Bài giảng Kiến trúc máy tính Chương 11b

LOGO KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Chương 11: BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM (Central Processing Unit – CPU) 1/86 Chương 11 BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM 11.1 Cấu trúc CPU 11.2 Chế độ địa 11.3 Hoạt động CPU 11.4 11.5 Kiến trúc máy tính Các kỹ thuật tiên tiến xử lý Kiến trúc Intel 2/86 11.1 Cấu trúc 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 Kiến trúc máy tính 3/86 11.1 Cấu trúc CPU Kiến trúc máy tính 4/86 11.1 Cấu trúc CPU a Đơn vị điều khiển (CU)  Chức năng:    Điều khiển nhận lệnh từ nhớ đưa vào ghi lệnh 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 u cầu Kiến trúc máy tính 5/86 11.1 Cấu trúc CPU a khiển (CU)(CU) a Đơn Đơnvịvịđiều điều khiển  Mơ hình kết nối đơn vị điều khiển: Kiến trúc máy tính 6/86 11.1 Cấu trúc CPU a khiển (CU)(CU) a Đơn Đơnvịvịđiều điều khiển  Các tín hiệu đưa đến đơn vị điều khiển:  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 Kiến trúc máy tính 7/86 11.1 Cấu trúc CPU a khiển (CU)(CU) a Đơn Đơnvịvịđiều điều khiển  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 Kiến trúc máy tính 8/86 11.1 Cấu trúc CPU b 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 Kiến trúc máy tính 9/86 11.1 Cấu trúc CPU Đơn vị số học logic (ALU) b.b Đơn vị số học logic (ALU)  Mơ hình kết nối ALU: Kiến trúc máy tính 10/86 11.3 Hoạt động CPU b Đường ống lệnh Các xung đột đường ống lệnh  Xung đột cấu trúc: nhiều công đoạn dùng chung tài nguyên (thêm phận chức cần thiết hữu hiệu)  Xung đột liệu: lệnh sau sử dụng kết lệnh trước (một phận phần cứng dùng để đưa kết từ ngõ ALU trực tiếp vào ghi ngõ vào)  Xung đột điều khiển: rẽ nhánh gây (đóng băng kỹ thuật ống dẫn chu kỳ) Kiến trúc máy tính 43/86 11.4 Các kỹ thuật tiên tiến xử lý a Cấu trúc chung xử lý tiên tiến b Các kiến trúc song song mức lệnh c Kiến trúc RISC Kiến trúc máy tính 44/86 11.4 Các kỹ thuật tiên tiến xử lý a Cấu trúc chung BXL tiên tiến Kiến trúc máy tính 45/86 11.4 Các kỹ thuật tiên tiến xử lý Các đơn vị xử lý liệu  Các đơn vị số nguyên (Integer Unit – IU)  Các đơn vị số dấu chấm động (Floating Point Unit – FPU)  Các đơn vị chức đặc biệt:  Đơn vị xử lý liệu âm  Đơn vị xử lý liệu hình ảnh  Đơn vị xử lý liệu vector Kiến trúc máy tính 46/86 11.4 Các kỹ thuật tiên tiến xử lý Bộ nhớ cache  Được tích hợp chip vi xử lý  Thường bao gồm mức Cache:  Cache L1 gồm phần tách rời:    Cache lệnh Cache liệu → giải xung đột nhận lệnh liệu Cache L2: dùng chung cho lệnh liệu Kiến trúc máy tính 47/86 11.4 Các kỹ thuật tiên tiến xử lý Đơn vị quản lý nhớ  Chuyển đổi địa ảo thành địa vật lý  Cung cấp chế phân trang phân đoạn  Cung cấp chế độ bảo vệ nhớ Kiến trúc máy tính 48/86 11.4 Các