MIPS -- 適用于MCU的處理器

　　1.簡(jiǎn)介

　　MIPS科技是知名的致力于開(kāi)發(fā)和授權(quán)高性能處理器內(nèi)核以及32位和64位架構(gòu)的公司。作為數(shù)字家庭和網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中的市場(chǎng)領(lǐng)先者，MIPS架構(gòu)亦已在32位微控制器（MCU）領(lǐng)域大量應(yīng)用，與基于ARM架構(gòu)的內(nèi)核產(chǎn)品相比，可提供性能更高、功能更豐富且功耗更低的解決方案。

　　MCU廣泛應(yīng)用于各種市場(chǎng)應(yīng)用，包括以工業(yè)、自動(dòng)化、汽車(chē)、消費(fèi)電子以及以無(wú)線(xiàn)通信為代表的前沿技術(shù)。在這些類(lèi)型的應(yīng)用中，MCU的運(yùn)用使得對(duì)嵌入式處理器內(nèi)核的需求不斷增長(zhǎng)，同時(shí)要求嵌入式處理器內(nèi)核提供更高效的性能、更快的實(shí)時(shí)響應(yīng)、更低的功耗以及廣泛的生態(tài)系統(tǒng)支持。這些需求來(lái)源于各種新挑戰(zhàn)，包括需要運(yùn)行更復(fù)雜的RTOS控制軟件，以及集成更高速的通信接口與更復(fù)雜的接口。

　　32位MCU正逐步為下一代應(yīng)用提供解決方案。Semico Research Corp.預(yù)測(cè)32位MCU產(chǎn)品出貨量的年復(fù)合增長(zhǎng)率（compound annual growth rate，CAGR）在未來(lái)幾年為18%，在2014年出貨量將達(dá)到25.73億件。

　　選擇正確的處理器架構(gòu)是使MCU產(chǎn)品達(dá)到性能、成本和上市時(shí)間目標(biāo)的關(guān)鍵決策條件。本文將對(duì)MIPS®處理器內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)功能進(jìn)行介紹，這些功能對(duì)其達(dá)到業(yè)界領(lǐng)先的性能起到了關(guān)鍵作用。此外，我們將對(duì)基于MIPS和ARM架構(gòu)（兩種最流行的嵌入式處理器架構(gòu)）的MCU設(shè)計(jì)解決方案進(jìn)行比較。我們的分析將會(huì)證明，MIPS提供的解決方案性能更高、功耗更低且具有更先進(jìn)的功能和卓越的開(kāi)發(fā)支持。

　　2.MIPS架構(gòu)

　　MIPS架構(gòu)于20世紀(jì)80年代早期在斯坦福大學(xué)誕生，是基于簡(jiǎn)潔的加載/存儲(chǔ)RISC（精簡(jiǎn)指令集計(jì)算）技術(shù)的架構(gòu)。RISC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單但全面的指令集，并使用深度指令流水線(xiàn)，與以前的CISC（復(fù)雜指令集計(jì)算）架構(gòu)相比，可獲得更快的執(zhí)行速度和更高的性能。相比較而言，ARM架構(gòu)基于混合的RISC/CISC架構(gòu)，其設(shè)計(jì)復(fù)雜，且實(shí)現(xiàn)高級(jí)別性能的能力有限。

　　自1985年第一塊MIPS處理器（R2000）問(wèn)世以來(lái)，MIPS架構(gòu)始終在不斷地完善。指令集架構(gòu)（Instruction Set Architecture，ISA）在經(jīng)過(guò)幾次修訂后得到擴(kuò)展，其性能也相應(yīng)提高。目前版本包括32位和64位的MIPS32Ò和MIPS64Ò架構(gòu)。除了基于MIPS32開(kāi)發(fā)一系列32位處理器內(nèi)核之外，MIPS還對(duì)MIPS32和MIPS64架構(gòu)進(jìn)行授權(quán)。這些架構(gòu)的授權(quán)用戶(hù)包括Broadcom、Cavium Networks、LSI Logic、NetLogic Microsystems、Renesas Electronics、Sony、Toshiba、中科院計(jì)算所和北京君正等，它們正積極地推出適用于數(shù)字家庭、網(wǎng)絡(luò)、單片機(jī)和其他應(yīng)用的MIPS-Basedä產(chǎn)品。這些基于MIPS的產(chǎn)品合計(jì)年出貨量超過(guò)6億件。

