微处理器包括【透过专利看微处理器的技术发展（八）】

　　摘要：本文在调研MIPS公司发展历程的基础上，通过检索和分析MIPS美国专利，从年度申请数量、技术分布和技术发展趋势等几个方面进行了深入分析，为MIPS兼容产品研发提供线索和思路。
　　关键词：专利文献；MIPS；技术演进；专利分析
　　
　　Technology Development of Microprocessor from Patent（VIII）
　　― Technology Analysis on MIPS American Patents
　　
　　WU Xiao-dao, YU Peng, XIE Xue-jun
　　（Ministry of Industry and Information Technology Software
　　and Integrated Circuit Promotion Center, Beijing 100038, China）
　　
　　Abstract: An analysis on MIPS American patents is made based on history of MIPS technology, Inc. Related Applications Analysis，Technology distribution and development trend，an analysis in depth is made, which provides a clue for research and development of products.
　　Keywords: Patent document；MIPS；Technology evolution；patent analysis
　　
　　1引言
　　
　　随着MIPS处理器在嵌入式处理器市场占有率的扩大，并且不断有MIPS兼容处理器走向市场，越来越多的工程师关注MIPS技术的发展。本文结合MIPS处理器的发展历史和MIPS的美国专利技术，探究MIPS近期的研发重点，从而为研发MIPS兼容处理器提供线索和思路。
　　
　　2MIPS发展历程
　　
　　 2.1 MIPS简介
　　MIPS是最早实现和商业化的RISC处理器之一，其全称为无内部互锁流水级的微处理器 （Microprocessor without interlocked piped stages）简称MIPS，这个名称来源于MIPS处理器的设计思想“尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题”。当然MIPS原来还有每秒处理百万条指令（Million Instructions Per Second）的含义，在MIPS处理器产生时是处理器设计努力达到的一个目标。以MIPS处理器为代表的RISC 体系结构极大的提升了处理器这一性能，这不能不说是一种巧合。
　　MIPS体系结构诞生于80年代早期，最初来自于John Hennessy和他的学生在Stanford大学所做的工作。他们在探索RISC（Reduced Instruction Set Computing）体系结构的概念，该理论以相对简单的指令、结合优秀的编译器和使用流水线执行指令的硬件，可以在较小的面积上做出更快的处理器。1984年成立了MIPS Computer Systems公司，实现了MIPS体系结构的商业化。
　　在此后的14年间，MIPS体系结构沿着几条不同道路发展演化，从而非常成功地运用于工作站、服务器和嵌入式系统。MIPS体系结构目前支持64位的寻址和运算，实现内存保护的Unix等复杂操作系统，高性能的浮点运算和多线程管理。
　　MIPS Computer System公司于1992年被Silicon Graphics收购，这样MIPS处理器成了Silicon Graphics计算机系统的标准。64位处理器、高性能浮点运算，加上从Silicon Graphics继承的传统，使得MIPS处理器成了大批量销售的游戏机控制台所选择的解决方案。
　　1998年，MIPS Technologies从Silicon Graphics分离出来成为一家独立的公司，专注于针对嵌入式市场处理器的IP核设计。MIPS体系结构发展步伐进一步加快，特别是对于这个市场的特殊需求进行了针对性的改进：高性能计算、代码压缩、几何图形处理、安全验证、信号处理和多线程。MIPS体系结构的每次发展都伴随有实现该体系结构的成功处理器核，使得基于MIPS的处理器成为了高性能、低功耗应用的标准。
　　如今的嵌入式系统直接受益于MIPS在工作站、服务器等复杂系统中留下的遗产，因为嵌入式系统本身也变得越来越复杂了。一个典型的嵌入式系统往往由多个处理单元、一个高性能存储器以及一个或多个操作系统构成。与其他的嵌入式体系结构相比较，MIPS体系结构提供了一个可以实现复杂系统的基础。
　　
　　 2.2 MIPS公司大事记
　　为更清晰地分析MIPS专利布局，首先让我们来了解一下MIPS公司的发展历程，通过MIPS公司的技术发展，下文将结合MIPS公司发展历程和当时的专利，详细分析MIPS专利。
　　在MIPS公司的发展历程中，经历了以下几件重要的转折：
　　 1. 1981年，美国斯坦福大学的John Hennessy教授就发布了第一款MIPS芯片。
　　 2. 1984年，斯坦福大学的一组科研人员成立了MIPS Computer Systems Inc.
