cấu trúc và chức năng cpu
Cấu trúc và chức năng CPU Giảng viên hướng dẫn : TS.Nguyễn Tiến Dũng Nhóm sinh viên : Nhóm FSSGroup_DT8_K50 Thành viên : Trịnh Văn Sơn Phạm Hải Tuấn Phạm Gia Như Nguyễn Thanh Hải Nguyễn Thị Xuyên Nguyễn Thị Thùy Nội dung 1. Tổ chức bộ vi xử lý 2. Tổ chức thanh ghi 3. Chu trình dòng lệnh 4. Kiến trúc Pipeline 5. Bộ xử lý PowerPC I. Tổ chức bộ vi xử lý Các chức năng của CPU Nạp lệnh ( Fetch Instructions ) : CPU đọc 1 lệnh từ bộ nhớ Biên dịch lệnh ( Interpret Instructions ) : Lệnh được mã hóa để xác định hành động gì được yêu cầu. Nạp dữ liệu ( Fetch Data ) : Sự thực thi 1 lệnh có thể yêu cầu dữ liệu đang đọc từ bộ nhớ hoặc từ thiết bị vào ra Xử lý dữ liệu ( Process Data ) : Một lệnh thi hành có thể phải sử dụng một vài phép toán số học hoặc logic trên dữ liệu Ghi dữ liệu ( Write Data ) : Kết quả của một thao tác thực hiện có thể yêu cầu được ghi vào bộ nhớ hoặc thiết bị vào ra. I. Tổ chức bộ vi xử lý ( tiếp) Cấu trúc CPU với hệ thống Bus I. Tổ chức bộ vi xử lý ( tiếp) Cấu trúc bên trong của CPU II. Tổ chức thanh ghi Là nơi CPU lưu trữ tạm thời dữ liệu và lệnh mà CPU sẽ thực hiện Số lượng và chức năng của các thanh ghi là thay đổi giữa các bản thiết kế Có 2 loại thanh ghi Thanh ghi người dùng lập trình được (User Visible Registers ) Thanh ghi trạng thái và điều khiển ( Control and Status Registers ) II. Tổ chức thanh ghi (tiếp) Thanh ghi người dùng lập trình được Thanh ghi đa năng Có thể được gán nhiều chức năng khác nhau : cho dữ liệu hoặc cho việc đánh địa chỉ Thanh ghi dữ liệu Là các thanh ghi tích lũy Thanh ghi địa chỉ Con trỏ đoạn (Segment pointers) : Nắm giữ địa chỉ cơ sở của thanh ghi Các thanh ghi chỉ số (Index Registers ) :Được sử dụng cho việc đánh địa chỉ Con trỏ Stack (Stack pointers) : Thanh ghi chuyên dụng trỏ đến đỉnh của ngăn xếp (Stack) , cho phép địa chỉ hóa ẩn Các thanh ghi mã điều kiện (Flags) Các bit được thiết lập bởi phần cứng CPU như là một kết quả của phép toán. Các vấn đề cần quan tâm Số lượng thanh ghi Độ dài các thanh ghi II. Tổ chức thanh ghi (tiếp) Thanh ghi trạng thái và điều khiển Điều khiển hoạt động của CPU Các thanh ghi này là ẩn với người sử dụng Các bộ xử lý khác nhau thì có sự tổ chức thanh ghi là khác nhau. Có 4 loại thanh ghi cơ bản để thực thi lệnh !" # #$% &'(""# &(#)*+,)- &'.//# &.#0"1 * 2*3,)- 40$% PSW (Program Status Word ) : Một thanh ghi hoặc 1 tập các thanh ghi chứa thông tin trạng thái PSW chứa mã điều kiện và các thông tin trạng thái khác 5 6"% 768 '6- 9: ;*/<63 ,=" ,> 5* 6 ?? II. Tổ chức thanh ghi (tiếp) Ví dụ về sự tổ chức các thanh ghi III. Chu trình lệnh Chu trình vòng lệnh gồm các chu trình con dưới đây Nạp: đọc lệnh tiếp theo từ bộ nhớ vào CPU Thực thi: Biên dịch opcode và sử dụng các điều khiển chỉ dẫn Ngắt: Nếu ngắt được kích hoạt và một ngắt đã xuất hiện, lưu trạng thái lệnh hiện tại và phục vụ ngắt [...]... khiển được chỉ dẫn và lưu kết quả, có thể, tại nơi các toán hạng đích định vị theo lý thuyết • Ghi toán hạng (WO) : Lưu kết quả vào trong bộ nhớ IV Kiến trúc Pipeline (tiếp) • Biểu đồ thời gian cho kiến trúc Pipeline IV Kiến trúc Pipeline (tiếp) • Ảnh hưởng của rẽ nhánh trong kiến trúc Pipeline IV Kiến trúc Pipeline (tiếp) • Kiến trúc Pipeline CPU 6 công đoạn IV Kiến trúc Pipeline (tiếp) •... con trỏ ngăn xếp) được nạp vào MAR MBR được ghi vào bộ nhớ PC được nạp với địa chỉ của chương trình con quản lý ngắt Lệnh tiếp theo ( đầu tiên của trình quản lý ngắt) có thể được truy xuất IV Kiến trúc Pipeline • Kiến trúc Pipeline 2 công đoạn IV Kiến trúc Pipeline (Tiếp) Kiến trúc pipeline 6 công đoạn Bao gồm: • Truy xuất lệnh (FI): Đọc lệnh được mong đợi tiếp theo vào một bộ đệm • Giải