›
›

Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 4: Bộ xử lý trung tâm - Nguyễn Kim Khánh

pdf 28 trang ngocly 350
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 4: Bộ xử lý trung tâm - Nguyễn Kim Khánh", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_kien_truc_may_tinh_chuong_4_bo_xu_ly_trung_tam_ngu.pdf

Nội dung text: Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 4: Bộ xử lý trung tâm - Nguyễn Kim Khánh

  1. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Kiến trúc máy tính Nội dung giáo trình „ Chương 1. Giới thiệu chung Chương 4 „ Chương 2. Hệ thống máy tính „ Chương 3. Số học máy tính BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM „ Chương 4. Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit - CPU) „ Chương 5. Bộ nhớ máy tính „ Chương 6. Hệ thống vào-ra „ Chương 7. Kiến trúc máy tính tiên tiến Nguyễn Kim Khánh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 1 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 2 NKK-HUT NKK-HUT Nội dung của chương 4 4.1. Cấu trúc cơ bản của CPU 1. Nhiệm vụ và cấu trúc của CPU 4.1. Cấu trúc cơ bản của CPU „ Nhiệm vụ của CPU: 4.2. Tập lệnh „ Nhận lệnh (Fetch Instruction): CPU đọc lệnh từ bộ 4.3. Hoạt động của CPU nhớ. „ Giải mã lệnh (Decode Instruction): xác định thao tác 4.4. Kiến trúc của các bộ xử lý tiên tiến mà lệnh yêu cầu. 4.5. Kiến trúc Intel „ Nhận dữ liệu (Fetch Data): nhận dữ liệu từ bộ nhớ hoặc các cổng vào-ra. „ Xử lý dữ liệu (Process Data): thực hiện phép toán số học hay phép toán logic với các dữ liệu. „ Ghi dữ liệu (Write Data): ghi dữ liệu ra bộ nhớ hay cổng vào-ra 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 3 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 4 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 1
  2. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Sơ đồ cấu trúc cơ bản của CPU Các thành phần cơ bản của CPU „ Đơn vị điều khiển (Control Unit - CU) „ Đơn vị số học và logic (Arithmetic and Logic Unit - ALU) „ Tập thanh ghi (Register File - RF) „ Đơn vị nối ghép bus (Bus Interface Unit - BIU) „ Bus bên trong (Internal Bus) 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 5 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 6 NKK-HUT NKK-HUT 2. Đơn vị số học và logic Mô hình kết nối ALU „ Chức năng: Thực hiện các phép toán số học và phép toán logic: „ Số học: 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 7 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 8 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 2
  3. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT 3. Đơn vị điều khiển Mô hình kết nối đơn vị điều khiển „ Chức năng „ Điều khiển nhận lệnh từ bộ nhớ đưa vào thanh ghi lệnh „ Tăng nội dung của PC để trỏ sang 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 từ bus hệ thống và đáp ứng với các yêu cầu đó. 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 9 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 10 NKK-HUT NKK-HUT Các tín hiệu đưa đến đơn vị điều khiển Các tín hiệu phát ra từ đơn vị điều khiển „ Clock: tín hiệu nhịp từ mạch tạo dao „ Các tín hiệu điều khiển bên trong CPU: động bên ngoài. „ Điều khiển các thanh ghi „ Mã lệnh từ thanh ghi lệnh đưa đến để „ Điều khiển ALU giải mã. „ Các tín hiệu điều khiển bên ngoài CPU: „ Các cờ từ thanh ghi cờ cho biết trạng „ Điều khiển bộ nhớ thái của CPU. „ Điều khiển các mô-đun vào-ra „ Các tín hiệu yêu cầu từ bus điều khiển 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 11 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 12 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 3
  4. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Các phương pháp thiết kế đơn vị điều khiển Đơn vị điều khiển vi chương trình „ 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 13 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 14 NKK-HUT NKK-HUT Đơn vị điều khiển vi chương trình (tiếp) Đơn vị điều khiển nối kết cứng „ Bộ nhớ 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 15 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 16 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 4
