Nghiên cứu kỹ thuật đường ống áp dụng vào việc thiết kế CPU RISC 32 bit

Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ PHÚ THOẠI Đề tài: Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, Tháng 07 năm 2009 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : ThS TỐNG VĂN ON Cán chấm nhận xét : ………………………………… Cán chấm nhận xét : ………………………………… Luận Văn Thạc Sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH Ngày … Tháng… Năm TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp.HCM, ngày 03 tháng 07 năm 2009 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : VÕ PHÚ THOẠI Năm sinh : 1979 Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Tử I- Phái : Nam Nơi Sinh : An Giang MSHV : 01407359 TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐƯỜNG ỐNG ÁP DỤNG VÀO VIỆC THIẾT KẾ CPU RISC 32-BIT II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Thiết kế vi xử lý RISC 32-bit Pipeline - Cài đặt vi xử lý RISC 32-bit FPGA III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21/01/2009 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 03/07/2009 V- : HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Ths TỐNG VĂN ON Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ hội đồng chuyên ngành thơng qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MƠN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH LỜI CẢM ƠN Tôi trân trọng gửi đến Thạc Sĩ Tống Văn On lời cảm ơn chân thành hướng dẫn tận tình lịng biết ơn sâu sắc động viên đóng góp ý kiến Thầy suốt thời gian qua Xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô khoa Điện – Điện Tử, đặc biệt Thầy Cô môn Điển Tử Viễn Thông, Trường Đại Học Bách Khoa TPHCM tận tình giảng dạy, hướng dẫn giúp đỡ tơi q trình học tập hồn thành luận văn Sau tơi xin bày tỏ tình cảm đến bạn khóa trao đổi nhiều tài liệu giúp đỡ tơi suốt thời gian học TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2009 VÕ PHÚ THOẠI Luận văn tốt nghiệp CBHD:ThS.Tống Văn On CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐƯỜNG ỐNG VÀ ÁP DỤNG VÀO VIỆC THIẾT KẾ CPU RISC 32-BIT Đặt vấn đề 1.1 Giới thiệu vi xử lý RISC RISC chữ viết tắt máy tính tập lệnh rút gọn (reduced instruction set computer) Có thể hiểu CPU kiểu RISC CPU có tập lệnh RISC, tập lệnh mà lệnh thực tác vụ đơn giản thời gian thực thi đa số lệnh chu kỳ xung clock hệ thống Người ta có xu hướng thay khái niệm cấu trúc RISC khái niệm gọi cấu trúc load/store Một CPU có cấu trúc load/store mà lệnh thao tác liệu chứa tập ghi thao tác liệu thuộc nhớ Người lập trình muốn thao tác liệu nhớ phải chuyển liệu từ nhớ vào tập ghi trước Những đặc điểm thường thấy chip RISC: Định dạng chuẩn mã lệnh (ví dụ lệnh có chiều dài cố định, bit mã lệnh ln nằm vị trí cố định mã lệnh) làm trình giải mã lệnh đơn giản Các ghi đồng nhất, chúng sử dụng thay tình (tuy nhiên ghi dành cho số nguyên số thực dấu chấm động phân biệt nhau) Thiết kế CPU RISC 32 bit FPGA HVTH: Võ Phú Thoại Luận văn tốt nghiệp CBHD:ThS.Tống Văn On Cách đánh địa đơn giản Để có phương pháp đánh địa phức tạp cần kết hợp với phép toán số học Hỗ trợ kiểu liệu (một số chip CISC có lệnh thao tác với chuỗi, xử lý số phức ma trận Những lệnh chẳng tồn chip RISC) Các họ RISC 32 bit tiếng là: ARM công ty ARM Limited, MIPS công ty Mips Technologies, PA-RISC HP, PowerPC IBM, SH công ty Hitachi, SPARC Sun