MIPS-Architektur

Die MIPS-Architektur (englisch Microprocessor without interlocked pipeline stages; deutsch etwa „Mikroprozessor ohne verschränkte Pipeline-Stufen“) ist eine Befehlssatzarchitektur im RISC-Stil, die ab 1981 von John L. Hennessy und seinen Mitarbeitern an der Stanford-Universität entwickelt wurde. Die Weiterentwicklung erfolgte ab 1984 bei der neugegründeten Firma MIPS Computer Systems Inc., später MIPS Technologies, und gehört heute dem US-amerikanischen Technologieunternehmen Wave Computing mit Sitz im Silicon Valley.

MIPS R4400-Prozessor von Toshiba

Prozessorkern (Die)-Foto eines MIPS R3000A auf einem Wafer

Prozessorkern (Die)-Foto eines MIPS R4000 auf einem Wafer

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

Ab Februar 2013 wurde die MIPS-Architektur vom britischen Unternehmen Imagination Technologies weiterentwickelt und vermarktet. 2017 wurde die MIPS-Sparte, gemeinsam mit der PowerVR-Sparte, an das chinesische Investmentunternehmen Canyon Bridge Capital Partners verkauft und gehörte zuletzt Tallwood Venture Capital. Seit Juni 2018 gehört die MIPS-Architektur dem 2010 gegründeten auf KI spezialisierten Start-up-Unternehmen Wave Computing, das mit der Übernahme die Entwicklung von KI und Deep Learning durch die Kombination beider Technologien weiter voranbringen möchte. Ende 2018 wurde dazu die MIPS Open Initiative ins Leben gerufen und angekündigt, die MIPS-Architektur Anfang 2019 unter eine Open-Source-Lizenz zu stellen.

Verwendung

MIPS-Prozessoren wurden von Silicon Graphics in Unix-Workstations (z. B. SGI Indigo) 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. Siemens bzw. SNI bestückten ihre Server der RM-Serie mit MIPS-Prozessoren der R4000-, R5000- und R10000-Familie, Sun verwendete Prozessoren der R5000-Familie in mehreren Servermodellen der Cobalt Qube- und RaQ-Reihe. Es gab Versuche, MIPS-Prozessoren mit Hilfe der ECL-Technik zu beschleunigen. Man verwendete dazu den Typ R6000, letztlich eine ECL-Variante des R3000. Dieser Prozessortyp wurde in Computern des Typs CDC 4680 der Firma Control Data Corporation eingesetzt.

In den frühen 1990er Jahren begann MIPS Computer Systems Inc., ihre Mikroprozessordesigns an Dritte zu lizenzieren. Ab Mitte der 1990er Jahre gelangte die MIPS-Architektur so in die Videospielkonsolen Nintendo 64 (1996), PlayStation (1994), PlayStation 2 (2000) und PlayStation Portable (2004).

CPUs mit MIPS-Architektur werden bis heute häufig bei der Konstruktion von z. B. Netzwerkroutern, Kraftfahrzeug-Navigationssystemen, Digitalreceivern, Set-Top-Boxen und Digitalen Spiegelreflexkameras eingebettet. Der Einsatz der MIPS-basierten Prozessorkerne innerhalb dieser Geräteklassen erfolgt im Rahmen von Ein-Chip-Systemen (SoCs). Imagination Technologies bietet den Herstellern hierfür sowohl fertige IP-Cores als auch eine Architekturlizenz an.

Für die Entwicklung der MIPS-kompatiblen Loongson-CPU erwarb das Institute of Computing Technology (ICT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften im Jahr 2009 eine Architekturlizenz. Das Modell Loongson 3B bildet die Mikroprozessorbasis für den chinesischen Supercomputer Dawning 6000.

Funktion

IDT Orion R4600.

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 und Operanden holen, Befehl mit Operanden ausführen, Hauptspeicher lesen oder schreiben 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 (engl. „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 den Wert im nächsten möglichen Zyklus aus einem Register zu holen.

Die MIPS-Architektur verzichtet auf solche Sperren und verlangt vom Assemblersprachenprogrammierer oder Compiler entsprechende Maßnahmen wie Umsortierung oder das Einfügen von Nulloperationen (NOP). Dadurch kann die Architektur einfach gehalten werden. Es hat sich aber gezeigt, dass der Maschinencode durch die einzufügenden NOP-Befehle derart aufgebläht wurde, dass die Trefferquote im später eingeführten Befehlscache reduziert wurde. Das führte wiederum zu Performance-Verlusten, die durch den ursprünglichen Verzicht auf Interlocking eigentlich vermieden werden sollten. Es wurden daher in den nachfolgenden MIPS-Versionen Maßnahmen implementiert, die einen Programmablauf ohne Berücksichtigung der Pipeline-Stufen ermöglichen. Die Abkürzung „MIPS“ hat seitdem ihre eigentliche Bedeutung verloren.