  5. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Đơn vị điều khiển nối kết cứng (tiếp) 4.Tập thanh ghi „ Chức năng và đặc điểm: „ Sử dụng mạch cứng để giải mã và tạo „ Chứa các thông tin tạm thời phục vụ cho các tín hiệu điều khiển thực hiện lệnh hoạt động ở thời điểm hiện tại của CPU „ Tốc độ nhanh „ Được coi là mức đầu tiên của hệ thống nhớ „ Số lượng thanh ghi nhiều Æ tăng hiệu năng „ Đơn vị điều khiển phức tạp 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 17 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 18 NKK-HUT NKK-HUT Phân loại thanh ghi theo chức năng Một số thanh ghi điển hình „ Thanh ghi địa chỉ: quản lý địa chỉ của ngăn „ Các thanh ghi địa chỉ nhớ hay cổng vào-ra. „ Bộ đếm chương trình PC (Program Counter) „ Thanh ghi dữ liệu: chứa tạm thời các dữ „ Con trỏ dữ liệu DP (Data Pointer) liệu. „ Con trỏ ngăn xếp SP (Stack Pointer) „ Thanh ghi đa năng: có thể chứa địa chỉ „ Thanh ghi cơ sở và thanh ghi chỉ số hoặc dữ liệu. (Base Register & Index Register) „ Thanh ghi điều khiển/trạng thái: chứa các „ Các thanh ghi dữ liệu thông tin điều khiển và trạng thái của CPU. „ Thanh ghi trạng thái „ Thanh ghi lệnh: chứa lệnh đang được thực hiện. 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 19 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 20 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 5
  6. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Bộ đếm chương trình PC Minh họa bộ đếm chương trình „ Còn được gọi là con trỏ lệnh IP (Instruction Pointer) „ Giữ địa chỉ của lệnh tiếp theo sẽ được nhận vào. „ Sau khi một lệnh được nhận vào, nội dung PC tự động tăng để trỏ sang lệnh kế tiếp. 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 21 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 22 NKK-HUT NKK-HUT Thanh ghi con trỏ dữ liệu Minh hoạ thanh ghi con trỏ dữ liệu „ Chứa địa chỉ của ngăn nhớ dữ liệu mà CPU muốn truy nhập „ Thường có một số thanh ghi con trỏ dữ liệu 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 23 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 24 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 6
  7. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Ngăn xếp (Stack) Con trỏ ngăn xếp SP (Stack Pointer) „ Chứa địa chỉ của ngăn nhớ đỉnh ngăn xếp „ Ngăn xếp là vùng nhớ có cấu trúc LIFO „ Khi cất một thông tin vào ngăn xếp: (Last In - First Out) „ Nội dung của SP tự động giảm „ Ngăn xếp thường dùng để phục vụ cho „ Thông tin được cất vào ngăn nhớ được trỏ chương trình con bởi SP „ Đáy ngăn xếp là một ngăn nhớ xác định „ Khi lấy một thông tin ra khỏi ngăn xếp: „ Thông tin được đọc từ ngăn nhớ được trỏ bởi „ Đỉnh ngăn xếp là thông tin nằm ở vị trí SP trên cùng trong ngăn xếp „ Nội dung của SP tự động tăng „ Đỉnh ngăn xếp có thể bị thay đổi „ Khi ngăn xếp rỗng, SP trỏ vào đáy 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 25 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 26 NKK-HUT NKK-HUT Minh họa con trỏ ngăn xếp SP 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 nhập so với ngăn nhớ cơ sở (chỉ số) „ Địa chỉ của ngăn nhớ cần truy nhập = địa chỉ cơ sở + chỉ số 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 27 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 28 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 7
  8. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Minh họa thanh ghi cơ sở và thanh ghi chỉ số Các thanh ghi dữ liệu „ 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 phẩy động 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 29 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 30 NKK-HUT NKK-HUT Thanh ghi trạng thái (Status Register) Ví dụ cờ phép toán „ Cờ Zero (cờ rỗng): được thiết lập lên 1 khi „ Còn gọi là thanh ghi cờ (Flag Register) kết quả của phép toán bằng 0. „ Chứa các thông tin trạng thái của CPU „ Cờ Sign (cờ dấu): được thiết lập lên 1 khi kết „ Các cờ phép toán: báo hiệu trạng thái của quả phép toán nhỏ hơn 0 kết quả phép toán „ Cờ Carry (cờ nhớ): được thiết lập lên 1 nếu „ Các cờ điều khiển: biểu thị trạng thái điều phép toán có nhớ ra ngoài bit cao nhất Æ cờ khiển của CPU báo tràn với số không dấu. „ Cờ Overflow (cờ tràn): được thiết lập lên 1 nếu cộng hai số nguyên cùng dấu mà kết quả có dấu ngược lại Æ cờ báo tràn với số có dấu . 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 31 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 32 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 8
