64位MIPS的起源回顧及展望

1、64位Ml PS的起源，回顧及展望早在20世紀(jì)80年代中期，摩爾定律就已經(jīng)為集成電路的設(shè)計(jì)人員帶 來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如何使用所有這些復(fù)雜的晶體管？對(duì)于新型處理器的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō), 處理器要求的晶體管體積更小，數(shù)量更多。因此，在1988年幵始定義23000的后續(xù)產(chǎn)品時(shí)，我們?cè)诶^續(xù)采用原 理的同時(shí)，也在尋求可以使用更多晶體管的方法。當(dāng)時(shí)存在的一些問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)，不僅使我們的工作迷失了方向，而 且也使4000處理器陷入困境。第一個(gè)問(wèn)題或者說(shuō)是機(jī)遇視您的觀點(diǎn)而定是在試圖實(shí)現(xiàn)較低的每指令周期時(shí)認(rèn)識(shí)到大量高速緩存的重要性，因?yàn)閷?duì)降級(jí)起最大作用的是由高 速緩存故障所引起的處理器失速?？山邮艿淖畹透咚倬彺娲笮〖s8

2、,分別用于指令和數(shù)據(jù)，表明這些高速緩存在23000系列處理器中均是外部的。然而，當(dāng)然不會(huì)是整個(gè)決定因素?？傮w計(jì)算吞吐量是1和頻率的乘積，而在23000家族中，處理器頻率 受限于這些相同外部高速緩存的訪問(wèn)速度。將內(nèi)部高速緩存和外部高速緩存的最高頻率和最大高速緩存大小的頻率與乘積繪制成圖，使我們能夠迅速評(píng)估相關(guān)的折衷方法。從圖上來(lái)看，由于改進(jìn)在 32 之上趨于平緩，但是性能改進(jìn)因頻率增 加而繼續(xù)呈線性發(fā)展，因而它非常有利于集成高速緩存。在采用 10 微米技術(shù)的 4000 中， 我們最后以 8 指令與數(shù)據(jù)高速緩存而 告終。一旦集成了高速緩存，就有機(jī)會(huì)通過(guò)將高速緩存訪問(wèn)管道化來(lái)進(jìn)一步 提高頻率。甚至有

3、可能在必要時(shí)，在地址解碼和陣列存取之間放置管道注冊(cè)器。對(duì)于 4000，2 周期高速緩存訪問(wèn)可以產(chǎn)生一個(gè) 8 階管道，而 23000 卻 只能產(chǎn)生 5 階單周期高速緩存訪問(wèn)。通過(guò)架構(gòu)開創(chuàng)先河，使用更出色的管道粒度的技術(shù)稱為超級(jí)流水線， 后來(lái)在 86 架構(gòu)實(shí)施中發(fā)揮到極至。雖然這不像高速緩存的使用那么明顯，但是隨著相對(duì)于額外長(zhǎng)度近似 線性的增長(zhǎng)，加深管道同樣也要使用更多的晶體管。這種線性增長(zhǎng)適用于控制邏輯和數(shù)據(jù)路徑邏輯。另一個(gè)趨勢(shì)是，通過(guò)廣泛采用 754 浮點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)及其在應(yīng)用、打印以及成 像市場(chǎng)中的普遍使用，為硬件浮點(diǎn)的集成提供了更為強(qiáng)大的推動(dòng)力。獨(dú)立支持除法和方根、完全管道化的浮點(diǎn)乘積單位復(fù)雜性約

4、等于整數(shù) 單位的復(fù)雜性?，F(xiàn)在對(duì)于浮點(diǎn)來(lái)說(shuō)，主導(dǎo)數(shù)據(jù)類型是雙精度，或?yàn)榱藢?shí)現(xiàn)快速實(shí)施而 需要 64 位寬數(shù)據(jù)路徑的 64位浮點(diǎn)。如果要提供帶有數(shù)據(jù)的 64 位浮點(diǎn)單位，則需要數(shù)據(jù)高速緩存的寬度 也是 64 位。因此，我們擁有64位浮點(diǎn)單位、64位數(shù)據(jù)高速緩存等等最后，根 據(jù)操作系統(tǒng)專家觀察，地址位正以一個(gè)速率逐漸被消耗，此速率可以在4、 84000 的周期內(nèi)獲得所需的 64 位尋址 行業(yè)已經(jīng)迫不及待地消化了 和 16 位，并且正忙于咀嚼 32 位。雖然這對(duì) 4000 自身來(lái)說(shuō)并不是一個(gè)極為樂(lè)觀的前景， 但是 64 位架構(gòu) 和指令擴(kuò)展了當(dāng)今幸存 4000的開發(fā)范圍，并且成為所有 64位實(shí)施的基礎(chǔ)。

5、擁有 64 位尋址并不意味著擁有 64 位整數(shù)單位，但是將分段用在 86架構(gòu)中的想法對(duì)于的支持者來(lái)說(shuō)是十分可怕的，對(duì)于編譯人員和操作系統(tǒng) 技術(shù)人員來(lái)說(shuō)尤為如此。如今， 64 位尋址變得越來(lái)越普遍，英特爾和最近推出計(jì)算 64 位處理 器便是一個(gè)有力的見(jiàn)證。而且，將 64 位用于數(shù)據(jù)處理將沖擊新興的高性能網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)?？傊瑢?duì) 64 位尋址、可輸送 64 位浮點(diǎn)單位的 64 位寬數(shù)據(jù)高速緩存、 可輕松擴(kuò)展至后向兼容 64 位架構(gòu)的純 32 位架構(gòu)的期待， 以及相信最終架 構(gòu)能夠長(zhǎng)期立于不敗之地的信心開創(chuàng)了引人注目的前景。64 位 4000 從此誕生。就此，公司嶄露頭角。是一家致力于的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)公司，其

