Đề ti trình bày về cấu trúc và nguyên lý hoạt động bộ vi xử lý trung tâm (cpu central processing unit)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ HỌC PHẦN Kiến Trúc Máy Tính ĐỀ TI: Trình bày cấu trúc nguyên lý hoạt động vi xử lý trung tâm (CPU-Central Processing Unit) Sinh viên thực : NGUYỄN TẤT ĐẠT Giảng viên hướng dẫn : NGUYỄN THỊ NGỌC TÚ Ngành : CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM Lớp : D15CNTT3 Khóa : 2020-2025 Hà Nội, tháng năm 2021 PHIẾU CHẤM ĐIỂM ST T Họ tên sinh viên Nguyễn Tất Đạt Nội dung thực Điểm Chữ ký Đề tài số Trình bày cấu trúc nguyên lý hoạt động vi xử lý trung tâm (CPU - Central Processing Unit) Họ tên giảng viên Giảng viên chấm 1: Giảng viên chấm 2: Chữ ký Ghi MỤC LỤC Trang Cấu trúc chung vi xử lý 1.1 Tổng quan 1.2 Sơ đồ cấu trúc chung vi xử lý……………………………………… 1.3 Nguyên lý hoạt động .1 Thành phần CU vi xử lý 2.2 Khái niệm Đơn vị điều khiển – Control Unit (CU) .3 2.2 Phương pháp thiết kế thành phần CU Thành phần ALU vi xử lý .8 3.1 Khái niệm Đơn vị số học logic – Arithmetic and Logic Unit (ALU) .4 3.2 Cấu tạo đơn giản ALU bit 4 Thanh ghi 4.1 Khái niệm Thanh ghi – Flip-Flop (FF) 4.2 Chức đặc điểm ghi 4.3 Phân loại ghi 4.4 Cấu tạo ghi Phần kết luận TÀI LIỆU THAM KHẢO Phụ Lục 1, Cấu trúc chung vi xử lý 1.1, Tổng quan Vi xử lý mạch số thực nhiều chức số khác Nó thực tốn, cơng việc cung cấp mơt chương trình Mơt chương trình chuỗi tín hiệu nhị phân nối tiếp nhau, chuỗi nhị phân yêu cầu(cho phép) môt chức vi xử lý hoạt động 1.2, Sơ đồ cấu trúc chung vi xử lý Hình 1, Sơ đồ cấu trúc vi xử lý (nguồn:123doc) - Bộ vi xử lý bao gồm: + Đơn vị điều khiển (Control Unit – CU) + Đơn vị số học logic (Arithmetic and Logic Unit – Alu) + Tập ghi (Register File – RF) + Đơn vị ghép nối bus (Bus Interface Unit – BIU) + Bus bên (Internal Bus) 1.3, Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động CPU gồm bước : Tìm nạp, Giải mã, Thực thi - Tìm nạp: Trong trình tìm nạp, CPU nhận lệnh dạng chuỗi số chuyển tới từ RAM Mỗi lệnh xếp cho địa địa đc Program Counter - đếm chương trình(PC) lệnh sau đặt vào Instruction Register - ghi lệnh (IR) Độ dài PC sau tăng lên để tham chiếu đến địa lệnh - Giải mã: Khi lệnh tìm nạp lưu trữ IR, CPU truyền lệnh tới mạch gọi giải mã lệnh Điều chuyển đổi lệnh thành tín hiệu chuyển qua phần khác CPU để thực hành động - Thực thi: Trong bước cuối cùng, lệnh giải mã, gửi đến phận liên quan CPU để thực Các kết thường ghi vào CPU register, nơi chúng tham chiếu lệnh sau 2, Thành phần CU vi xử lý 2.1, Khái niệm Đơn vị điều khiển – Control Unit (CU) Khối điều khiển – Control Unit (CU) thành phần CPU có nhiệm vụ thơng dịch lệnh chương trình điều khiển hoạt động xử lí, điều tiết xác xung nhịp đồng hồ hệ thống 2.2, Phương pháp thiết kế thành phần CU Có phương pháp thiết kế cho khối điều khiển (CU) ● Đơn vị điều khiển vi chương trình (Microprogrammed Control Unit) Hình 2, Sơ đồ cấu trúc đơn vị điều khiển vi chương trình - Thành phần: + Bộ giải mã + Thanh ghi địa vi lệnh + Mạch dây + Bộ nhớ vi chương trình + Thanh ghi đệm vi lệnh + Bộ giải mã vi lệnh - Đặc điểm: + Đề hoàn thành lệnh cần thực một vài chương trình + Tốc độ chậm ● Đơn vị điều khiển nối kết cứng (Hardwired Control Unit) Hình 3, Sơ đồ cấu trúc đơn vị điều khiểu nối kết cứng - Thành phần: + Bộ giải mã + Đơn vị điều khiển + Mạch phân chia thời gian - Đặc điểm + Sử dụng mạch cứng để giải mã tạo tính hiệu điều khiển thực lệnh + Đơn vị điều khiển phức tạp + Tốc độ nhanh 3, Thành phần ALU vi xử lý 3.1, Khái niệm Đơn vị số học logic – Arithmetic and Logic Unit (ALU) Đơn vị số học logic (ALU) có nhiệm vụ thực phép toán số học phép toán logic vi xử lý: - Số học : cộng, trừ, nhân, chia, tăng, giảm, đảo dấu - Logic: AND, OR, XOR, NOT, phép dịch bit 3.2, Cấu tạo đơn giản ALU bit Hình 4, Sơ đồ cấu tạo ALU bit - Bao gồm: + Mạch cộng nhị phân + Mạch trừ nhị phân + Mạch cộng BCD + Mạch trừ BCD + Mạch nhân + Mạch chia 4, Thanh ghi 4.1, Khái niệm Thanh ghi – Flip-Flop (FF) Một ghi nhớ dung lượng nhỏ nhanh, sử dụng để tăng tốc độ xử lý chương trình máy tính cách cung cấp truy cập trực tiếp đến giá trị cần dùng 4.2, Chức đặc điểm ghi - Chức năng: + Chứa thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động thời điểm CPU + Được coi mức hệ thống nhớ - Đặc điểm: +Số lượng ghi nhiều dẫn đến tăng hiệu CPU + Có loại ghi: lập trình khơng lập trình 4.3, Phân loại ghi theo chức - Thanh ghi địa chỉ: quản lý địa ngăn nhớ hay cổng vào-ra Thanh ghi liệu: chứa tạm thời liệu Thanh ghi đa năng: chứa địa liệu Thanh ghi điều khiển/trạng thái: chứa thông tin điều khiển trạng thái CPU - Thanh ghi lệnh: chứa lệnh thức 4.4, Cấu tạo ghi Thanh ghi xây dựng từ Flip-Flop (FF) khác cách mắc khác Ví dụ Thanh ghi ghi dịch thường dùng FF D (phụ lục,“Các loại ghi”), chúng tích hợp sẵn IC gồm nhiều FF (tạo nên ghi dịch n bit) Hình 5, Sơ đồ cấu tạo ghi ghi dịch bit - Nguyên lý hoạt động: Thanh ghi, trước hết xoá (áp xung CLEAR) để đặt ngõ Dữ liệu cần dịch chuyển đưa vào ngõ D tầng FF (FF0) Ở xung kích lên đồng hồ (CLK), có bit dịch chuyển từ trái sang phải, nối tiếp từ tầng qua tầng khác đưa ngõ Q tầng sau (FF3) Phần kết luận Qua trình viết báo cáo chun đề, tơi củng cố thêm kiến thức chủ đề cần báo cáo Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Thị Ngọc Tú, Computer Architecture, Giáo trình Kiến Trúc Máy Tính trường đại học Điện Lực [2] Mark Balch, Computer Digital Design, Book News Inc, Portland - 2003 Phụ Lục 1, Các loại ghi 1.1, FF SR (Mạch lật đặt lại đặt) Flip-flop RS hay Flip-flop SR [2] đa hài đợi, đơn giản nhất, có ngõ vào R (Reset) S (Set) R S ngược xung đột F/f RS tích hợp làm ngõ khiển nhiều f/f lại 1.2, FF JK Flip-flop JK [4] f/f đồng Nó xử lý gần f/f RS coi (J=Set, K=Reset) giải thích kiện: - J = 1, K = lệnh Set - J = 0, K = lệnh Reset - J = 1, K = lệnh "flip" hay toggle 1.3, FF T Flip-flop T [5] hay f/f Toggle, thực Đổi ngược ngõ có: - T chuyển sang active - Khi T inactive CLK tác động 1.4, FF D Flip-flop D-type [3] f/f đồng bộ, CLK tác động liệu D (Data) chuyển tới ngõ Q