Bài tập lớn ngành công nghệ thông tin

Bài tập lớn ngành Công nghệ thông tin So sánh kiến trúc RICS CISC Bài làm I Định nghĩa RISC CISC RISC viết tắt “reduced instruction set computer”, với gợi ý máy tính (hay vi xử lý bên nó) giảm nhỏ tập lệnh Nó giống CPU Lite Hay bạn nói thô thiển là: dạng thu nhỏ (cắt giảm) vi xử lý, bạn nói phần Triết lý cho phát triển RISC cắt giảm vi xử lý để lại phận thiết yếu Những không thực cần thiết bị vứt bỏ Với nhà lập trình có nghĩa chíp RISC thường thực phép nhân đơn giản Lý thuyết phép nhân thực liên tiếp nhiều phép cộng, lệnh ADD đủ Một ý khác RISC chức phức tạp thích hợp thực phần mềm phần cứng Phần mềm dễ thay đổi, dễ cập nhật, tạo nhanh Viết mã nhanh thiết kế xây dựng chíp Do máy tính dựa RISC nâng cấp nhanh Các chương trình thuật toán điều chỉnh cải tiến Tốt phần cứng RISC phải đơn giản hóa, tối ưu hóa cho chạy nhanh Đúng lúc đầu chíp RISC nhỏ hơn, đơn giản hơn, nhanh so với chíp CISC vào thời điểm Vứt bỏ trang bị thừa mứa mà dòng vi xử lý 68020 80286 tích lũy, dòng RISC cạnh tranh SPARC MIPS trở nên nhanh nhiều Nếu xét tốc độ rõ ràng RISC người chiến thắng Các tạp chí kỹ thuật xuất thương mại tới tấp quảng cáo sâu rộng RISC lĩnh vực cho máy tính Tất vi xử lý quen thuộc trước dường kiệt quệ Dòng vi xử lý 68K tốc độ xung nhịp khoảng 66 MHz, với dòng tốc độ xung nhịp tính số Ngay vậy, hầu hết vi xử lý 68K tốc độ 100 MHz Phải dòng vi xử lý CISC chết dùng cho ứng dụng đại ? Dù thấp tốc độ xung nhịp, chíp CISC 68K x86 cho hiệu suất ngang bằng, cao so với đối thủ RISC Chúng đáng xem xét thường lựa chọn tốt cho nhiều hệ thống nhúng Dù gán nhãn chói lọi RISC thường lựa chọn tệ hại cho ứng dụng real-world Những bạn nhận từ kiến trúc RISC CPU đơn giản, với tập lệnh dễ hiểu trực quan Tất lệnh có chiều dài, điều làm cho chúng dễ dàng xắp xếp gọn gàng RAM Chúng có cách mã hóa tương tự nhau, bạn có ý định dịch ngược opcode RISC dễ thực Cũng dễ dàng đếm số lệnh nhớ Và cuối dễ tính toán số chu kỳ máy thực cho đoạn chương trình, lệnh RISC hầu hết thực chu kỳ máy Chỉ cần đếm số lệnh (hoặc số byte, đem chia cho 4) bạn có kết quả, dĩ nhiên tạm loại trừ ảnh hưởng cache trạng thái chờ RISC thực không tập lệnh, tính khác mà bạn muốn Trước tiên toán học Hầu hết chíp RISC trước lệnh nhân lệnh chia Ngày hầu hết lệnh chia Nếu bạn người lập trình hợp ngữ xin chúc mừng, bạn phải tự viết hàm thực phép nhân phép chia số nguyên Đừng nghĩ đến phép toán dấu chấm động, hầu hết chíp RISC không hỗ trợ điều Công hầu hết chíp CISC chẳng có FPU, FPU phổ biến vi xử lý CISC loại cũ nhiều chíp RISC Bạn chẳng có phép toán trực tiếp bít Ví dụ, để kiểm tra đảo bít ghi trạng thái, bạn phải đọc toàn nội dung ghi vào bên vi xử lý Rồi che bít mà bạn không sử dụng, dịch phải kết quả, kiểm tra trạng thái bít, đảo bít dùng