Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 11: Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit

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 cơ bản của CPU

Chế độ địa chỉ

11.2

11.3

11.4

Hoạt động của CPU

Các kỹ thuật tiên tiến của bộ xử lý

Kiến trúc Intel

11.5

Kiến trúc máy tính

2/86

11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU

Nhiệm vụ của CPU

 Nhận lệnh (Fetch Instruction): CPU đọc lệnh từ bộ

nhớ.

 Giải mã lệnh (Decode Instruction): xác định thao tác mà lệnh yêu

cầu.

 Nhận dữ liệu (Fetch Data): nhận dữ liệu từ bộ nhớ

hoặc các cổng vào-ra.

 Xử lý dữ liệu (Process Data): thực hiện phép toán số học hay

phép toán logic với các dữ liệu.

 Ghi dữ liệu (Write Data): ghi dữ liệu ra bộ nhớ hay

cổng vào-ra

Kiến trúc máy tính

3/86

11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU

Kiến trúc máy tính

4/86

11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU

a. Đơn vị điều khiển (CU)

 Chức năng:

 Điều khiển nhận lệnh từ bộ nhớ đưa vào thanh ghi lệnh và tăng nội dung của

PC để trỏ sang lệnh kế tiếp.

 Giải mã lệnh nằm trong thanh ghi lệnh để xác định thao tác cần thực hiện và

phát ra tín hiệu điều khiển thực hiện lệnh đó.

 Nhận tín hiệu yêu cầu từ bus hệ thống và đáp ứng với các yêu cầu đó.

Kiến trúc máy tính

5/86

11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU

a. Đơn vị điều khiển (CU)

 Mô hình kết nối của đơn vị điều khiển:

Kiến trúc máy tính

6/86

11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU

a. Đơn vị điều khiển (CU)

 Các tín hiệu đưa đến đơn vị điều khiển:

 Mã lệnh từ thanh ghi lệnh đưa đến để giải mã

 Các cờ từ thanh ghi cờ cho biết trạng thái của CPU

 Xung clock từ bộ tạo xung bên ngoài 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 cơ bản của CPU

a. Đơn vị điều khiển (CU)

 Các tín hiệu phát ra từ đơn vị điều khiển:

 Các tín hiệu điều khiển bên trong CPU:

 Điều khiển các thanh ghi

 Điều khiển hoạt động của ALU

 Các tín hiệu điều khiển bên ngoài CPU:

 Điều khiển bộ nhớ chính

 Điều khiển các module vào-ra

Kiến trúc máy tính

8/86

11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU

b. Đơn vị số học và logic (ALU)

 Chức năng: Thực hiện các phép toán số học và các phép toán logic.

 Số học: cộng, trừ, nhân, chia, tăng, giảm, đảo dấu, …

 Logic: AND, OR, XOR, NOT, các phép dịch và quay bit

Kiến trúc máy tính

9/86

11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU

b. Đơn vị số học và logic (ALU)

 Mô hình kết nối của ALU:

Kiến trúc máy tính

10/86

11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU

c. Các thanh ghi

 Chức năng và đặc điểm:

 Tập hợp các thanh ghi nằm trong CPU

 Chứa các thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động ở thời điểm hiện tại của

CPU

 Được coi là mức đầu tiên của hệ thống nhớ

 Tuỳ thuộc vào bộ xử lý cụ thể

 Số lượng thanh ghi nhiều  tăng hiệu năng của CPU

 Có hai loại thanh ghi:

 Các thanh ghi lập trình được

 Các thanh ghi không lập trình được

Kiến trúc máy tính

11/86

11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU

c. Các thanh ghi

Các thanh ghi địa chỉ

 Bộ đếm chương trình (Program Counter – PC)

 Con trỏ dữ liệu (Data Pointer – DP)

 Con trỏ ngăn xếp (Stack Pointer – SP)

 Thanh ghi cơ sở và thanh ghi chỉ số (Base Register & Index Register)

Các thanh ghi dữ liệu

Thanh ghi trạng thái

Kiến trúc máy tính

12/86

11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU

c. Các thanh ghi

Thanh ghi PC

Còn gọi là con trỏ lệnh

(Instruction Pointer - IP)

Là thanh ghi chứa địa chỉ của lệnh

tiếp theo sẽ được nhận vào.

Sau khi một lệnh được nhận vào

thì nội dung của PC tự động tăng

để trỏ sang lệnh kế tiếp nằm ngay

sau lệnh vừa được nhận.

Kiến trúc máy tính

13/86

11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU

c. Các thanh ghi

Thanh ghi con trỏ dữ liệu (DP)

Chứa địa chỉ của ngăn nhớ dữ liệu

mà CPU muốn truy cập.

Thường có một số thanh ghi con trỏ

dữ liệu.

Kiến trúc máy tính

14/86

11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU

c. Các thanh ghi

Con trỏ ngăn xếp (SP)

 Ngăn xếp là vùng nhớ có cấu trúc

 SP chứa địa chỉ của ngăn nhớ đỉnh ngăn

xếp

LIFO (Last In - First Out)

 Khi cất một thông tin vào ngăn xếp:

 Nội dung của SP tự động giảm

 Ngăn xếp thường dùng để phục vụ

cho chương trình con

 Thông tin được cất vào ngăn nhớ được

trỏ bởi SP

 Đáy ngăn xếp là một ngăn nhớ xác

 Khi lấy một thông tin ra khỏi ngăn xếp:

định

 Thông tin được đọc từ ngăn nhớ được

trỏ bởi SP

 Đỉnh ngăn xếp là thông tin nằm ở

 Nội dung của SP tự động tăng

vị trí trên cùng trong ngăn xếp

 Khi ngăn xếp rỗng, SP trỏ vào đáy

 Đỉnh ngăn xếp có thể bị thay đổi

Kiến trúc máy tính

15/86

11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU

c. Các thanh ghi

Minh họa hoạt động của SP

Kiến trúc máy tính

16/86

11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU

c. Các thanh ghi

Thanh ghi cơ sở và thanh ghi chỉ số

 Thanh ghi cơ sở: chứa địa chỉ của ngăn nhớ cơ sở (địa chỉ cơ sở).

Thanh ghi chỉ số: chứa độ lệch địa chỉ giữa ngăn nhớ mà CPU cần

truy cập so với ngăn nhớ cơ sở.

Địa chỉ của ngăn nhớ cần truy cập = địa chỉ cơ sở + chỉ số

Kiến trúc máy tính

17/86

11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU

c. Các thanh ghi

Thanh ghi cơ sở và thanh ghi chỉ số

Kiến trúc máy tính

18/86

11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU

c. Các thanh ghi

Thanh ghi dữ liệu

Chứa các dữ liệu tạm thời hoặc các kết quả trung gian phục vụ cho

việc xử lý dữ liệu của CPU

Cần có nhiều thanh ghi dữ liệu

Các thanh ghi số nguyên: 8, 16, 32, 64 bit

Các thanh ghi số dấu chấm động

Kiến trúc máy tính

19/86

11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU

c. Các thanh ghi

Thanh ghi trạng thái

Còn gọi là thanh ghi cờ (Flag Register)

Chứa các thông tin trạng thái của CPU

 Các cờ phép toán: biểu thị trạng thái của kết quả phép toán

 Các cờ điều khiển: điều khiển chế độ làm việc của CPU

Kiến trúc máy tính

20/86

Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 11: Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit – CPU) - Nguyễn Thị Phương