Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 4: Bộ vi xử lý

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:82

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 4: Bộ vi xử lý, chương này trình bày về tổ chức bộ vi xử lý (CPU); đơn vị xử lý; thanh ghi; tập lệnh; kỹ thuật ống dẫn Pipeline; siêu vô hướng (superscalar);... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 4: Bộ vi xử lý

BỘ VI XỬ LÝ VŨ NGỌC THANH SANG TRỊNH TẤN ĐẠT KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ĐẠI HỌC SÀI GÒN Email: trinhtandat@sgu.edu.vn Website: https://sites.google.com/site/ttdat88
Nội Dung • Tổ chức bộ vi xử lý (CPU) • Đơn vị xử lý • Thanh ghi • Tập lệnh • Kỹ thuật ống dẫn Pipeline • Siêu vô hướng (superscalar) Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn Kiến Trúc Máy Tính
TỔ CHỨC BỘ VI XỬ LÝ TRUNG TÂM (CPU) – CẤU TRÚC CƠ BẢN ❑Cấu trúc cơ bản bao gồm: • Đơn vị điều khiển (Control Unit – CU) • Đơn vị số học và logic (Arithmetic and Logic Unit – ALU) • Tập thanh ghi (Register File – RF), bộ nhớ (memory) và các thanh buses để kết nối các thành phần. Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn Kiến Trúc Máy Tính
TỔ CHỨC BỘ VI XỬ LÝ TRUNG TÂM (CPU) – CẤU TRÚC CƠ BẢN • Đơn vị điều khiển (Control Unit – CU): điều khiển hoạt động của máy tính theo chương trình đã thiết kế sẵn. • Đơn vị số học và logic (Arithmetic and Logic Unit – ALU): Thực hiện các phép toàn số học và phép toán logic. • Tập thanh ghi (Register File – RF): Lưu trữ các thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động của CPU. • Đơn vị nối ghép bus (Bus Interface Unit – BIU): kết nối và trao đổi thông tin giữa bus bên trong (Internal Bus) và bus bên ngoài (External Bus) Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn Kiến Trúc Máy Tính
ĐƠN VỊ ĐIỀU KHIỂN – CONTROL UNIT • Chức năng của đơn vị điều khiển: Các cờ cho biết trạng thái của CPU o Điều phối chuỗi di chuyển dữ liệu vào, ra và giữa nhiều đơn vị của bộ xử lý. o Giải mã các lệnh để xác định các phép tính mà lệnh yêu cầu. o Điều khiển dòng dữ liệu bên trong bộ xử lý. o Nhận chuỗi tín hiệu điều khiển đã chuyển đổi từ tập lệnh của các thanh ghi. o Điều khiển các đơn vị thực thi (ALU, thanh ghi, …) chứa trong CPU. o Đảm nhiệm đa tác vụ: Nạp (fetching), giải mã (Decoding), thực thi lệnh, lưu trữ kết quả. Tín hiệu xung nhịp từ mạch tạo dao động bên ngoài Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn Kiến Trúc Máy Tính
ĐƠN VỊ ĐIỀU KHIỂN - CONTROL UNIT • Gồm 2 loại: o Đơn vị điều khiển vi chương trình (Microprogrammed Control Unit) o Đơn vị điều khiển phần cứng (Hardwired Control Unit) Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn Kiến Trúc Máy Tính
ĐƠN VỊ ĐIỀU KHIỂN VI CHƯƠNG TRÌNH – MICROPROGRAMMED CONTROL UNIT • Bộ nhớ vi chương trình (ROM) lưu trữ các vi chương trình (microprogram) • Bao gồm các vi lệnh (microinstruction) • Mỗi vi lệnh mã hóa cho một vi thao tác (micro- operation). • Để hoàn thành một lệnh cần thực hiện một hoặc một vài vi chương trình. • Tốc độ chậm. Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn
ĐƠN VỊ ĐIỀU KHIỂN PHẦN CỨNG – HARDWIRED CONTROL UNIT • Sử dụng vi mạch phần cứng để giải mã và tạo các tín hiệu điều khiển thực hiện lệnh. • Tốc độ nhanh. • Đơn vị điều khiển phức tạp. Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn Kiến Trúc Máy Tính
TẬP THANH GHI • Là thành phần lưu dữ liệu bên trong CPU. • Mỗi thanh ghi có độ dài nhất định (32 bit, 16 bit hoặc 8 bit) tùy theo kiến trúc và được nhận biết bằng một tên riêng. • Tùy vào độ dài và chức năng mà thanh ghi có công dụng chứa dữ liệu hoặc kết quả của phép toán, hoặc là các địa chỉ dùng để định vị bộ nhớ khi cần thiết. • Nội dung của thanh ghi được truy xuất thông qua tên riêng của nó, do đó tên thanh ghi là từ khóa quan trọng cần phải lưu ý trong lập trình. Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn Kiến Trúc Máy Tính
