Bài giảng Kiến trúc máy tính và mạng máy tính: Chương 3 - Lương Minh Huấn

Bài giảng Kiến trúc máy tính và mạng máy tính - Chương 3: CPU cung cấp cho người học các kiến thức: Biểu diễn số nguyên, các phép toán số học với số nguyên, số dấu phẩy động, kỹ thuật đường ống. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN CHƯƠNG 3: CPU GV: LƯƠNG MINH HUẤN NỘI DUNG Biểu diễn số nguyên Các phép toán số học với số nguyên Số dấu phẩy động Kỹ thuật đường ống I BIỂU DIỄN SỐ NGUN Có hai loại số ngun:  Số ngun khơng 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: an-1an-2… a2a1a0  Giá trị A tính sau: n 1 A   i 0 i Biểu diễn số nguyên không dấu n=8 bit Biểu diễn giá trị từ đến 255  0000 0000 = Chú ý:  0000 0001 = 1111 1111  0000 0010 = + 0000 0001  0000 0011 = 0000 0000 … Vậy: 255 + = 0?  1111 1111 = 255  tràn nhớ ngồi Biểu diễn số ngun có dấu Cho số nhị phân N biểu diễn n bit  Số bù N (2n -1) - N  Số bù hai N 2n - N Lưu ý: 2n -1 = 111 11 (n bit 1) Biểu diễn số nguyên có dấu (tt) Ví dụ: Cho số N = 0001 00012 biểu diễn n=8bit Xác định số bù bù N Xác định số bù 1: Áp dụng công thức số bù N 1111 1111 0001 0001 1110 1110 (2n -1) N Nhận xét: số bù N xác định cách đ bit N Biểu diễn số nguyên có dấu (tt) Xác định số bù 2:  Áp dụng công thức số bù hai N 0000 0000 - 0001 0001 (2n) N 1110 1111  Nhận xét: số bù hai số N xác định cách lấy số bù N cộng thêm Số bù N =(số bù N) + Biểu diễn số nguyên có dấu (tt) Giả sử dùng n bit để biểu diễn số nguyên có dấu: Bít có trọng số cao (hay bit ngồi bên trái dãy số) máy tính sử dụng để biểu diễn dấu Nếu:  = : số nhị phân cần tính giá trị số dương Dạng tổng quát là: 0an-2 an-3 …a0  = : số nhị phân cần tính giá trị số âm Dạng tổng quát là: 1an-2 an-3 …a0 Giá trị: Biểu diễn số nguyên có dấu (tt) Vì A + (Số bù hai A) =  dùng số bù hai để biểu diễn cho số âm VD1:  A = 6510 = 010000012 (8 bit)  Số bù A: 101111112 (8 bit) 0100 0001  A + Số bù A: + 1011 1111 0000 0000 Ví dụ  VD2: Cho số nguyên có dấu biểu diễn n=8bit sau: A=B5H B=6AH Hãy xác định giá trị hai số nguyên có dấu A B dạng hệ số người sử dụng (cơ số 10) Bài giải  Biểu diễn số nguyên A dạng nhị phân A=B5H = 1011 01012 A= -128 + 53 = - 75  Biểu diễn số nguyên B dạng nhị phân B=6AH = 0110 10102 B = 64+32+8+2 = 106 Chuẩn IEEE 754 Dùng 32 bit để biểu diễn số chấm động Cách chuẩn hóa số chấm động Chuyển hệ số Cách biểu diễn vùng lưu chấm động dài 32 bit  Phần định trị chuẩn hóa dạng 1.M  Cơng thức tính giá trị X = (-1)S x 1.M x 2E • Xác định S, M, E Ví dụ Số 0.7510 biễu diễn theo chuẩn IEEE 754 Giải:  Chuyển qua nhị phân: 0.75 10 = 0.112  Dịch dấu chấm qua phải để dạng 1.M (1 đơn vị): S = 0, E = -1+127 = 12610 = 111 11102và M = 10000000000000000000000 (23 bit) S E 0111 1110 23 M 10000000000000000000000 Ví dụ 