6、開發(fā)了一款架構(gòu)的處理器4600。該處理器專門面向嵌入市場(chǎng)，并在設(shè)計(jì)方面戰(zhàn)勝了思科、朗訊、以及 其他眾多的領(lǐng)先網(wǎng)絡(luò)公司。4600 秉承了高速緩存大小不斷提高的傳統(tǒng)高速緩存成倍增長(zhǎng)， 以通過(guò)改善及所采用設(shè)備的組合性來(lái)提高高速緩存的效率。充分利用開發(fā)用于各種嵌入應(yīng)用的，4600 還可以用于當(dāng)代的先驅(qū)， 和的機(jī)頂盒中。同時(shí)，開發(fā)了 4600，而另一個(gè)架構(gòu)的授權(quán)方則正在開發(fā)其自己的64 位處理器4300。5000。的處理器為 -64 及惠普的高性能激光打印機(jī)系列提供了強(qiáng)勁的動(dòng)力。緊隨 46004300 系列之后，運(yùn)用提供的基金，為和開發(fā)了5000 不僅向 4600 增加了工作站類型的浮點(diǎn)，而且再次將高速

7、緩存大 小加倍。該款處理器為網(wǎng)絡(luò)與打印市場(chǎng)中的第二代設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。025 微米新型處理工藝剛剛興起，此時(shí)消耗的晶體管更多?；仡櫳鲜龇治觯S著高速緩存大小的提高改進(jìn)顯示出衰減，您可以看到停止長(zhǎng)度影響著衰減發(fā)生的位置。如果速度的增長(zhǎng)速率與處理器速度的增長(zhǎng)速率相同，就不會(huì)產(chǎn)生任何 影響，因?yàn)樵跍y(cè)定處理器周期時(shí)，停止的長(zhǎng)度將保持恒定。由于各種原因，此處不再贅述，的速度并不能與處理器的速度保持致；只有提高的位數(shù)才有助于提高處理速度摩爾定律表明，只將晶體管的數(shù)量加倍并不能將速度加倍。由于的速度低于處理器的速度，因此工程師們開始構(gòu)建位于處理器外 部的二級(jí)高速緩存，這樣可暫時(shí)減輕處理器與之間的速度差異

8、。當(dāng)然，通過(guò)集成二級(jí)高速緩存來(lái)提高性能只是一個(gè)時(shí)間問(wèn)題。在 025 微米工藝中，可用更經(jīng)濟(jì)地構(gòu)建具有 16 的主指令與數(shù)據(jù)高速緩存，以及 256 的二級(jí)高速緩存的處理器。這成為首款帶有集成二級(jí)高速緩存的商用市場(chǎng)微處理器7000 的技術(shù)規(guī)范。除了集成的二級(jí)高速緩存外， 7000 還包括另一個(gè)增強(qiáng)性能稱為超標(biāo)量 的晶體管使用技術(shù)。在九十年代前五年，超標(biāo)量技術(shù)已經(jīng)過(guò)廣泛測(cè)試并對(duì)其進(jìn)行了報(bào)道， 同時(shí)各種等級(jí)的并行指令問(wèn)題的成本優(yōu)勢(shì)比率得以良好地建立。對(duì)于強(qiáng)大且成本敏感型嵌入式市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，實(shí)施簡(jiǎn)單的雙路超標(biāo)量流水 線是非常合理的，這種流水線能夠以幾乎相同比例的附加硬件與復(fù)雜性提 供 25 到 30 的性能

9、增強(qiáng)。64位 7000是首款采用 025 微米以及目前的 018 微米和 013 微米技術(shù) 構(gòu)建的產(chǎn)品，其已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)和打印機(jī)市場(chǎng)上獲得了巨大的成功，并且有望 在不久的將來(lái)進(jìn)軍消費(fèi)市場(chǎng)。-于 2000 年收購(gòu)了。最新的 64 位處理器是 90002，從 2 這個(gè)標(biāo)記判斷， 它包含了不是一個(gè) 而是兩個(gè)均具有集成二級(jí)高速緩存的 64 位處理器。90002 主要針對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)，具有集成的內(nèi)存控制器和超高速 的 ? 鏈接。處理器、內(nèi)存和均通過(guò)分組交叉連接起來(lái)的，可實(shí)現(xiàn)高性能、全面高 速緩存的統(tǒng)一芯片系統(tǒng)。除通過(guò)并行處理提高系統(tǒng)性能外， 90002 還通過(guò)將超標(biāo)量與超流水線 技術(shù)相結(jié)合來(lái)提高單個(gè)處理器的性能。通過(guò)采用超流水線技術(shù)，90002核心能夠使用013微米技術(shù)以1的頻 率運(yùn)行。由于過(guò)去10年不斷對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)整，因此超流水線技術(shù)已能夠適應(yīng)