Kiến trúc máy tính và hợp ngữ - Chương 4: Bộ xử lý trung tâm (CPU)

Nội dung text: Kiến trúc máy tính và hợp ngữ - Chương 4: Bộ xử lý trung tâm (CPU)

1. Kiến trúc máy tính Chương 4 BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM (CPU) 1
2. Nội dung chương 4 4.1. Cấu trúc cơ bản của CPU 4.2. Tập lệnh 4.3. Hoạt động của CPU 4.4. Các kỹ thuật tiên tiến của CPU 4.5. Kiến trúc Intel 2
3. 4.1. Cấu trúc cơ bản của CPU Đơn vị điều Đơn vị số Tập các khiển học và logic thanh ghi (CU) (ALU) (RF) Bus bên trong Đơn vị ghép nối Bus (BIU) Bus điều Bus dữ liệu Bus địa chỉ khiển 3
4. 1. Đơn vị điều khiển (CU) . Chức năng:  Điều khiển nhận lệnh từ bộ nhớ đưa vào thanh ghi lệnh và tăng nội dung của PC để trỏ sang lệnh kế tiếp.  Giải mã lệnh nằm trong thanh ghi lệnh để xác định thao tác cần thực hiện và phát ra tín hiệu điều khiển thực hiện lệnh đó.  Nhận tín hiệu yêu cầu từ bus hệ thống và đáp ứng với các yêu cầu đó. 4
5. Đơn vị điều khiển (tiếp) . Mô hình kết nối của đơn vị điều khiển: Thanh ghi lệnh Các Tín hiệu điều cờ khiển bên Đơn vị điều trong CPU khiển Clock Tín hiệu yêu Tín hiệu điều cầu từ Bus hệ khiển đến Bus thống hệ thống Bus điều khiển 5
6. Đơn vị điều khiển (tiếp) . Các tín hiệu đưa đến đơn vị điều khiển:  Mã lệnh từ thanh ghi lệnh đưa đến để giải mã  Các cờ từ thanh ghi cờ cho biết trạng thái của CPU  Xung clock từ bộ tạo xung bên ngoài cung cấp cho đơn vị điều khiển làm việc  Các tín hiệu yêu cầu từ bus điều khiển 6
7. Đơn vị điều khiển (tiếp) . 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 hoạt động của ALU  Các tín hiệu điều khiển bên ngoài CPU: . Điều khiển bộ nhớ chính . Điều khiển các module vào-ra 7
8. 2. Đơn vị số học và logic (ALU) . Chức năng: Thực hiện các phép toán số học và các phép toán logic.  Số học: cộng, trừ, nhân, chia, tăng, giảm, đảo dấu,  Logic: AND, OR, XOR, NOT, các phép dịch và quay bit 8
9. Đơn vị số học và logic (tiếp) . Mô hình kết nối của ALU: Dữ liệu vào Dữ liệu ra từ các đến các thanh ghi thanh ghi Đơn vị số học Các tín và logic hiệu từ (ALU) đơn vị điều khiển Thanh ghi cờ 9
10. 3. Tập thanh ghi (RF) a. Chức năng và phân loại b. Một số thanh ghi điển hình 10
11. a. Chức năng và phân loại . Chức năng:  Là tập hợp các thanh ghi nằm trong CPU  Chứa các thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động hiện tại của CPU. 11
12. Phân loại tập thanh ghi . Phân loại theo khả năng can thiệp của người lập trình:  Các thanh ghi không lập trình được: người lập trình không can thiệp được  Các thanh ghi lập trình được: người lập trình can thiệp được . Phân loại theo chức năng:  Thanh ghi địa chỉ: quản lý địa chỉ của ngăn nhớ hay cổng vào-ra  Thanh ghi dữ liệu: chứa các dữ liệu tạm thời hoặc kết quả trung gian phục vụ cho việc xử lý dữ liệu của CPU  Thanh ghi điều khiển và trạng thái: chứa các thông tin điều khiển và trạng thái của CPU  Thanh ghi lệnh: chứa lệnh đang được thực hiện  Thanh ghi đa năng: có thể chứa địa chỉ hoặc dữ liệu 12