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-Mikroprozessor-Spezifikationen

Modell	Frequenz in MHz	Jahr	Herstellungs- prozess in µm	Transistoren in Millionen	Die-Größe in mm²	IO-Pins	Leistung in W	Spannung in V	Dcache in KiB	Icache in KiB	Scache in MiB
R2000	8,3…16,7	1985	2,0	0,11	80	?	?	?	32	64	—
R2000A	12,5…16,7	1988	2,0	0,11	80	?	?	?	32	64	—
R3000	20…33	1988	1,2	0,11	66,12	145	4	?	64	64	—
R3000A	25…40	1989	1,2	0,11	66,12	145	4	?	64	64	—
R4000	100	1991	1–0,8	1,35	213	179	15	5	08	08	1
R4300	93,75	1996	?	?	?	?	?	?	0?	0?	?
R4400	150…250	1992	0,6	2,3	186	179	15	5	16	16	1
R4600	133	1994	0,64	2,2	77	179	4,6	5	16	16	0,5
R5000	150…200	1996	0,35	3,7	84	223	10	3,3	32	32	1
R7000	250…600	2000	0,13	?	?	304	2–3	3,3(io)/1,2(int)	16	16	0,25
R8000	75…90	1994	0,5	2,6	299	591	30	3,3	16	16	1…8
R10000	150…270	1995	0,35	6,8	299	599	30	3,3	32	32	0,5…16
R12000	300…400	1998	0,18–0,25	6,9	204	600	20	2,3	32	32	0,5…16
R14000	500…600	2001	0,13	7,2	204	527	17	1,5	32	32	0,5…16
R16000	700	2002	0,11	?	?	?	20	1,5	32	32	0,5…16
R16000A	800…1000	2004	0,11	?	?	?	?	1,5	32	32	0,5…16

Emulatoren

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• QtSpim – neueste Version von Spim, plattformübergreifend laufende Bedienoberfläche.
• EduMIPS64
• GXemul
• MARS (MIPS Assembler and Runtime Simulator) ist ein an der Missouri State University in Java geschriebener MIPS32-Emulator.
• OVPsim
• QEMU
• Simics
• SPIM
• JPCSP ist ein auf der Programmiersprache Java aufgebauter MIPS R4000 (Allegrex)-Emulator, der primär PSP-Software emuliert.
• Unicorn ist ein auf QEMU basierender Emulator der Schnittstellen für viele moderne Programmiersprachen (darunter C, Python und Java) anbietet.

Siehe auch

• SPIM
• MIPSel

Literatur

• David A. Patterson, John L. Hennessy: Computer Organization & Design, The Hardware / Software Interface. 4. Auflage. Morgan Kaufmann Publishers, San Francisco 2008, ISBN 0-12-374493-8. 
• John L. Hennessy, David A. Patterson: Computer Architecture – A Quantitative Approach. 3. Auflage. Morgan Kaufmann Publishers, San Francisco 2003, ISBN 1-55860-724-2. 

Weblinks

Commons: MIPS-Architektur – Sammlung von Bildern

• MIPS Prozessoren: Bilder und Beschreibungen auf cpu-collection.de
• Webpräsenz von MIPS Technologies, Inc.
• Patterson & Hennessy – Appendix A (PDF, 483 KiB)

Einzelnachweise

1. MIPS architecture overview. Abgerufen am 27. Mai 2012. 
2. Benjamin Kraft: Imagination Technologies an chinesische Investorengruppe verkauft. In: Heise online. 24. September 2017. Abgerufen am 17. Juni 2018.
3. Bernd Mewes: KI-Spezialist Wave Computing kauft MIPS. In: Heise online. 16. Juni 2018. Abgerufen am 17. Juni 2018.
4. Alexandra Kleijn: Prozessor-Architektur: MIPS wird Open Source. In: Heise online. 18. Dezember 2018. Abgerufen am 18. Dezember 2018.; Zitat: „Die Architektur der MIPS-CPU soll Anfang 2019 unter eine Open-Source-Lizenz kommen und im Rahmen der Initiative MIPS Open weiterentwickelt werden.“.
5. Andreas Stiller: Prozessorgeflüster – Von MIPS und MIPS In: c’t – magazin für computertechnik, 9. Oktober 2010.
6. QtSpim
7. courses.missouristate.edu MARS (MIPS Assembler and Runtime Simulator)
8. Unicorn: Unicorn – The ultimate CPU emulator. Abgerufen am 12. September 2017.