Kiến Trúc Bên Trong Và Hoạt Động Của Bộ Vi Xử Lý Trung Tâm

Chương 04 KIẾN TRÚC BÊN TRONG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ VI XỬ LÝ TRUNG TÂM Nội dung A Nhiệm vụ vi xử lý B Cấu trúc vi xử lý (80868088) C Tập lệnh của CPU D Hoạt động vi xử lý Trường Cao Đẳng Nghề Sài Gòn Bộ môn: Kiến Trúc Máy Tính A Nhiệm vụ vi xử lý CPU coi não máy tính Nhiệm vụ CPU xử lý hoạt động, chẳng hạn tính toán, lưu trữ thông tin truy tìm Sự tiến công nghệ máy tính gắn liền với phát triển CPU Cho đến nay, người ta thường vào CPU để phân loại PC Thực chất CPU máy tính chip, tức mạch tích hợp điện tử thu nhỏ, chịu trách nhiệm trực tiếp hay gián tiếp hoạt động máy tính CPU đầu não điều khiển máy tính từ lúc khởi động tắt Trường Cao Đẳng Nghề Sài Gòn Bộ môn: Kiến Trúc Máy Tính B Cấu trúc vi xử lý 8086-8088 I Đơn vị điều khiển (CU/EU - Execution Control Unit) II Đơn vị số học luận lý (ALU - Arithmetic and Logic Unit) III Các ghi (Registers) IV Đơn vị nối ghép bus (BIU - Bus Interface Unit) V Bus bên (Internal Bus) Trường Cao Đẳng Nghề Sài Gòn Bộ môn: Kiến Trúc Máy Tính Trường Cao Đẳng Nghề Sài Gòn Bộ môn: Kiến Trúc Máy Tính I Đơn vị điều khiển (CU) Điều khiển hoạt động hệ thống theo chương trình dựng sẵn (điều khiển hoạt động ALU) Điều khiển toàn tiến trình chuyển giao liệu từ chỗ sang chỗ khác trình tính toán tiếp tục thực Trường Cao Đẳng Nghề Sài Gòn Bộ môn: Kiến Trúc Máy Tính II Đơn vị số học luận lý (ALU) Thực phép toán số học phép toán logic Số học: cộng, trừ, nhân, chia, tăng, giảm, đảo dấu Logic: AND, OR, XOR, NOT, phép dịch bit Để CPU xử lý liệu với số thực với độ xác cao phép toán phức tạp sin, cos, tính tích phân…, CPU thường trang bị thêm đồng xử lý toán học (FPU: Floatting Point Unit ) gọi xử lý dấu chấm động Trường Cao Đẳng Nghề Sài Gòn Bộ môn: Kiến Trúc Máy Tính III Các ghi (Registers) Dùng để chứa thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động CPU Trong kiến trúc máy tính, 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 Hầu hết, tất cả, máy tính đại hoạt động theo nguyên lý chuyển liệu từ nhớ vào ghi, tính toán chúng, sau chuyển kết vào nhớ Trường Cao Đẳng Nghề Sài Gòn Bộ môn: Kiến Trúc Máy Tính III Các ghi (Registers) Nhóm ghi đa dụng (General Register) Nhóm ghi đoạn (Segment Register) Nhóm ghi trỏ mục (Index Register) Thanh ghi trạng thái (Condition Register) Các ghi của họ 80x86 Trường Cao Đẳng Nghề Sài Gòn Bộ môn: Kiến Trúc Máy Tính Nhóm ghi đa dụng Gồm ghi đa dụng : AX,BX,CX DX (16 bit) Công dụng chung ghi dùng phép toán số học, logic, chứa liệu Một ghi 16 bit xem ghi bit Thanh ghi AX (Auxliary Register): Dùng phép toán số học, lưu kết phép toán *, /, Thanh ghi BX (Base Register): Dùng phép định địa sở nhớ, đóng vai trò ghi địa offset nhớ Thanh ghi CX (Count Register): Dùng để chứa số vòng lặp chương trình, đóng vai tròn biến đếm cho việc lặp