Bài giảng Kiến trúc máy tính & hợp ngữ - Chương 5: Bộ xử lý trung tâm (CPU)

Nội dung text: Bài giảng Kiến trúc máy tính & hợp ngữ - Chương 5: Bộ xử lý trung tâm (CPU)

1. KIẾN TRỨC MÁY TÍNH VÀ HỢP NGỮ CHƯƠNG 5: Bộ xử lý trung tâm (CPU)
2. CPU 2  5.2.1. Cấu trúc cơ bản của CPU  5.2.2. Tập lệnh  5.2.3. Hoạt động của CPU
3. 5.2.1. Cấu trúc cơ bản của CPU 3 Đơn vị ghép nối Bus
4. 1. Đơn vị điều khiển (CU) 4  Chức năng:  Điều khiển nhận lệnh từ bộ nhớ đưa vào thanh ghi lệnh (IR) 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.
5. Đơn vị điều khiển (tiếp) 5  Mô hình kết nối của đơn vị điều khiển: IR
6. Đơn vị điều khiển – Control Unit(tiếp) 6  Các tín hiệu đưa đến Control Unit:  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
7. Đơn vị điều khiển Control Unit (tiếp) 7  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
8. 2. Đơn vị số học và logic (ALU) 8  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
9. Đơn vị số học và logic (tiếp) 9  Mô hình kết nối của ALU
10. Mô hình kết nối của ALU 4 bit 10
11. Mô hình kết nối của ALU 16 bit 11
12. 3. Tập thanh ghi (RF) 12  a. Chức năng và phân loại  b. Một số thanh ghi điển hình
13. a. Chức năng và phân loại 13  Chức năng:  Là tập hợp các thanh ghi nằm trong CPU  Chứa các thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động hiện tại của CPU.  Phân loại tập thanh ghi  Phân loại theo khả năng can thiệp của người lập trình:  Các thanh ghi không lập trình được: người lập trình không can thiệp được  Các thanh ghi lập trình được: người lập trình can thiệp được  Phân loại theo chức năng:  Thanh ghi địa chỉ: quản lý địa chỉ của ngăn nhớ hay cổng vào-ra  Thanh ghi dữ liệu: chứa các dữ liệu tạm thời hoặc kết quả trung gian phục vụ cho việc xử lý dữ liệu của CPU  Thanh ghi điều khiển và trạng thái: chứa các thông tin điều khiển và trạng thái của CPU  Thanh ghi lệnh: chứa lệnh đang được thực hiện  Thanh ghi đa năng: có thể chứa địa chỉ hoặc dữ liệu
14. b. Một số thanh ghi điển hình 14  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
15. Các vùng nhớ cơ bản của CT 15  Chương trình đang thực hiện phải nằm trong bộ nhớ chính và nó chiếm 3 vùng nhớ cơ bản sau:  Vùng nhớ lệnh (Code): chứa các lệnh của chương trình.  Vùng dữ liệu (Data): chứa dữ liệu của chương trình. Thực chất đây là nơi cấp phát các ngăn nhớ cho các biến nhớ.  Vùng ngăn xếp (Stack): là vùng nhớ có cấu trúc LIFO (Last In First Out) dùng để cất giữ thông tin và sau đó có thể khôi phục lại. Thường dùng cho việc thực hiện các chương trình con.
16. Ví dụ minh họa thực thi một chương trình 16
17. Bộ đếm chương trình (PC) 17  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.
18. Minh họa hoạt động của PC 18
19. Thanh ghi con trỏ dữ liệu (DP) 19  Chứa địa chỉ của ngăn nhớ dữ liệu mà CPU muốn truy cập.  Thường có một số thanh ghi con trỏ dữ liệu.
