Chương 2 khối xử lý trung tâm CPU

Chương 2: Khối xử lý trung tâm CPU Chương 2: Nội dung đồ khối tổng quát p  Chu kỳ xử lý lệnh p  Thanh ghi p  Khối điều khiển (CU) p  Khối số học logic (ALU) p  Bus CPU p  Sơ CPU - Sơ đồ khối tổng quát CU: (Control Unit) Khối điều khiển IR: (Instruction Register) Thanh ghi lệnh PC: (Program Counter) Bộ đếm chương trình Y, Z: (Temporary Register) Thanh ghi tạm thời FR: (Flag Register) Thanh ghi cờ ALU: (Arithmetic and Logic Unit) Khối tính tốn số học -logic IR Y PC MBR: (Memory Buffer Register) Thanh ghi nhớ đệm A: (Accumulator Register) Thanh ghi tích lũy A A Bus D Bus MAR Internal Bus MAR: (Memory Address Register) Thanh ghi địa nhớ CU ALU Z MBR FR Chu kỳ xử lý lệnh 1.  2.  3.  4.  5.  Khi chương trình chạy, hệ điều hành tải mã chương trình vào nhớ Địa lệnh chương trình đưa vào ghi PC Địa ô nhớ chứa lệnh chuyển tới bus A qua ghi MAR Tiếp theo, bus A truyền địa tới khối quản lý nhớ MMU (Memory Management Unit) MMU chọn nhớ sinh tín hiệu READ Chu kỳ xử lý lệnh 6.  7.  8.  9.  10.  Lệnh chứa ô nhớ chuyển tới ghi MBR qua bus D MBR chuyển lệnh tới ghi IR Sau IR lại chuyển lệnh tới CU CU giải mã lệnh sinh tín hiệu xử lý cho đơn vị khác, ví dụ ALU để thực lệnh Địa PC tăng lên để trỏ tới lệnh chương trình thực Thực lại bước 3->9 để chạy hết lệnh chương trình Thanh ghi p  Thanh ghi thành phần nhớ bên CPU: n  n  n  p  p  Lưu trữ tạm thời lệnh liệu cho CPU xử lý Dung lượng nhỏ, số lượng Tốc độ cao (bằng tốc độ CPU) Các CPU hệ cũ (80x86) có 16 – 32 ghi CPU hệ (Intel Pentium 4, Core Duo) có hàng trăm ghi Kích thước ghi phụ thuộc vào thiết kế CPU: 8, 16, 32, 64, 128 256 bit n  n  n  8086 80286: 16 bit 80386, Pentium II: 16 – 32 bit Pentium IV, Core Duo: 32, 64 128 bit Thanh ghi tích lũy A (Accumulator) p  Thanh ghi tích lũy hay ghi A ghi quan trọng CPU n  n  p  p  Lưu trữ toán hạng đầu vào Lưu kết đầu Kích thước ghi A tương ứng với độ dài từ xử lý CPU: 8, 16, 32, 64 bit Cũng sử dụng để trao đổi liệu với thiết bị vào Thanh ghi tích lũy p  Ví dụ: thực phép tính x + y -> s n  n  n  n  Toán hạng x đưa vào ghi A Toán hạng y đưa vào ghi Y ALU thực phép cộng A+Y , kết lưu vào Z Kết sau lại đươc đưa vào A Bộ đếm chương trình PC p  p  p  p  Program Counter hay Instruction Pointer lưu địa nhớ lệnh PC chứa địa ô nhớ chứa lệnh chương trình kích hoạt tải vào nhớ Sau CPU chạy xong lệnh, địa ô nhớ chứa lệnh tải vào PC Kích thước PC phụ thuộc vào thiết kế CPU: 8, 16, 32, 64 bit Computer Architecture - Introduction 10 Con trỏ ngăn xếp (SP: Stack Pointer) p  p  p  Ngăn xếp đoạn nhớ đặc biệt hoạt động theo nguyên tắc vào sau trước (LIFO) Con trỏ ngăn xếp ghi trỏ tới đỉnh ngăn