ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM BÁO CÁO MÔN HỌC KIẾN TRÚC MÁY TÍNH NÂNG CAO ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VỀ CISC RISC Giảng Viên: PGS.TS Trần Ngọc Thịnh Học viên: 1570207 – Lê Nguyễn Trường Giang 1570222 – Nguyễn Ngọc Phương 1570209 – Diệp Hưng 1570208– Quách Đình Hoàng 1570214 – Nguyễn Văn Kiên 1570218 – Nguyễn Hữu Lộc Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2015 MỤC LỤC Trang Tổng quan 1.1 Giới thiệu CISC RISC 1.1.1 CISC 1.1.2 RISC 1.2 Lịch sử phát triển CISC RISC 1.3 Ưu điểm, nhược điểm CISC, RISC 1.3.1 CISC 1.3.2 RISC So Sánh CISC RISC Đánh giá CISC RISC Kết Luận TÀI LIỆU THAM KHẢO 11 Tổng quan 1.1 Giới thiệu CISC RISC 1.1.1 CISC CISC (Complex Instruction Set Computers) kiến trúc vi xử lý với tập lệnh lớn nhiều lệnh phức tạp Hướng tiếp cận CISC cố gắng thực tác vụ phức tạp câu lệnh Hướng tiếp cận kiến trúc CISC xuất phát từ đặc điểm giai đoạn đầu máy tính việc thiết kế phần cứng dễ thiết kế trình biên dịch nhớ chậm, đắt tiền Do nhà thiết kế CPU cố gắng tạo lệnh làm nhiều tác vụ tốt nhằm mục đích giảm thiểu truy cập vào nhớ kích thước nhớ Bởi câu lệnh cần phải thực nhiều thao tác nên kiến trúc CISC thường chứa số lượng lớn câu lệnh phức tạp Các xử lý dựa kiến trúc CISC thiết kế nhằm đơn giản hóa trình biên dịch cải thiện hiệu suất bị ràng buộc kích thước tốc độ nhớ CISC hỗ trợ ngôn ngữ cấp cao phức tạp, chịu trách nhiệm tạo mã lệnh máy cho xử lý Ví dụ, thay tạo trình biên dịch để viết câu lệnh nhân hai số nguyên, xử lý dựa kiến trúc CISC có sẵn câu lệnh để thực chức nhân hai số nguyên Chip CISC (Intel Xeon x86 Intel) Opteron AMD * Đặc điểm CISC: - Kích thước tập lệnh lớn với nhiều lệnh phức tạp - Nguyên lý giải mã lệnh phức tạp (Complex instruction-decoding logic): xuất phát từ nhu cầu câu lệnh hỗ trợ nhiều chế độ d địa (addressing mode) - Số lượng ghi mục đích chung (general purpose register) ít: Các lệnh hoạt động trực tiếp nhớ, không gian chip dùng làm ghi mục đích chung bị hạn chế - Có nhiều ghi mục đích đặc biệt (special purpose register): Nhiều thiết kế CISC dành ghi đặc biệt làm trỏ ngăn xếp, xử lý gián đoạn, Điều đơn giản hóa việc thiết kế phần cứng, tiêu tốn chi phí tập lệnh phức tạp - Thông thường, câu lệnh thường tốn chu kỳ để xử lý - Độ dài câu lệnh không cố định * Một số xử lý dựa kiến trúc CISC: - IBM 370/168 : Được công bố vào năm 1970 với xử lý 32 bit ghi dấu phẩy động 64-bit (floating point registers) - VAX 11/780 : Bộ xử lý 32 bit, hỗ trợ nhiều chế độ định địa ( addessing mode) mã máy - Intel 80486 : Được công bố vào năm 1989 với 235 câu lệnh có độ dài từ đến 11 1.1.2 RISC RISC (Reduced Instruction Set Computers) kiến trúc vi xử lý thiết kế theo hướng đơn giản hóa tập lệnh, thời gian thực thi tất lệnh Khác với hướng tiếp cận CISC, RISC cố gắng giảm