Bài giảng Kiến trúc máy tính và hợp ngữ - Chương 5: Bộ xử lý trung tâm

Bài giảng Kiến trúc máy tính và hợp ngữ - Chương 5: Bộ xử lý trung tâm trình bày các nội dung chính sau: Cấu trúc cơ bản của CPU, tập lệnh, hoạt động của CPU. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm nội dung chi tiết.

KiẾN TRỨC MÁY TÍNH VÀ HỢP NGỮ CHƯƠNG 5: Bộ xử lý trung tâm (CPU) CPU  5.2.1 Cấu trúc CPU  5.2.2 Tập lệnh  5.2.3 Hoạt động CPU 5.2.1 Cấu trúc CPU Đơn vị ghép nối Bus Đơn vị điều khiển (CU)  Chức năng:  Điều khiển nhận lệnh từ nhớ đưa vào ghi lệnh (IR) tăng nội dung PC để trỏ sang lệnh  Giải mã lệnh nằm ghi lệnh để xác định thao tác cần thực phát tín hiệu điều khiển thực lệnh  Nhận tín hiệu u cầu từ bus hệ thống đáp ứng với yêu cầu Đơn vị điều khiển (tiếp)  Mơ hình kết nối đơn vị điều khiển: IR Đơn vị điều khiển – Control Unit(tiếp)  Các tín hiệu đưa đến Control Unit:  Mã lệnh từ ghi lệnh đưa đến để giải mã  Các cờ từ ghi cờ cho biết trạng thái CPU  Xung clock từ tạo xung bên cung cấp cho đơn vị điều khiển làm việc  Các tín hiệu yêu cầu từ bus điều khiển Đơn vị điều khiển Control Unit (tiếp)  Các tín hiệu phát từ đơn vị điều khiển:  Các tín hiệu điều khiển bên CPU:  Điều khiển ghi  Điều khiển hoạt động ALU  Các tín hiệu điều khiển bên ngồi CPU:  Điều khiển nhớ  Điều khiển module vào-ra Đơn vị số học logic (ALU)  Chức năng: 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 quay bit Đơn vị số học logic (tiếp)  Mơ hình kết nối ALU Mơ hình kết nối ALU bit 10 Giản đồ trạng thái chu trình lệnh 61 Nhận lệnh 62  CPU đưa địa lệnh cần nhận từ ghi đếm chương trình PC bus địa  CPU phát tín hiệu điều khiển đọc nhớ  Lệnh từ nhớ đặt lên bus liệu CPU copy vào ghi lệnh IR  CPU tăng nội dung PC để trỏ sang lệnh Minh họa trình nhận lệnh 63 Giải mã lệnh 64  Lệnh từ ghi lệnh IR đưa đến đơn vị điều khiển  Đơn vị điều khiển tiến hành giải mã lệnh để xác định thao tác cần phải thực Nhận toán hạng 65  CPU đưa địa toán hạng bus địa  CPU phát tín hiệu điều khiển đọc  Tốn hạng chuyển vào CPU Nhận toán hạng gián tiếp 66  CPU đưa địa bus địa  CPU phát tín hiệu điều khiển đọc  Nội dung ngăn nhớ chuyển vào CPU, địa toán hạng  CPU phát địa bus địa  CPU phát tín hiệu điều khiển đọc  Nội dung toán hạng chuyển vào CPU Minh họa nhận toán hạng gián tiếp 67 Thực lệnh 68  Có nhiều dạng thao tác tùy thuộc vào lệnh  Có thể là:  Đọc/ghi nhớ  Vào-ra liệu  Chuyển liệu ghi  Thực phép toán số học logic  Chuyển điều khiển (rẽ nhánh)  … Ghi toán hạng 69  CPU đưa địa bus địa  CPU đưa liệu cần ghi bus liệu   CPU phát tín hiệu điều khiển ghi  Dữ liệu bus liệu copy đến vị trí xác định Minh họa trình ghi tốn hạng 70 Ngắt 71  CPU lưu lại giá trị PC (là địa trở sau hoàn thành ngắt) – thường lưu vào Stack:  CPU đưa nội dung PC bus liệu  CPU đưa địa (thường xác định từ trỏ ngăn xếp SP) bus địa  CPU phát tín hiệu điều khiển ghi nhớ  Địa trở (nội dung PC) bus liệu lưu vào ngăn nhớ tương ứng ngăn xếp  CPU nạp vào PC địa lệnh chương trình phục vụ ngắt tương ứng:  CPU xác định địa vector ngắt tương ứng  CPU phát địa bus địa  CPU phát tín hiệu điều khiển đọc nhớ  Giá trị vector ngắt (địa lệnh CTC phục vụ ngắt) chuyển bus liệu  Giá trị nạp vào PC Minh họa thực chương trình 72 Đường ống lệnh 73  Nguyên tắc Pipeline: chia chu trình lệnh thành công đoạn cho phép thực gối lên theo kiểu dây chuyền  Giả sử chu trình lệnh gồm công đoạn với thời gian thực (T):  Nhận lệnh (Fetch Instruction – FI)  Giải mã lệnh (Decode Instruction – DI)  Tính đ/chỉ toán hạng (Calculate Operand Address – CO)  Nhận toán hạng (Fetch Operands – FO)  Thực lệnh (Execute Instruction – EI)  Ghi toán hạng (Write Operands – WO) Biểu đồ thời gian đường ống lệnh 74 Các xung đột đường ống lệnh 75  Xung đột cấu trúc: nhiều công đoạn dùng chung tài nguyên  Xung đột liệu: lệnh sau sử dụng kết lệnh trước  Xung đột điều khiển: rẽ nhánh gây ... biết kết dạng thập phân với giá trị cờ ZF, SF, CF, OF tương ứng c:=a-b d:=a+b e:=b-a a-b f: =- Bộ xử lý trung tâm 30  5.2.1 Cấu trúc CPU  5.2.2 Tập lệnh  5.2.3 Hoạt động CPU 5.2.2 Tập lệnh 31... gọi chương trình con: lệnh CALL  Cất nội dung PC (chứa địa lệnh_kế_tiếp) vào Stack  Nạp vào PC địa lệnh chương trình gọi → Bộ xử lý chuyển sang thực chương trình tương ứng  Lệnh trở từ chương. .. c  Khơng thơng dụng Các kiểu thao tác điển hình 36  Chuyển liệu  Xử lý số học với số nguyên  Xử lý logic  Điều khiển vào-ra  Chuyển điều khiển (rẽ nhánh)  Điều khiển hệ thống Các lệnh chuyển