Bài giảng Kiến trúc máy tính: Tuần 11

Ế

KI N TRÚC MÁY TÍNH

Tu n 11ầ

Ộ Ử

ế

B X LÝ PROCESSOR (Ti p theo)

Ộ Ử B X LÝ

ụ

M c đích:

ế ự

ệ

ướ

ü Hi u c ch th c thi l nh và các quy

ề c v thi

ế ế t k

ể logic ́

ơ ả

ộ ộ ử ệ ü Thiê t kê Datapath v i 8 l nh c b n cho m t b x ế ế

ự

ệ

ớ lý và cách hi n th c thi

t k này.

1. Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface, Patterson,

ả ừ Slide tham kh o t :

2. NUS, Singapore

D. A., and J. L. Hennessy, Morgan Kaufman, Revised Fourth Edition, 2011.

Ộ Ử B X LÝ

ớ

ệ

1. Gi

i thi u

ắ ạ

ướ

ế ế

2. Nh c l

i các quy

c thi

t k logic

ự

ườ

ữ ệ

ơ

ả

3. Xây d ng đ

ng d li u (datapath) đ n gi n

ự

ơ

ệ

ỳ

4. Hi n th c datapath đ n chu k

ệ

ự Hi n th c datapath

ủ

ố

1. Inputs c a kh i “Registers”, “Control” và “Signextend”

ớ ầ ủ ữ ệ

ừ

ố Datapath v i đ y đ d li u input cho t ng kh i

4 03/2017

ệ

ự Hi n th c datapath

ủ

ố

1. Inputs c a kh i “Registers”, “Control” và “Signextend”

MUX có 0 thêm ở và 1 các ngõ vào ???

ớ ầ ủ ữ ệ

ừ

ố Datapath v i đ y đ d li u input cho t ng kh i

????

5 03/2017

ệ

ự Hi n th c datapath

ườ

ứ

ừ

v Tr

ng op (hay opcode) luôn ch a bits t

31:26.

ể ọ

ấ ả

ệ

ạ ị

v Hai thanh ghi dùng đ đ c trong t

t c các l nh luôn luôn là rs và rt, t

i v trí

ừ

bits t

25:21 và 20:26.

ề

ạ ị

ệ v Thanh ghi n n cho l nh load và store luôn là

rs và t

i v trí bits 25:21.

ạ ị

v 16 bits offset cho beq, lw và sw thì luôn t

i v trí 15:0.

ể

ế

ị

v Các thanh ghi đích dùng đ ghi k t qu vào

hai v trí: V i

ệ

ố ọ ở

ầ ử ụ

ể ự

ộ

i v trí bits t ở ị v trí

ớ lw, thanh ghi đích ở ả ớ ừ 20:16 (rt), trong khi v i nhóm l nh logic và s h c, thanh ghi đây đ l a 15:11 (rd). Vì v y, m t multiplexer c n s d ng

ẽ ượ

ạ ị t đích ọ ch n thanh ghi nào s đ

ậ c ghi.

ệ

ự Hi n th c datapath

ớ ầ ủ ữ ệ

ừ

ố Datapath v i đ y đ d li u input cho t ng kh i

7 03/2017

ệ

ự Hi n th c datapath

ố

2. Kh i “ALU Control”

????

8 03/2017

ệ

ự Hi n th c datapath

ủ ứ ự ề ể ầ ộ ồ B ALU c a MIPS g m 6 ch c năng tính toán d a trên 4 bits đi u khi n đ u vào:

ộ ứ ệ ệ ầ

ầ ẽ ẽ ự Tùy thu c vào t ng nhóm l nh mà ALU s th c hi n 1 trong 5 ch c năng đ u (NOR s ượ đ ừ c dùng cho các ph n khác)

v V i các l nh ị

ử ụ ứ ớ load word và store word, ALU s d ng ch c năng ể ‘add’ đ tính

ớ

v V i các l nh thu c

ệ ỉ ủ ộ toán đ a ch c a b nh ệ ớ ự ộ nhóm logic và s h c

ị ủ ườ ộ ố ọ , ALU th c hi n 1 trong 5 ch c năng ệ ng

ứ (AND, OR, subtract, add, và set on less than), tùy thu c vào giá tr c a tr funct (6 bits) trong mã máy l nh.ệ

ự ứ ệ ề ằ , ALU th c hi n ch c năng ể ‘subtract’ đ xem đi u

ớ ệ v V i l nh ằ ệ ế ả nh y n u b ng khi n b ng có đúng không.

