Bài giảng Cấu trúc máy tính: Chương 3 - Đào Quốc Phương

Chia sẻ: Tùy Duyên | Ngày: | Loại File: PPT | Số trang:68

Thêm vào BST

Báo xấu

82
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Cấu trúc máy tính - Chương 3: Bộ xử lý trung tâm (CPU). Chương này trình bày những nội dung cụ thể như sau: Cấu trúc cơ bản của CPU, tập lệnh, hoạt động của CPU, các kỹ thuật tiên tiến của bộ xử lý,

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Cấu trúc máy tính: Chương 3 - Đào Quốc Phương

Cấu trúc máy tính Chương 3 BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM (CPU) 10/19/16 Chương 3: Bộ xử lý trung tâm 1
Nội dung 3.1. Cấu trúc cơ bản của CPU 3.2. Tập lệnh 3.3. Hoạt động của CPU 3.4. Các kỹ thuật tiên tiến của bộ xử lý 3.5. Kiến trúc Intel 10/19/16 Chương 3: Bộ xử lý trung tâm 2
3.1 Cấu trúc cơ bản của CPU Chức năng : thực hiện chương trình lưu trong bộ nhớ chính bằng cách lấy lệnh ra khảo sát thực hiện lần lượt các lệnh. CPU gồm 1 số bộ phận tách biệt : Đơn vị Bộ điều khiển (Control Unit) lấy Đơn vị Tập các lệnh ra từ bộ nhớ và xác định số học và điều khiển Thanh ghi logic kiểu lệnh. (CU) (RF) (ALU) Bộ luận lý và số học (ALU) thực hiện phép toán số học và logic Các thanh ghi (Registers) : lưu Bus bên trong kết quả tạm thời và các thông tin điều khiển. CPU giao tiếp Đơn vị nối ghép bus (BIU) với các bộ phận khác trong máy tính thông qua các tuyến gọi là Bus Bus bên ngoài 10/19/16 Chương 3: Bộ xử lý trung tâm 3
Đơn vị điều khiển (CU)  Chức năng  Điều khiển nhận lệnh từ bộ nhớ Thanh ghi lệnh đưa vào thanh ghi lệnh  Tăng nội dung của PC để trỏ sang Các cờ Các tín hiệu lệnh kế tiếp điều khiển bên trong CPU  Giải mã lệnh đã được nhận để xác Đơn vị điều khiển định thao tác mà lệnh yêu cầu Clock  Phát ra các tín hiệu điều khiển thực hiện lệnh Các tín hiệu Các tín hiệu điều khiển đến  Nhận các tín hiệu yêu cầu từ bus hệ yêu cầu từ bus hệ thống bus hệ thống thống và đáp ứng với các yêu cầu Bus điều khiển đó. 10/19/16 Chương 3: Bộ xử lý trung tâm 4
Đơn vị điều khiển (CU)  Clock: tín hiệu nhịp từ mạch tạo dao động bên ngoài. Thanh ghi lệnh  Mã lệnh từ thanh ghi lệnh đưa đến để giải mã.  Các cờ từ thanh ghi cờ cho biết trạng Các cờ Các tín hiệu điều khiển bên thái của CPU. trong CPU  Các tín hiệu yêu cầu từ bus điều khiển Đơn vị điều khiển  Các tín hiệu điều khiển bên trong CPU: Clock  Điều khiển các thanh ghi  Điều khiển ALU Các tín hiệu Các tín hiệu yêu cầu từ bus điều khiển đến  Các tín hiệu điều khiển bên ngoài CPU: hệ thống bus hệ thống  Điều khiển bộ nhớ Bus điều khiển  Điều khiển các mô-đun vào-ra 10/19/16 Chương 3: Bộ xử lý trung tâm 5
Đơn vị số học và logic  Chức năng: Thực hiện các phép toán số học và phép Dữ liệu vào từ các thanh toán logic. ghi Dữ liệu ra từ Đơn vị các thanh ghi  Số học: cộng, trừ, nhân, chia, số học và logic (ALU) tăng, giảm, đảo dấu. Các tín hiệu  Logic: AND, OR, XOR, NOT, từ đơn vị điều khiển phép dịch bit. Thanh ghi cờ 10/19/16 Chương 3: Bộ xử lý trung tâm 6
Cổng logic căn bản 1. Cổng NOT  Còn gọi là cổng đảo (Inverter), dùng để thực hiện hàm đảo Y= A  Ký hiệu mũi tên chỉ chiều di chuyển của tín hiệu và vòng tròn là ký hiệu đảo. A Y A Y 0 1 1 0 10/19/16 Chương 3: Bộ xử lý trung tâm 7
Cổng AND  Dùng thực hiện hàm AND 2 hay nhiều biến.  Cổng AND có số ngã vào tùy thuộc số biến và một ngã ra. Ngã ra của cổng là hàm AND của các biến ngã vào.  Nhận xét: Ngã ra cổng AND chỉ ở mức cao khi tất cả ngã vào lên cao.  Khi có một ngã vào = 0, ngã ra = 0 bất chấp các ngã vào còn lại.  Khi có một ngã vào =1, ngã ra = AND của các ngã vào còn lại. A B Y A 0 0 0 Y=A.B 0 1 0 B 1 0 0 1 1 1 10/19/16 Chương 3: Bộ xử lý trung tâm 8
