從處理器的設計和能耗比來說，如果要說最經(jīng)典的RISC處理器，那么非MIPS莫屬，就連它的競爭對手，也不得不承認它的優(yōu)雅，它被作為處理器教科書的典范，很多其他的處理器，都能看到它的身影。接下來，小新帶你們了解MIPS架構的發(fā)展溯源以及在中國的演變。
發(fā)展溯源：MIPS架構歷史悠久
1981年，斯坦福大學教授約翰·軒尼詩領導他的團隊，研發(fā)出第一個MIPS架構的處理器。MIPS的意思是“無內(nèi)部互鎖流水級的微處理器”（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)相關問題。
1984年，約翰·軒尼詩教授離開斯坦福大學，創(chuàng)立MIPS科技公司
1986年，MIPS公司推出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
1994年，推出R8000處理器
1996年，推出R10000處理器
1997年，推出R12000處理器
1999年，MIPS公司發(fā)布MIPS 32和MIPS 64架構標準
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。MIPS 架構在 2010 年以后發(fā)展迅速，至 2014 年的 5 年時間共發(fā)布了 4 個版本
1992年，SGI公司在收購了MIPS計算機公司
1998年，MIPS公司又脫離了SGI，成為MIPS技術公司；隨后，MIPS公司的戰(zhàn)略發(fā)生變化，把重點放在嵌入式系統(tǒng)
1998年，MIPS科技股票在美國納斯達克股票交易所公開上市
1999年，MIPS公司發(fā)布MIPS32和MIPS64架構標準，為未來MIPS處理器的開發(fā)奠定了基礎。新的架構集成了所有原來NIPS指令集，并且增加了許多更強大的功能。MIPS公司陸續(xù)開發(fā)了高性能、低功耗的32位處理器內(nèi)核（core）MIPS324Kc與高性能64位處理器內(nèi)核MIPS64 5Kc
2000年，MIPS公司發(fā)布了針對MIPS32 4Kc的版本以及64位MIPS 64 20Kc處理器內(nèi)核
2007年8月16日，MIPS科技宣布，中科院計算機研究所的龍芯中央處理器獲得其處理器IP的全部專利和總線、指令集授權
2007年12月20日，MIPS科技宣布，揚智科技已取得其針對先進多媒體所設計的可定制化系統(tǒng)單芯片（SoC）核心“MIPS32 24KEc Pro”授權
2012年，美國MIPS公司被Arm和Imagination瓜分收購，后來Imagination被Canyon Bridge收購，MIPS也隨即由Tallwood Venture Capital拿下。隨后創(chuàng)企Wave Computin又從Tallwood手中再次接盤MIPS
在 MIPS 指令集發(fā)展過程中，基本上嚴格保持新版本向后兼容的特點。比如MIPS Release5 可以向下兼容之前的所有指令集版本。但是在 MIPS Release 6 版本中，這種情況發(fā)生了變化。這個版本中增加了一些新的指令并對指令集進行了簡化，刪除了一些不常用的指令，重新排布了指令的編碼，空余出了大量的指令槽用于將來的擴展。因此，可以把 MIPS Release 6 版本看成一個幾乎全新的定義。
1、MIPS Ⅰ
提供載入/存儲、計算、跳轉(zhuǎn)、分支、協(xié)處理及其他特殊指令。該指令集架構用于最初的MIPS處理器R2000/R3000。R2000是1985年推出的首款MIPS CPU，由110000個晶體管組成，是一個8MHz的32位處理器。R3000是R2000的下一代產(chǎn)品。與前者相比不過時鐘頻率不同。
2、MIPS Ⅱ
添加了自陷指令、鏈接載入指令、條件存儲指令、同步指令、可能分支指令、平方根指令。最初計劃用在MIPS 處理器R6000上，但因為工藝選擇的問題，R6000從1988年開始設計后，就一直問題不斷，終于未能大規(guī)模生產(chǎn)。不過，MIPSⅡ指令集架構是后期MIPS32指令集架構的直接先驅(qū)。
3、MIPS Ⅲ
提供了32位指令集，同一時候支持64位指令集。最初用于MIPS處理器R4000。R4000是于1991年推出的64位處理器，首次增加了浮點處理器單元，主時鐘頻率提高到了100MHz。后來出現(xiàn)了一系列的R4000處理器。
4、MIPS Ⅳ
在MIPS III基礎上添加了條件移動指令、預取指令以及一些浮點指令。最初用于MIPS處理器R8000，后來應用于R5000/R10000。MIPS IV增加了一些功能來改善指令級并行性，并為單精度和雙精度FPN添加了幾個新的FP算術指令。
5、MIPS Ⅴ
在MIPS IV的基礎上添加了能夠提高代碼生產(chǎn)效率和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移效率的指令。可是沒有一個處理器基于該架構。MIPS V指令集架構是后期MIPS64指令集架構的直接先驅(qū)。
6、MIPS32/64
