R4000

R4000
도시바 R4000 마이크로프로세서
MIPS R4000 다이샷

R4000은 MIPS Computer Systems가 개발한 마이크로프로세서이며, MIPS III 명령 세트 아키텍처(ISA)를 구현합니다.1991년 10월 1일 공식적으로 발표된 이 제품은 최초의 64비트 마이크로프로세서 중 하나이며 최초의 MIPS III 구현체 중 하나이다.1990년대 초 RISC 마이크로프로세서가 인텔 i486 등의 CISC 마이크로프로세서를 대체할 것으로 예상되었을 때 R4000은 공통 RISC 플랫폼을 정의하기 위한 업계 표준인 Advanced Computing Environment (ACE)의 마이크로프로세서로 선택되었습니다.ACE는 여러 가지 이유로 실패했지만 R4000은 워크스테이션과 서버 시장에서 성공을 거두었습니다.

모델

R4000에는 세컨더리 캐시를 지원하지 않는 엔트리 레벨 모델인 R4000PC, 세컨더리 캐시는 있지만 멀티프로세서 기능은 지원하지 않는 모델인 R4000SC 및 세컨더리 캐시를 갖추고 멀티프로세서 시스템에서 요구하는 캐시 일관성 프로토콜을 지원하는 모델인 R4000MC의 3가지 구성이 있습니다.

묘사

R4000은 8단 정수 파이프라인을 갖춘 스칼라 슈퍼파이프라인 마이크로프로세서입니다.제1단계(IF) 중에 명령용 가상 주소가 생성되고 명령 번역 룩사이드 버퍼(TLB)가 주소의 물리 주소로의 변환을 시작한다.제2단계(IS)에서는 변환을 완료하고 내부 8KB 명령 캐시에서 명령을 가져온다.명령 캐시는 직접 매핑되고 가상 인덱싱되며 물리적으로 태그가 지정됩니다.회선 사이즈는 16바이트 또는 32바이트입니다.아키텍처상으로는 32KB까지 확장할 수 있습니다.

제3단계(RF)에서는 명령을 디코딩하여 레지스터 파일을 읽는다.MIPS III는 정수 단위용과 부동 소수점용 두 개의 레지스터 파일을 정의합니다.각 레지스터 파일의 폭은 64비트이며 32개의 엔트리가 포함되어 있습니다.정수 레지스터 파일에는 2개의 읽기 포트와 1개의 쓰기 포트가 있으며 부동소수점 레지스터 파일에는 2개의 읽기 포트와 2개의 쓰기 포트가 있습니다.정수와 부동소수점 명령의 실행은 4단계(EX)에서 시작하여 8단계(WB)에서 완료되면 레지스터 파일에 다시 기록됩니다.가능하면 결과를 바이패스할 수 있습니다.

정수 실행

R4000에는 정수 명령을 실행하기 위한 산술 로직 유닛(ALU), 시프터, 승수 및 분배기 및 로드 얼라이너가 있습니다.ALU는 64비트 캐리 셀렉트 가산기와 로직 유닛으로 구성되어 있으며 파이프라인으로 되어 있습니다.시프터는 32비트 배럴 시프터입니다.64비트 시프트를 2사이클로 실행하여 결과적으로 파이프라인을 정지시킵니다.이 설계는 다이 영역을 절약하기 위해 선택되었습니다.멀티플라이어와 디바이다는 파이프라인화되어 있지 않고 상당한 지연이 있습니다.멀티플라이어는 32비트 또는 64비트 정수의 경우 각각10 또는 20사이클의 지연이 있는 반면 분할은 32비트 또는 64비트 정수의 경우 각각69 또는 133사이클의 지연이 있습니다.대부분의 명령에는 단일 주기 지연 시간이 있습니다.ALU 가산기는 부하, 스토어 및 브랜치의 가상 주소 계산에도 사용됩니다.

로드 및 저장 명령은 정수 파이프라인에 의해 실행되며 온칩 8KB 데이터 캐시에 액세스한다.

부동 소수점 실행

R4000에는 R4010이라고 불리는 온다이 IEEE 754-1985 준거 부동소수점 유닛(FPU)이 탑재되어 있습니다.FPU는 코프로세서 지정[1] CP1입니다(MIPS ISA는 CP0에서 CP3으로 지정된4개의 코프로세서를 정의했습니다).FPU는 CPU 상태 레지스터에서 FR 비트를 설정하여 32비트 또는 64비트의 두 가지 모드로 작동할 수 있습니다.32비트 모드에서는 32개의 부동소수점 레지스터를 사용하여 단정도 부동소수점 번호를 유지하면 32비트 폭이 됩니다.배 정밀도 숫자를 유지하는 데 사용할 경우 16개의 부동 소수점 레지스터가 있습니다(레지스터는 쌍을 이룹니다).

