CISC和RISC處理器之爭-MIPS架構是龍芯唯一選擇

1、 CISC和RISC處理器之爭，MIPS架構是龍芯唯一選擇？ 精簡指令集計算機(RISC)是一種執(zhí)行較少類型計算機指令的微處理器。這樣一來，它能夠以更快的速度執(zhí)行操作。因為計算機執(zhí)行每個指令類型都需要額外的晶體管和電路元件，計算機指令集越大就會使微處理器更復雜，執(zhí)行操作也會更慢。復雜指令集計算機(CISC)除了RISC，任何全指令集計算機都使用的是復雜指令集計算(CISC)。目前常見使用RISC的處理器包括DEC Alpha、ARC、ARM、MIPS、PowerPC、SPARC和SuperH等，常見使用CISC的處理器主要有X86。紐約約克鎮(zhèn)IBM研究中心的John Cocke證明，計算機中約

2、20%的指令承擔了80%的工作，他于1974年提出了RISC的概念。那么，RISC和CISC主要區(qū)別在哪里呢？(1)指令系統(tǒng)：RISC 設計者把主要精力放在那些經(jīng)常使用的指令上，盡量使它們具有簡單高效的特色。對不常用的功能，常通過組合指令來完成。因此，在RISC 機器上實現(xiàn)特殊功能時，效率可能較低。但可以利用流水技術和超標量技術加以改進和彌補。而CISC 計算機的指令系統(tǒng)比較豐富，有專用指令來完成特定的功能。因此，處理特殊任務效率較高。 (2)存儲器操作：RISC 對存儲器操作有限制，使控制簡單化；而CISC 機器的存儲器操作指令多，操作直接。 (3)程序：RISC 匯編語言程序一般需要較大的

3、內存空間，實現(xiàn)特殊功能時程序復雜，不易設計；而CISC 匯編語言程序編程相對簡單，科學計算及復雜操作的程序設計相對容易，效率較高。 (4)中斷：RISC 機器在一條指令執(zhí)行的適當?shù)胤娇梢皂憫袛?；而CISC 機器是在一條指令執(zhí)行結束后響應中斷。(5)CPU芯片電路：RISC CPU 包含有較少的單元電路，因而面積小、功耗低；而CISC CPU 包含有豐富的電路單元，因而功能強、面積大、功耗大。 (6)設計周期：RISC 微處理器結構簡單，布局緊湊，設計周期短，且易于采用最新技術；CISC 微處理器結構復雜，設計周期長。 (7)用戶使用：RISC 微處理器結構簡單，指令規(guī)整，性能容易把握，易學易

4、用；CISC微處理器結構復雜，功能強大，實現(xiàn)特殊功能容易。 (8)應用范圍：由于RISC 指令系統(tǒng)的確定與特定的應用領域有關，故RISC 機器更適合于專用機；而CISC 機器則更適合于通用機。當今處理器共有三個最強大的架構，一是以Intel和AMD為代表的x86架構，另一個是智能終端處理器所使用的ARM架構，第三個便是我國龍芯處理器所選擇的MIPS架構。這三大處理器架構中，X86和ARM是商業(yè)化進程最為優(yōu)秀的兩大架構。要說最經(jīng)典的RISC處理器，那么非MIPS莫屬，就連它的競爭對手，也不得不承認它的優(yōu)雅，它被作為處理器教科書的典范。MIPS的前世今生MIPS是世界上很流行的一種RISC處理器。

5、MIPS (Microprocessor Without Interlocked Piped Stages)，其機制是盡量利用軟件辦法避免流水線中的數(shù)據(jù)相關問題。它最早是在80年代初期由斯坦福（Stanford）大學Hennessy教授領 導的研究小組研制出來的。MIPS公司的R系列就是在此基礎上開發(fā)的RISC工業(yè)產(chǎn)品的微處理器。這些系列產(chǎn)品為很多計算機公司采用構成各種工作站和計算 機系統(tǒng)。MIPS技術公司是美國著名的芯片設計公司，它采用精簡指令系統(tǒng)計算結構(RISC)來設計芯片。和英特爾采用的復雜指令系統(tǒng)計算結構(CISC)相比， RISC具有設計更簡單、設計周期更短等優(yōu)點，并可以應用更多先

6、進的技術，開發(fā)更快的下一代處理器。MIPS是出現(xiàn)最早的商業(yè)RISC架構芯片之一，新的 架構集成了所有原來MIPS指令集，并增加了許多更強大的功能。1986年推出R2000處理器，1988年推出R3000處理器，1991年推出第一款64位商用微處理器R4000。之后，又陸續(xù)推出R8000 (1994年)、R10000 (1996年)和R12000 (1997年)等型號。1999年，MIPS公司發(fā)布MIPS 32和MIPS 64架構標準。2000年，MIPS公司發(fā)布了針對MIPS 32 4Kc的新版本以及未來64位MIPS 64 20Kc處理器內核。在MIPS芯片的發(fā)展過程中，SGI公司在1992

