Chương 6 - Bộ xử lý. Những nội dung chính được trình bày trong chương này gồm có: Tổ chức của CPU, thiết kế đơn vị điều khiển, kỹ thuật đường ống lệnh, ví dụ thiết kế bộ xử lý theo kiến trúc MIPS. Mời các bạn cùng tham khảo.
NKK-HUST c om Kiến trúc máy tính cu u du o ng th an co ng Chương BỘ XỬ LÝ Nguyễn Kim Khánh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 310 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Nội dung học phần cu u du o ng th an co ng c om Chương Giới thiệu chung Chương Cơ logic số Chương Hệ thống máy tính Chương Số học máy tính Chương Kiến trúc tập lệnh Chương Bộ xử lý Chương Bộ nhớ máy tính Chương Hệ thống vào-ra Chương Các kiến trúc song song 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 311 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST c om Nội dung chương cu u du o ng th an co ng 6.1 Tổ chức CPU 6.2 Thiết kế đơn vị điều khiển 6.3 Kỹ thuật đường ống lệnh 6.4 Ví dụ thiết kế xử lý theo kiến trúc MIPS (*) (*) dành cho Chương trình Tài Chất lượng cao 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 312 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST 6.1 Tổ chức CPU Nhiệm vụ CPU: Nhận lệnh (Fetch Instruction): CPU đọc lệnh từ nhớ Giải mã lệnh (Decode Instruction): xác định thao tác mà lệnh yêu cầu Nhận liệu (Fetch Data): nhận liệu từ nhớ cổng vào-ra Xử lý liệu (Process Data): thực phép toán số học hay phép toán logic với liệu Ghi liệu (Write Data): ghi liệu nhớ hay cổng vào-ra cu n u du o n ng th n an co n ng n c om Cấu trúc CPU n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 313 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Đơn vị số học logic (ALU) Tập ghi (RF) bus bên du o ng th an co ng Đơn vị điều khiển (CU) c om Sơ đồ cấu trúc CPU cu u Đơn vị nối ghép bus (BIU) bus điều khiển 2017 bus liệu bus địa Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 314 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Đơn vị số học logic cu u du o ng th n Số học: cộng, trừ, nhân, chia, đảo dấu Logic: AND, OR, XOR, NOT, phép dịch bit co n ng c om Chức năng: Thực phép toán số học phép toán logic: an n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 315 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Mơ hình kết nối ALU c om Dữ liệu từ ghi Dữ liệu đến ghi co ng Đơn vị số học logic (ALU) cu u du o ng th an Các tín hiệu từ đơn vị điều khiển Thanh ghi cờ Thanh ghi cờ: hiển thị trạng thái kết phép toán 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 316 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Đơn vị điều khiển cu u n du o n ng th n ng n Điều khiển nhận lệnh từ nhớ đưa vào CPU Tăng nội dung PC để trỏ sang lệnh Giải mã lệnh nhận để xác định thao tác mà lệnh yêu cầu Phát tín hiệu điều khiển thực lệnh Nhận tín hiệu yêu cầu từ bus hệ thống đáp ứng với yêu cầu co n c om Chức an n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 317 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST c om Mơ hình kết nối đơn vị điều khiển co ng Thanh ghi lệnh th an Các cờ Các tín hiệu điều khiển bên CPU u du o Clock ng Đơn vị điều khiển Các tín hiệu điều khiển đến bus hệ thống cu Các tín hiệu điều khiển từ bus hệ thống Bus điều khiển 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 318 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Các tín hiệu đưa đến đơn vị điều khiển c om ng ng cu n u du o n th an n Clock: tín hiệu nhịp từ mạch tạo dao động bên Lệnh từ ghi lệnh đưa đến để giải mã Các cờ từ ghi cờ cho biết trạng thái CPU Các tín hiệu yêu cầu từ bus điều khiển co n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 319 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Biểu đồ thời gian đường ống lệnh IF ID EX MEM WB IF ID EX MEM WB IF ID EX MEM IF ID EX IF lệnh du o 10 11 12 t WB WB ID EX MEM WB IF ID EX MEM WB IF ID EX MEM WB IF ID EX MEM WB cu lệnh 8 u lệnh ng lệnh MEM th lệnh c om ng lệnh 3 co lệnh 2 an lệnh 1 Thời gian thực công đoạn = T Thời gian thực lệnh: x 5T = 40T Thời gian thực đường ống lệnh: (1 x 5T) + [ (8-1) x T ] = 12T 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 337 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Các mối trở ngại (Hazard) đường ống lệnh Hazard cấu trúc: tài nguyên yêu cầu bận an n ng c om Hazard: Tình ngăn cản bắt đầu lệnh chu kỳ co n th Hazard liệu: cần phải đợi để lệnh trước hoàn thành việc đọc/ghi liệu Hazard điều khiển: rẽ nhánh gây cu u n du o ng n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 338 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Hazard cấu trúc an du o Bởi vậy, datapath kiểu đường ống yêu cầu nhớ lệnh nhớ liệu tách rời (hoặc cache lệnh/cache liệu tách rời) cu u n th n Lệnh Load/store yêu cầu truy cập liệu Nhận lệnh cần trì hỗn cho chu kỳ ng n co ng n Xung đột sử dụng tài nguyên Trong đường ống MIPS với nhớ dùng chung c om n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 339 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Hazard liệu Lệnh phụ thuộc vào việc hoàn thành truy cập liệu lệnh trước c om n cu u du o ng th an co ng add $s0, $t0, $t1 sub $t2, $s0, $t3 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 340 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Forwarding (gửi vượt trước) Sử dụng kết sau tính Khơng đợi đến kết lưu đến ghi Yêu cầu có đường kết nối thêm datapath an cu u du o ng th n co ng n c om n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 341 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Hazard liệu với lệnh load c om Không phải luôn tránh trì hỗn cách forwarding ng cu u du o ng n co n Nếu giá trị chưa tính cần thiết Khơng thể chuyển ngược thời gian Cần chèn bước trì hỗn (stall hay bubble) an n th n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 342 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST c om du o cu stall 0($t0) 4($t0) $t1, $t2 12($t0) 8($t0) $t1, $t4 16($t0) ng $t1, $t2, $t3, $t3, $t4, $t5, $t5, u stall lw lw add sw lw add sw th an co n ng n Lập lịch mã để tránh trì hỗn Thay đổi trình tự mã để tránh sử dụng kết load lệnh Mã C: a = b + e; c = b + f; 13 cycles 2017 lw lw lw add sw add sw $t1, $t2, $t4, $t3, $t3, $t5, $t5, 0($t0) 4($t0) 8($t0) $t1, $t2 12($t0) $t1, $t4 16($t0) 11 cycles Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 343 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Hazard điều khiển Rẽ nhánh xác định luồng điều khiển Nhận lệnh phụ thuộc vào kết rẽ nhánh Đường ống nhận lệnh Vẫn làm công đoạn giải mã lệnh (ID) lệnh rẽ nhánh Với đường ống MIPS Cần so sánh ghi tính địa đích sớm đường ống Thêm phần cứng để thực việc cơng đoạn ID cu u n du o n ng th n an n co ng n c om n n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 344 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Trì hỗn rẽ nhánh c om Đợi kết rẽ nhánh xác định trước nhận lệnh cu u du o ng th an co ng n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 345 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Dự đốn rẽ nhánh c om Những đường ống dài sớm xác định dễ dàng kết rẽ nhánh Chỉ trì hỗn dự đốn sai th n n ng an Dự đoán kết rẽ nhánh Với MIPS Có thể dự đốn rẽ nhánh khơng xẩy Nhận lệnh sau lệnh rẽ nhánh (không làm trễ) n cu u n ng n Cách trì hỗn khơng đáp ứng co n du o n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 346 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST c om MIPS với dự đốn rẽ nhánh khơng xẩy cu Prediction incorrect u du o ng th an co ng Prediction correct 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 347 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Cấu trúc, liệu, điều khiển du o n n co ng Các dạng hazard: Thiết kế tập lệnh ảnh hưởng đến độ phức tạp việc thực đường ống u n th n Thực nhiều lệnh đồng thời Mỗi lệnh có thời gian thực an n ng Kỹ thuật đường ống cải thiện hiệu cách tăng số lệnh thực cu n c om Đặc điểm đường ống 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 348 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Tăng cường khả song song mức lệnh Tăng số công đoạn đường ống c om n Lệnh ng Lệnh co Lệnh Lệnh an Lệnh ng Lệnh cu Lệnh du o Siêu vô hướng (Superscalar) u n th Lệnh Lệnh Lệnh Lệnh Lệnh 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 349 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST 6.4 Thiết kế xử lý theo kiến trúc MIPS(*) c om Dành riêng cho Chương trình Tài Chất lượng cao cu u du o ng th an co ng MIPS.pptx 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 350 https://fb.com/tailieudientucntt co ng c om NKK-HUST cu u du o ng th an Hết chương 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 351 https://fb.com/tailieudientucntt ...NKK-HUST Nội dung học phần cu u du o ng th an co ng c om Chương Giới thiệu chung Chương Cơ logic số Chương Hệ thống máy tính Chương Số học máy tính Chương Kiến trúc tập lệnh Chương Bộ xử lý Chương. .. Chương Bộ nhớ máy tính Chương Hệ thống vào-ra Chương Các kiến trúc song song 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 311 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST c om Nội dung chương cu u... ng 6. 1 Tổ chức CPU 6. 2 Thiết kế đơn vị điều khiển 6. 3 Kỹ thuật đường ống lệnh 6. 4 Ví dụ thiết kế xử lý theo kiến trúc MIPS (*) (*) dành cho Chương trình Tài Chất lượng cao 2017 Kiến trúc máy tính