Khóa Luận Tốt Nghiệp: Thiết Kế Bộ Xử Lý RISC-V Theo Kiến Trúc OoO

• Tác giả: Phan Van Tien
• Người hướng dẫn: Thạc Sĩ Hồ Ngọc Diễm
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật máy tính
• Đề tài: Thiết Kế Bộ Xử Lý RISC-V Theo Kiến Trúc OoO
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. Tổng quan
• 1.2. Các nghiên cứu liên quan
• 1.3. Lý do thực hiện đề tài
• 1.4. Mục tiêu đề tài
• 1.5. Phương pháp thực hiện
• 1.6. Các nội dung chính
• 2. KIẾN TRÚC BỘ XỬ LÝ VÀ KIẾN TRÚC TẬP LỆNH RISC-V
• 2.1. Kiến trúc RISC
• 2.1.1. Ưu điểm
• 2.1.2. Nhược điểm
• 2.2. Kiến trúc RISC-V
• 2.3. Ưu và nhược điểm của kiến trúc RISC-V
• 2.3.1. Ưu điểm
• 2.3.2. Nhược điểm
• 2.4. Kiến trúc RISC-V đã pipeline hóa
• 2.5. Vi kiến trúc Out-of-Order (OoO)
• 2.5.1. Vi kiến trúc In-Of-Order
• 2.5.2. Vi kiến trúc OoO
• 2.6. Kiến trúc tập lệnh RISC-V
• 3. THIẾT KẾ BỘ XỬ LÝ RISC-V THEO VI KIẾN TRÚC OoO
• 3.1. Vấn đề cần giải quyết
• 3.1.1. Data Hazards
• 3.1.1.1. True dependence: RaW (Read after Write)
• 3.1.1.2. Anti dependence: WaR (Write after Read)
• 3.1.1.3. False dependence: WaW (Write after Write)
• 3.1.2. Register Renaming
• 3.2. Thiết kế cơ bản tổng quát
• 3.2.1. Tổng quan
• 3.2.2. Khối Control
• 4. SỐ DẤU CHẤM ĐỘNG VÀ ĐƠN VỊ XỬ LÝ FLOATING POINT
• 4.1. Số dấu chấm động
• 4.1.1. Khái niệm số dấu chấm động
• 4.1.2. Số dấu chấm động độ chính xác đơn theo chuẩn IEEE 754
• 4.1.3. Tính toán trên số dấu chấm động độ chính xác đơn
• 4.1.4. Ngoại lệ trong tính toán số dấu chấm động độ chính xác đơn
• 4.1.5. Làm tròn khi tính toán số dấu chấm động
• 4.2. Thiết kế đơn vị xử lý Floating point
• 4.2.1. Thiết kế đơn vị xử lý Floating point theo luồng thiết kế ASIC
• 4.2.2. Thực hiện các phép toán trên FPU
• 5. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
• 5.1. Mô phỏng bộ xử lý RISC-V
• 5.1.1. Tập lệnh mô phỏng
• 5.2. Mô phỏng đơn vị xử lý Floating point
• 5.2.1. Mô phỏng phép cộng
• 5.2.2. Mô phỏng phép trừ
• 5.2.3. Mô phỏng phép nhân
• 5.2.4. Mô phỏng phép chia
• 5.3. Kết quả Post-synthesis
• 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 6.1. Nhược điểm
• 6.2. So sánh với nghiên cứu trước đó
• 6.3. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về thiết kế bộ xử lý RISC V theo kiến trúc OoO

Thiết kế bộ xử lý RISC-V theo kiến trúc OoO (Out-of-Order) đang trở thành xu hướng trong lĩnh vực vi xử lý hiện đại. Kiến trúc này cho phép thực hiện các lệnh không theo thứ tự, giúp tối ưu hóa hiệu suất xử lý. Việc áp dụng kiến trúc OoO giúp giải quyết các vấn đề về phụ thuộc dữ liệu, từ đó nâng cao tốc độ xử lý và hiệu quả của bộ vi xử lý.

1.1. Khái niệm về kiến trúc RISC V

RISC-V là một kiến trúc bộ tập lệnh mở, cho phép người dùng tùy chỉnh và mở rộng. Kiến trúc này được thiết kế để đơn giản hóa quá trình phát triển vi xử lý, đồng thời hỗ trợ nhiều ứng dụng khác nhau.

