Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 2: Khối xử lý trung tâm - Hoàng Xuân Dậu
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
BÀI GIẢNG MÔN
KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
CHƯƠNG 2 – KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM
Giảng viên:
Điện thoại/E-mail:
TS. Hoàng Xuân Dậu
Bộ môn:
Khoa học máy tính - Khoa CNTT1
BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
CHƯƠNG 2 – KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM
Học kỳ/Năm biên soạn: Học kỳ 2 năm học 2009-2010
NỘI DUNG
1. Sơ đồ khối tổng quát của CPU
2. Chu trình xử lý lệnh của CPU
3. Các thanh ghi của CPU
4. Bộ điều khiển CU
5. Bộ tính toán số học & logic ALU
6. Bus trong CPU
7. Sơ đồ khối một số CPU
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 2BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY
TÍNH - KHOA CNTT1
BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
CHƯƠNG 2 – KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM
2.1 Sơ đồ khối tổng quát của CPU
CU: Control Unit
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 3BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY
TÍNH - KHOA CNTT1
BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
CHƯƠNG 2 – KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM
CU
A
Y
MAR: Memory Address Register
MBR: Memory Buffer Register
IR
PC
ALU
A
Bus
MAR
MBR
Z
D
Bus
FR
IR: Instruction Register
PC: Program Counter
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 4BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY
TÍNH - KHOA CNTT1
BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
CHƯƠNG 2 – KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM
A: Accumulator Register
Y, Z: Temporary Register
FR: Flag Register
ALU: Arithmetic and
Logic Unit
2.2 Chu trình xử lý lệnh của CPU
1. Khi một chương trình được thực hiện, hệ điều hành (OS -
Operating System) nạp mã chương trình vào bộ nhớ trong;
2. Địa chỉ của ô nhớ chứa lệnh đầu tiên của chương trình
được nạp vào bộ đếm chương trình PC;
3. Địa chỉ ô nhớ chứa lệnh từ PC được chuyển đến bus A
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 5BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY
TÍNH - KHOA CNTT1
BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
CHƯƠNG 2 – KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM
thông qua thanh ghi MAR;
4. Bus A chuyển địa chỉ ô nhớ đến đơn vị quản lý bộ nhớ
(MMU - Memory Management Unit);
5. MMU chọn ra ô nhớ và thực hiện lệnh đọc nội dung ô nhớ;
6. Lệnh (chứa trong ô nhớ) được chuyển ra bus D và tiếp theo
được chuyển tiếp đến thanh ghi MBR;
2.2 Chu trình xử lý lệnh của CPU
7. MBR chuyển lệnh đến thanh ghi lệnh IR; IR chuyển lệnh
vào bộ điều khiển CU;
8. CU giải mã lệnh và sinh các tín hiệu điều khiển cần thiết,
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 6BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY
TÍNH - KHOA CNTT1
BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
CHƯƠNG 2 – KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM
yêu cầu các bộ phận chức năng như ALU thực hiện lệnh;
9. Giá trị địa chỉ trong bộ đếm PC được tăng lên 1 đơn vị và
nó trỏ đến địa chỉ của ô nhớ chứa lệnh tiếp theo;
10.Các bước từ 3-9 được lặp lại với tất cả các lệnh của
chương trình.
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 7BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY
TÍNH - KHOA CNTT1
BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
CHƯƠNG 2 – KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM
2.3 Các thanh ghi của CPU
Thanh ghi (registers) là các ô nhớ bên trong CPU:
. Lưu trữ tạm thời lệnh và dữ liệu cho CPU xử lý;
. Kích thước nhỏ;
. Tốc độ rất cao (bằng tốc độ CPU)
Các CPU cũ (80x86) có 16-32 thanh ghi; các CPU hiện đại
(Pentium 4 và Core Duo) có hàng trăm thanh ghi;
Kích thước thanh ghi phụ thuộc vào thiết kế CPU. Các kích
thước thông dụng của thanh ghi là 8, 16, 32, 64, 128 và 256
bit:
. 8086-80286: 8 và 16 bit
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 8BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY
TÍNH - KHOA CNTT1
BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
CHƯƠNG 2 – KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM
. 80386-Pentium II: 16-32 bit
. Pentium 4, Core Duo: 32, 64 và 128 bit.