13. b. Một số thanh ghi điển hình . Các thanh ghi địa chỉ  Bộ đếm chương trình (Program Counter – PC)  Con trỏ dữ liệu (Data Pointer – DP)  Con trỏ ngăn xếp (Stack Pointer – SP)  Thanh ghi cơ sở và thanh ghi chỉ số (Base Register & Index Register) . Các thanh ghi dữ liệu . Thanh ghi trạng thái 13
14. Các vùng nhớ cơ bản của CT . Chương trình đang thực hiện phải nằm trong bộ nhớ chính và nó chiếm 3 vùng nhớ cơ bản sau:  Vùng nhớ lệnh (Code): chứa các lệnh của chương trình.  Vùng dữ liệu (Data): chứa dữ liệu của chương trình. Thực chất đây là nơi cấp phát các ngăn nhớ cho các biến nhớ.  Vùng ngăn xếp (Stack): là vùng nhớ có cấu trúc LIFO (Last In First Out) dùng để cất giữ thông tin và sau đó có thể khôi phục lại. Thường dùng cho việc thực hiện các chương trình con. 14
15. Bộ đếm chương trình (PC) . Còn gọi là con trỏ lệnh (Instruction Pointer - IP) . Là thanh ghi chứa địa chỉ của lệnh tiếp theo sẽ được nhận vào. . Sau khi một lệnh được nhận vào thì nội dung của PC tự động tăng để trỏ sang lệnh kế tiếp nằm ngay sau lệnh vừa được nhận. 15
16. Minh họa hoạt động của PC Vùng nhớ lệnh (Code) Lệnh Lệnh PC Lệnh sẽ được nhận vào Lệnh kế tiếp Lệnh Lệnh 16
17. Thanh ghi con trỏ dữ liệu (DP) . Chứa địa chỉ của ngăn nhớ dữ liệu mà CPU muốn truy cập. . Thường có một số thanh ghi con trỏ dữ liệu. 17
18. Minh họa hoạt động của DP Vùng dữ liệu (Data) Dữ liệu Dữ liệu DP Dữ liệu cần đọc/ghi Dữ liệu Dữ liệu Dữ liệu 18
19. Con trỏ ngăn xếp (SP) . Chứa địa chỉ của ngăn nhớ đỉnh ngăn xếp (ngăn xếp có chiều từ đáy lên đỉnh ngược với chiều tăng của địa chỉ) . Khi cất thêm một thông tin vào ngăn xếp:  Nội dung của SP tự động giảm  Thông tin được cất vào bắt đầu từ ngăn nhớ trỏ bởi SP . Khi lấy một thông tin ra khỏi ngăn xếp:  Thông tin được lấy ra bắt đầu từ ngăn nhớ trỏ bởi SP  Nội dung của SP tự động tăng . Khi ngăn xếp rỗng: SP trỏ vào đáy ngăn xếp 19
20. Minh họa hoạt động của SP Ngăn xếp (Stack) Ngăn xếp (Stack) Đỉnh Stack cũ Đỉnh Stack mới Đ Đ ị ị SP Đỉnh Stack mới a SP Đỉnh Stack cũ a c c h h ỉ ỉ t t ă ă n n g g d d ầ ầ n n Đáy Stack Đáy Stack Khi lấy 1 thông tin ra khỏi ngăn xếp, SP tự động tăng Khi cất 1 thông tin vào ngăn xếp, SP tự động giảm 20
21. 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 21
22. Minh họa thanh ghi cơ sở và chỉ số Bộ nhớ chính Thanh ghi cơ sở Ngăn nhớ cơ sở Thanh ghi chỉ số Ngăn nhớ cần truy cập 22
23. Các thanh ghi dữ liệu . Chứa các dữ liệu tạm thời hoặc các kết quả trung gian phục vụ cho việc xử lý dữ liệu của CPU . Cần có nhiều thanh ghi dữ liệu . Các thanh ghi số nguyên: 8, 16, 32, 64 bit . Các thanh ghi số dấu chấm động 23
24. Thanh ghi trạng thái . Còn gọi là thanh ghi cờ (Flag Register) . Chứa các thông tin trạng thái của CPU  Các cờ phép toán: biểu thị trạng thái của kết quả phép toán  Các cờ điều khiển: điều khiển chế độ làm việc của CPU 24
