[转载]MIPS指令集简史：从CISC、RISC之争，到闭源、开源分歧

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集微网报道 在新冠肺炎疫情全球流行和国际局势复杂化的当下，构建自主可控的产业生态已成为共识。要实现完全自主可控，既需要提升包括IP核、EDA工具在内的芯片研发能力和以自主材料、设备为基础的芯片制造能力，也需要建设基于自主指令系统的软件生态。

指令集是连接硬件架构和软件生态之间的桥梁，过去数十年，随着集成电路和信息技术体系的发展，指令集架构市场风起云涌，从复杂指令集 (CISC)与精简指令集 (RISC)之争，到闭源与开源之别，从RISC架构百花齐放，到X86、ARM二分天下，指令集市场平静的湖面下始终暗流涌动。在此过程中，涌现出不少业界耳熟能详的指令集架构，包括学术上认为比较成功的DEC Alpha、被写入经典教科书的MIPS、追求线程级并行的Sun SPARC以及近年来异军突起的RISC-V。

 一度被业内认为可以比肩ARM、X86，成为全球三大主流架构之一的MIPS无疑是其中最值得一提的指令集之一。从声名赫赫到多次易手，MIPS见证了指令集格局数十年来的剧烈变动，也见证了中国在自主可控道路上的蹒跚前行。2020年，龙芯中科基于二十年的CPU研制和生态建设积累推出了龙芯架构（LoongArch），标志着中国自主创新正式迈入新的阶段。

 

从CISC与RISC之争到RISC百花齐放

 

计算机出现的早期，存储速度极慢，广泛使用的慢速磁带存储设备以及大容量内存的缺乏，让计算机对每一字节空间的应用都很珍惜。因此，人们倾向于在一条指令中完成更多的工作。由此形成了后来被称为CISC的指令集，并迅速成为主流。但到上世纪70年代中后期，IBM公司意识到日趋庞杂的指令系统不但不易实现，而且还可能降低系统性能。随即，加州大学伯克利分校的Patterson、斯坦福大学的Hennessy等几位科学家也开始尝试设计精简指令集（RISC）。由此掀起信息技术史上影响深远的CISC与RISC之争。

图示：Hennessy（左二）在与人讨论MIPS项目（照片摄于1984年）

作为RISC冲击CISC的领军人物之一，1981年，Hennessy带领团队研发出第一个MIPS架构处理器，这个至今被视为教科书一般的顶级指令集架构自此现世。1983年，“RISC派”的另一位代表人物Patterson和他学生们的成果登陆当年的国际固态电子电路大会（ISSCC），区区几十条指令竟胜过指令数目多达数百条的商业级芯片，业界哗然。在这些“RISC派”的引领下，一个属于RISC的百花齐放的时代正式来临。

图示：1990年代主要RISC架构处理器

1983年英国Acorn公司开启了基于加州大学伯克利分校RISC项目的新处理器架构研发项目Acorn RISC Machine (ARM)，这就是如今统治嵌入式市场的ARM架构的肇始。次年，Hennessy离开斯坦福大学，创立MIPS科技公司。1987年，最成功的早期商业RISC系统之一Sun公司的SPARC正式发布。1992年，DEC公司专为高端台式机、工作站和服务器设计的微处理器架构Alpha问世……

RISC的凌厉攻势，甚至让“CISC派”代表英特尔不惜投入数十亿美元开发安腾。虽然安腾处理器最终成为英特尔的败笔，但英特尔X86架构在服务器市场的大放异彩与其大胆地引入RISC设计思想关系匪浅。由此亦可见彼时RISC来势汹汹的盛况。

 

风靡一时的MIPS

 

MIPS便是那个时代最璀璨的群星之一，MIPS指令集被认为是RISC体系中最优雅的一种，DEC的Alpha和惠普的Precision都深受其影响。

早期的MIPS公司发展迅速，始终立于RISC技术的潮头。公司成立次年，MIPS Release 1指令集即问世。1986年，几乎与ARM首款正式商用处理器ARM 2出现的同时，MIPS推出商用处理器R2000。至1988年，MIPS首款在市场上流行起来的产品R3000处理器横空出世。这款处理器销量迅速超过百万颗，不少公司的消费电子产品都用到了R3000，如索尼的PS、思科的路由器和SGI超级计算机等。美国首家电脑公司DEC、爱普生、日本电器等知名企业也都是MIPS的客户。其后续推出的R3000A更是创造了销量过亿的记录。

