All About Circuits｜卢克·詹姆斯（Luke James）｜2026年11月6日

四十年前，1985年的圣诞节前后，约翰·穆苏里斯（John Moussouris）带着一块电路板，从加利福尼亚送到马萨诸塞的 Prime Computer。Prime 事先谈好：只要他那家成立约一年的创业公司 MIPS Computer Systems 能在节前交出芯片，并在规定主频下跑通真实程序，就预付 150 万美元。2011年，穆苏里斯在计算机历史博物馆的座谈上回忆过交货时的场面。接待他的高管鼻子通红，脸色难看。签这笔预付款的时候，对方认定 MIPS 交不出芯片。他带到现场的，是一颗已经能工作的芯片。

约翰·穆苏里斯（John Moussouris）博士。图片由牛津大学圣十字学院提供

这颗芯片就是 R2000。它是 32 位处理器，采用 2 µm CMOS，管芯面积 80 mm²，集成 11 万个晶体管，也是约翰·亨尼西（John Hennessy）1981年起在斯坦福大学所做研究的商用版本。计算机体系结构课上，学生后来一直在画的五级流水线，就是 R2000 这一套。

研究是从一门课开始的。1981年春天，亨尼西在斯坦福讲授超大规模集成电路设计，MIPS 是这门课上的项目，全称是“没有互锁流水级的微处理器”（Microprocessor Without Interlocked Pipe Stages）。一般的流水线会用硬件检查前后两条指令：后一条要用的结果如果还没有产生，流水线就先停住，等结果出来再继续。斯坦福的芯片没有这套硬件。课题组在 1982年的论文里写明，这台机器“不提供流水线互锁硬件，这项功能必须由软件提供”。

MIPS R2000 中央处理器与浮点部件框图。图片由帝国理工学院提供

软件要补上的，是指令的先后次序。小组写了一道名为 reorganizer 的编译遍。代码生成之后，只要某条指令用到前一条的结果，它就把一条不相干的指令调到中间；调不到，就插入一条空操作。分支也按这个办法处理。芯片判明分支是否跳转时，下一条指令已经取进来了，设计就让这条指令照常执行，有用的内容交给编译器去填。流水线如果还是六级，分支后面就要安排两条这样的指令。1981年秋天改成五级以后，需要安排的只剩一条。

课堂上那颗芯片还很小，采用 nMOS，晶体管大约 2.5 万个，寄存器 16 个，目标主频 4 MHz。1984年初，能工作的 3 µm 样片从美国国防高级研究计划局（DARPA）的 MOSIS 服务返回，2月20日跑通了第一个完整程序，八皇后。样片能跑之后，亨尼西拿去向风险投资机构讲解，用的是手绘投影片。他后来说，这些投影片“里面没有市场分析”。就在这年夏天，亨尼西、当时正从 IBM 休假的穆苏里斯，以及摩托罗拉 68000 的架构师斯基普·斯特里特（Skip Stritter），注册成立了 MIPS Computer Systems。当年 10月，Mayfield 基金投入 150 万美元。

到了能卖的 R2000，版图换过一回。穆苏里斯说，它和斯坦福那一版“没有一块矩形相同”。改动大多是为了把课堂项目做成能跑 Unix 的芯片：工艺从 nMOS 换成 CMOS，寄存器堆扩大一倍，达到 32 个，寻址也从按字改为按字节。

存储管理是商用芯片才放进来的。斯坦福 1984年的报告把它留在片外，因为 4 µm 的 nMOS 放不下。工艺收到 2 µm 以后，R2000 放进一个 64 项、全相联的转译后备缓冲器（TLB），用来映射 4 KB 页面。缓存和浮点仍然放不进这 11 万个晶体管，指令缓存和数据缓存就改用片外静态存储器（SRAM），各最多 64 KB。浮点运算交给协处理器 R2010，R2020 则把最多 4 笔尚未完成的 DRAM 写操作排进队列。R2000 以 144 引脚针栅阵列（PGA）封装出货，主频分为 8.3 MHz、12.5 MHz 和 15 MHz 三档。

流水线没有跟着重做，一条指令仍是五级：取指令、读寄存器、算术逻辑单元（ALU）运算、访存、写回，每个周期进入一条新指令。编译器要管的，还是原先那两处。紧接在取数后面的指令，不能立刻使用这次取数的结果，中间要放一条无关指令，或者一条空操作。分支后面的那条指令，无论分支是否跳转，都会执行。名字则没有字面上看起来那么绝对。早期 MIPS 工程师约翰·梅希（John Mashey）指出，乘除法结果寄存器和浮点部件上其实留着互锁。

MIPS 自己没有晶圆厂，设计先送到 VLSI Technology 去加工。圣何塞的初创公司塞拉半导体（Sierra Semiconductor）也要求用这套掩模来做，并提出可以免费，只有成品率达到 VLSI Technology 的水平才收费。MIPS 在 1985年感恩节前流片。17天后，塞拉交出的晶圆上已经有完全能工作的器件。穆苏里斯说，接下来的一年里，没有别人做出这颗芯片。第二来源要到 1987年12月才出现，设计授权给了集成器件技术公司（Integrated Device Technology）、LSI Logic 和 Performance Semiconductor。

能工作的芯片，接着进了工作站。1987年，卡内基梅隆大学软件工程研究所测过基于 R2000 的 MIPS M/500，大约每秒 800 万条指令，大致是 VAX-11/780 的五倍。硅图（Silicon Graphics）起先告诉穆苏里斯，他们打算用仙童的 Clipper。两家工程师把方案对了一天，硅图改了决定，同年把一块主频 8 MHz 的 R2000 板装进 IRIS 4D/60。数字设备公司（Digital Equipment）晚一步：1988年7月取消了内部的 PRISM RISC 计划，1989年1月才出货自己的第一台 RISC 机器 DECstation 3100。这台机器采用主频 16.67 MHz 的 R2000，售价 11900 美元。

工作站卖出去之后，这套流水线又进了课本。1990年，亨尼西和大卫·帕特森（David Patterson）出版《计算机体系结构：量化研究方法》（Computer Architecture: A Quantitative Approach）。用亨尼西的话说，当时两人“躲在 DEC WRL”。WRL 是 DEC 西部研究实验室。给本科生用的《计算机组成与设计》（Computer Organization and Design），直接讲授 R2000 和 R3000 的指令集，使用 SPIM 模拟器。

亨尼西说，1990年那本书“成了标准教材”。两人在 2017年共同获得图灵奖。延迟槽没有在指令集里留那么久。梅希把取数延迟槽称作一个错误，到了 MIPS II，这项要求就取消了。公司后来也换过几次归属：1992年归入硅图，其后到了 Imagination Technologies，2021年转向 RISC-V，2025年8月被格芯（GlobalFoundries）收购。

来源：

https://www.allaboutcircuits.com/news/the-mips-r2000-the-stanford-risc-that-became-the-textbook-pipeline/