1.2. Lợi ích của kiến trúc OoO trong thiết kế vi xử lý

Kiến trúc OoO giúp giảm thiểu thời gian chờ đợi trong quá trình thực thi lệnh. Bằng cách cho phép các lệnh độc lập được thực hiện song song, hiệu suất tổng thể của bộ xử lý được cải thiện đáng kể.

II. Vấn đề và thách thức trong thiết kế bộ xử lý RISC V

Mặc dù kiến trúc OoO mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số thách thức trong quá trình thiết kế. Các vấn đề như xung đột dữ liệu và quản lý tài nguyên là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Xung đột dữ liệu trong kiến trúc OoO

Xung đột dữ liệu xảy ra khi các lệnh phụ thuộc vào nhau. Việc giải quyết xung đột này là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất của bộ xử lý không bị giảm sút.

2.2. Quản lý tài nguyên trong thiết kế vi xử lý

Quản lý tài nguyên hiệu quả là một thách thức lớn trong thiết kế bộ xử lý RISC-V. Cần có các phương pháp tối ưu hóa để đảm bảo rằng các tài nguyên như thanh ghi và bộ nhớ được sử dụng một cách hợp lý.

III. Phương pháp thiết kế bộ xử lý RISC V theo kiến trúc OoO

Để thiết kế bộ xử lý RISC-V theo kiến trúc OoO, cần áp dụng một số phương pháp cụ thể. Các phương pháp này bao gồm việc sử dụng kỹ thuật Forwarding và Register Renaming để giải quyết các vấn đề về phụ thuộc dữ liệu.

3.1. Kỹ thuật Forwarding trong thiết kế

Kỹ thuật Forwarding cho phép truyền kết quả của một lệnh ngay khi nó được tính toán, thay vì phải chờ đến khi lệnh đó được ghi vào thanh ghi. Điều này giúp giảm thiểu thời gian chờ đợi và tăng tốc độ thực thi.

3.2. Register Renaming để tối ưu hóa hiệu suất

Register Renaming là một kỹ thuật giúp loại bỏ các phụ thuộc dữ liệu bằng cách đổi tên các thanh ghi. Kỹ thuật này cho phép nhiều lệnh được thực hiện song song mà không gặp phải xung đột.

IV. Ứng dụng thực tiễn của bộ xử lý RISC V theo kiến trúc OoO

Bộ xử lý RISC-V theo kiến trúc OoO đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ điện thoại thông minh đến máy chủ. Các ứng dụng này cho thấy khả năng xử lý mạnh mẽ và hiệu quả của kiến trúc này.

4.1. Ứng dụng trong thiết bị di động

Bộ xử lý RISC-V được sử dụng trong các thiết bị di động nhờ vào khả năng tiết kiệm năng lượng và hiệu suất cao. Điều này giúp cải thiện trải nghiệm người dùng và kéo dài thời gian sử dụng pin.

4.2. Ứng dụng trong máy chủ và trung tâm dữ liệu

Trong môi trường máy chủ, bộ xử lý RISC-V cho phép xử lý nhiều tác vụ đồng thời, từ đó nâng cao hiệu suất và khả năng mở rộng của hệ thống.

V. Kết luận và tương lai của thiết kế bộ xử lý RISC V

Thiết kế bộ xử lý RISC-V theo kiến trúc OoO hứa hẹn sẽ mang lại nhiều tiến bộ trong công nghệ vi xử lý. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, kiến trúc này sẽ tiếp tục được cải tiến và mở rộng.

5.1. Tương lai của kiến trúc RISC V

Kiến trúc RISC-V có tiềm năng lớn trong việc phát triển các bộ xử lý thế hệ mới. Sự mở rộng và tùy chỉnh của kiến trúc này sẽ tạo ra nhiều cơ hội cho các nhà phát triển.

5.2. Những thách thức cần vượt qua

Mặc dù có nhiều lợi ích, nhưng việc áp dụng kiến trúc RISC-V cũng đối mặt với một số thách thức. Cần có các nghiên cứu và phát triển liên tục để giải quyết những vấn đề này.