自己动手写处理器之第一阶段（2）MIPS指令集架构的演变

将陆续上传本人写的新书《自己动手写处理器》（尚未出版），今天是第三篇，我尽量每周四篇 MIPS指令集架构自上世纪80年代出现后，一直在进行着更新换代，从最初的MIPS I到MIPS V，发展到可支持扩展模块的MIPS32、MIPS64系列，再到集成代码压缩技术的microMIP

将陆续上传本人写的新书《自己动手写处理器》（尚未出版），今天是第三篇，我尽量每周四篇

      MIPS指令集架构自上世纪80年代出现后，一直在进行着更新换代，从最初的MIPS I到MIPS V，发展到可支持扩展模块的MIPS32、MIPS64系列，再到集成代码压缩技术的microMIPS32、microMIPS64。每个MIPS ISA都是其前一个的超集，没有任何遗漏，只有增加新的功能。

      1、MIPS Ⅰ

      提供加载/存储、计算、跳转、分支、协处理及其它特殊指令。该指令集架构用于最初的MIPS处理器R2000/R3000。R2000是1985年推出的首款MIPS CPU，由110000个晶体管组成，是一个8MHz的32位处理器。R3000是R2000的下一代产品，与前者相比仅仅是时钟频率不同。

      2、MIPS Ⅱ

      增加了自陷指令、链接加载指令、条件存储指令、同步指令、可能分支指令、平方根指令。最初计划用在MIPS 处理器R6000上，但由于工艺选择的问题，R6000从1988年开始设计后，就一直问题不断，最终未能大规模生产。但MIPSⅡ指令集架构是后期MIPS32指令集架构的直接先驱。

      3、MIPS Ⅲ

      提供了32位指令集，同时支持64位指令集。最初用于MIPS处理器R4000。R4000是于1991年推出的64位处理器，首次加入了浮点处理器单元，主时钟频率提高到了100MHz。后来出现了一系列的R4000处理器。

      4、MIPS Ⅳ

      在MIPS III基础上增加了条件移动指令、预取指令以及一些浮点指令。最初用于MIPS处理器R8000，后来应用于R5000/R10000。R5000与R10000虽然使用相同的指令集架构，但是两者微架构的设计理念完全不同。R5000于1995年推出，采用的是经典的五级流水线、顺序执行。R10000于1996年推出，采用的是乱序执行。

      5、MIPS Ⅴ

      在MIPS IV的基础上增加了可以提高代码生产效率和数据转移效率的指令。但是没有任何一个处理器基于该架构。MIPS V指令集架构是后期MIPS64指令集架构的直接先驱。

      6、MIPS32/64

      MIPS32/64于1998年提出，MIPS32以MIPS II架构为基础，选择性地加入了MIPS III、MIPS IV、MIPS V，提高了代码生成和数据移动的效率。MIPS64以MIPS V架构为基础，同时兼容MIPS32。该架构第一次包含了被称为协处理器0的“CPU控制”功能。1999年以后设计的大多数MIPS处理器都与该标准兼容。2003年，发布了MIPS32/64指令集架构的第二版（Release 2），也称为MIPS32/64 R2。最新的是第五版（Release 5），也称为MIPS32/64 R5。但目前广泛使用的是第二版，非常成功的MIPS 4K、24K系列处理器遵循的就是MIPS32 R2架构。

      MIPS32/64在基本指令的基础上，还提供了一些面向特定应用的指令，这些指令采用特定应用扩展（ASE：Application-SpecificExtensions）的形式。一种处理器是否实现了某种扩展，可以通过设置标准的配置寄存器指明。主要的扩展列举如下。

• MIPS 16e：是专门为嵌入式系统及存储空间有限情况下的应用而设计的，可以在一个程序中执行16位和32位两种混合长度的指令，能使最终代码长度减少40%。MIPS32、MIPS64都支持MIPS 16e。
• SmartMIPS：是为了满足智能卡和灵活小系统的市场需要而设计的，是一套能高效节省存储空间的扩展指令集，此外还能提高智能卡领域非常关键的加密运算的性能。MIPS32支持SmartMIPS。
• MIPS-3D：提供了更好的几何运算处理，具有成对单精度数据类型，还提供专用指令来加快对该类型数据的处理。MIPS64支持MIPS-3D， MIPS32第二版也支持MIPS-3D。
• MCU：Micro-Control Unit微控制单元，增强了内存映射I/O的处理、提供了更低的中断延迟。MIPS32、MIPS64都支持MCU。

      7、microMIPS32/64

      microMIPS32/64指令集架构集成了16位和32位优化指令的高性能代码压缩技术，保持了98%的MIPS32性能，同时减少了至少30%的代码体积，从而降低芯片成本，也有助于降低系统功耗。MIPS M14K内核是MIPS科技于2009年发布的首款遵循microMIPS指令集架构的MIPS32兼容内核。

      MIPS指令集架构的演变可以使用图1-3描述。注意图中没有Release 4，这是因为对于很多人来说，4是个不吉利的数字，所以MIPS没有发布Release 4，而是直接发布Release 5。

明日继续！