RISC 和MIPS_TD天涯——我站在通信的海岸边,瞭望远方......._百度空间

RISC

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  RISC(reduced instruction set computer,精简指令集计算机)是一种执行较少类型计算机指令的微处理器,起源于80年代的主机(即RISC机),RISC机中采用的微处理器统称RISC处理器。这样一来,它能够以更快的速度执行操作(每秒执行更多百万条指令,即MIPS)。因为计算机执行每个指令类型都需要额外的晶体管和电路元件,计算机指令集越大就会使微处理器更复杂,执行操作也会更慢。
  纽约约克镇研究中心的John Cocke证明,计算机中约20%的指令承担了80%的工作,于1974年,他提出RISC的概念。{dy}台得益于这个发现的电脑是1980年IBM的PC/XT。再后来,IBM的RISC System/6000也使用了这个思想。RISC这个词本身属于伯克利加利福尼亚大学的一个教师David Patterson。RISC这个概念还被用在Sun公司的微处理器中,并促成了现在所谓的MIPS技术的建立,它是Silicon Graphics的一部分。许多当前的微芯片现在都使用RISC概念。
  RISC概念已经xx了微处理器设计的一个更深层次的思索。设计中必须考虑到:指令应该如何较好的映射到微处理器的时钟速度上(理想情况下,一条指令应在一个时钟周期内执行完);体系结构需要多“简单”;以及在不诉诸于软件的帮助下,微芯片本身能做多少工作等等。   除了性能的改进,RISC的一些优点以及相关的设计改进还有:
  @如果一个新的微处理器其目标之一是不那么复杂,那么其开发与测试将会更快。
  @使用微处理器指令的操作系统及应用程序的程序员将会发现,使用更小的指令集使得代码开发变得更加容易。
  @RISC的简单使得在选择如何使用微处理器上的空间时拥有更多的自由。
  @比起从前,高级语言编译器能产生更有效的代码,因为编译器使用RISC机器上的更小的指令集。
  除了RISC,任何全指令集计算机都使用的是复杂指令集计算(CISC)。
  RISC典型范例如:MIPS R3000、HP—PA8000系列,Motorola M88000等均属于RISC微处理器。
  RISC主要特点:
  RISC微处理器不仅精简了,采用超标量和超流水线结构;它们的指令数目只有几十条,却大大增强了并行处理能力。如:1987年Sun Microsystem公司推出的SPARC芯片就是一种超标量结构的RISC处理器。而SGI公司推出的MIPS处理器则采用超流水线结构,这些RISC处理器在构建并行精简指令系统多处理机中起着核心的作用。
  RISC处理器是当今UNIX领域64位多处理机的主流芯片
  性能特点一:由于指令集简化后,流水线以及常用指令均可用硬件执行;
  性能特点二:采用大量的寄存器,使大部分指令操作都在寄存器之间进行,提高了处理速度;
  性能特点三:采用缓存—主机—外存三级存储结构,使取数与存数指令分开执行,使处理器可以完成尽可能多的工作,且不因从存储器存取信息而放慢处理速度。
  应用特点;由于RISC处理器指令简单、采用硬布线控制逻辑、处理能力强、速度快,世界上绝大部分UNIX工作站和服务器厂商均采用RISC芯片作CPU用。如原DEC的Alpha21364、IBM的Power PC G4、HP的PA—8900、SGI的R12000A和SUN Microsystem公司的Ultra SPARC ║。
  运行特点:
  RISC芯片的工作频率一般在400MHZ数量级。时钟频率低,功率消耗少,温升也少,机器不易发生故障和老化,提高了系统的可靠性。单一指令周期容纳多部并行操作。在RISC微处理器发展过程中。曾产生了超长指令字(VLIW)微处理器,它使用非常长的指令组合,把许多条指令连在一起,以能并行执行。VLIW处理器的基本模型是标量代码的执行模型,使每个机器周期内有多个操作。有些RISC处理器中也采用少数VLIW指令来提高处理速度。Pentium 4微处理器体系结构xx采用RISC体系结构。   RISC 和CISC 是目前设计制造微处理器的两种典型技术,虽然它们都是试图在体系结构、操作运行、软件硬件、编译时间和运行时间等诸多因素中做出某种平衡,以求达到高效的目的,但采用的方法不同,因此,在很多方面差异很大,它们主要有:
  (1) 指令系统:RISC 设计者把主要精力放在那些经常使用的指令上,尽量使它们具有简单高效的特色。对不常用的功能,常通过组合指令来完成。因此,在RISC 机器上实现特殊功能时,效率可能较低。但可以利用流水技术和超标量技术加以改进和弥补。而CISC 计算机的指令系统比较丰富,有专用指令来完成特定的功能。因此,处理特殊任务效率较高。
  (2) 存储器操作:RISC 对存储器操作有限制,使控制简单化;而CISC 机器的存储器操作指令多,操作直接。
  (3) 程序:RISC 汇编语言程序一般需要较大的内存空间,实现特殊功能时程序复杂,不易设计;而CISC 汇编语言程序编程相对简单,科学计算及复杂操作的程序设计相对容易,效率较高。
  (4) 中断:RISC 机器在一条指令执行的适当地方可以响应中断;而CISC 机器是在一条指令执行结束后响应中断。
  (5) CPU:RISC CPU 包含有较少的单元电路,因而面积小、功耗低;而CISC CPU 包含有丰富的电路单元,因而功能强、面积大、功耗大。
  (6) 设计周期:RISC 微处理器结构简单,布局紧凑,设计周期短,且易于采用{zx1}技术;CISC 微处理器结构复杂,设计周期长。
  (7) 用户使用:RISC 微处理器结构简单,指令规整,性能容易把握,易学易用;CISC微处理器结构复杂,功能强大,实现特殊功能容易。
  (8) 应用范围:由于RISC 指令系统的确定与特定的应用领域有关,故RISC 机器更适合于专用机;而CISC 机器则更适合于通用机。

