Интернет магазин китайских планшетных компьютеров

Компьютеры - MIPS (архитектура) - История

Основоположник RISC

В 1981 году коллектив под руководством Джона Хеннеси из Университета Стендфорда начал работу над проектом, который получил название MIPS. Главной идеей было увеличить производительность процессора, используя удлиненный конвейер. Концепция применения конвейера в качестве основной технологии была известна ещё задолго до этого, но она не использовала весь свой потенциал. Центральный процессор включает в себя несколько специальных субблоков, таких как декодеры команд, целочисленное АЛУ, блоки загрузки/хранения и т. д. В традиционной не оптимизированной реализации отдельная команда в программе должна быть завершена, прежде, чем запустится другая; в то время как в конвейерной архитектуре последовательные команды могут выполняться параллельно. Например, когда математическая инструкция вносится в блок с плавающей точкой, блок загрузки/хранения памяти может в этот же момент вызвать следующую команду.

Одним из главных препятствий в использовании конвейера был тот факт, что некоторые команды, такие как деление, выполняются намного дольше, и, вследствие этого, центральному процессору приходится ждать, прежде, чем передать на конвейер следующую команду. Единственное решение этой проблемы — использовать серию блокировок, позволяющих определенным стадиям конвейера индицировать, что они заняты и, в этом случае, приостанавливать вышестоящие в потоке команды. Группа Хеннеси рассматривала эти блокировки как огромный барьер в увеличении производительности, поскольку было необходимо обращаться ко всем модулям Центрального процессора, что занимает лишнее время и ограничивает тактовую частоту. Главным аспектом устройства MIPS было согласовать каждую подфазу каждой команды, в том числе кэширование, в один цикл, таким образом избегая необходимости в блокировках и пропуская на конвейер только один цикл.

Хотя такая реализация и исключала бы некоторые очень полезные операции, такие как умножение и деление, очевидно, что предельная производительность системы значительно увеличилась бы, так как микросхемы смогли бы работать с более высокой тактовой частотой. Достижение высокой скорости с использованием блокировок было бы сложным, так как время, необходимое для установки блокировок, пропорционально тактовой частоте. Вот почему исключение вышеупомянутых операций стало спорным вопросом.

Другое отличие дизайна MIPS от конкурирующих с ним Berkеley-архитектур — это внедренная в Berkеley-RISC возможность обработки вызова подпрограмм. Чтобы увеличить производительность столь общей задачи, в Berkеley-RISC была использована технология, называемая регистровым окном, которая, тем не менее ограничивала максимальную глубину многоуровневых вызовов. Каждый вызов подпрограммы требовал свой набор регистров, что приводило к необходимости увеличению их количества. А аппаратная реализация данного механизма занимала дополнительное пространство в кристалле ЦП. Но Хеннесси полагал, что более «тщательный» компилятор мог бы найти свободные регистры для передачи параметров функции, и что всего лишь увеличение числа регистров могло бы не только упростить эту задачу, но и увеличить производительность всех операций. Поэтому было принято решение отказаться от данной технологии в MIPS.

Архитектура MIPS была, в некотором отношении, наиболее типичной для RISC. Чтобы сэкономить биты в коде команды, в RISC было уменьшено количество инструкций для кодирования. В MIPS из 32 битов слова всего 6 используются для основного кода, а остальные могут содержать либо единственный 26-битный адрес перехода, либо до 5 полей, устанавливающих от 1 до 3 регистров + длина сдвига регистра. Существует и ряд других форматов, например, когда 2 регистра задаются непосредственно выделенным 16-битным полем и т. д. Такое распределение позволило процессору загружать команду и необходимые ей данные в одном цикле, в то время как в более старых архитектурах, например, таких как MOS Technology 6502, требовались отдельные циклы для загрузки основного кода и данных.

Это было одним из главных усовершенствований производительности, которые предлагали RISC. Однако, стоит сказать, что архитектуры, не являющееся RISC все же достигли подобной скорости, но другими средствами.

Первая аппаратная реализация

В 1984 году, убежденный в коммерческом успехе своей разработки, Хеннесси покинул Стэнфорд, чтобы основать компанию MIPS Computer Systems. В 1985 году была реализована первая версия микропроцессора MIPS — R2000, доработанная в 1988 году и получившая название R3000. Эти 32-битные процессоры легли в основу компании в 1980х и использовались преимущественно в SG-сериях рабочих станций. Новые коммерческие проекты не соответствовали Стэндфордским научным исследованиям, так как практически все блокировки выполнялись на аппаратном уровне, к тому же операции умножения и деления были полностью реализованы.

В 1991 году MIPS впервые был представлен как 64-битный микропроцессор, в версии R4000. R4000 имеет расширенный TLB, в котором запись содержит не только виртуальный адрес, но и виртуальный идентификатор адресного пространства. Такой буфер устраняет основные проблемы производительности микроядра, достаточно медленного в архитектурах конкурирующих компаний из-за необходимости сбрасывать TLB во время частого переключения контекста.