phép exclusive-OR, dịch trái trở lại vị trí cũ, ghi trở ghi Truy cập nhớ không xắp xếp phần bị bỏ RISC Các chíp RISC thiết kế cho trạm làm việc, nơi mà liệu xắp xếp theo từ (word) trình biên dịch đặt chúng nằm Lượng liệu nhỏ (như byte) không tồn chèn thêm zero để vừa với từ 32 bít Trong hệ thống nhúng có ngăn nắp Một số 32 bít lưu địa lẻ truy cập nhiều chíp RISC Chúng xử lý toán hạng không xắp xếp (?) Tương tự vậy, lượng liệu lẻ, giá trị 24 bít phải mở rộng zero- sign- lưu trữ chúng, lãng phí RAM Có tin tốt trình biên dịch xử lý điều Nếu bạn người lập trình hợp ngữ, RISC đau khổ Nếu bạn lập trình C ngôn ngữ cấp cao bạn không cần để ý đến giới hạn Trừ bạn quan tâm đến mật độ mã Hiệu suất vấn đề lớn mà nhắm tới Hiệu suất tốt lợi ích RISC, mà chíp RISC nhanh hơn, không ? Không ! Cuộc đua vi điều khiển không đơn giản, người quan tâm đến loại hiệu suất khác Ví dụ, chíp tốt cho xử lý media không tốt cho xử lý mạng Thế đủ để nói vi xử lý xuất sắc mặt Mỗi tập lệnh CPU thỏa hiệp Bạn phải chọn CPU với kiến trúc tập lệnh (instruction set architecture – ISA) phù hợp với ứng dụng thực tế bạn Hai chíp chạy tốc độ (ví dụ 100 MHz) cho hiệu suất hoàn toàn khác khác ISA Đó lý nhà sản xuất tiếp tục điều chỉnh tập lệnh, lý dòng CPU có tập lệnh người sử dụng định nghĩa người ưa chuộng Đa số tập lệnh RISC nhau, tưởng chừng chúng hỗ trợ vấn đề thiết yếu ? Thực tế kiến trúc RISC dần thay đổi mà không bám chặt vào đường lối RISC trước Tuy nhiên đánh giá gần chíp RISC có điểm chung thay cho Với CISC khác, chúng có tập lệnh đầy đủ, hữu dụng hoàn toàn không phù hợp cho hệ thống bạn Đôi bạn tự hỏi đâu chui tập lệnh kỳ quặc thế, nhà lập trình sử dụng tập lệnh vào việc Khi khác bạn lại tự hỏi bạn phải xoay xở tập lệnh Một lệnh mà thích lệnh TBLS dòng chíp 68300 Motorola TBLS lệnh tra bảng nội suy (table look up and interpolate instruction) Hầu hết nhà lập trình chẳng dùng cứu đời bạn bạn cần đến Tập TBLS cho phép bạn tạo hàm hình học phức tạp từ bảng điểm liệu rời rạc TBLS tìm kiếm bảng giá trị mà bạn tạo ra, xác định hai số gần với số mà bạn định Sau thông qua phép nội suy tuyến tính xác giá trị nằm hai số Thực chất TBLS nối hai điểm đồ thị điểm x, y rời rạc, trả giá trị y từ giá trị x hình Khá lạ, bạn nghĩ ? Nhưng cần thiết bạn làm điều khiển chuyển động Nó giúp thay hàng trăm dòng lệnh dùng hàm xử lý hình học thông thường với tất trường hợp biệt lệ điều kiện biên khác Nhớ TBLS lệnh đơn thực khoảng 30 chu kỳ xung nhịp 1.RISC: Là chữ viết tắt Reduced Instruction Set Computer Nó gọi máy tính với tập lệnh rút gọn Kiến trúc có đặc điểm sau: - Một lệnh có chu kỳ - Nhấn mạnh phần mềm - Định dạng lệnh đơn giản (độ dài lệnh cố định) - Chế độ địa đơn giản - Chú trọng thao tác với ghi - Song song hóa thuận tiện Ta gặp kiến trúc vi xử lý như: ARM, SuperH,MIPS,SPARC,DEC Alpha, PIC PowerPC IBM.