20. Minh họa hoạt động của DP 20
21. Con trỏ ngăn xếp (SP) 21  Chứa địa chỉ của ngăn nhớ đỉnh ngăn xếp (ngăn xếp có chiều từ đáy lên đỉnh, ngược với chiều tăng của địa chỉ)  Khi cất thêm một thông tin vào ngăn xếp:  Nội dung của SP tự động giảm  Thông tin được cất vào stack được tính bắt đầu từ ngăn nhớ trỏ bởi SP  Khi lấy một thông tin ra khỏi ngăn xếp:  Thông tin được lấy ra từ stack được tính bắt đầu từ ngăn nhớ trỏ bởi SP  Nội dung của SP tự động tăng  Khi ngăn xếp rỗng: SP trỏ vào đáy ngăn xếp
22. Minh họa hoạt động của SP 22
23. Thanh ghi cơ sở và thanh ghi chỉ số 23  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 cơ sở so với ngăn nhớ mà CPU cần truy cập (chỉ số). Địa chỉ của ngăn nhớ cần truy cập = địa chỉ cơ sở + chỉ số
24. Minh họa thanh ghi cơ sở và chỉ số 24
25. Các thanh ghi dữ liệu 25  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
26. Thanh ghi trạng thái 26  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
27. Ví dụ cờ phép toán 27  Cờ Zero (ZF - cờ rỗng): được thiết lập lên 1 khi kết quả của phép toán vừa thực hiện xong bằng 0.  Cờ Sign (SF - cờ dấu): được thiết lập lên 1 khi kết quả của phép toán vừa thực hiện nhỏ hơn 0.  Cờ Carry (CF - cờ nhớ): được thiết lập lên 1 nếu phép toán xảy ra hiện tượng carry-out (có nhớ).  Cờ Overflow (OF - cờ tràn): được thiết lập lên 1 nếu phép toán xảy ra hiện tượng overflow(Tràng số)
28. Ví dụ cờ điều khiển 28  Cờ Interrupt (IF - cờ cho phép ngắt):  Nếu IF = 1 thì CPU ở trạng thái cho phép ngắt đối với tín hiệu yêu cầu ngắt từ bên ngoài gửi tới.  Nếu IF = 0 thì CPU ở trạng thái cấm ngắt đối với tín hiệu yêu cầu ngắt từ bên ngoài.
29. Bài tập 29  Giả sử có các biến nhớ a, b, c, d, e, f thuộc kiểu số nguyên có dấu 8 bit. Các biến a, b được gán giá trị như sau: a:=-58 b:=72  Hãy biểu diễn các phép tính sau đây dưới dạng số nhị phân và cho biết kết quả dạng thập phân cùng với giá trị của các cờ ZF, SF, CF, OF tương ứng. c:=a-b d:=a+b e:=b-a f:=-a-b
30. Bộ xử lý trung tâm 30  5.2.1. Cấu trúc cơ bản của CPU  5.2.2. Tập lệnh  5.2.3. Hoạt động của CPU
31. 5.2.2. Tập lệnh 31  1. Giới thiệu chung về tập lệnh  2. Các kiểu thao tác điển hình  3. Các phương pháp địa chỉ hóa toán hạng
32. 1. Giới thiệu chung về tập lệnh 32  Mỗi bộ xử lý có một tập lệnh xác định (mang tính kế thừa trong cùng một dòng họ).  Tập lệnh thường có hàng chục đến hàng trăm lệnh.  Mỗi lệnh là một chuỗi số nhị phân mà bộ xử lý hiểu được để thực hiện một thao tác xác định.  Các lệnh được mô tả bằng các kí hiệu gợi nhớ các lệnh hợp ngữ.
33. Khuôn dạng của một lệnh máy 33 Mã thao tác Tham chiếu toán hạng qMã thao tác (Operation Code - Opcode): mã hóa cho thao tác mà CPU phải thực hiện. qTham chiếu toán hạng: mã hóa cho toán hạng hoặc nơi chứa toán hạng mà thao tác sẽ tác động. § Toán hạng nguồn (Source Operand): dữ liệu vào của thao tác (CPU sẽ đọc) § Toán hạng đích (Destination Operand): dữ liệu ra của thao tác (CPU sẽ ghi)
34. Số lượng toán hạng trong lệnh 34  Ba toán hạng:  2 toán hạng nguồn, 1 toán hạng đích  VD: c = a + b  Từ lệnh dài vì phải mã hóa địa chỉ cho cả 3 toán hạng  Thường được sử dụng trên các bộ xử lý tiên tiến  Hai toán hạng:  1 toán hạng là toán hạng nguồn, toán hạng còn lại vừa là nguồn vừa là đích.  VD: a = a + b  Giá trị cũ của 1 toán hạng nguồn sẽ bị ghi đè bằng KQ  Rút gọn độ dài từ lệnh  Thường được dùng phổ biến
