MIPS

Microprocessor without interlocked pipeline stages, eine spezielle Mikroprozessor-Architektur

MIPS-Architektur

Die MIPS-Architektur (engl. Microprocessor without interlocked pipeline stages; auf Deutsch etwa „Mikroprozessor ohne Pipeline-Sperren“) ist eine RISC-Prozessorarchitektur, die ab 1981 von John Hennessy und seinen Mitarbeitern an der Stanford-Universität entwickelt wurde. Die Weiterentwicklung erfolgt ab 1984 bei der neugegründeten Firma MIPS Computer Systems Inc., heute MIPS Technologies.

MIPS war ursprünglich eine 32-Bit-Architektur, die 64-Bit-Erweiterung erfolgte 1991 und wurde mit dem R4000 eingeführt. Viele RISC-Architekturen aus dieser Zeit beeinflussten sich gegenseitig, hierzu gehören Sun SPARC, DECs Alpha-Prozessor oder Hewlett-Packards PA-RISC.

Verwendung

MIPS-Prozessoren wurden von Silicon Graphics in Unix-Workstations (z. B.: SGI Indigo2) und Unix-Servern (z. B.: SGI Origin2000) eingesetzt. Früher boten auch andere Workstation-Hersteller wie z. B. die Digital Equipment Corporation (DEC) Maschinen mit MIPS-Prozessoren an, so z. B. die DECstation-Familie (2100, 3100, 5000) und die DECsystem unter dem Betriebssystem Ultrix. Beispielsweise bestückten Siemens bzw. SNI ihre Server der RM-Serie mit MIPS-Prozessoren der R4000-, R5000- und R10000-Familie.

MIPS-Prozessoren werden auch häufig in eingebetteten Systemen eingesetzt. Dazu zählen z. B. Cisco-Router, Suns Cobalt-Server bis RaQ/Qube2, BMW-Navigationssysteme, die Fritz!Box, Satellitenreceiver, Dreambox, Konica Minolta DSLRs und Sony- und Nintendo-Spielkonsolen.

Es gab Versuche, MIPS-Prozessoren mit Hilfe der ECL-Technik zu beschleunigen. Man verwendete dazu den Typ Mips R6000, letztlich eine ECL-Variante des Mips R3000. Dieser Prozessortyp wurde in Computern des Typs CDC 4680 der Firma Control Data Corporation eingesetzt.

Funktion

Ein Befehl in diesen Prozessoren wird in mehreren Stufen in einer Pipeline abgearbeitet, so dass mehrere Befehle in unterschiedlichen Bearbeitungsschritten (etwa Befehl holen, Befehl dekodieren, Operanden holen, Befehl mit Operanden ausführen und das Ergebnis rückschreiben) gleichzeitig im Prozessor sein können. Falls ein nachfolgender Befehl auf das Ergebnis eines vorangehenden angewiesen ist, muss der nachfolgende Befehl eventuell angehalten werden, bis das Ergebnis zur Verfügung steht. Dies wird normalerweise durch Sperren (Locks/Stalls) erreicht. Eine andere Möglichkeit der Verarbeitung solcher Datenhürden ist das sogenannte „Forwarding“, bei dem die für den folgenden Befehl benötigten Rechenergebnisse direkt nach Berechnung zum nächsten Befehl geleitet werden, statt das Ende des aktuellen Befehlszyklus abzuwarten.

Die MIPS-Architektur verzichtet auf solche Sperren und verlangt vom Assemblersprachenprogrammierer oder Compiler entsprechende Maßnahmen wie Umsortierung oder das Einfügen von NOP (No Operation)-Befehlen. Dadurch kann die Architektur einfach gehalten werden.

Ein weiterer Mechanismus, der zur Beschleunigung der MIPS-Architektur dient, ist das sogenannte Superpipelining. Im Gegensatz zu räumlich parallelen Architekturen (z. B.: VLIW-Prozessoren) wird hier eine zeitliche Parallelität der Befehlsabarbeitung durch Unterteilung der Befehlspipeline in mehr Stufen erreicht. So entsteht eine feinere Unterteilung des Fließbandes. Die Stufen der Pipeline haben auf diese Weise eine kürzere Durchlaufzeit, und daher kann die Taktrate erhöht werden. Superpipelining wurde erstmals in den MIPS-R4000-Prozessoren implementiert.

MIPS-Prozessoren

MIPS Mikroprocessor Spezifikationen

Model	Frequenz in MHz	Jahr	Herstellungsprozess in µm	Transistoren in Millionen	Die-Größe in mm²	IO-Pins	Leistung in W	Spannung in V	Dcache in k	Icache in k	Scache in k
R2000	16,7	1985	2,0	0,11	—	—	—	—	32	64	none
R3000	25	1988	1,2	0,11	66,12	145	4	—	64	64	none
R4000	100	1991	0,8	1,35	213	179	15	5	8	8	1024
R4300	93,75	1996	—	—	—	—	—	—	—	—	—
R4400	150…250	1992	0,6	2,3	186	179	15	5	16	16	1024
R4600	133	1994	0,64	2,2	77	179	4,6	5	16	16	512
R5000	150…200	1996	0,35	3,7	84	223	10	3,3	32	32	1024
R7000	250…600	2000	0,13	—	—	304	2-3	3,3(io)/1,2(int)	16	16	256
R8000	75…90	1994	0,5	2,6	299	591	30	3,3	16	16	1024…8192
R10000	150…270	1995	0,35	6,8	299	599	30	3,3	32	32	512…4096
R12000	300…400	1998	0,18-0,25	6,9	204	600	20	4	32	32	2048…8192
R14000	500…600	2001	0,13	7,2	204	527	17	—	32	32	2048
R16000	700	2002	0,11	—	—	—	20	—	64	64	4096
R16000A	800…1000	2004	0,11	—	—	—	—	—	64	64	4096…16384