Bài giảng Cấu trúc máy tính: Chương 4

Chương 4 Bộ xử lý trung tâm thuộc bài giảng cấu trúc máy tính, cùng tìm hiểu chương học này thông qua các nội dung cần nghiên cứu sau: cấu trúc của CPU, tập lệnh (Instruction File), hoạt động của CPU, kiến trúc Intel.

Chương Bộ xử lý trung tâm 4.1 Cấu trúc CPU 4.2 Tập lệnh (Instruction File) 4.3 Hoạt động CPU 4.4 Kiến trúc Intel 4.1 Cấu trúc CPU Nhiệm vụ CPU: thực lệnh chương trình  Nhận lệnh (Fetch Instruction): CPU nhận lệnh từ nhớ  Giải mã lệnh(Decode Instruction): Xác định thao tác mà lệnh yêu cầu  Nhận liệu(Fetch Data): Nhận liệu từ nhớ hay cổng vào  Xử lý liệu(Process Data): thực phép toán số học logic liệu  Ghi liệu (Write Data): Ghi liệu nhớ hay cổng vào a Cấu trúc CPU CPU Register ALU Control Unit Control Data Address Bus Bus Bus System bus Cấu trúc Máy tính b Đơn vị số học logic (ALU) Chức năng: thực phép toán số học logic Số học: cộng, trừ, nhân, chia, tăng, giảm, đảo, Logic: AND, OR,XOR, NOT, dịch bit,…  Mô hình kết nối ALU Dliệu vào từ ghi Kết T.h điều khiển ALU Thanh ghi cờ Cấu trúc Máy tính c Đơn vị điều khiển Chức năng:  Nhận lệnh từ nhớ đưa vào ghi lệnh IP  Tăng nội dung ghi PC nhận lệnh song  Giải mã lệnh xác định thao tác mà lệnh yêu cầu  Phát tín hiệu điều khiển thực thi lệnh  Nhận tín hiệu yêu cầu từ BUS hệ thống giải đáp ứng u cầu Cấu trúc Máy tính c Đơn vị điều khiển  Mơ hình kết nối đơn vị điều khiển Thanh ghi lệnh Các cờ Control Unit T h điều khiển bên CPU Clock T.h điều khiển đến BUS hệ thống T.h yêu cầu từ BUS hệ thống BUS ĐIỀU KHIỂN Cấu trúc Máy tính c Đơn vị điều khiển  Các thông tin kết nối đến CU  Clock: tín hiệu xung nhịp từ mạch tạo dao động  Mã lệnh từ ghi lệnh đưa đến CU giải mã  Các trạng thái cờ đưa đến cho biết trạng thái CPU trạng thái thực phép toán ALU  Các tín hiệu điều khiển từ BUS điều khiển  Các tín hiệu điều khiển bên CPU: điều khiển ghi, ALU  Các tín hiệu điều khiển bên ngồi CPU Bộ nhớ hay cổng vào Cấu trúc Máy tính 4.2 Tập ghi  Chức  Thực chất vùng nhớ CPU nhận biết qua tên ghi có tốc độ truy xuất cực nhanh  Chứa thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động thời điểm CPU  Số lượng ghi tuỳ thuộc vào vi xử lý cụ thể -> tăng hiệu CPU  Thanh ghi chia loại: Loại lập trình loại khơng lập trình Cấu trúc Máy tính 4.2 Tập ghi  Phân loại ghi theo chức  Thanh ghi địa chỉ: Thanh ghi sử dụng để quản lý địa ngăn nhớ hay cổng vào  Thanh ghi liệu: Thanh ghi dùng để lưu trữ liệu tạm thời  Thanh ghi đa năng: Thanh ghi chứa liệu địa  Thanh ghi điều khiển/trạng thái: Thanh ghi chứa thông tin trạng thái CPU  Thanh ghi lệnh: ghi chứa lệnh thực Cấu trúc Máy tính 4.2 Tập ghi  Một số ghi điển hình  Bộ đếm chương trình PC  Ngăn xếp SS (Stack)  Con trỏ ngăn xếp SP Thêm vào SP (196) Lấy 194 195 196 197 198 199 200 Thanh ghi sở Ngăn nhớ CS 300 301 Thanh ghi số 302 303 Đáy Stack Cấu trúc Máy tính Ngăn nhớ Truy cập 304 305 306 117 4.2 Tập ghi  Các ghi liệu  Chứa liệu tạm thời kết trung gian  Các ghi số nguyên 8,16,32,64 bit  Các ghi số dấu chấm động  Thanh ghi trạng thái (State Register) &Thanh ghi cờ (FR: Flag Register)  Chứa thông tin trạng thái CPU  Các cờ phép toán báo hiệu trạng thái kết  Các cờ điều khiển báo hiệu trạng thái CPU  Ví dụ: cờ ZF, CF, SF, OF, IF (cờ ngắt =1 cho ngắt =0 cấm ngắt Cấu trúc Máy tính 4.3 Tập lệnh Giới thiệu chung tập lệnh  Mỗi xử lý có tập lệnh xác định  Một tập lệnh thường đến vài chục đến vài nghìn lệnh  Mỗi lệnh chuỗi nhị phân mà xử lý phân tích hiểu để thực thao tác mà lệnh yêu cầu  Các lệnh viết thường ánh xạ thành ký hiệu gợi nhớ ADD, MOV, IN, OUT, SHL, ROL,…  Đây tựa câu lệnh hợp ngữ (Lập ASSEMBLY) Cấu trúc Máy tính 4.3 Tập lệnh  Các thành phần lệnh máy phần: Mã thao tác