35. Số lượng toán hạng trong lệnh (tiếp) 35  Một toán hạng:  Chỉ có 1 toán hạng được chỉ ra trong lệnh  Toán hạng còn lại được ngầm định, thường là thanh ghi (VD: thanh chứa – Accumulator)  Thường được sử dụng trên các bộ xử lý thế hệ cũ  Không có toán hạng:  Các toán hạng đều được ngầm định  Sử dụng Stack  VD: lệnh c = a + b  push a  push b  add  pop c  Không thông dụng
36. 2. Các kiểu thao tác điển hình 36  Chuyển dữ liệu  Xử lý số học với số nguyên  Xử lý logic  Điều khiển vào-ra  Chuyển điều khiển (rẽ nhánh)  Điều khiển hệ thống
37. Các lệnh chuyển dữ liệu 37 MOVE Copy dữ liệu từ nguồn đến đích LOAD Copy dữ liệu từ bộ nhớ đến bộ xử lý STORE Copy dữ liệu từ bộ xử lý đến bộ nhớ EXCHANGE Tráo đổi nội dung của nguồn và đích CLEAR Chuyển các bit 0 vào toán hạng đích SET Chuyển các bit 1 vào toán hạng đích PUSH Copy dữ liệu từ nguồn đến đỉnh ngăn xếp POP Copy dữ liệu từ đỉnh ngăn xếp đến đích
38. Các lệnh số học 38 ADD Tính tổng hai toán hạng SUBTRACT Tính hiệu hai toán hạng MULTIPLY Tính tích hai toán hạng DIVIDE Tính thương hai toán hạng ABSOLUTE Thay toán hạng bằng trị tuyệt đối của nó NEGATE Đổi dấu toán hạng (lấy bù 2) INCREMENT Cộng 1 vào toán hạng DECREMENT Trừ toán hạng đi 1 COMPARE So sánh hai toán hạng để lập cờ
39. Các lệnh logic 39 AND Thực hiện phép AND hai toán hạng OR Thực hiện phép OR hai toán hạng XOR Thực hiện phép XOR hai toán hạng NOT Đảo bit của toán hạng (lấy bù 1) TEST Thực hiện phép AND hai toán hạng để lập cờ SHIFT Dịch trái (phải) toán hạng ROTATE Quay trái (phải) toán hạng CONVERT Chuyển đổi dữ liệu từ dạng này sang dạng khác
40. VD các lệnh AND, OR, XOR, NOT 40  Giả sử có hai thanh ghi chứa dữ liệu như sau: (R1) = 1010 1010 (R2) = 0000 1111  Khi đó ta có: (R1) AND (R2) = 0000 1010  Phép toán AND có thể được dùng để xoá một số bit và giữ nguyên các bit còn lại của toán hạng. (R1) OR (R2) = 1010 1111  Phép toán OR có thể được dùng để thiết lập một số bit và giữ nguyên các bit còn lại của toán hạng. (R1) XOR (R2) = 1010 0101  Phép toán XOR có thể được dùng để đảo một số bit và giữ nguyên các bit còn lại của toán hạng. NOT (R1) = 0101 0101  Phép toán NOT dùng để đảo tất cả các bit của toán hạng.
41. Các lệnh SHIFT và ROTATE 41
42. Các lệnh vào-ra chuyên dụng 42 IN Copy dữ liệu từ một cổng xác định đến đích OUT Copy dữ liệu từ nguồn đến một cổng xác định
43. Các lệnh chuyển điều khiển 43 JUMP (BRANCH) Nhảy (rẽ nhánh) không điều kiện; nạp vào PC một địa chỉ xác định JUMP CONDITIONAL Kiểm tra điều kiện xác định, hoặc nạp vào PC một địa chỉ xác định hoặc không không làm gì cả CALL Cất nội dung PC vào ngăn xếp, nạp vào PC địa chỉ xác định để nhảy đến thực hiện chương trình con RETURN Khôi phục nội dung PC từ đỉnh ngăn xếp để trở về chương trình chính
44. Lệnh rẽ nhánh không điều kiện 44  Chuyển tới thực hiện lệnh ở vị trí có địa chỉ là XXX: PC ← XXX
45. Lệnh rẽ nhánh có điều kiện 45  Kiểm tra điều kiện trong lệnh:  Nếu điều kiện đúng chuyển tới thực hiện lệnh ở vị trí có địa chỉ XXX PC  XXX  Nếu điều kiện sai chuyển sang thực hiện lệnh_kế_tiếp  Điều kiện thường được kiểm tra thông qua các cờ.  Có nhiều lệnh rẽ nhánh có điều kiện.