图示：MIPS R3000

32位RISC芯片产品的成功促进了利用商品化部件生产超级计算机的进程，同时也启示业界以更高级的RISC技术迈向超级计算的顶峰，处理器架构掀起由32位向64位发展的浪潮。1991年，MIPS推出第一款64位商用微处理器R4000。次年底，同时代另一RISC架构Alpha问世，全面完成了从32位过渡到64位技术各项任务。自此，在MIPS R4000和Alpha 21064处理器引领下，64位技术应用时代到来。

1996年，MIPS推出R10000处理器，作为RISC阵营的旗舰之一，该处理器投放市场时被认为是世界上最快的CPU。彼时，已在CISC阵营中拔得头筹的英特尔产品与之相比都有所不如。MIPS产品性能强势若此。根据MIPS科技公司的统计，1997年以MIPS架构为基础的CPU出货量为4800万，占RISC CPU总市场份额的49％。

与此同时，MIPS最大的竞争对手ARM也走出了一条独特的发展道路。早期的ARM业绩平平，没能在那个RISC架构群星璀璨的年代崭露头角，在此情况下，该公司决定改变产品策略——不再生产芯片，转而以授权方式将芯片设计方案转让给其他公司。这种风险共担、利益共享的模式，使以ARM为核心的生态圈形成成为可能。从将产品授权给德州仪器（TI）到迎来首个大客户诺基亚，ARM搭上了移动手机井喷式普及的特快列车。在此过程中，ARM与苹果公司深刻的历史渊源，是ARM抓住手机智能化机遇的重要因素。iphone的热销和谷歌安卓系统基于ARM指令集的事实，让全球移动应用牢牢绑定在ARM指令集上。

图示：MIPS登陆纳斯达克

1998年，业务飞速发展的ARM公司同时在伦敦证券交易所和美国纳斯达克股票交易所上市。同年，成立14年的MIPS科技股票也在纳斯达克公开上市。然而，与渐入佳境的ARM不同，MIPS的路却日渐崎岖。

MIPS授权分为处理器核授权和架构授权两类，MIPS的定价策略是核授权很贵，而架构授权很便宜。同时，MIPS的架构授权，并不限制任何对MIPS架构的更改。这种模式由于允许自行扩充指令，造成了生态碎片化。

更重要的是，MIPS自成立之初便面向中高端市场，专注产品性能。当移动时代萌芽时，MIPS在功耗上没有太多优势，也未着力打造自己的移动处理器“朋友圈”，不得不在PC向移动进发的时代洪流中进退维谷。

 

来自中国市场的机会

 

这时，一个来自中国市场的机会找上了MIPS。2001年，中科院计算所龙芯课题组成立，致力于国产CPU研制。以自主设计为出发点，龙芯课题组看中了架构成熟且可自由更改设计的MIPS。吃足了生态不足苦头的MIPS也极为看重这次机会，有意借助龙芯的力量在新生的中国市场打开一片天地。

2010年，在北京市和中科院的支持下，龙芯以课题组骨干人员为主体，正式开始龙芯产业化。在此之前，MIPS科技宣布，中科院计算技术研究所的龙芯中央处理器获得其处理器IP的全部专利和总线、指令集授权。2011年，龙芯中科公司又独立购买了MIPS架构授权。

以生态建设和市场开拓为目标的MIPS与龙芯中科的此次合作诚意十足，龙芯中科用极为优厚的条件拿到了授权。公开报道显示，龙芯中科从MIPS获得的是终生授权，每隔数年续费一次，每个续费周期缴纳固定数额的授权费，且龙芯中科享有续费权（即是否续费的主动权），双方不需要重新谈判，协议不能中止，除非双方破产。

图示：龙芯高校开源计划启动仪式，右二为MIPS公司代表

此后十余年，MIPS都与来自中国市场的客户保持着良好的关系。2016年，中国计算机大会期间，龙芯中科承办的“面向计算机系统能力培养的龙芯CPU高校开源计划”启动仪式上，MIPS还曾派代表出席，并与龙芯中科总裁胡伟武等人一起启动了龙芯开源计划。MIPS对中国市场的期许由此可见一斑。

