Bộ xử lý trong máy tính

Bộ xử lý trong máy tính

Chương II: Các thành phần cơ

bản của máy tính số

2.1 Bộ xử lý 2.2 Bộ nhớ và thiết bị lưu trữ ngoài

2.3 Thiết bị nhập xuất dữ liệu

 CPU là bộ phận thi hành lệnh CPU lấy lệnh từ

bộ nhớ trong và lấy các số liệu mà lệnh đó xử

lý CPU thực thi lệnh/ điều khiển việc thực thi lệnh

Slide 3

h2 Chương I Chức năng

Chương II Thành phần cơ bản

II 1 Đơn vị điều khiển (CU)

II 2 Đơn vị số học và logic (ALU)

II 3 Thanh ghi

Chương III Cơ chế hoạt động

III 1 Chu trình xử lý lệnh

III 1 1 Lấy chỉ lệnh và giải mã

III 1 2 Thực thi chỉ lệnh

III 2 Tập lệnh

Chương IV Tăng hiệu năng

IV 1 Tăng hiệu năng Bộ xử lý

IV 1 1 Kiến trúc song song

a Đường ống

b Siêu đường ống

c Siêu vô hướng

d Tăng độ dài từ lệnh (VLIW)

IV 1 2 CISC và RISC

IV 2 Tăng hiệu năng và độ tin cậy hệ thống (nhiều ALU và nhiều CPU)

2.1.1 Chức năng

 Điều khiển: điều khiển tất cả các đơn vị còn

lại của máy tính, việc điều khiển này được thực hiện bởi đơn vị điều khiển CU

• Lấy chỉ lệnh, dữ liệu từ bộ nhớ và ghi dữ liệu vào bộ nhớ

• Điều khiển ALU th ực hiện các tính toán

• Điều khiển vào ra

 Tính toán: thực hiện hầu hết các phép tính toán số học, các phép logic, việc tính toán được thực hiện bởi đơn vị số học ALU

Chân cắm chíp vi

xử lý trong bo

mạch chủ của PC, chíp vxl được đi kèm với quạt làm mát

• Kiểm tra xem một số có bằng 0 ?

• Vận chuyển một nhóm dữ liệu từ vùng này của bộ

nhớ sang vùng khác.

• …

và được gọi là chỉ lệnh ngôn ngữ máy/lệnh

mã máy (machine language instructions).

Chỉ lệnh /Lệnh mã máy(t)

• Mỗi lệnh mã máy thông thường chứa: mã

lệnh/tác vụ, địa chỉ toán hạng nguồn, địa chỉ toán hạng kết quả, lệnh kế tiếp (thông thường thì thông tin này ẩn)

• Ví dụ về một lệnh mã máy cộng 32 bit một giá trị tức thời vào thanh ghi và lưu vào một thanh ghi khác

trong kiến trúc MIPS (Microprocessor without

Interlocked Pipeline Stages

Chỉ lệnh (t)

cao sẽ được chuyển đổi sang ngôn ngữ máy

dựng bằng một lệnh mã máy hoặc một chuỗi nhiều lệnh mã máy), các chỉ lệnh này được

giải mã và được thực thi.

cài đặt sẵn trong CPU Các chỉ lệnh trong tập lệnh khác nhau về số lượng và định dạng và phụ thuộc vào từng máy tính

a Thanh ghi

 Là bộ nhớ đặc biệt có tốc độ cao dung lượng nhỏ được cấu tạo từ những vi mạch điện tử nằm ngay trong bộ xử lý nhằm lưu trữ những

dữ liệu đang được thao tác bởi CPU

 Kích thước của thanh ghi, đo bằng bits, là bội

số của 8 (8, 16, 32, 64 ) chỉ dung lượng mà

thanh ghi đó có thể lưu trữ đồng thời cũng là lượng dữ liệu mà bộ xử lý có thể tính toán tại một thời điểm Trong một số trường hợp người

ta sử dụng kích thước thanh ghi để đo “kích

cỡ” của bộ xử lý Ví dụ bộ vi xử lý 32 bits.

a.Thanh ghi (t)

 IR: Thanh ghi ch ỉ lệnh (IR_Instruction Register) chứa

nội dung chỉ lệnh

 PC: Thanh ghi đếm chương trình/Con đếm chương trình

(PC_Program Counter) : Tự động tăng để trỏ tới lệnh kế

tiếp trong chương trình.

