Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 5: Cấu trúc bộ xử lý và thực thi chương trình

Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 5: Cấu trúc bộ xử lý và thực thi chương trình nêu lên công việc của CPU, CPU với system bus, cấu trúc bên trong của CPU, tổ chức các thanh ghi Control & status register, Supervisor mode.

Bài CẤU TRÚC BỘ XỬ LÝ VÀ THỰC THI CHƯƠNG TRÌNH Nguyễn Hồng Sơn Cơng việc CPU CPU phải Fetch instructions Interpret instructions Fetch data Process data Write data CPU với system bus Cấu trúc bên CPU Tổ chức ghi CPU cần có vùng nhớ tạm để làm việc, gọi ghi (registers) Số lượng chức thay đổi tùy vào thiết kế xử lý Là định thiết kế quan trọng Mức cao phân cấp nhớ User-visible register User-visible register ghi tham chiếu qua ngôn ngữ máy, bao gồm loại: General Purpose: đa chức năng, chứa operand thị Data: chứa data, khơng dùng để tính tốn địa Address: dùng cho chế độ địa segment pointer, index register, stack pointer Condition Codes: chứa mã điều kiện (còn gọi flag) Control & status register Có số ghi dùng để điều khiển hoạt động CPU Program Counter Instruction Decoding Register Memory Address Register Memory Buffer Register Tất thiết kế có hay tập ghi gọi PSW (Program Status Word) PSW PSW chứa mã điều kiện với thông tin trạng thái khác Các field hay flag phổ biến gồm: Sign Zero Carry Equal Overflow Interrupt enable/disable Supervisor: mode user hay supervisor Supervisor mode Các thị đặc quyền thực thi supervisor mode Vùng nhớ đặc biệt truy xuất supervisor mode Được dùng hệ điều hành Không khả dụng chương trình user Ví dụ tổ chức ghi Tổng Quan Thực thi chương trình Một chương trình thực thi gồm tập thị lưu giữ nhớ CPU coù nhiệm vụ thực thi thị định chương trình Qúa trình xử lý thị gồm có hai bước: CPU đđọc thị từ nhớ CPU thực thi thị, gồm số hoạt động Thực thi chương trình … Chu kỳ thị (instruction cycle): Quá trình xử lý cho thị Chu kỳ lấy thị Chu thi Chu kỳ thị bắt đầu lấy thị kế thực thi thị Chu kỳ lấy thị Chu thi Treo máy Chu kỳ lấy thị thực thi Bắt ñầu chu kỳ thị, CPU nạp thị từ nhớ PC (program counter): laø ghi hướng dẫn chọn thị Mặc ñịnh sau lần nạp, PC tăng ñơn vị (chỉ tới thị theo chương trình) Chị thị nạp vào ghi IR (instruction register) Chu kỳ lấy thị thực thi… Chỉ thị tồn dạng mã nhị phân, cho CPU biết phải làm cơng việc CPU phiên dịch (giải mã lệnh) ñể nhận biết cơng việc phải làm Các cơng việc thường rơi vào bốn nhóm: CPU-Memory CPU-I/O Xử lý data Điều khiển: ví dụ thay đổi Chu kỳ lấy thị thực thi… Việc thực thi thị cụ thể liên quan đến nhiều cơng việc Một chu thi coù thể coù nhiều tham chiếu đến nhớ Một chu thi coù thể coù nhiều tham chiếu đến I/O Một chu thi coù thể coù nhiều tham chiếu đến nhớ vaø I/O Các trạng thái chu kỳ thị (1)Tính toán địa thị: xác định địa thị kế tiếp, thường cộng số vào địa thị trước (2)Lấy lệnh (3)Giải mã thị: phân tích để xác định cơng việc phải làm toán hạng dùng (4)Tính toán đòa toán hạng: cơng việc cần lấy thông số (data) từ nhớ hay I/O (5)Lấy toaùn hạng (6)Xử lý liệu theo cơng việc định (7)Lưu toán hạng (data) CPU truy xuất MM hay I/O nhiều toán hạng Hoạt đđộng bên CPU thị kế nhiều kết Vetor hay string Các trạng thái… Trên số máy tính, thị cụ thể định toán tử thực vector (mảng chiều) hay chuỗi ký tự Điều liên quan đến lặp lặp lại việc lấy liệu hay lưu trữ liệu Ví dụ máy giả thuyết Từ nhớ 16 bit Instruction: bit mã 12 bit địa Data: bit dấu 15 bit định lượng Gồm có caùc ghi: PC IR AC(accumulator): ghi tạm số 16 mã lệnh cuï thể 0001: nạp nội dung từ nhớ vaøo AC 0010: ghi nội dung AC vaøo nhớ 0101: cộng nội dung từ nhớ với nội dung AC 0110: nhân nội dung từ nhớ với nội dung AC 10 Ví dụ… Chỉ thị cất giữ từ vị trí 0x300 nhớ Trình bày hoạt động cộng nội dung ñịa 0x940 với nội dung 0x941, lưu kết 0x941 Chương trình Nạp nội dung từ 0x940 vaøo AC Cộng nội dung 0x941 với AC Ghi nội dung AC vào 0x941 Như có chu kỳ nạp vaø chu thi Bộ nhớ 300 301 302 940 941 1940 5941 2941 0003 0002 Các ghi 300 1940 PC 300 AC 301 IR 302 940 941 1940 5941 2941 300 0003 1940 PC AC IR 0003 0002 11 300 301 302 940 941 300 301 302 940 941 1940 5941 2941 301 0003 5941 PC 300 AC 301 IR 302 940 0003 0002 1940 5941 2941 0003 0002 941 302 0005 2941 PC 300 AC 301 IR 302 940 941 1940 5941 2941 0003 0002 1940 5941 2941 301 0005 5941 PC AC IR 3h + 2h=5h 302 0005 2941 PC AC IR 0003 0005 12 Ví dụ Trình bày chu phép tính (3+2)*5 (5 tai 942), ghi kết 0x942 Tất sinh viên tự làm 300 300 302 1940 5941 6942 303 2942 301 940 941 0003 0002 942 0005 300 PC AC 1940 IR 302 1940 5941 6942 303 2942 940 941 0003 0002 942 0005 301 300 PC 0003 AC 1940 IR 13 Bài tập nhà Trình bày tất chu kỳ thị tính (2+3)*(3+4) máy giả thuyết, cho 0004 chứa 0x942, ghi kết 0x942 Viết thị thực phép tính sau máy IAS (máy tính Von Neumann) (4+2)*5, ghi kết vị trí 202h Hãy trình bày tất chu kỳ thị thực phép tính Cho mã chương trình đươïc nạp vào nhớ bắt đầu vị trí 100h liệu cất giữ vị trí 200h 14 ... thực thi gồm tập thị lưu giữ nhớ CPU coù nhiệm vụ thực thi thị định chương trình Qúa trình xử lý thị gồm có hai bước: CPU đđọc thị từ nhớ CPU thực thi thị, coù thể gồm số hoạt động Thực thi chương. .. chương trình … Chu kỳ thị (instruction cycle): Quá trình xử lý cho thị Chu kỳ lấy thị Chu thi Chu kỳ thị bắt đầu lấy thị kế thực thi thị Chu kỳ lấy thị Chu thi Treo máy Chu kỳ lấy thị thực thi Bắt... quyền thực thi supervisor mode Vùng nhớ đặc biệt truy xuất supervisor mode Được dùng hệ điều hành Khơng khả dụng chương trình user Ví dụ tổ chức ghi Tổng Quan Thực thi chương trình Một chương trình