25. Ví dụ cờ phép toán . Cờ Zero (ZF - cờ rỗng): được thiết lập lên 1 khi kết quả của phép toán vừa thực hiện xong bằng 0. . Cờ Sign (SF - cờ dấu): được thiết lập lên 1 khi kết quả của phép toán vừa thực hiện nhỏ hơn 0, hay nói cách khác, cờ Sign nhận giá trị bằng bit dấu của kết quả. . Cờ Carry (CF - cờ nhớ): được thiết lập lên 1 nếu phép toán xảy ra hiện tượng carry-out. . Cờ Overflow (OF - cờ tràn): được thiết lập lên 1 nếu phép toán xảy ra hiện tượng overflow. 25
26. Ví dụ cờ điều khiển . Cờ Interrupt (IF - cờ cho phép ngắt):  Nếu IF = 1 thì CPU ở trạng thái cho phép ngắt với tín hiệu yêu cầu ngắt từ bên ngoài gửi tới.  Nếu IF = 0 thì CPU ở trạng thái cấm ngắt với tín hiệu yêu cầu ngắt từ bên ngoài. 26
27. Bài tập . Giả sử có các biến nhớ a, b, c, d, e, f thuộc kiểu số nguyên có dấu 8 bit. Các biến a, b được gán giá trị như sau: a:=-58 b:=72 Hãy biểu diễn các phép tính sau đây dưới dạng số nhị phân và cho biết kết quả dạng thập phân cùng với giá trị của các cờ ZF, SF, CF, OF tương ứng. c:=a-b d:=a+b e:=b-a f:=-a-b 27
28. Bộ xử lý trung tâm 4.1. Cấu trúc cơ bản của CPU 4.2. Tập lệnh 4.3. Hoạt động của CPU 4.4. Các kỹ thuật tiên tiến của CPU 4.5. Kiến trúc Intel 28
29. 4.2. Tập lệnh 1. Giới thiệu chung về tập lệnh 2. Các kiểu thao tác điển hình 3. Các phương pháp địa chỉ hóa toán hạng 29
30. 1. Giới thiệu chung về tập lệnh . Mỗi bộ xử lý có một tập lệnh xác định (mang tính kế thừa trong cùng một dòng họ). . Tập lệnh thường có hàng chục đến hàng trăm lệnh. . Mỗi lệnh là một chuỗi số nhị phân mà bộ xử lý hiểu được để thực hiện một thao tác xác định. . Các lệnh được mô tả bằng các kí hiệu gợi nhớ các lệnh hợp ngữ. 30
31. Khuôn dạng của một lệnh máy Mã thao tác Tham chiếu toán hạng . Mã thao tác (Operation Code - Opcode): mã hóa cho thao tác mà CPU phải thực hiện. . Tham chiếu toán hạng: mã hóa cho toán hạng hoặc nơi chứa toán hạng mà thao tác sẽ tác động.  Toán hạng nguồn (Source Operand): dữ liệu vào của thao tác (CPU sẽ đọc)  Toán hạng đích (Destination Operand): dữ liệu ra của thao tác (CPU sẽ ghi) 31
32. Số lượng toán hạng trong lệnh . Ba toán hạng:  2 toán hạng nguồn, 1 toán hạng đích  VD: c = a + b  Từ lệnh dài vì phải mã hóa địa chỉ cho cả 3 toán hạng  Thường được sử dụng trên các bộ xử lý tiên tiến . Hai toán hạng:  1 toán hạng là toán hạng nguồn, toán hạng còn lại vừa là nguồn vừa là đích.  VD: a = a + b  Giá trị cũ của 1 toán hạng nguồn sẽ bị ghi đè bằng KQ  Rút gọn độ dài từ lệnh  Thường được dùng phổ biến 32
33. Số lượng toán hạng trong lệnh (tiếp) . Một toán hạng:  Chỉ có 1 toán hạng được chỉ ra trong lệnh  Toán hạng còn lại được ngầm định, thường là thanh ghi (VD: thanh chứa – Accumulator)  Thường được sử dụng trên các bộ xử lý thế hệ cũ . Không có toán hạng:  Các toán hạng đều được ngầm định  Sử dụng Stack  VD: lệnh c = a + b push a push b add pop c  Không thông dụng 33