  9. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Ví dụ cờ điều khiển Tập thanh ghi của một số bộ xử lý „ Cờ Interrupt (Cờ cho phép ngắt): „ Nếu IF = 1 Æ CPU ở trạng thái cho phép ngắt với tín hiệu yêu cầu ngắt từ bên ngoài gửi tới „ Nếu IF = 0 Æ CPU ở trạng thái cấm ngắt với tín hiệu yêu cầu ngắt từ bên ngoài gửi tới 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 33 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 34 NKK-HUT NKK-HUT 4.2. Tập lệnh Các thành phần của lệnh máy 1. Giới thiệu chung về tập lệnh „ Mỗi bộ xử lý có một tập lệnh xác định „ Mã thao tác (operation code Æ opcode): „ Tập lệnh thường có hàng chục đến hàng mã hóa cho thao tác mà bộ xử lý phải thực trăm lệnh hiện „ Mỗi lệnh là một chuỗi số nhị phân mà bộ xử „ Địa chỉ toán hạng: chỉ ra nơi chứa các toán lý hiểu được để thực hiện một thao tác xác hạng mà thao tác sẽ tác động định. „ Toán hạng nguồn: dữ liệu vào của thao tác „ Các lệnh được mô tả bằng các ký hiệu gợi „ Toán hạng đích: dữ liệu ra của thao tác nhớ Æ chính là các lệnh của hợp ngữ 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 35 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 36 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 9
  10. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Số lượng địa chỉ toán hạng trong lệnh (1) Số lượng địa chỉ toán hạng trong lệnh (2) „ Ba địa chỉ toán hạng: „ Hai địa chỉ toán hạng: „ 2 toán hạng nguồn, 1 toán hạng đích „ Một toán hạng vừa là toán hạng nguồn „ c = a + b vừa là toán hạng đích; toán hạng còn lại là toán hạng nguồn „ Từ lệnh dài vì phải mã hoá địa chỉ cho cả ba toán hạng „ a = a + b „ Được sử dụng trên các bộ xử lý tiên tiến „ Giá trị cũ của 1 toán hạng nguồn bị mất vì phải chứa kết quả „ Rút gọn độ dài từ lệnh „ Phổ biến 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 37 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 38 NKK-HUT NKK-HUT Số lượng địa chỉ toán hạng trong lệnh (3) Số lượng địa chỉ toán hạng trong lệnh (4) „ Một địa chỉ toán hạng: „ 0 địa chỉ toán hạng: „ Các toán hạng đều được ngầm định „ Một toán hạng được chỉ ra trong lệnh „ Sử dụng Stack „ Một toán hạng là ngầm định Æ thường là thanh ghi (thanh chứa –accumulator) „ Ví dụ: push a „ Được sử dụng trên các máy ở các thế hệ push b trước add pop c có nghĩa là : c = a+b „ không thông dụng 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 39 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 40 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 10
  11. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Đánh giá về số địa chỉ toán hạng Các vấn đề của thiết kế tập lệnh (1) „ Nhiều địa chỉ toán hạng „ Về thao tác „ Các lệnh phức tạp hơn „ Bao nhiêu thao tác ? „ Cần nhiều thanh ghi „ Các thao tác nào ? „ Chương trình có ít lệnh hơn „ Mức độ phức tạp của các thao tác ? „ Nhận lệnh và thực hiện lệnh chậm hơn „ Ít địa chỉ toán hạng „ Các kiểu dữ liệu „ Các lệnh đơn giản hơn „ Các khuôn dạng lệnh „ Cần ít thanh ghi „ Độ dài của trường mã thao tác „ Chương trình có nhiều lệnh hơn „ Số lượng địa chỉ toán hạng „ Nhận lệnh và thực hiện lệnh nhanh hơn 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 41 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 42 NKK-HUT NKK-HUT Các vấn đề của thiết kế tập lệnh (2) 2. Các kiểu thao tác cơ bản „ Các thanh ghi „ Chuyển dữ liệu „ Số thanh ghi của CPU được sử dụng „ Các thao tác nào được thực hiện trên các „ Xử lý số học với số nguyên thanh ghi ? „ Xử lý logic „ Các phương pháp định địa chỉ (xét sau) „ Điều khiển vào-ra (addressing modes) „ Chuyển điều khiển (rẽ nhánh) „ RISC hay CISC (xét sau) „ Điều khiển hệ thống „ Reduced Instruction Set Computing „ Complex Instruction Set Computing 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 43 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 44 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 11