Microsystems 1.2 Lịch sử phát triển vi xử lý RISC Vi xử lý RISC biết đến siêu máy tính CDC 6600 Jim Thornton Seymour Cray thiết kế năm 1964, có 74 mã lệnh (8086 có 400 mã lệnh) cộng với 12 máy tính đơn giản gọi “bộ xử lý ngoại vi” để xử lý I/O CDC 6600 sử dụng kiến trúc load-store, hỗ trợ phương pháp đánh địa chỉ, có 11 đơn vị “kênh dẫn hóa”, năm đơn vị đọc liệu đơn vị để lưu liệu (bộ nhớ tổ chức theo bank đơn vị đọc ghi hoạt động đồng thời) Tốc độ xung đồng hồ/lệnh nhanh 10 lần so với tốc độ truy xuất nhớ Một máy tính khác thiết kế với kiến trúc load-store Data General Nova Đây máy tính nhỏ 16 bit thiết kế năm 1968 công ty Mỹ tên Data General Tuy nhiên vi xử lý RISC biết đến nhiều lại đến từ dự án tài trợ chương trình VLSI (Very Large-Scale Integration) DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) Chương trình cho đời nhiều cải tiến liên quan đến thiết kế, sản xuất chip đồ họa máy tính Thiết kế CPU RISC 32 bit FPGA HVTH: Võ Phú Thoại Luận văn tốt nghiệp CBHD:ThS.Tống Văn On Dự án RISC Đại học California, Berkeley bắt đầu năm 1980 hướng dẫn David Patterson với mục đích nâng cao hiệu suất vi xử lý dựa kỹ thuật pipeline register windows Một vi xử lý thơng minh thường có ghi, chương trình tùy ý sử dụng ghi lúc Cịn vi xử lý sử dụng kỹ thuật register windows, có nhiều ghi vi xử lý chương trình sử dụng lúc tập hợp nhỏ ghi Vì thơng thường lần gọi chương trình con, vi xử lý cần lưu lại giá trị số ghi sau hồi phục lại ghi thực lệnh return Vì cách chuyển từ tập ghi sang tập ghi khác (chuyển cửa sổ) chương trình thực lệnh gọi hàm lệnh trả cách nhanh chóng Dự án RISC cho đời vi xử lý RISC-I năm 1982 Vi xử lý chứa 44.420 transistor (so với 100.000 transistor cho vi xử lý CISC), với 32 lệnh hoàn toàn vượt xa khả vi xử lý đơn chip thời Vi xử lý RISC-II đời năm 1983 với 39 lệnh, chứa 40.760 transistor nhanh gấp lần RISC-I Cũng khoảng thời gian John L Hennessy thực dự án MIPS Đại học Stanford năm 1981 MIPS tập trung vào kỹ thuật pipeline nhằm tận dụng tối đa khả vi xử lý Cho dù sử dụng trước đó, với MIPS, kỹ thuật thực cải tiến vượt bậc Nhưng vấn đề quan có lẽ phức tạp địi hỏi tất lệnh phải thực thi chu kỳ máy Nếu đáp ứng yêu cầu này, pipeline hoạt động tốc độ cao yếu tố định đến tốc độ vi xử lý Tuy nhiên có mặt trái phải bỏ nhiều lệnh có ích nhân, chia Hầu hết dự án kể nhằm mục đích cải tiến kỹ thuật có, phải chờ tới năm 1975, dự án nhằm cho đời chip RISC hoàn chỉnh thực IBM Được đặt tên theo số nhà nơi dự án thực hiện, Thiết kế CPU RISC 32 bit FPGA HVTH: Võ Phú Thoại Luận văn tốt nghiệp CBHD:ThS.Tống Văn On dự án cho đời họ vi xử lý IBM 801 vốn sử dụng rộng rãi phần cứng IBM Trong năm đầu, dự án chủ yếu biết đến trường đại học Đến năm 1986, tất dự án RISC bắt đầu cho đời sản phẩm Ngày hầu hết chip RISC, thiết kế dựa kiến trúc RISC-II Berkeley Berkeley khơng thương mại hóa dự án mình, nhiên hầu hết cơng ty sau sử dụng kiến trúc RISC-II Sun Microsystems với SPARC Pyramid Technology Chính Sun cơng ty chứng minh sức mạnh RISC có thật hệ thống mình, nhờ họ nhanh chóng chiếm lĩnh thị trường workstation lúc John Hennessy tạm thời rời Standford để thành lập MIPS Computer Systems nhằm thương mại hóa dự án MIPS Thiết kế họ chip R2000, hệ chip MIPS MIPS nhanh chóng trở thành chip phổ biến sử dụng PlayStation Nintendo 64 game consoles Ngày chúng chip sử dụng phổ biến ứng dụng