Kiến trúc máy tính

Chương Giới thiệu tổng quan Họ vi xử lý ARM9 giải pháp vi xử lý đơn cho ứng dụng microcontroller, DSP (Digital Signal Processing) Java ARM9 đem đến thị trường chip giá rẻ giảm bớt phức tạp, tiết kiệm lượng thời gian giao dịch Họ ARM9 gồm có vi xử lý ARM968E-S, ARM946E-S, ARM926E-S Các vi xử lý ARM9 trái tim sản phẩm tín hiệu số cao cấp Họ vi xử lý ARM9 đáp ứng yêu cầu khắt khe tính hiệu cao, tính linh hoạt chi phí cho ứng dụng nhúng Lĩnh vực ứng dụng ARM9: Tiêu dùng: Smartphones, PDA, Set top box, đồ chơi điện tử, máy quay phim kĩ thuật số Mạng: Wireless LAN, 802.11, Bluetooth, SCSI, 2.5G/3G, Baseband Xe hơi: Power train, ABS, Body systems, Navigation, Infotainment Nhúng: USB controllers, Bluetooth controllers, máy quét y khoa Lưu trữ: HDD controllers, ổ cứng trạng thái rắn (solid state drive) So sánh đặc điểm vi xử lý họ ARM9 ARM968E-S Đây vi xử lý ARM9 nhỏ với cải tiến DSP để giảm tiêu thụ lượng cho ứng dụng nhúng thời gian thực Vi xử lý hoạt động có hiệu nhờ vào Tightly Coupled Memory tích hợp thơng qua giao diện chuẩn ARM946E-S ARM946E-S có cải tiến xử lý cache với MPU cho ứng dụng thời gian thực chạy RTOS Vi xử lý hướng thời gian thực bổ sung thêm Memory Protection Unit Vi xử lý có ích cho ứng dụng mà phần lớn code nằm nhớ có nhu cầu nạp vào cache Việc xử lý exception liệu thực Tightly Coupled Memory ARM926EJ-S Vi xử lý có hỗ trợ Java, DSP MMU (Memory Management Unit) dành cho ứng dụng chạy hệ điều hành ARM926EJ-S vi xử lý có khả hỗ trợ đầy đủ hệ điều hành Linux, WindowsCE Symbian Vi xử lý thích hợp cho nhiều ứng dụng cần giao diện đồ họa Hình Giới thiệu tổng quan-1 So sánh đặc điểm vi xử lý họ ARM9 A ARM926EJ-S Tập ghi ARM926EJ-S Các ghi ARM - r0 -> r14 : 15 ghi đa dụng - r15 : ghi PC - CPRS : ghi trạng thái chương trình - Các ghi khác giữ lại cho hệ thống (vd ghi chứa ngắt ) ARM9 có nhiều cải tiến lớn so với ARM7 việc sử dụng thêm nhiều transitor, gồm có: - Cải tiến tần số đồng hồ: từ kiến trúc pipleline giai đoạn thành giai đoạn để tốc độ đồng hồ tăng gần gấp đôi - Cải tiến chu kỳ xung nhịp: nạp lưu trữ nhanh hơn, nhiều lệnh tốn chu kỳ đồng hồ, tối ưu hóa lúc biên dịch Vi xử lý ARM9 kết hợp chặt chẽ lệnh để gia tăng việc xử lý tín hiệu số đa thực thi để hỗ trợ có hiệu việc thi hành thuật tốn xử lý tín hiệu số Thanh ghi trạng thái Vi xử lý có ghi trạng thái chương trình thời (CPSR) ghi trạng thái chương trình lưu lại (SPSRs) để xử lý exception Thanh ghi trạng thái chương trình có nhiệm vụ: - Lưu trữ thông