  12. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Các lệnh chuyển dữ liệu Các lệnh số học „ ADD Cộng hai toán hạng „ MOVE Copy dữ liệu từ nguồn đến đích „ SUBTRACT Trừ hai toán hạng „ LOAD Nạp dữ liệu từ bộ nhớ đến bộ xử lý „ MULTIPLY Nhân hai toán hạng „ STORE Cất dữ liệu từ bộ xử lý đến bộ nhớ „ DIVIDE Chia hai toán hạng „ EXCHANGE Trao đổi nội dung của nguồn và đích „ ABSOLUTE Lấy trị tuyệt đối toán hạng „ CLEAR Chuyển các bit 0 vào toán hạng đích „ NEGATE Đổi dấu toán hạng (lấy bù 2) „ SET Chuyển các bit 1 vào toán hạng đích „ INCREMENT Tăng toán hạng thêm 1 „ PUSH Cất nội dung toán hạng nguồn vào ngăn xếp „ „ POP Lấy nội dung đỉnh ngăn xếp đưa đến DECREMENT Giảm toán hạng đi 1 toán hạng đích „ COMPARE Trừ hai toán hạng để lập cờ 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 45 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 46 NKK-HUT NKK-HUT Các lệnh logic Minh hoạ các lệnh AND, OR, XOR „ Giả sử có hai thanh ghi chứa dữ liệu như sau: „ AND Thực hiện phép AND hai toán hạng (R1) = 1010 1010 „ OR Thực hiện phép OR hai toán hạng (R2) = 0000 1111 „ XOR Thực hiện phép XOR hai toán hạng „ R1 Å (R1) AND (R2) = 0000 1010 „ NOT Đảo bit của toán hạng (lấy bù 1) Phép toán AND dùng để xoá một số bit và giữ „ TEST Thực hiện phép AND hai toán hạng nguyên một số bit còn lại của toán hạng. để lập cờ „ R1 Å (R1) OR (R2) = 1010 1111 Phép toán OR dùng để thiết lập một số bit và giữ nguyên một số bit còn lại của toán hạng. „ R1 Å (R1) XOR (R2) = 1010 0101 Phép toán XOR dùng để đảo một số bit và giữ nguyên một số bit còn lại của toán hạng. 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 47 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 48 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 12
  13. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Các lệnh logic (tiếp) Các thao tác SHIFT và ROTATE SHIFT Dịch trái (phải) toán hạng ROTATE Quay trái (phải) toán hạng 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 49 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 50 NKK-HUT NKK-HUT Các lệnh vào ra chuyên dụng Các lệnh chuyển điều khiển „ JUMP (BRANCH) Lệnh nhảy không điều kiện: „ INPUT Copy dữ liệu từ một cổng xác „ nạp vào PC một địa chỉ xác định định đưa đến đích „ JUMP CONDITIONAL Lệnh nhảy có điều kiện: „ điều kiện đúng Æ nạp vào PC một địa chỉ xác định „ OUTPUT Copy dữ liệu từ nguồn đến „ điều kiện sai Æ không làm gì cả một cổng xác định „ CALL Lệnh gọi chương trình con: „ Cất nội dung của PC (địa chỉ trở về) ra một vị trí xác định (thường ở Stack) „ Nạp vào PC địa chỉ của lệnh đầu tiên của chương trình con „ RETURN Lệnh trở về từ chương trình con: „ Khôi phục địa chỉ trở về trả lại cho PC để trở về chương trình chính 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 51 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 52 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 13
  14. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Lệnh rẽ nhánh không điều kiện Lệnh rẽ nhánh có điều kiện „ Trong lệnh có kèm theo điều kiện „ Chuyển tới thực hiện lệnh „ Kiểm tra điều kiện trong lệnh: ở vị trí có địa chỉ XXX: „ Nếu điều kiện đúng Æ chuyển tới thực hiện PC Å XXX lệnh ở vị trí có địa chỉ XXX PC Å XXX „ Nếu điều kiện sai Æ 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 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 53 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 54 NKK-HUT NKK-HUT Minh hoạ lệnh rẽ nhánh có điều kiện Lệnh CALL và RETURN „ Lệnh gọi chương trình con: lệnh CALL „ Cất nội dung PC (chứa địa chỉ của lệnh_kế_tiếp) ra Stack „ Nạp vào PC địa chỉ của lệnh đầu tiên của chương trình con được gọi Æ Bộ xử lý được 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 Æ Bộ xử lý được điều khiển quay trở về thực hiện tiếp lệnh nằm sau lệnh CALL 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 55 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 56 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 14
