R3000
R3000
デザイナーMIPSコンピュータシステム
ビット32ビット
紹介された1988
デザインRISC

R3000は、 MIPSコンピュータシステムズ社が開発した32ビットRISCマイクロプロセッサチップセットで、 MIPS I命令セットアーキテクチャ（ISA）を実装しています。1988年6月に発表されたR3000は、MIPSマイクロプロセッサのフラッグシップモデルとしてR2000の後継機として、2番目のMIPS実装でした。動作周波数は20MHz、25MHz、33.33MHzでした。

説明

MIPS 1の命令セットは、当時の80x86や680x0アーキテクチャの命令セットと比較すると小さく、より一般的に使用される演算のみがエンコードされ、サポートされるアドレッシングモードも限られていました。固定長の命令と3種類の命令フォーマットのみで構成されていたため、命令のデコードと処理が簡素化されました。5段の命令パイプラインを採用し、当時としては異例な1サイクルあたり1命令に近い速度での実行を可能にしました。

このアーキテクチャは分岐遅延スロットを利用しています。MIPSコンピュータシステムズ社が提供しているR3000用コンパイラは、通常、この遅延スロットを70～90%程度埋めることができました。 [ 1 ]一部の軍事用途では、この数値は75～80%に達しました。[ 2 ]

このMIPS世代は最大4つのコプロセッサをサポートします。CPUコアに加えて、R3000マイクロプロセッサには、トランスレーション・ルックアサイド・バッファ（TLB ）とメモリ管理ユニット（MMU）を備えた制御プロセッサ（CP）が搭載されています。[ 3 ] CPはコプロセッサとして機能します。R3000はCPに加えて、外部R3010数値コプロセッサ[ 4 ]と 、さらに2つの外部コプロセッサもサポートします。

R3000 CPUにはレベル1キャッシュは搭載されていません。代わりに、オンチップのキャッシュコントローラが、それぞれ最大256KBの外部データキャッシュと命令キャッシュを操作します。両方のキャッシュに同じクロックサイクルでアクセスできます。

R3000はR2000の更なる発展型で、 TLBの大型化や外部キャッシュへのバスの高速化といった小さな改良が加えられた。R3000のダイには115,000個のトランジスタが搭載され、ダイ面積は約75,000平方ミル（48 mm 2）であった。[ 5 ] MIPSはファブレス半導体企業であったため、R3000はIntegrated Device Technology（IDT）、LSI Logic、NEC、Performance SemiconductorなどのMIPSパートナー企業によって製造された。R3000は1.2 μm相補型金属酸化膜半導体（CMOS）プロセス[ 3 ]で製造され、2層のアルミニウム配線が用いられた。

ワークステーションおよびサーバーでの使用

MIPS R3000Aダイショット

RISCアプローチは大きな成功を収め、多くの企業のワークステーションやサーバーに急速に採用されました。[ 6 ] R3000を使用していた企業には次のようなものがあります。

非組み込みアプリケーション向けの R3000 の派生製品には、次のものがあります。

  • R3000A - 1989 年に導入された MIPS によるさらなる開発。最大 40 MHz のクロック周波数で動作しました。
  • PR3400 - Performance Semiconductor社が開発し、1991年5月に発表された。こちらも最大40MHzで動作。Performance Semiconductor社のPR3000AとPR3010Aを1つのダイに統合した。

リアルタイムシステムでの使用

MIPS R3000はリアルタイムコンピューティングにも使用可能で、実際、 Computer Design誌の編集者はR3000を「リアルタイムオペレーティングシステムを実装するRISCプロセッサの中で最もクリーンなプロセッサ」と評した。[ 2 ] R3000の組み込み実装で​​は、デバッグ機能の追加や、未実装の機能やオペコードへのトラップの追加など、プロセッサをカスタマイズすることが可能であった。[ 11 ] R3000は、多くの企業で 組み込みシステム用マイクロプロセッサとして採用された。

これらの組み込みシステムの多くは防衛/航空電子機器アプリケーションで使用されており、1990年代初頭までにR3000用のAdaプログラミング言語クロスコンパイラ実装が数多く提供されていました。[ 12 ] 1980年代後半に米国政府が主導し、次世代の米国空軍、海軍、陸軍航空機の共通規格を確立することを目的とした統合航空電子機器作業部会（JIAWG）は、リアルタイム組み込みシステムアプリケーション向けの2つの32ビット命令セットアーキテクチャのうちの1つとしてR3000を選択しました（もう1つはIntel i960）。[ 2 ]防衛産業での使用において、R3000は16ビットMIL-STD-1750Aアーキテクチャの後継となることが多かったです。[ 14 ]

他の低コスト設計での使用

技術の進歩によりR3000は高性能システムでは時代遅れとなった後も、低コストの設計では引き続き使用されました。組み込みアプリケーション向けのR3000の派生製品には、以下のものがあります。

