MIPS architektúra – RISC utasításkészlet, történet és alkalmazások

MIPS architektúra: történet, RISC alapok, 32/64 bites fejlődés és alkalmazások beágyazott rendszerekben, konzoloktól routerekig — átfogó ismertető.

A MIPS architektúra egy számítógépek számára kifejlesztett utasításkészlet, amelyet a Stanford Egyetemen fejlesztettek ki 1981-ben. Kezdetben a MIPS a Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages rövidítése volt. Legtöbbje RISC-ben készült. A teljes RISC-architektúrában minden parancs azonos hosszúságú. Ez leegyszerűsíti a mikrochip tervezését, és lehetővé teszi a gyors órajelek használatát. Az architektúra kezdetben 32 bites buszt használt, de 1991-től 64 bites architektúrát alkalmaztak.

2015-ben a MIPS implementációkat elsősorban beágyazott rendszerekben, például Windows CE eszközökben, útválasztókban, lakossági átjárókban és videojáték-konzolokban, például a Sony Playstation, PlayStation 2 és PlayStation Portable készülékekben használják. Egészen 2006 végéig az SGI számos számítógépes termékében is használták. MIPS implementációkat használt a Digital Equipment Corporation, a NEC, a Pyramid Technology, a Siemens Nixdorf, a Tandem Computers és mások is az 1980-as évek végén és az 1990-es években. Az 1990-es évek közepén-végén becslések szerint minden harmadik gyártott RISC mikroprocesszor MIPS implementáció volt.

Fő jellemzők

• RISC filozófia: egyszerű, rövid, fix hosszúságú (általában 32 bites) utasítások; a memória-műveletek külön load/store utasításokkal történnek.
• Regiszterközpontúság: a MIPS rendszerek tipikusan 32 általános célú regisztert (GPR) használnak 32 bites módban; egyes implementációk 64 bites regiszterekkel dolgoznak MIPS64 módban. Van továbbá HI/LO regiszter a szorzás/osztás eredményének tárolására, valamint rendszervezérlő és lebegőpontos egységek (COP0, COP1).
• Load/store architektúra: csak a memória-műveletek végzik az adatok mozgatását memóriába és onnan, az aritmetikai/ logikai műveletek regiszterek között zajlanak.
• Pipeline és optimalizálás: az egyszerű utasításkészlet megkönnyíti a csővezetékes (pipelined) feldolgozást; a korai MIPS-ekben a tervezés feltételezte, hogy a compiler illeszti a kódat, ezért alkalmaztak például branch delay slot-okat.
• Általános szabványok: a MIPS32 és MIPS64 specifikációk definiálják az ISA különböző verzióit és az ABI-k (például O32, N64) hívási konvencióit.
• Endianness: sok MIPS implementáció bi-endian, azaz kis- és nagyendian is támogatható konfigurációtól függően.

További műszaki részletek

• A MIPS utasításkészlet jellemzően háromoperandusú utasításokat használ (például rd, rs, rt formátum).
• Szabványos MIPS hívási konvenció: az első néhány argumentum regiszterekben (pl. $a0–$a3), visszatérési érték $v0–$v1 regiszterekben; ideiglenes regiszterek ($t0–$t9) nem preserválódnak hívás során, míg mentett regiszterek ($s0–$s7) megőrzéséért a callee felel.
• Lebegőpontos támogatás: a COP1 egység 32 vagy 64 lebegőpontos regisztert használhat, az ISA és implementáció függvényében.

Történet és fejlődés

• A MIPS projektet a Stanfordon John Hennessy és munkatársai indították az 1980-as évek elején a RISC elvek gyakorlati vizsgálatára.
• A technológia hamar kommerszialisálódott: több gyártó készített MIPS-alapú processzormagokat és rendszereket, és a MIPS ISA több generáción ment keresztül (MIPS I, II, III, IV stb.), illetve a MIPS32/MIPS64 szabványok kialakulásával sokféle implementáció jött létre.
• A MIPS architektúra jelentős szereplő volt a munkaállomások és szerverek piacán (például SGI termékekben), majd széles körben elterjedt beágyazott alkalmazásokban és játékkonzolokban is.

Alkalmazások és elterjedés

• Beágyazott rendszerek: routerek, hálózati eszközök, set-top boxok, fogyasztói hálózati átjárók és egyéb speciális célú eszközök.
• Mobil és konzol játékok: a korai Sony PlayStation család és a PlayStation Portable ismert példa a MIPS használatára.
• Operációs rendszerek: különféle beágyazott OS-ek és régebbi munkaállomás rendszerek támogatták a MIPS-et (például bizonyos Windows CE eszközök).
• Oktatás: a MIPS egyszerűsége miatt népszerű az oktatásban és a processzorarchitektúrák bemutatására szolgáló tankönyvekben és szimulátorokban.

Fejlesztői eszközök és oktatás

• A MIPS-re léteznek nyílt forrású és kereskedelmi fordítók (például GCC, LLVM támogatás), debuggerek és szimulátorok.
• Gyakori oktatási eszközök: SPIM és MARS (egyszerű MIPS szimulátorok), amelyek lehetővé teszik a tanulóknak az ISA és assembly gyakorlását.

Erősségek és korlátok

• Erősségek: egyszerű, jól pipelinizálható utasításkészlet; jó teljesítmény órajelenként; könnyű implementálhatóság és hatékony compiler-támogatás.
• Korlátok: fix 32 bites utasításkód néha kevésbé kód-sűrű, mint változó hosszúságú kódok (pl. x86); a branch delay slot és egyes eredeti dizájnmegoldások megnehezíthetik a modern optimalizációt, ezért a modern implementációk időnként elhagyják vagy maszkolják ezeket a régi konstrukciókat.

A MIPS architektúra története és egyszerűsége miatt ma is fontos szerepet tölt be mind a gyakorlati beágyazott rendszerek világában, mind az oktatásban: továbbra is releváns választás a gyors, kis fogyasztású, determinisztikus processzorok tervezésében. A rendszerkörnyezetek, eszközök és fordítóeszközök széles ökoszisztémája segíti a MIPS alapú fejlesztéseket és kutatásokat.

Kérdések és válaszok

K: Mi az a MIPS architektúra?

K: Mit jelent a MIPS?

K: Mi a RISC a MIPS architektúrában?

K: Mi az előnye a RISC használatának a MIPS-architektúrában?

K: Milyen buszarchitektúrát használtak a MIPS architektúra kezdeti változataiban?

K: Mikor használták a 64 bites architektúrát a MIPS architektúrában?

K: Milyen rendszerekben használják elsősorban a MIPS implementációkat?

Keresés betűvel