Tiểu luận môn kiến trúc máy tính nâng cao tìm hiểu về cisc và risc

Giới thiệu về CISC và RISC 1.1.1 CISC CISC Complex Instruction Set Computers là một kiến trúc vi xử lý với một tập lệnh lớn và nhiều lệnh phức tạp.. Bởi vì một câu lệnh cần phải thực hiệ

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 và 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 9 năm 2015

MỤC LỤC

Trang

1 Tổng quan 3

1.1 Giới thiệu về CISC và RISC 3

1.1.1 CISC 3

1.1.2 RISC 4

1.2 Lịch sử phát triển của CISC và RISC 5

1.3 Ưu điểm, nhược điểm của CISC, RISC 6

1.3.1 CISC 6

1.3.2 RISC 6

2 So Sánh CISC và RISC 7

3 Đánh giá CISC và RISC 8

4 Kết Luận 8

TÀI LIỆU THAM KHẢO 11

1 Tổng quan

1.1 Giới thiệu về CISC và RISC

1.1.1 CISC

CISC (Complex Instruction Set Computers) là một kiến trúc vi xử lý với một tập lệnh

lớn và nhiều lệnh phức tạp Hướng tiếp cận của CISC là cố gắng thực hiện các tác vụ phức tạp chỉ bằng một câu lệnh

Hướng tiếp cận của kiến trúc CISC xuất phát từ đặc điểm ở giai đoạn đầu của máy tính

là việc thiết kế phần cứng dễ hơn thiết kế trình biên dịch và bộ nhớ chậm, đắt tiền Do đó các nhà thiết kế CPU cố gắng tạo ra các lệnh có thể làm được càng nhiều tác vụ càng tốt nhằm mục đích giảm thiểu sự truy cập vào bộ nhớ và kích thước bộ nhớ Bởi vì một câu lệnh cần phải thực hiện nhiều thao tác nên kiến trúc CISC thường chứa một số lượng lớn các câu lệnh phức tạp

Các bộ xử lý dựa trên kiến trúc CISC được thiết kế nhằm đơn giản hóa các trình biên dịch và cải thiện hiệu suất khi bị ràng buộc về kích thước và tốc độ của bộ nhớ CISC hỗ trợ các ngôn ngữ cấp cao phức tạp, chịu trách nhiệm tạo ra các mã lệnh máy cho bộ xử lý

Ví dụ, thay vì tạo ra một trình biên dịch để viết các câu lệnh nhân hai số nguyên, một bộ

xử lý dựa trên kiến trúc CISC sẽ có sẵn một câu lệnh để thực hiện chức năng nhân hai số nguyên

Chip CISC (Intel Xeon x86 của Intel) và Opteron của AMD

* Đặc điểm của CISC:

- Kích thước tập lệnh lớn với nhiều lệnh rất phức tạp

- Nguyên lý giải mã lệnh phức tạp (Complex instruction-decoding logic): xuất phát từ nhu cầu một câu lệnh hỗ trợ nhiều chế độ d địa chỉ (addressing mode)

- Số lượng các thanh ghi mục đích chung (general purpose register) ít: Các lệnh hoạt động trực tiếp trên bộ nhớ, và không gian chip được dùng làm các thanh ghi mục đích chung bị hạn chế

- Có nhiều thanh ghi mục đích đặc biệt (special purpose register): Nhiều thiết kế CISC dành các thanh ghi đặc biệt làm con trỏ ngăn xếp, xử lý gián đoạn, Điều này tuy đơn giản hóa việc thiết kế phần cứng, nhưng tiêu tốn chi phí do tập lệnh phức tạp hơn

- Thông thường, một câu lệnh thường tốn hơn một chu kỳ để xử lý

- Độ dài của câu lệnh không cố định

* Một số bộ xử lý dựa trên kiến trúc CISC:

- IBM 370/168 : Được công bố vào năm 1970 với bộ xử lý 32 bit và thanh ghi dấu

phẩy động 64-bit (floating point registers)

- VAX 11/780 : Bộ xử lý 32 bit, hỗ trợ nhiều chế độ định địa chỉ ( addessing mode) và

mã máy

- Intel 80486 : Được công bố vào năm 1989 với 235 câu lệnh có độ dài từ 1 đến 11.

