R5000 - R5000

Den R5000 er en 64-bit, little endian (mipsel) superscalar , i-ordreutførelse 2-sak utforming mikroprosessor , som implementerer den MIPS IV- instruksjonssett arkitektur (ISA) utviklet av Quantum Effect Design (QED) i 1996. prosjektet var finansiert av MIPS Technologies, Inc (MTI), også lisensgiver. MTI lisensierte deretter designet til Integrated Device Technology (IDT), NEC , NKK og Toshiba . R5000 etterfulgte QED R4600 og R4700 som deres flaggskip high-end innebygde mikroprosessor. IDT markedsførte sin versjon av R5000 som 79RV5000, NEC som VR5000, NKK som NR5000 og Toshiba som TX5000. R5000 ble solgt til PMC-Sierra da selskapet kjøpte QED. Derivater av R5000 er fremdeles i produksjon i dag for innebygde systemer.

Brukere

Brukere av R5000 i arbeidsstasjons- og serverdatamaskiner var Silicon Graphics, Inc. (SGI) og Siemens-Nixdorf . SGI brukte R5000 i sine O2- og Indy -arbeidsstasjoner. R5000 ble også brukt i innebygde systemer som nettverksrutere og avanserte skrivere. R5000 fant veien inn i arkadespillindustrien, R5000-drevne hovedkort ble brukt av Atari og Midway. Opprinnelig brukte Cobalt Qube og Cobalt RaQ en derivatmodell, RM5230 og RM5231. Qube 2700 brukte RM5230 mikroprosessor, mens Qube 2 brukte RM5231. De originale RaQ-systemene var utstyrt med RM5230- eller RM5231-prosessorer, men senere modeller brukte AMD K6-2-brikker og deretter til slutt Intel Pentium III-prosessorer for de endelige modellene.

Historie

Den opprinnelige veikartet krevde drift på 200 MHz tidlig i 1996, 250 MHz i slutten av 1996, lyktes i 1997 med R5000A. R5000 ble introdusert i januar 1996 og klarte ikke å oppnå 200 MHz, og toppet på 180 MHz. Når den ble plassert som en mikroprosessor med lav arbeidsstasjon, inkluderte konkurransen IBM og Motorola PowerPC 604 , HP PA-7300LC og Intel Pentium Pro .

Beskrivelse

R5000 er en toveis superscalar design som utfører instruksjoner i rekkefølge . R5000 kan samtidig utstede et heltall og en flytende instruksjon. Den hadde en enkel rørledning for heltallinstruksjoner og en annen for flytende punkt for å spare transistorer og døområdet for å redusere kostnadene. R5000 utførte ikke dynamisk forutsigelse av grener av kostnadsgrunner. I stedet bruker den en statisk tilnærming, ved å bruke tipsene kodet av kompilatoren i de gren-sannsynlige instruksjonene som først ble introdusert i MIPS II-arkitekturen for å bestemme hvor sannsynlig en gren blir tatt.

R5000 hadde store L1- cacher , et tydelig kjennetegn ved QED, hvis designere favoriserte enkle design med store cacher. R5000 hadde to L1-cacher, en for instruksjoner og den andre for data. Begge har en kapasitet på 32 KB. Cachene er toveis settassosiative , har en linjestørrelse på 32 byte og er praktisk talt indeksert, fysisk merket . Instruksjonene ble kodet på forhånd da de kom inn i instruksjonsbufferen ved å legge til fire biter til hver instruksjon. Disse fire bitene spesifiserer om de kan utstedes sammen og hvilken utførelsesenhet de utføres av. Dette hjalp superscalar instruksjonsproblemet ved å flytte noe av avhengighet og konfliktkontroll ut av den kritiske banen.

Heltalsenheten utfører de fleste instruksjoner med en syklusforsinkelse og gjennomstrømning bortsett fra multipliser og del. 32-bits multiplikasjoner har en fem-syklus latens og en fire-syklus gjennomstrømning. 64-bits multiplikasjoner har ekstra fire sykluser med ventetid og halv gjennomstrømning. Divides har en 36-syklus latens og gjennomstrømning for 32-biters heltall, og for 64-biters heltall økes de til 68 sykluser.