tin thao tác tính tốn gần thực ALU - Điều khiển mở đóng ngắt - Thiết lập kiểu thao tác vi xử lý Cấu trúc ghi trạng thái chương trình • N: Negative- cờ bật bit cao kết xử lý ALU • Z: Zero- cờ bật kết cuối ALU • C: Carry- cờ bật kết cuối ALU lớn giá trị 32bit tràn • V: Overflow-cờ báo tràn sang bit dấu Khuân dạng lệnh Tất lệnh ARM 32bit: • Có cấu trúc dạng load-store 1 • Cấu trúc lệnh định dạng địa (nghĩa địa toán hạng nguồn toán hạng đích địa riêng biệt) Cấu trúc lệnh có địa chỉ: Cấu trúc lệnh có địa Ví dụ: ADD d, s1, s2 ; d := s1 + s2 máy • Mỗi lệnh thực thi điều kiện • Có lệnh load-store nhiều ghi đồng thời • Có khả dịch bit kết hợp với thực thi lệnh ALU chu kì • Thumb code Cấu trúc load-store: Cũng hầu hết xử lý dùng tập lênh RISC khác, ARM sử dụng cấu trúc load-store Điều có nghĩa là: tất lệnh thực ghi Chỉ có lệnh copy giá trị từ nhớ vào ghi chép lại giá trị từ ghi vào nhớ có ảnh hưởng tới nhớ Các xử lý CISC cho phép giá trị ghi cộng với giá trị nhớ, đơi cịn cho phép giá trị nhớ cộng với giá trị ghi ARM không hỗ trợ cấu trúc lệnh dạng ‘từ nhớ đến nhớ’ Vì thế, tất lệnh ARM thuộc loại sau: 1 Chỉ lệnh xử lý liệu: thay đổi giá trị ghi 2 Chỉ lệnh truyền liệu: copy giá trị từ ghi vào nhớ chép giá trị từ nhớ vào ghi. 3 Chỉ lệnh điều khiển dòng lệnh: Bình thường, ta thực thi lệnh chứa vùng nhớ liên tiếp, lệnh điều khiển dòng lệnh cho phép chuyển sang địa khác thực thi lệnh, tới nhánh cố định, lưu trở lại địa để phục hồi chuỗi lệnh ban đầu đè lên vùng code hệ thống 4.1 Lệnh xử lý liệu Lệnh xử lý liệu ARM cho phép thực thi lệnh số học, logic ghi Những phép tốn dạng có tóan tử tham gia sinh kết Trong tóan hạng nguồn, tốn hạng thứ ghi, giá trị tức thời, tóan hạng dịch bit trước tham gia vào phép tính số học mà tính chu kì máy + Tất tốn hạng có chiều dài 32bit + Nếu kết có chiều dài 32bit + ARM sử dụng cấu trúc lệnh có địa Cấu trúc lệnh • Các lệnh tóan học • Các lệnh logic Các lệnh logic • Tác vụ chuyển giá trị ghi Tác vụ chuyển giá trị ghi • Chức so sánh: Chức so sánh • … Bị ảnh hưởng bit cờ, trạng thái cờ quy định: + Cờ N=1 kết âm + cờ Z=1 kết + Cờ C bật kết có nhớ từ ALU(ADD, ADC, SUB, SBC, RSB, RSC, CMP, CMN) hay từ kết phép dịch bit Nếu khơng có phép dịch bit, cờ C giữ giá trị trước + Cờ V bị ảnh hưởng phép tốn số học V=1 có tràn từ bit 30 sang 31 Nó quan trọng phép tốn học bù có dấu Lệnh nhân Chỉ lệnh lệnh nhân Giả lệnh hợp ngữ ghi từ 21-23 cho bảng sau: Opcode [23:21] 000 001 Mnemonic Ý nghĩa MUL MLA Tác động Nhân kết 32-bit Rd:=(Rm*Rs)[31:0] Nhân -tích lũy cho giá Rd:=(Rm*Rs + Rn) trị kết 32 bit [31:0] 100 UMULL 101 UMLAL 110 SMULL 111 SMLAL Nhân không dấu 64bit RdHi: RdLo := Rm * Rs Nhân tích lũy giá trị RdHi: RdLo += Rm * không dấu 64bit Rs Nhân có dấu 64 bit RdHi: RdLo := Rm * Rs Nhân tích lũy giá trị RdHi: RdLo+=Rm*Rs 64bit Lệnh hợp ngữ: MUL{}{S} Rd, Rm, Rs MLA{}{S} Rd, Rm, Rs, Rn {}{S} RdHi, RdLo, Rm, Rs với lệnh(UMULL, UMLAL, SMULL, SMLAL) 4.2 Chỉ lệnh chuyển liệu: Chỉ lệnh chuyển liệu tương tự lệnh số học, có dạng chuyển liệu ghi, ghi địa trực tiếp o Chỉ lệnh load store ghi o Chỉ lệnh load store nhiều ghi o Chỉ lệnh trao đổi giá trị ghi Ta lấy ví dụ vài lệnh sau : * Lệnh chuyển liệu nhiều ghi: Mã hóa nhị phân lệnh chuyển liệu nhiều ghi Chú thích: Danh sách ghi bao gồm mảng 16 bit thay cho 16 ghi từ R0 đến R15 U=1 địa tăng ngược lại, P=1, địa tăng trước ngược lại Lệnh hợp ngữ: LDMISTM{} Rn{!}, * Lệnh hoán đổi giá trị nhớ ghi: Mã hóa nhị phân lệnh đổi giá trị nhớ ghi Chú thích: B=1=>load byte khơng dấu, B=0=>load word ô nhớ định địa Rn tới Rd, chứa giá trị từ Rm vào ô nhớ tương ứng Rd Rm ghi Lệnh hợp ngữ: SWP{}{B} Rd, Rm,Rn Chú ý: +Thanhghi PC không dùng lệnh +Thanh ghi Rn phải khác với ghi Rm ghi Rd 4.3 Các lệnh điều khiển dòng lệnh: o Chỉ lệnh rẽ nhánh o Nhánh điều kiện Điều kiện cần thực thi nằm bit cao lệnh Vị trí bit điều kiện lệnh 32bit Tổ hợp điều kiện định bit nằm ghi trạng thái chương trình Opcode Mnemonic Giải thích Trạng thái cờ để [31:28] extension thực thi 0000 EQ Bằng Z=1 0001 NE Không Z=0 0010 CS/HS Có nhớ, cao số khơng C=1 có dấu 0011 CC/LO Xóa cờ nhớ, thấp số C=0 có dấu 0100 Ml Trừ/âm N=1 0101 PL Cộng/dương hay zero N=0 0110 VS Cờ tràn V=1 0111 VC Không tràn V=0 1000 HI Lớn số không dấu C=1 Z=0 1001 LS Bé số C=0 Z =1 không dấu 1010 GE Lớn hoạc bàng số có N=V dấu 1011 LT Nhỏ số có dấu N≠V 1100 GT Lớn số có dấu Z=0 N=V 1101 LENhỏ số có Z=1 N≠V dấu 1110 AL Luôn Tùy định 1111 NV Không sử dụng! Không tồn vv… ... vào phép tính số học mà tính chu kì máy + Tất tốn hạng có chiều dài 32bit + Nếu kết có chiều dài 32bit + ARM sử dụng cấu trúc lệnh có địa Cấu trúc lệnh... lệnh ARM 32bit: • Có cấu trúc dạng load-store 1 • Cấu trúc lệnh định dạng địa (nghĩa địa toán hạng nguồn tốn hạng đích địa riêng biệt) Cấu trúc lệnh có địa chỉ: Cấu trúc lệnh có địa Ví dụ: ADD... tiến lớn so với ARM7 việc sử dụng thêm nhiều transitor, gồm có: - Cải tiến tần số đồng hồ: từ kiến trúc pipleline giai đoạn thành giai đoạn để tốc độ đồng hồ tăng gần gấp đôi - Cải tiến chu kỳ