  15. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Minh hoạ lệnh CALL và RETURN Gọi các thủ tục lồng nhau 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 57 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 58 NKK-HUT NKK-HUT Sử dụng Stack Các lệnh điều khiển hệ thống „ HALT Dừng thực hiện chương trình „ WAIT Tạm dừng thực hiện chương trình, lặp kiểm tra điều kiện cho đến khi thoả mãn thì tiếp tục thực hiện „ NO OPERATION Không thực hiện gì cả „ LOCK Cấm không cho xin chuyển nhượng bus „ UNLOCK Cho phép xin chuyển nhượng bus 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 59 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 60 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 15
  16. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT 3. Các phương pháp định địa chỉ (addressing modes) Các phương pháp định địa chỉ thông dụng Khái niệm về định địa chỉ (addressing) „ Định địa chỉ tức thì „ Toán hạng của lệnh có thể là: „ Định địa chỉ thanh ghi „ Một giá trị cụ thể nằm ngay trong lệnh „ Định địa chỉ trực tiếp „ Nội dung của thanh ghi „ Định địa chỉ gián tiếp qua thanh ghi „ Nội dung của ngăn nhớ hoặc cổng vào-ra „ Định địa chỉ gián tiếp „ Phương pháp định địa chỉ là cách thức „ Định địa chỉ dịch chuyển địa chỉ hóa trong trường địa chỉ của lệnh để xác định nơi chứa toán hạng 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 61 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 62 NKK-HUT NKK-HUT Định địa chỉ tức thì Sơ đồ định địa chỉ tức thì „ Toán hạng nằm ngay trong Trường địa chỉ của lệnh „ Chỉ có thể là toán hạng nguồn „ Ví dụ: ADD R1, 5 ; R1Å R1+5 „ Không tham chiếu bộ nhớ „ Truy nhập toán hạng rất nhanh „ Dải giá trị của toán hạng bị hạn chế 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 63 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 64 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 16
  17. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Định địa chỉ thanh ghi Sơ đồ định địa chỉ thanh ghi „ Toán hạng được chứa trong thanh ghi có tên trong Trường địa chỉ „ Ví dụ: ADD R1, R2 ; R1Å R1+R2 „ Số lượng thanh ghi ít Æ Trường địa chỉ chỉ cần ít bit „ Không tham chiếu bộ nhớ „ Truy nhập toán hạng nhanh „ Tăng số lượng thanh ghi Æ hiệu quả hơn 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 65 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 66 NKK-HUT NKK-HUT Định địa chỉ trực tiếp Sơ đồ định địa chỉ trực tiếp „ Toán hạng là ngăn nhớ có địa chỉ được chỉ ra trực tiếp trong Trường địa chỉ của lệnh „ Ví dụ: ADD R1, A ;R1 Å R1 + (A) „ Cộng nội dung thanh ghi R1 với nội dung của ngăn nhớ có địa chỉ là A „ Tìm toán hạng trong bộ nhớở địa chỉ A „ CPU tham chiếu bộ nhớ một lần để truy nhập dữ liệu 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 67 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 68 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 17
  18. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Định địa chỉ gián tiếp qua thanh ghi Sơ đồ định địa chỉ gián tiếp qua thanh ghi „ Toán hạng là ngăn nhớ có địa chỉ nằm trong thanh ghi „ Trường địa chỉ cho biết tên thanh ghi đó „ Thanh ghi có thể là ngầm định „ Thanh ghi này được gọi là thanh ghi con trỏ „ Vùng nhớ có thể được tham chiếu là lớn (2n), (với n là độ dài của thanh ghi) 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 69 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 70 NKK-HUT NKK-HUT Định địa chỉ gián tiếp qua ngăn nhớ Sơ đồ định 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 Æ chậm „ Vùng nhớ có thể được tham chiếu là lớn 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 71 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 72 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 18
  19. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Định địa chỉ dịch chuyển Sơ đồ định địa chỉ dịch chuyển „ Để xác định toán hạng, Trường địa chỉ chứa hai 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 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 73 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 74 NKK-HUT NKK-HUT Các dạng của định địa chỉ dịch chuyển 4.3. Hoạt động của CPU „ Địa chỉ hoá tương đối với PC 1. Chu trình lệnh „ Thanh ghi là Bộ đếm chương trình PC „ Toán hạng có địa chỉ cách ngăn nhớ được „ Nhận lệnh trỏ bởi PC một độ lệch xác định „ Giải mã lệnh „ Định địa chỉ cơ sở „ Nhận toán hạng „ Thanh ghi chứa địa chỉ cơ sở „ Thực hiện lệnh „ Hằng số là chỉ số „ Cất toán hạng „ Định địa chỉ chỉ số „ Ngắt „ Hằng số là địa chỉ cơ sở „ Thanh ghi chứa chỉ số 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 75 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 76 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 19