MIPS32/64于1998年提出，MIPS32以MIPS II架構為基礎，選擇性地增加了MIPS III、MIPS IV、MIPS V，提高了代碼生成和數(shù)據(jù)移動的效率。MIPS64以MIPS V架構為基礎，兼容MIPS32。
7、microMIPS32/64
microMIPS32/64指令集架構集成了16位和32位優(yōu)化指令的高性能代碼壓縮技術，保持了98%的MIPS32性能，同一時候減少了至少30%的代碼體積，從而減少芯片成本，也有助于減少系統(tǒng)功耗。
8、nano MIPS架構
Nano MIPS是專為嵌入式設備而設計的，是一種可變長度指令集架構（ISA），可在顯著減小代碼大小的情況下提供高性能，與MIPS32相比，它可以交付多達40％的代碼。
瑕瑜互見：MIPS優(yōu)缺點共存
MIPS處理器是八十年代中期RISC CPU設計的一大熱點。Pace MIPS、IDT和東芝等半導體公司都采用MIPS的設計來制造芯片，其生產(chǎn)的芯片也被Sony和Nintendo的游戲機，Cisco的路由器和SGI超級計算機等終端設備采用，尤其是家用路由器市場，到現(xiàn)在每年生產(chǎn)的超過160億微處理器中，99%是RISC處理器。過去也曾當作高效能計算架構使用到超算平臺上。
和英特爾相比，MIPS的授權費用比較低，也就為除英特爾外的大多數(shù)芯片廠商所采用。除了費用較低，MIPS之所以近40年來得到追捧，還有以下兩個原因：
首先，MIPS的架構授權，并不限制任何對MIPS架構的更改。以龍芯為例，早期的龍芯基本上都是MIPS架構，變化極少，從龍芯2號開始自主擴展指令集。龍芯3早期型號是基于MIPS64 R3的，后來通過不斷的擴充指令集形成了現(xiàn)在龍芯使用的LoongISA指令集，目前，龍芯從最初使用的400多條指令集，已自定義到1000多條。所以我們現(xiàn)在可以說龍芯3號已經(jīng)不是MIPS架構，但是龍芯3至今還兼容MIPS64 R3指令集。 但龍芯的LoongISA只支持到MIPS64 R2/R3，不兼容MIPS 64 R5/R6。
其次，MIPS屬于精簡指令系統(tǒng)計算結構(RISC)，和英特爾采用的復雜指令系統(tǒng)計算結構(CISC)相比，RISC具有設計更簡單、設計周期更短等優(yōu)點，并可以應用更多先進的技術，開發(fā)更快的下一代處理器。
萬物皆有對立面，MIPS架構也有它自身的缺點——需要建設自己的生態(tài)。MIPS授權分為處理器核授權（Core License）和結構授權（Architecture License）兩類，核授權也稱為IP授權。MIPS的定價策略是核授權很貴，而架構授權很便宜。有能力的公司都可以使用MIPS指令集開發(fā)自己的CPU，并且可以對指令集進行擴展，而不受限制。
這種模式在短期內(nèi)造成了百花齊放的效果，但從長期而言，由于允許自行擴充指令，導致生態(tài)碎片化，相互不兼容，從而影響了開發(fā)者和使用者的熱情。再加上由于后期MIPS經(jīng)營不善，架構的改朝換代緩慢，且未能配合主流操作系統(tǒng)與設備生態(tài)優(yōu)化潮流，這就失去了IP授權所具備的推出速度，軟件高兼容的特點。于是，MIPS在2007年到2017年，迎來了沒落期，并逐漸邊緣化。
擁抱開源：MIPS未來或?qū)⒏娱_放
不過，到2018年12月，MIPS迎來了又一波關注。曾經(jīng)收購MIPS公司的美國AI公司W(wǎng)ave Computing宣布了一則重磅消息：正式啟動MIPS Open項目，MIPS架構完全開源，免費提供給全球的開發(fā)者、合作伙伴、高校研究機構、客戶。這是推廣MIPS內(nèi)核與生態(tài)系統(tǒng)，開放ISA指令集的一大重要舉措，或?qū)⒊蔀殚_發(fā)與創(chuàng)收的平衡點。
隨后Wave官網(wǎng)上開始提供MIPS開源相關的指令集及工具了，包括32位及64位的MIPS R6指令集、MIPS SIMD擴展、MIPS DSP擴展、MIPS Multi-Threading (MT)、MIPS MCU、microMIPS Architecture架構、MIPS Virtualization (VZ)虛擬化等等。這意味著“未來，任何人都可以自由獲得以上資源，無需任何授權費、版權費，并能在全球范圍內(nèi)得到幾百項專利的保護。”
UltraSoC的首席執(zhí)行官Rupert Baines曾表示：“考慮到RISC-V的發(fā)展勢頭，MIPS走開源道路是一個值得關注的、精明的舉措?！彼f：“MIPS已經(jīng)擁有大量優(yōu)質(zhì)工具和軟件環(huán)境。這是放大MIPS自身優(yōu)勢又不損失太多的一個精明手段”。
不過，有消息透露，從2019年11月14號起，Wave 將不再提供包括MIPS 架構、核心、工具、IDE、模擬器和FPGA包等MIPS開放組件的下載。郵件中同時強調(diào)，之前的合作不受影響，但是Wave不會再授權任何第三方認證。
如此看來，MIPS的開源之路并不順暢，但是，開源卻是生態(tài)建設的必經(jīng)之路。開源之路難且漫長，未來，MIPS將何去何從，我們拭目以待......