1.1.2 RISC

RISC (Reduced Instruction Set Computers) là một kiến trúc vi xử lý thiết kế theo

hướng đơn giản hóa tập lệnh, trong đó thời gian thực thi tất cả các lệnh đều như nhau Khác với hướng tiếp cận của CISC, RISC cố gắng giảm số lượng thao tác trên một câu lệnh nên câu lệnh sẽ trở nên đơn giản Vi xử lý RISC nhấn mạnh tính đơn giản và hiệu quả Các thiết kế RISC khởi đầu với tập lệnh thiết yếu và vừa đủ RISC tăng tốc độ xử lý bằng cách giảm số chu kỳ đồng hồ trên một lệnh Mục đích của RISC là tăng tốc độ hiệu dụng bằng cách chuyển việc thực hiện các tác vụ không thường xuyên vào phần mềm, những tác vụ phổ biến do phần cứng thực hiện nhằm tăng hiệu năng của máy tính

Vi xử lý RISC thường phù hợp với các ứng dụng điều khiển hay nhúng như máy in lazer, máy in đa chức năng Vi xử lý RISC cũng rất phù hợp với các ứng dụng như xử lý ảnh, robot và đồ họa nhờ có mức tiêu thụ điện thấp, thực thi nhanh chóng

Chip RISC (Itanium của Intel)

* Đặc điểm của RISC:

- Các lệnh đơn giản: Kiến trúc CISC sử dụng rộng rãi các lệnh phức tạp bởi vì các câu lệnh giúp giảm sự phức tạp của ngữ nghĩa Tuy nhiên, trong thực tế, trình biên dịch hầu như bỏ qua các lệnh này Vì lý do này, các kiến trúc RISC sử dụng các lệnh đơn giản hơn với độ dài cố định và không có các lệnh kết hợp load/store với số học

- Ít kiểu dữ liệu: kiến trúc CISC hỗ trợ một loạt các cấu trúc dữ liệu từ đơn giản cho đến phức tạp Tuy nhiên, dữ liệu thực nghiệm cho thấy rằng các cấu trúc dữ liệu phức tạp

ít được sử dụng RISC hỗ trợ một vài kiểu dữ liệu đơn giản một cách hiệu quả và các kiểu

dữ liệu kết hợp/phức tạp được tổng hợp từ chúng

- Các chế độ định địa chỉ (addressing mode) đơn giản: thiết kế CISC cung cấp một số lượng lớn các chế độ đánhđịa chỉ để hỗ trợ cấu trúc dữ liệu phức tạp cũng như để cung cấp

sự linh hoạt để truy cập các toán hạng Tuy nhiên nó dẫn đến các vấn đề về thời gian thực thi lệnh và độ dài lệnh biến thiên Điều này dẫn đến việc giải mã lệnh và định thời không hiệu quả Thiết kế RISC dùng các chế độ định địa chỉ đơn giản và các lệnh có chiều dài cố định để tạo điều kiện cho việc xử lý song song (pipelining) Chế độ định địa chỉ bộ nhớ gián tiếp không được cung cấp

- Các thanh ghi mục đích chung giống nhau: thiết kế RISC cho phép bất kỳ thanh ghi nào cũng có thể dùng trong bất kỳ ngữ cảnh nào, đơn giản hóa thiết kế trình biên dịch

- Kiến trúc Harvard: các thiết kế RISC thường sử dụng mô hình bộ nhớ Harvard, các dòng lệnh và các luồng dữ liệu được tách ra

* Một số bộ xử lý phổ biến dựa trên kiến trúc RISC:

ARM, SuperH, MIPS, SPARC, DEC, Alpha, PA-RISC, PIC, và PowerPC của IBM

1.2 Lịch sử phát triển của CISC và RISC

Cuối những năm 1950, với nhu cầu đưa các dòng sản phẩm máy tính ra thị trường, IBM đã tiến hành một chương trình nghiên cứu với mục đích tạo ra một loạt các phần mềm tương thích với máy tính của mình Vào ngày 7 tháng 4 năm 1964, IBM System/360, máy tính thương mại đầu tiên dựa trên kiến trúc CISC được công bố Sự thành công của IBM System/360 đánh dấu sự thống trị của kiến trúc CISC trong 2 thập kỷ Tuy nhiên, vào giữa những năm 1970, IBM nhận thấy rằng nhiều câu lệnh trong tập lệnh của kiến trúc CISC có thể loại bỏ, kết quả là sự ra đời của RISC, kiến trúc sử dụng tập lệnh nhỏ hơn với những lệnh đơn giản giúp tăng tốc độ xử lý, giảm kích thước bộ xử lý và giảm sự tiêu thụ năng lượng Hệ thống RISC đầu tiên được bắt đầu thiết kế vào năm 1975 bởi John

Cocke và hoàn thành vào năm 1980 có tên là IBM 801 IBM 801 được thiết kế để phục vụ cho các công việc nhỏ và được sử dụng cho máy tính IBM RT vào năm 1986 nhưng bị thất bại Mặc dù bị thất bại nhưng IBM 801 đã tạo nên một nguồn cảm hứng cho các dự án nghiên cứu dẫn đến sự ra đời của các vi xử lý dựa trên kiến trúc RISC sau này Vào năm

1982, dự án Berkeley RISC công bố bộ xử lý RISC – I chứa 44420 transistor và có 32 câu lệnh Năm 1983, Berkeley RISC tiếp tục công bố bộ xử lý RISC – II với 40760 transistor

và 39 câu lệnh Năm 1985 và 1988, MIPS Computer Systems lần lượt công bố vi xử lý R2000 và R3000 Năm 1986, công ty Hewlett Packard bắt đầu sử dụng kiến trúc PA-RISC trong máy tính của mình Năm 1987 Sun Micosystems, một công ty bán máy tính sản xuất

bộ xử lý SPARC dựa trên kiến trúc RISC – II của Berkeley

1.3 Ưu điểm, nhược điểm của CISC, RISC

1.3.1 CISC

* Ưu điểm:

- Chương trình ngắn hơn so với kiến trúc RISC

- Số lệnh để thực hiện chương trình 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

* Nhược điểm:

- 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 lâu hơn do các câu lệnh phức tạp.Và thời gian thực hiện lệnh lâu khả năng xảy ra rủi ro nhiều

1.3.2 RISC

* Ưu điểm:

- Diện tích của bộ xử lý dùng cho bộ điều khiển giảm so với kiến trúc CISC Vì vậy có thể tích hợp thêm vào bên trong bộ xử lý các thanh ghi, các cổng vào ra và bộ nhớ cache

- Tốc độ tính toán cao nhờ vào việc giải mã lệnh đơn giản, có nhiều thanh ghi và thực hiện kỹ thuật ống dẫn (pipeline) liên tục và có hiệu quả (các lệnh đều có thời gian thực hiện giống nhau và có cùng dạng)

- Thời gian cần thiết để thiết kế bộ điều khiển là ít Điều này góp phần làm giảm chi phí thiết kế

- Bộ điều khiển trở nên đơn giản và gọn làm cho ít rủi ro mắc phải sai sót mà ta gặp thường trong bộ điều khiển

* Nhược điểm:

- Việc cấm truy nhập bộ nhớ đối với tất cả các lệnh ngoại trừ các lệnh đọc (load) và ghi (store) vào bộ nhớ Vì vậy phải dùng nhiều lệnh để thực hiện một tác vụ nhất định

