Bài giảng Kiến trúc máy tính - Tuần 10: Bộ xử lý processor

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

Tuần 10

BỘ XỬ LÝ

PROCESSOR

03/2017

1

BỘ XỬ LÝ

Mục đích:

✓ Hiểu cơ chế thực thi lệnh và các quy ước về thiết kế

logic

✓ Thiết kế Datapath với 8 lệnh cơ bản cho một bộ xử lý và

cách hiện thực thiết kế này.

Slide tham khảo từ:

1. Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface,

Patterson, D. A., and J. L. Hennessy, Morgan Kaufman, Revised Fourth

Edition, 2011.

2. NUS, Singapore

03/2017

2

BỘ XỬ LÝ

1. Giới thiệu

2. Nhắc lại các quy ước thiết kế logic

3. Xây dựng đường dữ liệu (datapath) đơn giản

4. Hiện thực datapath đơn chu kỳ

03/2017

3

Giới thiệu

❖ Hiệu suất của một máy tính được xác định bởi ba yếu tố:

 Tổng số câu lệnh

Được xác định bởi trình biên dịch

và kiến trúc tập lệnh

 Chu kỳ xung clock

Được xác định bởi quá

trình hiện thực bộ xử lý

 Số chu kỳ xung clock trên một lệnh

(Clock cycles per instruction − CPI)

❖ Mục đích chính của chương này:

- Giải thích quy tắc hoạt động và hướng dẫn xây dựng datapath cho một bộ xử lý chứa

một số lệnh đơn giản (giống kiến trúc tập lệnh dạng MIPS), gồm hai ý chính:

• Thiết kế datapath

• Hiện thực datapath đã thiết kế

MIPS (bắt nguồn từ chữ viết tắt của ‘Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages’) là

một kiến trúc tập tập lệnh dạng RISC, được phát triển bởi MIPS Technologies (trước đây là

MIPS Computer Systems, Inc.)

03/2017

4

Giới thiệu

Chương này chỉ xem xét 8 lệnh trong 3 nhóm chính của tập lệnh

MIPS:

▪ Nhóm lệnh tham khảo bộ nhớ (lw và sw)

▪ Nhóm lệnh liên quan đến logic và số học (add, sub, AND, OR, và slt)

▪ Nhóm lệnh nhảy (Lệnh nhảy với điều kiện bằng beq)

03/2017

5

Giới thiệu

Tổng quan các lệnh cần xem xét:

Nhóm lệnh tham khảo bộ nhớ:

Nạp lệnh → Đọc một/hai thanh ghi → Sử dụng ALU → Truy xuất bộ nhớ để đọc/ghi dữ

liệu

Nhóm lệnh logic và số học:

Nạp lệnh → Đọc một/hai thanh ghi → Sử dụng ALU → Ghi dữ liệu vào thanh ghi

Nhóm lệnh nhảy:

Nạp lệnh → Đọc một/hai thanh ghi → Sử dụng ALU → Chuyển đến địa chỉ lệnh tiếp

theo dựa trên kết quả so sánh

03/2017

6

Giới thiệu

Hình ảnh datapath của một bộ xử lý với 8 lệnh MIPS: add, sub, AND, OR, slt,

lw, sw và beq

03/2017

7

BỘ XỬ LÝ

1. Giới thiệu

2. Nhắc lại các quy ước thiết kế logic

3. Xây dựng đường dữ liệu (datapath) đơn giản

4. Hiện thực datapath đơn chu kỳ

03/2017

8

Quy ước thiết kế

Phần này nhắc lại các khái niệm:

❖ Mạch tổ hợp (Combinational): ALU

❖ Mạch tuần tự (Sequential): instruction/data memories và thanh ghi

❖ Tín hiệu điều khiển (Control signal)

❖ Tín hiệu dữ liệu (Data signal)

▪ Asserted (assert): Khi tín hiệu ở mức cao hoặc ‘true’