34. 2. Các kiểu thao tác điển hình . Chuyển dữ liệu . Xử lý số học với số nguyên . Xử lý logic . Điều khiển vào-ra . Chuyển điều khiển (rẽ nhánh) . Điều khiển hệ thống 34
35. Các lệnh chuyển dữ liệu MOVE Copy dữ liệu từ nguồn đến đích LOAD Copy dữ liệu từ bộ nhớ đến bộ xử lý STORE Copy dữ liệu từ bộ xử lý đến bộ nhớ EXCHANGE Tráo đổi nội dung của nguồn và đích CLEAR Chuyển các bit 0 vào toán hạng đích SET Chuyển các bit 1 vào toán hạng đích PUSH Copy dữ liệu từ nguồn đến đỉnh ngăn xếp POP Copy dữ liệu từ đỉnh ngăn xếp đến đích 35
36. Các lệnh số học ADD Tính tổng hai toán hạng SUBTRACT Tính hiệu hai toán hạng MULTIPLY Tính tích hai toán hạng DIVIDE Tính thương hai toán hạng ABSOLUTE Thay toán hạng bằng trị tuyệt đối của nó NEGATE Đổi dấu toán hạng (lấy bù 2) INCREMENT Cộng 1 vào toán hạng DECREMENT Trừ toán hạng đi 1 COMPARE So sánh hai toán hạng để lập cờ 36
37. Các lệnh logic AND Thực hiện phép AND hai toán hạng OR Thực hiện phép OR hai toán hạng XOR Thực hiện phép XOR hai toán hạng NOT Đảo bit của toán hạng (lấy bù 1) TEST Thực hiện phép AND hai toán hạng để lập cờ SHIFT Dịch trái (phải) toán hạng ROTATE Quay trái (phải) toán hạng CONVERT Chuyển đổi dữ liệu từ dạng này sang dạng khác 37
38. VD các lệnh AND, OR, XOR, NOT . Giả sử có hai thanh ghi chứa dữ liệu như sau: (R1) = 1010 1010 (R2) = 0000 1111 . Khi đó ta có: (R1) AND (R2) = 0000 1010  Phép toán AND có thể được dùng để xoá một số bit và giữ nguyên các bit còn lại của toán hạng. (R1) OR (R2) = 1010 1111  Phép toán OR có thể được dùng để thiết lập một số bit và giữ nguyên các bit còn lại của toán hạng. (R1) XOR (R2) = 1010 0101  Phép toán XOR có thể được dùng để đảo một số bit và giữ nguyên các bit còn lại của toán hạng. NOT (R1) = 0101 0101  Phép toán NOT dùng để đảo tất cả các bit của toán hạng. 38
39. Các lệnh SHIFT và ROTATE Dịch trái 0 logic Dịch phải 0 logic Dịch trái số 0 học Dịch phải số học Quay trái logic Quay phải logic 39
40. Các lệnh vào-ra chuyên dụng IN Copy dữ liệu từ một cổng xác định đến đích OUT Copy dữ liệu từ nguồn đến một cổng xác định 40
41. Các lệnh chuyển điều khiển JUMP (BRANCH) Nhảy (rẽ nhánh) không điều kiện; nạp vào PC một địa chỉ xác định JUMP CONDITIONAL Kiểm tra điều kiện xác định, hoặc nạp vào PC một địa chỉ xác định hoặc không không làm gì cả CALL Cất nội dung PC vào ngăn xếp, nạp vào PC địa chỉ xác định để nhảy đến thực hiện chương trình con RETURN Khôi phục nội dung PC từ đỉnh ngăn xếp để trở về chương trình chính 41
42. Lệnh rẽ nhánh không điều kiện . Chuyển tới thực hiện lệnh ở vị trí có địa chỉ là XXX: PC ← XXX lệnh Lệnh_rẽ_nhánh XXX Lệnh kế tiếp lệnh lệnh . . . XXX lệnh lệnh 42
43. Lệnh rẽ nhánh có điều kiện . Kiểm tra điều kiện trong lệnh:  Nếu điều kiện đúng chuyển tới thực hiện lệnh ở vị trí có địa chỉ XXX PC  XXX  Nếu điều kiện sai chuyển sang thực hiện lệnh_kế_tiếp . Điều kiện thường được kiểm tra thông qua các cờ. . Có nhiều lệnh rẽ nhánh có điều kiện. 43
