Прототип скалярного RISC-комп’ютера із заданою підмножиною системи інструкцій

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»

Кафедра безпеки інформаційних технологій

КУРСОВА РОБОТА

з дисципліни «Архітектура комп’ютерних систем»

на тему «Прототип скалярного RISC-комп’ютера із заданою підмножиною системи інструкцій»

Виконав: студент групи КБ-34

Перевірив: Мельник В.А., д.т.н, професор

Львів, 2022

АНОТАЦІЯ

Мета курсової роботи полягає в опануванні студентом знань про принципи дії та архітектуру прототипних варіантів RISC-ком’ютера.

Під час виконання курсової роботи буде розроблено розширену, детальну структурну схему прототипу скалярного RISC-комп'ютера з поданням структури, інформаційних та керуючих зв'язків інформаційного тракту i пристрою керування та з врахуванням конкретизованої за завданням підмножини системи інструкцій, розкрито внутрішню структуру пристроїв інформаційного тракту, апаратури пристрою керування, розроблено підсистему введення/виведення інформації.

Закріплено знання буде у наданні у табличній чи графічній формах детальноі мікропрограми виконання інструкцій, буде запропоновано варіант конвеєризації структури інформаційного тракту разом із конвеєрною мікропрограмою керування та пояснено спосіб реалізації цього конвеєрного керування.

Також буде виконано креслення, на якому буде відображено детальні структури пристрою керування, кешу даних та інструкцій, буде пояснено принципи їх будови та зв'язок з модифікованою Гарвардською архітектурою.

Проект складається з трьох частин. У першій частині надаються конкретизовані та розширені вихідні дані на проектування. У другій частині аналізуються основні принципи побудови скалярних RISC-комп'ютерів на прикладі визначених на реалізацію інструкцій згідно індивідуального завдання. У третій частині проводиться опис синтезу та розробки структурної схеми.

Ключові слова: скалярний RISC-комп'ютер, проектування, підмножина, архітектура комп’ютера, мікропрограма.

ЗМІСТ

ВСТУП        4

РОЗДІЛ 1. СТРУКТУРА RISC-КОМП’ЮТЕРА        6

1.1 Основні принципи побудови RISC-комп’ютерів        6

1.2 Побудова інформаційного тракту        8

РОЗДІЛ 2. ПАМ'ЯТЬ        14

2.1 Кеш пам’ять        14

2.2 Основна пам’ять        16

РОЗДІЛ 3. ПРИСТРІЙ КЕРУВАННЯ        19

ВИСНОВОК        24

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ        25

ДОДАТКИ        26

ВСТУП

        Традиційний розвиток архітектури мікропроцесорів по шляху розширення і ускладнення набору мікрокоманд породжує небажані ефекти: ускладнюється і уповільнюється процес дешифрування команд програми. Крім того, ускладнення архітектури процесора робить більш важким розміщення всіх його пристроїв на одному кристалі мікросхеми. 

Із урахуванням перерахованих проблем, останні три десятиліття в противагу процесорам з складною системою команд CISC (Complex Instruction Set Computer) стали розроблятися і успішно застосовуватися процесори з простою системою команд, так звані RISC процесори (Reduced Instruction Set Computer). RISC-архітектура дозволяє досягти високої продуктивності за рахунок більш швидкого, ніж у CISC процесорах, виконання команд. 

Основні принципи, реалізовані в RISC процесорах:

1. Однакова довжина команд. Це полегшує їх вибірку з оперативної пам’яті, процесор не затримується для читання додаткових машинних слів, що утворюють виконувану команду.
2. Скорочений набір мікрокоманд. В RISC процесорах гранично скорочено кількість мікрокоманд, залишені головним чином найпростіші, найбільш часто вживані команди, що дозволяє спростити схему обробки інформації і за цей рахунок зменшити розміри пристроїв мікропроцесора, а звільнене місце відвести під регістри.
3. Велика кількість регістрів. На відміну від традиційних CISC-процесорів, в RISC-процесорах велика частина проміжних результатів зберігається в регістрах, а менша – в оперативній пам’яті. Цим скорочується потрібна кількість звернень мікропроцесора до оперативної пам’яті.
4. Скорочений набір дій над операндами. Ті RISC-команди, які обробляють дані, ніколи не поєднуються з операціями читання і запису в оперативну пам’ять, як це буває в командах CISC-процесорів, це зменшує довжину команди і спрощує її обробку.
5. Мала кількість апаратно підтримуваних типів даних. Спрощення мікрокоманд та скорочення їх кількості в RISC-процесорах призводить до збільшення числа команд в самій програмі, тобто exe-файл має більший розмір. Але хоча RISC програми довше еквівалентним їм CISC-програмам, виконуються вони швидше.

Перший RISC-комп’ютер був розроблений в 1974 році співробітником IBM Джоном Куком. У принципі, є можливість проектувати процесори на чистій RISC-архітектурі. Але відмовитися від архітектури x86 вже неможливо, оскільки під неї написано більшість поширених у світі програм.