số lượng thao tác câu lệnh nên câu lệnh trở nên đơn giản Vi xử lý RISC nhấn mạnh tính đơn giản hiệu Các thiết kế RISC khởi đầu với tập lệnh thiết yếu vừa đủ RISC tăng tốc độ xử lý cách giảm số chu kỳ đồng hồ lệnh Mục đích RISC tăng tốc độ hiệu dụng cách chuyển việc thực tác vụ không thường xuyên vào phần mềm, tác vụ phổ biến phần cứng thực nhằm tăng hiệu máy tính Vi xử lý RISC thường phù hợp với ứng dụng điều khiển hay nhúng máy in lazer, máy in đa chức Vi xử lý RISC phù hợp với ứng dụng xử lý ảnh, robot đồ họa nhờ có mức tiêu thụ điện thấp, thực thi nhanh chóng Chip RISC (Itanium Intel) * Đặc điểm RISC: - Các lệnh đơn giản: Kiến trúc CISC sử dụng rộng rãi lệnh phức tạp câu lệnh giúp giảm phức tạp ngữ nghĩa Tuy nhiên, thực tế, trình biên dịch bỏ qua lệnh Vì lý này, kiến trúc RISC sử dụng lệnh đơn giản với độ dài cố định lệnh kết hợp load/store với số học - Ít kiểu liệu: kiến trúc CISC hỗ trợ loạt cấu trúc liệu từ đơn giản phức tạp Tuy nhiên, liệu thực nghiệm cho thấy cấu trúc liệu phức tạp sử dụng RISC hỗ trợ vài kiểu liệu đơn giản cách hiệu kiểu liệu kết hợp/phức tạp tổng hợp từ chúng - Các chế độ định địa (addressing mode) đơn giản: thiết kế CISC cung cấp số lượng lớn chế độ đánhđịa để hỗ trợ cấu trúc liệu phức tạp để cung cấp linh hoạt để truy cập toán hạng Tuy nhiên dẫn đến vấn đề thời gian thực thi lệnh độ dài lệnh biến thiên Điều dẫn đến việc giải mã lệnh định thời không hiệu Thiết kế RISC dùng chế độ định địa đơn giản lệnh có chiều dài cố định để tạo điều kiện cho việc xử lý song song (pipelining) Chế độ định địa nhớ gián tiếp không cung cấp - Các ghi mục đích chung giống nhau: thiết kế RISC cho phép ghi dùng ngữ cảnh nào, đơn giản hóa thiết kế trình biên dịch - Kiến trúc Harvard: thiết kế RISC thường sử dụng mô hình nhớ Harvard, dòng lệnh luồng liệu tách * Một số xử lý phổ biến dựa kiến trúc RISC: ARM, SuperH, MIPS, SPARC, DEC, Alpha, PA-RISC, PIC, PowerPC IBM 1.2 Lịch sử phát triển CISC RISC Cuối năm 1950, với nhu cầu đưa dòng sản phẩm máy tính thị trường, IBM tiến hành chương trình nghiên cứu với mục đích tạo loạt phần mềm tương thích với máy tính Vào ngày tháng năm 1964, IBM System/360, máy tính thương mại dựa kiến trúc CISC công bố Sự thành công IBM System/360 đánh dấu thống trị kiến trúc CISC thập kỷ Tuy nhiên, vào năm 1970, IBM nhận thấy nhiều câu lệnh tập lệnh kiến trúc CISC loại bỏ, kết đời RISC, kiến trúc sử dụng tập lệnh nhỏ với lệnh đơn giản giúp tăng tốc độ xử lý, giảm kích thước xử lý giảm tiêu thụ lượng Hệ thống RISC bắt đầu thiết kế vào năm 1975 John Cocke hoàn thành vào năm 1980 có tên IBM 801 IBM 801 thiết kế để phục vụ cho công việc nhỏ sử dụng cho máy tính IBM RT vào năm 1986 bị thất bại Mặc dù bị thất bại IBM 801 tạo nên nguồn cảm hứng cho dự án nghiên cứu dẫn đến đời vi xử lý dựa kiến trúc RISC