  20. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Giản đồ trạng thái chu trình lệnh Nhận lệnh „ CPU đưa địa chỉ của lệnh cần nhận từ 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 thanh ghi lệnh IR „ CPU tăng nội dung PC để trỏ sang lệnh kế tiếp 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 77 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 78 NKK-HUT NKK-HUT Sơ đồ mô tả quá trình nhận lệnh 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 phải thực hiện „ Giải mã lệnh xảy ra bên trong CPU 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 79 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 80 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 20
  21. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Nhận dữ liệu Nhận dữ liệu gián tiếp „ CPU đưa địa chỉ ra bus địa chỉ „ CPU đưa địa chỉ của toán hạng ra bus „ CPU phát tín hiệu điều khiển đọc địa chỉ „ Nội dung ngăn nhớ được đọc vào CPU, „ CPU phát tín hiệu điều khiển đọc đó chính là địa chỉ của toán hạng „ Toán hạng được đọc vào CPU „ Địa chỉ này được CPU phát ra bus địa „ Tương tự như nhận lệnh chỉ để tìm ra toán hạng „ CPU phát tín hiệu điều khiển đọc „ Toán hạng được đọc vào CPU 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 81 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 82 NKK-HUT NKK-HUT Sơ đồ tả nhận toán hạng gián tiếp Thực hiện lệnh „ Có nhiều dạng tuỳ thuộc vào lệnh „ Có thể là: „ Đọc/Ghi bộ nhớ „ Vào/Ra „ Chuyển giữa các thanh ghi „ Thao tác số học/logic „ Chuyển điều khiển (rẽ nhánh) „ 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 83 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 84 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 21
  22. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Ghi toán hạng Sơ đồ mô tả quá trình 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 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 85 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 86 NKK-HUT NKK-HUT Ngắt Sơ đồ mô tả chu trình ngắt „ Nội dung của bộ đếm chương trình PC (địa chỉ trở về sau khi ngắt) được đưa ra bus dữ liệu „ CPU đưa địa chỉ (thường được lấy từ con trỏ ngăn xếp SP) ra bus địa chỉ „ CPU phát tín hiệu điều khiển ghi bộ nhớ „ Địa chỉ trở về trên bus dữ liệu được ghi ra vị trí xác định (ở ngăn xếp) „ Địa chỉ lệnh đầu tiên của chương trình con điều khiển ngắt được nạp vào PC 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 87 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 88 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 22
  23. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT 2. Đường ống lệnh (Instruction Pipelining) Biểu đồ thời gian của đường ống lệnh „ Chia chu trình lệnh thành các công đoạn và cho phép thực hiện gối lên nhau (như dây chuyền lắp ráp) „ Chẳng hạn có 6 công đoạn: „ Nhận lệnh (Fetch Instruction - FI) „ Giải mã lệnh (Decode Instruction - DI) „ Tính địa 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) 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 89 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 90 NKK-HUT NKK-HUT Các Hazard của đường ống lệnh 4.4. Các kỹ thuật tiên tiến của bộ xử lý „ Hazard cấu trúc: do nhiều công đoạn dùng chung một tài nguyên „ Cấu trúc chung của các bộ xử lý tiên tiến „ Hazard dữ liệu: lệnh sau sử dụng dữ „ Các kiến trúc song song mức lệnh liệu kết quả của lệnh trước „ Kiến trúc RISC „ Hazard điều khiển: do rẽ nhánh gây ra 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 91 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 92 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 23