ệ

ự Hi n th c datapath

ể ư ậ ự ệ ể ể ố

ộ ề ể

ủ ừ ườ tr

ờ ự ể ng ể ừ ề ố ồ funct c a mã máy, đ ng th i d a vào 2 bits kh i “Control” đ sinh ra output là 4 bits đi u khi n ALU, theo

ượ ư ả ử ộ Nh v y, đ sinh ra 4 bits đi u khi n ALU, m t trong s các cách hi n th c có th là s ố ề ụ d ng thêm m t kh i đi u khi n “ALU Control” ậ “ALU Control” nh n input là 6 bits t “ALUOp” đ c sinh ra t ắ quy t c nh b ng sau:

ộ ợ ự ể ề ể ườ ườ M t g i ý đ sinh ra 4 bits đi u khi n ALU d a vào tr ng “opcode” và tr ng “funct”

ủ c a mã máy.

ệ

ự Hi n th c datapath

ả ự ậ ạ ộ ừ ả ắ ố ự ậ g i ýợ cho kh i “ALU Control”

B ng s th t: T quy t c ho t đ ng, b ng s th t nh sauư

ệ

ự Hi n th c datapath

ố

ề

ể 3. Kh i đi u khi n chính “Control”

???

12 03/2017

ệ

ự Hi n th c datapath

ề

ở ứ

ộ Tác đ ng khi

m c

ộ Tác đ ng khi

m c cao

ệ Các tín hi u đi u khi nể

th pấ

ẽ ừ

ừ

Thanh ghi đích cho thao tác ghi s t

thanh ghi

rd (bits t

15:11)

RegDst

ẽ ừ

ừ

Thanh ghi đích cho thao tác rt (bits t ghi s t thanh ghi 20:16)

ố

ứ

ẽ ự

RegWrite

ố ệ

ứ c đ a vào t

ỉ ự Kh i “Registers” ch th c ọ ứ ỗ hi n m i ch c năng đ c thanh ghi

ừ ượ ấ ừ c l y t

ệ ọ Ngoài ch c năng đ c, kh i “Register” s th c hi n thêm ch c năng ỉ ố ượ ư ượ c ghi là thanh ghi có ch s đ ngõ ghi. Thanh ghi đ ữ ệ “Write register” và d li u dùng ghi vào thanh ghi này đ ngõ “Write data”

ứ

ế ừ

ứ

ủ

ALUSrc

Input th hai cho ALU đ n t

ố output c a kh i “Signextend”

ủ

ố

Input th hai cho ALU đ n t “Read data 2” c a kh i “Registers”

ạ

ế ệ

ạ

ệ

ề

ệ

ằ

Branch

t l nh n p vào không

ớ ế

ế

ả

ằ

ị ệ

ậ

Cho bi ả ph i “beq”. Thanh ghi PC ị ậ nh n giá tr là PC + 4

ế ả ủ ộ ộ

ế ợ ệ L nh n p vào là l nh “beq”, k t h p v i đi u ki n b ng thông qua ỉ ị ệ ổ c ng AND nh m xác đ nh xem l nh ti p theo có nh y đ n đ a ch ị ớ ừ ằ ệ ớ m i hay không. N u đi u ki n b ng đúng, PC nh n giá tr m i t ế k t qu c a b c ng “Add”

ứ

ị

MemRead

(Không)

ọ ượ ư

ộ

ọ ữ ệ ngõ “Address” và n i dung đ c đ

ệ ự ừ c đ a vào t

ố ệ ầ ấ

ỉ ữ Kh i “Data register” th c hi n ch c năng đ c d li u. Đ a ch d ọ ượ li u c n đ c đ xu t ra ngõ “Read data”

ứ

ị

MemWrite

(Không)

ữ ệ ộ

ượ ư

ệ ừ

ự c đ a vào t

ố ỉ ữ Kh i “Data register” th c hi n ch c năng ghi d li u. Đ a ch d ệ ầ li u c n ghi đ ngõ “Address” và n i dung ghi vào ấ ừ l y t

ngõ “Write data”

ị ư

ế ừ ố

ị ư

MemtoReg

Giá tr đ a vào ngõ “Write data” đ n t

kh i “Data memory”

Giá tr đ a vào ngõ “Write data” đ n t

ALU ộ

ủ

ệ

ề

ể

ế ừ Tác đ ng c a các tín hi u đi u khi n

13 03/2017

ệ

ự Hi n th c datapath

ể ươ ứ

ớ ỗ ệ

ư

ề

ị

ệ Giá tr các tín hi u đi u khi n t

ng ng v i m i l nh nh sau:

ậ ố Kh i “Control” trong datapath nh n input là 6 bits t

ể ượ ự ệ ng “opcode” c a ươ ứ mã máy, d a vào đó các tín hi u đi u khi n đ ừ ườ tr c sinh ra t ủ ư ng ng nh

ề b ng.ả

ệ

ự Hi n th c datapath

ự ậ

ố

ả

B ng s th t kh i “Control”:

ự ậ ả ố B ng s th t kh i “Control”

ệ

ự Hi n th c datapath

ố

ề

ể 3. Kh i đi u khi n chính “Control”

???