7、年收購了MIPS計算機公司。1998年，MIPS公司又脫離了SGI，成為MIPS技術公司； MIPS32 4KcTM 處理器是采用MIPS技術特定為片上系統(tǒng)(SoC)而設計的高性能MIPS RISC 內核。采用MIPS32TM體系結構，使得這個處理器與目前嵌入式領域廣泛應用的 R3000和R4000系列(32位)微處理器完全兼容。新的 64 位 MIPS 處理器是RM9000 x2，從“x2”這個標記判斷，它包含了不是一個而是兩個均具有集成二級高速緩存的64位處理器。MIPS處理器是80年代中期RISC CPU設計的一大熱點。MIPS是賣的最好的RISC CPU，可以從任何地方，如Sony，

8、Nintendo的游戲機，Cisco的路由器和SGI超級計算機，看見MIPS產(chǎn)品在銷售。目前隨著RISC體系結構遭到x86芯片的競爭，MIPS有可能是起初RISC CPU設計中唯一的一個在本世紀盈利的。和英特爾相比，MIPS的授權費用比較低，也就為除英特爾外的大多數(shù)芯片廠商所采用。MIPS的系統(tǒng)結構及設計理念比較先進，其指令系統(tǒng)經(jīng)過通用處理器指令體系MIPS I、MIPS II、MIPS III、MIPS IV到MIPS V，嵌入式指令體系MIPS16、MIPS32到MIPS64的發(fā)展已經(jīng)十分成熟。在設計理念上MIPS強調軟硬件協(xié)同提高性能，同時簡化硬件設計。中國龍芯2和前代產(chǎn)品采用的都是64

9、位MIPS指令架構，它與大家平常所知道的X86指令架構互不兼容，MIPS指令架構由MIPS公司所創(chuàng)，屬于RISC體系。過去，MIPS架構的產(chǎn)品多見于工作站領域，龍芯2也屬于這個陣營，在軟件方面也完全兼容。MIPS 技術公司則是一家設計制造高性能、高檔次及嵌入式32位和64位處理器的廠商。在通用方面，MIPS R系列微處理器用于構建SGI的高性能工作站、服務器和超級計算機系統(tǒng)。在嵌入式方面，MIPS K系列微處理器是目前僅次于ARM的用得最多的處理器之一(1999年以前MIPS是世界上用得最多的處理器)，其應用領域覆蓋游戲機、路由器、激光打印 機、掌上電腦等各個方面。由于服務器RISC處理器市場

10、的激烈競爭結果導致HP 公司放棄它的PA-RISC和“私生子”Alpha 兩種類型服務器處理器，而“Alpha技術”則被Intel和AMD吸收應用到他們自身的處理器中； MIPS處理器應用范圍則較廣，對于作為服務器RISC處理器來說，主要是應用于專門的圖形服務器上。MIPS和ARM強勢對比以RISC技術為基礎，再加上MIPS架構中的可擴展硬軟件設計，使得MIPS的解決方案比ARM的同類解決方案性能更高、功耗更低且面積更小。MIPS科技原來主要瞄準高性能工作站與服務器，而ARM最初針對低端移動系統(tǒng)開發(fā)基本內核。MIPS充分利用它在高性能設計方面的經(jīng)驗，向主流嵌入式系統(tǒng)市場轉型。ARM則繼續(xù)沿用其

11、原有性能有限的架構，相比MIPS，它處于不利地位。MIPS32 4K處理器內核系列包括MIPS32 M4K內核，其應用程序執(zhí)行速度超過同類ARM Cortex-M系列內核。這一優(yōu)勢部分可歸功于更高效的MIPS指令集架構和優(yōu)化軟件工具，但主要原因還是在于MIPS架構具有眾多專為更高的性能級和應用效率而設計的特性：MIPS 內核包含32個通用寄存器，而ARM內核只有16個GPR。這意味著寄存器溢出更少，從而性能更高。MIPS內核包含有影子寄存器組，而ARM內核沒有。使用映像寄存器可加速中斷處理保存/恢復功能，減少上下文切換和中斷延遲中所需要的周期。MIPS架構主要執(zhí)行單一操作指令，而ARM指令在寫

12、入GPR之前執(zhí)行多個操作(如移位操作、算術操作、條件校驗位等等)，故MIPS更容易達到更高的時鐘頻率。MIPS架構采用比ARM更簡單的存儲器尋址模式工作，故更容易達到更高的時鐘工作頻率。MIPS架構的預測執(zhí)行較少，這大大降低了其邏輯復雜性，并使MIPS內核能夠達到更高的頻率。M4K與M14K具有5級流水線結構，故無需預測分支方向。而ARM內核采用了復雜的分支預測和分支推測邏輯。MIPS架構實現(xiàn)了帶延遲的分支，而ARM結構不這樣；這意味著，利用MIPS，在短流水設計時可獲得更高效率。MIPS同時提供32位和64位架構，MIPS64架構具有后向兼容性和更高的性能。ARM只有32位架構，而且并非所有