sau Vào năm 1982, dự án Berkeley RISC công bố xử lý RISC – I chứa 44420 transistor có 32 câu lệnh Năm 1983, Berkeley RISC tiếp tục công bố xử lý RISC – II với 40760 transistor 39 câu lệnh Năm 1985 1988, MIPS Computer Systems công bố vi xử lý R2000 R3000 Năm 1986, công ty Hewlett Packard bắt đầu sử dụng kiến trúc PA-RISC máy tính Năm 1987 Sun Micosystems, công ty bán máy tính sản xuất xử lý SPARC dựa kiến trúc RISC – II Berkeley 1.3 Ưu điểm, nhược điểm CISC, RISC 1.3.1 CISC * Ưu điểm: - Chương trình ngắn so với kiến trúc RISC - Số lệnh để thực chương trình - Khả thâm nhập nhớ dễ dàng - Các xử lý CISC trợ giúp mạnh ngôn ngữ cao cấp nhờ có tập lệnh phức tạp Hãng Honeywell chế tạo máy có lệnh cho động từ ngôn ngữ COBOL * Nhược điểm: - Diện tích xử lý dùng cho điều khiển lớn Giảm khả tích hợp thêm vào vi xử lý - Tốc độ tính toán chậm - Thời gian xây dựng xong vi xử lý lâu câu lệnh phức tạp.Và thời gian thực lệnh lâu khả xảy rủi ro nhiều 1.3.2 RISC * Ưu điểm: - Diện tích xử lý dùng cho điều khiển giảm so với kiến trúc CISC Vì tích hợp thêm vào bên xử lý ghi, cổng vào nhớ cache - Tốc độ tính toán cao nhờ vào việc giải mã lệnh đơn giản, có nhiều ghi thực kỹ thuật ống dẫn (pipeline) liên tục có hiệu (các lệnh có thời gian thực giống có dạng) - Thời gian cần thiết để thiết kế điều khiển Điều góp phần làm giảm chi phí thiết kế - Bộ điều khiển trở nên đơn giản gọn làm cho rủi ro mắc phải sai sót mà ta gặp thường điều khiển * Nhược điểm: - Việc cấm truy nhập nhớ tất lệnh ngoại trừ lệnh đọc (load) ghi (store) vào nhớ Vì phải dùng nhiều lệnh để thực tác vụ định - Cần phải tính địa hiệu dụng nhiều cách định vị - Tập lệnh có lệnh nên lệnh sẵn phải thay chuỗi lệnh xử lý RISC - Các chương trình dịch gặp nhiều khó khăn có lệnh làm cho việc diễn dịch cấu trúc chương trình gốc bị hạn chế Sự cứng nhắc kỹ thuật ống dẫn gây khó khăn - Có lệnh trợ giúp cho ngôn ngữ cấp cao So Sánh CISC RISC CISC - Hướng tiếp cận : hoàn thành tác vụ RISC - Hướng tiếp cận: Cố gắng đơn giản hóa với số lượng câu lệnh câu lệnh - Tập trung vào thiết kế phần cứng - Tập trung vào thiết kế phần mềm - Gồm nhiều câu lệnh phức tạp, cần nhiều - Gồm câu lệnh đơn giản xử lý chu kỳ để xử lý chu kỳ - Sử dụng kiểu kiến trúc tập lệnh ô nhớ - ô - Sử dụng kiểu kiến trúc tập lệnh ghi nhớ: Lệnh LOAD STORE kết hợp với – ghi: Lệnh LOAD STORE độc câu lệnh - Truyền biến không hiệu nhớ - Kích thước chương trình nhỏ - Độ dài câu lệnh khác - Số chu kỳ giây cao Đánh giá CISC RISC lập với câu lệnh - Truyền biến hiệu ghi - Kích thước chương trình lớn - Độ dài câu lệnh cố định - Số chu kỳ giây thấp - RISC chiếm ưu chiến công nghệ, CISC chiếm ưu chiến thương mại - CISC nhiều hạn chế mặt kỹ thuật công nghệ - Đối với công nghệ tại, triển khai RISC nhanh : + Các công nghệ có khả mở single-chip RISC + Với