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)和授權高性能處理器內核以及32位和64位架構的公司。作為數字家庭和網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域中的市場(chǎng)領(lǐng)先者，MIPS架構亦已在32位微控制器（MCU）領(lǐng)域大量應用，與基于A(yíng)RM架構的內核產(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廣泛應用于各種市場(chǎng)應用，包括以工業(yè)、自動(dòng)化、汽車(chē)、消費電子以及以無(wú)線(xiàn)通信為代表的前沿技術(shù)。在這些類(lèi)型的應用中，MCU的運用使得對嵌入式處理器內核的需求不斷增長(cháng)，同時(shí)要求嵌入式處理器內核提供更高效的性能、更快的實(shí)時(shí)響應、更低的功耗以及廣泛的生態(tài)系統支持。這些需求來(lái)源于各種新挑戰，包括需要運行更復雜的RTOS控制軟件，以及集成更高速的通信接口與更復雜的接口。

　　32位MCU正逐步為下一代應用提供解決方案。Semico Research Corp.預測32位MCU產(chǎn)品出貨量的年復合增長(cháng)率（compound annual growth rate，CAGR）在未來(lái)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是使MCU產(chǎn)品達到性能、成本和上市時(shí)間目標的關(guān)鍵決策條件。本文將對MIPS®處理器內核中實(shí)現的設計功能進(jìn)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（兩種最流行的嵌入式處理器架構）的MCU設計解決方案進(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

　　MIPS架構于20世紀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RISC（精簡(jiǎn)指令集計算）技術(shù)的架構。RISC技術(shù)實(shí)現了簡(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（復雜指令集計算）架構相比，可獲得更快的執行速度和更高的性能。相比較而言，ARM架構基于混合的RISC/CISC架構，其設計復雜，且實(shí)現高級別性能的能力有限。

　　自1985年第一塊MIPS處理器（R2000）問(wèn)世以來(lái)，MIPS架構始終在不斷地完善。指令集架構（Instruction Set Architecture，ISA）在經(jīng)過(guò)幾次修訂后得到擴展，其性能也相應提高。目前版本包括32位和64位的MIPS32Ò和MIPS64Ò架構。除了基于MIPS32開(kāi)發(fā)一系列32位處理器內核之外，MIPS還對MIPS32和MIPS64架構進(jìn)行授權。這些架構的授權用戶(hù)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字家庭、網(wǎng)絡(luò )、單片機和其他應用的MIPS-Basedä產(chǎn)品。這些基于MIPS的產(chǎn)品合計年出貨量超過(guò)6億件。

　　圖1：MIPS科技架構和ASE

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

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

　　通過(guò)MIPS32/64架構中實(shí)現的先進(jìn)技術(shù)及其處理器內核中包含的先進(jìn)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改進(jìn)的空間。

　　2.1 MIPS架構性能

　　從高端多核解決方案到緊湊型內核，所有MIPS處理器內核均基于相同的高性能MIPS32基礎架構進(jìn)行設計。

　　MIPS內核的主要性能改進(jìn)來(lái)自于內核執行單元的功能增強，通過(guò)實(shí)現較長(cháng)的流水線(xiàn)級數、超標量和多線(xiàn)程微架構來(lái)提高處理器的最大工作時(shí)鐘頻率。通過(guò)在標準架構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(diǎn)加速器等設計功能來(lái)獲得附加性能。

　　MIPS32架構標配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。在芯片設計階段可以對MIPS配置更多的通用寄存器組（每組32個(gè)），用作附加數據存儲或者分配給專(zhuān)用向量中斷控制器邏輯的“影子寄存器”，在傳統軟硬件方法的基礎上可顯著(zhù)減少中斷延時(shí)和現場(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/無(wú)符號乘法、除法和乘加（MAC）指令的軟件支持，可有效提高M(jìn)IPS32架構的信號處理性能。MIPS架構對MDU采用獨立的流水線(xiàn)，使其可以與整數流水線(xiàn)并行工作。