vòng Ngoài ra, ghi CL dùng phép dịch chuyển với số lần dịch chuyển lưu CL Thanh ghi DX (Data Register): Dùng để lưu trữ kết phép toán * /, định địa cổng lệnh xuất nhập cổng Trường Cao Đẳng Nghề Sài Gòn Bộ môn: Kiến Trúc Máy Tính b Số học ADD SUBTRACT MULTIPLY DIVIDE ABSOLUTE NEGATE INCREMENT DECREMENT COMPARE Trường Cao Đẳng Nghề Sài Gòn Cộng hai toán hạng Trừ hai toán hạng Nhân hai toán hạng Chia hai toán hạng Lấy trị tuyệt đối toán hạng Đổi dấu toán hạng (lấy bù 2) Tăng toán hạng thêm Giảm toán hạng Trừ toán hạng để lập cờ Bộ môn: Kiến Trúc Máy Tính c Logic AND OR XOR NOT TEST SHIFT ROTATE Trường Cao Đẳng Nghề Sài Gòn Thực phép AND hai toán hạng Thực phép OR hai toán hạng Thực phép XOR hai toán hạng Đảo bit toán hạng (lấy bù 1) Thực phép AND toán hạng để lập cờ Dịch trái (phải) toán hạng Quay trái (phải) toán hạng Bộ môn: Kiến Trúc Máy Tính d Nhập xuất INPUT Chuyển liệu từ cổng xác định đến đích OUTPUT Chuyển liệu từ nguồn đến cổng xác định Trường Cao Đẳng Nghề Sài Gòn Bộ môn: Kiến Trúc Máy Tính e Điều khiển hệ thống NO OPERATION Không thực HALT Dừng thực chương trình WAIT Tạm dừng thực chương trình, lặp kiểm tra điều kiện thoả mãn tiếp tục thực LOCK Cấm không cho xin chuyển nhượng bus UNLOCK Cho phép xin chuyển nhượng bus Trường Cao Đẳng Nghề Sài Gòn Bộ môn: Kiến Trúc Máy Tính f Chuyển điều khiển (rẽ nhánh) JUMP (BRANCH) Lệnh nhảy không điều kiện JUMP CONDITIONAL Lệnh nhảy có điều kiện CALL Lệnh gọi chương trình RETURN Lệnh trở từ chương trình Trường Cao Đẳng Nghề Sài Gòn Bộ môn: Kiến Trúc Máy Tính JUMP (BRANCH) Nạp vào PC địa xác định PC  XXX Chuyển tới thực lệnh vị trí có địa XXX Trường Cao Đẳng Nghề Sài Gòn Bộ môn: Kiến Trúc Máy Tính JUMP CONDITIONAL Trong lệnh có kèm theo điều kiện Kiểm tra điều kiện lệnh: Nếu điều kiện  chuyển tới thực lệnh vị trí có địa XXX PC  XXX Nếu điều kiện sai  chuyển sang thực lệnh_kế_tiếp Điều kiện thường kiểm tra thông qua cờ Trường Cao Đẳng Nghề Sài Gòn Bộ môn: Kiến Trúc Máy Tính CALL RETURN CALL Ghi nội dung PC (lệnh kế tiếp) Stack Nạp vao PC địa lệnh chương trình gọi RETURN Lấy địa lệnh Stack nạp vào PC Trường Cao Đẳng Nghề Sài Gòn Bộ môn: Kiến Trúc Máy Tính D Hoạt động vi xử lý I Chu trình thi hành lệnh II Ngắt (interrupt) Trường Cao Đẳng Nghề Sài Gòn Bộ môn: Kiến Trúc Máy Tính I Chu trình thi hành lệnh Đối với CPU, việc xử lý thông tin CPU hoàn toàn tự động theo chương trình có sẵn nhớ, CPU cần phải biết thời điểm đọc lệnh, đọc lệnh xong chuyển đến thời điểm CPU tiến hành giải mã lệnh, giải mã lệnh xong CPU tiến hành việc thực lệnh Thực xong CPU tiến hành việc đọc lệnh Đây công đoạn CPU thực lẫn lộn mà phải thực cách Để giải vấn đề này, CPU cần phải có tạo nhịp thời gian làm việc (CPU Clock) Tại nhịp thời gian này, CPU thực việc đọc lệnh, nhịp thời gian tiếp theo, CPU thực việc giải mã lệnh… Nhịp thời gian ngắn, tốc độ CPU thực