Тем не менее, у MIPS возникали финансовые трудности в связи с поставкой процессоров на рынок. Проект был настолько важен для SGI, что в 1992 году SGI выкупили права на компанию с условием гарантии, что конструкция микропроцессоров не изменится. Став дочерней компанией, MIPS Computer Systems получили название MIPS Technologies.

Лицензируемая архитектура

В начале 1990 года MIPS начали лицензирование своих разработок для сторонних поставщиков. Идея оказалась успешной из-за простоты ядра, которое находило множество применений, где ранее использовались намного менее эффективные CISC-архитектуры, с тем же количеством и той же ценой схем. Компания Sun Microsystems сделала аналогичную попытку лицензирования ядра SPARC, но их ход не имел подобного успеха. К концу 1990х MIPS стали центровой компанией в производстве встроенных процессоров, и в 1997 году 48-миллионные поставки процессоров на базе MIPS заставили RISC-архитектуры вытеснить популярное семейство процессоров 68k. MIPS были настолько успешными, что в 1998 году SGI передали часть активов MIPS Technologies. На сегодняшний день половина доходов MIPS поступает с лицензирования разработок, а большая часть другой половины — с контрактов на разработку ядер для производства сторонними поставщиками.

В 1999 году MIPS формализовали свои системы лицензирования вокруг двух основных конструкций — 32-разрядной MIPS32 и 64-разрядных MIPS64. Лицензия на MIPS64 была приобретена каждой из компаний NEC, Toshiba и SiByte сразу же после объявления о ее выпуске. Вскоре, к ним присоединились Philips, LSI Logic и IDT. Успех следовал за успехом, и сегодня процессоры MIPS являются одним из наиболее востребованных товаров на рынке устройств компьютерного типа, наряду с другими разработчиками, тщетно пытающимися их вытеснить.

Через несколько лет после того, как MIPS-архитектура стала лицензируемой, она начала привлекать все больше и больше новых компаний по разработке процессоров. Первой такой компанией была один из первых нестандартных процессоров для рынка встраиваемых систем. Команда основателей компании DEC StrongARM в конце концов разделилась на две новых компании по разработке процессоров, в основу которых лег MIPS: SiByte, производившая SB-1250 — одну из первых чиповых систем с высокой производительностью, основанных на MIPS и Alchemy Semiconductor, производившая Au-1000 SOC для маломощных приложений. Компания Lexra использовала архитектуру, подобную MIPS, добавив к ней DSP для рынка аудио микросхем, а также поддержку многопотокового режима для сетевого рынка. Так как Lexra не покупала лицензию на MIPS, вскоре, между двумя компаниями разгорелись судебные процессы. Первый был довольно быстро погашен уже после того, как Lexra пообещала не продвигать свои процессоры, как сходные с MIPS. Второй процесс доступа к памяти) был более затяжным и негативно отразился на бизнесе обеих компаний, а по его завершении MIPS Technologies выдали Lexra бесплатную лицензию и выплатили денежную компенсацию в крупном размере.

Следом за этими событиями на рынке появились две компании, специализирующиеся на создании многоядерных устройств, использующих архитектуру MIPS. Корпорация Raza Microelectronics выкупили производственную линию у менее успешных SandCraft, а затем начали выпускать восьмиядерные устройства для рынка телекоммуникаций и сетей. Cavium Networks, изначально являвшиеся поставщиком средств защиты процессоров, тоже начали производство восьми, а позже и 32-ядерных архитектур для тех же рынков. Обе компании сами проектировали ядра, и лишь лицензировали разработки, вместо того, чтобы покупать готовые процессоры MIPS.

Потеря рынка ПК

Среди производителей, создавших рабочие станции с использованием микропроцессоров MIPS такие компании, как SGI, MIPS Computer Systems, Inc., Whitechapel Workstations, Olivetti, Siemens-Nixdorf, Acer, Digital Equipment Corporation, NEC, и DeskStation. В числе операционных систем, портированных на архитектуру MIPS: IRIX компании SGI, Windows NT компании Microsoft, Windows CE, Linux, BSD, UNIX System V, SINIX, QNX, и операционная система RISC непосредственно принадлежащая компании MIPS Computer Systems.

В начале 1990х существовало предположение, что MIPS вместе с другими мощными процессорами RISC вскоре обгонят архитектуру IA32 компании Intel. Этому способствовала поддержка двух первых версий Windows NT для Alpha, MIPS и PowerPC компании Microsoft, и, в несколько меньшей степени, — архитектуры Clipper и SPARC. Однако, как только Intel выпустил новейшие версии ЦП класса Pentium, Microsoft Windows NT v4.0 перестал поддерживать все, кроме Alpha и Intel. После решения SGI перейти на архитектуры Itanium и IA32, процессоры MIPS практически полностью перестали использоваться в персональных компьютерах.