Den flyttallsenhet (FPU) var en rask enkel presisjon (32-bit) design, for reduserte kostnader og nytte SGI, hvis mid-range 3D-grafikk arbeidsstasjoner brukte de stort sett single-presisjon matematikk for 3D-grafikkprogrammer. Den var helt rørledning, noe som gjorde den betydelig bedre enn R4700 . R5000 implementerer multipliseringsinstruksjonen til MIPS IV ISA. Enkel-presisjon legger til, multipliserer og multipliserer-tillegg har en firesyklusforsinkelse og en syklusgjennomstrømning. Delinger med en enkelt presisjon har en 21-syklus latens og en 19-syklus gjennomstrømning, mens kvadratrøtter har en 26-syklus latens og en 38-syklus gjennomstrømning. Inndeling og kvadratrot ble ikke rørledd. Instruksjoner som fungerer på doble presisjonsnumre har en betydelig høyere latens og lavere gjennomstrømning bortsett fra add, som har identisk latens og gjennomstrømning med single-precision add. Multipliser og multipliser-legg har en fem-syklus latens og en to-syklus gjennomstrømning. Divide har en 36-syklus latens og en 34-syklus gjennomstrømning. Kvadratrot har en 68-syklus latens og en 66-syklus gjennomstrømning.

R5000 hadde en integrert L2 cache-kontroller som støttet kapasitet på 512 KB, 1 MB og 2 MB. L2-hurtigbufferen deler SysAD-bussen med det eksterne grensesnittet. Cachen ble bygget med egendefinerte synkrone SRAM (SSRAM). Mikroprosessoren bruker SysAD- bussen som også brukes av flere andre MIPS-mikroprosessorer. Bussen er multiplekset (adresse og data deler samme sett med ledninger) og kan operere med klokkefrekvenser opptil 100 MHz. Den innledende R5000 støttet ikke flerbehandling , men pakken reserverte åtte pins for fremtidig tillegg av denne funksjonen.

QED var et fabless selskap og fabrikerte ikke sine egne design. R5000 ble produsert av IDT, NEC og NKK. Alle de tre selskapene fabrikerte R5000 i en 0,35 μm komplementær metall-oksid-halvlederprosess (CMOS), men med forskjellige prosessfunksjoner. IDT produserte R5000 i en prosess med to nivåer av polysilisium og tre nivåer av aluminiumsforbindelse . De to nivåene av polysilisium gjorde det mulig for IDT å bruke en SRAM-celle med fire transistorer, noe som resulterte i et transistortall på 3,6 millioner og en matrise som målte 8,7 mm med 9,7 mm (84,39 mm ² ). NEC og NKK produserte R5000 i en prosess med ett nivå av polysilisium og tre nivåer av aluminiumsforbindelse. Uten et ekstra nivå av polysilisium måtte begge selskapene bruke en SRAM-celle med seks transistorer, noe som resulterte i et transistortall på 5,0 millioner og en større dyse med et område på rundt 87 mm ² . Formstørrelser i området 80 til 90 mm ² ble hevdet av MTI. 0,8 millioner av transistorene i begge versjoner var for logikk, og resten inneholdt cachene. Den ble pakket i en 272-ball plastkule gitter array (BGA) eller 272-pin plast pin gitter array (PGA). Det var ikke pin-kompatibelt med noen tidligere MIPS-mikroprosessor.

Derivater

På slutten av 1990-tallet kjøpte Quantum Effect Design en lisens til å produsere og selge MIPS-mikroprosessorer fra MTI og ble en mikroprosessorleverandør, og endret navn til Quantum Effect Devices for å gjenspeile den nye forretningsmodellen. Selskapets første produkter var medlemmer av RM52xx-familien, som i utgangspunktet besto av to modeller, RM5230 og RM5260. Disse ble kunngjort 24. mars 1997. RM5230 var opprinnelig tilgjengelig på 100 og 133 MHz, og RM5260 på 133 og 150 MHz. 29. september 1997 ble nye 150 og 175 MHz RM5230-er introdusert, i likhet med 175 og 200 MHz RM5260-er.

