Bài giảng Kiến trúc máy tính - Tuần 11: Bộ xử lý processor (Tiếp theo)

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

Tuần 11

BỘ XỬ LÝ

PROCESSOR

(Tiếp theo)

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

Hiện thực datapath

1. Inputs của khối “Registers”, “Control” và “Sign-extend”

03/2017

4

Datapath với đầy đủ dữ liệu input cho từng khối

Hiện thực datapath

1. Inputs của khối “Registers”, “Control” và “Sign-extend”

MUX có

thêm 0

và 1 ở

các ngõ

vào ???

????

03/2017

5

Datapath với đầy đủ dữ liệu input cho từng khối

Hiện thực datapath

❖Trường op (hay opcode) luôn chứa bits từ 31:26.

❖Hai thanh ghi dùng để đọc trong tất cả các lệnh luôn luôn là rs và rt, tại vị trí bits

từ 25:21 và 20:26.

❖Thanh ghi nền cho lệnh load và store luôn là rs và tại vị trí bits 25:21.

❖ 16 bits offset cho beq, lw và sw thì luôn tại vị trí 15:0.

❖ Các thanh ghi đích dùng để ghi kết quả vào ở hai vị trí: Với lw, thanh ghi đích

tại vị trí bits từ 20:16 (rt), trong khi với nhóm lệnh logic và số học, thanh ghi

đích ở vị trí 15:11 (rd). Vì vậy, một multiplexer cần sử dụng ở đây để lựa chọn

thanh ghi nào sẽ được ghi.

6

Hiện thực datapath

Datapath với đầy đủ dữ liệu input cho từng khối

03/2017

7

Hiện thực datapath

2. Khối “ALU Control”

????

03/2017

8

Hiện thực datapath

Bộ ALU của MIPS gồm 6 chức năng tính toán dựa trên 4 bits điều khiển đầu vào:

Tùy thuộc vào từng nhóm lệnh mà ALU sẽ thực hiện 1 trong 5 chức năng đầu (NOR sẽ

được dùng cho các phần khác)

❖ Với các lệnh load word và store word, ALU sử dụng chức năng ‘add’ để tính toán

địa chỉ của bộ nhớ

❖ Với các lệnh thuộc nhóm logic và số học, ALU thực hiện 1 trong 5 chức năng

(AND, OR, subtract, add, và set on less than), tùy thuộc vào giá trị của trường funct

(6 bits) trong mã máy lệnh.

❖ Với lệnh nhảy nếu bằng, ALU thực hiện chức năng ‘subtract’ để xem điều khiện

bằng có đúng không.

03/2017

9

Hiện thực datapath

Như vậy, để sinh ra 4 bits điều khiển ALU, một trong số các cách hiện thực có thể là sử

dụng thêm một khối điều khiển “ALU Control”

“ALU Control” nhận input là 6 bits từ trường funct của mã máy, đồng thời dựa vào 2 bits

“ALUOp” được sinh ra từ khối “Control” để sinh ra output là 4 bits điều khiển ALU, theo

quy tắc như bảng sau:

Một gợi ý để sinh ra 4 bits điều khiển ALU dựa vào trường “opcode” và trường “funct” của

mã máy.

03/2017

10

Hiện thực datapath

Bảng sự thật: Từ quy tắc hoạt động, bảng sự thật gợi ý cho khối “ALU Control” như

sau

03/2017

11

Hiện thực datapath

3. Khối điều khiển chính “Control”

???