(theo giảng thầy) 2.CISC: Là chữ viết tắt Complex Instruction Set Computers Nó gọi Máy tính với tập lệnh phức tạp Kiến trúc có đặc điểm sau: - Tập lệnh lớn với nhiều lệnh phức tạp - Đơn giản hóa trình dịch - Chương trình dịch nhỏ nhanh - Song song hóa phức tạp Một vài ví dụ vi xử lý có kiến trúc CISC : System/360, PDP-11, VAX, 68000, x86 (theo tài liệu thầy) II SO SÁNH KIẾN TRÚC CISC VÀ RISC Lịch sử đời hai loại kiến trúc CISC RISC Các kiến trúc với tập lệnh phức tạp CISC (Complex Instruction Set Computer) nghĩ từ năm 1960 Vào thời kỳ này, người ta nhận thấy chương trình dịch khó dùng ghi, vi lệnh thực nhanh lệnh cần thiết phải làm giảm độ dài chương trình Các đặc tính nầy khiến người ta ưu tiên chọn kiểu ô nhớ - ô nhớ ô nhớ - ghi, với lệnh phức tạp dùng nhiều kiểu định vị Điều dẫn tới việc lệnh có chiều dài thay đổi dùng điều khiển vi chương trình hiệu Ví dụ, chương trình dịch biết sử dụng ghi khác biệt đáng kể sử dụng ô nhớ cho vi chương trình hay ô nhớ cho chương trình Điều dẫn tới việc đưa vào khái niệm máy tính với tập lệnh rút gọn RISC vào đầu năm 1980 Vậy đời kiến trúc máy RISC muộn so với kiến trúc CISC Vì có nhiều điểm khác biệt so với kiến trúc CISC Sự khác nguyên tắc làm việc Ta xét bảng số liệu vài máy CISC máy RISC Bộ xử lý iAPX IBM 370/168 DEC 11/780 1973 1978 1982 Số lệnh 208 303 222 Bộ 420 KB 480 KB 64 KB Năm sản xuất vi nhớ 432 chương trình Chiều dài lệnh (tính 16 - 48 16 - 456 ECL - MSI TTl - MSI Thanh Thanh ghi - - 321 bit) Kỹ thuật chế tạo ghi- Cách thanh thực ghiThanh ghi ghiThanh ghi lệnh - nhớBộ - nhớBộ nhớ - nhớ nhớ - nhớ 64 KB 64 KB NMOS VLSI Ngăn xếpBộ nhớ- nhớ Dung lượng cache Bảng I: Đặc tính vài máy CISC (theo http://vi.wikipedia.org/wiki/Reduced_Instruction_Set_Computer') Bộ xử lý IBM 801 RISC1 MIPS Năm sản xuất 1980 1982 1983 Số lệnh 120 39 55 0 32 32 32 NMOS NMOS VLSI VLSI Dung lượng nhớ vi chương trình Độ dài lệnh (tính bit) Kỹ thuật chế tạo Cách thực lệnh ECL MSI Thanh ghi-thanh ghi Thanh ghithanh ghi Thanh ghi-thanh ghi Bảng II:Đặc tính ba mẫu máy RISC (theo http://vi.wikipedia.org/wiki/Reduced_Instruction_Set_Computer') Các máy RISC dựa chủ yếu tập lệnh cho phép thực kỹ thuật ống dẫn cách thích hợp cách thiết kế lệnh có chiều dài cố định, có dạng đơn giản, dễ giải mã Máy RISC dùng kiểu thực lệnh ghi - ghi Chỉ có lệnh ghi đọc ô nhớ cho phép thâm nhập vào ô nhớ Còn kiến trúc CISC độ dài lệnh khác :ví dụ IBM 370/168 có chiều dài lệnh 16-48(bit),ở DEC 11/780 có chiều dài lệnh 16 – 456(bit),và iAPX 432 chiều dài lệnh – 321(bit)… kiến trúc CISC có nhiều lệnh, định dạng lệnh phức tạp Chúng ta xét ví dụ: cộng vào vùng địa kiến trúc CISC lệnh thực là: đọc vùng nhớ, cộng them ghi lại vùng nhớ Còn kiến trúc RISC thực lệnh Điều khác biệt