　　 3. 1985年，发布了第一款产品R2000。
　　 4. 1988年，开发出了升级版芯片R3000。
　　 5. 1989年，MIPS Computer Systems Inc.上市；
　　 6. 1991年，MIPS公司发布了世界上第一款64位芯片R4000。
　　 7. 1992年，Silicon Graphics Inc.（SGI）并购了MIPS Computer Systems Inc.，成立MIPS技术公司（MTI）。
　　 8. 1998年，从SGI中分拆后，MIPS Technologies Inc.再次上市。
　　该公司开发的R2000和R3000产品，是两款32位芯片，成为MIPS公司在芯片行业立足的基石，同时这两款芯片也主要用于SGI的图形工作站。
　　目前，MIPS已经完全退出了桌面市场，而将其重心完全转移到嵌入式市场领域，该公司是世界上第二大嵌入式处理器公司，在机顶盒、无线路由器、打印机、DVD刻录机等领域占据绝对的领导地位。
　　
　　 2.3 MIPS体系结构的演进
　　如表1 MIPS CPU的里程碑所示，MIPS体系结构自从发明以来就一直在成长――最为显著的是从32位成长到64位，这个成长非常顺利。现将32位MIPS CPU（包括R2000、R3000及其后继产品）的指令集体系结构（简称ISA）都称为MIPS I，R4000及后续产品64位的ISA称为MIPS III。1990年MIPS R4000问世，成为第一个投产的64位RISC体系结构的芯片。MIPS64 ISA定义了64位通用寄存器，一些CPU控制寄存器的宽度也不止32位。在32位指令不能兼容的扩展到处理64位操作数的情况下，就增加新的指令。
　　MIPS32和MIPS64 CPU都采用真正64位浮点寄存器的FPU，一次不再需要一对寄存器来容纳一个双精度的值。这个扩展与老的MIPS I模型（有32个32位寄存器成对使用这样看上去好像有16个64位寄存器）不兼容，所以在CPU控制寄存器中有一个模式开关可以设置成让寄存器的行为与MIPS I一样以便允许用老软件。
　　
　　3MIPS专利检索
　　
　　 3.1 MIPS公司美国专利检索
　　通过研究MIPS公司的发展历程，现对MIPS公司的美国专利进行检索，截止2009年6月14日，以表2为检索入口，通过检索专利权人，美国MIPS授权专利达146件，美国MIPS申请专利达145件，转移给MIPS的美国专利达198件。去重后MIPS美国专利共计333件，其中不包括已由MIPS转至其他公司的10件专利。
　　这10件专利中有6件专利都与集成电路卡（IC卡）相关，且都在1995和1996年由MIPS转至IC卡相关公司。这是因为1992年MIPS被SGI收购后，其研发范围有所扩大，设计并申请了一些与IC卡相关的专利，但在1998年MIPS独立出来前，已转出了全部的IC卡专利，并于1998年后开始专心于微处理器研发和相应专利的申请。因为这些专利与MIPS处理器关系不大，所以本文专利统计分析不包含这些专利。
　　
　　 3.2 MIPS美国专利分析
　　 3.2.1 MIPS美国专利年度统计分析