MIPS在中國的演變
國內(nèi)得到MIPS授權的公司有龍芯、君正、珠海炬力等。其中，我們更為熟知的是龍芯和君正。龍芯走的是高性能路線，目標客戶是桌面、 服務器、科學計算等。君正走的是低功耗和定制化路線，面向細分市場。
龍 芯
提及MIPS在中國的演變，不得不提到龍芯。龍芯買斷了MIPS架構，并基于MIPS做自主設計，打造自己的指令集。2001年，中國科學院計算所開始研發(fā)龍芯處理器，2002年龍芯1號流片成功，2003年龍芯2B流片成功，2004年龍芯2C流片成功，2006年龍芯2E流片成功，2007年龍芯2F流片成功，龍芯2F為龍芯第一款產(chǎn)品芯片，2009年龍芯3A流片成功。2010年由中國科學院和北京市政府共同牽頭出資，正式成立龍芯中科技術有限公司。十幾年過去了，龍芯也進化出了龍芯2H/2J，3A3000/B3000，3A4000/B4000等新處理器。
2019年12月，龍芯發(fā)布了龍芯3系列的最新型號3A4000/3B4000。3A4000在3A3000的基礎上進行了大幅升級，采用28nm工藝，性能比3A3000提升一倍，主頻提升至1.8GHz-2.0GHz，內(nèi)存升級為DDR4接口，同時支持動態(tài)調(diào)頻調(diào)壓，可以大幅度延長筆記本電腦的續(xù)航時間。據(jù)內(nèi)部消息，龍芯3A5000正在研制中，預計2020年第二季度末將流片成功。值得一提的是，龍芯從2號開始自主擴展指令集，目前，龍芯從最初使用的400多條指令集，現(xiàn)在已自定義到1000多條。
此外，龍芯在不斷提升產(chǎn)品性能的同時，多年來孜孜不倦地建設獨立開放的龍芯生態(tài)圈，包括在社交軟件上做開發(fā)并回饋開源，聯(lián)合國內(nèi)廠商推出各種解決方案，以此希望聚集更多合作伙伴，共同促進國產(chǎn)CPU的發(fā)展。
君 正
北京君正成立于 2005 年 7 月，是一家專注于 32 位嵌入式低功耗 CPU 技術的集成電路設計公司，其團隊來自于方舟科技，并延續(xù)了方舟科技的發(fā)展方向，一直強調(diào)自主研發(fā)CPU內(nèi)核。
北京君正通過MIPS架構研發(fā)出XBurst CPU。公司憑借著低功耗的特性，依靠著自研低功耗XBurst CPU，開拓出低功耗需求明顯的物聯(lián)網(wǎng)、智能穿戴和智能家居等市場。2017年北京君正完成了XBurst2的設計，之后公司一直基于XBurst2 CPU對其進行持續(xù)優(yōu)化。XBurst CPU采用MIPS架構和RISC技術，主打低功耗。在同樣的工藝下，XBurst運算性能提升80%，功耗減少70%，芯片大小減小50%。北京君正憑借其在便攜消費電子、便攜教育電子市場的 CPU 技術優(yōu)勢，在智能家居、智能穿戴、消費類智能攝像頭等市場具有一定的競爭優(yōu)勢。
芯 聯(lián) 芯
芯聯(lián)芯于2018年底已從Wave Computing取得MIPS 架構和CPU核的中國地區(qū)獨家經(jīng)營權。芯聯(lián)芯專注于SoC相關的一站式設計服務，在IoT、AI、通訊等領域有豐富的經(jīng)驗。
珠 海 炬 力
珠海炬力，全球知名的個人便攜多媒體SOC供應商之一。旗下有炬芯(珠海)科技有限公司、炬力微電子(深圳)有限公司、合肥炬芯智能科技有限公司。其中，炬芯是中國知名的低功耗消費類系統(tǒng)級芯片設計廠商，為無線音頻及智能耳穿戴、智能多媒體、智慧計算及物聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)品領域提供專業(yè)芯片及完整解決方案。
參考文獻：
[1]MIPS開源項目已終止！http://www.360doc.com/content/19/1117/14/37805727_873716837.shtml
[2]MIPS指令集開源了，32位64位架構免費用
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1629583201518503416&wfr=spider&for=pc [3]MIPS 路在何方？
https://tech.sina.com.cn/roll/2019-12-17/doc-iihnzahi8061427.shtml
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