44. Minh họa lệnh rẽ nhánh có điều kiện lệnh lệnh Lệnh_rẽ_nhánh_đk XXX Lệnh kế tiếp lệnh lệnh . . . XXX lệnh lệnh lệnh 44
45. Lệnh CALL và RETURN . Lệnh gọi chương trình con: lệnh CALL  Cất nội dung PC (chứa địa chỉ của lệnh_kế_tiếp) vào Stack  Nạp vào PC địa chỉ của lệnh đầu tiên của chương trình con được gọi → Bộ xử lý chuyển sang thực hiện chương trình con tương ứng . Lệnh trở về từ chương trình con: lệnh RETURN  Lấy địa chỉ của lệnh_kế_tiếp được cất ở Stack nạp trả lại cho PC → Bộ xử lý được điều khiển quay trở về thực hiện tiếp lệnh nằm sau lệnh CALL 45
46. Minh họa lệnh CALL và RETURN lệnh lệnh CALL CTCon Lệnh_kế_tiếp Lệnh lệnh . . . CTCon Lệnh đầu tiên của CTC lệnh lệnh . . . RETURN 46
47. Các lệnh điều khiển hệ thống HALT Dừng thực hiện chương trình WAIT Dừng thực hiện chương trình, lặp kiểm tra điều kiện cho đến khi thoả mãn thì tiếp tục thực hiện NO OPERATION (NOP) Không thực hiện gì cả LOCK Cấm không cho xin chuyển nhượng bus UNLOCK Cho phép xin chuyển nhượng bus 47
48. 3. Các phương pháp địa chỉ hóa toán hạng . Phương pháp địa chỉ hóa toán hạng là cách thức chỉ ra nơi chứa các toán hạng mà thao tác sẽ tác động. . Toán hạng có thể là:  Hằng số → cần cho biết giá trị của hằng số đó  Nội dung của một thanh ghi bên trong CPU → cần cho biết tên của thanh ghi  Nội dung của một ngăn nhớ → cần cho biết địa chỉ ngăn nhớ  Nội dung của một cổng vào-ra → cần cho biết địa chỉ của cổng vào-ra 48
49. Các chế độ địa chỉ thông dụng . Chế độ địa chỉ tức thì . Chế độ địa chỉ thanh ghi . Chế độ địa chỉ trực tiếp . Chế độ địa chỉ gián tiếp qua thanh ghi . Chế độ địa chỉ gián tiếp qua ngăn nhớ . Chế độ địa chỉ dịch chuyển 49
50. Chế độ địa chỉ tức thì Mã thao tác Toán hạng . Immediate Addressing Mode . Toán hạng là một hằng số ở ngay trong lệnh . Ví dụ: ADD AX, 5 ; AX ← AX + 5 . Truy nhập toán hạng rất nhanh 50
51. Chế độ địa chỉ thanh ghi . Register Addressing Mode . Toán hạng là nội dung của Mã thao tác Tên thanh ghi một thanh ghi mà tên thanh ghi được cho biết ở trong lệnh. Tập thanh ghi . Ví dụ: MOV AX, BX ; AX ← BX . Tốc độ truy cập nhanh hơn Toán hạng so với những lệnh có truy cập đến bộ nhớ. 51
52. Chế độ địa chỉ trực tiếp . Direct Addressing Mode . Toán hạng là nội dung của một Mã thao tác Địa chỉ ngăn nhớ mà địa chỉ ngăn nhớ được cho trực tiếp ở trong lệnh. Bộ nhớ chính . Ví dụ: MOV AL, [1000] Toán hạng ; AL ← nội dung byte nhớ có địa chỉ là 1000 52
53. Chế độ địa chỉ gián tiếp qua thanh ghi Mã thao tác Tên thanh ghi Tập thanh ghi Bộ nhớ chính Địa chỉ Toán hạng . Register Indirect Addressing Mode . Ví dụ: MOV AL, [BX] ; AL ← nội dung của byte nhớ có địa chỉ bằng giá trị của thanh ghi BX 53
54. Chế độ địa chỉ gián tiếp qua ngăn nhớ 54