mã... đệm vòng Sự dự báo nhánh IV Kiến trúc Pipeline (tiếp) • Đa dòng Có 2 xử lý liên lệnh Tìm nạp trước mỗi nhánh rẽ vào một xử lý liên lệnh riêng biệt Xử dụng xử lý liên lệnh tương thích Nạp vào bộ nhớ kết hợp bus & thanh ghi Nhiều nhánh nạp vào xử lý liên lệnh sau đó là cần thiết • Đích rẽ nhánh tìm nạp trước Đích của lệnh rẽ nhánh được tìm nạp trước, thêm vào đó là các lệnh theo sau lệnh... switch Dựa vào quá trình trước đó Phù hợp cho vòng lặp Branch history table( Bảng quá trình rẽ nhánh ) Là một bộ nhớ Cache nhỏ kết hợp với tầng tìm nạp lệnh của pipeline Mỗi entry trong bảng bao gồm 3 thành phần: Địa chỉ của lệnh rẽ nhánh, Một vài bit quá trình ghi lại trạng thái sử dụng của lệnh đó, Thông tin về lệnh đích IV Kiến trúc Pipeline (tiếp) • Lưu đồ dự báo nhánh IV Kiến trúc Pipeline... nhánh ) IV Kiến trúc Pipeline (tiếp) • Dự báo nhánh Static Predict never taken Cho rằng lệnh nhảy sẽ không xảy ra Luôn luôn nạp lệnh tiếp theo Predict always taken Cho rằng lệnh nhảy sẽ xảy ra Luôn luôn nạp lệnh đích Predict by opcode Dựa vào opcode của lệnh rẽ nhánh Cho rằng rẽ nhánh sẽ xảy ra vì opcode của nhánh mà không vì cái khác Tỷ lệ thành công là hơn 75% IV Kiến trúc Pipeline...III Chu trình lệnh (Tiếp) • Để cụ thể hóa chu trình lệnh, chúng ta phải đưa vào một chu trình con, gọi là chu trình gián tiếp: Có thể yêu cầu bộ nhớ truy nhập để truy xuất các operand Địa chỉ gián tiếp yêu cầu nhiều bộ nhớ truy nhập hơn Có thể xem như chu trình lệnh phụ thêm vào III Chu trình lệnh (tiếp) • Biểu đồ trạng thái chu trình lệnh III Chu trình lệnh (tiếp) • Luồng... lệnh rẽ nhánh được thực hiện Sử dụng trong IBM 360/91 IV Kiến trúc Pipeline (tiếp) • Bộ đệm vòng Là một bộ nhớ nhỏ tốc độ cao Duy trì bởi giai đoạn tìm nạp lệnh của pipeline Kiểm tra bộ đệm trước khi tìm nạp từ bộ nhớ Phù hợp cho các lệnh lặp hoặc lệnh nhảy nhỏ Nguyên lý tương tự như một bộ nhớ cache dành cho các lệnh IV Kiến trúc Pipeline (tiếp) • Dự báo nhánh Phân loại dự báo nhánh ... đồ dự báo nhánh IV Kiến trúc Pipeline (tiếp) • Intel 80486 Pipelining • Tìm nạp (Fetch) • Giải mã giai đoạn 1 (D1) • Giải mã giai đoạn 2 (D2) • Thực hiện (EX) • Ghi lại (WB) IV Kiến trúc Pipeline (tiếp) • Ví dụ về kiến trúc Pipeline 80486 VI Bộ xử lý PowerPC • Giới thiệu về PowerPC Viết tắt của Power Performance Computing – PPC Một loại vi xử lý RISC do Motorola chế tạo, đang cạnh tranh với Intel... máy RS/6000 Được Apple Corporation dùng làm bộ xử lý cho thế hệ kế tiếp của máy tính Macintosh Số bits 32/64 bits VI Bộ xử lý PowerPC(Tiếp) • Tổ chức thanh ghi trong PowerPC 64 bits Thanh ghi tổng quát Thanh ghi ngoại lệ Thanh ghi điều khiển và trạng thái dấu phảy động Thanh ghi điều kiện Thanh ghi liên kết Thanh ghi đếm VI Bộ xử lý PowerPC (Tiếp) • Các thanh ghi người dùng lập trình... Pipeline 2 công đoạn IV Kiến trúc Pipeline (Tiếp) Kiến trúc pipeline 6 công đoạn Bao gồm: • Truy xuất lệnh (FI): Đọc lệnh được mong đợi tiếp theo vào một bộ đệm • Giải mã lệnh (DI): Xác định mã hoạt động và các toán hạng lý thuyết • Tính toán các toán hạng (CO): Tính toán địa chỉ hiệu dụng của mỗi toán hạng nguồn Điều này có thể bao hàm sự dịch chuyển, gián tiếp thanh ghi, trực tiếp, hay các . ghi vào bộ nhớ hoặc thiết bị vào ra. I. Tổ chức bộ vi xử lý ( tiếp) Cấu trúc CPU với hệ thống Bus I. Tổ chức bộ vi xử lý ( tiếp) Cấu trúc bên trong của CPU II. Tổ chức thanh ghi Là nơi CPU. Tổ chức bộ vi xử lý 2. Tổ chức thanh ghi 3. Chu trình dòng lệnh 4. Kiến trúc Pipeline 5. Bộ xử lý PowerPC I. Tổ chức bộ vi xử lý Các chức năng của CPU Nạp lệnh ( Fetch Instructions ) : CPU. Cấu trúc và chức năng CPU Giảng viên hướng dẫn : TS.Nguyễn Tiến Dũng Nhóm sinh viên : Nhóm FSSGroup_DT8_K50