03/2017

12

Hiện thực datapath

Các tín hiệu điều

Tác động khi ở mức

Tác động khi ở mức cao

khiển

thấp

RegDst

Thanh ghi đích cho thao tác

ghi sẽ từ thanh ghi rt (bits từ

20:16)

Thanh ghi đích cho thao tác ghi sẽ từ thanh ghi rd (bits từ 15:11)

RegWrite

Khối “Registers” chỉ thực hiện Ngoài chức năng đọc, khối “Register” sẽ thực hiện thêm chức năng

mỗi chức năng đọc thanh ghi

ghi. Thanh ghi được ghi là thanh ghi có chỉ số được đưa vào từ ngõ

“Write register” và dữ liệu dùng ghi vào thanh ghi này được lấy từ

ngõ “Write data”

ALUSrc

Branch

Input thứ hai cho ALU đến từ

“Read data 2” của khối

“Registers”

Input thứ hai cho ALU đến từ output của khối “Sign-extend”

Cho biết lệnh nạp vào không

phải “beq”. Thanh ghi PC

nhận giá trị là PC + 4

Lệnh nạp vào là lệnh “beq”, kết hợp với điều kiện bằng thông qua

cổng AND nhằm xác định xem lệnh tiếp theo có nhảy đến địa chỉ mới

hay không. Nếu điệu kiện bằng đúng, PC nhận giá trị mới từ kết quả

của bộ cộng “Add”

MemRead

MemWrite

(Không)

Khối “Data register” thực hiện chức năng đọc dữ liệu. Địa chỉ dữ liệu

cần đọc được đưa vào từ ngõ “Address” và nội dung đọc được xuất ra

ngõ “Read data”

Khối “Data register” thực hiện chức năng ghi dữ liệu. Địa chỉ dữ liệu

cần ghi được đưa vào từ ngõ “Address” và nội dung ghi vào lấy từ

ngõ “Write data”

MemtoReg

Giá trị đưa vào ngõ “Write

data” đến từ ALU

Giá trị đưa vào ngõ “Write data” đến từ khối “Data memory”

03/2017

13

Tác động của các tín hiệu điều khiển

Hiện thực datapath

Giá trị các tín hiệu điều khiển tương ứng với mỗi lệnh như sau:

Khối “Control” trong datapath nhận input là 6 bits từ trường “opcode” của mã

máy, dựa vào đó các tín hiệu điều khiển được sinh ra tương ứng như bảng.

03/2017

14

Hiện thực datapath

Bảng sự thật khối “Control”:

Bảng sự thật khối “Control”

03/2017

15

Hiện thực datapath

3. Khối điều khiển chính “Control”

???

03/2017

16

Hiện thực datapath

3. Khối điều khiển chính “Control”

03/2017

17

Hiện thực datapath

❖ Hiện thực bộ xử lý đơn chu kỳ (Single-cycle implementation hay single

clock cycle implementation): là cách hiện thực sao cho bộ xử lý đáp ứng thực

thi mỗi câu lệnh chỉ trong 1 chu kỳ xung clock ➔ đòi hỏi chu kỳ xung clock

phải bằng thời gian của lệnh dài nhất.

❖ Cách hiện thực bộ xử lý như đã trình bày trên là cách hiện thực đơn chu kỳ:

Lệnh dài nhất là lw, gồm truy xuất vào “Instruction memory”, “Registers”, “ALU”,

“Data memory” và quay trở lại “Registers”, trong khi các lệnh khác không đòi hỏi tất

cả các công đoạn trên → chu kỳ xung clock thiết kế phải bằng thời gian thực thi lệnh

lw.

❖ Mặc dù hiện thực bộ xử lý đơn chu kỳ có CPI = 1 nhưng hiệu suất rất kém, vì

một chu kỳ xung clock quá dài, các lệnh ngắn đều phải thực thi cùng thời gian

với lệnh dài nhất.

Vì vậy, Hiện thực đơn chu kỳ hiện tại không còn được sử dụng (hoặc chỉ

có thể chấp nhận cho các tập lệnh nhỏ)

03/2017

18

Xem lại Datapath với từng nhóm lệnh

03/2017

19

Các đường đỏ là các đường hoạt động khi lệnh thuộc nhóm logic và số học thực thi

Xem lại Datapath với từng nhóm lệnh

03/2017

20

Các đường đỏ là các đường hoạt động khi lệnh lw thực thi