2.3.1 Thanh tích luỹ A (Accumulator)
Thanh tích luỹ A là một trong các thanh ghi quan trọng nhất
của hầu hết các CPU:
. A được dùng để chứa toán hạng đầu vào
. A được dùng để chứa kết quả đầu ra
Kích thước của A bằng kích thước từ xử lý của CPU: 8, 16,
32 và 64 bit.
A cũng được sử dụng để trao đổi dữ liệu với các thiết bị vào
ra.
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 9BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY
TÍNH - KHOA CNTT1
BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
CHƯƠNG 2 – KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM
2.3.1 Thanh tích luỹ A (Accumulator)
Ví dụ: tính x + y s
. Nạp toán hạng x vào thanh ghi A
. Nạp toán hạng y vào thanh ghi Y
. ALU thực hiện phép cộng A + Y và lưu kết quả vào thanh ghi Z
.Kết quả phép tính từ Z được chuyển về thanh ghi A.
2.3.2 Bộ đếm chương trình PC
Bộ đếm chương trình PC (Program Counter) hoặc con trỏ
lệnh (IP – Instruction Pointer) luôn chứa địa chỉ của ô nhớ
chứa lệnh được thực hiện tiếp theo;
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 10BỘ MÔN: KHOA HỌC
MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
CHƯƠNG 2 – KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM
PC chứa địa chỉ của ô nhớ chứa lệnh đầu tiên của chương
trình khi nó được kích hoạt và được nạp vào bộ nhớ;
Khi CPU thực hiện xong lệnh, địa chỉ của ô nhớ chứa lệnh
tiếp theo được nạp vào PC;
Kích thước PC phụ thuộc vào thiết kế CPU. Các kích thước
thông dụng là 8, 16, 32 và 64 bit.
2.3.3 Thanh ghi trạng thái FR
Thanh ghi trạng thái (SR - Status Register) hoặc thanh ghi
cờ (FR – Flag Register): mỗi bít của FR lưu trạng thái của
kết quả của phép tính ALU thực hiện;
Hai loại bít cờ:
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 11BỘ MÔN: KHOA HỌC
MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
CHƯƠNG 2 – KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM
. Cờ trạng thái: CF, OF, AF, ZF, PF, SF
. Cờ điều khiển: IF, TF, DF
Các bít cờ thường được sử dụng như là các điều kiện trong
các lệnh rẽ nhánh để tạo logic chương trình;
Kích thước của thanh ghi FR phụ thuộc thiết kế CPU.
2.3.3 Thanh ghi trạng thái FR
ZF: Cờ Zero, ZF=1 nếu kết quả=0 và ZF=0 nếu kết quả<>0.
SF: Cờ dấu, SF=1 nếu kết quả âm và SF=0 nếu kết quả dương.
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 12BỘ MÔN: KHOA HỌC
MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
CHƯƠNG 2 – KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM
CF: Cờ nhớ, CF=1 nếu có nhớ/mượn, CF=0 trong trường hợp khác.
AF: Cờ nhớ phụ, AF=1 nếu có nhớ/mượn ở nửa thấp của toán hạng.
OF: Cờ tràn, OF=1 nếu xảy ra tràn, OF=0 trong trường hợp khác.
PF: Cờ chẵn lẻ, PF=1 nếu tổng số bit 1 trong kết quả là lẻ và PF=0 nếu
tổng số bit 1 trong kết quả là chẵn.
IF: Cờ ngắt, IF=1: cho phép ngắt, IF=0: cấm ngắt.
