CISC和RISC处理器之争-MIPS架构是龙芯唯一选择

1、 CISC和RISC处理器之争，MIPS架构是龙芯唯一选择？ 精简指令集计算机(RISC)是一种执行较少类型计算机指令的微处理器。这样一来，它能够以更快的速度执行操作。因为计算机执行每个指令类型都需要额外的晶体管和电路元件，计算机指令集越大就会使微处理器更复杂，执行操作也会更慢。复杂指令集计算机(CISC)除了RISC，任何全指令集计算机都使用的是复杂指令集计算(CISC)。目前常见使用RISC的处理器包括DEC Alpha、ARC、ARM、MIPS、PowerPC、SPARC和SuperH等，常见使用CISC的处理器主要有X86。纽约约克镇IBM研究中心的John Cocke证明，计算机中约

2、20%的指令承担了80%的工作，他于1974年提出了RISC的概念。那么，RISC和CISC主要区别在哪里呢？(1)指令系统：RISC 设计者把主要精力放在那些经常使用的指令上，尽量使它们具有简单高效的特色。对不常用的功能，常通过组合指令来完成。因此，在RISC 机器上实现特殊功能时，效率可能较低。但可以利用流水技术和超标量技术加以改进和弥补。而CISC 计算机的指令系统比较丰富，有专用指令来完成特定的功能。因此，处理特殊任务效率较高。 (2)存储器操作：RISC 对存储器操作有限制，使控制简单化；而CISC 机器的存储器操作指令多，操作直接。 (3)程序：RISC 汇编语言程序一般需要较大的

3、内存空间，实现特殊功能时程序复杂，不易设计；而CISC 汇编语言程序编程相对简单，科学计算及复杂操作的程序设计相对容易，效率较高。 (4)中断：RISC 机器在一条指令执行的适当地方可以响应中断；而CISC 机器是在一条指令执行结束后响应中断。(5)CPU芯片电路：RISC CPU 包含有较少的单元电路，因而面积小、功耗低；而CISC CPU 包含有丰富的电路单元，因而功能强、面积大、功耗大。 (6)设计周期：RISC 微处理器结构简单，布局紧凑，设计周期短，且易于采用最新技术；CISC 微处理器结构复杂，设计周期长。 (7)用户使用：RISC 微处理器结构简单，指令规整，性能容易把握，易学易

4、用；CISC微处理器结构复杂，功能强大，实现特殊功能容易。 (8)应用范围：由于RISC 指令系统的确定与特定的应用领域有关，故RISC 机器更适合于专用机；而CISC 机器则更适合于通用机。当今处理器共有三个最强大的架构，一是以Intel和AMD为代表的x86架构，另一个是智能终端处理器所使用的ARM架构，第三个便是我国龙芯处理器所选择的MIPS架构。这三大处理器架构中，X86和ARM是商业化进程最为优秀的两大架构。要说最经典的RISC处理器，那么非MIPS莫属，就连它的竞争对手，也不得不承认它的优雅，它被作为处理器教科书的典范。MIPS的前世今生MIPS是世界上很流行的一种RISC处理器。

5、MIPS (Microprocessor Without Interlocked Piped Stages)，其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。它最早是在80年代初期由斯坦福（Stanford）大学Hennessy教授领 导的研究小组研制出来的。MIPS公司的R系列就是在此基础上开发的RISC工业产品的微处理器。这些系列产品为很多计算机公司采用构成各种工作站和计算 机系统。MIPS技术公司是美国著名的芯片设计公司，它采用精简指令系统计算结构(RISC)来设计芯片。和英特尔采用的复杂指令系统计算结构(CISC)相比， RISC具有设计更简单、设计周期更短等优点，并可以应用更多先

6、进的技术，开发更快的下一代处理器。MIPS是出现最早的商业RISC架构芯片之一，新的 架构集成了所有原来MIPS指令集，并增加了许多更强大的功能。1986年推出R2000处理器，1988年推出R3000处理器，1991年推出第一款64位商用微处理器R4000。之后，又陆续推出R8000 (1994年)、R10000 (1996年)和R12000 (1997年)等型号。1999年，MIPS公司发布MIPS 32和MIPS 64架构标准。2000年，MIPS公司发布了针对MIPS 32 4Kc的新版本以及未来64位MIPS 64 20Kc处理器内核。在MIPS芯片的发展过程中，SGI公司在1992