55. Chế độ địa chỉ gián tiếp qua ngăn nhớ • Ngăn nhớ được trỏ bởi Trường địa chỉ của lệnh chứa địa chỉ của toán hạng • Có thể gián tiếp nhiều lần • Giống như khái niệm biến con trỏ và biến động trong lập trình • CPU phải thực hiện tham chiếu bộ nhớ nhiều lần để tìm toán hạng, chậm • Vùng nhớ có thể được tham chiếu là lớn 55
56. Chế độ địa chỉ dịch chuyển . Displacement Addressing Mode . Trường địa chỉ chứa 2 thành phần:  Tên thanh ghi  Hằng số . Địa chỉ của toán hạng = nội dung thanh ghi + hằng số . Thanh ghi có thể được ngầm định 56
57. Minh họa chế độ địa chỉ dịch chuyển Mã thao tác Tên thanh ghi Hằng số Tập thanh ghi Bộ nhớ chính Toán hạng 57
58. Các dạng chế độ địa chỉ dịch chuyển . Địa chỉ hóa tương đối với PC:  Thanh ghi là PC  VD: các lệnh chuyển điều khiển . Định địa chỉ cơ sở:  Thanh ghi là thanh ghi cơ sở (chứa địa chỉ cơ sở)  Hằng số là chỉ số . Định địa chỉ chỉ số:  Thanh ghi là thanh ghi chỉ số (chứa chỉ số)  Hằng số là địa chỉ cơ sở 58
59. Bộ xử lý trung tâm 4.1. Cấu trúc cơ bản của CPU 4.2. Tập lệnh 4.3. Hoạt động của CPU 59
60. 4.3. Hoạt động của CPU 1. Chu trình lệnh 2. Đường ống lệnh 60
61. 1. Chu trình lệnh . Bao gồm các công đoạn chính sau đây:  Nhận lệnh  Giải mã lệnh  Nhận toán hạng  Thực hiện lệnh  Cất toán hạng  Ngắt 61
62. Giản đồ trạng thái chu trình lệnh Nhận từ bộ - Từ bộ nhớ - Ra bộ nhớ nhớ chính - Từ cổng vào - Đến cổng ra Nhận toán Cất toán Nhận lệnh hạng hạng Xác định Giải mã Tính địa Tính địa Thao tác Kiểm tra Có địa chỉ của thao tác chỉ toán chỉ toán Ngắt dữ liệu ngắt lệnh của lệnh hạng hạng Lệnh tiếp theo Lệnh xử lý STRING hay VECTOR Không 62
63. Nhận lệnh . CPU đưa địa chỉ của lệnh cần nhận từ thanh ghi bộ đếm chương trình PC ra bus địa chỉ . CPU phát tín hiệu điều khiển đọc bộ nhớ . Lệnh từ bộ nhớ được đặt lên bus dữ liệu và được CPU copy vào trong thanh ghi lệnh IR . CPU tăng nội dung của PC để trỏ sang lệnh kế tiếp 63
64. Minh họa quá trình nhận lệnh CPU PC Đơn vị Bộ nhớ điều khiển IR PC : Bộ đếm chương trình Bus Bus Bus IR : Thanh ghi lệnh địa dữ điều chỉ liệu khiển 64
65. Giải mã lệnh . Lệnh từ thanh ghi lệnh IR được đưa đến đơn vị điều khiển . Đơn vị điều khiển tiến hành giải mã lệnh để xác định thao tác cần phải thực hiện 65
66. Nhận toán hạng . CPU đưa địa chỉ của toán hạng ra bus địa chỉ . CPU phát tín hiệu điều khiển đọc . Toán hạng được chuyển vào trong CPU 66
67. Nhận toán hạng gián tiếp . CPU đưa địa chỉ ra bus địa chỉ . CPU phát tín hiệu điều khiển đọc . Nội dung ngăn nhớ được chuyển vào CPU, đó chính là địa chỉ của toán hạng . CPU phát địa chỉ này ra bus địa chỉ . CPU phát tín hiệu điều khiển đọc . Nội dung của toán hạng được chuyển vào CPU 67
68. Minh họa nhận toán hạng gián tiếp CPU MAR Đơn vị Bộ nhớ điều khiển MBR MAR (Memory Address Register) : Bus Bus Bus Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ địa dữ điều MBR (Memory Buffer Register): chỉ liệu khiển Thanh ghi đệm bộ nhớ 68