2012年底，MIPS被ARM和Imagination瓜分收购。2017年，因苹果宣布弃用PowerVR GPU，Imagination股价下跌70%，面对危局，Imagination只能断臂求生，MIPS被剥离由美国加州投资公司Tallwood 持有。2018年，AI初创企业Wave Computing接盘MIPS。由于几年之间多次被收购，辗转于各个公司之间，致使MIPS支持的力度和开发的持续性都受到了影响，MIPS在中国市场构筑生态的尝试也大受影响。反而是其合作方龙芯中科成为MIPS指令集生态的主要建设者。

 

开源VS闭源

 

2018年底，创始团队不少人出自MIPS的新东家Wave Computing大胆地宣布对最新的R6指令集进行开源，旨在加速MIPS指令集架构的普及。选择开源是MIPS构筑生态的又一次尝试。不过，从后续的事情来看，这次尝试并不成功。

图示：MIPS宣布中止MIPS Open计划 

2019年末，Wave Computing在发给注册MIPS Open用户的邮件中写道：很遗憾地宣布关闭MIPS开放计划，自2019年11月14号起生效。Wave将不再提供包括MIPS开放组件的免费下载，包括MIPS架构、核心、工具、IDE、模拟器、FPGA包和/或任何与之相关的软件代码或计算机硬件。

MIPS对开源的尝试就此戛然而止，不过，指令集架构闭源与开源之争方兴未艾。诞生于2010年的开源指令集RISC-V，以物联网、人工智能等技术浪潮为契机，正在向统治移动市场的闭源指令集ARM发起猛烈冲击。RISC-V 架构开发者之一，SiFive公司联合创始人&首席架构师，Krste Asanovic宣称：“开源架构RISC-V将永久免费，成为人类共有财产。相较于X86和ARM架构的高门槛，开源架构RISC-V将带来芯片设计的革命。”公开信息显示，2020年RISC-V基金会全球会员增加了一倍，达到900多名成员，其中包括215个组织。有业内人士甚至指出：“不了解或未布局RISC-V的大厂几乎没有，即便没有量产产品，通常也加入了产业联盟。”

不过，归根结底，CPU指令系统是计算机的软硬件界面，是CPU所执行的软件指令的二进制编码格式规范。一种指令系统承载了一个软件生态，X86的强大来自Wintel（Windows+Intel）的稳固联盟。ARM的崛起更是合作共赢、生态至上的生动案例，其今日稳固的地位亦是AA（Android+Arm）联盟的胜利。开源与闭源指令集的胜负也必然归于生态。这也是我国必须构建自主指令系统生态的根本原因。

国外CPU厂商以指令系统作为控制生态的手段，需要获得“授权”才能研制与之相兼容的CPU。采用授权指令系统可以研制产品，但不可能形成自主产业生态，就像中国人可以用英文写小说，但不可能基于英文形成中华民族文化。

图示：LoongArch

可喜的是，随着龙芯中科推出LoongArch，建设基于自主指令系统的软件生态这一重大课题已经取得全新进展。据介绍，LoongArch包括基础架构部分和向量指令、虚拟化、二进制翻译等扩展部分，近2000条指令，具备完全自主、技术先进、兼容生态的特点。国内第三方知名知识产权评估机构的评估结果显示：（1）LoongArch在指令系统设计、指令格式、指令编码、寻址模式等方面进行了自主设计。（2）LoongArch指令系统手册在章节结构、指令说明结构和指令内容表达方面与ARM、MIPS、RISC-V、X86等国际上主要指令系统存在明显区别。（3）未发现LoongArch基础架构对上述国际主要指令系统中国专利的侵权风险。

指令系统是软件生态的起点，只有从指令系统的根源上实现自主，才能打破软件生态发展受制于人的锁链。为了推广LoongArch，加速LoongArch生态的建设，龙芯中科计划建立自主指令系统联盟，联盟成员都可以免费获得自主指令系统的使用权。龙芯中科还计划向联盟成员开源部分CPU核心设计，这些核心的最高性能达到ARM A53的水平。此外，2021年龙芯中科将与10所高校合作，围绕自主指令系统进行教学和研究，以及基于精简版本的指令集开展CPU设计实验。这些举动将有助于增强国内整体的CPU设计水平，降低芯片行业的产品研发成本，提高其生存和参与国际竞争的能力。(校对|萨米)

 

标签：架构,龙芯,RISC,闭源,指令集,MIPS,ARM
来源： https://www.cnblogs.com/l0ne1y/p/16205229.html