MIPS — RISC mikroprocesoru instrukciju kopums: vēsture un pielietojums

Iepazīstieties ar MIPS RISC arhitektūras vēsturi, tehniskajām iezīmēm un pielietojumu — no 32/64 bitu dizaina līdz iegultajām sistēmām un PlayStation konsolēm.

MIPS arhitektūra ir instrukciju kopums datoriem, kas 1981. gadā tika izstrādāts Stenfordas Universitātē. Sākotnēji MIPS bija akronīms no Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages. Lielākā daļa no tās ir veidota RISC režīmā. Pilnīgā RISC arhitektūrā visām komandām ir vienāds garums. Tas vienkāršo mikroshēmas konstrukciju un ļauj izmantot ātrus taktsdarbības ciklus. Sākotnēji arhitektūrā izmantoja 32 bitu kopni, bet no 1991. gada sāka izmantot 64 bitu arhitektūru.

2015. gadā MIPS implementācijas galvenokārt tiek izmantotas iegultajās sistēmās, piemēram, Windows CE ierīcēs, maršrutētājos, mājokļu vārtejās un video spēļu konsolēs, piemēram, Sony Playstation, PlayStation 2 un PlayStation Portable. Līdz 2006. gada beigām tās tika izmantotas arī daudzos SGI datoru produktos. Astoņdesmito gadu beigās un deviņdesmitajos gados MIPS implementācijas izmantoja arī Digital Equipment Corporation, NEC, Pyramid Technology, Siemens Nixdorf, Tandem Computers un citi uzņēmumi. Deviņdesmito gadu vidū un beigās tika lēsts, ka katrs trešais ražotais RISC mikroprocesors ir MIPS implementācija.

Kas padara MIPS atšķirīgu

MIPS ir klasiska load–store RISC arhitektūra ar vairākiem praktiskiem dizaina izvēliem, kas uzlabo taktsfrekvences un vienkāršo izstrādi:

• Fiksēta instrukciju garuma (parasti 32 biti) — vienkārša dekodēšana un ātrs pipeline.
• Relatīvi vienkāršas un konsekventas adresēšanas režīmas (domātas ātrai izpildei).
• Liela reģistru kopa (parasti 32 vispārējā mērķa reģistri), kas samazina piekļuvi atmiņai.
• Arhitektūras princips „bez interlocked pipeline stages” nozīmē, ka daudzas potencionālās datu konfliktu kontroliņa funkcijas tiek atstātas kompilatoram vai programmētājam (agrāk bieži bija jāizmanto optimizēta kompilatora plānošana).
• Vēsturiska iezīme — branch delay slot (zars ar kavējošo vietu), kas dažās MIPS saimēs tika izmantots, lai maksimāli izmantotu pipeline; mūsdienu implementācijās tas var nebūt obligāts.

Versijas, paplašinājumi un iezīmes

MIPS attīstījās pakāpeniski, parādījās vairākas versijas un paplašinājumi:

• MIPS I–V — agrīnie standarti, kuri definēja pamatfunkcijas un instrukcijas.
• MIPS32 un MIPS64 — mūsdienu galvenās 32 un 64 bitu arhitektūras versijas, kas tiek izmantotas komerciālajās un iegultajās ierīcēs.
• microMIPS un MIPS16e — koda blīvuma palielināšanai domāti paplašinājumi, kuri nodrošina īsākas (16/variable) instrukcijas, saglabājot saderību ar tradicionālo MIPS kodu.
• Coprocessor struktūra — piemēram, coprocessor 0 tradicionāli izmanto OS un konteksta vadībai.
• Drošības un pētniecības paplašinājumi — piemēram, CHERI projekts (capability-based extensions), kas pievieno aparatūras spējas drošākai atmiņas izolācijai (tas ir pētniecības un augsta līmeņa drošības paplašinājums, realizēts uz MIPS prototipiem).

Tehniskās detaļas īsumā

• Instrukciju formāti — tradicionāli R-type (reģistru darbības), I-type (immediates) un J-type (šunta/lecieni).
• Reģistru protokols — vispārpieņemtas konvencijas argumentiem un atgriešanai (piemēram, a0–a3, v0–v1, sp, ra), kas tiek izmantotas programmēšanas valodās un kompileros.
• Endianness — daudzi MIPS procesori var strādāt gan little-endian, gan big-endian režīmā, atkarībā no implementācijas.

Vēsture un komerciālā attīstība

MIPS radās kā akadēmisks projekts Stenfordā, ko vadīja Džons Hennessijs (John Hennessy). No pētniecības solījumiem sekoja komerciālas implementācijas — MIPS procesoru dizainus licencēja dažādi ražotāji. 1980. un 1990. gados MIPS bija plaši izmantota arhitektūra darba stacijās, serveros un augstākās klases tīkla iekārtās. Vēlāk, ar x86 un ARM komerciālo attīstību, MIPS pozīcijas tradicionālajās darba stacijās un serveros samazinājās, taču tā palika populāra iegultajās sistēmās un specializētās ierīcēs.

Pielietojumi

MIPS implementācijas tiek plaši izmantotas iebūvētajās ierīcēs un elektronikas produktos, piemēram:

• maršrutētāji, tīkla iekārtas un vārtejas;
• multimediju atskaņotāji un digitālās televīzijas dekoderi;
• spēļu konsoles (piemēram, Sony Playstation, PlayStation 2 un PlayStation Portable minētajos piemēros);
• dažādas rūpnieciskas un patērētāju ierīces ar zemu enerģijas patēriņu.

Licencēšana un mūsdienu stāvoklis

Laika gaitā MIPS arhitektūras īpašnieki un komerciālās tiesības mainījās vairākas reizes. Tā ietekme uz industriju samazinājās salīdzinājumā ar konkurentiem, taču arhitektūra saglabā savu nišu, īpaši tur, kur svarīgs ir vienkāršs, ātrs un energoefektīvs dizains. Ir arī iniciatīvas par atvērtākiem specifikāciju un izpildes kodu variantiem, kas veicina pētniecību un nelielu projektu izstrādi.

Kāpēc mācīties MIPS?

MIPS bieži tiek izmantota kā mācību paraugs datorzinātnes kursiem, jo tās vienkāršā, konsekventā instrukciju kopa un arhitektūras dizains ļauj skaidri demonstrēt RISC principus, pipeline darbību, reģistru lietošanu un kompileru optimizācijas. Studenti iegūst labu priekšstatu par to, kā zemā līmeņa instrukcijas ietekmē programmu izpildi un veiktspēju.

Ja vēlaties padziļināti uzzināt par MIPS instrukcijām, reģistriem vai konkrētām implementācijām, varu sagatavot detalizētāku tehnisko pārskatu vai paraugsaimples assemblerā.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir MIPS arhitektūra?

J: Ko nozīmē MIPS?

J: Kas ir RISC MIPS arhitektūrā?

J: Kādas ir RISC izmantošanas priekšrocības MIPS arhitektūrā?

J: Kāda bija kopņu arhitektūra, ko izmantoja MIPS arhitektūras sākotnējās versijās?

J: Kad MIPS arhitektūrā tika izmantota 64 bitu arhitektūra?

J: Kurās sistēmās galvenokārt tiek izmantotas MIPS implementācijas?

Meklēt pēc burta