MIPS CPU ファミリ

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MIPS CPU ファミリ

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2022/04/03 09:53 UTC 版)

「MIPSアーキテクチャ」の記事における「MIPS CPU ファミリ」の解説

初の商用モデルR2000は1985年に発表された。実行に複数サイクルを要する乗算と除算命令の処理部をチップ上にやや独立したユニットとして追加した。乗除算の結果は直接汎用レジスタには入らず、専用のレジスタに出力されるため、それを汎用レジスタに持ってくる命令も追加された。その命令を乗除算の完了前に発行するとパイプラインがインターロックする。 R2000は起動時にビッグエンディアンとリトルエンディアンのどちらかを選んで動作する。32ビット汎用レジスタを32本持つが、コンディションコードレジスタを持たない。設計者はそれがボトルネックになる可能性を考慮したためで、条件判断は指定した2つのレジスタの値の比較を行い、その結果で分岐の可否を判断する。レジスタに入っている値で条件判断するのはAMD Am29000 や DEC Alpha とよく似ている。なお、プログラムカウンタには直接アクセスできない。 R2000は最大4個のコプロセッサをサポートしており、そのうち1つは主CPUに組み込まれていて、例外処理、トラップ処理、メモリ管理などを行う。したがって、実際に外付けできるコプロセッサは3個までである。オプションの R2010 FPUをコプロセッサとして接続できる。R2010は32ビットの浮動小数点レジスタを32本持ち、倍精度演算では64ビットレジスタ16本として使用できる。 R2000の後継としてR3000が1988年に登場した。命令およびデータ向けにそれぞれ32KB（間もなく64KBに拡大）のキャッシュを追加し、マルチプロセッシングのためのキャッシュコヒーレンシにも配慮していた。そのマルチプロセッササポートには欠陥があったが、R3000で何とかマルチプロセッサ構成にした製品がいくつか存在した。R3000には当時の他のマイクロプロセッサと同様にメモリ管理ユニット (MMU) も組み込まれていた。R3000にもR2000のときと同様に R3010 FPUが存在した。MIPSアーキテクチャのプロセッサとしては初めて市場で成功を収め、累計100万個以上が生産された。改良によって最高40MHzで動作するR3000Aが登場し、32VUPs (VAX Unit of Performance)の性能を発揮した。R3000A互換の R3051 はソニー・コンピュータエンタテインメントのPlayStationに採用され、33.8688MHzで動作した。サードパーティはR3000AとR3010をワンチップ化したものを設計しており、Performance Semiconductor のPR3400、IDTのR3500、NECのVR3600がある。東芝のTX3900はSoCであり、Windows CE の動作するハンドヘルドPC向けに開発された。航空宇宙分野向けに電磁波耐性を強化したMongoose-VもR3000とR3010をワンチップ化していた。 R4000シリーズは1991年に登場した。命令セットを完全な64ビット対応に拡張し、FPUをCPUチップに統合し、従来よりずっと高いクロック周波数で動作した（当初は100MHz）。しかし、クロック周波数を上げるために一次キャッシュは命令とデータそれぞれ8KBに減らされ、キャッシュアクセスに3サイクルかかるようになった。動作周波数を上げるため、スーパーパイプラインと呼ばれるパイプライン段数を増やす工夫を行っている。改良版のR4400は1993年に登場。一次キャッシュが16KBに倍増され、64ビット関連のバグ（エラッタ）が一掃され、より大きな二次キャッシュをサポートしている。 SGIの一部門となったミップスは外部バスを32ビットに縮小した低価格のR4200を設計し、さらに安価なR4300iのベースとなった。R4300iをベースとしてNECが開発したVR4300はゲーム機のNINTENDO64に採用された。 ミップスの元従業員が創業した Quantum Effect Devices (QED) は、R4600 Orion、R4700 Orion、R4650、R5000を設計した。R4000がクロック周波数を上げるためにキャッシュ容量を犠牲にしたのに対して、QEDは2サイクルでアクセスできる大きなキャッシュを搭載し、シリコンの面積の効率的利用を達成した。R4600とR4700は SGI Indy の低価格版で採用され、シスコのルーター（36x0、7x00など）でもMIPSアーキテクチャとして初めて採用された。R4650はWebTVのセットトップボックスで採用された。R5000は単精度浮動小数点演算性能を向上させており、同クロック周波数のR4400を搭載した同型機（SGI Indy）よりもグラフィックス描画が高速になった。SGIは同じグラフィックスボードでもR5000向けは名称を変更し、性能が高いことを強調した。QEDはその後、ネットワーク機器やレーザープリンターなどの組み込み市場向けにRM7000とRM9000というファミリーを設計した。RM7000は256KBの二次キャッシュをチップ上に搭載し、三次キャッシュのコントローラも備えていた。RM9xx0はSOCファミリーで、CPUにメモリコントローラ、PCIコントローラ、ギガビット・イーサネットのコントローラ、HyperTransportポートなどの高速I/Oといったノースブリッジ機能を集積している。QEDは2000年8月、半導体企業 PMC-Sierra に買収され、PMC-SierraがMIPSアーキテクチャのプロセッサ開発を継続している。 R8000（1994年）はミップスの設計による初のスーパースケーラ方式で、複数の命令を同時に実行可能となった。ワンチップではなく、CPU+一次キャッシュ（命令・データそれぞれ16KB）、FPU、二次キャッシュのタグRAMチップ×3（2個はキャッシュアクセス用、1つはバススヌープ用）、キャッシュコントローラの6個のチップで構成されている。完全にパイプライン化された加算・乗算ユニットを2つ持ち、外付けの4MBの二次キャッシュからFPUが直接データを取ってくる設計である。SGIの POWER Challenge サーバで採用され、後に POWER Indigo2 ワークステーションでも採用された。しかし浮動小数点演算性能は高いが整数演算性能はあまり高くないため科学技術計算などにしか向かず、また複数チップで構成されるためコストが高く、SGI以外では採用例がない。 1995年R10000がリリースされた。シングルチップでR8000よりも高いクロック周波数で動作し、一次キャッシュは命令・データ共に32KBと大きい。スーパースケーラ設計だが、最大の改良点はアウト・オブ・オーダー実行を採用した点である。メモリ・パイプラインは1つしかなく、FPUもR8000より単純だが、整数演算性能が大幅に強化されており、低コストでもあったため、市場で成功を収めた。 その後の設計は全てR10000コアをベースとしている。R12000は0.25μmプロセスを採用してチップを縮小し、クロック周波数を高めている。それを改良したR14000でもクロック周波数を向上させると共に、外付けの二次キャッシュに DDR SRAM を利用可能にした。その後もクロック周波数を向上させ内蔵キャッシュ容量を増加させたR16000とR16000Aがリリースされた。 他にもMIPSファミリーにはR6000（1991年）がある。ECLで実装したもので、Bipolar Integrated Technology が製造した。R6000では MIPS II 命令セットが初めて採用された。TLBとキャッシュのアーキテクチャが他のMIPSファミリーとは大きく異なる。発表したとおりの性能を発揮できなかったが、CDCがサーバに採用した。しかし、すぐに市場から姿を消した。