  24. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT 1. Cấu trúc chung của các bộ xử lý tiên tiến Các đơn vị xử lý dữ liệu „ Các đơn vị số nguyên „ Các đơn vị số dấu phẩy động „ 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 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 93 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 94 NKK-HUT NKK-HUT Bộ nhớ cache Đơn vị quản lý bộ nhớ „ Được tích hợp trên chip vi xử lý „ Bao gồm hai mức cache: „ Chuyển đổi địa chỉảo thành địa chỉ vật lý „ Cache L1 gồm hai phần tách rời: „ Cung cấp cơ chế phân trang/phân đoạn „ Cache lệnh „ Cung cấp chế độ bảo vệ bộ nhớ „ Cache dữ liệu Æ giải quyết xung đột khi nhận lệnh và dữ liệu „ Cache L2: chung cho lệnh và dữ liệu 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 95 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 96 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 24
  25. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT 2. Các kiến trúc song song mức lệnh Superpipeline „ Siêu đường ống (Superpipeline & Hyperpipeline) „ Siêu vô hướng (Superscalar) „ VLIW (Very Long Instruction Word) 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 97 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 98 NKK-HUT NKK-HUT Superscalar VLIW (Very Long Instruction Word) 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 99 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 100 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 25
  26. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT 3. RISC Các đặc trưng của RISC „ CISC và RISC „ Số lượng lệnh ít „ CISCÆComplex Instruction Set Computer: „ Hầu hết các lệnh truy nhập toán hạng ở „ Máy tính với tập lệnh phức tạp các thanh ghi „ Các bộ xử lý truyền thống: x86, 680x0 „ Truy nhập bộ nhớ bằng các lệnh „ RISCÆReduced Instruction Set Computer: LOAD/STORE „ Máy tính với tập lệnh thu gọn „ SunSPARC, Power PC, „ Thời gian thực hiện lệnh là một chu kỳ „ RISC đối nghịch với CISC máy „ Các lệnh có độ dài cố định (32 bit) 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 101 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 102 NKK-HUT NKK-HUT Các đặc trưng của RISC (tiếp) Cửa sổ thanh ghi „ Số lượng khuôn dạng lệnh là ít (<=4) „ CPU có tập thanh ghi lớn „ Có ít mode địa chỉ (<=4) „ Hỗ trợ các thao tác của ngôn ngữ bậc cao „ Đều được thiết kế kiểu pipeline lệnh 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 103 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 104 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 26
  27. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT 4.5. Kiến trúc Intel 1. Kiến trúc 16-bit (IA-16) „ Kiến trúc 4-bit: 4004 „ Kiến trúc 8-bit: 8008,8080,8085 „ Các thanh ghi bên trong: 16-bit „ Kiến trúc 16-bit: 8086/8088,80186,80286 „ Xử lý các phép toán số nguyên với 16-bit „ Kiến trúc 32-bit: 80386, 80486, Pentium,Pentium II, „ Quản lý bộ nhớ theo đoạn 64KBytes Celeron, Pentium III, „ Mở đầu cho dòng máy tính IBM-PC Pentium 4 „ Kiến trúc 64-bit: Itanium „ 128 bit ? 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 105 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 106 NKK-HUT NKK-HUT 2. Kiến trúc 32-bit (IA-32) 3. Kiến trúc 64-bit (IA-64) „ Các thanh ghi bên trong: 32-bit „ Xử lý các phép toán số nguyên với 32-bit „ Các thanh ghi bên trong: 64-bit „ Có ba chế độ làm việc: „ Xử lý các phép toán số nguyên với 64-bit „ Chế độ 8086 thực (Real 8086 mode): làm việc như một „ Xử lý các phép toán số dấu phẩy động bộ xử lý 8086 „ „ Chế độ 8086 ảo (Virtual 8086 mode): làm việc như Không tương thích phần cứng với các bộ nhiều bộ xử lý 8086 (đa nhiệm 16-bit) xử lý trước đó „ Chế độ bảo vệ (Protected mode) „ Tương thích phần mềm bằng cách giả lập „ đa nhiệm 32-bit „ quản lý bộ nhớảo môi trường „ Xử lý các phép toán số dấu phẩy động (từ 80486) 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 107 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 108 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 27
  28. Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT Hết chương 4 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc Máy tính 109 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 28