7、年收购了MIPS计算机公司。1998年，MIPS公司又脱离了SGI，成为MIPS技术公司； MIPS32 4KcTM 处理器是采用MIPS技术特定为片上系统(SoC)而设计的高性能MIPS RISC 内核。采用MIPS32TM体系结构，使得这个处理器与目前嵌入式领域广泛应用的 R3000和R4000系列(32位)微处理器完全兼容。新的 64 位 MIPS 处理器是RM9000 x2，从“x2”这个标记判断，它包含了不是一个而是两个均具有集成二级高速缓存的64位处理器。MIPS处理器是80年代中期RISC CPU设计的一大热点。MIPS是卖的最好的RISC CPU，可以从任何地方，如Sony，

8、Nintendo的游戏机，Cisco的路由器和SGI超级计算机，看见MIPS产品在销售。目前随着RISC体系结构遭到x86芯片的竞争，MIPS有可能是起初RISC CPU设计中唯一的一个在本世纪盈利的。和英特尔相比，MIPS的授权费用比较低，也就为除英特尔外的大多数芯片厂商所采用。MIPS的系统结构及设计理念比较先进，其指令系统经过通用处理器指令体系MIPS I、MIPS II、MIPS III、MIPS IV到MIPS V，嵌入式指令体系MIPS16、MIPS32到MIPS64的发展已经十分成熟。在设计理念上MIPS强调软硬件协同提高性能，同时简化硬件设计。中国龙芯2和前代产品采用的都是64

9、位MIPS指令架构，它与大家平常所知道的X86指令架构互不兼容，MIPS指令架构由MIPS公司所创，属于RISC体系。过去，MIPS架构的产品多见于工作站领域，龙芯2也属于这个阵营，在软件方面也完全兼容。MIPS 技术公司则是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式32位和64位处理器的厂商。在通用方面，MIPS R系列微处理器用于构建SGI的高性能工作站、服务器和超级计算机系统。在嵌入式方面，MIPS K系列微处理器是目前仅次于ARM的用得最多的处理器之一(1999年以前MIPS是世界上用得最多的处理器)，其应用领域覆盖游戏机、路由器、激光打印 机、掌上电脑等各个方面。由于服务器RISC处理器市场

10、的激烈竞争结果导致HP 公司放弃它的PA-RISC和“私生子”Alpha 两种类型服务器处理器，而“Alpha技术”则被Intel和AMD吸收应用到他们自身的处理器中； MIPS处理器应用范围则较广，对于作为服务器RISC处理器来说，主要是应用于专门的图形服务器上。MIPS和ARM强势对比以RISC技术为基础，再加上MIPS架构中的可扩展硬软件设计，使得MIPS的解决方案比ARM的同类解决方案性能更高、功耗更低且面积更小。MIPS科技原来主要瞄准高性能工作站与服务器，而ARM最初针对低端移动系统开发基本内核。MIPS充分利用它在高性能设计方面的经验，向主流嵌入式系统市场转型。ARM则继续沿用其

11、原有性能有限的架构，相比MIPS，它处于不利地位。MIPS32 4K处理器内核系列包括MIPS32 M4K内核，其应用程序执行速度超过同类ARM Cortex-M系列内核。这一优势部分可归功于更高效的MIPS指令集架构和优化软件工具，但主要原因还是在于MIPS架构具有众多专为更高的性能级和应用效率而设计的特性：MIPS 内核包含32个通用寄存器，而ARM内核只有16个GPR。这意味着寄存器溢出更少，从而性能更高。MIPS内核包含有影子寄存器组，而ARM内核没有。使用映像寄存器可加速中断处理保存/恢复功能，减少上下文切换和中断延迟中所需要的周期。MIPS架构主要执行单一操作指令，而ARM指令在写

12、入GPR之前执行多个操作(如移位操作、算术操作、条件校验位等等)，故MIPS更容易达到更高的时钟频率。MIPS架构采用比ARM更简单的存储器寻址模式工作，故更容易达到更高的时钟工作频率。MIPS架构的预测执行较少，这大大降低了其逻辑复杂性，并使MIPS内核能够达到更高的频率。M4K与M14K具有5级流水线结构，故无需预测分支方向。而ARM内核采用了复杂的分支预测和分支推测逻辑。MIPS架构实现了带延迟的分支，而ARM结构不这样；这意味着，利用MIPS，在短流水设计时可获得更高效率。MIPS同时提供32位和64位架构，MIPS64架构具有后向兼容性和更高的性能。ARM只有32位架构，而且并非所有