　　如图1所示，从1983年开始，就已经有个人申请MIPS技术相关专利，并于1991年转移至MIPS。随着1990年MIPS第一个具有片上缓存的MIPS CPU问世，MIPS的美国专利数量也有所增加，特别是1993年SGI快速低端Indy工作站和Cisco路由器重要部件IDT/QED R4600-100上市，MIPS美国专利也急剧增长到了10件。在1998年MIPS从SGI独立出来后，MIPS专注于微处理器的研发，当时MIPS已拥有第一个片上二级高速缓存的MIPS处理器，是后几代激光打印机和因特网路由器的核心部件。同时MIPS的专利也在1999年进入迅猛增长阶段，特别在2001年达到了授权专利的最高点。自2001年美国建立申请库后，伴随着2002年IT业冬天的过去，2004年专利申请也开始回暖， 2006年MIPS的专利申请量达到了申请最高点。由于专利申请公开的延迟，2008年和2009年的部分专利申请尚未公开，这些专利不在本次统计分析范围内。
　　综上所述，MIPS自从SGI独立出来后一直比较重视专利的知识产权保护，在确定市场需求的同时就已开始研发和专利的申请。从图1的趋势看，未来两年MIPS可能会迎来又一次的授权高峰。
　　 3.2.2 MIPS美国专利技术分布分析
　　 通过美国专利分类号UPC对MIPS美国专利的技术领域进行分析，其专利数量大于等于15件的专利分类如图2所示，这些专利主要分布在711/117~711/146、 711/710、 711/202~711/207、 718、712/205~712/207、 708、 717、 712/228、 711/1~711/6、709。对照表3的美国UPC含义，MIPS美国专利主要集中在分级存储的高速缓存（cache）及其地址映射、输入/输出、虚拟机的任务分配及管理、取指、数字处理及计算、多处理器等领域。以上分析可见，MIPS美国专利覆盖的范围比较全面，基本覆盖了微处理器的各关键技术点。特别需要注意的是其中专门保护测试仿真和算术指令的专利数量较多，设计MIPS指令兼容处理器时要注意相关专利。
　　
　　 3.2.3 MIPS美国专利技术趋势分析
　　
　　 图3 将MIPS在2004年之前的美国专利和从2005至2009年的美国专利的UPC分布进行了对比，其两个时间段的专利（申请）总量相当，但专利的技术分布却有所不同。其中2004年之前的专利UPC分类号主要为710、718、711/202~711/207、717。近五年的专利UPC分类主要集中在711/117~711/146、710、711/202~711/207、708。对照表3可见，MIPS的专利技术布局早期主要集中在输入/输出、虚拟机的任务分配、地址映射、和软件开发与测试。而近五年的关注重点主要在cache及其地址映射、取指、输入/输出系统和虚拟机的任务分配领域，其中Cache及其地址映射和取指技术领域也是MIPS近五年的专利新的研发重点。
　　
　　小结
　　
　　通过上面的分析可见，MIPS自从SGI独立出来后一直比较重视专利的知识产权保护，在确定市场需求的同时就已开始研发和专利的申请。同时MIPS美国专利覆盖的范围比较全面，基本覆盖了微处理器的各关键技术点。特别需要注意的是其中专门保护测试仿真和算术指令的专利数量较多，设计MIPS指令兼容处理器时要注意相关专利。MIPS科技有限公司的美国专利（申请）早期主要集中在输入/输出、虚拟机的任务分配、地址映射、和软件开发与测试。而近五年的关注重点主要在cache及其地址映射、取指、输入/输出系统和虚拟机的任务分配领域，其中Cache及其地址映射和取指技术领域也是MIPS近五年的专利新的研发重点。
　　
　　下期预告
　　基于第七期多级Cache技术演进的基础上，深入Intel多级Cache的技术发展，对专利文献更进一步分析，我们还能发现哪些更为值得关注的技术趋势？下期中，我们将以Intel 近期多级Cache相关专利为样本，继续分析Intel多级Cache技术演进，尤其以多核中的多级Cache技术为重点，预测多级Cache的研发趋势，敬请期待。