MIPS -- 適用于MCU的處理器

　　2.2 比較MIPS與ARM的性能特點

　　以RISC技術為基礎，并與可擴展的硬件和軟件設計相結合，MIPS架構比ARM架構提供了更高性能、更低功耗和更為緊湊的設計。MIPS起源于高性能工作站和服務器的設計，而ARM的初衷是針對低端移動系統開發的基本內核。MIPS以其高性能產品的開發經驗和設計優勢進入主流嵌入式系統市場。而ARM傳統架構中延續的種種方面限制其所能達到的性能等級，這使其與MIPS相比處于不利地位。

　　MIPS32 4K®處理器內核（包括MIPS32 M4K®內核）比同級的ARM Cortex-M系列內核的性能更加優良，應用程序的運行速度更快。一部分原因是采用了更高效的MIPS ISA和經過優化的軟件工具，但主要原因是MIPS架構優越的設計功能，可實現更高的性能和執行效率，包括對單片機設計中實現的典型功能進行加速。例如：

　　MIPS內核包含32個GPR，而ARM內核只包含16個GPR。這減少了寄存器溢出，從而實現更高的性能。

　　MIPS內核包含影子寄存器組，而ARM內核不包含。使用影子寄存器可以加速中斷處理的保存/恢復功能，從而使現場切換和中斷延時占用更少的周期。

　　MIPS架構主要執行單操作指令，而ARM指令在寫入GPR之前執行多次操作（例如，移位操作數、運算、檢查條件位以及其他操作）。這使得MIPS可以更容易地達到較高的時鐘頻率。

　　與ARM相比，MIPS架構工作時采用的存儲器尋址模式更簡單，從而更容易達到較高的時鐘工作頻率。

　　MIPS架構的預測執行較少，這最大程度地降低了邏輯復雜性，并使MIPS內核可達到較高的頻率。

　　M4K和M14K無需分支預測。而ARM內核采用復雜的分支預測邏輯。

　　MIPS架構實現了帶延遲的分支，而ARM架構未實現，因此在短流水線設計時MIPS可實現更高的效率。

　　MIPS同時提供32位和64位架構，均可向下兼容并且更高性能的MIPS64也提供向下兼容。而ARM只提供32位架構，并且不是所有版本都支持向下兼容。

　　3.專為高性能MCU設計的處理器內核

　　在2002年，MIPS科技推出了M4K內核，這是一款高性能的綜合性處理器內核，專為MCU和小尺寸嵌入式控制器設計而進行了優化。作為4K系列內核（已擁有超過120家被授權商）的成員之一，M4K已授權于近30家公司，其作為控制器而被廣泛應用于移動手機、DTV、電纜調制解調器、GPS和數碼相機系統中。此外，M4K內核在Microchip Technology的32位PIC32系列MCU產品中作為標準微控制器實現。

　　M4K內核的一系列設計功能提供了一流的性能，明顯優于ARM Cortex-M系列處理器。

　　3.1 M4K執行流水線

　　M4K內核的性能可達到1.5 DMIPS/MHz，而按照ARM網站所列，Cortex-M3的性能只能達到1.25 DMIPS/MHz，大約比M4K低20%。（ARM Cortex-M0的性能甚至低至0.9 DMIPS/MHz，比MIPS32 M4K內核低40%。Cortex-M0還具有眾多其他限制，我們將在后文介紹。）換句話說，Cortex-M3需要將時鐘頻率提高20%才能達到與M4K內核相同的性能，但這樣做的后果是產生額外的功耗。

　　類似地，如第4節所述，M4K內核運行CoreMark基準測試的結果是2.297 CM/MHz，比同級的基于Cortex-M3的解決方案高出20-30%。MIPS注意到越來越多的人接受了CoreMark基準測試，因為與Dhrystone DMIPS相比，其對于CPU性能的測量更精確。

　　M4K的執行單元采用5級流水線微架構（如圖2所示），而Cortex-M3內核的執行建立在3級流水線架構上。M4K內核的更深層流水線使其可工作于更高的最大時鐘頻率，這樣每秒可處理更多指令，從而實現比Cortex-M3更高的性能和執行效率。

　　在M4K內核中，所有ALU和移位運算都在單個周期內完成。流水線中含有旁路邏輯，可提供對數據的快速訪問，讓數據在流水線執行完成前供下一個指令調用。這使得執行特定任務所需的周期數減少，因而性能得以提高。

　　圖2：M4K內核5級流水線