công nghệ mở single-chip CISC, RISC có pipeline + Với công nghệ mở pipelined CISC, RISC có caches - CISC cải thiện cách thêm nhiều transistor - Moore’s Law rút ngăn khoảng cách RISC/CISC - Để pipeline tốt: RISC cần 100000 transistor, CISC cần 300000 transistor - Trước 1995: 2M+ transistors tràn ngập thị trường - Chi phí phần mềm độ thương thích ưu điểm quan trọng CISC - Nhiều so sánh hiệu suất chương trình chuẩn (benchmark) chạy vi xử lý RISC nhanh so với xử lý với CISC Tuy nhiên, khó để xác định tính vi xử lý có hiệu suất cao RISC có tốc độ cao tính RISC tốt mà công nghệ, trình biên dịch tốt - Sự đơn giản tập lệnh vi xử lý RISC yêu cầu nhớ lớn so với biên chương trình biên dịch CISC Tóm lại, kiến trúc RISC CISC có ưu nhược điểm riêng nên khó đánh giá tốt hơn.Hầu hết vi xử lý không đơn RISC CISC mà cố gắng kết hợp ưu điểm hai phương pháp Kết Luận Vào cuối năm 1970, cách mạng máy tính đà phát triển, giá thành phần cứng đắt tiền xuất phát từ hướng tiếp cận CISC tập trung vào phần cứng Với đời kiến trúc CISC vào đầu năm 1980, giá phần cứng giảm xuống đáng kể Ranh giới kiến trúc RISC CISC dần trở nên không rõ ràng tiến hai xử lý CISC RISC, khoảng cách hai kiến trúc thu hẹp Với tốc độ xử lý nâng cao, chip CISC ngày thực thi nhiều hớn lệnh xung nhịp Điều cho phép chip CISC thực song song hóa (pipeline) Với phát triển số công nghệ khác, chip đơn gắn nhiều transistor Tương tự vậy, xử lý RISC làm tích hợp phức tạp phần cứng, giống CISC Trong giai đoạn nay, hướng tiếp cận thiết kế vi xử lý giao thoa hai kiến trúc RISC CISC Một kiến trúc với tên gọi EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing) mở cho thời kỳ mới, mang ưu điểm RISC lẫn CISC EPIC dựa xử lý ”Itanium” sử dụng thương mại cách rộng rải hai hãng máy tính lớn HP-Compact Unisys Với hậu thuẫn lớn Intel, làm cho thị phần máy tính thông minh CISC lớn Tuy nhiên, RISC nhờ vào mạnh phương pháp hiệu làm tăng nhanh tiến triển thị phần thiết bị cầm tay di động Các thiết bị Nintendo Apple… minh chứng đáng ý cho điều Vì vậy, kiến trúc phát triển mạnh tương lai trừ có kiến trúc tốt xuất Trung tâm nghiên cứu đào tạo thiết kế vi mạch (ICDREC) thuộc Đại học Quốc gia TP HCM ứng dụng kiến trúc việc nghiên cứu thiết kế chip xử lý bit, 24 bit 32 bit Chip SG8V1 ứng dụng nhiều chế tạo máy điều hòa, máy đo huyết áp, điện kế điện tử, thiết bị giám sát hành trình Chip ADC 24-bit ứng dụng nhiều lĩnh đo lường đo điện kế điện tử, địa chấn kế đặc biệt lĩnh vực y tế điện tâm đồ (ECG), xử lý tín hiệu y khoa Chip ADC 24-bit Chip vi xử lý 32-bit VN1632 Trung tâm nghiên cứu đào tạo thiết kế vi mạch (ICDREC) thuộc Đại học Quốc gia TP HCM nghiên cứu thiết kế Chip VN1632 dựa kiến trúc RISC Harvard, kiến trúc pipeline tầng, nhớ cache bên trong, tập lệnh bao gồm 65 lệnh, độ rộng từ lệnh 32-bit, nhân