Khảo sát họ CPU MIPS

Khảo sát họ CPU MIPS

TIỂU LUẬN KIẾN TRÚC MÁY

TÍNH

Đề tài: Khảo sát họ CPU MIPS

NHÓM1

1

NỘI DUNG

2

I: Tổng quan về MIPS

 MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages)

Là kiến trúc bộ tập lệnh RISC phát triển bới MIPS Technologies Ban đầu kiến trúc MIPS là 32bit, và sau đó là phiên bản 64 bit Nhiều

sửa đổi của MIPS, bao gồm MIPS I, MIPS II, MIPS III, MIPS IV, MIPS V, MIPS32 và MIPS64 Phiên bản hiện tại là MIPS32 và MIPS64

Cũng có một vài tuỳ chọn mở rộng, bao gồm MIPS-3D(1 tập lệnh đơn giản các câu lệnh SIMD về dấu chấm động để thực hiện các tác vụ về đồ họa 3D), MIPS16e( khả năng nén

vi lệnh để tiết kiệm không gian bộ nhớ) và MIPS MT (MultirTheading) kiến trúc đa luồng mới được bổ xung cho hệ thống

3

II: Đặc điểm kĩ thuật

Năm 1981, một nhóm các nhà nghiên cứu thuộc

đại học Stanford do John L Hennessy đứng đầu đã bắt

đầu một công trình nghiên cứu về bộ xử lý MIPS đầu tiên Khái niệm cơ bản là nhằm tăng đột

xuất hiệu năng thông qua sử dụng một đường ống lệnh (pipelineinstructions), một công nghệ đã được biết đến

từ lâu nhưng lại khó phát triển Thông thường một đường ống sẽ mở rộng việc chạy một câu lệnh thành vài bước, bắt đầu thực hiện “bước một” của câu lệnh trước khi câu lệnh trước hoàn thành Trong khi đó, thiết kế truyền thống yêu cầu phải đợi cho đến khi một câu lệnh hoàn thành mới được chạy câu lệnh tiếp theo

Thiết kế theo pipeline làm giảm đáng kể thời gian dãnh của CPU khi thực hiện liên tiếp các câu lệnh

4

Đặc điểm kĩ thuật

Một rào cản chính của phương pháp đường ống lệnh là nó yêu cầu một khóa đồng bộ(interlocks) được cài đặt để chắc chắn rằng các câu lệnh chiếm nhiều chu kỳ đồng hồ để thực hiện sẽ dừng đường ống lại để nạp nhiều dữ liệu hơn , đơn giản là dừng lại cho tới khi nó kết thúc Những khóa đồng bộ này cần một thời gian lớn để cài đặt và được cho là rào cản chính trong

việc tăng tốc độ trong tương lai Một thiết kế chủ chốt trong MIPS là yêu cầu tất

cả các câu lệnh phải được hoàn thành trong 1 chu kỳ xung nhịp , nhờ thế mà loại bỏ được sự cần thiết của khóa đồng bộ

5

Đặc điểm kĩ thuật

 Mặc dù thiết kế này đã loại trừ một số câu lệnh hữu dụng, đáng kể nhất như là các lệnh nhân và chia yêu cầu nhiều bước, nhưng nó cho

thấy hiệu suất tổng thể của hệ thống tăng lên rõ rệt bởi

vì các vi xử lý có thể chạy ở xung nhịp lớn hơn rất nhiều Tuy nhiên việc loại

bỏ các câu lệnh trên lại không được các nhà thiết kế thời bấy giờ ủng hộ Rất nhiều ý kiến cho rằng thiết kế kiểu đường ống lệnh sẽ không tồn tại được ,nếu chỉ thay một lệnh nhân phức tạp bằng nhiều lệnh cộng đơn giản thì làm sao hệ thống có thể nhanh hơn được Tuy nhiên đã cho thấy tốc độ thuộc

về thiết kế đường ống,chứ không phải theo câu lệnh

6

III: Lịch sử dòng xử lý MIPS

Năm 1984, Hennessy rời trường đại học Stanford

để thành lập công ty MIPS Computer System.Họ cho ra đời thiết kế đầu tiên là R2000 vào năm 1985,sau đó phát triển R3000 vào năm 1998 Những CPU 32 bit này tồn tại trong suốt những năm 1980, và được sử dụng chủ yếu trong các dòng máy chủ SGI.

