Bộ xử lý trong máy tính

Chương II: Các thành phần cơ bản của máy tính số 2.1. Bộ xử lý 2.2. Bộ nhớ và thiết bị lưu trữ ngoài 2.3. Thiết bị nhập xuất dữ liệu 2.1 Bộ xử lý (Processor)  Đơn vị điều khiển (CU) và đơn vị thực hiện các thao tác tính toán (ALU) được nhóm trong một đơn vị duy nhất còn gọi là bộ xử lý (Processor/ processing unit) hay còn được gọi là đơn vị xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit).  CPU là bộ phận thi hành lệnh. CPU lấy lệnh từ bộ nhớ trong và lấy các số liệu mà lệnh đó xử lý. CPU thực thi lệnh/ điều khiển việc thực thi lệnh 2.1 Bộ xử lý (Processor)  2.1.1. Chức năng  2.1.2. Thành phần cơ bản  2.1.3. Cơ chế hoạt động  2.1.4. Một số chỉ tiêu đánh giá hiệu năng h2 Slide 3 h2 Chương I Chức năng Chương II Thành phần cơ bản II. 1 Đơn vị điều khiển (CU) II. 2 Đơn vị số học và logic (ALU) II. 3 Thanh ghi Chương III Cơ chế hoạt động III. 1 Chu trình xử lý lệnh III. 1. 1Lấy chỉ lệnh và giải mã III. 1. 2Thực thi chỉ lệnh III. 2 Tập lệnh Chương IV Tăng hiệu năng IV. 1 Tăng hiệu năng Bộ xử lý IV. 1. 1 Kiến trúc song song a. Đường ống b. Siêu đường ống c. Siêu vô hướng d. Tăng độ dài từ lệnh (VLIW) IV. 1. 2 CISC và RISC IV. 2 Tăng hiệu năng và độ tin cậy hệ thống (nhiều ALU và nhiều CPU) a. Máy tính SISD b. Máy tính SIMD c. Máy tính MIMD Han Minh Phuong, 5/12/2007 2.1.1. Chức năng  Điều khiển: điều khiển tất cả các đơn vị còn lại của máy tính, việc điều khiển này được thực hiện bởi đơn vị điều khiển CU • Lấy chỉ lệnh, dữ liệu từ bộ nhớ và ghi dữ liệu vào bộ nhớ • Điều khiển ALU thực hiện các tính toán • Điều khiển vào ra  Tính toán: thực hiện hầu hết các phép tính toán số học, các phép logic, việc tính toán được thực hiện bởi đơn vị số học ALU 2.1.2. Thành phần cơ bản 1. Đơn vị điều khiển (CU) 2. Đơn vị số học và logic (ALU) 3. Thanh ghi  Các thành phần khác • Đơn vị xử lý dấu chám động (FPU) • Bộ nhở đệm tốc độ cao (Cache) • Đường truyền (Bus ) • v v Chip vi xử lý Intel 80486DX2 Kích thước 12×6.75 mm Chân cắm chíp vi xử lý trong bo mạch chủ của PC, chíp vxl được đi kèm với quạt làm mát Chỉ lệnh /Lệnh mã máy  Chỉ lệnh xác định các thao tác mà máy tính phải thực hiện. Chỉ lệnh có thể thực hiện các công việc như: • Cộng hai số • Kiểm tra xem một số có bằng 0 ? • Vận chuyển một nhóm dữ liệu từ vùng này của bộ nhớ sang vùng khác. • …  Chỉ lệnh được biểu diễn theo hệ nhị phân và được gọi là chỉ lệnh ngôn ngữ máy/lệnh mã máy (machine language instructions). Chỉ lệnh /Lệnh mã máy(t) • Mỗi lệnh mã máy thông thường chứa: mã lệnh/tác vụ, địa chỉ toán hạng nguồn, địa chỉ toán hạng kết quả, lệnh kế tiếp (thông thường thì thông tin này ẩn). • Ví dụ về một lệnh mã máy cộng 32 bit một giá trị tức thời vào thanh ghi và lưu vào một thanh ghi khác trong kiến trúc MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages Chỉ lệnh (t)  Chương trình được viết bằng ngôn ngữ cấp cao sẽ được chuyển đổi sang ngôn ngữ máy (Mỗi lệnh của ngôn ngữ cấp cao được xây dựng bằng một lệnh mã máy hoặc một chuỗi nhiều lệnh mã máy), các chỉ lệnh này được giải mã và được thực thi.  Các chỉ lệnh thuộc vào một tập lệnh được cài đặt sẵn trong CPU. Các chỉ lệnh trong tập lệnh khác nhau về số lượng và định dạng và phụ thuộc vào từng máy tính. [...]... năng  Hiệu năng của bộ xử lý được đo bằng số lượng các chỉ lệnh có thể được thực thi trong một đơn vị thời gian thể hiện qua các chỉ số sau: • • Triệu lệnh trên giây (Millons Intructions Per Second _MIPS) Tần số đồng hồ (Clock) • • Ví dụ; Hiệu năng máy tính với tần số đồng hồ là 500 MHz Số chu kỳ cho một lệnh (CPI) hoặc IPC Bộ xử lý cho máy tính PC      Pentium :Bộ vi xử lý chiến lược của Intel... từ đĩa cứng vào bộ nhớ trong cùng với các thông tin cần thiết cho chương trình hoạt động, các thông tin này được nạp vào bộ nhớ trong từ các bộ phận cung cấp thông tin (ví