Địa toán hạng  Mã thao tác (Operation Code: Opcode): Mã thao tác mà vi xử lý cần phải thực  Địa toán hạng (Operand Address): Chỉ nơi chứa toán hạng mà mã thao tác tác động o Toán hạng nguồn: liệu vào thao tác o Toán hạng đích: liệu thao tác Cấu trúc Máy tính 4.3 Tập lệnh Các kiểu thao tác  Thao tác chuyển liệu  Thao tác xử lý số học logic  Thao tác vào liệu qua cổng  Thao tác điều khiển rẽ nhánh  Thao tác điều khiển hệ thống  Thao tác xử lý số dấu chấm động  Thao tác chuyên dụng khác: xử lý ảnh, âm thanh, tiếng nói,… Cấu trúc Máy tính 4.3 Tập lệnh Các lệnh chuyển liệu  Lệnh Mov Sao chép liệu từ toán hạng nguồn -> đích  Lệnh Load Nạp liệu từ nhớ -> xử lý  Lệnh XCHG Trao đổi nội dung hai toán hạng cho  Lệnh PUSP Cất nội dung toán hạng nguồn vào stack  Lệnh POP Lấy nội dung đỉnh Stack tốn hạng đích  Lệnh Set, Clear Cấu trúc Máy tính 4.3 Tập lệnh      Các lệnh số học Lệnh ADD : cộng Lệnh SUB : trừ Lệnh MUL: nhân Chia DIV : chia  Các lệnh logic  Lệnh Test Thực lệnh AND thiết lập cờ  Lệnh Shift Dịch trái, phải  Lệnh Rotate Quay trái quay phải  Lệnh Convert Chuyển đổi liệu từ dạng sang dạng khác  Lệnh AND, OR, XOR, NOT,… Cấu trúc Máy tính 4.3 Tập lệnh     Các lệnh vào Lệnh Input: Lệnh Output Các lệnh chuyển điều khiển  Lệnh Jump  Lệnh Call  Lệnh Return : trở từ chương trình  Các lệnh điều khiển hệ thống  Lệnh Halt : dừng thực chương trình  Lệnh Wait : tạm dừng thực chương trình, lặp kiểm tra thoả mãn tiếp tục thực  No Operation: khơng thực  Lệnh Lock : Cấm không cho chuyển nhượng BUS  Lệnh Unlock: cho phép chuyển nhượng BUS Cấu trúc Máy tính Các phương pháp định địa (Addressing Models)            Toán hạng của lệnh là: Một ghi cụ thể Nội dung ghi Nội dung ngăn nhớ hay cổng vào Các phương pháp định địa thông dụng: Định địa tức thời Định địa ghi Định địa trực tiếp Định địa gián tiếp qua ghi Định địa gián tiếp Định địa dịch chuyển Cấu trúc Máy tính Định địa tức  Tốn hạng số nằm trường địa toán hạng  Đây tốn hạng nguồn  Khơng tham chiếu nhớ  Truy cập toán hạng nhanh  Dải giá trị toán hạng bị hạn chế ADD R1, const ADD const Cấu trúc Máy tính Định địa ghi  Toán hạng chứa ghi, ghi có tên trường địa tốn hạng Tập ghi OPCODE Thanh ghi Toán hạng Cấu trúc Máy tính Định địa trực tiếp  Tốn hạng ngăn nhớ có địa trường địa toán hạng Bộ nhớ OPCODE Địa Tốn hạng Cấu trúc Máy tính Định địa gián tiếp qua ghi  Toán hạng ngăn ngăn nhớ có địa ghi Trường địa toán hạng lưu trữ tên ghi định  Thanh ghi gọi ghi trỏ OPCODE Bộ nhớ Toán hạng Cấu trúc Máy tính Thanh ghi Thanh ghi Địa Định địa gián tiếp qua ngăn nhớ Bộ nhớ OPCODE Địa Địa Toán hạng Cấu trúc Máy tính Định địa dịch chuyển  Để xác định toán hạng gồm thành phần  Tên ghi số  Địa toán hạng = Nội dung ghi + số ADD Bộ nhớ const Tập ghi Cấu trúc Máy tính + Tốn hạng 4.4 Hoạt động CPU  Chu kỳ lệnh CPU bao gồm: Nhận lệnh, giải mã lệnh, nhận toán hạng, thực lệnh, cất toán hạng, ngắt  Giản đồ trạng thái chu kỳ lệnh Nhận lệnh Tính Địa lệnh Cất toán hạng Nhận toán hạng Giải mã thao tác Lệnh Tính địa tốn hạng Thao tác dl Dữ liệu mảng hay chuỗi Cấu trúc Máy tính Tính địa tốn hạng KT ngắt ngắt ... hạng Cấu trúc Máy tính Định địa dịch chuyển  Để xác định toán hạng gồm thành phần  Tên ghi số  Địa toán hạng = Nội dung ghi + số ADD Bộ nhớ const Tập ghi Cấu trúc Máy tính + Tốn hạng 4. 4 Hoạt... ghi số 302 303 Đáy Stack Cấu trúc Máy tính Ngăn nhớ Truy cập 3 04 305 306 117 4. 2 Tập ghi  Các ghi liệu  Chứa liệu tạm thời kết trung gian  Các ghi số nguyên 8,16,32, 64 bit  Các ghi số dấu chấm... hạn chế ADD R1, const ADD const Cấu trúc Máy tính Định địa ghi  Tốn hạng chứa ghi, ghi có tên trường địa toán hạng Tập ghi OPCODE Thanh ghi Tốn hạng Cấu trúc Máy tính Định địa trực tiếp  Tốn