Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 1
18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 1
NKK-HUT
Kiến trúc máy tính
Chương 4
BỘXỬLÝ TRUNG TÂM
(Central Processing Unit - CPU)
Nguyễn Kim Khánh
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 2
NKK-HUT
Nội dung giáo trình
Chương 1. Giới thiệu chung
Chương 2. Hệthống máy tính
Chương 3. Sốhọc máy tính
Chương 4. Bộxửlý trung tâm
Chương 5. Bộnhớmáy tính
Chương 6. Hệthống vào-ra
Chương 7. Kiến trúc máy tính tiên tiến
18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 3
NKK-HUT
4.1. Cấu trúc cơ bản của CPU
4.2. Tập lệnh
4.3. Hoạt động của CPU
4.4. Kiến trúc của các bộxửlý tiên tiến
4.5. Kiến trúc Intel
Nội dung của chương 4
18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 4
NKK-HUT
4.1. Cấu trúc cơ bản của CPU
Nhiệm vụcủa CPU:
Nhận lệnh (Fetch Instruction): CPU đọc lệnh từbộ
nhớ.
Giải mã lệnh (Decode Instruction): xác định thao tác
mà lệnh yêu cầu.
Nhận dữliệu (Fetch Data): nhận dữliệu từbộnhớ
hoặc các cổng vào-ra.
Xửlý dữliệu (Process Data): thực hiện phép toán số
học hay phép toán logic với các dữliệu.
Ghi dữliệu (Write Data): ghi dữliệu ra bộnhớhay
cổng vào-ra
1. Nhiệm vụvà cấu trúc của CPU
Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 2
18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 5
NKK-HUT
Sơ đồ cấu trúc cơ bản của CPU
18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 6
NKK-HUT
Đơn vị điều khiển (Control Unit - CU)
Đơn vịsốhọc và logic (Arithmetic and
Logic Unit - ALU)
Tập thanh ghi (Register File - RF)
Đơn vịnối ghép bus (Bus Interface Unit -
BIU)
Bus bên trong (Internal Bus)
Các thành phần cơ bản của CPU
18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 7
NKK-HUT
2. Đơn vịsốhọc và logic
Chức năng: Thực hiện các phép toán
sốhọc và phép toán logic:
Sốhọc: cộng, trừ, nhân, chia, tăng, giảm,
đảo dấu
Logic: AND, OR, XOR, NOT, phép dịch bit.
18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 8
NKK-HUT
Mô hình kết nối ALU
Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 3
18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 9
NKK-HUT
3. Đơn vị điều khiển
Chức năng
Điều khiển nhận lệnh từbộnhớ đưa vào
thanh ghi lệnh
Tăng nội dung của PC để trỏsang lệnh kế
tiếp
Giải mã lệnh đã được nhận để xác định thao
tác mà lệnh yêu cầu
Phát ra các tín hiệu điều khiển thực hiện lệnh
Nhận các tín hiệu yêu cầu từbus hệthống và
đáp ứng với các yêu cầu đó.
18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 10
NKK-HUT
Mô hình kết nối đơn vị điều khiển
18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 11
NKK-HUT
Các tín hiệu đưa đến đơn vị điều khiển
Clock: tín hiệu nhịp từmạch tạo dao
động bên ngoài.
Mã lệnh từthanh ghi lệnh đưa đến để
giải mã.
Các cờtừthanh ghi cờcho biết trạng
thái của CPU.
Các tín hiệu yêu cầu từ bus điều khiển
18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 12
NKK-HUT
Các tín hiệu phát ra từ đơn vị điều khiển
Các tín hiệu điều khiển bên trong CPU:
Điều khiển các thanh ghi
Điều khiển ALU
Các tín hiệu điều khiển bên ngoài CPU:
Điều khiển bộnhớ
Điều khiển các mô-đun vào-ra
Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 4
18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 13
NKK-HUT
Các phương pháp thiết kế đơn vị điều khiển
Đơn vị điều khiển vi chương trình
(Microprogrammed Control Unit)
Đơn vị điều khiển nối kết cứng
(Hardwired Control Unit)
18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 14
NKK-HUT
Đơn vị điều khiển vi chương trình
18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 15
NKK-HUT
Đơn vị điều khiển vi chương trình (tiếp)
Bộnhớ vi chương trình (ROM) lưu trữ
các vi chương trình (microprogram)
Một vi chương trình bao gồm các vi
lệnh (microinstruction)
Mỗi vi lệnh mã hoá cho một vi thao tác
(microoperation)
Để hoàn thành một lệnh cần thực hiện
một hoặc một vài vi chương trình
Tốc độ chậm
18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 16
NKK-HUT
Đơn vị điều khiển nối kết cứng
Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 5
18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 17
NKK-HUT
Đơn vị điều khiển nối kết cứng (tiếp)
Sửdụng mạch cứng để giải mã và tạo
các tín hiệu điều khiển thực hiện lệnh
Tốc độ nhanh
Đơn vị điều khiển phức tạp
18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 18
NKK-HUT
4.Tập thanh ghi
Chức năng và đặc điểm:
Chứa các thông tin tạm thời phục vụcho
hoạt động ởthời điểm hiện tại của CPU
Được coi là mức đầu tiên của hệthống nhớ
Số lượng thanh ghi nhiều Æ tăng hiệu năng
của CPU
Có hai loại thanh ghi:
Các thanh ghi lập trình được
Các thanh ghi không lập trình được
18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 19
NKK-HUT
Phân loại thanh ghi theo chức năng
Thanh ghi địa chỉ: quản lý địa chỉcủa ngăn
nhớhay cổng vào-ra.
Thanh ghi dữliệu: chứa tạm thời các dữ
liệu.
Thanh ghi đa năng: có thểchứa địa chỉ
hoặc dữliệu.
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.
18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 20
NKK-HUT
Một số thanh ghi điển hình
Các thanh ghi địa chỉ
Bộ đếm chương trình PC (Program Counter)
Con trỏdữliệu DP (Data Pointer)
Con trỏ ngăn xếp SP (Stack Pointer)
Thanh ghi cơ sởvà thanh ghi chỉsố
(Base Register & Index Register)
Các thanh ghi dữliệu
Thanh ghi trạng thái