Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 7: Tổ chức bộ xử lý - Vũ Đức Lung

Nội dung text: Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 7: Tổ chức bộ xử lý - Vũ Đức Lung

1. Chương 7– T chc b x lý Tchcbxlýtrungtâm Bthanhghi Đưngđidliu(Datapath) TchcOneBus TchcTwoBus,ThreeBus Dintinthihànhlnhmãmáy Bđiukhin Xlýngt(InterruptHandling) Kthutngdn(Pipeline) Khoa KTMT Vũ Đc Lung 1
2. 7.1.Tchcbxlýtrungtâm
   đòi hỏi ởbên trong CPU: – Tìm nạp lệnh (FetchInstruction) – Diễn giải lệnh (InterpretInstruction) – Tìm nạp dữ liệu (Fetchdata) – Xử lý dữ liệu (Processdata) – Ghi dữ liệu (Writedata) Khoa KTMT Vũ Đc Lung 2
3. Cu trúc bên trong ca CPU Khoa KTMT Vũ Đc Lung 3
4. 7.2.Bthanhghi
   Thanh ghi mục đích chung
   Thanh ghi có mục đích đặc biệt
   Chiều dài của thanh ghi
   Số lượng thanh ghi
   Thanh ghi truy cập bộ nhớ – Thanh ghi dữ liệu bộ nhớ (memorydataregister MDR ) – Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ (memoryaddressregiater – MAR )
   Thanhghichuyểntảilệnh – Bộ đếm chương trình (programcounter– PC) – Thanh ghi lệnh (instructionregister– IR)
   Thanhghi từ trạng thái của chương trình (programstatus word– PSW). Khoa KTMT Vũ Đc Lung 4
5. Cácthanhghih80x86 – 8thanhghimụcđíchchung:SI(sourceindex),DI(destinationindex), SP(stack pointer)vàBP(basepointer). – Thanhghisegment – ThanhghiđếmchươngtrìnhPC,thanh ghi lệnh IR vàthanhghicờ trạngthái Khoa KTMT Vũ Đc Lung 5
6. 7.3.Đưngđidliu(Datapath)
   Đường đi dữ liệu gồm có – bộ logicsố học (ALU:ArithmeticandLogicUnit), – các mạch dịch, – các thanh ghi – các đường nối kết các bộ phận trên
   Nhiệm vụ chính của phần đường đi dữ liệu – đọc các toán hạng từ các thanh ghi tổng quát – thực hiện các phép tính trên toán hạng này trong ALU – lưu trữ kết quả trong các thanh ghi tổng quát Khoa KTMT Vũ Đc Lung 6
7. TchcOneBus Một BUSchỉ có thể sử dụng một dữ liệu di chuyển trong một chu kỳ đồng hồ =>một phép toán có hai toán hạng cần hai chu kỳ đồng hồ Khoa KTMT Vũ Đc Lung 7
8. Tchc TwoBus Khoa KTMT Vũ Đc Lung 8
9. ThreeBus
   Tổ chức đường truyền dữ liệu dạng threebus Khoa KTMT Vũ Đc Lung 9
10. 7.4.Dintinthihànhlnhmãmáy( CPUinstruction cycle )
    Việc thi hành một lệnh mã máy có thể chia thành 5giai đoạn – Đọclệnh(IF:InstructionFetch) – Giảimãlệnh(ID:InstructionDecode) – Thihànhlệnh(EX:Execute) – Thâmnhậpbộnhớtronghoặcnhảy (MEM:Memoryaccess) – Lưutrữkếtquả(RS:ResultStoring). Khoa KTMT Vũ Đc Lung 10
11. Đclnh
    Đọclệnh(fetchinstruction): – DữliệutrongPCđượcloadvàoMAR: MAR←PC – GiátrịtrongthanhghiPCtănglên1: PC←PC+1 – Kếtquảcủalệnhđọctừbộnhớ,dữliệuđượcloadvàoMDR: MDR
    M[MAR] – DữliệutrongMDRđượcloadvàoIR:IR←M[MAR]
    Thứ tự thực hiện lệnh theo thời gian đối với loại onebus : Khoa KTMT Vũ Đc Lung 11
12. Đclnh Gii mã lnh
    Thứ tự thực hiện lệnh theo thời gian đối với loại threebus:
    Giải mã lệnh và đọc các thanh ghi nguồn: Opcode Ri Rj Thanh ghi nào? R1,R2hayR8, Lnh gì?+,,x,:, AND, Khoa KTMT Vũ Đc Lung 12
13. Thi hành mt lnh s hc đơn gin
    Ví dụ:ADDR1,R2,R0
    Các bước thi hành lệnh:
    Trong cấu trúc onebusvà twobus Khoa KTMT Vũ Đc Lung 13