FPU는 데이터나 자원의 의존성이 없는 한 ALU와 병행하여 동작할 수 있으며, 이로 인해 정지합니다.여기에는 가산기, 승수 및 나눗셈기의 세 가지 서브유닛이 포함됩니다.곱셈기와 나눗셈기는 덧셈기와 병렬로 명령을 실행할 수 있지만, 마지막 실행 단계에서 덧셈기를 사용하기 때문에 중복 실행에 제한이 있습니다.따라서 특정 조건 하에서는 각 유닛에 하나씩 최대 3개의 명령을 동시에 실행할 수 있습니다.FPU는 사이클당 1개의 명령을 폐기할 수 있습니다.

가산기와 승수는 파이프라인으로 되어 있습니다.승수에는 4단 승수 파이프라인이 있습니다.적절한 성능을 얻기 위해 마이크로프로세서의 클럭 주파수의 2배로 클럭킹되며 동적 로직을 사용하여 높은 클럭 주파수를 실현합니다.단정도 또는 2배의 정밀도 연산의 경우 분할 지연은 23 또는 36 사이클이고 제곱근은 54 또는 112 사이클 지연입니다.division 및 square-root에서는 SRT 알고리즘을 사용합니다.

메모리 관리

Memory Management Unit(MMU; 메모리 관리 유닛)은 48 엔트리 변환 룩사이드버퍼를 사용하여 가상 주소를 변환합니다.R4000은 64비트 가상 주소를 사용하지만 1TB의 가상 메모리에 64비트 중 40비트만 구현합니다.나머지 비트는 0이 포함되어 있는지 확인합니다.R4000은 36비트의 물리 주소를 사용하기 때문에 64GB의 물리 메모리를 처리할 수 있습니다.

세컨더리 캐시

R4000(SC 및 MC 구성만 해당)은 128KB ~4MB 용량의 외부 세컨더리 캐시를 지원합니다.캐시는 전용 128비트 데이터 버스를 통해 액세스합니다.세컨더리 캐시는 통합 캐시 또는 분할 명령 및 데이터 캐시로 구성할 수 있습니다.후자의 설정에서는, 각 캐시에 128 KB ~2 MB [2]의 용량을 설정할 수 있습니다.세컨더리 캐시는 물리적으로 인덱스화되어 태그가 부착되어 있으며 128, 256, 512 또는 1,024바이트의 프로그램 가능한 회선 크기를 가지고 있습니다.캐시 컨트롤러는 온다이입니다.캐시는 표준 Static Random Access Memory(SRAM; 스태틱랜덤 액세스 메모리)에서 구축됩니다.데이터 및 태그버스는 ECC로 보호됩니다.

시스템 버스

R4000은 SysAD 버스라고 불리는64비트 시스템버스를 사용합니다.SysAD 버스는 주소 및 데이터 다중 버스였습니다. 즉, 동일한 와이어 세트를 사용하여 데이터와 주소를 전송했습니다.이로 인해 대역폭은 감소하지만 별도의 주소 버스를 제공하는 것보다 비용이 적게 듭니다.이것에 의해, 핀이 더 많이 필요하게 되어, 시스템의 복잡성이 증가합니다.SysAD 버스는 내부 클럭 주파수의 절반, 1/3 또는 1/4에서 작동하도록 구성할 수 있습니다.SysAD 버스는 동작 주파수를 분할하여 클럭 신호를 생성합니다.

트랜지스터 수, 다이 치수 및 프로세스 상세

R4000에는 120만개의 트랜지스터가 [3]탑재되어 있습니다.1.0μm의 2층 금속 상보 금속 산화물 반도체(CMOS) 공정을 위해 설계되었습니다.MIPS는 팹리스 기업이었기 때문에 R4000은 파트너에 의해 자체 프로세스로 제조되었으며 최소 기능 [4]사이즈는 0.8μm였습니다.

크로킹

R4000은 외부에서 생성된 마스터 클럭 신호로부터 다양한 클럭 신호를 생성합니다.동작 주파수의 경우 R4000은 On-Die Phase-Locked Loop(PLL)을 사용하여 마스터 클럭 신호에 2를 곱합니다.

