CISC和RISC之争，为什么MIPS是龙芯唯一选择？

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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。

一、MIPS的前世今生

MIPS是世界上很流行的一种RISC处理器。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RM9000x2，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， 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。


二、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，而且并非所有版本都后向兼容。
  

三、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NVIDIA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。

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。

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。

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