▪ Deasserted (deassert): Khi tín hiệu ở mức thấp hoặc ‘false’

▪ Edge-triggered clocking (Rising/Falling)

❖ Bus

03/2017

9

BỘ XỬ LÝ

1. Giới thiệu

2. Nhắc lại các quy ước thiết kế logic

3. Xây dựng đường dữ liệu (datapath) đơn giản

4. Hiện thực datapath đơn chu kỳ

03/2017

10

Quy trình thực thi lệnh

◼ Instruction Fetch (tìm nạp lệnh):

Instruction

Fetch

Nạp lệnh từ bộ nhớ (memory)

Địa chỉ của lệnh lưu trong thanh ghi Program

Counter (PC)

Instruction

Decode

◼ Instruction Decode (giải mã lệnh):

Tìm ra lệnh thực hiện

Operand

Fetch

◼ Operand Fetch (tìm nạp toán hạng):

Lấy các toán hạng cần thiết cho lệnh

◼ Execute (thực thi):

Execute

Thực hiện câu lệnh

Result

Write

◼ Result Write (lưu trữ):

Lưu trữ kết quả

11

03/2017

Quy trình thực thi lệnh

◼ Bảng sau mô tả ba giai đoạn thực thi lệnh trong ba nhóm lệnh cơ bản của

MIPS (Giai đoạn Fetch and Decode không được hiển thị)

add $3, $1, $2 lw $3, 20( $1 ) beq $1, $2, label

Fetch &

Decode

standard

o Đọc thanh ghi $1, xem o Đọc thanh ghi $1, xem

như toán hạng opr1 như toán hạng opr1

o Đọc thanh ghi $2, xem o Sử dụng 20 như toán

o Đọc thanh ghi $1, xem như

toán hạng opr1

o Đọc thanh ghi $2, xem như

toán hạng opr2

Operand

Fetch

như toán hạng opr2

hạng opr2

o MemAddr = opr1 + opr2

o Sử dụng MemAddr để

đọc dữ liệu từ bộ nhớ

Taken = (opr1 == opr2 )?

Target = PC + Label*

Execute Result = opr1 + opr2

Dữ liệu của từ nhớ có địa

chỉ MemAddr được được

lưu trữ vào $3

Result

Write

Result được lưu trữ vào

$3

if (Taken)

PC = Target

◼

opr = Operand

MemAddr = Memory Address

◼

* = simplification, not exact

12

03/2017

Quy trình thực thi lệnh của MIPS (5 công đoạn)

◼ Thay đổi thiết kế các giai đoạn thực hiện lệnh:

✓ Gộp giai đoạn Decode và Operand Fetch – Giai đoạn Decode của MIPS khá đơn giản

✓ Tách giai đoạn Execute thành ALU (Calculation) và Memory Access

add $3, $1, $2

lw $3, 20( $1 )

beq $1, $2, label

Đọc lệnh (địa chỉ của lệnh Đọc lệnh (địa chỉ của lệnh Đọc lệnh (địa chỉ của lệnh lưu

Fetch

lưu trong thanh ghi PC)

o Đọc thanh ghi $1, xem o Đọc thanh ghi $1, xem

như toán hạng opr1 như toán hạng opr1

o Đọc thanh ghi $2, xem o Sử dụng 20 như toán

lưu trong thanh ghi PC)

trong thanh ghi PC)

o Đọc thanh ghi $1, xem như

toán hạng opr1

o Đọc thanh ghi $2, xem như

toán hạng opr2

Decode &

Operand

Fetch

như toán hạng opr2

hạng opr2

Taken = (opr1 == opr2 )?