Рынок встраиваемых систем

Ingenic JZ4730 — пример SOC, базированной на MIPS

В 1990е годы, MIPS-архитектура была широко распространена на рынке встраиваемых систем: для сетей, телекоммуникаций, видео игр, игровых консолей, принтеров, цифровых приставок, цифровых телевизоров, xDSL и кабельных модемов, а также карманных компьютеров.

Низкое энергопотребление и температурные характеристики встраиваемых MIPS-архитектур, широкие возможности внутренних функций делают этот микропроцессор универсальным для многих устройств.

Синтезируемые ядра для рынка встраиваемых систем

В последние годы большинство технологий, используемых в различных поколениях MIPS предложены в виде IP-ядер для встраиваемых реализаций процессора. Более того, предложены оба типа ядер — основанные на 32 и 64 битах, известные как 4K и 6K. Такие ядра могут совмещаться с другими структурными элементами, такими как FPU, системами SIMD, различными устройствами ввода/вывода и т. д.

Некогда коммерчески успешные ядра MIPS, и в настоящее время нашли потребительское и промышленное применение. Эти ядра можно найти в новых маршрутизаторах Cisco, Linksys и MikroTik, кабельных и ADSL модемах, смарт-картах, механизмах лазерных принтеров, цифровых приставках, роботах, карманных компьютерах, Sony PlayStation 2 и Sony PlayStation Portable. Тем не менее, в приложениях мобильных телефонов и PDA MIPS не удалось сместить прочно установившуюся там конкурирующую ARM-архитектуру.

Процессоры под управлением MIPS включают в себя: IDT RC32438; ATI Xilleon; Alchemy Au1000, 1100, 1200; Broadcom Sentry5; RMI XLR7xx, Cavium Octeon CN30xx, CN31xx, CN36xx, CN38xx and CN5xxx; Infineon Technologies EasyPort, Amazon, Danube, ADM5120, WildPass, INCA-IP, INCA-IP2; Microchip Technology PIC32; NEC EMMA and EMMA2, NEC VR4181A, VR4121, VR4122, VR4181A, VR5432, VR5500; Oak Technologies Generation; PMC-Sierra RM11200; QuickLogic QuickMIPS ESP; Toshiba Donau, Toshiba TMPR492x, TX4925, TX9956, TX7901.

Суперкомпьютеры MIPS

Одним из наиболее интересных применений архитектуры MIPS является их использование в многопроцессорных вычислительных суперкомпьютерах. В начале 1990х компания Silicon Graphics перенаправила свой бизнес с графических терминалов на рынок высокопроизводительного вычисления. Успех первых попыток компании в области серверных систем мотивировал SGI создать гораздо более мощную систему. Использование R10000 позволило компании спроектировать систему Origin 2000, в конечном счете расширяемую до 1024 ЦП, используя собственную межсистемную связь cc-NUMA. Позже Origin 2000 породила новую систему — Origin 3000, вышедшую с теми же максимальными 1024 ЦП, но использовавшую в разработке микросхемы R14000 и R16000 с частотой до 700 МГц. Однако, в 2005 году, когда SGI приняла стратегическое решение о переходе на архитектуру Intel IA-64, суперкомпьютеры, базированные на MIPS были сняты с производства.

В 2007 году корпорация SiCortex представила новый многопроцессорный персональный суперкомпьютер, основанный на архитектуре MIPS. В его разработку легли MIPS64 и высокопроизводительная межсистемная связь с использованием топологии графов Кауца. Данная система является предельно эффективной и вычислительно мощной. Её уникальный аспект — многоядерный узел обработки, интегрирующий шесть ядер MIPS64, коммутатор контроллера памяти, межсистемную связь механизмов прямого доступа к памяти, локальную сеть с пропускной способностью 1 Гбит и PCI Express контроллеры. И все это на одном кристалле, который потребляет 10 Вт энергии, но выполняет максимум 6 миллиардов операций с плавающей точкой в секунду. Самая мощная конфигурация такого суперкомпьютера — версия SC5832, состоящая из 972 узлов и выполняющая 8,2 триллионов операций с плавающей точкой в секунду.

Loongson возвращает к персонализации

Основная статья: Loongson

Компания Loongson, в надежде обойти патент MIPS, выпустила свою архитектуру, которая была полностью схожа с разработкой MIPS Technologies и поддерживалась ОС Linux. Так как производство процессоров Loongson было более дешёвым, MIPS получили возможность возродиться на рынке персональных компьютеров в лице Loongson.

Процессоры под управлением MIPS также используются в нетбуках компаний iUnika, Bestlink, Lemote и Golden Delicious Computers.