3. Cấu trúc và tính năng của một số chíp vi xử lý hiện đại
3.1 Cấu trúc chip Vi xử lý Pentium
Pentium là loại đơn vị xử lý trung tâm 32 bit và là loại đơn vị xử lý trung tâm đầu tiên sử dụng kỹ thuật ILP (lnstruction Level Pararellism), kỹ thuật xử lý lệnh song song.
Kỹ thuật đường ống và kỹ thuật xử lý lệnh song song ILP Một lệnh thường được xử lý qua năm giai đoạn:
1. Nhập lệnh (FI Fetch the Instruction) 2. Giải mã lệnh (DI Decode the Instruction)
3. Tạo địa chỉ toán hạng (GOA Generate Operand Address) 4. Nhập toán hạng (FO Fetch Operands)
5. Thực hiện lệnh (EI Execute Instruction)
Với kỹ thuật xử lý lệnh thông thường, đơn vị xử lý trung tâm phải tuần tự thực hiện xong tất cả các giai đoạn thực hiện một lệnh, thường là sau 5 chu kỳ máy, rồi mới chuyển sang nhập và thực hiện lệnh tiếp theo. Dễ tăng tốc độ xử lý lệnh mà không nhất thiết phải tăng tần số nhịp của máy, người ta sử dụng các kỹ thuật khác như kỹ thuật xử lý lệnh kiểu đường ống (Pipeline) và kỹ thuật xử lý lệnh song song (ILP).
- Kỹ thuật xử lý lệnh kiểu đường ống (Pipeline)
Kỹ thuật xử lý lệnh kiểu đường ống được sử dụng trong các đơn vị xử lý trung tâm từ đời đơn vị xứ lý trung tâm Intel 8086.
Chu kỳ máy
Hình 2.32 Chu kỳ máy
-Đường ống tương tự như dây chuyền sản xuất nhiều công đoạn. Ở dây chuyền sản xuất, mỗi công đoạn thực hiện một thao tác sản xuất. Sản phẩm được chuyển và hình thành dần sau mỗi công đoạn sản xuất, cho đến khi được hoàn thành ở công đoạn cuối cùng. Trong kỹ thuật xử lý lệnh theo kiểu đường ống, việc thực hiện lệnh cũng được thực hiện qua 5 thao tác, mỗi thao tác được thực hiện trong một giai đoạn, giai đoạn này tiếp sau giai đoạn kia, cho đến khi thực hiện xong lệnh. Với một đường ống 5-giai đoạn, tại mỗi chu kỳ máy có 5 bộ dữ liệu thuộc 5 giai đoạn xử lý được gửi vào đường ống và 5 thao tác được thực hiện đồng thời, nhờ vậy mà sau mỗi chu kỳ máy lại có một lệnh được hoàn thành và một lệnh mới được nhập. Kỹ thuật đường ống với đường ống 5-giai đoạn cho phép tăng tốc độ thực hiện lệnh lên gấp 5 lần.
-Kỹ thuật ILP (xử lý lệnh song song). Kỹ thuật ILP là kỹ thuật thiết kế đơn vị xử lý trung tâm và chương trình dịch nhằm làm tăng tốc độ các thao tác máy (như ghi-đọc bộ nhớ) và thực hiện các phép tính. Trong các kỹ thuật ILP có kỹ thuật superscalar, trong đó tại một chu kỳ máy nhiều lệnh được nhập và được thực hiện đồng thời trên nhiều đường ống khác nhau.
-Pentium là loại đơn vị xử lý trung tâm được thiết kế theo kỹ thuật superscalar, trong đó hai lệnh được nhập và giải mã đồng thời. Pentium có hai đường ống thực hiện lệnh song song U và V. Quá trình thực hiện lệnh được mô tả như hình 2.34
Chu kỳ máy:
Hình 2.33 Chu kỳ máy
Hình 2.34. Cấu trúc trung tâm Vi xử là Pentium
-Pentium là đơn vị xử lý trung tâm loại 32bit và là đơn vị xử lý trung tâm loại CISC (Complex Instruction Set Computer) với đặc điểm: hệ lệnh
phức tạp, nhiều kiểu xác định địa chỉ, nhiều khuôn dạng lệnh và nhiều kích thước lệnh khác nhau.
-Pentium có BUS địa chỉ trong và ngoài 32 bit, BUS dữ liệu trong và ngoài 64 bit. Pentium có hai cache 8 Kbyte độc lập: một cache 8 Kbyte 2 cổng dành cho dữ liệu và một cache 8 Kbyte chứa lệnh. Pentium có hai đường ống thực hiện lệnh song song U và V, và 2 đơn vị số học-logic ALU. Pentium có một đường ống riêng thực hiện các lệnh dấu phẩy động và một bộ đồng xử lý dấu phẩy động FPU được tích hợp trong chip.
Pentium có các thanh ghi sau:
Các thanh ghi hệ thống:
- Các thanh ghi điều khiển 32 bit: CR0, CR1, CR2, CR3.
- Các thanh ghi hệ thống quản lý bộ nhớ:
GDTR: Thanh ghi bảng mô tả toàn cục (Global Descriptor Table Register) LDTR: Thanh ghi bảng mô tả cục bộ (Local Descriptor Table Register) IDTR: Thanh ghi bảng mô tả ngắt (Interrupt Descriptor Table Register) TR: Thanh ghi nhiệm vụ (Task Register)
- Các thanh ghi đoạn 16 bit (hình 2.35)