69. Thực hiện lệnh . Có nhiều dạng thao tác tùy thuộc vào lệnh . Có thể là:  Đọc/ghi bộ nhớ  Vào-ra dữ liệu  Chuyển dữ liệu giữa các thanh ghi  Thực hiện phép toán số học hoặc logic  Chuyển điều khiển (rẽ nhánh)  69
70. Ghi toán hạng . CPU đưa địa chỉ ra bus địa chỉ . CPU đưa dữ liệu cần ghi ra bus dữ liệu . CPU phát tín hiệu điều khiển ghi . Dữ liệu trên bus dữ liệu được copy đến vị trí xác định 70
71. Minh họa quá trình ghi toán hạng CPU MAR Đơn vị Bộ nhớ điều khiển MBR MAR : Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ Bus Bus Bus MBR : Thanh ghi đệm bộ nhớ địa dữ điều chỉ liệu khiển 71
72. Ngắt . CPU lưu lại giá trị hiện tại của PC (là địa chỉ trở về sau khi hoàn thành ngắt) – thường lưu vào Stack.  CPU đưa nội dung của PC ra bus dữ liệu  CPU đưa địa chỉ (thường được xác định từ con trỏ ngăn xếp SP) ra bus địa chỉ  CPU phát tín hiệu điều khiển ghi bộ nhớ  Địa chỉ trở về (nội dung của PC) trên bus dữ liệu được lưu vào ngăn nhớ tương ứng ở ngăn xếp . CPU nạp vào PC địa chỉ lệnh đầu tiên của chương trình con phục vụ ngắt tương ứng.  CPU xác định địa chỉ của vector ngắt tương ứng  CPU phát địa chỉ này ra bus địa chỉ  CPU phát tín hiệu điều khiển đọc bộ nhớ  Giá trị của vector ngắt (địa chỉ lệnh đầu tiên của CTC phục vụ ngắt) được chuyển ra bus dữ liệu  Giá trị này được nạp vào trong PC 72
73. 2. Đường ống lệnh . Nguyên tắc của Pipeline: chia chu trình lệnh thành các công đoạn và cho phép thực hiện gối lên nhau theo kiểu dây chuyền. . Giả sử chu trình lệnh gồm 6 công đoạn với thời gian thực hiện như nhau (T):  Nhận lệnh (Fetch Instruction – FI)  Giải mã lệnh (Decode Instruction – DI)  Tính đ/chỉ toán hạng (Calculate Operand Address – CO)  Nhận toán hạng (Fetch Operands – FO)  Thực hiện lệnh (Execute Instruction – EI)  Ghi toán hạng (Write Operands – WO) 73
74. Biểu đồ thời gian của đường ống lệnh 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Lệnh 1 FI DI CO FO EI WO Lệnh 2 FI DI CO FO EI WO Lệnh 3 FI DI CO FO EI WO Lệnh 4 FI DI CO FO EI WO Lệnh 5 FI DI CO FO EI WO Lệnh 6 FI DI CO FO EI WO 74
75. Các xung đột của đường ống lệnh . Xung đột cấu trúc: do nhiều công đoạn dùng chung một tài nguyên . Xung đột dữ liệu: lệnh sau sử dụng kết quả của lệnh trước . Xung đột điều khiển: do rẽ nhánh gây ra 75
76. 4.4. Các kỹ thuật tiên tiến của bộ xử lý 1. Cấu trúc chung của các bộ xử lý tiên tiến 2. Các kiến trúc song song mức lệnh 3. Kiến trúc RISC 76
77. 1. Cấu trúc chung của các BXL tiên tiến Cache lệnh L1 Đơn vị nhận lệnh (I-Cache) Bus bên Đơn vị giải mã và điều phối thực hiện lệnh ngoài Đơn vị nối Cache ghép bus L2 (BIU) ALUs FPUs SFUs Tập thanh Tập thanh Tập thanh ghi số ghi số dấu ghi dữ liệu nguyên chấm động chuyên dụng Đơn vị quản lý bộ nhớ Bus bên trong (MMU) Cache dữ liệu L1 (D-Cache) 77