13、版本都后向兼容。為何龍芯對MIPS架構情有獨鐘？在自MIPS中國看來，龍芯處理器的架構選擇并沒有錯誤，相反的如果龍芯要想得到更好的發(fā)展，選擇MIPS才是最為正確的道路。這又是為何呢？X86架構的擁有者Intel可以算作是技術合作上最摳門兒的一位，在推出X86架構之后，Intel就只將這一架構授權給過AMD和VIA等幾個芯片公司。而在VIA退出X86架構處理器競爭之后，Intel便不再給任何公司X86架構授權。所以從X86架構上入手，龍芯處理器顯然是行不通的。Intel的X86架構行不通，那么ARM架構是否就能行得通呢？答案當然也是否定的。X86被Intel獨占幾十年，奉行的是肥水不流外人田的政

14、策。ARM公司是一家非常優(yōu)秀的芯片設計公司，但自身并不生產(chǎn)處理器，而是將自身的設計Licensing賣給需要處理器的公司,而后交給他們生產(chǎn)或者是找人代工。也許有人要問了，既然ARM向外賣出架構設計，那么為何龍芯不去選擇ARM架構呢？其實不然，ARM之所以能夠發(fā)展成為一家非常成功的商業(yè)性公司，靠的就是芯片的架構設計，倘若架構設計被別人奪走了，那么自己就丟掉了賴以生存的飯碗。所以ARM雖然對外進行Licensing授權，卻不允許購買者進行任何對ARM架構有更改的設計。倘若個更改了設計，那么這便違反了合作協(xié)定。自身雖然強大，但因考慮到市場發(fā)展的問題ARM也對外妥協(xié)過。目前高通，蘋果、華為和NVIDI

15、A這三家公司便是ARM體系中較為特殊的幾個。因為這四家公司在芯片設計領域的特殊地位，ARM為了能夠拉攏他們站立在自己的陣營中，對這四家公司開出了特別通行證(架構授權)。在其他芯片公司只能使用Licensing去生產(chǎn)芯片的時候，高通，蘋果、華為和NVIDIA卻能夠自行設計基于ARM架構的處理器。也正是拉攏到了高通，蘋果、華為和NVIDIA等，才使得ARM擁有了更多的支持者。但即便這樣，我們也不得不佩服ARM的老狐貍作風，在給出架構授權后，ARM依然會通過升級下一代架構為由讓高通，蘋果和NVIDIA再掏一回錢購買架構授權。這樣ARM就可以再賺一把。相信看到這里您應該了解到龍芯不選擇ARM的原因了。

16、那么是什么本領讓MIPS最終成為了我國龍芯處理器的設計架構呢？答案非常簡單，那就是架構授權。也許有人又問了，ARM不也是給授權嗎？那為什么還選MIPS呢？面對這樣的問題，MIPS和ARM雖然都是對外進行架構授權的公司，但意義完全不同。ARM對外出售的是設計方案授權(Licensing)，與ARM的商業(yè)化相比，MIPS倒像是學院派的公司。MIPS的架構授權，并不限制任何對MIPS架構的更改。換句話說，就是MIPS公司給授權者一張白紙，而白紙上僅僅寫著一行字，MIPS公司同意你設計生產(chǎn)MIPS架構處理器，至于你設計成什么樣，性能有多高，經(jīng)過多少代更改，MIPS一概不管，只要你不把架構徹底改變就行了

17、。與ARM相比，MIPS是一個完全開放的架構，對龍芯未來的發(fā)展沒有任何的限制，這與Intel給AMD X86架構授權，而不是給設計圖紙的道理是完全一樣的。在加上MIPS本身經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)擁有了眾多的應用軟件，綜合考慮來看，MIPS是最為適合龍芯處理器發(fā)展的架構選擇。元旦特惠福利全店鋪技術資料打包(全)電子書，總價值240元，元旦特惠活動期間168元。全店鋪技術資料打包(全)目錄如下(32本):RDMA原理分析、對比和技術實現(xiàn)解析數(shù)據(jù)備份和副本管理技術全面解析容器技術架構、網(wǎng)絡和生態(tài)詳解閃存技術、產(chǎn)品和發(fā)展趨勢全面解析虛擬化技術最詳細解析傳統(tǒng)企業(yè)存儲知識完全解析IO知識和系統(tǒng)性能深度調優(yōu)全解業(yè)界主流數(shù)據(jù)中心存儲雙活完全解析Ceph技術架構、生態(tài)和特性詳細對比分析數(shù)據(jù)中心大二層交換技術詳解VMware云數(shù)據(jù)中心(私有云)解決方案詳解大數(shù)據(jù)時代數(shù)據(jù)重刪技術詳解高性能計算HPC技術、方案和行業(yè)全面解析Kubernetes技