Slide bài giảng môn Kiến trúc máy tính và mạng máy tính: Chương 3: CPU

BIỂU DIỄN SỐ NGUYÊNCó hai loại số nguyên:  Số nguyên không dấu Unsigned Integer  Số nguyên có dấu Signed Integer Biểu diễn số nguyên không dấu  Dùng n bit biểu diễn số nguyên không

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN

CHƯƠNG 3: CPU

GV: LƯƠNG MINH HUẤN

NỘI DUNG

I Biểu diễn số nguyên

II Các phép toán số học với số nguyênIII Số dấu phẩy động

IV.Kỹ thuật đường ống

I BIỂU DIỄN SỐ NGUYÊN

Có hai loại số nguyên:

 Số nguyên không dấu (Unsigned Integer)

 Số nguyên có dấu (Signed Integer)

Biểu diễn số nguyên không dấu

 Dùng n bit biểu diễn số nguyên không dấu A:

a A

Biểu diễn số nguyên không dấu

Biểu diễn số nguyên có dấu

Cho một số nhị phân N được biểu diễn bởi n bit

 Số bù một của N bằng (2 n -1) - N

 Số bù hai của N bằng 2 n - N

Lưu ý: 2n -1 = 111 11 (n bit 1)

Biểu diễn số nguyên có dấu (tt)

Ví dụ: Cho số N = 0001 00012 được biểu diễn bởi n=8bit Xác định số bù 1 và bù 2 của N

-Biểu diễn số nguyên có dấu (tt)

-Biểu diễn số nguyên có dấu (tt)

Giả sử dùng n bit để biểu diễn số nguyên có dấu:

Bít có trọng số cao nhất (hay bit ngoài cùng bên trái của dãy số) được máy tính sử dụng để biểu diễn dấu Nếu:

 = 0 : thì số nhị phân cần tính giá trị là số dương.

Dạng tổng quát là: 0a n-2 a n-3 …a 0

 = 1 : thì số nhị phân cần tính giá trị là số âm

Dạng tổng quát là: 1a n-2 a n-3 …a 0 Giá trị:

Biểu diễn số nguyên có dấu (tt)

Ví dụ

 VD3: Biểu diễn số nguyên có dấu sau đây A=+97 và

B=-101 (10) theo hai dạng kiểu n=8bit và n=16bit trong máy tính.

B = - 101 = 1001 1011 2

 B = -101 = 1111 1111 1001 1011 2

Biểu diễn số nguyên có dấu (tt)

Biểu diễn số nguyên có dấu (tt)

Chuyển đổi từ byte thành word

 Đối với số dương:

• +19 = 0001 0011 (8 bit)

• +19 = 0000 0000 0001 0011 (16 bit)

thêm 8 bit 0 bên trái

 Đối với số âm:

• - 19 = 1110 1101 (8 bit)

• - 19 = 1111 1111 1110 1101 (16 bit)

thêm 8 bit 1 bên trái

II PHÉP TOÁN SỐ HỌC VỚI SỐ NGUYÊN

 Số học nhị phân: phép cộng số nguyên không dấu

Khi cộng hai số nguyên không dấu n bit: nếu không có nhớ ra khỏi bit cao nhất thì kết quả nhận được luôn đúng.

Nếu có nhớ ra khỏi bit cao nhất thì kết quả nhận được là sai Hay nói khác hơn phép cộng bị tràn (Cout =1)

Tràn cờ nhớ (Carry Out):

xảy ra khi kết quả phép

toán nhận được > 2 n -1

II PHÉP TOÁN SỐ HỌC VỚI SỐ NGUYÊN

Phép trừ số nguyên chính là phép cộng với số đảo dấu.

Ví như X-Y = X+(-Y)

 Tìm số đảo chính là ta tìm bù hai của số đó.