209.812510 biễu diễn theo chuẩn IEEE 754  Chuyển qua nhị phân 209.812510 = 11010001.11012  Dịch dấu chấm qua trái đơn vị: S = 0, E = 7+127 = 13410 = 1000 01102 M = 10100011101000000000000000000 (23 bit) S 23 E M 1000 0110 10100011101000000000000000000 Ví dụ 345,125 hệ thập phân Hãy biễu diễn theo chuẩn IEE 754 Chuyển qua nhị phân 2345,12510 = 1001 0010 1001.0012 Dịch dấu chấm qua trái 11 đơn vị: S = 1, E = 11+127 = 13810 = 100010102 M = 00100101001001000000000(23 bit) S E 1000 1010 23 M 0010010100100100000000 IV KỸ THUẬT ĐƯỜNG ỐNG Đây kỹ thuật làm cho giai đoạn khác n ệnh thi hành lúc cách xử lý gối đầu lệnh  Ví dụ: Chúng ta có lệnh đặn, lệnh thực khoản thời gian  Giả sử, lệnh thực giai đoạn giai thực chu kỳ xung nhịp  Các giai đoạn thực lệnh là: lấy lệnh (IF: Instruction Fe giải mã (ID: Instruction Decode), thi hành (EX: Execute), thâm nhớ (MEM: Memory Access), lưu trữ kết (RS: R Storing) IV KỸ THUẬT ĐƯỜNG ỐNG So sánh với kiểu xử lý thông thường, lệnh thực rong 25 chu kỳ xung nhịp, xử lý lệnh theo kỹ thuật ống hực lậnh chu kỳ xung nhịp IV KỸ THUẬT ĐƯỜNG ỐNG Tuy nhiên, kỹ thuật ống dẫn pipeline có xung đột xảy rong q trình xử lý như:  Xung đột cấu trúc  Xung đột liệu  Xung đột điều khiển XUNG ĐỘT CẤU TRÚC Xung đột cấu trúc xảy có hai lệnh truy xuất vào tài nguyên phần cứng lúc Vì vậy, chế ống lộ rình xử lý lệnh cần tách nhớ riêng biệt (lệnh, data), vùng cache riêng XUNG ĐỘT DỮ LIỆU Xung đột liệu (Data hazard): lệnh dự kiến không hực thi chu kỳ pipeline liệu mà lệnh n cần chưa sẵn sàng XUNG ĐỘT DỮ LIỆU Để khắc phục, ta dùng biện pháp Forwarding (xúc tiến sớm):  Sử dụng kết vừa tính tốn xong lệnh trước  Không cần đợi kết cất lại ghi  Cần có thêm kết nối lộ trình XUNG ĐỘT ĐIỀU KHIỂN Xung đột điều khiển (Control/Branch hazard): lện kiến thực thi chu kỳ pipeline nạp vào khơng phải lệnh sẳn sàng Xung đột xảy t rường hợp luồng thực thi chứa lệnh nhảy lệnh rẽ nhá XUNG ĐỘT ĐIỀU KHIỂN Cách đơn giản để giải gây trễ kịp thời để phát nhánh cần nhảy tới Ngoài ra, người ta sử dụng kỹ thuật khác để khắc phục cố đường ống lệnh như:  Tổ chức lại lệnh  Sử dụng đường liệu nội đặc biệt  Thuật toán Tomasulo … ... phép trừ: Lấy số bù hai Y thành –Y cộng với X VÍ DỤ Thực phép tính sau với n = 8bit 34 +45 -1 23+ 45 127 +34 1 2-1 01 10 9-6 7 -1 06 -3 5 E3 – 2F III SỐ DẤU CHẤM ĐỘNG o hai giá trị: Khối lượng mặt trời:... số) máy tính sử dụng để biểu diễn dấu Nếu:  = : số nhị phân cần tính giá trị số dương Dạng tổng quát là: 0an-2 an -3 …a0  = : số nhị phân cần tính giá trị số âm Dạng tổng quát là: 1an-2 an -3 …a0... trữ số máy tính cần đến số bit lớn Như vậy, rường hợp loại số có dấu chấm tĩnh bất tiện Vì tất máy tính lưu trữ số dạng dấu chấm động x 1 033 0.910956 x 1 0-2 7 hay theo số khoa học là: 1.99E +33 0.9109