精簡指令集計(jì)算機(jī)(RISC)是一種執(zhí)行較少類型計(jì)算機(jī)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?yàn)橛?jì)算機(jī)執(zhí)行每個(gè)指令類型都需要額外的晶體管和電路元件，計(jì)算機(jī)指令集越大就會(huì)使微處理器更復(fù)雜，執(zhí)行操作也會(huì)更慢。

復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)(CISC)除了RISC，任何全指令集計(jì)算機(jī)都使用的是復(fù)雜指令集計(jì)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(jì)算機(jī)中約20%的指令承擔(dān)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(shè)計(jì)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(jī)器上實(shí)現(xiàn)特殊功能時(shí)，效率可能較低。但可以利用流水技術(shù)和超標(biāo)量技術(shù)加以改進(jìn)和彌補(bǔ)。而CISC 計(jì)算機(jī)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(wù)效率較高。 　　

• (2)存儲(chǔ)器操作：RISC 對存儲(chǔ)器操作有限制，使控制簡單化；而CISC 機(jī)器的存儲(chǔ)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內(nèi)存空間，實(shí)現(xiàn)特殊功能時(shí)程序復(fù)雜，不易設(shè)計(jì)；而CISC 匯編語言程序編程相對簡單，科學(xué)計(jì)算及復(fù)雜操作的程序設(shè)計(jì)相對容易，效率較高。 　 

• (4)中斷：RISC 機(jī)器在一條指令執(zhí)行的適當(dāng)?shù)胤娇梢皂憫?yīng)中斷；而CISC 機(jī)器是在一條指令執(zhí)行結(jié)束后響應(yīng)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(qiáng)、面積大、功耗大。 　　

• (6)設(shè)計(jì)周期：RISC 微處理器結(jié)構(gòu)簡單，布局緊湊，設(shè)計(jì)周期短，且易于采用最新技術(shù)；CISC 微處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)周期長。 　　

• (7)用戶使用：RISC 微處理器結(jié)構(gòu)簡單，指令規(guī)整，性能容易把握，易學(xué)易用；CISC微處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)特殊功能容易。 　　

• (8)應(yīng)用范圍：由于RISC 指令系統(tǒng)的確定與特定的應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)，故RISC 機(jī)器更適合于專用機(jī)；而CISC 機(jī)器則更適合于通用機(jī)。

當(dāng)今處理器共有三個(gè)最強(qiáng)大的架構(gòu)，一是以Intel和AMD為代表的x86架構(gòu)，另一個(gè)是智能終端處理器所使用的ARM架構(gòu)，第三個(gè)便是我國龍芯處理器所選擇的MIPS架構(gòu)。這三大處理器架構(gòu)中，X86和ARM是商業(yè)化進(jìn)程最為優(yōu)秀的兩大架構(gòu)。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(rèn)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。MIPS (Microprocessor Without Interlocked Piped Stages)，其機(jī)制是盡量利用軟件辦法避免流水線中的數(shù)據(jù)相關(guān)問題。它最早是在80年代初期由斯坦福（Stanford）大學(xué)Hennessy教授領(lǐng) 導(dǎo)的研究小組研制出來的。MIPS公司的R系列就是在此基礎(chǔ)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(jì)算機(jī)公司采用構(gòu)成各種工作站和計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)。

MIPS技術(shù)公司是美國著名的芯片設(shè)計(jì)公司，它采用精簡指令系統(tǒng)計(jì)算結(jié)構(gòu)(RISC)來設(shè)計(jì)芯片。和英特爾采用的復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算結(jié)構(gòu)(CISC)相比， RISC具有設(shè)計(jì)更簡單、設(shè)計(jì)周期更短等優(yōu)點(diǎn)，并可以應(yīng)用更多先進(jìn)的技術(shù)，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(gòu)芯片之一，新的 架構(gòu)集成了所有原來MIPS指令集，并增加了許多更強(qiáng)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(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。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(nèi)核。