 Nguyên tắc phép trừ: Lấy số

bù hai của Y ra thành –Y rồi cộng với X

III SỐ DẤU CHẤM ĐỘNG

Cho hai giá trị:

 Khối lượng mặt trời:

199000000000000000000000000000000000g

 Khối lượng điện tử:

0.00000000000000000000000000000910956g

Để lưu trữ con số này thì máy tính cần đến số bit rất lớn Như vậy, trong

trường hợp này thì loại số có dấu chấm tĩnh sẽ rất bất tiện

Vì vậy tất cả máy tính lưu trữ những số trên dưới dạng dấu chấm động 1.990

x 10 33 và 0.910956 x 10 -27 hay theo số khoa học là: 1.99E+33 và

0.910956E-27

III SỐ DẤU CHẤM ĐỘNG

Một giá trị có thể biểu diễn dưới nhiều dạng

 Khó xử lý

 Cần chuẩn hóa

Chuẩn IEEE 754

Dùng 32 bit để biểu diễn số chấm động

Ví dụ

Giải:

 Chuyển qua nhị phân: 0.75 10 = 0.112

 Dịch dấu chấm qua phải để được dạng 1.M (1 đơn vị):

Ví dụ

 Chuyển qua nhị phân

IV KỸ THUẬT ĐƯỜNG ỐNG

Đây là một kỹ thuật làm cho các giai đoạn khác nhau của nhiều lệnh được thi hành cùng một lúc bằng cách xử lý gối đầu lệnh với nhau

 Ví dụ: Chúng ta có những lệnh đều đặn, mỗi lệnh được thực hiện trong cùng một khoản thời gian

 Giả sử, mỗi lệnh được thực hiện trong 5 giai đoạn và mỗi giai đoạn được thực hiện trong 1 chu kỳ xung nhịp.

 Các giai đoạn thực hiện một lệnh là: lấy lệnh (IF: Instruction Fetch), giải mã (ID: Instruction Decode), thi hành (EX: Execute), thâm nhập

bộ nhớ (MEM: Memory Access), lưu trữ kết quả (RS: Result Storing).

IV KỸ THUẬT ĐƯỜNG ỐNG

So sánh với kiểu xử lý tuần tự thông thường, 5 lệnh được thực hiện trong 25 chu kỳ xung nhịp, thì xử lý lệnh theo kỹ thuật ống dẫn thực hiện 5 lậnh chỉ trong 9 chu kỳ xung nhịp

IV KỸ THUẬT ĐƯỜNG ỐNG

Tuy nhiên, kỹ thuật ống dẫn pipeline có những xung đột xảy ra trong quá trình xử lý như:

 Xung đột cấu trúc

 Xung đột dữ liệu

 Xung đột điều khiển

XUNG ĐỘT CẤU TRÚC

Xung đột cấu trúc xảy ra khi

có hai lệnh cùng truy xuất

vào một tài nguyên phần

XUNG ĐỘT DỮ LIỆU

Xung đột dữ liệu (Data hazard): là khi một lệnh dự kiến không thể thực thi trong đúng chu kỳ pipeline của nó do dữ liệu mà lệnh này cần vẫn chưa sẵn sàng

XUNG ĐỘT DỮ LIỆU

Để khắc phục, ta dùng biện pháp Forwarding (xúc tiến sớm):

 Sử dụng ngay kết quả vừa tính toán xong của lệnh trước

 Không cần đợi kết quả cất lại thanh ghi

 Cần có thêm kết nối trong lộ trình

XUNG ĐỘT ĐIỀU KHIỂN

Xung đột điều khiển (Control/Branch hazard): là khi một lệnh dự kiến không thể thực thi trong đúng chu kỳ pipeline của nó do lệnh nạp vào không phải là lệnh sẳn sàng Xung đột này xảy ra trong trường hợp luồng thực thi chứa các lệnh nhảy hoặc lệnh rẽ nhánh

XUNG ĐỘT ĐIỀU KHIỂN

Cách đơn giản nhất để giải quyết đó là gây trễ kịp thời để phát hiện nhánh cần nhảy tới

Ngoài ra, người ta còn sử dụng các kỹ thuật khác để khắc phục các

sự cố của đường ống lệnh như:

 Tổ chức lại lệnh.

 Sử dụng đường dữ liệu nội đặc biệt

 Thuật toán Tomasulo