MIPS -- 適用于MCU的處理器

　　1.簡介

　　MIPS科技是知名的致力于開發(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)用于各種市場應(yīng)用，包括以工業(yè)、自動化、汽車、消費電子以及以無線通信為代表的前沿技術(shù)。在這些類型的應(yīng)用中，MCU的運用使得對嵌入式處理器內(nèi)核的需求不斷增長，同時要求嵌入式處理器內(nèi)核提供更高效的性能、更快的實時響應(yīng)、更低的功耗以及廣泛的生態(tài)系統(tǒng)支持。這些需求來源于各種新挑戰(zhàn)，包括需要運行更復(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32位MCU產(chǎn)品出貨量的年復(fù)合增長率（compound annual growth rate，CAGR）在未來幾年為18%，在2014年出貨量將達到25.73億件。

　　選擇正確的處理器架構(gòu)是使MCU產(chǎn)品達到性能、成本和上市時間目標的關(guān)鍵決策條件。本文將對MIPS®處理器內(nèi)核中實現(xiàn)的設(shè)計功能進行介紹，這些功能對其達到業(yè)界領(lǐng)先的性能起到了關(guān)鍵作用。此外，我們將對基于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)計解決方案進行比較。我們的分析將會證明，MIPS提供的解決方案性能更高、功耗更低且具有更先進的功能和卓越的開發(fā)支持。

　　2.MIPS架構(gòu)

　　MIPS架構(gòu)于20世紀80年代早期在斯坦福大學誕生，是基于簡潔的加載/存儲RISC（精簡指令集計算）技術(shù)的架構(gòu)。RISC技術(shù)實現(xiàn)了簡單但全面的指令集，并使用深度指令流水線，與以前的CISC（復(fù)雜指令集計算）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)計復(fù)雜，且實現(xiàn)高級別性能的能力有限。

　　自1985年第一塊MIPS處理器（R2000）問世以來，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)過幾次修訂后得到擴展，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開發(fā)一系列32位處理器內(nèi)核之外，MIPS還對MIPS32和MIPS64架構(gòu)進行授權(quán)。這些架構(gòu)的授權(quán)用戶包括Broadcom、Cavium Networks、LSI Logic、NetLogic Microsystems、Renesas Electronics、Sony、Toshiba、中科院計算所和北京君正等，它們正積極地推出適用于數(shù)字家庭、網(wǎng)絡(luò)、單片機和其他應(yīng)用的MIPS-Basedä產(chǎn)品。這些基于MIPS的產(chǎn)品合計年出貨量超過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。標準MIPS32/64架構(gòu)可通過可選的特定應(yīng)用擴展（Application Specific Extension，ASE）來擴充功能，包括MIPS16e®、SmartMIPS®、DSP、3D和多線程。這些ASE旨在分別針對特定應(yīng)用提供增強功能。例如，DSP ASE通過增強軟硬件功能，加速了MIPS處理器內(nèi)核設(shè)計中的信號處理功能。類似地，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器容量，同時通過減少存儲器帶寬和縮短執(zhí)行時間來保持高性能。圖1中所示的每種ASE均有助于提高目標處理器內(nèi)核的特定于應(yīng)用的性能。

　　MIPS科技最近推出的microMIPS™是一套完整獨立的指令集架構(gòu)（ISA），同時包含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)計而開發(fā)的。

　　通過MIPS32/64架構(gòu)中實現(xiàn)的先進技術(shù)及其處理器內(nèi)核中包含的先進功能，MIPS ISA標準軟件平臺超越了競爭對手的解決方案并提供了更大的靈活性和持續(xù)改進的空間。

　　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)進行設(shè)計。

　　MIPS內(nèi)核的主要性能改進來自于內(nèi)核執(zhí)行單元的功能增強，通過實現(xiàn)較長的流水線級數(shù)、超標量和多線程微架構(gòu)來提高處理器的最大工作時鐘頻率。通過在標準架構(gòu)中加入高速存儲器接口、高效緩存控制器、存儲器管理單元、大量寄存器組以及浮點加速器等設(shè)計功能來獲得附加性能。

　　MIPS32架構(gòu)標配32個通用寄存器（General Purpose Register，GPR），其中每個寄存器的位寬為32位。在芯片設(shè)計階段可以對MIPS配置更多的通用寄存器組（每組32個），用作附加數(shù)據(jù)存儲或者分配給專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和現(xiàn)場切換時間。

　　利用硬件乘除單元（Multiply Divide Unit，MDU）以及多個帶符號/無符號乘法、除法和乘加（MAC）指令的軟件支持，可有效提高MIPS32架構(gòu)的信號處理性能。MIPS架構(gòu)對MDU采用獨立的流水線，使其可以與整數(shù)流水線并行工作。