MIPS

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  MIPS(Million Instructions Per Second):单字长定点指令平均执行速度
  Million Instructions Per Second的缩写,每秒处理的百万级的机器语言指令数。这是衡量速度的一个指标。像是一个Intel 80386 电脑可以每秒处理3百万到5百万机器语言指令,即我们可以说80386是3到5MIPS的CPU。只是衡量CPU性能的指标。   MIPS体系结构(Microprocessor without interlocked piped stages)
  MIPS技术公司是一家设计制造高性能、xx次及嵌入式32位和处理器的厂商,在RISC处理器方面占有重要地位。1984年,MIPS计算机公司成立。1992年,SGI收购了MIPS计算机公司。1998年,MIPS脱离SGI,成为MIPS技术公司。
  设计RISC处理器始于二十世纪八十年代初,1986年推出R2000处理器,1988年推R3000处理器,1991年推出{dy}款64位商用微处器R4000。之后又陆续推出R8000(于1994年)、R10000(于1996年)和R12000(于1997年)等型号。
  随后,MIPS公司的战略发生变化,把重点放在。1999年,MIPS公司发布MIPS32和MIPS64架构标准,为未来的开发奠定了基础。新的架构集成了所有原来MIPS,并且增加了许多更强大的功能。MIPS公司陆续开发了高性能、低功耗的32位处理器内核(core)MIPS324Kc与高性能64位处理器内核MIPS64 5Kc。2000年,MIPS公司发布了针对MIPS32 4Kc的版本以及64位MIPS 64 20Kc处理器内核。
  MIPS是世界上很流行的一种RISC处理器。MIPS的意思是“无内部互锁流水级的”(Microprocessor without interlocked piped stages),其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。它最早是在80年代初期由斯坦福(Stanford)大学Hennessy教授领导的研究小组研制出来的。MIPS公司的R系列就是在此基础上开发的RISC工业产品的微处理器。这些系列产品为很多计算机公司采用构成各种工作站和计算机系统。
  MIPS技术公司是美国xx的芯片设计公司,它采用精简计算结构(RISC)来设计芯片。和英特尔采用的复杂指令系统计算结构(CISC)相比,RISC具有设计更简单、设计周期更短等优点,并可以应用更多先进的技术,开发更快的下一代处理器。MIPS是出现最早的商业RISC架构芯片之一,新的架构集成了所有原来MIPS指令集,并增加了许多更强大的功能。
  在MIPS芯片的发展过程中,SGI公司在1992年收购了MIPS计算机公司,1998年,MIPS公司又脱离了SGI,成为MIPS技术公司; MIPS32 4KcTM 处理器是采用MIPS技术特定为片上系统(System-On-a-Chip)而设计的高性能、低电压 32位MIPS RISC 内核。采用MIPS32TM体系结构,并且具有R4000存储器管理单元(MMU)以及扩展的优先级模式,使得这个处理器与目前嵌入式领域广泛应用的R3000和R4000系列(32位)微处理器xx兼容。新的 64 位 MIPS 处理器是RM9000x2,从“x2”这个标记判断,它包含了不是一个而是两个均具有集成二级高速缓存的64位处理器。RM9000x2 主要针对网络基础设施市场,具有集成的 DDR 内存控制器和超高速的 HyperTransport I/O 链接。