dụ như một bàn phím hay một đĩa từ)  Bộ xử lý trung tâm sẽ đọc các lệnh và dữ liệu từ bộ nhớ, thực hiện các lệnh và lưu các kết quả trở lại bộ nhớ trong hay cho xuất kết quả ra bộ phận xuất thông tin (màn hình hay máy in) Cơ chế... hiện: • • •  Liên hệ tới bộ nhớ (ghi dữ liệu ra bộ nhớ trong hoặc lấy dữ liệu từ bộ nhớ vào thanh ghi) ALU thực hiện một phép tính ALU thực hiện một phép nhảy (tính toán đưa ra địa chỉ tới lệnh kế tiếp) Lưu kết quả: Lưu trữ kết quả trong thanh ghi cùa ALU, kết quả này có thể được chuyển tới bộ nhớ trong Tổ chức của máy tính đơn giản sử dụng một bộ xử lý dựa trên mô hình cổ điển của Von Neumann Đặc... cho phép thực hiện phép toán phức hợp chỉ trong một chu kỳ đồng hồ Thiết kê ALU phức hợp thực hiện phép toán phức hợp thông qua việc thực hiện một số bước nhỏ Cần sự hỗ trợ của đơn vị điều khiển với một tập vi lệnh thiết kế sẵn Thiết kế ALU đơn giản đồng thời thiết kế một bộ xử lý kèm theo có thể xử lý theo hai cách tiếp cận 1 và 2 Bộ xử lý đó gọi là đồng xử lý (co-processor) Giả lập việc thực thi phép...a Thanh ghi   Là bộ nhớ đặc biệt có tốc độ cao dung lượng nhỏ được cấu tạo từ những vi mạch điện tử nằm ngay trong bộ xử lý nhằm lưu trữ những dữ liệu đang được thao tác bởi CPU Kích thước của thanh ghi, đo bằng bits, là bội số của 8 (8, 16, 32, 64 ) chỉ dung lượng mà thanh ghi đó có thể lưu trữ đồng thời cũng là lượng dữ liệu mà bộ xử lý có thể tính toán tại một thời điểm Trong một số trường hợp... cỡ” của bộ xử lý Ví dụ bộ vi xử lý 32 bits a.Thanh ghi (t)       IR: Thanh ghi chỉ lệnh (IR_Instruction Register) chứa nội dung chỉ lệnh PC: Thanh ghi đếm chương trình/Con đếm chương trình (PC_Program Counter) : Tự động tăng để trỏ tới lệnh kế tiếp trong chương trình Thanh ghi lưu trữ dữ liệu Thanh ghi lưu trữ địa chỉ … Ý nghĩa của thanh ghi được gắn liền với các thiết kế của bộ vi xử lý cụ thể,... các lệnh được thực hiện song song, đồng thời và làm tăng tốc độ xử lý Kỹ thuật siêu đường ống  Là một cải tiến của kiến trúc đường ống, chỉ lệnh tiếp theo được bắt đầu trước khi kết thúc một bước của chỉ lệnh hiện tại Kỹ thuật siêu vô hướng  Được sử dụng trong các máy có nhiều bộ vi xử lý Tại đó, trong một chu kỳ (bắt đầu một chu kỳ), máy tính có thể thực hiện một lúc nhiều chỉ lệnh Tăng độ dài từ... thanh ghi được gắn liền với các thiết kế của bộ vi xử lý cụ thể, nên không thể có một chuẩn chung về thanh ghi cho các thế hệ bộ xử lý khác nhau b Đơn vị điều khiển (CU)   Điều khiển mọi hoạt động của máy tính: • • • Nhận chỉ lệnh được lưu trong bộ nhớ Giải mã chỉ lệnh nhờ bộ giải mã chỉ lệnh (Instruction decoder) Thực hiện : Đảm bảo thi hành các chỉ lệnh một cách tuần tự và tác động các mạch chức... + bus nối kết) thực hiện các thao tác xử lý dữ liệu 2.1.3 Cơ chế hoạt động    Việc thi hành một lệnh mã máy có thể chia thành các bước: • Đọc chỉ lệnh (IF: Instruction Fetch) • Giải mã chỉ lệnh (ID: Instruction Decode) • Thi hành chỉ lệnh (EX: Execute) • Lưu trữ kết quả (RS: Result Storing) Mỗi bước được thi hành trong một hoặc nhiều chu kỳ xung nhịp Bộ xử lý thực thi chương trình bằng cách lặp... bộ nhớ trong dựa vào thanh ghi PC và được đưa vào thanh ghi chỉ lệnh IR  Giải mã chỉ lệnh: Chỉ lệnh trong IR được giải mã nhờ bộ giải mã Bộ giải mã sẽ giải mã dạng công việc và gửi các tín hiệu ra lệnh thực hiện các thao tác tới từng đơn vị 2.1.3 Cơ chế hoạt động (t)  Thi hành chỉ lệnh: Dựa trên kiểu của chỉ lệnh được giải mã, một trong các tác vụ sau có thể được thực hiện: • • •  Liên hệ tới bộ . mà bộ xử lý có thể tính toán tại một thời điểm. Trong một số trường hợp người ta sử dụng kích thước thanh ghi để đo “kích cỡ” của bộ xử lý. Ví dụ bộ vi xử. đơn giản đồng thời thiết kế một bộ xử lý kèm theo có thể xử lý theo hai cách tiếp cận 1 và 2. Bộ xử lý đó gọi là đồng xử lý (co-processor) • Giả lập việc