lệnh nhanh Chẳng hạn với CPU pentium MMX 233 MHz, điều có nghĩa tạo nhịp CPU tạo 233 triệu nhịp làm việc giây Trường Cao Đẳng Nghề Sài Gòn Bộ môn: Kiến Trúc Máy Tính Một lệnh thực thi bởi CPU bao gồm các bước sau: Nhận lệnh (Fetch Instruction): Đọc lệnh từ nhớ Giải mã lệnh (Interpret Instruction): Xác định thao tác mà mã lệnh yêu cầu Nhận liệu (Fetch Data): Nhận liệu từ nhớ cổng nhập xuất Xử lý liệu (Process Data): Thực phép toán số học hay logic với liệu Ghi liệu (Write Data): Ghi liệu nhớ hay cổng nhập xuất Trường Cao Đẳng Nghề Sài Gòn Bộ môn: Kiến Trúc Máy Tính Ví dụ: việc phân chia thời gian thực hiện lệnh đối với CPU (đời cũ) mô tả sau: Trong đó: F (Fetch): đọc lệnh, D (Decode): giải mã lệnh, E (Execute): thực thi lệnh, ti: chu kì làm việc thứ i Với CPU làm việc thấy lệnh phải thực nhịp thời gian Tại nhịp t2 có phận giải mã bận rộn đọc lệnh nhàn rỗi Trong thời điểm t3 hai phận đọc lệnh giải mã rỗi Do hiệu làm việc CPU thấp Một CPU xử lý lệnh theo nhịp thời gian gọi vi xử lý chế độ đơn dòng lệnh gặp CPU đời cũ Trường Cao Đẳng Nghề Sài Gòn Bộ môn: Kiến Trúc Máy Tính II Ngắt (Interrupt) Trường Cao Đẳng Nghề Sài Gòn Bộ môn: Kiến Trúc Máy Tính Ngắt quãng kiện xảy cách ngẫu nhiên máy tính làm ngưng tính chương trình (nghĩa tạo lệnh nhảy) Khi ngắt xảy ra, xử lý thi hành bước sau đây: Thực xong lệnh làm Lưu trữ trạng thái Nhảy đến chương trình phục vụ ngắt Khi chương trình phục vụ chấm dứt, xử lý khôi phục lại trạng thái cũ tiếp tục thực chương trình mà thực bị ngắt Trường Cao Đẳng Nghề Sài Gòn Bộ môn: Kiến Trúc Máy Tính Tài liệu tham khảo Võ Văn Chín, 2003, Giáo trình kiến trúc máy tính, Trường ĐH Cần Thơ Nguyễn Kim Khánh, 2007, Bài giảng kiến trúc máy tính, Trường ĐHBKHN Mostafa Abd-El-Barr - Hesham El-Rewini, Fundamentals of Computer Organization and Architecture, 2005, John Wiley & Sons, ISBN 0-471-46741-3 William Stallings, 2003, Computer Organization and Architecture Designing for Performance, Sixth edition, Pearson Education, ISBN 0-13-049307-4 Website: http://www.vocw.edu.vn/content/m10637/latest http://csciwww.etsu.edu/tarnoff/ntes2150/uproc/arch8088.htm http://www.esacademy.com/faq/c16x http://cnx.org/content/m30565/latest/ Trường Cao Đẳng Nghề Sài Gòn Bộ môn: Kiến Trúc Máy Tính ... OF: (Over Flag): " Cờ tràn “ Bật lên kết phép toán có dấu bị sai Ví dụ : 010 10000 = AL (dương) + 011 10000 = BL (dương) 11 000000 Cờ PF (Parity Flag): " Cờ chẵn lẻ “ Bật lên kết phép toán có tổng... xử lý 808 6-8 088 I Đơn vị điều khiển (CU/EU - Execution Control Unit) II Đơn vị số học luận lý (ALU - Arithmetic and Logic Unit) III Các ghi (Registers) IV Đơn vị nối ghép bus (BIU - Bus Interface... Máy Tính Nhóm ghi đa dụng Gồm ghi đa dụng : AX,BX,CX DX (16 bit) Công dụng chung ghi dùng phép toán số học, logic, chứa liệu Một ghi 16 bit xem ghi bit Thanh ghi AX (Auxliary Register): Dùng