在MIPS芯片的發(fā)展過程中，SGI公司在1992年收購了MIPS計(jì)算機(jī)公司。

1998年，MIPS公司又脫離了SGI，成為MIPS技術(shù)公司； MIPS32 4KcTM 處理器是采用MIPS技術(shù)特定為片上系統(tǒng)(SoC)而設(shè)計(jì)的高性能MIPS RISC 內(nèi)核。采用MIPS32TM體系結(jié)構(gòu)，使得這個(gè)處理器與目前嵌入式領(lǐng)域廣泛應(yīng)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RM9000x2，從“x2”這個(gè)標(biāo)記判斷，它包含了不是一個(gè)而是兩個(gè)均具有集成二級高速緩存的64位處理器。

MIPS處理器是80年代中期RISC CPU設(shè)計(jì)的一大熱點(diǎn)。MIPS是賣的最好的RISC CPU，可以從任何地方，如Sony， Nintendo的游戲機(jī)，Cisco的路由器和SGI超級計(jì)算機(jī)，看見MIPS產(chǎn)品在銷售。

目前隨著RISC體系結(jié)構(gòu)遭到x86芯片的競爭，MIPS有可能是起初RISC CPU設(shè)計(jì)中唯一的一個(gè)在本世紀(jì)盈利的。和英特爾相比，MIPS的授權(quán)費(fèi)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(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)理念比較先進(jìn)，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(shè)計(jì)理念上MIPS強(qiáng)調(diào)軟硬件協(xié)同提高性能，同時(shí)簡化硬件設(shè)計(jì)。

中國龍芯2和前代產(chǎn)品采用的都是64位MIPS指令架構(gòu)，它與大家平常所知道的X86指令架構(gòu)互不兼容，MIPS指令架構(gòu)由MIPS公司所創(chuàng)，屬于RISC體系。過去，MIPS架構(gòu)的產(chǎn)品多見于工作站領(lǐng)域，龍芯2也屬于這個(gè)陣營，在軟件方面也完全兼容。

MIPS 技術(shù)公司則是一家設(shè)計(jì)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(gòu)建SGI的高性能工作站、服務(wù)器和超級計(jì)算機(jī)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(yīng)用領(lǐng)域覆蓋游戲機(jī)、路由器、激光打印 機(jī)、掌上電腦等各個(gè)方面。

由于服務(wù)器RISC處理器市場的激烈競爭結(jié)果導(dǎo)致HP 公司放棄它的PA-RISC和“私生子”Alpha 兩種類型服務(wù)器處理器，而“Alpha技術(shù)”則被Intel和AMD吸收應(yīng)用到他們自身的處理器中； MIPS處理器應(yīng)用范圍則較廣，對于作為服務(wù)器RISC處理器來說，主要是應(yīng)用于專門的圖形服務(wù)器上。

MIPS和ARM強(qiáng)勢對比

以RISC技術(shù)為基礎(chǔ)，再加上MIPS架構(gòu)中的可擴(kuò)展硬軟件設(shè)計(jì)，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(zhǔn)高性能工作站與服務(wù)器，而ARM最初針對低端移動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)基本內(nèi)核。MIPS充分利用它在高性能設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)，向主流嵌入式系統(tǒng)市場轉(zhuǎn)型。ARM則繼續(xù)沿用其原有性能有限的架構(gòu)，相比MIPS，它處于不利地位。

MIPS32 4K處理器內(nèi)核系列包括MIPS32 M4K內(nèi)核，其應(yīng)用程序執(zhí)行速度超過同類ARM Cortex-M系列內(nèi)核。這一優(yōu)勢部分可歸功于更高效的MIPS指令集架構(gòu)和優(yōu)化軟件工具，但主要原因還是在于MIPS架構(gòu)具有眾多專為更高的性能級和應(yīng)用效率而設(shè)計(jì)的特性：

• MIPS 內(nèi)核包含32個(gè)通用寄存器，而ARM內(nèi)核只有16個(gè)GPR。這意味著寄存器溢出更少，從而性能更高。

• MIPS內(nèi)核包含有影子寄存器組，而ARM內(nèi)核沒有。使用映像寄存器可加速中斷處理保存/恢復(fù)功能，減少上下文切換和中斷延遲中所需要的周期。

• MIPS架構(gòu)主要執(zhí)行單一操作指令，而ARM指令在寫入GPR之前執(zhí)行多個(gè)操作(如移位操作、算術(shù)操作、條件校驗(yàn)位等等)，故MIPS更容易達(dá)到更高的時(shí)鐘頻率。

