R4000

El R4000 cuenta con una unidad aritmético-lógica (ALU), un desplazador, un multiplicador, un divisor y un alineador de carga para la ejecución de instrucciones enteras. La ALU consta de un sumador de selección de acarreo de 64 bits y una unidad lógica, y está segmentada. El desplazador es un desplazador de barril de 32 bits . Realiza desplazamientos de 64 bits en dos ciclos, lo que provoca el bloqueo de la segmentación. Este diseño se eligió para ahorrar área del chip. El multiplicador y el divisor no están segmentados y presentan latencias significativas: las multiplicaciones tienen una latencia de 10 o 20 ciclos para enteros de 32 o 64 bits, respectivamente; mientras que las divisiones tienen una latencia de 69 o 133 ciclos para enteros de 32 o 64 bits, respectivamente. La mayoría de las instrucciones tienen una latencia de un solo ciclo. El sumador de la ALU también se utiliza para calcular direcciones virtuales para cargas, almacenamientos y bifurcaciones.

Las instrucciones de carga y almacenamiento son ejecutadas por la tubería de enteros y acceden a la  caché de datos de 8 KB integrada en el chip.

El R4000 tiene una unidad de punto flotante (FPU) integrada compatible con IEEE 754-1985 , denominada R4010. La FPU es un coprocesador designado CP1 ^{[ 1 ]} (el conjunto de instrucciones MIPS definió cuatro coprocesadores, designados CP0 a CP3). La FPU puede operar en dos modos, de 32 o 64 bits, que se seleccionan configurando un bit, el bit FR, en el registro de estado de la CPU. En el modo de 32 bits, los 32 registros de punto flotante se convierten en 32 bits de ancho cuando se usan para almacenar números de punto flotante de precisión simple. Cuando se usan para almacenar números de doble precisión, hay 16 registros de punto flotante (los registros están emparejados).

La FPU puede operar en paralelo con la ALU, salvo que exista una dependencia de datos o recursos que provoque su bloqueo. Consta de tres subunidades: un sumador, un multiplicador y un divisor. El multiplicador y el divisor pueden ejecutar una instrucción en paralelo con el sumador, pero lo utilizan en sus etapas finales de ejecución, lo que limita la ejecución simultánea. Por lo tanto, bajo ciertas condiciones, puede ejecutar hasta tres instrucciones a la vez, una en cada unidad. La FPU es capaz de descartar una instrucción por ciclo.

El sumador y el multiplicador están segmentados. El multiplicador cuenta con una segmentación de cuatro etapas. Su reloj funciona al doble de la frecuencia del microprocesador para un rendimiento óptimo y utiliza lógica dinámica para alcanzar dicha frecuencia. La división tiene una latencia de 23 o 36 ciclos para operaciones de precisión simple o doble, y la raíz cuadrada tiene una latencia de 54 o 112 ciclos. Tanto la división como la raíz cuadrada utilizan el algoritmo SRT .

La unidad de gestión de memoria (MMU) utiliza un búfer de traducción de direcciones de 48 entradas para traducir direcciones virtuales . El R4000 utiliza una dirección virtual de 64 bits, pero solo implementa 40 de los 64 bits, lo que permite 1 TB de memoria virtual ; los bits restantes se comprueban para asegurar que contengan cero. El R4000 utiliza una dirección física de 36 bits , por lo que puede direccionar 64  GB de memoria física .

El R4000 (solo configuraciones SC y MC) admite una caché secundaria externa con una capacidad de 128  KB a 4  MB. Se accede a la caché a través de un bus de datos dedicado de 128 bits. La caché secundaria se puede configurar como una caché unificada o como una caché de instrucciones y datos separada. En esta última configuración, cada caché puede tener una capacidad de 128  KB a 2  MB. ^{[ 2 ]} La caché secundaria está indexada físicamente, etiquetada físicamente y tiene un tamaño de línea programable de 128, 256, 512 o 1024 bytes. El controlador de caché está integrado en el chip. La caché está construida con memoria de acceso aleatorio estática (SRAM) estándar. Los buses de datos y etiquetas están protegidos con ECC.

El R4000 utiliza un bus de sistema de 64 bits denominado bus SysAD. El bus SysAD era un bus multiplexado de direcciones y datos, es decir, utilizaba el mismo conjunto de cables para transferir datos y direcciones. Si bien esto reduce el ancho de banda, también resulta menos costoso que proporcionar un bus de direcciones independiente, que requiere más pines y aumenta la complejidad del sistema. El bus SysAD se puede configurar para operar a la mitad, un tercio o un cuarto de la frecuencia del reloj interno. El bus SysAD genera su señal de reloj dividiendo la frecuencia de operación.

El R4000 contiene 1,2 millones de transistores. ^{[ 3 ]} Fue diseñado para un proceso CMOS ( semiconductor complementario de óxido metálico )  de dos capas de 1,0 μm . Dado que MIPS era una empresa sin fábrica propia , el R4000 fue fabricado por socios en sus propios procesos, que tenían un tamaño mínimo de característica de 0,8 μm. ^{[ 4 ]} 

El R4000 genera las distintas señales de reloj a partir de una señal de reloj maestra generada externamente. Para la frecuencia de funcionamiento, el R4000 multiplica por dos la señal de reloj maestra mediante un bucle de enganche de fase (PLL) integrado en el chip.

El R4000PC se presenta en un encapsulado CPGA ( matriz de rejilla de pines cerámica) de 179 pines . Los R4000SC y R4000MC se presentan en un encapsulado SPGA ( matriz de rejilla de pines escalonada cerámica ) de 447 pines. La distribución de pines del R4000MC difiere de la del R4000SC, ya que algunos pines no utilizados en el R4000SC se emplean para señales que implementan la coherencia de caché en el R4000MC. La distribución de pines del R4000PC es similar a la de los microprocesadores R4200 y R4600 , que se presentan en encapsulados PGA . Esta característica permite que un sistema diseñado adecuadamente utilice cualquiera de los tres microprocesadores.

El R4400 es utilizado por:

• Computadoras Carrera en sus computadoras personales y estaciones de trabajo con Windows NT ^{[ 8 ]}
• Concurrent Computer Corporation en sus sistemas multiprocesador en tiempo real Maxion ^{[ 9 ]}
• Tecnología DeskStation en sus ordenadores personales Windows NT y estación de trabajo DeskStation Tyne ^{[ 10 ]}
• Digital Equipment Corporation en su estación de trabajo y servidor DECstation 5000/260
• NEC Corporation en sus estaciones de trabajo RISCstation , servidores RISCserver y supercomputadora Cenju-3 ^{[ 11 ]}
• NeTPower en sus estaciones de trabajo y servidores Windows NT
• Pyramid Technology utilizó el R4400MC en sus servidores de la serie Nile ^{[ 12 ].}
• Siemens Nixdorf Informationssysteme (SNI) en sus servidores UNIX serie RM y mainframe SR2000
• Silicon Graphics en sus estaciones de trabajo Onyx , Indigo , Indigo2 e Indy ; y en su servidor Challenge .
• Tandem Computers en sus servidores tolerantes a fallos NonStop Himalaya