MIPS
1. 개요
MIPS(Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages)란 MIPS Technologies에서 개발한 RISC 계열의 명령어 집합 체계이다.
MIPS 명령어 체계는 굉장히 깔끔하게 설계되어 있기 때문에 많은 대학교의 컴퓨터 아키텍처 과목에서 가르치고 있다.
2. MIPS의 역사
최초의 MIPS 명령어 체계는 MIPS Computer Systems(현 MIPS Technologies)에서 발표한 R2000 마이크로프로세서와 함께 <MIPS I>이라는 이름으로 발표되었다. R2000은 RISC 기반의 명령어가 처음으로 적용되어 상용화된 CPU이다. 그 당시에 R2000은 모토롤라 68000과 인텔 80386 시리즈와 경쟁했다. MIPS 명령어 체계는 MIPS Technologies에서 새로운 CPU를 출시할 때마다 개선했는데, 1990년에는 R6000과 함께 MIPS II가 발표되었고, 1992년에는 64bit 레지스터와 정수연산이 지원되는 MIPS III가 발표되었다. 1994년에는 MIPS IV가 발표되었고, 1996년에 MIPS V가 발표되었으며, 현존하는 MIPS 명령어 체계는 전부 MIPS V를 기반으로 개선이 이루어지고 있는 상태이다. 최신 버전의 MIPS 명령어 체계는 MIPS V를 기반으로 한 MIPS32 release 5로, 2012년에 발표되었다.
MIPS Technologies는 2000년대 중종반부터 뛰어난 전력효율을 기반으로 스마트 시대와 맞물려 시장을 넓혀온 ARM에 입지를 잃어가다가 결국 2012년 말에 Apple의 iOS 기기용 GPU인 PowerVR 시리즈로 유명한 이미지네이션 테크놀로지에 인수되었다. 관련기사 그러나 이를 인수한 이미지네이션이 애플의 GPU 공급을 주력으로 잘 하다가 끊기면서 파산위기에 몰리고, 결국 2017년에 중국계 사모 투자 기업인 Canyon Bridge Capital Partners에서 6억 7500만 달러로 인수되면서, MIPS Technologies는 별도로 다른 중국계 사모 투자 기업인 Tallwood Venture Capital에 6500만 달러에 팔았다.
이후, 이듬해인 2018년 6월 16일에 AI 스타트업 기업인 웨이브 컴퓨팅이 사모 투자 기업에게서 사들여 자회사로 만들었다.
3. MIPS 명령어 체계
MIPS 명령어 체계는 3가지 종류의 명령어로 구성되어 있다. 들어가기에 앞서 opcode라는 개념에 대해서 알아야 할 필요가 있다. opcode는 해당 명령어가 실행할 연산의 종류를 정의한다.
- R type: c = a + b와 같은 연산을 할 때, 2개의 레지스터 값을 이용하여 연산을 한 다음, 다른 레지스터 하나에 연산한 값을 기록한다. 이 때 연산을 하는데 사용되는 레지스터는 각각 rs(register source의 약자), rt(register target의 약자)로 불리게 되며, 연산을 한 값을 rd(register direction의 약자)에 저장하게 된다.
- I type: R type과 비슷하게 두개의 값을 이용해 연산을 한 다음 다른 하나의 레지스터에 저장을 하지만, 연산할 값을 하나는 레지스터에서 가져오고 다른 하나는 레지스터가 아니라 지정된 임의의 값을 사용한다. I type 명령어에서 c = a + b와 같은 연산을 수행한다 하면, 이 때 b는 레지스터에 없는 임의의 값이 된다. R type 명령어에 있는 약자인 rs와 rt를 그대로 사용하며, 이때 사용되는 임의의 값은 immediate(줄여서 imm이라고도 하며, 즉시값이라고도 부른다.)로 부른다. 계산은 rt = rs + imm로 한다.
- J type: 무조건 분기 명령어로, 특정 메모리 주소로 바로 이동이 필요한 경우에 사용되는 명령어다. 이동할 메모리 주소를 연산에 사용한다.
3.1. 16bit picoMIPS
32bit MIPS 명령어 체계를 알아보기에 앞서, 16bit picoMIPS를 기반으로 한 명령어 체계를 통해 MIPS 명령어 체계를 이해할 필요가 있다. picoMIPS는 MIPS 명령어 체계를 매우 축소했다는 의미로, 접두사에 pico가 붙는다. 일부를 축소한 microMIPS는 32bit/64bit 명령어 체계이다. 16bit picoMIPS는 총 16bit의 길이를 가지게 되며, 일반적으로 8개의 레지스터를 사용하기 때문에 3bit로 레지스터 주소를 표현하게 된다. 위에 나와있는 명령어 타입별로 각각 살펴보면
로 이루어지게 된다.
