它今年30歲了，聊聊第一款MIPS處理器的故事

2021-01-10

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編者注

今天要介紹的事情發生於1986年的1月份，也就是正好30年之前。

當時，一支由來自史丹福大學的研究人員和「矽谷退休老兵」組成的團隊，創造出了徹底改變我們今日所看到的現代計算機的東西。

他們中包括當前的史丹福大學校長John L. Hennessy、來自摩托羅拉的Skip Stritter、以及來自IBM的John Moussouris。

他們組成了一家名叫MIPS Computer Systems Inc.的公司，然後在1986年的1月，推出了一顆擁有110000個電晶體的32位處理器——R2000。

隨後，MIPS CPU可成為「最激動人心」和「最具特色」的消費產品的核心，包括初代索尼PlayStation、任天堂64遊戲主機、一直到今天的物聯網設備和電視機。

在IBM推出全球首款智慧型手機之前的10年里，史丹福大學的研究小組和矽谷精英合作，旨在設計一款將永遠改變計算機發展前景的微處理器架構。

那是1986年，時任史丹福大學校長的John L. Hennessy剛剛創辦MIPS Computer Systems公司。

MIPS R2000的故事由此開始。

MIPS R2000是第一款實現了MIPS指令集架構(ISA)的商業化微處理器晶片，也是第一款通過收益許可商業模式（如今該模式已廣泛使用）進行銷售的RISC處理器。

潛心研究RISC

通過大量集結矽谷的頂尖人才，Hennessy組成了一個強大的集晶片設計師、軟體工程師和計算機架構研究人員於一體的精英團隊，希冀創建終極的RISC處理器。

其他主要創始人還包括前摩托羅拉技術專家Skip Stritter和來自IBM的John Moussouris。

1984年潛心於MIPS架構的Hennessy及其團隊終於在1986年1月（30年前的今天）正式發布R2000。

John Hennessy教授檢查MIPS R2000的布局

MIPS R2000 CPU是基於MIPS I 的32位設計，可與Motorola 68000和Intel 80386微處理器抗衡。

當時，MIPS R2000還面臨著來自其他幾個學術項目的激烈競爭，那些項目旨在為當時更成熟的CISC CPU創建一個可行的選擇。

為快速占領市場並在激烈的競爭中脫穎而出，MIPS團隊必須跳出固有思維模式。

創辦半導體製造工廠(通常稱為代工廠)來製造MIPS晶片是絕不可能的，因為這樣一項工程將耗資巨大。

為確保首次設計能投入生產，管理團隊明智地採用了無工藝線製造模型。

這種策略表明任何大型的半導體廠商均可以獲得MIPS CPU生產授權——並且在接下來的幾十年里為其他矽IP設計人員樹立了標準規範。

早期的MIPS CPU R2000被授權對象包括集成設備技術(IDT)、大規模集成電路（LSI）邏輯、性能半導體和DEC。

根據初步協議，廠商需免費向直接客戶提供設備，儘管MIPS本身有一些早期的可建立參考伺服器和工作站的樣本。

分析MIPS R2000的架構

MIPS R2000的速度可高達15 MHz，在矽區域中占80 mm2。

處理器包含約11萬個電晶體，電晶體使用2.0μm雙金屬CMOS工藝節點進行布局。

全局來看，基於MIPS的CPU於2015年製造，使用28 nm製程，且包含24至48個高頻、具有運行高達2.5 GHz的超標量內核、大型且高度關聯的L1和L2緩存及強大的DRAM帶寬。

這表示，頻率速度將飛躍增長，半導體製造進程也將極大縮短。

MIPS R2000 CPU截圖（通過CPU板）

可以配置R2000微處理器在高位優先或低位優先模式下運行。

對於DEC工作站，可運行低位優先模式，以使VAX ISA和大量基於Intel的PC保持兼容性。

同時，其他公司如Motorola 或IBM可採用低位優先模式，以支持兩個格式的字節序，這類戰略方法將建立廣泛的客戶基礎。

R2000晶片的主要特徵是，若無高速緩存缺失，執行時間將相當的快速。

它傳輸的指令完成率著實令人深刻，在每指令需要幾個周期的非RISC微處理器中，其每ALU周期可傳輸1個指令。

下表展示了可成為其他RISC處理器基準的五級流水線設計：

MIPS RISC CPU的五級流水線設計

由於MIPS架構在工作站和伺服器製造商中廣受歡迎，因此擁有良好的浮點性能是絕對的要求。

為應對不斷增長的計算性能的需求，工程團隊在1987年年中設計了一個外部浮點單元，即R2010。

此外，通過允許R2000 CPU編寫直寫式數據緩存且沒有停滯，四級R2020寫入緩存的性能大大提高。

MIPS設計透視

MIPS架構廣受歡迎的一大原因是編譯團隊在軟體優化方面的工作頗有成效。

1986年以前，尚未出現一款真正基於MIPS的設備，工程師們於是建立了一個可將MIPS指令轉換為本地VAX代碼的快速模擬器。

該模擬器還可用於MIPS架構上運行UNIX軟體的二進位文件。

目前，有許多MIPS模擬器可供軟體開發者使用，包括Imperas的QuantumLeap或開源QEMU仿真器等。

喜歡冒險的讀者可閱讀下文。

下文我們嵌入了JavaScript片段，由Mianzhi Wang基於James Larus原SPIM仿真器編寫。

JavaScript中的基本MIPS仿真器（流水線仿真）

這種視覺模擬器包括完整的CPU流水線、通用寄存器和內存映射，使您可以在MIPS R2000處理器中實時快速編寫和執行彙編代碼。

前路在何方

1988年，MIPS Computer Systems 發布了R3000處理器，其使用一個類似的整體系統設計，但通過添加內存管理和緩存設施使速度更快。

MIPS R3000是一款廣受歡迎的CPU，其在很多工作站中都占據一席之地，如SGI、DEC、Evans & Sutherland及原SonyPlayStation 遊戲機。

如今，在9月份指導美國宇航局的「新視野」號探測器完成冥王星飛躍任務後，MIPS R3000 CPU再次指導「新視野」飛躍柯伊伯地帶。

多年來，MIPS架構繼續開發MIPS II、MIPS III、MIPS IV和MIPS V ISA。

目前，從嵌入式應用程式的小型微處理器，到高端網絡設備或半自動汽車中的多核高性能CPU，兩款ISA(MIPS32和MIPS64)已廣泛應用。

以下應用使用了MIPS CPU：

• Tesla Model S轎車使用超級計算機晶片實現自動駕駛功能

• Ikanos(最近被Qualcomm收購)、Lantiq (Intel 公司)、MediaTek或Qualcomm Atheros數以百萬計的路由器和家庭控制中心如基於MIPS的WI-FI處理器理

• 分別由Qualcomm Atheros或MediaTek Wi-Fi晶片驅動的來自LIFX、Belkin或Ubiquiti網絡的智能家居設備

• 中國的個人電腦和伺服器整合了64位MIPS CPU

• Chrome筆記本、平板電腦、移動熱點、物聯網設備和其他便攜設備使用 Altair Semiconductor或Sequans Communications的LTE數據機

• 智能手錶和其他可穿戴設備使用節能Ingenic晶片

• 機頂盒、媒體播放器和數位電視將集成Broadcom處理器

• Maker-friendly開發板：Digilent chipKIT WiFIRE(微晶片PIC32)、Samsung ARTIK 1、Creator系列或其他眾籌的物聯網或嵌入式Linux包

• Cavium或Broadcom用於數據中心的企業網絡設備和無線基礎設施