- Cần phải tính các địa chỉ hiệu dụng vì không có nhiều cách định vị

- Tập lệnh có ít lệnh nên các lệnh không có sẵn phải được thay thế bằng một chuỗi lệnh của bộ xử lý RISC

- Các chương trình dịch gặp nhiều khó khăn vì có ít lệnh làm cho việc diễn dịch các cấu trúc của chương trình gốc bị hạn chế Sự cứng nhắc của kỹ thuật ống dẫn cũng gây khó khăn

- Có ít lệnh trợ giúp cho ngôn ngữ cấp cao

2 So Sánh CISC và RISC

- Hướng tiếp cận : hoàn thành một tác vụ

với số lượng câu lệnh ít nhất

- Hướng tiếp cận: Cố gắng đơn giản hóa

câu lệnh

- Tập trung vào thiết kế phần cứng - Tập trung vào thiết kế phần mềm

- Gồm nhiều câu lệnh phức tạp, cần nhiều

chu kỳ để xử lý

- Gồm các câu lệnh đơn giản được xử lý trong 1 chu kỳ

- Sử dụng kiểu kiến trúc tập lệnh ô nhớ - ô

nhớ: Lệnh LOAD và STORE kết hợp với

nhau trong các câu lệnh

- Sử dụng kiểu kiến trúc tập lệnh thanh ghi – thanh ghi: Lệnh LOAD và STORE là độc lập với nhau trong các câu lệnh

- Truyền biến không hiệu quả ngoài bộ nhớ - Truyền biến hiệu quả trên thanh ghi

- Kích thước của một chương trình nhỏ - Kích thước của một chương trình lớn

- Độ dài của câu lệnh khác nhau - Độ dài của câu lệnh cố định

- Số chu kỳ trên giây cao - Số chu kỳ trên giây thấp

3 Đánh giá CISC và RISC

- RISC chiếm ưu thế trong các cuộc chiến công nghệ, CISC chiếm ưu thế trong cuộc chiến thương mại

- CISC còn nhiều hạn chế về mặt kỹ thuật và công nghệ

- Đối với công nghệ hiện tại, triển khai RISC sẽ nhanh hơn bởi vì :

+ Các công nghệ hiện tại có khả năng mở single-chip RISC

+ Với công nghệ mở single-chip CISC, RISC sẽ có pipeline

+ Với công nghệ mở pipelined CISC, RISC sẽ có caches

- CISC có thể cải thiện bằng cách thêm nhiều transistor

- Moore’s Law sẽ rút ngăn khoảng cách RISC/CISC

- Để pipeline tốt: RISC cần 100000 transistor, CISC cần 300000 transistor

- Trước 1995: 2M+ transistors đã tràn ngập thị trường

- Chi phí phần mềm và độ thương thích là ưu điểm quan trọng của CISC

- Nhiều so sánh hiệu suất đã chỉ ra rằng chương trình chuẩn (benchmark) khi chạy trên

bộ vi xử lý RISC nhanh hơn so với trên bộ xử lý với CISC Tuy nhiên, rất khó để xác định được những tính năng của một bộ vi xử lý nào có hiệu suất cao hơn vì RISC có tốc độ cao không phải là do tính năng của RISC tốt hơn mà do công nghệ, trình biên dịch tốt hơn

- Sự đơn giản tập lệnh của bộ vi xử lý RISC yêu cầu bộ nhớ lớn hơn so với khi biên chương trình biên dịch bằng CISC

Tóm lại, kiến trúc RISC và CISC đều có những ưu và nhược điểm riêng nên rất khó đánh giá cái nào sẽ tốt hơn.Hầu hết các bộ vi xử lý hiện nay không đơn thuần là RISC hoặc CISC mà cố gắng kết hợp những ưu điểm của cả hai phương pháp

