MIPS

MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages) — это архитектура системы команд (ISA) для микропроцессоров, разработанная в 1981 году в Стэнфордском университете под руководством Джона Хеннесси. MIPS относится к классу RISC-архитектур (Reduced Instruction Set Computer) и характеризуется фиксированной длиной команд (32 бита), большим регистровым файлом и конвейерной обработкой инструкций. Архитектура оказала значительное влияние на развитие микропроцессоров и использовалась в широком спектре устройств — от встраиваемых систем до суперкомпьютеров.

История

Разработка в Стэнфорде

Проект MIPS был начат в 1981 году как часть исследовательской работы по созданию эффективного микропроцессора с конвейерной архитектурой. Джон Хеннесси, впоследствии ставший президентом Стэнфордского университета, стремился упростить систему команд для повышения производительности за счёт устранения аппаратных блокировок конвейера (interlocked pipeline stages). Первый процессор MIPS, названный MIPS R2000, был выпущен в 1985 году компанией MIPS Computer Systems, основанной Хеннесси и его коллегами.

Коммерциализация и расцвет

В 1980-х и 1990-х годах архитектура MIPS активно использовалась в рабочих станциях и серверах. Компании Silicon Graphics, Digital Equipment Corporation и NEC применяли процессоры MIPS в своих продуктах. В 1992 году компания MIPS Computer Systems была приобретена Silicon Graphics, но архитектура продолжала развиваться. В 1999 году была создана компания MIPS Technologies, которая сосредоточилась на лицензировании архитектуры сторонним производителям.

Упадок на рынке ПК и серверов

С начала 2000-х годов архитектура MIPS начала уступать позиции на рынке персональных компьютеров и серверов архитектурам x86 (Intel, AMD) и ARM. К 2010-м годам использование MIPS в этом сегменте практически прекратилось. В 2012 году компания MIPS Technologies была продана Imagination Technologies, а в 2018 году — Wave Computing. В 2021 году права на архитектуру MIPS были переданы компании MIPS Technologies, которая сосредоточилась на разработке ядер для встраиваемых систем.

Архитектура

Основные принципы RISC

MIPS является классической RISC-архитектурой, что подразумевает:

• Фиксированную длину команд (32 бита), что упрощает декодирование и конвейерную обработку.
• Большое количество регистров общего назначения (32 регистра в базовой версии).
• Простые форматы команд (R-тип, I-тип, J-тип), где операции выполняются за один такт.
• Отсутствие аппаратных блокировок конвейера — компилятор отвечает за оптимизацию последовательности команд.

Регистровый файл

Архитектура MIPS включает 32 регистра общего назначения (R0–R31), каждый размером 32 бита (в 32-битной версии). Регистр R0 всегда содержит значение 0, что используется для оптимизации кода. Также имеются специальные регистры: HI и LO для умножения и деления, а также регистры для управления конвейером.

Конвейерная обработка

MIPS использует классический 5-стадийный конвейер: выборка команды (IF), декодирование (ID), выполнение (EX), доступ к памяти (MEM) и запись результата (WB). Отсутствие аппаратных блокировок означает, что программист или компилятор должен вставлять команды-задержки (NOP) для предотвращения конфликтов данных.

Версии архитектуры

32-битные версии

• MIPS I — базовая версия, выпущенная в 1985 году с процессором R2000.
• MIPS II — добавлены поддержка кэш-памяти и инструкции для работы с многопроцессорными системами.
• MIPS III — расширение до 64-битной адресации и регистров (процессор R4000, 1991 год).
• MIPS IV — улучшена работа с плавающей точкой и добавлены инструкции для мультимедиа.
• MIPS V — добавлены векторные инструкции для SIMD-обработки.

64-битные версии

• MIPS64 — современная 64-битная версия, поддерживающая до 64 регистров общего назначения и расширенные инструкции для криптографии, виртуализации и DSP.
• microMIPS — компактная версия с 16-битными инструкциями для встраиваемых систем, совместимая с MIPS32.

Лицензирование и ядра

Архитектура MIPS лицензируется сторонним производителям, что позволяет создавать собственные реализации ядер. Популярные ядра: MIPS32 4Kc, MIPS32 24K, MIPS64 5Kc. В 2021 году MIPS Technologies представила новую архитектуру MIPS RISC-V, основанную на открытом стандарте RISC-V, но сохраняющую совместимость с MIPS.

Применение

Встраиваемые системы

MIPS широко используется во встраиваемых системах, таких как маршрутизаторы, сетевые коммутаторы, принтеры и цифровые телевизоры. Процессоры на базе MIPS применялись в устройствах компаний Cisco, Broadcom, Qualcomm (до перехода на ARM) и других.

Игровые консоли

Архитектура MIPS была основой для нескольких игровых консолей:

• Sony PlayStation 1 (1994) — использовала процессор R3000A.
• Sony PlayStation 2 (2000) — процессор Emotion Engine, основанный на MIPS64.
• Nintendo 64 (1996) — процессор R4300i.
• Sony PlayStation Portable (2004) — процессор на базе MIPS32.

Суперкомпьютеры

В 1990-х годах процессоры MIPS использовались в суперкомпьютерах, например, в серии Cray T3E (1996) и NEC SX-6 (2001). Однако к 2000-м годам они были вытеснены архитектурами x86 и PowerPC.

Научные и образовательные проекты

Благодаря простоте и хорошо документированной архитектуре, MIPS часто используется в учебных курсах по компьютерной архитектуре. Симуляторы MIPS (например, SPIM, MARS) позволяют студентам изучать ассемблер и конвейерную обработку.

Влияние на другие архитектуры

MIPS оказала значительное влияние на развитие RISC-архитектур. Принципы, заложенные в MIPS, были использованы при создании ARM, PowerPC и SPARC. В частности, идея фиксированной длины команд и большого регистрового файла стала стандартом для многих современных процессоров. В 2020-х годах открытая архитектура RISC-V во многом повторяет концепции MIPS, но с более гибкой системой команд.

Критика

Основные недостатки MIPS связаны с отсутствием аппаратных блокировок конвейера, что требует от компилятора сложной оптимизации. В условиях высокой тактовой частоты это может приводить к снижению производительности. Кроме того, архитектура MIPS уступает x86 и ARM по экосистеме программного обеспечения и количеству доступных инструментов разработки.

Интересные факты

• Название MIPS изначально было аббревиатурой от «Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages», но позже компания MIPS Technologies отказалась от расшифровки, оставив только бренд.
• Процессор R4000 стал первым коммерческим 64-битным микропроцессором, выпущенным в 1991 году.
• В 2012 году компания MIPS Technologies продала 580 патентов компании Allied Security Trust за 350 миллионов долларов, что вызвало споры о судьбе архитектуры.
• Архитектура MIPS поддерживается в операционных системах Linux, FreeBSD и OpenBSD, хотя количество поддерживаемых устройств невелико.

Источники

• Hennessy, J. L., & Patterson, D. A. (2019). Computer Architecture: A Quantitative Approach (6th ed.).
• MIPS Technologies. (2021). MIPS Architecture Reference Manual.
• Patterson, D. A., & Hennessy, J. L. (2017). Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface (5th ed.).
• История развития MIPS на сайте MIPS Technologies.