패키징

R4000PC는 179핀 세라믹 핀 그리드 어레이(CPGA)로 패키지화되어 있습니다.R4000SC 및 R4000MC는 447핀 세라믹 SPGA(Staggered Pin Grid Array)로 패키지되어 있습니다.R4000MC의 핀아웃은 R4000SC와는 다릅니다.R4000SC에서 사용되지 않는 핀도 R4000MC에서 캐시 일관성을 구현하기 위한 신호로 사용됩니다.R4000PC의 핀 배열은 PGA 패키지 R4200 및 R4600 마이크로프로세서와 비슷합니다.이 특성을 통해 3개의 마이크로프로세서를 사용할 수 있도록 적절하게 설계된 시스템이 가능합니다.

R4400

도시바가 제조한 R4400MC 마이크로프로세서의 예
NEC VR4400MC 다이샷

R4400은 R4000을 한층 더 발전시킨 것입니다.그것은 1992년 11월 초에 발표되었다.마이크로프로세서의 샘플은 그 전에 엄선된 고객에게 출하되어 1993년 1월에 일반 발매되었습니다.R4400은 100, 133, 150, 200 및 250MHz의 클럭 주파수로 동작합니다.R4000에서 유일하게 크게 개선된 것은 프라이머리 캐시의 용량이 8KB에서 16KB로 2배 증가했다는 점입니다.그것은 230만 개의 트랜지스터를 포함하고 있었다.

R4400은 IDT(Integrated Device Technology), LSI Logic, NEC, Performance Semiconductor, Siemens AG 및 Toshiba에서 라이선스를 취득했습니다.IDT, NEC, Siemens 및 Toshiba는 마이크로프로세서를 제조 및 판매했습니다.LSI Logic은 커스텀 제품에 R4400을 사용했습니다.Performance Semiconductor는 MIPS 마이크로프로세서 제품이 단종된 Cypress Semiconductor에 로직 사업부를 매각했다.

NEC는 그들의 버전을 VR4400으로 출시했다.첫 번째 버전인 150MHz 부분은 1992년 11월에 발표되었습니다.초기 버전은 0.6μm [5]프로세스로 제작되었습니다.1995년 중반 250MHz 부품이 샘플링을 시작했습니다.0.35μm의 4층 금속 공정으로 [6]제작되었습니다.NEC는 또한 1MB의 2차 캐시를 구현한 10개의 1Mbit SRAM 칩을 갖춘 VR4400SC를 탑재한 세라믹 멀티칩 모듈(MCM)인 MR4401도 생산했습니다.MCM은 R4x00PC와 핀 호환성이 있었습니다.첫 번째 버전인 150MHz 부분은 1994년에 발표되었습니다.1995년에는 200MHz 파트가 발표되었습니다.

도시바는 TC86R4400으로 출시했다.0.3μm 공정으로 제작된 230만 개의 트랜지스터를 포함하고 134mm2 크기의 200MHz 부품이 1994년 중반에 도입되었습니다.R4400PC는 1,600달러, R4400SC는 1,950달러, R4400MC는 2,150달러로 수량이 한정되어 있습니다.[7]

사용.

R4400은 다음 사용자가 사용합니다.

칩셋

R4000 및 R4400 마이크로프로세서는 커스텀 ASIC 또는 시판되고 있는 칩셋에 의해 시스템에 인터페이스 되었습니다.SGI와 같은 시스템 벤더는 자체 시스템용 ASIC를 개발했습니다.상업용 칩셋은 i486 호환 [13]버스를 제공하는 Tiger Shark 칩셋과 함께 도시바와 같은 회사에 의해 개발, 제작 및 판매되었다.

메모들

  1. ^ MIPS R4000 마이크로프로세서 사용자 매뉴얼, 제2판, 페이지 152
  2. ^ Heinrich, "MIPS R4000 마이크로프로세서 사용자 매뉴얼", 페이지 248
  3. ^ Mirapuri, "Mips R4000 프로세서", 페이지 10
  4. ^ Mirapuri, "Mips R4000 프로세서", 페이지 21
  5. ^ "NEC VR4400 클럭-더블링 RISC에 2m 트랜지스터 있음"
  6. ^ "64비트 MIPS R4400 RISC 250MHz 버전으로 NEC 지원"
  7. ^ 도시바 200MHz MIPS R4400 탑재
  8. ^ "...Carrera 컴퓨터에서도"
  9. ^ "새로운 버스 아키텍처를 특징으로 하는 동시 멀티프로세서"
  10. ^ 「데스크스테이션으로부터 MIPS R 베이스의 Windows NT 퍼스널 컴퓨터…."
  11. ^ "NEC, 최신 RISC UNIX 워크스테이션 출시로 비즈니스 시장 공략"
  12. ^ "Pyramid Technology, Nile 시리즈로 메인프레임 충돌 목표"
  13. ^ "도시바 샘플 80486-R 시리즈용 버스 칩 세트"

레퍼런스