Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 6: Bộ xử lý - Nguyễn Kim Khánh
NKK-HUST
Kiến trúc máy tính
Chương 6
BỘ XỬ LÝ
Nguyễn Kim Khánh
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
2017
Kiến trúc máy tính
310
NKK-HUST
Nội dung học phần
Chương 1. Giới thiệu chung
Chương 2. Cơ bản về logic số
Chương 3. Hệ thống máy tính
Chương 4. Số học máy tính
Chương 5. Kiến trúc tập lệnh
Chương 6. Bộ xử lý
Chương 7. Bộ nhớ máy tính
Chương 8. Hệ thống vào-ra
Chương 9. Các kiến trúc song song
2017
Kiến trúc máy tính
311
NKK-HUST
Nội dung của chương 6
6.1. Tổ chức của CPU
6.2. Thiết kế đơn vị điều khiển
6.3. Kỹ thuật đường ống lệnh
6.4. Ví dụ thiết kế bộ xử lý theo kiến trúc
MIPS (*)
(*) dành cho Chương trình Tài năng và Chất lượng cao
2017
Kiến trúc máy tính
312
NKK-HUST
6.1. Tổ chức của CPU
1. Cấu trúc cơ bản của CPU
n Nhiệm vụ của CPU:
n
n
n
n
n
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
2017
Kiến trúc máy tính
313
NKK-HUST
Sơ đồ cấu trúc cơ bản của CPU
Đơn vị
Đơn vị
điều khiển
(CU)
Tập
thanh ghi
(RF)
số học
và logic
(ALU)
bus bên trong
Đơn vị nối ghép bus (BIU)
bus địa chỉ
bus điều khiển bus dữ liệu
2017
Kiến trúc máy tính
314
NKK-HUST
2. Đơn vị số học và logic
n Chức năng: Thực hiện các phép toán
số học và phép toán logic:
n
Số học: cộng, trừ, nhân, chia, đảo dấu
n
Logic: AND, OR, XOR, NOT, phép dịch bit
2017
Kiến trúc máy tính
315
NKK-HUST
Mô hình kết nối ALU
Dữ liệu từ
Dữ liệu đến
các thanh ghi
các thanh ghi
Đơn vị
số học và logic
(ALU)
Các tín hiệu
từ đơn vị
điều khiển
Thanh ghi cờ
Thanh ghi cờ: hiển thị trạng thái của kết quả phép toán
2017
Kiến trúc máy tính
316
NKK-HUST
3. Đơn vị điều khiển
n Chức năng
n
n
n
Điều khiển nhận lệnh từ bộ nhớ đưa vào CPU
Tăng nội dung của PC để trỏ sang lệnh kế tiếp
Giải mã lệnh đã được nhận để xác định thao
tác mà lệnh yêu cầu
n
n
Phát ra các tín hiệu điều khiển thực hiện lệnh
Nhận các tín hiệu yêu cầu từ bus hệ thống và
đáp ứng với các yêu cầu đó.