 Thanh ghi lưu trữ dữ liệu

 Thanh ghi lưu trữ địa chỉ

 Ý nghĩa của thanh ghi được gắn liền với các thiết kế của

bộ vi xử lý cụ thể, nên không thể có một chuẩn chung về thanh ghi cho các thế hệ bộ xử lý khác nhau.

b Đơn vị điều khiển (CU)

 Điều khiển mọi hoạt động của máy tính:

• Nhận chỉ lệnh được lưu trong bộ nhớ

• Giải mã chỉ lệnh nhờ bộ giải mã chỉ lệnh (Instruction decoder)

• Thực hiện : Đảm bảo thi hành các chỉ lệnh một cách tuần tự và tác

động các mạch chức năng để thi hành các lệnh

 Modul cần thiết:

• Thanh ghi: IR, PC

• Giải mã chỉ lệnh: Giải mã ý nghĩa của chỉ lệnh

• Tuần tự (sequencer/microsequencer): Trong các máy sử dụng chỉ lệnh phức hợp (CISC), một chỉ lệnh có thể được thực hiện thông qua việc thực hiện một chuỗi các vi chỉ lệnh

(microcode/microinstruction) Các vi chỉ lệnh này được lưu trữ trong một vùng nhớ đặc biệt của CU gọi là control

cách tuần tự

c Đơn vị số học và logic (ALU)

 Thực hiện thao tác đơn giản

• Số học( v ới số nguyên *) giữa hai số : +,-,*,

• Logic thực hiện trên các bits: OR, AND, NOT, dịch bit

• Rẽ nhánh: thay đổi thứ tự thực thi các chỉ lệnh tuần tự dựa trên điều kiện.

c Đơn vị số học và logic (ALU)(t)

• Thiết kế ALU đơn giản đồng thời thiết kế một bộ xử lý kèm theo có thể xử lý theo hai cách tiếp cận 1 và 2 Bộ xử lý đó gọi là đồng xử

Đường dữ liệu

 Dữ liệu chuyển từ bộ nhớ tới các

thanh ghi trong processor ALU lấy dữ

liệu từ các thanh ghi, xử lý và lưu kết

quả vào một thanh ghi đầu ra Kết quả

này có thể được đưa ra ngoài bộ nhớ

hoặc được sử dụng làm dữ liệu vào

 Trong rất nhiều thiết kế ALU nhận từ

đầu vào hoặc tạo ra ở đầu ra một tập

các mã điều kiện (condition

code),được lưu trong thanh ghi trạng

thái (status registry) Các mã này

được sử dụng để xác định các tình

huống như: nhớ (carry-in, carry-out),

tràn bộ đệm (overflow), chia cho 0

(divide by zero) v v.

Đường dữ liệu (Data Path): Tập hợp các đơn vị chức nămg (ALU + thanh ghi + bus nối kết) thực hiện các thao tác xử lý dữ liệu

2.1.3 Cơ chế hoạt động

 Việc thi hành một lệnh mã máy có thể chia thành các bước:

• Đọc chỉ lệnh (IF: Instruction Fetch)

• Giải mã chỉ lệnh (ID: Instruction Decode)

• Thi hành chỉ lệnh (EX: Execute)

• Lưu trữ kết quả (RS: Result Storing)

 Mỗi bước được thi hành trong một hoặc nhiều chu

kỳ xung nhịp

 Bộ xử lý thực thi chương trình bằng cách lặp đi lặp lại những bước này cho tới chỉ lệnh cuối cùng.

2.1.3 Cơ chế hoạt động (t)

 Đọc chỉ lệnh: Chỉ lệnh được đọc từ bộ nhớ

trong dựa vào thanh ghi PC và được đưa vào thanh ghi chỉ lệnh IR

 Giải mã chỉ lệnh: Chỉ lệnh trong IR được

giải mã nhờ bộ giải mã Bộ giải mã sẽ giải

mã dạng công việc và gửi các tín hiệu ra lệnh thực hiện các thao tác tới từng đơn vị

2.1.3 Cơ chế hoạt động (t)

 Thi hành chỉ lệnh: Dựa trên kiểu của chỉ lệnh được

giải mã, một trong các tác vụ sau có thể được thực hiện:

• Liên hệ tới bộ nhớ (ghi dữ liệu ra bộ nhớ trong hoặc lấy dữ liệu

từ bộ nhớ vào thanh ghi)

• ALU thực hiện một phép tính

• ALU thực hiện một phép nhảy (tính toán đưa ra địa chỉ tới lệnh

kế tiếp)

 Lưu kết quả: Lưu trữ kết quả trong thanh ghi cùa

ALU, kết quả này có thể được chuyển tới bộ nhớ

trong.

Tổ chức của máy tính đơn giản sử

dụng một bộ xử lý dựa trên mô hình

cổ điển của Von Neumann

Đặc điểm hoạt động:

 Một chương trình sẽ được sao

chép từ đĩa cứng vào bộ nhớ

trong cùng với các thông tin

cần thiết cho chương trình

hoạt động, các thông tin này

được nạp vào bộ nhớ trong từ

kết quả trở lại bộ nhớ trong

hay cho xuất kết quả ra bộ

phận xuất thông tin (màn hình

hay máy in)

Cơ chế điều khiển tuần tự theo mô hình VonNeumann

1 Đọc chỉ lệnh

1

2 Giải mã chỉ lệnh

a Phần lệnh

2

2 Giải mã lệnh (t)

Phần địa chỉ

2

3 Thực thi chỉ lệnh

Lấy dữ liệu

3

4 Lưu kết quả

4

2.1.4 Một số chỉ tiêu đánh giá hiệu năng

 Hiệu năng của bộ xử lý được đo bằng số lượng các chỉ lệnh có thể được thực thi trong một đơn vị thời gian thể hiện qua các chỉ số sau:

• Triệu lệnh trên giây (Millons Intructions Per Second

_MIPS)