xếp SP thao tác với ngăn xếp: n  Push: đẩy liệu vào ngăn xếp SP ß SP + {SP} ß Data n  Pop: lấy liệu khỏi ngăn xếp Stack Register ß {SP} SP ß SP - 14 Các ghi đa p  Có thể sử dụng cho nhiều mục đích: n  n  p  Lưu tốn hạng đầu vào Lưu kết đầu Ví dụ: CPU 8086 có ghi đa n  n  n  n  AX: Accumulator Register BX: Base Register CX: Counter Register DX: Data Register 15 Thanh ghi lệnh IR p  p  Lưu trữ lệnh xử lý IR lấy lệnh từ MBR chuyển tới CU để giải mã lệnh MBR IR CU 16 Thanh ghi MBR MAR p  MAR: ghi địa nhớ n  n  p  Giao diện CPU bus địa Nhận địa nhớ lệnh từ PC chuyển tới bus địa MBR: ghi đệm nhớ n  n  Giao diện CPU bus liệu Nhận lệnh từ bus liệu chuyển tới IR 17 Các ghi tạm thời p  CPU thường sử dụng số ghi tạm thời để: n  n  n  n  Lưu trữ toán hạng đầu vào Lưu kết đầu Hỗ trợ xử lý song song (tại thời điểm chạy nhiều lệnh) Hỗ trợ thực lệnh theo chế thực tiên tiến kiểu không trật tự (OOO – Out Of Order execution) 18 Khối điều khiển CU Internal control signal CLK External control signal Control Unit CU ALU Flags IR 19 Khối điều khiển CU p  p  Điều khiển tất hoạt động CPU theo xung nhịp đồng hồ Nhận tín hiệu đầu vào: n  n  n  p  CU sinh nhóm tín hiệu đầu ra: n  n  p  Lệnh từ IR Giá trị cờ trạng thái Xung đồng hồ Nhóm tín hiệu điều khiển phận bên CPU Nhóm tín hiệu điều khiển phận bên CPU Sử dụng nhịp đồng hồ để đồng hóa đơn vị bên CPU CPU với thành phần bên 20 Khối số học logic ALU IN IN ADD SUB MUL DIV SHR NOT AND SHL NEG ROL OR ROR XOR OUT 21 Khối số học logic ALU p  Bao gồm đơn vị chức để thực phép toán số học logic: n  n  n  p  Bộ cộng (ADD), trừ (SUB), nhân (MUL), chia (DIV), … Các dịch (SHIFT) quay (ROTATE) Bộ phủ định (NOT), (AND), (OR), loại trừ (XOR) ALU có: n  n  cổng IN để nhận đầu vào từ ghi cổng OUT nối với bus để gửi kết tới ghi 22 Bus p  p  p  p  Bus kênh liên lạc tất thành phần CPU Hỗ trợ liên lạc chiều Bus có giao diện để trao đổi thơng tin với bus ngồi (bus hệ thống) Bus ln có băng thơng lớn tốc độ nhanh so với bus 23 AMD K6-2 Intel pen III Intel pen IV AMD Athlon XP Intel core duo .. .Chương 2: Nội dung đồ khối tổng quát p  Chu kỳ xử lý lệnh p  Thanh ghi p  Khối điều khiển (CU) p  Khối số học logic (ALU) p  Bus CPU p  Sơ CPU - Sơ đồ khối tổng quát CU: (Control Unit) Khối. .. Kích thước ghi phụ thuộc vào thiết kế CPU: 8, 16, 32, 64, 128 25 6 bit n  n  n  8086 8 028 6: 16 bit 80386, Pentium II: 16 – 32 bit Pentium IV, Core Duo: 32, 64 128 bit Thanh ghi tích lũy A (Accumulator)... n  n  n  p  p  Lưu trữ tạm thời lệnh liệu cho CPU xử lý Dung lượng nhỏ, số lượng Tốc độ cao (bằng tốc độ CPU) Các CPU hệ cũ (80x86) có 16 – 32 ghi CPU hệ (Intel Pentium 4, Core Duo) có hàng trăm