4 Kết Luận.

Vào cuối những năm 1970, khi cuộc cách mạng về máy tính đang trên đà phát triển, giá thành của phần cứng vẫn còn khá đắt tiền xuất phát từ hướng tiếp cận của CISC là tập trung vào phần cứng Với sự ra đời của kiến trúc CISC vào đầu những năm 1980, giá của phần cứng đã giảm xuống đáng kể Ranh giới giữa kiến trúc RISC và CISC đang dần trở nên không rõ ràng vì sự tiến bộ của cả hai bộ xử lý CISC và RISC, khoảng cách giữa hai kiến trúc này dần dần được thu hẹp Với tốc độ của bộ xử lý đã được nâng cao, những chip CISC ngày nay có thể thực thi nhiều hớn một lệnh trong một xung nhịp Điều này cho phép các chip CISC thực hiện song song hóa (pipeline) Với sự phát triển của một số công nghệ khác, hiện nay một chip đơn có thể gắn nhiều transistor Tương tự như vậy, bộ

xử lý RISC cũng có thể được làm bằng sự tích hợp phức tạp hơn của phần cứng, giống như CISC

Trong giai đoạn hiện nay, hướng tiếp cận trong thiết kế vi xử lý đang giao thoa giữa hai kiến trúc RISC và CISC Một kiến trúc mới với tên gọi EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing) đã mở cho một thời kỳ mới, nó mang ưu điểm của RISC lẫn

CISC EPIC dựa trên bộ xử lý ”Itanium” và được sử dụng trong thương mại một cách rộng rải bởi hai hãng máy tính lớn là HP-Compact và Unisys

Với sự hậu thuẫn lớn của Intel, đã làm cho thị phần máy tính thông minh của CISC lớn hơn Tuy nhiên, RISC nhờ vào thế mạnh của phương pháp hiệu quả đã làm tăng nhanh sự tiến triển của mình trong thị phần của thiết bị cầm tay và di động Các thiết bị của Nintendo và Apple… là những minh chứng đáng chú ý cho điều này Vì vậy, cả 2 kiến trúc này đều phát triển rất mạnh trong tương lai trừ khi có một kiến trúc mới tốt hơn xuất hiện

Trung tâm nghiên cứu và đào tạo thiết kế vi mạch (ICDREC) thuộc Đại học Quốc gia

TP HCM cũng ứng dụng những kiến trúc này trong việc nghiên cứu và thiết kế các chip

xử lý 8 bit, 24 bit và 32 bit

Chip SG8V1 được ứng dụng nhiều trong chế tạo máy điều hòa, máy đo huyết áp, điện

kế điện tử, thiết bị giám sát hành trình

Chip ADC 24-bit được ứng dụng nhiều trong lĩnh đo lường như đo điện kế điện tử, địa chấn kế và đặc biệt trong lĩnh vực y tế như điện tâm đồ (ECG), xử lý tín hiệu y khoa

Chip ADC 24-bit.

Chip vi xử lý 32-bit VN1632 được Trung tâm nghiên cứu và đào tạo thiết kế vi mạch (ICDREC) thuộc Đại học Quốc gia TP HCM nghiên cứu và thiết kế Chip VN1632 dựa trên kiến trúc RISC Harvard, kiến trúc pipeline 5 tầng, bộ nhớ cache bên trong, tập lệnh bao gồm 65 lệnh, độ rộng từ lệnh 32-bit, bộ nhân bằng phần cứng, có chế độ debug và thiết kế đồng bộ

Chip vi xử lý 32-bit VN1632 của ICDREC.

Hiện tại ICDREC đã đưa chip 32-bit VN1632 vào ứng dụng để phát triển sản phẩm hộp đen ôtô, thiết bị khung ảnh số và phục vụ nghiên cứu giáo dục

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-from-each-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-viet-nam-3235255.html

http://sohoa.vnexpress.net/tin-tuc/doi-song-so/viet-nam-thiet-ke-thanh-cong-chip-32-bit-1512025.html