13、版本都后向兼容。为何龙芯对MIPS架构情有独钟？在自MIPS中国看来，龙芯处理器的架构选择并没有错误，相反的如果龙芯要想得到更好的发展，选择MIPS才是最为正确的道路。这又是为何呢？X86架构的拥有者Intel可以算作是技术合作上最抠门儿的一位，在推出X86架构之后，Intel就只将这一架构授权给过AMD和VIA等几个芯片公司。而在VIA退出X86架构处理器竞争之后，Intel便不再给任何公司X86架构授权。所以从X86架构上入手，龙芯处理器显然是行不通的。Intel的X86架构行不通，那么ARM架构是否就能行得通呢？答案当然也是否定的。X86被Intel独占几十年，奉行的是肥水不流外人田的政

14、策。ARM公司是一家非常优秀的芯片设计公司，但自身并不生产处理器，而是将自身的设计Licensing卖给需要处理器的公司,而后交给他们生产或者是找人代工。也许有人要问了，既然ARM向外卖出架构设计，那么为何龙芯不去选择ARM架构呢？其实不然，ARM之所以能够发展成为一家非常成功的商业性公司，靠的就是芯片的架构设计，倘若架构设计被别人夺走了，那么自己就丢掉了赖以生存的饭碗。所以ARM虽然对外进行Licensing授权，却不允许购买者进行任何对ARM架构有更改的设计。倘若个更改了设计，那么这便违反了合作协定。自身虽然强大，但因考虑到市场发展的问题ARM也对外妥协过。目前高通，苹果、华为和NVIDI

15、A这三家公司便是ARM体系中较为特殊的几个。因为这四家公司在芯片设计领域的特殊地位，ARM为了能够拉拢他们站立在自己的阵营中，对这四家公司开出了特别通行证(架构授权)。在其他芯片公司只能使用Licensing去生产芯片的时候，高通，苹果、华为和NVIDIA却能够自行设计基于ARM架构的处理器。也正是拉拢到了高通，苹果、华为和NVIDIA等，才使得ARM拥有了更多的支持者。但即便这样，我们也不得不佩服ARM的老狐狸作风，在给出架构授权后，ARM依然会通过升级下一代架构为由让高通，苹果和NVIDIA再掏一回钱购买架构授权。这样ARM就可以再赚一把。相信看到这里您应该了解到龙芯不选择ARM的原因了。

16、那么是什么本领让MIPS最终成为了我国龙芯处理器的设计架构呢？答案非常简单，那就是架构授权。也许有人又问了，ARM不也是给授权吗？那为什么还选MIPS呢？面对这样的问题，MIPS和ARM虽然都是对外进行架构授权的公司，但意义完全不同。ARM对外出售的是设计方案授权(Licensing)，与ARM的商业化相比，MIPS倒像是学院派的公司。MIPS的架构授权，并不限制任何对MIPS架构的更改。换句话说，就是MIPS公司给授权者一张白纸，而白纸上仅仅写着一行字，MIPS公司同意你设计生产MIPS架构处理器，至于你设计成什么样，性能有多高，经过多少代更改，MIPS一概不管，只要你不把架构彻底改变就行了

17、。与ARM相比，MIPS是一个完全开放的架构，对龙芯未来的发展没有任何的限制，这与Intel给AMD X86架构授权，而不是给设计图纸的道理是完全一样的。在加上MIPS本身经过几十年的发展，已经拥有了众多的应用软件，综合考虑来看，MIPS是最为适合龙芯处理器发展的架构选择。元旦特惠福利全店铺技术资料打包(全)电子书，总价值240元，元旦特惠活动期间168元。全店铺技术资料打包(全)目录如下(32本):RDMA原理分析、对比和技术实现解析数据备份和副本管理技术全面解析容器技术架构、网络和生态详解闪存技术、产品和发展趋势全面解析虚拟化技术最详细解析传统企业存储知识完全解析IO知识和系统性能深度调优全解业界主流数据中心存储双活完全解析Ceph技术架构、生态和特性详细对比分析数据中心大二层交换技术详解VMware云数据中心(私有云)解决方案详解大数据时代数据重删技术详解高性能计算HPC技术、方案和行业全面解析Kubernetes技