16 03/2017

ệ

ự Hi n th c datapath

ố

ề

ể 3. Kh i đi u khi n chính “Control”

17 03/2017

ệ

ự Hi n th c datapath

ệ

ự ộ ử

ơ

v Hi n th c b x lý đ n chu k

ự

ứ

ộ ử ỏ

ệ ỳ

ự

ỳ

ỉ

ỗ ả ằ

ủ ệ

ệ ờ

ấ

ỳ (Singlecycle implementation hay single clock cycle implementation): là cách hi n th c sao cho b x lý đáp ng  đòi h i chu k xung th c thi m i câu l nh ch trong 1 chu k xung clock clock ph i b ng th i gian c a l nh dài nh t.

ệ

ộ ử

ự

ệ

ơ ự đ n chu

Cách hi n th c b x lý nh đã trình bày trên là cách hi n th c kỳ:

L nh dài nh t là

ệ ồ ấ

ở ạ i “Registers”, trong khi các l nh khác không đòi h i t

ạ ệ ả ằ ỏ ấ ự ế ế ờ ỳ lw, g m truy xu t vào “Instruction memory”, “Registers”, “ALU”, t t k ph i b ng th i gian th c thi  chu k xung clock thi

ặ

ệ

ự ộ ử

ấ ấ

ỳ

ộ

ệ ự

ề

ả

ắ

ờ

ớ ệ

lw. ấ “Data memory” và quay tr l ả c các công đo n trên l nh ệ

ượ ử ụ

ặ

c s d ng (ho c

i không còn đ

ỳ ệ ạ ậ ệ

ỏ

ỳ v M c dù hi n th c b x lý đ n chu k có CPI = 1 nh ng hi u su t r t kém, ệ vì m t chu k xung clock quá dài, các l nh ng n đ u ph i th c thi cùng th i ấ gian v i l nh dài nh t. Vì v y, ậ Hi n th c đ n chu k hi n t ệ ự ơ ậ ể ấ ch có th ch p nh n cho các t p l nh nh )

ỉ 03/2017

ạ

ệ

Xem l

ớ ừ i Datapath v i t ng nhóm l nh

ườ

ỏ

ườ

ạ ộ

ệ

ự

Các đ

ng đ là các đ

ng ho t đ ng khi l nh thu c

ố ọ th c thi

ộ nhóm logic và s h c 19

03/2017

ạ

ệ

Xem l

ớ ừ i Datapath v i t ng nhóm l nh

ườ

ỏ

ườ

ạ ộ

ệ

Các đ

ng đ là các đ

ng ho t đ ng khi l nh

ự lw th c thi

20 03/2017

ạ

ệ

Xem l

ớ ừ i Datapath v i t ng nhóm l nh

ườ

ậ

ỏ

ườ

ạ ộ

ệ

Các đ

ng đ m nét (đ ) là các đ

ng ho t đ ng khi l nh

ự sw th c thi 21

03/2017

ạ

ệ

Xem l

ớ ừ i Datapath v i t ng nhóm l nh

ườ

ậ

ỏ

ườ

ạ ộ

ệ

Các đ

ng đ m nét (đ ) là các đ

ng ho t đ ng khi l nh

ự beq th c thi 22

03/2017

Ộ Ử B X LÝ

ổ

ơ ả

ế ỉ

ệ

T ng k t: Hoàn ch nh datapath cho 8 l nh c b n:

• add, sub, and, or, slt

• lw, sw

• beq

ể

ơ ả

ứ

ệ

ố

ố ự Hi u cách hi n th c các kh i ch c năng c b n trong datapath (kh i Control, kh i ALU Control)

03/2017

Ộ Ử B X LÝ

ả ọ v Lý thuy t: Đ c sách tham kh o

ế ụ • M c: 4.4

•

Sách: Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface, Patterson, D. A., and J. L. Hennessy, Morgan Kaufman, Revised Fourth Edition, 2011.

v Bài t p: ậ file đính kèm

03/2017