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(fù)雜,，執(zhí)行操作也會更慢。

復(fù)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(fù)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(shù)和超標(biāo)量技術(shù)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(wù)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內(nèi)存空間,，實現(xiàn)特殊功能時程序復(fù)雜,，不易設(shè)計；而CISC 匯編語言程序編程相對簡單,，科學(xué)計算及復(fù)雜操作的程序設(shè)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(dāng)?shù)胤娇梢皂憫?yīng)中斷,；而CISC 機器是在一條指令執(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、面積大,、功耗大,。 　　

• (6)設(shè)計周期：RISC 微處理器結(jié)構(gòu)簡單，布局緊湊,，設(shè)計周期短,，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,，功能強大,，實現(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 機器更適合于專用機,；而CISC 機器則更適合于通用機。

當(dāng)今處理器共有三個最強大的架構(gòu),，一是以Intel和AMD為代表的x86架構(gòu),，另一個是智能終端處理器所使用的ARM架構(gòu)，第三個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)品為很多計算機公司采用構(gòu)成各種工作站和計算 機系統(tǒng),。

MIPS技術(shù)公司是美國著名的芯片設(shè)計公司，它采用精簡指令系統(tǒng)計算結(jié)構(gòu)(RISC)來設(shè)計芯片,。和英特爾采用的復(fù)雜指令系統(tǒng)計算結(jié)構(gòu)(CISC)相比,， RISC具有設(shè)計更簡單,、設(shè)計周期更短等優(yōu)點，并可以應(yīng)用更多先進的技術(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計算機公司,。

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)計的高性能MIPS RISC 內(nèi)核。采用MIPS32TM體系結(jié)構(gòu),，使得這個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”這個標(biāo)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(shè)計的一大熱點。MIPS是賣的最好的RISC CPU,，可以從任何地方,，如Sony， 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(jié)構(gòu)遭到x86芯片的競爭,，MIPS有可能是起初RISC CPU設(shè)計中唯一的一個在本世紀(jì)盈利的。和英特爾相比,，MIPS的授權(quán)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(jié)構(gòu)及設(shè)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(shè)計理念上MIPS強調(diào)軟硬件協(xié)同提高性能,，同時簡化硬件設(shè)計,。

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(yīng)用領(lǐng)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(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強勢對比

以RISC技術(shù)為基礎(chǔ)，再加上MIPS架構(gòu)中的可擴展硬軟件設(shè)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(zhǔn)高性能工作站與服務(wù)器，而ARM最初針對低端移動系統(tǒng)開發(fā)基本內(nèi)核,。MIPS充分利用它在高性能設(shè)計方面的經(jīng)驗,，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)計的特性：

• MIPS 內(nèi)核包含32個通用寄存器,，而ARM內(nèi)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(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)行多個操作(如移位操作,、算術(shù)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(gòu)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(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)計時可獲得更高效率,。

• MIPS同時提供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)情有獨鐘？

在自MIPS中國看來,，龍芯處理器的架構(gòu)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(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)計公司,，但自身并不生產(chǎn)處理器,，而是將自身的設(shè)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(gòu)設(shè)計,，那么為何龍芯不去選擇ARM架構(gòu)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(gòu)設(shè)計，倘若架構(gòu)設(shè)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(quán)，卻不允許購買者進行任何對ARM架構(gòu)有更改的設(shè)計,。倘若個更改了設(shè)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NVIDIA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(shè)計領(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)芯片的時候,，高通，蘋果,、華為和NVIDIA卻能夠自行設(shè)計基于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)計生產(chǎn)MIPS架構(gòu)處理器,，至于你設(shè)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(gòu)徹底改變就行了,。

與ARM相比,，MIPS是一個完全開放的架構(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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