS64指令集架构的直接先驱。

      6、MIPS32/64

      MIPS32/64于1998年提出,MIPS32以MIPS II架构为基础,选择性地增加了MIPS III、MIPS IV、MIPS V,提高了代码生成和数据移动的效率。

MIPS64以MIPS V架构为基础,同一时候兼容MIPS32。

该架构第一次包括了被称为协处理器0的“CPU控制”功能。1999年以后设计的大多数MIPS处理器都与该标准兼容。2003年。公布了MIPS32/64指令集架构的第二版(Release 2),也称为MIPS32/64 R2。

最新的是第五版(Release 5)。也称为MIPS32/64 R5。

但眼下广泛使用的是第二版。很成功的MIPS 4K、24K系列处理器遵循的就是MIPS32 R2架构。

      MIPS32/64在基本指令的基础上,还提供了一些面向特定应用的指令。这些指令採用特定应用扩展(ASE:Application-SpecificExtensions)的形式。

一种处理器是否实现了某种扩展。能够通过设置标准的配置寄存器指明。基本的扩展列举例如以下。

  • MIPS 16e:是专门为嵌入式系统及存储空间有限情况下的应用而设计的,能够在一个程序中运行16位和32位两种混合长度的指令,能使终于代码长度降低40%。MIPS32、MIPS64都支持MIPS 16e。
  • SmartMIPS:是为了满足智能卡和灵活小系统的市场须要而设计的。是一套能高效节省存储空间的扩展指令集,此外还能提高智能卡领域很关键的加密运算的性能。MIPS32支持SmartMIPS。
  • MIPS-3D:提供了更好的几何运算处理,具有成对单精度数据类型,还提供专用指令来加快对该类型数据的处理。MIPS64支持MIPS-3D, MIPS32第二版也支持MIPS-3D。

  • MCU:Micro-Control Unit微控制单元,增强了内存映射I/O的处理、提供了更低的中断延迟。MIPS32、MIPS64都支持MCU。

      7、microMIPS32/64

      microMIPS32/64指令集架构集成了16位和32位优化指令的高性能代码压缩技术,保持了98%的MIPS32性能,同一时候减少了至少30%的代码体积,从而减少芯片成本,也有助于减少系统功耗。MIPS M14K内核是MIPS科技于2009年公布的首款遵循microMIPS指令集架构的MIPS32兼容内核。

      MIPS指令集架构的演变能够使用图1-3描写叙述。注意图中没有Release 4,这是由于对于非常多人来说。4是个不吉利的数字。所以MIPS没有公布Release 4,而是直接公布Release 5。




明日继续!


posted @ 2016-01-10 13:44  lcchuguo  阅读(...)  评论(...编辑  收藏