CISC không cần tới nhiều ghi với lệnh CISC đọc trực tiếp giá trị vùng nhớ vào ALU , thực tăng lên lưu lại kết vào vùng nhớ Đối với RISC giá trị đọc có sẵn ghi không cần lấy từ nhớ, giá trị sau tăng lên lưu trực tiếp ghi mà không cần lưu vào nhớ Tóm lại khác biệt kiến trúc RISC CISC nguyên tắc thực lệnh ghi: đọc lưu liệu vào ghi Mặt khác tập lệnh kiến trúc CISC dài phức tạp tập lênh kiến trúc RISC, thời gian thực lệnh dài không cố đinh kiến trúc RISC Mật độ mã Các chíp CISC có mật độ mã tốt so với chíp RISC Vì nguyên lý chủ đạo RISC phần cứng phải đơn giản, tất hoạt động phức tạp thực phần mềm Điều có nghĩa chíp RISC bạn cần nhiều phần mềm để thực công việc Hầu hết chíp RISC lệnh chia Nếu muốn chia số bạn phải phần mềm Nén mã Lý mà chíp CISC có mật độ mã tốt chúng tập lệnh có xu hướng làm ngắn Theo định nghĩa chíp RISC 32-bit phải có tập lệnh 32-bit Còn chíp CISC 32-bit lại khác, có lệnh 8-bit, 16-bit, 32-bit có lệnh dài Đây đặc điểm làm cho chíp CISC phức tạp, điều làm cho thực tế hệ thống nhúng 5.Tiêu thụ lượng Một thuận lợi chíp RISC chúng có tiêu thụ lượng thấp Như luật lệ chíp RISC dùng lượng nhiều so với CISC Điều rõ ràng: thiết kế vi xử lý RISC đơn giản hợp lý phải dùng lượng 6.Các ưu điểm nhược điểm kiến trúc RISC A.Các ưu điểm: - Diện tích xử lý dùng cho điều khiển giảm từ 60% (cho xử lý CISC) xuống 10% (cho xử lý RISC) Như 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, nhờ có nhiều ghi (ít thâm nhập nhớ), nhờ thực kỹ thuật ống dẫn 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 B.Những nhược điểm: Các chương trình dài so với chương trình viết cho xử lý • CISC Điều nguyên nhân sau : Cấm thâm nhập nhớ tất lệnh ngoại trừ lệnh đọc • ghi vào nhớ Do ta buộc phải dùng nhiều lệnh để làm công việc định Cần thiết 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 có lựa chọn để diễn dịch cấu trúc chương trình gốc Sự cứng nhắc kỹ thuật ống dẫn gây khó khăn • Có lệnh trợ giúp cho ngôn ngữ cấp cao 7.Những ưu nhược điểm CISC: A Lợi kiến trúc CISC:- Chương trình ngắn so với kiến trúc RISC - số lệnh để thực trương chình hơn.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 B.Những hạn chế kiến trúc CISC - 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 Các kiến trúc vi xử lý ngày Các vi xử lý ngày hầu hết có kết hợp hai loại kiến trúc để vi xử lý có nhiều ưu điểm hạn chế khuyết điểm loại [...]... ít hơn.Khả năng thâm nhập bộ nhớ dễ dàng hơn - Các bộ xử lý CISC trợ giúp mạnh hơn các ngôn ngữ cao cấp nhờ có tập lệnh phức tạp Hãng Honeywell đã chế tạo một máy có một lệnh cho mỗi động từ của ngôn ngữ COBOL B.Những hạn chế của kiến trúc CISC - Diện tích của bộ xử lý dùng cho bộ điều khiển lớn Giảm khả năng tích hợp thêm vào vi xử lý.Tốc độ tính toán còn chậm Thời gian xây dựng xong bộ vi xử lý là