PHÂN LOẠI CÁC THANH GHI • Thanh ghi địa chỉ: quản lý địa chỉ của bộ nhớ hay cổng IO. • Thanh ghi dữ liệu: chứa tạm thời các dữ liệu. • Thanh ghi đa năng: có thể chứa địa chỉ hoặc dữ liệu. • Thanh ghi điều khiển/trạng thái: chứa các thông tin điều khiển và trạng thái của CPU. • Thanh ghi lệnh: chứa lệnh đang được thực hiện. Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn Kiến Trúc Máy Tính
MỘT SỐ THANH GHI ĐIỂN HÌNH • Các thanh ghi địa chỉ (Address Register) o Bộ đếm chương trình PC (Program Counter) o Con trỏ dữ liệu DP (Data Pointer) o Con trỏ ngăn xếp SP (Stack Pointer) o Thanh ghi cơ sở và thanh ghi chỉ số (Base Register & Index Register) • Các thanh ghi dữ liệu (Data Register) • Thanh ghi trạng thái (Status Register) Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn Kiến Trúc Máy Tính
THANH GHI CON TRỎ DỮ LIỆU – DATA POINTER • Chứa địa chỉ của ô nhớ dữ liệu mà CPU muốn truy cập • Thường có nhiều thanh ghi con trỏ dữ liệu cho phép chương trình có thể truy cập nhiều vùng nhớ đồng thời Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn Kiến Trúc Máy Tính
NGĂN XẾP - STACK • Ngăn xếp là vùng nhớ có cấu trúc LIFO (Last In - First Out) hoặc FILO (First In - Last Out). • Ngăn xếp thường dùng để phục vụ cho chương trình con. • Đáy ngăn xếp là một ô nhớ xác định. • Đỉnh ngăn xếp là thông tin nằm ở vị trí trên cùng trong ngăn xếp. • Đỉnh ngăn xếp có thể bị thay đổi. Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn Kiến Trúc Máy Tính
STACK POINTER • Chứa địa chỉ của ô nhớ đỉnh ngăn xếp • Khi cất một thông tin vào ngăn xếp: o Thao tác PUSH o Nội dung của SP tự động tăng o Thông tin được cất vào ô nhớ đang trỏ bởi SP • Khi lấy một thông tin ra khỏi ngăn xếp: o Thao tác POP o Thông tin được đọc từ ô nhớ đang trỏ bởi SP o Nội dung của SP tự động giảm • Khi ngăn xếp rỗng, SP trỏ vào đáy Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn Kiến Trúc Máy Tính
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 chỉ số: chứa độ lệch địa chỉ giữa ngăn nhớ mà CPU cần truy cập so với ngăn nhớ cơ sở (chỉ số) • Địa chỉ của ngăn nhớ cần truy cập = địa chỉ cơ sở + chỉ số Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn Kiến Trúc Máy Tính
THANH GHI DỮ LIỆU – DATA REGISTER • Chứa các dữ liệu tạm thời hoặc các kết quả trung gian • Cần có nhiều thanh ghi dữ liệu • Các thanh ghi số nguyên: 8, 16, 32, 64 bit • Các thanh ghi số dấu chấm động: 32, 64, 80 bit Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn Kiến Trúc Máy Tính
THANH GHI TRẠNG THÁI– STATUS REGISTER • Còn gọi là thanh ghi cờ (Flags Register) hoặc từ trạng thái chương trình PSW (Program Status Word) • Chứa các thông tin trạng thái của CPU o Các cờ phép toán: báo hiệu trạng thái của kết quả phép toán o Các cờ điều khiển: biểu thị trạng thái điều khiển của CP Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn Kiến Trúc Máy Tính
CỜ PHÉP TOÁN • Zero Flag (cờ rỗng): được thiết lập lên 1 khi kết quả của phép toán bằng 0. • Sign Flag (cờ dấu): được thiết lập lên 1 khi kết quả phép toán nhỏ hơn 0 (kết quả âm) • Carry Flag (cờ nhớ): được thiết lập lên 1 nếu phép toán có nhớ ra ngoài bit cao nhất → cờ báo tràn với số không dấu. • Overflow Flag (cờ tràn): được thiết lập lên 1 nếu cộng hai số nguyên cùng dấu mà kết quả có dấu ngược lại → cờ báo tràn với số có dấu. Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn Kiến Trúc Máy Tính
CỜ ĐIỀU KHIỂN • Interrupt Flag (Cờ cho phép ngắt): o Nếu IF = 1 → CPU ở trạng thái cho phép ngắt với tín hiệu yêu cầu ngắt từ bên ngoài gửi tới. o Nếu IF = 0 → CPU ở trạng thái cấm ngắt với tín hiệu yêu cầu ngắt từ bên ngoài gửi tới. • Direction Flag (Cờ hướng): o Nếu DF=0 → Truy cập bộ nhớ theo hướng tang. o Nếu DF=1 →Truy cập bộ nhớ theo hướng giảm. Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn Kiến Trúc Máy Tính
TẬP THANH GHI – VÍ DỤ Ví dụ: Tập thanh ghi ARM Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gòn Kiến Trúc Máy Tính