　　圖1：MIPS科技架構(gòu)和ASE

　　圖1顯示了市面上MIPS架構(gòu)系列的組成部分。標(biāo)準(zhǔn)MIPS32/64架構(gòu)可通過(guò)可選的特定應(yīng)用擴(kuò)展（Application Specific Extension，ASE）來(lái)擴(kuò)充功能，包括MIPS16e®、SmartMIPS®、DSP、3D和多線(xiàn)程。這些ASE旨在分別針對(duì)特定應(yīng)用提供增強(qiáng)功能。例如，DSP ASE通過(guò)增強(qiáng)軟硬件功能，加速了MIPS處理器內(nèi)核設(shè)計(jì)中的信號(hào)處理功能。類(lèi)似地，MIPS16e是將“最經(jīng)常”使用的MIPS32指令解碼為相應(yīng)的16位等效指令后所組成的指令集。與MIPS32相比，MIPS16e可壓縮應(yīng)用程序代碼，使其占用較少的存儲(chǔ)器容量，同時(shí)通過(guò)減少存儲(chǔ)器帶寬和縮短執(zhí)行時(shí)間來(lái)保持高性能。圖1中所示的每種ASE均有助于提高目標(biāo)處理器內(nèi)核的特定于應(yīng)用的性能。

　　MIPS科技最近推出的microMIPS™是一套完整獨(dú)立的指令集架構(gòu)（ISA），同時(shí)包含16位和32位指令，旨在使軟件代碼密度和執(zhí)行吞吐量最大化。microMIPS可至少將代碼長(zhǎng)度減少30%，并且執(zhí)行性能幾乎與MIPS32相同。microMIPS 集成于MIPS32 M14K™和M14Kc™處理器內(nèi)核中，這些內(nèi)核是為MCU和嵌入式控制器SoC的設(shè)計(jì)而開(kāi)發(fā)的。

　　通過(guò)MIPS32/64架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)的先進(jìn)技術(shù)及其處理器內(nèi)核中包含的先進(jìn)功能，MIPS ISA標(biāo)準(zhǔn)軟件平臺(tái)超越了競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的解決方案并提供了更大的靈活性和持續(xù)改進(jìn)的空間。

　　2.1 MIPS架構(gòu)性能

　　從高端多核解決方案到緊湊型內(nèi)核，所有MIPS處理器內(nèi)核均基于相同的高性能MIPS32基礎(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　MIPS內(nèi)核的主要性能改進(jìn)來(lái)自于內(nèi)核執(zhí)行單元的功能增強(qiáng)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的流水線(xiàn)級(jí)數(shù)、超標(biāo)量和多線(xiàn)程微架構(gòu)來(lái)提高處理器的最大工作時(shí)鐘頻率。通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)中加入高速存儲(chǔ)器接口、高效緩存控制器、存儲(chǔ)器管理單元、大量寄存器組以及浮點(diǎn)加速器等設(shè)計(jì)功能來(lái)獲得附加性能。

　　MIPS32架構(gòu)標(biāo)配32個(gè)通用寄存器（General Purpose Register，GPR），其中每個(gè)寄存器的位寬為32位。在芯片設(shè)計(jì)階段可以對(duì)MIPS配置更多的通用寄存器組（每組32個(gè)），用作附加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或者分配給專(zhuān)用向量中斷控制器邏輯的“影子寄存器”，在傳統(tǒng)軟硬件方法的基礎(chǔ)上可顯著減少中斷延時(shí)和現(xiàn)場(chǎng)切換時(shí)間。

　　利用硬件乘除單元（Multiply Divide Unit，MDU）以及多個(gè)帶符號(hào)/無(wú)符號(hào)乘法、除法和乘加（MAC）指令的軟件支持，可有效提高M(jìn)IPS32架構(gòu)的信號(hào)處理性能。MIPS架構(gòu)對(duì)MDU采用獨(dú)立的流水線(xiàn)，使其可以與整數(shù)流水線(xiàn)并行工作。