Både RM5230 og RM5260 er derivater av R5000 og varierer i størrelse på deres primære cacher (16 KB hver i stedet for 32 KB), bredden på systemgrensesnittene (RM5230 har en 32-biters 67 MHz SysAD-buss, og RM5260 en 64-biters 75 MHz SysAD-buss), og tillegg av multipliserings- og treoperandmultiplikasjonsinstruksjoner for applikasjoner for digital signalbehandling . Disse mikroprosessorer ble produsert av Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) i sin 0,35 μm prosess med tre nivåer av sammenkobling. De ble pakket av Amkor Technology i Power-Quad 4-pakkene, RM5230 i en 128-pinners versjon, og RM5260 i en 208-pinners versjon.

RM52xx-familien fikk senere selskap av RM5270, som ble kunngjort på Embedded Systems Conference 29. september 1997. RM5270 var ment for high-end innebygde applikasjoner, og var tilgjengelig på 150 og 200 MHz. Forbedringer var tillegg av en sekundær cache-kontroller på brikken som støttet opptil 2 MB cache. SysAD-bussen er 64 bits bred og kan fungere ved 100 MHz. Den var pakket i en 304-pinners Super-BGA (SBGA) som var pin-kompatibel med RM7000 og ble tilbudt som en migreringsvei til RM7000.

20. juli 1998 ble RM52x1-familien kunngjort. Familien besto av RM5231, RM5261 og RM5271. Disse mikroprosessorer var derivater av de tilsvarende enhetene fra RM52x0-familien produsert i en 0,25 mikrometer prosess med fire nivåer av metall. RM5231 var opprinnelig tilgjengelig på 150, 200 og 250 MHz; mens RM5261 og RM5271 var tilgjengelig på 250 og 266 MHz. 6. juli 1999 ble en 300 MHz RM5271 introdusert, priset til USD 140 i mengder på 10 000. RM52x1 forbedret seg med den forrige familien med større 32 KB primære cacher og en raskere SysAD-buss som støttet klokkehastigheter på opptil 125 MHz.

Etter at QED ble kjøpt opp av PMC-Sierra , ble RM52xx- og RM52x1-familiene videreført som PMC-Sierra-produkter. PMC-Sierra introduserte to RM52x1-derivater, RM5231A og RM5261A, 4. april 2001. Disse mikroprosessorene ble produsert av TSMC i prosessen på 0,18 mikrometer og skiller seg fra de tidligere enhetene ved å ha høyere klokkesatser og lavere strømforbruk. RM5231A var tilgjengelig med klokkesatser på 250 til 350 MHz, og RM5261A fra 250 til 400 MHz.

R5900 brukt i Sonys PlayStation 2 er en modifisert versjon av R5000 CPU kalt Emotion Engine med en tilpasset instruksjon / data cache-ordning og Sonys proprietære 107 vektor SIMD Multimedia Extensions (MMI). Den tilpassede FPU-en er ikke IEEE 754- kompatibel, i motsetning til FPU-er som brukes av R5000. Den har også en andre MIPS-kjerne som fungerte som en synkroniseringskontroller for spesialiserte vektorkoprosessorer, viktig for 3D-matematikk som på den tiden hovedsakelig ble beregnet på CPU.

Referanser

• Computergram (8. januar 1996). "MIPS Ready med R5000 etterfølger til 4600/4700". Computer Business Review .
• Gwennap, Linley (22. januar 1996). "R5000 forbedrer FP for MIPS Midrange". Mikroprosessorrapport , 10 (1).
• Halfhill, Tom R. (april 1996). "R5000 kutter 3D-kostnad". Byte .
• Halfhill, Tom R. (mai 1996). "Mips R5000: Rask, rimelig 3-D". Byte , 161–162.
• MIPS Technologies, Inc. MIPS R5000 mikroprosessor teknisk bakgrunn .
• PMC-Sierra, Inc. (4. april 2001). "PMC-Sierra leverer tredje generasjon R5200A MIPS-mikroprosessorer". Pressemelding.
• Quantum Effect Devices (24. mars 1997). "QED introduserer RM52xx mikroprosessorfamilie". Pressemelding.
• Quantum Effect Devices (29. september 1997). "QED introduserer RM5270 Superscalar 64-bit mikroprosessor". Pressemelding.
• Quantum Effect Devices (20. juli 1998). "QED introduserer RM52x1 mikroprosessorfamilien". Pressemelding.
• Quantum Effect Devices (6. juli 1999). "QEDs RM5271 Tilgjengelig umiddelbart på 300 MHz". Pressemelding.