이제 간단한 16bit picoMIPS의 연산을 하나 살펴보도록 하자. R타입 명령어로 덧셈 연산을 한다고 가정을 하여, 0번 레지스터의 값과 1번 레지스터의 값을 더해서 2번 레지스터에 값에 기록한다고 가정하자. 이해를 돕기 위해, 모든 레지스터에 임의로 접근이 가능하다고 가정하였다. MIPS 명령어 체계에서는 사용자가 접근할 수 없는 레지스터가 있다. 이 때 덧셈 연산의 funct 값이 000이라고 가정하면
0000 000 001 010 000다음으로는 I타입 명령어의 연산을 하나 가정해보도록 하겠다. 3번 레지스터에 있는 값과 임의의 즉치값 15를 더한 값을 4번 레지스터에 기록하며, 이때 덧셈의 opcode가 1000이면
1000 011 100 0011113.2. 32bit MIPS
32bit MIPS 명령어 체계도 16bit picoMIPS 명령어와 동일하게 R타입 명령어, I타입 명령어, J타입 명령어로 나뉘어진다. 32bit MIPS는 총 32bit의 길이를 가지게 되며, 일반적으로 32개의 레지스터를 사용하기 때문에 5bit로 레지스터 주소를 표현하게 된다. 명령어 타입별로 각각 살펴보면
로 이루어져 있다.
4. MIPS 레지스터의 호출 규약
MIPS 레지스터의 호출 규약은 일반적으로 사용되는 O32 ABI와 N64/N32 ABI로 나뉘어진다. O32 ABI는 32bit CPU를 위한 레지스터 호출 규약이며, N64/N32 ABI는 64bit CPU를 위한 레지스터 호출 규약이다. 기본적인 레지스터 호출 규약은 다음과 같다.
5. CPU 목록
위키백과 문서 참고
VR로 시작하는 것은 NEC에서 만든 커스텀 칩이고, TX로 시작하는 것은 도시바에서 만든 커스텀 칩이다.
5.1. 32비트
- R3000 (1988년 6월)
- 소니 NEWS
- R3000A
- 플레이스테이션
- 남코 SYSTEM 1X 시리즈
- 코나미 시스템 573
- 코나미 TWINKLE
- 남코 SYSTEM 2X6 시리즈 (I/O 프로세서)
- 플레이스테이션 2 (I/O 프로세서, 호환용)
5.2. 64비트
- R4000 (1991년 10월 1일)
- 소니 NEWS
- PSP
- VR4000
- R4200
- VR4200 (1993년 80 MHz, 1994년 100 MHz)
- R4300i (MIT, 1995년 4월 17일, 임베디드 애플리케이션용)
- VR4300
- 닌텐도 64
- 하이퍼 네오지오 64
- Seta Aleck 64
- VR4305, VR4310 (1998년 1월 20일)
- TX4300
- VR4300
- R5000
- 아타리·미드웨이 시애틀
- VR5000
- R5900
6. 기타
CPU의 성능을 나타내는 지표인 MIPS와는 다르다. CPU가 명령을 수행하는 속도의 단위는 IPS(초당 명령 수 : '''I'''nstructions '''P'''er '''S'''econd)라고 한다. 1초에 명령어 1000개를 수행하면 kIPS(kilo), 1백만 개이면 MIPS(Mega), 10억 개이면 GIPS(Giga)와 같은 식이다. 각각 '킵스', '밉스', '깁스'라고 읽는다. SISD에서는 초당 명령 수행 개수가 중요했으나, CPU가 발전하고, 단순히 수행 명령 수보다는 실제 데이터 처리량이 중요해지면서 IPS보다는 FLOPS(초당 부동소수점 연산 수, FLoating point Operations per Second)가 더 중요한 지표로 떠오르게 되었다. 슈퍼컴퓨터의 성능은 보통 FLOPS로 표현한다. 예를 들어 중국의 슈퍼컴퓨터 神威太湖之光(Sunway TaihuLight)의 성능은 93PetaFLOPS이다.
Bochs의 IPS값이 이것이다. CPU의 맞는 IPS값은 위키백과나 Gamepedia를 참고하면 된다.
이외로 고급 자전거 헬멧에 빠르게 채용되고 있는 머리 보호 장치인 Mips가 있다.
[1] 0000[2] 명령어가 실행할 연산의 종류는 opcode에서 정의가 되어있는 상태이지만, 이 경우 opcode 만으로는 충분한 연산의 종류를 정의할 수 없는 경우가 발생하게 된다. 이것에 대한 해결 방안으로 사용되는 것이 function(이를 줄여서 funct라고 한다.) 코드값이다. opcode의 값이 전부 0으로 채워져 있으면, 해당 명령어의 타입을 무조건 R타입으로 인식을 시키게 한 다음, funct값을 확인해서 연산을 하는 방법을 정하게 된다. 이 방법을 통해 제한된 비트 안에서 최대한 많은 종류의 연산을 할 수 있게 된다.[3] 여기서 주의해야 되는 것이 하나 있는데, R타입 명령어는 앞에 있는 두개의 레지스터 값을 이용해 뒤에 있는 rd에 저장을 하게 되지만, I타입 명령어에서는 가운데에 있는 rt에 저장을 하게 된다는 것이다.[4] shift amout의 약자. 비트 시프트 연산용이다.