  处理器、内存和 I/O均通过分组交叉连接起来的,可实现高性能、全面高速缓存的统一芯片系统。除通过并行处理提高系统性能外,RM9000x2 还通过将超标量与超流水线技术相结合来提高单个处理器的性能。
  64位处理器MIPS 64 20Kc的浮点能力强,可以组成不同的系统,从一个处理器的Octane工作站到64个处理器的Origin 2000服务器;这种CPU更适合使用。MIPS{zx1}的R12000芯片已经在SGI的服务器中得到应用,目前其主频{zd0}可达400MHz。
  MIPS处理器是八十年代中期RISC CPU设计的一大热点。MIPS是卖的{zh0}的RISC CPU,可以从任何地方,如Sony, Nintendo的游戏机,Cisco的路由器和SGI超级计算机,看见MIPS产品在销售。目前随着RISC体系结构遭到x86芯片的竞争,MIPS有可能是起初RISC CPU设计中{wy}的一个在本世纪盈利的。和英特尔相比,MIPS的授权费用比较低,也就为除英特尔外的大多数芯片厂商所采用。
  MIPS的系统结构及设计理念比较先进,其指令系统经过通用处理器指令体系MIPS I、MIPS II、MIPS III、MIPS IV到MIPS V,嵌入式指令体系MIPS16、MIPS32到MIPS64的发展已经十分成熟。在设计理念上MIPS强调软硬件协同提高性能,同时简化硬件设计。
  中国2和前代产品采用的都是64位MIPS指令架构,它与大家平常所知道的X86指令架构互不兼容,MIPS指令架构由MIPS公司所创,属于RISC体系。过去,MIPS架构的产品多见于工作站领域,索尼PS2游戏机所用的“Emotion Engine”也采用MIPS指令,这些MIPS处理器的性能都非常强劲,而龙芯2也属于这个阵营,在软件方面与上述产品xx兼容。
  作者点评:MIPS技术公司则是一家设计制造高性能、xx次及嵌入式32位和64位处理器的厂商。在通用方面,MIPS R系列微处理器用于构建SGI的高性能工作站、服务器和超级计算机系统。在嵌入式方面,MIPS K系列微处理器是目前仅次于ARM的用得最多的处理器之一(1999年以前MIPS是世界上用得最多的处理器),其应用领域覆盖游戏机、路由器、激光打印机、掌上电脑等各个方面。
  注:(中国龙芯已与MIPS合作)
  由于服务器RISC处理器市场的激烈竞争结果导致HP 公司放弃它的PA-RISC和“私生子”Alpha 两种类型服务器处理器,而“Alpha技术”则被Intel和AMD吸收应用到他们自身的处理器中; MIPS处理器应用范围则较广,对于作为服务器RISC处理器来说,主要是应用于专门的图形工作站/服务器上;相对来说,应用面较专业,因而竞争较少。就目前的服务器RISC处理器来说,主要是IBM 的POWER和SUN 的UltraSPARC 两大处理器之间的竞争;相对而言,IBM在这场RISC处理器竞争中是个大赢家。
  UltraSPARC处理器是Sun的命脉,以UltraSPARC为基础的Unix服务器曾为Sun 带进大量营收,不过,经过.com 泡沫化的冲击,加上Unix服务器市场渐趋平稳,在营收下滑之际,UltraSPARC庞大的研发费用转为Sun 沉重的负担。
  面对自己的良机顿挫,Sun近来连续宣布UltraSPARC新策略,大幅改变UltraSPARC产品计划(roadmap),以改变目前的不利局势。例如取消了UltraSparc V与Gemini处理器,而将资源重点转向代号为Niagara 与Rock的高吞吐量计算处理器。并且Sun和富士通计划在2006年之前将它们基于Sparc处理器的服务器产品合并在一起,共同来对付他们的竞争对手IBM;到底鹿死谁手,人们正拭目以待


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