IDT R3051
IDT R3081
  • CW4003、DCAM-101 - デジタルカメラ用途をターゲットとしたCW4003コアは、高速整数演算用の「乗算器加算ボルトオン」（MABO）ユニットと、コプロセッサ2インターフェースを介してアクセス可能なピクセル処理アクセラレータ（PPA）ユニットを搭載していました。DCAM-101は、CW4003コアと、カメラセンサー、ディスプレイ、ストレージ、その他の周辺機器とインターフェースするモジュールを組み合わせ、JPEG圧縮/解凍ユニットも搭載していました。[ 7 ]
  • PR31500、PR31700 - Philips Semiconductors社製のマイクロプロセッサで、 Philips VeloハンドヘルドPCシリーズに搭載されています。75MHz動作のPR31700は350nmプロセスで製造され、208ピンLQFPパッケージで提供され、3.3Vで動作し、消費電力はわずか350mWです。
  • RISController - IDTの組み込みマイクロプロセッサフ​​ァミリー。モデルにはR3041、R3051、R3052、R3071、R3081などがありました。全モデルにL1キャッシュが内蔵されていました。上位モデルには大容量キャッシュとオプションのMMUおよびFPUが搭載されていました。Intel i960やAMD 29000と競合していました。
  • TX3900 - 東芝のマイクロコントローラ。
  • Mongoose-V - 宇宙船で使用するために放射線耐性が強化され、拡張された 10～15 MHz の CPU であり、現在でもNASAのニューホライズンズ宇宙探査機などのアプリケーションで使用されています。

参考文献

  1. ^スタリングス、ウィリアム (1996). 『コンピュータの構成とアーキテクチャ：パフォーマンスのための設計』（第4版）. アッパーサドルリバー、ニュージャージー州: プレンティス・ホール. p. 461. ISBN 0-13-359985-X。
  2. ^ a b c Kurtz, J. Jay; Thibeault, John E.; Brauckmann, Walter J. (1990).リアルタイム組み込みシステムにおけるMIPS R3000およびIntel 80960MCプロセッサの適用性評価. IEEE Con​​ference on Aerospace and Electronics, Dayton, OH, USA, 1990. pp.  140– 147. doi : 10.1109/NAECON.1990.112756 .
  3. ^ a bジュリー・シルク;ボルト・ロビッチ;テオ・ウンゲラー (1999)。プロセッサ アーキテクチャ: データフローからスーパースカラ、そしてその先へ。シュプリンガー・フェルラーク・ベルリン・ハイデルベルク。 p. 38.ISBN​ 978-3-540-64798-0。
  4. ^ Rowen, Chris; Johnson, Mark; Ries, Paul (1988年6月). 「MIPS R3010浮動小数点コプロセッサ」 . IEEE Micro . 8 (3). The Institute of Electrical and Electronics Engineers: 53– 62. doi : 10.1109/40.540 . ISSN 0272-1732 . S2CID 12859181. 2022年4月24日閲覧.  
  5. ^マイケル・スレーター編 (1992). 『RISCマイクロプロセッサガイド』 アカデミック・プレス社 p. 129. ISBN 978-0-12-649140-1。
  6. ^ a b Caulk, Bob; et al. (1991). LR33000のアーキテクチャ：組み込み制御アプリケーション向けMIPS互換RISCプロセッサ. IEEE International Conference on Computer Design: VLSI in Computers and Processors, Cambridge, MA, USA, 1991. pp.  333– 336. doi : 10.1109/ICCD.1991.139911 .
  7. ^ a b Archide, Reynaldo (1998年3月). 「デジタルカメラ向けの柔軟なCPU」 . Byte . pp.  49– 50. 2023年8月17日閲覧。
  8. ^ Sharma, Aashish (2015年7月21日). 「初代PlayStationのCPUがNew Horizo​​nsを動かす」 . Fossbytes .
  9. ^トムソン、イアン（2015年1月14日）「プレイステーションプロセッサ搭載プルトニウム探査機が冥王星の写真を撮影」 The Register誌。
  10. ^ドックリル、ピーター（2015年7月17日） 「NASA​​のニューホライズン探査機、プレイステーションのCPUを脳として冥王星に到達」サイエンスアラート。
  11. ^ a b Peck, Raymond; Patel, Jay (1991). MIPS互換組み込み制御プロセッサの設計手法. IEEE International Conference on Computer Design: VLSI in Computers and Processors, Cambridge, MA, USA, 1991. pp.  324– 328. doi : 10.1109/ICCD.1991.139909 .
  12. ^ a b c d e f「Adaの実装」。Ada –JOVIALニュースレター。高階言語制御施設、ライト・パターソン空軍基地、米国空軍。1993年9月。26  ～ 43ページ、特に32～34ページ。
  13. ^ Schilling, Jonathan L.; Nielsen, Johan Olmütz (1994年5～6月). 「モニタータスクの自動コンパイラ認識」. ACM SIGAda Ada Letters . 14 (3): 91– 104. doi : 10.1145/181468.181474 .
  14. ^例えば、 Keller, John (1997年4月). 「R3000ベースのApache Longbowコンピュータが生産開始」 . Military & Aerospace Electronics .
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