nhúng high-end Rút kinh nghiệm từ thất bại RT-PC, IBM thiết kế RS/6000 dựa kiến trúc POWER Họ chuyển họ chip AS/400 thành chip có kiến trúc POWER nhận thấy lệnh phức tạp thực thi nhanh cách đáng kể Kết đời họ iSeries Kiến trúc POWER sử dụng chip PowerPC cấp độ thấp Ngày PowerPC họ vi xử lý sử dụng phổ biến xe (một số xe sử dụng 10 chip loại này) Đây họ vi xử lý sử dụng máy tính Apple Macintosh năm 2006 Thiết kế CPU RISC 32 bit FPGA HVTH: Võ Phú Thoại Luận văn tốt nghiệp CBHD:ThS.Tống Văn On Những nghiên cứu Anh cho đời dòng vi xử lý INMOS Transputer, Acorn Archimedes Advanced RISC Machine Những công ty vốn sản xuất CISC trước nhanh chóng tham gia Intel với i860 i960 vào cuối năm 1980, không đạt thành công mong muốn Motorola với chip 88000 không thành cơng họ nhanh chóng từ bỏ để hợp tác IBM sản xuất PowerPC AMD cho đời vi xử lý 29000 trở thành vi xử lý phổ biến năm đầu thập kỷ 90 Ngày CPU RISC (và microcontroller) chiếm lượng lớn CPU sử dụng Kỹ thuật thiết kế RISC đem đến sức mạnh kích thước nhỏ, nhanh chóng chiếm lĩnh hồn tồn thị trường CPU nhúng công suất thấp Đây thị trường lớn CPU, tìm thấy chúng xe hơi, điện thoại di động, chí số thiết bị khác chứa hàng chục CPU loại RISC chiếm lĩnh thị trường workstation năm 90 Sau Sun cho đời SPARCstation, hãng khác vội vã hoàn thành hệ thống dựa RISC Thậm chí ngày giới mainframe hoàn toàn dựa RISC Họ vi điều khiển RISC bao gồm loại bit, 16 bit 32 bit Riêng họ RISC bit có dịng sản phẩm tiếng hãng sau: - PIC Microchip; - AVR Atmel; Đây hai dòng sản phẩm tiếng ứng dụng nhiều lĩnh vực tự động điều khiển, thiết bị y tế… Riêng họ RISC 16/32 bit có dịng sản phẩm tiếng sau: - ARM 7/9/11/Cortex hãng ARM; - MIPS hãng MIPS Technologies; Thiết kế CPU RISC 32 bit FPGA HVTH: Võ Phú Thoại Luận văn tốt nghiệp - CBHD:ThS.Tống Văn On SPARC hãng Sun Đây ba dòng sản phẩm mạnh chiếm thị phần lớn hầu hết lĩnh vực thiết bị cầm tay như: điện thoại di động, thiết bị nghe nhạc MP3, iPods…và số chủng loại máy tính Sun, Apple 1.3 So sánh CISC RISC Những người làm việc lĩnh vực điện tử máy tính quen thuộc với vi xử lý cấu trúc CISC Intel: dòng vi xử lý bit 8051, dòng vi xử lý 16/32/64 bit 80486, Pentium… chuyển sang cấu trúc RISC Một câu hỏi đặt ra: CISC RISC, cấu trúc tốt ? Vào năm 70, dung lượng nhớ cịn mắc Ví dụ, vào khoảng thập niên 70, nhớ 16KB có giá trị khoảng 500USD Do việc tối thiểu hóa dung lượng nhớ chương trình yêu cầu cần thiết Để đáp ứng yêu cầu này, lệnh vi xử lý cần làm nhiều việc dẫn đến phức tạp lệnh Và điều hiển nhiên phần cứng phải phức tạp để thực lệnh phức tạp Phần cứng phức tạp làm cho giá thành sản xuất mắc Đây vấn đề mà kỹ sư thiết kế vi xử lý phải đối mặt Wilkes đưa kỹ thuật điều khiển dùng vi chương trình vào năm 1951 Vi chương trình chương trình thơng dịch, chức lấy lệnh phức tạp vào cho chuỗi lệnh đơn giản mà phần cứng thực Nhờ mà phần cứng khơng địi hỏi phải phức tạp Một lý dẫn đến phức tạp tập lệnh CISC người thiết kế cố gắng thu hẹp khoảng cách ngữ nghĩa ngôn ngữ máy ngôn ngữ cấp cao Một lệnh ngôn ngữ cấp cao dịch thành nhiều lệnh ngôn ngữ máy Thiết kế CPU RISC 32 bit FPGA HVTH: Võ Phú Thoại Luận văn tốt nghiệp 98 CBHD:ThS.Tống Văn On wire [31:0] inp; wire [31:0] out; reg [31:0] stored; // temporary variable initial stored = 32'h00000000; assign out = stored; // set output wire always @(posedge clk) #200 stored