78. Các đơn vị xử lý dữ liệu . Các đơn vị số nguyên (Integer Unit – IU) . Các đơn vị số dấu chấm động (Floating Point Unit – FPU) . Các đơn vị chức năng đặc biệt:  Đơn vị xử lý dữ liệu âm thanh  Đơn vị xử lý dữ liệu hình ảnh  Đơn vị xử lý dữ liệu vector 78
79. Bộ nhớ Cache . Được tích hợp trên chip vi xử lý . Thường bao gồm 2 mức Cache:  Cache L1 gồm 2 phần tách rời: . Cache lệnh . Cache dữ liệu → giải quyết xung đột khi nhận lệnh và dữ liệu  Cache L2: dùng chung cho lệnh và dữ liệu 79
80. Đơn vị quản lý bộ nhớ . Chuyển đổi địa chỉ ảo thành địa chỉ vật lý . Cung cấp cơ chế phân trang hoặc phân đoạn . Cung cấp chế độ bảo vệ bộ nhớ 80
81. 2. Kiến trúc song song mức lệnh . Siêu đường ống (Superpipeline và Hyperpipeline) . Siêu vô hướng (Superscalar) . Từ lệnh dài – VLIW (Very Long Instruction Word) 81
82. Siêu đường ống và siêu vô hướng Siêu đường ống và siêu vô hướng 82
83. VLIW (Very Long Instruction Word) Từ lệnh thông thường Opcode Operands Từ lệnh dài Opcode 1 Opcode 2 Opcode 3 Operands Operands Operands 83
84. 3. Kiến trúc RISC . CISC và RISC:  CISC – Complex Instruction Set Computer: . Máy tính có tập lệnh phức tạp . VD: các bộ xử lý 80x86  RISC – Reduced Instruction Set Computer: . Máy tính có tập lệnh rút gọn . VD: các bộ xử lý Sun SPARC, Power PC, 84
85. Các đặc trưng của RISC • Số lượng lệnh ít • Các lệnh có thời gian thực hiện là 1 chu kỳ máy • Độ dài của các lệnh bằng nhau (32 bit) • Có ít khuôn dạng lệnh (≤ 4) • Có ít chế độ địa chỉ hóa toán hạng (≤ 4) • Có nhiều thanh ghi • Các lệnh chủ yếu là thao tác giữa thanh ghi với thanh ghi • Truy cập bộ nhớ thông qua 2 lệnh LOAD và STORE 85
86. Nội dung chương 4 4.1. Cấu trúc cơ bản của CPU 4.2. Tập lệnh 4.3. Hoạt động của CPU 4.4. Các kỹ thuật tiên tiến của bộ xử lý 4.5. Kiến trúc Intel 86
87. 4.5. Kiến trúc Intel . Các bộ xử lý 4 bit: 4004, 4040 . Các bộ xử lý 8 bit: 8008, 8080, 8085 . Các bộ xử lý 16 bit: 8086, 8088, 80186, 80188, 80286 . Các bộ xử lý 32 bit: họ 80386, 80486, các họ Pentium I, II, III, 4 . Các bộ xử lý 64 bit: Itanium, Itanium 2, Pentium D, Xeon, Intel Core 2 87
88. 1. Kiến trúc 16 bit (IA-16) . Các thanh ghi bên trong: 16 bit . Xử lý phép toán số nguyên với 16 bit . Quản lý bộ nhớ theo đoạn 64KB . Là kiến trúc mở đầu cho dòng máy tính IBM-PC 88
89. 2. Kiến trúc 32 bit (IA-32) • Các thanh ghi bên trong: 32 bit • Xử lý phép toán số nguyên với 32 bit • Có 3 chế độ làm việc: – Chế độ 8086 thực (Real 8086 mode): làm việc như 1 bộ xử lý 8086 – Chế độ 8086 ảo (Virtual mode): làm việc như nhiều bộ xử lý 8086 (đa nhiệm 16-bit) – Chế độ bảo vệ (Protected mode): • Đa nhiệm 32 bit • Quản lý bộ nhớ ảo • Xử lý các phép toán số dấu chấm động (từ 80486) 89
90. 3. Kiến trúc 64 bit (IA-64) . Các thanh ghi bên trong: 64 bit . Xử lý phép toán số nguyên với 64 bit . Xử lý các phép toán số dấu chấm động . Không tương thích phần cứng với các bộ phận trước đó . Tương thích phần mềm bằng cách giả lập môi trường 90