Cổng OR  Dùng để thực hiện hàm OR 2 hay nhiều biến.  Cổng OR có số ngã vào tùy thuộc số biến và một ngã ra.  Nhận xét: Ngã ra cổng OR chỉ ở mức thấp khi cả 2 ngã vào xuống thấp.  Khi có một ngã vào =1, ngã ra = 1 bất chấp ngã vào còn lại.  Khi có một ngã vào =0, ngã ra = OR các ngã vào còn lại. A B Y A 0 0 0 Y=A+B 0 1 1 B 1 0 1 1 1 1 10/19/16 Chương 3: Bộ xử lý trung tâm 9
Cổng NAND  Là kết hợp của cổng AND và cổng NOT, thực hiện hàm Y = A.B  Ký hiệu của cổng NAND (Gồm AND và NOT, cổng NOT thu gọn lại một vòng tròn)  Tương tự như cổng AND, ở cổng NAND ta có thể dùng 1 ngã vào làm ngã kiểm soát. Khi ngã kiểm soát = 1, cổng mở cho phép tín hiệu logic ở ngã vào còn lại qua cổng và bị đảo, khi ngã kiểm soát = 0, cổng đóng, ngã ra luôn bằng 1.  Khi nối tất cả ngã vào của cổng NAND lại với nhau, nó hoạt động như một cổng đảo A B Y A 0 0 1 Y=A.B 0 1 1 1 0 1 B 1 1 0 10/19/16 Chương 3: Bộ xử lý trung tâm 10
Cổng NOR  Là kết hợp của cổng OR và cổng NOT  Ký hiệu của cổng NOR (Gồm cổng OR và NOT, nhưng cổng NOT thu gọn lại một vòng tròn) A B Y A 0 0 1 Y=A+B 0 1 0 B 1 0 0 1 1 0 10/19/16 Chương 3: Bộ xử lý trung tâm 11
Ví dụ A B X C D A B C D X 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 10/19/16 Chương 3: Bộ xử lý trung tâm 12
Tập thanh ghi  Chức năng và đặc điểm:  Chứa các thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động ở thời điểm hiện tại của CPU  Được coi là mức đầu tiên của hệ thống nhớ  Số lượng thanh ghi nhiều tăng hiệu năng của CPU  Có hai loại thanh ghi:  Các thanh ghi lập trình được  Các thanh ghi không lập trình được 10/19/16 Chương 3: Bộ xử lý trung tâm 13
Phân loại thanh ghi Thanh ghi tổng quát : chủ yếu dùng để lưu trữ dữ liệu trong quá trình thực thi CT, nhưng mỗi thanh ghi còn có 1 số chức năng riêng (AX, BX, CX, DX) Thanh ghi điều khiển : các bit của nó qui định tác vụ của các đơn vị chức năng của MT. Thanh ghi trạng thái : lưu trữ thông tin mô tả trạng thái. 10/19/16 Chương 3: Bộ xử lý trung tâm 14
Một số thanh ghi điển hình  Các thanh ghi địa chỉ  Bộ đếm chương trình PC (Program Counter)  Con trỏ dữ liệu DP (Data Pointer)  Con trỏ ngăn xếp SP (Stack Pointer)  Thanh ghi cơ sở và thanh ghi chỉ số (Base Register & Index Register)  Các thanh ghi dữ liệu  Thanh ghi trạng thái 10/19/16 Chương 3: Bộ xử lý trung tâm 15
Bộ đếm chương trình PC  Còn được gọi là con trỏ lệnh CP IP (Instruction Pointer) U Lệnh  Giữ địa chỉ của lệnh tiếp PC Lệnh theo sẽ được nhận vào. 202 Lệnh i  Sau khi một lệnh được nhận IR Lệnh i+1 vào, nội dung PC tự động Lệnh tăng để trỏ sang lệnh kế tiếp. 10/19/16 Chương 3: Bộ xử lý trung tâm 16
Thanh ghi con trỏ dữ liệu  Chứa địa chỉ của ngăn nhớ dữ liệu mà CPU muốn truy nhập Dữ liệu  Thường có một số thanh ghi con Dữ liệu trỏ dữ liệu Dữ liệu DP cần đọc/ghi Dữ liệu Dữ liệu 10/19/16 Chương 3: Bộ xử lý trung tâm 17
Ngăn xếp (Stack)  Ngăn xếp là vùng nhớ có cấu trúc LIFO (Last In - First Out) Đỉnh ngăn xếp  Ngăn xếp thường dùng để phục vụ cho chương trình con  Đáy ngăn xếp là một ngăn nhớ xác định  Đỉnh ngăn xếp là thông tin nằm ở vị trí Đáy Ngăn xếp trên cùng trong ngăn xếp  Đỉnh ngăn xếp có thể bị thay đổi 10/19/16 Chương 3: Bộ xử lý trung tâm 18
Con trỏ ngăn xếp SP (Stack Pointer)  Chứa địa chỉ của ngăn nhớ đỉnh ngăn xếp  Khi cất một thông tin vào ngăn xếp: SP Đỉnh ngăn xếp  Nội dung của SP tự động giảm  Thông tin được cất vào ngăn nhớ được trỏ bởi SP  Khi lấy một thông tin ra khỏi ngăn xếp: Đáy Ngăn xếp  Thông tin được đọc từ ngăn nhớ được trỏ bởi SP  Nội dung của SP tự động tăng  Khi ngăn xếp rỗng, SP trỏ vào đáy 10/19/16 Chương 3: Bộ xử lý trung tâm 19
Thanh ghi cơ sở và thanh ghi chỉ số  Thanh ghi cơ sở: chứa địa chỉ của ngăn nhớ cơ sở (địa chỉ cơ sở) Thanh ghi cơ sở Ngăn nhớ cơ sở  Thanh ghi chỉ số: chứa độ lệch địa chỉ giữa ngăn nhớ mà CPU cần Thanh ghi chỉ số truy nhập so với ngăn nhớ cơ sở Ngăn nhớ cần truy cập (chỉ số)  Địa chỉ của ngăn nhớ cần truy nhập = địa chỉ cơ sở + chỉ số 10/19/16 Chương 3: Bộ xử lý trung tâm 20