Transport Triggered Architecture ( TTA ) đại diện cho một cách tiếp cận hấp dẫn trong thiết kế CPU, nơi chỉ cần các lệnh di chuyển để thực hiện tính toán. Một triển khai gần đây của CPU TTA đơn giản đã khơi dậy các cuộc thảo luận về kiến trúc máy tính tối giản, nhưng cộng đồng đã nêu bật một sự thật thú vị: kiến trúc x86 của Intel đã có thể hoạt động như một hệ thống chỉ dùng MOV.
 |
|---|
| Một bài blog thảo luận về "Kiến trúc CPU kỳ lạ" bao gồm những hiểu biết sâu sắc về CPU chỉ dùng MOV và mối quan hệ của nó với kiến trúc x86 của Intel |
Intel x86 Đã Hỗ Trợ Tính Toán Chỉ Với MOV
Khám phá ấn tượng nhất từ các cuộc thảo luận của cộng đồng là kiến trúc x86 hiện tại của Intel đã hoàn chỉnh theo nghĩa Turing chỉ bằng cách sử dụng các lệnh MOV. Khả năng này đã được chứng minh thông qua các dự án như movfuscator, có thể biên dịch các chương trình C thành assembly x86 chỉ sử dụng độc quyền các thao tác MOV. Kỹ thuật này khai thác các chế độ địa chỉ phức tạp và các tác dụng phụ có sẵn trong lệnh MOV của x86 để thực hiện các phép tính và thao tác điều khiển luồng.
Tuy nhiên, việc triển khai tính toán chỉ với MOV trên x86 đi kèm với chi phí đáng kể. Một lệnh MOV x86 tuân thủ đặc tả yêu cầu nhiều transistor hơn đáng kể so với toàn bộ một CPU TTA đơn giản, khiến nó trở thành một sự tò mò học thuật hơn là một giải pháp thực tế cho tính toán tối giản.
Lợi Ích và Hạn Chế của Kiến Trúc TTA
Transport Triggered Architecture mang lại những lợi thế thực sự cho các ứng dụng cụ thể. Trong các hệ thống TTA, không có ALU truyền thống hay thanh ghi trong lõi CPU. Thay vào đó, các thành phần này tồn tại như các thiết bị ngoại vi được ánh xạ bộ nhớ. Các phép tính xảy ra bằng cách di chuyển dữ liệu giữa các đơn vị chuyên biệt này thay vì thực thi trực tiếp các lệnh số học.
Các thành viên cộng đồng đã xác định rằng kiến trúc TTA hoạt động đặc biệt tốt cho các ứng dụng xử lý tín hiệu số nơi các mẫu luồng dữ liệu có thể dự đoán và nhất quán. Kiến trúc này cũng mang lại những khả năng thú vị cho việc triển khai FPGA, nơi việc thêm thanh ghi rất rẻ và nhiều thao tác MOV có thể thực thi song song.
CPU chỉ di chuyển trong CPU, như từ thanh ghi này sang thanh ghi khác. Vì vậy tất cả các thao tác di chuyển đều cực kỳ nhanh.
Tuy nhiên, các hệ thống TTA đối mặt với những thách thức đáng kể với các thao tác điều khiển luồng. Chuyển đổi ngữ cảnh trở nên cực kỳ tốn kém vì trạng thái bộ xử lý bị phân tán trên nhiều đơn vị được ánh xạ bộ nhớ khắp hệ thống. Điều này khiến TTA không phù hợp cho tính toán đa mục đích nơi đa nhiệm là thiết yếu.
Thông số kỹ thuật CPU TTA
- Độ rộng lệnh: 32 bit (16 bit địa chỉ nguồn + 16 bit địa chỉ đích)
- Chu kỳ xung nhịp: 4 chu kỳ cho mỗi lệnh
- Độ rộng bus: 16 bit
- Bố cục bộ nhớ:
- 0x0000-0x7FFF: Bộ nhớ lệnh
- 0x8000-0x8FFF: RAM
- 0x0000-0x100: ALU
- 0x1000-0x100: Khối điều khiển luồng
- 0x8000: Khối GPIO
- 0xFFFF: Bộ đếm chương trình
Ứng Dụng Thực Tế và Tiềm Năng Tương Lai
Bất chấp những hạn chế, kiến trúc TTA cho thấy triển vọng trong các hệ thống nhúng nơi tính đơn giản và chi phí là ưu tiên. Khả năng triển khai một CPU chức năng với số lượng cổng tối thiểu khiến nó hấp dẫn cho các thiết kế dựa trên FPGA hoặc các ứng dụng chuyên biệt không yêu cầu các tính năng hệ điều hành phức tạp.
Cộng đồng đã lưu ý rằng các thiết kế TTA hoạt động tốt nhất khi tránh hoàn toàn việc chuyển đổi ngữ cảnh. Cách tiếp cận này phù hợp với các ứng dụng nhúng như bộ điều khiển màn hình hoặc giao diện cảm biến nơi một nhiệm vụ chuyên dụng duy nhất chạy liên tục mà không bị gián đoạn.
Một số nhà phát triển đã thử nghiệm với các hệ thống TTA đa lõi nơi mỗi lõi xử lý một nhiệm vụ riêng biệt, giao tiếp thông qua các hub bộ nhớ chia sẻ. Cách tiếp cận này tránh được vấn đề chuyển đổi ngữ cảnh trong khi duy trì tính đơn giản kiến trúc khiến TTA hấp dẫn.
Các Thành Phần Chính Cần Thiết
- CPU có khả năng di chuyển dữ liệu
- Bộ đếm chương trình (sử dụng bộ đếm 74,161)
- ALU (sử dụng chip ALU 74181)
- Khối điều khiển nhánh/luồng
- Trình điều khiển bus và chốt 16-bit
- Logic giải mã địa chỉ
- Khối GPIO để gỡ lỗi
Công Cụ Phát Triển và Thách Thức Triển Khai
Trong khi việc xây dựng các hệ thống TTA về mặt khái niệm là đơn giản, triển khai thực tế đối mặt với những thách thức về chuỗi công cụ. Việc viết trình biên dịch cho kiến trúc TTA tỏ ra khó khăn vì bộ lệnh quá tối giản. Hầu hết các dự án TTA hiện tại dựa vào mã assembly viết tay hoặc các công cụ phát triển chuyên biệt như OpenASIP, cung cấp cả khả năng định nghĩa kiến trúc và tạo trình biên dịch.
Giá trị giáo dục của các hệ thống TTA không nên bị bỏ qua. Việc xây dựng một CPU TTA giúp các nhà phát triển hiểu các khái niệm tính toán cơ bản mà không bị sa lầy trong quản lý pipeline phức tạp hoặc các vấn đề thực thi siêu vô hướng gây khó khăn cho các thiết kế bộ xử lý hiện đại.
TTA đại diện cho một sự thay thế thú vị cho các kiến trúc CPU thông thường, mang lại những lợi thế độc đáo cho các ứng dụng cụ thể trong khi nêu bật cách các cách tiếp cận khác nhau đối với tính toán có thể đạt được cùng kết quả thông qua các phương tiện hoàn toàn khác biệt.
Tham khảo: Weird CPU architectures, the MOV only CPU