14. Thi hành mt lnh s hc đơn gin
    Ví dụ lệnh: ADDR0,X
    Đối với cấu trúc onebus Twobus Threebus Khoa KTMT Vũ Đc Lung 14
15. 7.5.Bđiukhin
    Bộđiềukhiểnmạchđiệntử – nguyên lý hoạt động như một mạch tuần tự hayAutomate(mạch tự động hóa)trạng thái hữu hạn – Ưu điểm : • chỉ có một số hữu hạn các trạng thái • tối ưu để tạo ra chế độ nhanh cho tác vụ
    Bộđiềukhiểnvichươngtrình – dùng một vichương trình lập sẵn nằm trong bộ nhớ điều khiển (control memory)để khởi động dãy vitác vụ theo yêu cầu. – dùng rộng rãi trong các bộ xử lý CISC Khoa KTMT Vũ Đc Lung 15
16. Bđiukhin (tt)
    sơ đồ khối một bộ điều khiển mạch điện tử cơ bản Khoa KTMT Vũ Đc Lung 16
17. B điu khin đin t
    Ví dụ điều khiển thực hiện một lệnh: ADDR0,R1,R2 Các bước thực hiện Cài đặt phần cứng Khoa KTMT Vũ Đc Lung 17
18. B điu khin đin t (tt) VDlnh ADDR0,R1,R2vi cu trúc onebusdatabath Khoa KTMT Vũ Đc Lung 18
19. B điu khin đin t (tt)
    Yêu cầu tìm ra biểu thức logiccho tín hiệu điều khiển
    VD: giả sử bộ lệnh có 3lệnh Instx,Insty,Instzvà A,B,C,D,R,F,G,Hlà các đường điều khiển. Khoa KTMT Vũ Đc Lung 19
20. B điu khin đin t (tt) Sơ đ trng thài thc hin lnh Khoa KTMT Vũ Đc Lung 20
21. B điu khin vichương trình
    Vilệnh chiều ngang và chiều dọc
    VD: Trong cấu trúc đường truyền threebus,giả sử có 16thanh ghi GPR R0R15 ,ALUcó 8phép toán (add,sub,multiply,divide,AND,OR,shiftleft và shiftright).Xét formatcho vilệnh ADDR0,R1,R2theo chiều ngang Khoa KTMT Vũ Đc Lung 21
22. Vilnh chiu ngang và chiu dc Khoa KTMT Vũ Đc Lung 22
23. 7.6.Xlýngt(InterruptHandling)
    Ngắt là một sự kiện xảy ra một cách ngẫu nhiên trong máy tính và làm ngưng tính tuần tự của chương trình (nghĩa là tạo ra một lệnh nhảy)
    ngắt quãng được dùng cho các công việc: – Ngoạiviđòihỏinhậphoặcxuấtsốliệu. – Ngườilậptrìnhmuốndùngdịchvụcủahệđiềuhành. – Chomộtchươngtrìnhchạytừnglệnh. – Làmđiểmdừngcủamộtchươngtrình. – Báotrànsốliệutrongtínhtoánsốhọc. – Trangbộnhớthựcsựkhôngcótrongbộnhớ. – Báoviphạmvùngcấmcủabộnhớ. – Báodùngmộtlệnhkhôngcótrongtậplệnh. – Báophầncứngmáytínhbịhư. – Báo điện bị cắt. Khoa KTMT Vũ Đc Lung 23
24. 7.6.Xlýngt(InterruptHandling)
    Khi một ngắt xảy ra,bộ xử lý thi hành các bước: – 1.Thựchiệnxonglệnhđanglàm. – 2.Lưutrữtrạngtháihiệntại. – 3.Nhảyđếnchươngtrìnhphụcvụngắt – 4.Khichươngtrìnhphụcvụchấmdứt,bộxửlýkhôiphụclạitrạngthái cũcủanóvàtiếptụcthựchiệnchươngtrìnhmànóđangthựchiệnkhi bịngắt.
    Thực hiện các vitác vụ khi ngắt Khoa KTMT Vũ Đc Lung 24
25. 7.7.Kthutngdn(PIPELINE)
    Thực hiện lệnh trong kỹ thuật pipeline:
    Một số ràng buộc trong pipeline – Cần phải có một mạch điện tử để thi hành mỗi giai đoạn của lệnh – Phải có nhiều thanh ghi khác nhau dùng cho các tác vụ đọc và viết – Cần phải giải mã các lệnh một cách đơn giản – Cần phải có các bộ làm tính ALUhữu hiệu để có thể thi hành lệnh số học dài nhất Khoa KTMT Vũ Đc Lung 25
26. Nhngkhókhăntrongkthutngdn
    Khó khăn docấu trúc
    Khó khăn dođiều khiển
    Khó khăn dosố liệu – vídụtrườnghợpcáclệnhliêntiếpsau: Lệnh1:ADDR1,R2,R3 Lệnh2:SUBR4,R1,R5 Lệnh3:ANDR6,R1,R7 Lệnh4:ORR8,R1,R9 Khoa KTMT Vũ Đc Lung 26