MIPS architektūra: RISC instrukcijų rinkinys, istorija ir panaudojimas

MIPS architektūra: išsamus RISC instrukcijų rinkinys, istorija, evoliucija ir praktinis panaudojimas — nuo įterptųjų sistemų iki žaidimų konsolių ir maršrutizatorių.

MIPS architektūra - tai 1981 m. Stanfordo universitete sukurtas kompiuterių instrukcijų rinkinys. Iš pradžių MIPS buvo mikroprocesoriaus be tarpusavyje sujungtų vamzdynų pakopų akronimas. Didžioji dalis jos yra padaryta RISC principu. Visiškoje RISC architektūroje visos komandos yra vienodo ilgio. Tai supaprastina mikroschemos konstrukciją ir leidžia naudoti greitus laikrodžio taktus. Pradžioje architektūroje buvo naudojama 32 bitų magistralė, tačiau nuo 1991 m. pradėta naudoti 64 bitų architektūra.

2015 m. MIPS realizacijos daugiausia naudojamos įterptosiose sistemose, pavyzdžiui, "Windows CE" įrenginiuose, maršrutizatoriuose, gyvenamųjų namų šliuzuose ir vaizdo žaidimų konsolėse, pavyzdžiui, "Sony Playstation", "PlayStation 2" ir "PlayStation Portable". Iki 2006 m. pabaigos jos taip pat buvo naudojamos daugelyje SGI kompiuterių produktų. Devintojo dešimtmečio pabaigoje ir dešimtajame dešimtmetyje MIPS realizacijas taip pat naudojo "Digital Equipment Corporation", NEC, "Pyramid Technology", "Siemens Nixdorf", "Tandem Computers" ir kt. Apskaičiuota, kad dešimtojo dešimtmečio viduryje ir pabaigoje kas trečias pagamintas RISC mikroprocesorius buvo MIPS realizacija.

Techninės savybės ir dizaino principai

• RISC (Reduced Instruction Set Computer): MIPS palaiko paprastą, mažai sudėtingą instrukcijų rinkinį — dauguma komandų yra vienodo (32 bitų) ilgio, kas supaprastina dekodavimą ir padeda aukštesniam takto dažniui.
• Load/store architektūra: operacijos su atmintimi atliekamos tik specialiomis load/store (krovimo/rašymo) instrukcijomis; skaičiavimai vykdomi tik registruose.
• Registrų failas: tradiciškai 32 bendrojo paskyrimo registrai (GPR), plius atskiri plaukiojančio kablelio registrai. Yra specialūs HI ir LO registrai daugiklio/dalintojo rezultatams.
• Vamzdynavimas: klasikinė MIPS implementacija naudoja penkių pakopų vamzdyną (IF, ID, EX, MEM, WB). Dėl to buvo įvesti tokie mechanizmai kaip branch delay slot (šakų vėlinimo slotas) ir, kai kuriose implementacijose, load delay.
• Instrukcijų ilgiai ir variantai: pagrindinė MIPS ISA versija naudoja 32 bitų instrukcijas, tačiau vėlesnės versijos pristatė 64 bitų palaikymą (MIPS64 / MIPS III), taip pat buvo pasiūlyti suspausto kodo sprendimai (pvz., MIPS16e) mažesnei atminties sąnaudai.
• Baigiamasis ir abi architektūros: MIPS gali veikti tiek little-endian, tiek big-endian režimu priklausomai nuo implementacijos. Taip pat egzistuoja keli ABI (pvz., O32, N32, N64) skirtingoms platformoms.

Trumpa istorija ir vystymasis

MIPS idėja kilo akademinėje aplinkoje — Stanfordo universitete 1981 m. Sukurtas principas "Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages" siekė supaprastinti aparatūrą, perkelti sprendimus dėl duomenų ir priklausomybių į kompiliatorių. Komercinės MIPS realizacijos pasirodė aštuntajame–devintajame dešimtmečiuose (R2000, R3000 ir kt.), o 1990–1990-ųjų pradžioje MIPS šeima išsiplėtė iki 64 bitų procesorių (pvz., R4000 serija).

Per dešimtmečius MIPS ISA evoliucionavo per kelias kartas (MIPS I–VI), kiekviena versija pridėdavo naujas instrukcijas, didesnį adresavimo diapazoną ir naujas plėtros galimybes. Komercinės įmonės ir licencijų modeliai lėmė, kad MIPS branduoliai buvo pritaikyti tiek darbo stočių ir serverių (pvz., SGI darbe), tiek įterptoms sistemoms ir tinklo įrangai.

Panaudojimas ir reikšmė

MIPS architektūra turėjo plačią pritaikymo sritį:

• Darbo stotys ir serveriai: ankstyvosios SGI sistemos ir kiti aukštos klasės sprendimai rinkoje naudojo MIPS procesorius dėl jų našumo ir RISC principų.
• Žaidimų konsolės: klasikiniai modeliai, kaip nurodyta aukščiau, MIPS branduoliais aprūpino kelias populiarias Sony konsoles.
• Įterptosios sistemos ir tinklo įranga: maršrutizatoriai, namų šliuzai, spausdintuvai, skaitmeniniai imtuvai ir kitų tipų įrenginiai — visur, kur svarbi energijos sąnauda ir kaina.
• Moksliniai tyrimai ir akademija: MIPS paprasta, aiški ISA ir pipelinavimo modelis tapo dažna mokymo medžiaga universitetuose.

Ateitis ir palikimas

Perėjimas nuo bendrųjų kompiuterių rinkų prie įterptųjų ir licencijavimo modelio bei spartus ARM ir vėliau RISC-V kilimas pakeitė MIPS poziciją rinkoje, tačiau pati architektūra išlieka svarbi RISC istorijai ir dizaino pamokoms. Dėl savo paprastumo ir aiškumo MIPS idėjos daro įtaką tiek akademiniam mokymuisi, tiek praktiniam mikroarchitektūros projektavimui.

Apibendrinant: MIPS — tai reikšminga RISC šeima, pasižyminti aiškiu, efektyviu instruktų rinkiniu ir stipria istorine įtaka kompiuterių architektūros raidai. Nors rinkos dalys keičiasi, MIPS išliko plačiai paplitusi ir gerai suprantama platforma daugeliui įterptųjų sprendimų ir mokslinių užduočių.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra MIPS architektūra?

K: Ką reiškia MIPS?

K: Kas yra RISC MIPS architektūroje?

K: Koks yra RISC naudojimo MIPS architektūroje privalumas?

K: Kokia magistralės architektūra buvo naudojama pradinėse MIPS architektūros versijose?

K: Kada MIPS architektūroje buvo naudojama 64 bitų architektūra?

K: Kokiose sistemose pirmiausia naudojamos MIPS realizacijos?

Paieška pagal raidę