Bài giảng Kiến trúc máy tính (Computer Architecture) - Chương 4: Bộ xử lý trung tâm CPU

Bài giảng Kiến trúc máy tính (Computer Architecture) - Chương 4: Bộ xử lý trung tâm CPU cung cấp cho học viên những kiến thức về cấu trúc cơ bản của CPU, kiến trúc tập lệnh, hoạt động của CPU, đơn vị số học và logic (ALU),... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!

Chương Bộ xử lý trung tâm CPU Mục tiêu    Nhận biết thành phần đơn vị xử lý trung tâm (CPU) chức chúng Hiểu vai trò thành CPU mối quan hệ với việc xử lý thông tin Kiến trúc tập lệnh CPU Nội dung    Cấu trúc CPU Kiến trúc tập lệnh Hoạt động CPU 4.1 Cấu trúc CPU      Control Unit - CU Arithmetic and Logic Unit - ALU Register File – RF Bus Interface Unit BIU Local Bus (Internal Bus) Đơn vị số học logic (ALU)  Chức năng: Thực phép toán số học phép toán logic:  Số học: cộng, trừ, tăng, giảm, bù hai, so sánh  Logic: AND, OR, NOT, XOR, NOR, phép dịch bit Mơ hình kết nối ALU Các khối bên ALU = Bộ cộng Bộ trừ Bộ dịch Bù hai Tăng Giảm OR AND NOT XOR NOR Bộ cộng sử dụng máy tính điện tử Bộ cộng hai số nhị phân n bit: Bộ cộng sử dụng máy tính điện tử Bộ bán tổng a0 b0 Half-Adder Bộ cộng đầy đủ bit S0 c1 Thanh ghi Thanh ghi nhớ bên CPU  Vùng nhớ CPU nhận biết qua tên ghi  Ví dụ: Bảng mã ghi VXL 8086  10 Thực lệnh  Có nhiều dạng tuỳ thuộc vào lệnh:      Đọc/Ghi với nhớ cổng vào/ra Chuyển liệu ghi Thao tác số học/logic Lệnh rẽ nhánh Lệnh điều khiển hệ thống 124 Cất toán hạng  Địa toán hạng  MAR  bus địa  Dữ liệu  MBR  bus liệu  CPU phát tín hiệu điều khiển ghi  Dữ liệu bus liệu  Bộ nhớ 125 Ví dụ  Thanh ghi tích lũy A =10H  Địa lệnh ADD A,[107AH]  PC  Mã lệnh ADD A,[107AH]  MBR  IR  Đọc ngăn nhớ [107AH] (20H)  MBR  Y  A (10H) + Y (20H)  Z (30H)  Z (30H)  A (30H) Mã lệnh …………… [107AH]=20H …………… 126 Ngắt  PC  bus liệu  SP  SP-1  SP  MAR  Ngăn xếp  CPU phát tín hiệu điều khiển ghi nhớ  Nội dung PC ghi vào ngăn xếp  Địa lệnh chương trình điều khiển ngắt  PC 127 Kỹ thuật đường ống (Pipeline)  Là kỹ thuật làm cho giai đoạn khác nhiều lệnh thi hành lúc  Giả sử lệnh thực khoảng thời gian nhau, lệnh chia làm giai đoạn thực thi phần tử xử lý độc lập       Nhận lệnh (Fetch Instruction - FI) Giải mã lệnh (Decode Instruction - DI) Tính địa toán hạng (Calculate Operand Address-CO) Nhận toán hạng (Fetch Operands - FO) Thực lệnh (Execute Instruction - EI) Cất toán hạng (Write Operands - WO) 128 Biểu đồ thời gian đường ống lệnh 129 Nhận xét  Với kiểu xử lý lệnh thông thường, lệnh thực 48 chu kỳ xung nhịp  Với kỹ thuật xử lý ống dẫn, lệnh thực vòng 13 chu kỳ xung nhịp   Kỹ thuật ống dẫn làm tăng tốc độ thực lệnh 130 Các xung đột kỹ thuật đường ống  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 131 Các xung đột kỹ thuật đường ống  Ví dụ xung đột cấu trúc 132 Các xung đột kỹ thuật đường ống  Ví dụ xung đột liệu   Lệnh 1: ADD R2, R3, R4  R2 = R3 + R4 Lệnh 2: ADD R5, R2, R1  R5 = R2 + R1 133 Các xung đột kỹ thuật đường ống  Ví dụ xung đột rẽ nhánh Lệnh rẽ nhánh 134 Bài tập 1) Tìm hiểu RISC (Reduced Instruction Set Computer) CISC (Complex Instruction Set Computer) 2) Lệnh MOV AL, [SI + 13H]  Đọc byte liệu từ nhớ có địa logic địa vật lý bao nhiêu? Biết: DS = F000H, CS = 0001H, SS = 0030H, SI = 0001H 135 Bài tập 3) Cho biết giá trị AX, BX sau đoạn lệnh: MOV AX, 1234H MOV BX, 5678H XOR AX, BX ADD AL, AH 4) Viết chương trình tính: F = (A – B.C)/(D + E/G) a) Chỉ sử dụng lệnh địa b) Chỉ sử dụng lệnh địa c) Chỉ sử dụng lệnh địa 136 Bài tập  Các lệnh địa chỉ:      ADD R, X, Y SUB R, X, Y MPY R, X, Y DIV R, X, Y (R (R (R (R      X + Y) X - Y) X Y) X/ Y) Các lệnh địa chỉ:      ADD R, X SUB R, X MPY R, X DIV R, X MOV R, X (R (R (R (R (R      R + X) R - X) R X) R/ X) X) Các lệnh địa chỉ:         LOAD X STOR M ADD X ADD M SUB X SUB M DIV X DIV M (AC  X) (M  AC) (AC  AC + X) (AC  AC + M) (AC  AC - X) (AC  AC- M) (AC  AC/ X) (AC  AC/ M) 137 Hết chương 138 ... vị xử lý trung tâm (CPU) chức chúng Hiểu vai trò thành CPU mối quan hệ với việc xử lý thông tin Kiến trúc tập lệnh CPU Nội dung    Cấu trúc CPU Kiến trúc tập lệnh Hoạt động CPU 4.1 Cấu trúc. .. ALU = Bộ cộng Bộ trừ Bộ dịch Bù hai Tăng Giảm OR AND NOT XOR NOR Bộ cộng sử dụng máy tính điện tử Bộ cộng hai số nhị phân n bit: Bộ cộng sử dụng máy tính điện tử Bộ bán tổng a0 b0 Half-Adder...  Bộ nhớ thường chia thành đoạn (segment) khác dành riêng để:  Đoạn chứa mã chương trình  Đoạn chứa liệu kết trung gian chương trình  Đoạn đặc biệt (gọi ngăn xếp) dùng vào việc quản lý