phần cứng, có chế độ debug thiết kế đồng Chip vi xử lý 32-bit VN1632 ICDREC Hiện ICDREC đưa chip 32-bit VN1632 vào ứng dụng để phát triển sản phẩm hộp đen ôtô, thiết bị khung ảnh số phục vụ nghiên cứu giáo dục 10 TÀI LIỆU THAM KHẢO http://dlib.ptit.edu.vn/bitstream/123456789/1241/1/BG_KythuatVixuly.pdf http://cs.stanford.edu/people/eroberts/courses/soco/projects/risc/risccisc/ https://en.wikipedia.org/wiki/Reduced_instruction_set_computing http://cs.stanford.edu/people/eroberts/courses/soco/projects/risc/risccisc/ http://www.scribd.com/doc/147371525/Cisc-vs-Risc#scribd http://www.engineersgarage.com/articles/risc-and-cisc-architecture?page=2 http://hedieuhanh.forumvi.net/t3523-topic https://www.quora.com/What-are-CISC-and-RISC-architecture-How-do-they-differ-fromeach-other http://info.ee.surrey.ac.uk/Teaching/Courses/msccomp/notes/comparch8.html http://cs.stanford.edu/people/eroberts/courses/soco/projects/risc/risccisc/ http://hedieuhanh.forumvi.net/t3566-topic http://sohoa.vnexpress.net/tin-tuc/san-pham/khac/ra-mat-chip-24-bit-dau-tien-cua-vietnam-3235255.html http://sohoa.vnexpress.net/tin-tuc/doi-song-so/viet-nam-thiet-ke-thanh-cong-chip-32-bit1512025.html 11 [...]... http://cs.stanford.edu/people/eroberts/courses/soco/projects /risc/ risccisc/ https://en.wikipedia.org/wiki/Reduced_instruction_set_computing http://cs.stanford.edu/people/eroberts/courses/soco/projects /risc/ risccisc/ http://www.scribd.com/doc/147371525 /Cisc- vs -Risc# scribd http://www.engineersgarage.com/articles /risc- and -cisc- architecture?page=2 http://hedieuhanh.forumvi.net/t3523-topic https://www.quora.com/What-are -CISC- and -RISC- architecture-How-do-they-differ-fromeach-other... https://www.quora.com/What-are -CISC- and -RISC- architecture-How-do-they-differ-fromeach-other http://info.ee.surrey.ac.uk/Teaching/Courses/msccomp/notes/comparch8.html http://cs.stanford.edu/people/eroberts/courses/soco/projects /risc/ risccisc/ http://hedieuhanh.forumvi.net/t3566-topic http://sohoa.vnexpress.net/tin-tuc/san-pham/khac/ra-mat-chip-24-bit-dau-tien-cua-vietnam-3235255.html http://sohoa.vnexpress.net/tin-tuc/doi-song-so/viet-nam-thiet-ke-thanh-cong-chip-32-bit1512025.html ... 1.1 Giới thiệu CISC RISC 1.1.1 CISC 1.1.2 RISC 1.2 Lịch sử phát triển CISC RISC 1.3 Ưu điểm, nhược điểm CISC, RISC 1.3.1 CISC 1.3.2 RISC So Sánh CISC RISC Đánh giá CISC RISC Kết Luận TÀI LIỆU... đầu sử dụng kiến trúc PA -RISC máy tính Năm 1987 Sun Micosystems, công ty bán máy tính sản xuất xử lý SPARC dựa kiến trúc RISC – II Berkeley 1.3 Ưu điểm, nhược điểm CISC, RISC 1.3.1 CISC * Ưu điểm:... thích với máy tính Vào ngày tháng năm 1964, IBM System/360, máy tính thương mại dựa kiến trúc CISC công bố Sự thành công IBM System/360 đánh dấu thống trị kiến trúc CISC thập kỷ Tuy nhiên, vào năm