• MIPS架構(gòu)采用比ARM更簡單的存儲(chǔ)器尋址模式工作，故更容易達(dá)到更高的時(shí)鐘工作頻率。

• MIPS架構(gòu)的預(yù)測執(zhí)行較少，這大大降低了其邏輯復(fù)雜性，并使MIPS內(nèi)核能夠達(dá)到更高的頻率。
  

• M4K與M14K具有5級流水線結(jié)構(gòu)，故無需預(yù)測分支方向。而ARM內(nèi)核采用了復(fù)雜的分支預(yù)測和分支推測邏輯。

• MIPS架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了帶延遲的分支，而ARM結(jié)構(gòu)不這樣；這意味著，利用MIPS，在短流水設(shè)計(jì)時(shí)可獲得更高效率。

• MIPS同時(shí)提供32位和64位架構(gòu)，MIPS64架構(gòu)具有后向兼容性和更高的性能。ARM只有32位架構(gòu)，而且并非所有版本都后向兼容。

為何龍芯對MIPS架構(gòu)情有獨(dú)鐘？

在自MIPS中國看來，龍芯處理器的架構(gòu)選擇并沒有錯(cuò)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(gòu)的擁有者Intel可以算作是技術(shù)合作上最摳門兒的一位，在推出X86架構(gòu)之后，Intel就只將這一架構(gòu)授權(quán)給過AMD和VIA等幾個(gè)芯片公司。而在VIA退出X86架構(gòu)處理器競爭之后，Intel便不再給任何公司X86架構(gòu)授權(quán)。所以從X86架構(gòu)上入手，龍芯處理器顯然是行不通的。Intel的X86架構(gòu)行不通，那么ARM架構(gòu)是否就能行得通呢？答案當(dāng)然也是否定的。

X86被Intel獨(dú)占幾十年，奉行的是肥水不流外人田的政策。ARM公司是一家非常優(yōu)秀的芯片設(shè)計(jì)公司，但自身并不生產(chǎn)處理器，而是將自身的設(shè)計(jì)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(gòu)設(shè)計(jì)，那么為何龍芯不去選擇ARM架構(gòu)呢？

其實(shí)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(gòu)設(shè)計(jì)，倘若架構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)行Licensing授權(quán)，卻不允許購買者進(jìn)行任何對ARM架構(gòu)有更改的設(shè)計(jì)。倘若個(gè)更改了設(shè)計(jì)，那么這便違反了合作協(xié)定。

自身雖然強(qiáng)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NVIDIA這三家公司便是ARM體系中較為特殊的幾個(gè)。因?yàn)檫@四家公司在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)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(gòu)授權(quán))。

在其他芯片公司只能使用Licensing去生產(chǎn)芯片的時(shí)候，高通，蘋果、華為和NVIDIA卻能夠自行設(shè)計(jì)基于ARM架構(gòu)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(fēng)，在給出架構(gòu)授權(quán)后，ARM依然會(huì)通過升級下一代架構(gòu)為由讓高通，蘋果和NVIDIA再掏一回錢購買架構(gòu)授權(quán)。這樣ARM就可以再賺一把。相信看到這里您應(yīng)該了解到龍芯不選擇ARM的原因了。

那么是什么本領(lǐng)讓MIPS最終成為了我國龍芯處理器的設(shè)計(jì)架構(gòu)呢？答案非常簡單，那就是架構(gòu)授權(quán)。也許有人又問了，ARM不也是給授權(quán)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(jìn)行架構(gòu)授權(quán)的公司，但意義完全不同。

ARM對外出售的是設(shè)計(jì)方案授權(quán)(Licensing)，與ARM的商業(yè)化相比，MIPS倒像是學(xué)院派的公司。MIPS的架構(gòu)授權(quán)，并不限制任何對MIPS架構(gòu)的更改。換句話說，就是MIPS公司給授權(quán)者一張白紙，而白紙上僅僅寫著一行字，MIPS公司同意你設(shè)計(jì)生產(chǎn)MIPS架構(gòu)處理器，至于你設(shè)計(jì)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(gòu)徹底改變就行了。

與ARM相比，MIPS是一個(gè)完全開放的架構(gòu)，對龍芯未來的發(fā)展沒有任何的限制，這與Intel給AMD X86架構(gòu)授權(quán)，而不是給設(shè)計(jì)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(yīng)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(gòu)選擇。

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