Năm 1991 MIPS cho ra đời bộ vi xử lý 64 bit đầu tiên R4000.Tuy nhiên MIPS gặp khó khăn trong tài chính trong khi tung sản phẩm này ra thị trường Thiết kế này rất quan trọng đối với SGI-một trong những khách hàng của MIPS lúc bấy giờ, vì thế SGI đã mua lại công ty vào năm 1992 để bảo vệ thiết kế không bị mất đi Từ đó

MIPS trở thành một công ty con của SGI và được biết đến bởi tên MIPS Technologies

7

Các dòng vi xử lý thương mại MIPS đã sản

xuất

- R2000 : Xuất hiện trên thị trường vào năm 1985,

được bổ sung thêm nhiều câu lệnh mới, có thể được khởi tạo ở chế độ big-endian hay

little-endian,có 32 thanh ghi 32bit , một trong số đó đảm nhiệm việc xử ý các ngoại lệ

và bẫy ,trong nhưng không có thanh ghi mã điều kiện R2000 cũng hỗ trợ tới 4 bộ xử lý khi 3 bộ còn lại sử dụng cho mục đích khác

- R3000 :bổ xung thêm 32kB cho bộ nhơ Cache

(và sớm được đưa lên 64kB) cho các lệnh và dữ liệu,kèm theo đó là cơ chế Cache coherency hỗ trợ cho nhiều bộ xử lý.R3000 cũng bao gồm MMU tính năng phổ biến của họ CPUs kỷ nguyên này

8

Các dòng vi xử lý thương mại MIPS đã sản

xuất

- R4000 :Được đưa ra năm 1991,mở rộng tập lệnh

MIPS để hỗ trợ đầy đủ kiến trúc 64bit,chuyển FTU vào main để tạo ra một hệ thống chip đơn lẻ, xử lý với tốc độ lên đến 100Mhz

- R8000 :Ra đời năm 1994,là thiết kế MIPS siêu vô

hướng (superscala) đầu tiên,cho phép xử lý 2 ALU và

2 phép tính nhớ mỗi chu kỳ.Thiết kế này hỗ trợ tới 6 chip và 4MB cache mở rộng

- R10000 :Ra đời năm 1995,là thiết kế chip đơn

lẻ,chạy với tốc độ cao hơn R8000,có 32kb cache chính cho câu lệnh và dữ liệu

- Ngoài ra còn có R6000,R1 6000,R1 6000A… 9

VI: Cấu trúc bên trong

 Các thanh ghi:

10

a: Thanh ghi đa năng

11

b: Thanh ghi HI và LO

 Thao tác nhân của MIPS có kết quả chứa hai thanh ghi

HI và LO,và đây không phải là thanh ghi đa năng Bit 32 đến 63 thuộc HI và 0 đến 31 thuộc LO

12

c: Thanh ghi dấu phẩy động

• MIPS sử dụng 32 thanh ghi dấu phẩy động

để biểu diễn độ chính xác đơn của số thực Các thanh ghi này có tên là : $f0 – $f31

• Để biểu diễn độ chính xác kép (double precision) thì MIPS sử dụng sự ghép đôi của

2 thanh ghi có độ chính xác đơn

13

d: Thanh ghi Zero

MIPS định nghĩa thanh ghi zero ($0 hay $zero) luôn mang giá trị 0 nhằm hỗ trợ thực hiện phép gán và các thao với 0

14

VI : Kiến trúc bộ lệnh

1: nguyên tắc thiết kế bộ lệnh MIPS

Có 4 nguyên tắc:

•Cấu trúc lệnh đơn giản và có quy tắc (Simplicity favors regularity)

•Lệnh và bộ lệnh càng nhỏ gọn càng xử lý nhanh (Smaller is faster)

•Tăng tốc độ xử lý cho những trường hợp thường xuyên xảy

ra (Make the common case fast)

• Thiết kế tốt đòi hỏi sự thỏa hiệp tốt (Good design demands good compromises)

15

2: Một số lệnh trong MIPS

• MIPS đã hỗ trợ các nhóm lệnh xử lý dữ liệu:

- Lệnh số học

- Lệnh luận lý

- Lệnh nạp lưu dữ liệu Ngoài các lệnh xử lý dữ liệu, máy tính còn phải hộ trợ các lệnh điều khiển quá trình

thực thi các lệnh…

16

III: Ưu nhược, điểm của MIPS

• Ưu điểm:

- bộ xử lý truy xuất thanh ghi nhanh nhất (hơn 1 tỉ lần trong 1 giây) vì thanh ghi là một thành phần phần cứng thường nằm chung mạch với bộ xử lý.

- CPU không phải đợi để thực hiện các tiến trình đơn

mà thực hiện cùng lúc nhiều tiến trình, do đó chu kì của tiến trình được thông suốt

- không gian bộ nhớ của máy được giải phóng nhiều hơn do khả năng nén vi lệnh để làm chương trình nhỏ hơn

• Khuyết điểm:

do thanh ghi là một thành phần phần cứng nên số lượng cố định và hạn chế Do đó, sử dụng phải khéo léo

và phức tạp

17

VII: Ứng dụng

Thiết kế MIPS được sử dụng rộng rãi trong các dòng máy tính đồ họa silicon,các hệ thống nhúng như TiVo thế hệ 2,các thiết bị sử dụng hệ điều hành Windows CE,Cisco routes và các máy chơi game

console như Nitendo 64,Sonyplaystation 18

Tài liệu tham khảo

85

19