Bài tập lớn - ARM Architecture Overview môn Kỹ thuật vi xử lý | Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Bài tập lớn Kĩ thuật vi xử lý Tuần 1: (28/10 – 3/11) Vi xử lý ARM là gì ? Tổng quan
ARM (Advanced RISC Machine) là kiến trúc vi xử lý được phát triển bởi ARM Holdings, phổ biến
trong các thiết bị di động, nhúng, và một số hệ thống máy tính nhờ vào khả năng tiết kiệm năng
lượng và hiệu suất cao. Vi xử lý ARM nổi bật với kiến trúc RISC (Reduce Instruction Set
Computing), tối ưu cho hiệu suất xử lý nhanh và ít tốn năng lượng hơn so với kiến trúc phức tạp
CISC (Complex Instruction Set Computing) thường gặp trong các vi xử lý x86 của Intel và AMD.
Đặc điểm nổi bật của vi xử lý ARM: 1. Kiến trúc RISC:
• ARM sử dụng bộ lệnh RISC đơn giản, giúp giảm số chu kỳ xung nhịp cho mỗi lệnh và tiết kiệm điện năng.
2. Cấu trúc linh hoạt, dễ mở rộng:
• ARM cho phép các hãng sản xuất tùy chỉnh vi xử lý để tối ưu cho các ứng dụng cụ
thể, dẫn đến các dòng sản phẩm đa dạng như CortexA, Cortex-R, và Cortex-M.
3. Dòng sản phẩm của ARM:
• Cortex-A: Dòng vi xử lý hiệu năng cao, được dùng phổ biến trong các thiết bị di động
như điên thoại, máy tính bảng, và thậm chí là máy tính xách tay.
• Cortex-R: Thiết kế dành cho các hệ thống thời gian thực, dùng trong ứng dụng an
toàn và điều khiển công nghiệp.
• Cortex-M: Tối ưu cho các ứng dụng nhúng và vi điều khiển, như STM32.
4. Hiệu suất năng lượng tối ưu:
• Arm có hiệu suất năng lượng rất cao, giúp kéo dài tuổi thọ pin trong các thiết bị di
động, đồng thời giảm chi phí vận hành trong các ứng dụng nhúng và công nghiệp.
5. Hệ sinh thái và hỗ trợ phong phú:
• ARM cung cấp một hệ sinh thái rộng lớn, có nhiều tài liệu, công cụ phát triển, và
cộng đồng hỗ trợ phong phú. Ứng dụng của ARM:
Vi xử lý ARM rất phổ biến trong các thiết bị di động (smartphone, tablet), thiết bị nhúng (IoT,
robot), và ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong máy tính cá nhân (như dòng MacBook của
Apple sử dụng chip M-series). ARM cũng là một lựa chọn hàng đầu trong các ứng dụng công
nghiệp, ô tô và các hệ thống nhúng khác. Kiến trúc RISC:
RISC (Reduce Instruction Set Computer) là một kiểu kiến trúc vi xử lý dựa trên bộ lệnh đơn giản,
trái ngược với kiến trúc CISC (Complex Instruction Set Computer) có bộ lệnh phức tạp hơn. Kiến
trúc RISC được phát triển với mục tiêu cải thiện tốc độ xử lý và tiết kiệm năng lượng bằng cách
giảm số lượng và độ phức tạp của các lệnh.
Đặc điểm chính của kiến trúc RISC 1. Bộ lệnh tối giản:
- RISC chỉ có một tập hợp nhỏ các lệnh đơn giản, thường thực hiện các tác vụ trong một chu
kỳ xung nhịp. Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất và tăng tốc độ xử lý. 2. Thực thi lệnh nhanh:
- Nhờ các lệnh đơn giản, RISC có thể thực thi nhanh hơn, với hầu hết các lệnh được hoàn
thành trong một chu kỳ xung nhịp (single-cycle execution). Điều này rất hữu ích trong các
ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao và tiết kiệm năng lượng. 3. Quản lý bộ nhớ đơn giản:
- RISC thường chỉ cho phép các lệnh Load (nạp) và Store (lưu) làm việc trực tiếp với bộ nhớ,
còn các lệnh khác chủ yếu làm việc với các thanh ghi. Kiểu quản lý này giúp tăng tốc độ vì
truy cập thanh ghi nhanh hơn nhiều so với truy cập bộ nhớ chính. 4. Pipeline dễ dàng và hiệu quả hơn:
- Cấu trúc đơn giản của RISC giúp dễ dàng triển khai kỹ thuật pipeline (đường ống), cho phép
xử lý nhiều lệnh cùng lúc ở giai đoạn khác nhau.
Đây là lý do RISC có thể xử lý các tác vụ nhanh và hiệu quả hơn. 5. Ít lệnh phức tạp:
- RISC bỏ qua các lệnh phức tạp hoặc ít sử dụng, thay vào đó chỉ cung cấp các lệnh căn bản,
đủ dùng cho các tác vụ thông thường. Điều này không chỉ giúp giảm độ phức tạp của thiết
kế mà còn giúp tăng hiệu suất tổng thể
Lợi ích của kiến trúc RISC
- Hiệu suất cao: Thực thi lệnh nhanh chóng giúp cải thiện đáng kể hiệu suất trong các ứng
dụng yêu cầu xử lý nhanh.
- Tiết kiệm năng lượng: Do kiến trúc đơn giản và ít lệnh phức tạp, RISC tiêu thụ ít năng lượng
hơn, đặc biệt phù hợp cho các thiết bị di động hoặc nhúng.
- Thiết kế vi xử lý đơn giản hơn: Với bộ lệnh đơn giản, việc thiết kế và phát triển chip dễ dàng
hơn, tiết kiệm chi phí và giảm lỗi.
Ứng dụng của kiến trúc RISC
Kiến trúc RISC rất phổ biến trong các thiết bị di động, vi điều khiển, hệ thống nhúng, và thiết bị
IoT. ARM, một trong những nhà cung cấp kiến trúc RISC hàng đầu, đã đưa kiến trúc này vào các
vi xử lý ARM Cortex, là nên tảng của hầu hết các vi điều khiển và vi xử lý cho điện thoại thông
minh, máy tính bản, và các thiết bị nhúng khác.
Minh họa đơn giản cho cấu trúc RISC trong một vi xử lý: Execute Control unit Load/ Register Store