2017
Kiến trúc máy tính
317
NKK-HUST
Mô hình kết nối đơn vị điều khiển
Thanh ghi lệnh
Các tín hiệu
Các cờ
điều khiển
bên trong CPU
Đơn vị điều khiển
Clock
Các tín hiệu
điều khiển từ
bus hệ thống
Các tín hiệu
điều khiển đến
bus hệ thống
Bus điều khiển
2017
Kiến trúc máy tính
318
NKK-HUST
Các tín hiệu đưa đến đơn vị điều khiển
n Clock: tín hiệu nhịp từ mạch tạo dao
động bên ngoài
n Lệnh từ thanh ghi lệnh đưa đến để giải
mã
n Các cờ từ thanh ghi cờ cho biết trạng
thái của CPU
n Các tín hiệu yêu cầu từ bus điều khiển
2017
Kiến trúc máy tính
319
NKK-HUST
Các tín hiệu phát ra từ đơn vị điều khiển
n Các tín hiệu điều khiển bên trong CPU:
n
Điều khiển các thanh ghi
Điều khiển ALU
n
n Các tín hiệu điều khiển bên ngoài CPU:
n
Điều khiển bộ nhớ
n
Điều khiển các mô-đun vào-ra
2017
Kiến trúc máy tính
320
NKK-HUST
4. Hoạt động của chu trình lệnh
Chu trình lệnh
n Nhận lệnh
n Giải mã lệnh
n Nhận toán hạng
n Thực hiện lệnh
n Cất toán hạng
n Ngắt
2017
Kiến trúc máy tính
321
NKK-HUST
Giản đồ trạng thái chu trình lệnh
Nhận
toán hạng
Cất
toán hạng
Nhận lệnh
Nhiều
Nhiều
toán
toán
hạng
hạng
Có
ngắt
Tính
địa chỉ
của lệnh
Giải mã
thao tác
lệnh
Tính
địa chỉ
toán hạng
Tính
địa chỉ
toán hạng
Thao tác
dữ liệu
Kiểm tra
ngắt
Ngắt
Không
ngắt
Quay lại với dữ liệu
String hoặc Vector
Lệnh hoàn thành,
nhận lệnh tiếp theo
2017
Kiến trúc máy tính
322
NKK-HUST
Nhận lệnh
n CPU đưa địa chỉ của lệnh cần nhận từ bộ
đếm chương trình PC ra bus địa chỉ
n CPU phát tín hiệu điều khiển đọc bộ nhớ
n Lệnh từ bộ nhớ được đặt lên bus dữ liệu
và được CPU copy vào thanh ghi lệnh IR
n CPU tăng nội dung PC để trỏ sang lệnh
kế tiếp
2017
Kiến trúc máy tính
323
NKK-HUST
Sơ đồ mô tả quá trình nhận lệnh
CPU
PC
Bộ nhớ
Đơn vị
điều khiển
IR
Bus Bus Bus
địa dữ điều
chỉ liệu khiển
PC: Bộ đếm chương trình
IR: Thanh ghi lệnh
2017
Kiến trúc máy tính
324
NKK-HUST
Giải mã lệnh
n Lệnh từ thanh ghi lệnh IR được đưa
đến đơn vị điều khiển
n Đơn vị điều khiển tiến hành giải mã lệnh
để xác định thao tác phải thực hiện
n Giải mã lệnh xảy ra bên trong CPU
2017
Kiến trúc máy tính
325
NKK-HUST
Nhận dữ liệu từ bộ nhớ
n CPU đưa địa chỉ của toán hạng ra bus
địa chỉ
n CPU phát tín hiệu điều khiển đọc
n Toán hạng được đọc vào CPU
n Tương tự như nhận lệnh
2017
Kiến trúc máy tính
326
NKK-HUST
Sơ đồ mô tả nhận dữ liệu từ bộ nhớ
CPU
MAR
Đơn vị
điều khiển
Bộ nhớ
MBR
Bus Bus Bus
địa dữ điều
chỉ liệu khiển
MAR: Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ
MBR: Thanh ghi đệm bộ nhớ
2017
Kiến trúc máy tính
327
NKK-HUST
Thực hiện lệnh
n Có nhiều dạng tuỳ thuộc vào lệnh
n Có thể là:
n
n
n
n
n
n
Đọc/Ghi bộ nhớ
Vào/Ra
Chuyển giữa các thanh ghi
Phép toán số học/logic
Chuyển điều khiển (rẽ nhánh)
...
2017
Kiến trúc máy tính
328
NKK-HUST
Ghi toán hạng
n CPU đưa địa chỉ ra bus địa chỉ
n CPU đưa dữ liệu cần ghi ra bus dữ liệu
n CPU phát tín hiệu điều khiển ghi
n Dữ liệu trên bus dữ liệu được copy đến
vị trí xác định
2017
Kiến trúc máy tính
329
Tải về để xem bản đầy đủ
42 trang
12/04/2022
4680
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 6: Bộ xử lý - Nguyễn Kim Khánh", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_kien_truc_may_tinh_chuong_6_bo_xu_ly_nguyen_kim_kh.pdf