• Tần số đồng hồ (Clock)

• Ví dụ; Hiệu năng máy tính với tần số đồng hồ là 500 MHz

• Số chu kỳ cho một lệnh (CPI) hoặc IPC

Bộ xử lý cho máy tính PC

 Pentium:Bộ vi xử lý chiến lược của Intel

 Celeron: Phiên bản rẻ tiền hơn và hiệunăng thấp hơn so với Pentum

 Athlon: Bộ vi xử lý của AMD cạnh tranhvơi Pentium

 Duron: Giống Celeron của Intel do AMD sản xuất

 …

CPUZ v.1.46

2.1.5.Tăng hiệu năng bộ xử lý (TK)

a.Kỹ thuật song song: các giai đoạn khác

nhau của nhiều lệnh được thi hành cùngmột lúc

b.CISC và RISC

Kỹ thuật đường ống

 Mỗi chỉ lệnh thành nhiều bước

 CPU được thiết kế bao gồm một số đơn vị chức năng, mỗi đơn vị chức năng sẽ thực hiện một bước.

 Kỹ thuật này khiến các lệnh được thực hiện song song, đồng thời và làm tăng tốc độ xử lý

Kỹ thuật siêu đường ống

 Là một cải tiến của kiến trúc đường ống, chỉ lệnh tiếp theo được bắt đầu trước khi kết thúc một bước của chỉ lệnh hiện tại

Kỹ thuật siêu vô hướng

Tăng độ dài từ lệnh

 Chiều dài của một chỉ lệnh sẽ dài ra bởi rất nhiều tác vụ được định nghĩa trong đó.

b RISC và CISC

 Các chỉ lệnh ở dạng phức hợp

 Các chỉ lệnh được phân tích nhỏ thành vi chỉ lệnh để thực thi nhờ vi chương trình

 Độ dài cũng như kích thước các chỉ lệnh thay đổi

2.1.6.Tăng hiệu năng và độ tin cậy hệ thống

 Nhiều CPU: Nhiều bộ xử lý song song

và mỗi bộ xử lý có một nhiệm vụ (chứcnăng) định sẵn Khi có một sai sót xảy

ra, bộ xử lý sẽ thực hiện việc chuyển đổi

và những bộ xử lý còn lại sẽ chia nhaucông việc đang được thực hiện dở

a Máy tính SISD

a Máy tính SISD(t)

 Đơn vị điều khiển CU nhận về một lệnhrồi chuyển cho một trong các ALU thựchiện, đồng thời CU nhận về các lệnh tiếptheo, rồi chuyển cho một trong những

ALU khác đang rỗi thực hiện, quá trìnhnày chỉ dừng lại khi mọi ALU đã bận

 Chiến lược làm việc này có hiệu quả khithời gian thực hiện một lệnh hơn thời

gian lấy lệnh

b Máy tính SIMD (Vectơ)

b Máy tính SIMD (Vectơ)

 Không phải chỉ có một biến đơn cho mỗilối vào ALU mà có một vector n lối vào

 ALU thực sự là một ALU vector, nó cókhả năng thực hiện một phép toán như

là phép cộng vector đối với 2 vector lốivào và đưa ra vector kết quả

c Máy tính SIMD (Mảng)

d Máy tính MIMD

 Máy tính loại này có nhiều CPU, mỗi CPU thực hiện một chương trình khác nhau, các CPU có thể cùng chia sẻ một vùng nhớ chung (được gi

là shared memory).

 Mỗi bộ xử lý có thể được trang bị một bộ nhớ

cục bộ riêng, các bộ xử lý khác không truy cập được, Bộ nhớ cục bộ được sử dụng để chứa

các đoạn mã chương trình hoặc các phần tử dữ liệu không được sử dụng chung Các bộ xử lý

khi truy cập bộ nhớ cục bộ riêng của mình không

sử dụng bus chính dùng chung, nhờ vậy làm

giảm rất nhiều việc truyền thông trên bus chính.

 CPI (Cycles Per Instruction): Chu kỳ cho một lệnh

 CPU (Central Processing Unit): Đơn vị xử lý trung tâm

 FPU (Floating Point Unit): Đơn vị xử lý dấu chấm động

 Instruction Set: Tập lệnh

 IR (Instruction Register): Thanh ghi chỉ lệnh

 Machine Language Instruction: Chỉ lệnh ngôn ngữ máy

 Microcode/ Microinstruction: Vi chỉ lệnh

 Microprogram: Vi chương trình

Chỉ mục

 MIMD (Multiple Intruction stream Multiple Data stream):

Máy tính nhiều dòng chảy lệnh nhiều dòng chảy dữ liệu

 MIPS (Million Instruction Per Second): Triệu lệnh trên

 SIMD ( Single Intruction stream Multiple Data stream):

Máy tính một dòng chảy lệnh và nhiều dòng chảy dữ liệu

 SISD (Single Intruction stream Single Data stream): Máy

tính một dòng chảy lệnh và một dòng chảy dữ liệu

Chỉ mục

ống

lệnh dài

cao thành chương trình mã máy của

máy tính đang sử dụng