kỹ thuật tiên tiến xử lý b Kiến trúc song song mức lệnh  Siêu đường ống (Superpipeline Hyperpipeline)  Siêu vô hướng (Superscalar)  Từ lệnh dài – VLIW (Very Long Instruction Word) Kiến trúc máy tính 49/86 11.4 Các kỹ thuật tiên tiến xử lý Kiến trúc máy tính 50/86 11.4 Các kỹ thuật tiên tiến xử lý VLIW (Very Long Instruction Word) Kiến trúc máy tính 51/86 11.4 Các kỹ thuật tiên tiến xử lý c Kiến trúc RISC  CISC RISC:   CISC – Complex Instruction Set Computer:  Máy tính có tập lệnh phức tạp  VD: xử lý 80x86 RISC – Reduced Instruction Set Computer:  Máy tính có tập lệnh rút gọn  VD: xử lý Sun SPARC, Power PC, Kiến trúc máy tính 52/86 11.4 Các kỹ thuật tiên tiến xử lý Các đặc trưng RISC  Số lượng lệnh  Các lệnh có thời gian thực chu kỳ máy  Độ dài lệnh (32 bit)  Có khn dạng lệnh (≤ 4)  Có chế độ địa hóa tốn hạng (≤ 4)  Có nhiều ghi  Các lệnh chủ yếu thao tác ghi với ghi  Truy cập nhớ thông qua lệnh LOAD STORE Kiến trúc máy tính 53/86 11.5 Kiến trúc Intel  Các xử lý bit: 4004, 4040  Các xử lý bit: 8008, 8080, 8085  Các xử lý 16 bit: 8086, 8088, 80186, 80188, 80286  Các xử lý 32 bit: họ 80386, 80486, họ Pentium I, II, III,  Các xử lý 64 bit: Itanium, Itanium 2, Pentium D, Xeon, Intel Core Kiến trúc máy tính 54/86 11.5 Kiến trúc Intel a Kiến trúc 16 bit (IA-16)  Các ghi bên trong: 16 bit  Xử lý phép toán số nguyên với 16 bit  Quản lý nhớ theo đoạn 64KB  Là kiến trúc mở đầu cho dịng máy tính IBM-PC Kiến trúc máy tính 55/86 11.4 Các kỹ thuật tiên tiến xử lý b Kiến trúc 32 bit (IA-32)  Các ghi bên trong: 32 bit  Xử lý phép toán số nguyên với 32 bit  Có chế độ làm việc:  Chế độ 8086 thực (Real 8086 mode): làm việc xử lý 8086  Chế độ 8086 ảo (Virtual mode): làm việc nhiều xử lý 8086 (đa nhiệm 16-bit)  Chế độ bảo vệ (Protected mode):  Đa nhiệm 32 bit  Quản lý nhớ ảo  Xử lý phép toán số dấu chấm động (từ 80486) Kiến trúc máy tính 56/86 11.4 Các kỹ thuật tiên tiến xử lý c Kiến trúc 64 bit (IA-64)  Các ghi bên trong: 64 bit  Xử lý phép toán số nguyên với 64 bit  Xử lý phép toán số dấu chấm động  Khơng tương thích phần cứng với phận trước  Tương thích phần mềm cách giả lập môi trường Kiến trúc máy tính 57/86 ... ống dẫn chu kỳ) Kiến trúc máy tính 43/86 11.4 Các kỹ thuật tiên tiến xử lý a Cấu trúc chung xử lý tiên tiến b Các kiến trúc song song mức lệnh c Kiến trúc RISC Kiến trúc máy tính 44/86 11.4 Các... Instruction Word) Kiến trúc máy tính 49/86 11.4 Các kỹ thuật tiên tiến xử lý Kiến trúc máy tính 50/86 11.4 Các kỹ thuật tiên tiến xử lý VLIW (Very Long Instruction Word) Kiến trúc máy tính 51/86 ... phép dịch quay bit Kiến trúc máy tính 9/86 11.1 Cấu trúc CPU Đơn vị số học logic (ALU) b.b Đơn vị số học logic (ALU)  Mô hình kết nối ALU: Kiến trúc máy tính 10/86 11.1 Cấu trúc CPU c Các ghi