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 13BỘ MÔN: KHOA HỌC
MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
2.3.3 ThanhCgHƯhƠiNtGrạ2 –nKgHỐtIhXỬáiLÝFTRRUNcGủTaÂM8086
2.3.4 Con trỏ ngăn xếp SP
Ngăn xếp là bộ nhớ đặc biệt hoạt động theo nguyên lý
vào sau ra trước (LIFO);
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 14BỘ MÔN: KHOA HỌC
MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
CHƯƠNG 2 – KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM
Con trỏ ngăn xếp SP (Stack Pointer) là một thanh
SP
ghi luôn chứa địa chỉ đỉnh ngăn xếp;
thao tác chính với ngăn xếp:
Hai
. Push: đẩy dữ liệu ra khỏi ngăn xếp
SP SP + 1
{SP} Data
Stack
. Pop: lấy dữ liệu ra khỏi ngăn xếp
Register {SP}
SP SP - 1
2.3.5 Các thanh ghi tổng quát
Các thanh ghi tổng quát (General Purpose Registers) là các
thanh ghi đa năng, có thể được sử dụng cho nhiều mục
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 15BỘ MÔN: KHOA HỌC
MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
CHƯƠNG 2 – KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM
đích:
. Được dùng để chứa toán hạng đầu vào
. Được dùng để chứa kết quả đầu ra
Ví dụ: CPU Intel 8086 có 4 thanh ghi tổng quát:
. AX: Thanh tích luỹ
. BX: Thanh ghi cơ sở
. CX: Thanh đếm
. DX: Thanh ghi dữ liệu
2.3.5 Thanh ghi lệnh IR
Thanh ghi lệnh IR (Instruction register) lưu lệnh đang thực
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 16BỘ MÔN: KHOA HỌC
MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
CHƯƠNG 2 – KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM
hiện;
IR nhận lệnh từ MBR và chuyển đến CU giải mã và thực
hiện.
MBR
IR
CU
2.3.6 Các thanh ghi MAR và MBR
MAR – Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ (Memory address register):
. Là giao diện giữa CPU và bus A
. Nhận địa chỉ ô nhớ chứa lệnh tiếp theo từ PC và chuyển tiếp
ra bus A.
MBR – Thanh ghi đệm dữ liệu (Memory buffer register):
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 17BỘ MÔN: KHOA HỌC
MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
CHƯƠNG 2 – KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM
. Là giao diện giữa CPU và bus D
. Nhận lệnh từ bus D và chuyển tiếp đến IR thông qua bus trong
CPU.
2.3.7 Các thanh ghi tạm thời
CPU thường sử dụng một số thanh ghi tạm thời để:
. Để chứa toán hạng đầu vào
. Để chứa kết quả đầu ra
. Hỗ trợ xử lý song song (thực hiện nhiều lệnh cùng một thời
điểm)
. Hỗ trợ thực hiện lệnh trong cơ chế thực hiện lệnh tiên tiến kiểu
không theo trật tự (OOO – Out Of Order execution).
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 18BỘ MÔN: KHOA HỌC
MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
CHƯƠNG 2 – KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM
2.4 Đơn vị điều khiển CU
Internal
control
signal
External
control
signal
Control Unit
ALU
Flags
CLK
CU
IR
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 19BỘ MÔN: KHOA HỌC
MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
BÀI GIẢNG MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
CHƯƠNG 2 – KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM
2.4 Đơn vị điều khiển CU
Đơn vị điều khiển CU (Control Unit) điều khiển toàn bộ các
hoạt động của CPU theo xung nhịp đồng hồ; CU nhận 3
tín hiệu đầu vào:
. Lệnh từ IR
. Giá trị các cờ trạng thái
. Xung đồng hồ
CU sinh 2 nhóm tín hiệu đầu ra:
. Nhóm tín hiệu điều khiển các bộ phận bên trong CPU;
. Nhóm tín hiệu điều khiển các bộ phận bên ngoài CPU
CU sử dụng nhịp đồng hồ để đồng bộ các đơn vị chức năng
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU Trang 20BỘ MÔN: KHOA HỌC
MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
Tải về để xem bản đầy đủ
39 trang
21801
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 2: Khối xử lý trung tâm - Hoàng Xuân Dậu", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_kien_truc_may_tinh_chuong_2_khoi_xu_ly_trung_tam_h.pdf