Target = PC + Label*

ALU

Result = opr1 + opr2

MemAddr = opr1 + opr2

Memory

Access

Sử dụng MemAddr để đọc

dữ liệu từ bộ nhớ

Dữ liệu của từ nhớ có địa

Result được lưu trữ vào $3 chỉ MemAddr được được

Result

Write

if (Taken)

PC = Target

lưu trữ vào $3

13

03/2017

Quy trình thực thi lệnh của MIPS (5 công đoạn)

Fetch

◼ Instruction Fetch (Nạp lệnh)

Instruction

◼ Instruction Decode & Operand

Decode

Fetch

ALU

(Giải mã và lấy các toán hạng cần thiết, Gọi

tắt là “Instruction Decode”)

Memory

Access

◼ ALU (Giai đoạn sử dụng ALU hay giai đoạn

thực thi)

Result

Write

◼ Memory Access (Giai đoạn truy xuất vùng

nhớ)

◼ Result Write (Giai đoạn ghi lại kết quả/lưu

trữ)

14

03/2017

Quy trình thực thi lệnh của MIPS (5 công đoạn)

Fetch

◼ Instruction Fetch (Nạp lệnh)

Instruction

◼ Instruction Decode & Operand

Decode

Fetch

ALU

(Giải mã và lấy các toán hạng cần thiết, Gọi

tắt là “Instruction Decode”)

Memory

Access

◼ ALU (Giai đoạn sử dụng ALU hay giai đoạn

thực thi)

Result

Write

◼ Memory Access (Giai đoạn truy xuất vùng

nhớ)

◼ Result Write (Giai đoạn ghi lại kết quả/lưu

trữ)

15

03/2017

Giai đoạn tìm nạp lệnh (Instruction Fetch)

◼ Giai đoạn nạp lệnh:

1. Sử dụng thanh ghi Program Counter (PC) để tìm nạp lệnh

từ bộ nhớ

◼ Thanh ghi PC là một thanh ghi đặc biệt trong bộ vi xử lý

2. Tăng giá trị trong thanh ghi PC lên 4 đơn vị để lấy địa chỉ

của lệnh tiếp theo

◼ Tại sao địa chỉ lệnh tiếp theo là PC + 4?

◼ Chú ý, lệnh rẽ nhánh (branch) và lệnh nhảy (jump) là một trường

hợp ngoại lệ

◼ Kết quả của giai đoạn này là đầu vào cho giai đoạn

tiếp theo (Decode):

Kết quả của giai đoạn này là 32 bit mã máy của lệnh cần thực thi. Chuỗi 32 bits

này sẽ sử dụng như đầu vào (input) cho giai đoạn tiếp theo là Decode

16

03/2017

Giai đoạn tìm nạp lệnh (Instruction Fetch)

Bộ cộng

Add

4

PC

Read

address

Instruction

memory

Thanh ghi

PC

Vùng nhớ lưu trữ

lệnh

17

03/2017

Khối Instruction Memory

◼ Vùng nhớ lưu trữ lệnh

Instruction

Address

◼ Đầu vào: là địa chỉ của lệnh

Instruction

◼ Đầu ra: là nội dung lệnh tương ứng

với địa chỉ được cung cấp

Instruction

Memory

Instruction

Memory

………..

add $3, $1, $2

2048

2052

2056

……

Cách sắp xếp của bộ nhớ giống như hình

bên phải➔

sll $4, $3, 2

andi $1, $4, 0xF

………..

18

03/2017

Bộ cộng

◼ Mạch logic kết hợp để cộng 2 số - bộ cộng

A

◼ Đầu vào:

A+B

Hai số 32-bit A, B

Sum

Add

◼ Đầu ra:

B

A + B

19

03/2017

Ý niệm về việc sử dụng xung clock

◼ Dường như thanh ghi PC được đọc và cập nhật cùng lúc:

PC hoạt động chính xác như thế nào?

◼ Magic of clock:

PC được đọc trong nửa clock đầu và cập nhật thành PC+4 trong

lần kích cạnh lên tiếp theo

Add

4

Time

PC

Read

address

Clk

In

Instruction

100

104

108

112

116

PC

In

Instruction

memory

20

03/2017