MIPS:性能与面积完美结合

MIPS32 74K内核架构

6月19日，MIPS推出了MIPS32 74K(以下简称74K)内核产品。该产品采用标准硅工艺，是目前嵌入式市场速度最快的1GHz可合成处理器内核。

此次的74K内核是首款可合成32位处理器，它采用65nm制造工艺，采用普通标准单元和EDA流程。由于74K采用了革命性的嵌入式微架构，在同类产品中，它以最小的芯片面积提供了最高的执行性能。根据MIPS公司公布的数据显示，新的74K内核面积为1.7平方毫米。此次的74内核共有两款产品：MIPS32 74Kc和MIPS32 74Kf，两者均具有CorExtend功能(该功能应用于自定义指令)。此外，由于74K具有二进制兼容的特性，它可以直接替代原有的MIPS32 24K系列内核，而不需要对应用代码进行任何修改，而运行速度可达到原有产品的1.5倍到1.6倍。

双流水线架构

利用现代指令集架构获得性能的一种方法就是采用多段双流水线(74K采用17段流水线)，可同时执行一条以上的指令，并且使时钟速率突破1GHz。

以前的产品也采用过双流水线系统，但是这种频率和双流水线的组合以及可合成流程的限制仍然是一个巨大的挑战。为了在完全可合成流程中实现频率目标，在一些区域增加了更多的流水线。MIPS公司发现，无序执行单元在处理流水线方面要比有序执行单元更有效率。

此外，采用无序执行也有助于双流水线非对称。

从传统意义上说，有序双发流水线是对称的，即它们可以在两条流水线中复制执行单元。这将有助于指令沿着流水线行进，通常可得到一条流水线的支持。但是负载和存储指令不属于上述范畴。MIPS公司发现，无序执行技术可帮助他们实现非对称执行单元，而性能不会受到影响。

地址生成(AGEN)的一条7段流水线可处理存储转移负载/存储，并控制传输分支/转移指令，而6段ALU流水线处理所有的与算数、逻辑和计算相关的指令。这就减少了流水线设计的复杂性，进而减少了芯片面积和功耗。

这两条流水线是根据一个程序的典型指令混合精心挑选出来的，这样两条流水线的指令各占 50%。事实上，通过分析处理器针对的应用，可以确定大约一半的指令为负载/存储和控制转移指令，另一半为算术计算指令。因此，平均起来流水线是基本平衡的。

当然，情况并不总是如此，可能会出现本地存储器分组或算术指令，而无序执行机制可能超出本地分组。事实上，它能够处理最多16个指令的窗口，每条流水线8个指令。只要指令集群小于窗口尺寸，机器就能对非对称进行处理。

二进制兼容性

采用无序执行技术的另一个主要优势在于它能够实现完全的二进制兼容。

对于现有的单发遗留代码，几乎没有性能缺点(在同样的时钟频率)，因为处理器而不是编译器可以确保呈现的指令最有效地执行双发架构，从而发挥重要作用。

因此，在74K芯片的高时钟频率下，不需要重新编译应用代码，使现有代码的性能得到很快的提升。同样重要的是，它还不需要经过生态系统中其他伙伴的认证程序。所有这些都可以缩短设计上市的时间。

现有24K内核基准代码不需要重新编译，在74K内核的运行速度可提高1.5到1.6倍，与重新编译代码的结果非常相似，尤其是 Dhrystone基准。其他基准，诸如Consumer Mark的24K内核二进制代码在74K内核上运行的性能提高了1.4倍，重新编译的同样代码只提高了1.5倍。

更优越的性能

当然，新设计不仅提高时钟频率，而且还提高了整个系统性能。DSP ASE Revision2是用于加快DSP和媒体处理应用的增强型指令集。

它为采用8位整数数据类型的图像处理和视频处理应用提供了27个新指令。

通过采用DSP ASE指令实现的性能改善，取决于所采用的算法和数据类型。不过在实际使用中，16位数据的典型处理速度可以提高大约1.5倍，而8位数据大约为2倍。

如果具体应用对性能要求更高，74K内核设计还包括了一个允许功能单元添加到流水线的CorExtend模块，它可访问所有可视编程器通用寄存器和累加器。

这将有助于设计者增加一套专用指令，每个指令可选择多达两个源GPR和一个累加器。

这个强大的功能有利于用户扩展现有的MIPS32 Release2指令集，以改善性能和定制其目标应用的内核，同时可以不做改变，仍然运行现有生态系统的编解码器和堆栈。

这个组合在保证开发人员实现系统性能改善和按时上市方面非常有用。

根据目标应用需求，该设计包括4路集联L1高速缓存，具体配置为16KB、32KB或64KB，以获得定制设计性能和尺寸方面灵活性。

内核的数据高速缓存为128位或64位，可改善信息包转发、数据处理和存储器复制功能。存储器复制功能非常耗时，对于许多多媒体设备操作至关重要，而且对普遍采用的Linux等嵌入式系统也越来越重要。

Linux广泛使用MemCopy，因此可以访问更多的高速缓存，通过减少读写高速缓存的时间来改善性能。

链 接:MIPS大事记

MIPS公司可以说是RISC架构的先锋。早在1981年，美国斯坦福大学的John Hennessy教授就了第一款MIPS芯片。1984年，Hennessy教授离开校园创办了MIPS计算系统公司。

该公司在1985年了第一款产品R2000，并且在1988年开发出了升级版芯片R3000。上述这两款32位芯片成为MIPS公司在芯片行业立足的基石，同时这两款芯片也主要用于SGI的图形工作站。

1991年，MIPS公司了世界上第一款64位芯片R4000。但是由于资金方面的原因，这款芯片迟迟无法商品化。由于MIPS芯片对于SGI公司的产品极为关键，SGI于1992年正式收购了MIPS，以防止MIPS芯片架构设计外流。之后，该公司更名为MIPS科技。

随着时间的推移，Intel的IA架构逐渐成为桌面及服务器计算市场的主流，SGI公司也决定将其体系架构转向Intel。MIPS于1998年6月30日进行IPO(首次公开募股)，不再是SGI的全资子公司。

目前，MIPS已经完全退出了桌面市场，而将其重心完全转移到嵌入式市场领域，该公司是世界上第二大嵌入式处理器公司，在机顶盒、无线路由器、打印机、DVD刻录机等领域占据绝对的领导地位。