46. Minh họa lệnh rẽ nhánh có điều kiện 46
47. Lệnh CALL và RETURN 47  Lệnh gọi chương trình con: lệnh CALL  Cất nội dung PC (chứa địa chỉ của lệnh_kế_tiếp) vào Stack  Nạp vào PC địa chỉ của lệnh đầu tiên của chương trình con được gọi → Bộ xử lý chuyển sang thực hiện chương trình con tương ứng  Lệnh trở về từ chương trình con: lệnh RETURN  Lấy địa chỉ của lệnh_kế_tiếp được cất ở Stack nạp trả lại cho PC → Bộ xử lý được điều khiển quay trở về thực hiện tiếp lệnh nằm sau lệnh CALL
48. Minh họa lệnh CALL và RETURN 48
49. Các lệnh điều khiển hệ thống 49 Dừng thực hiện chương trình HALT Dừng thực hiện chương trình, lặp kiểm tra điều kiện cho đến khi thoả mãn thì tiếp tục thực hiện WAIT Không thực hiện gì cả NO OPERATION (NOP) Cấm không cho xin chuyển nhượng bus LOCK Cho phép xin chuyển nhượng bus UNLOCK
50. 3. Các phương pháp địa chỉ hóa toán hạng 50  Phương pháp địa chỉ hóa toán hạng là cách thức chỉ ra nơi chứa các toán hạng mà thao tác sẽ tác động.  Toán hạng có thể là:  Hằng số → cần cho biết giá trị của hằng số đó  Nội dung của một thanh ghi bên trong CPU → cần cho biết tên của thanh ghi  Nội dung của một ngăn nhớ → cần cho biết địa chỉ ngăn nhớ  Nội dung của một cổng vào-ra → cần cho biết địa chỉ của cổng vào-ra
51. Các chế độ địa chỉ thông dụng 51  Chế độ địa chỉ tức thì  Chế độ địa chỉ thanh ghi  Chế độ địa chỉ trực tiếp  Chế độ địa chỉ gián tiếp qua thanh ghi  Chế độ địa chỉ dịch chuyển
52. Chế độ địa chỉ tức thì 52 Mã thao tác Toán hạng  Immediate Addressing Mode  Toán hạng là một hằng số ở ngay trong lệnh  Ví dụ:  ADD AX, 5 ; AX ← AX + 5  Truy nhập toán hạng rất nhanh
53. Chế độ địa chỉ thanh ghi 53  Register Addressing Mode Toán hạng là nội dung của một thanh ghi mà tên thanh ghi được cho biết ở trong lệnh.  Ví dụ: MOV AX, BX ; AX ← BX  Tốc độ truy cập nhanh hơn so với những lệnh có truy cập đến bộ nhớ.
54. Chế độ địa chỉ trực tiếp 54  Direct Addressing Mode  Toán hạng là nội dung của một ngăn nhớ mà địa chỉ ngăn nhớ được cho trực tiếp ở trong lệnh.  Ví dụ: MOV AL, [1000] ; AL ← nội dung byte nhớ có địa chỉ là 1000
55. Chế độ địa chỉ gián tiếp qua thanh ghi 55  Register Indirect Addressing Mode Ví dụ: MOV AL, [BX] ; AL ← nội dung của byte nhớ có địa chỉ bằng giá trị của thanh ghi BX
56. Chế độ địa chỉ dịch chuyển 56  Displacement Addressing Mode  Trường địa chỉ chứa 2 thành phần:  Tên thanh ghi  Hằng số  Địa chỉ của toán hạng = nội dung thanh ghi + hằng số  Thanh ghi có thể được ngầm định
57. Minh họa chế độ địa chỉ dịch chuyển 57
58. Các dạng chế độ địa chỉ dịch chuyển 58  Địa chỉ hóa tương đối với PC:  Thanh ghi là PC  VD: các lệnh chuyển điều khiển  Định địa chỉ cơ sở:  Thanh ghi là thanh ghi cơ sở (chứa địa chỉ cơ sở)  Hằng số là chỉ số  Định địa chỉ chỉ số:  Thanh ghi là thanh ghi chỉ số (chứa chỉ số)  Hằng số là địa chỉ cơ sở
59. 5.3.3. Hoạt động của CPU 59  1. Chu trình lệnh  2. Đường ống lệnh
60. 1. Chu trình lệnh 60  Bao gồm các công đoạn chính sau đây:  Nhận lệnh  Giải mã lệnh  Nhận toán hạng  Thực hiện lệnh  Cất toán hạng  Ngắt
61. Giản đồ trạng thái chu trình lệnh 61
62. Nhận lệnh 62  CPU đưa địa chỉ của lệnh cần nhận từ thanh ghi bộ đếm chương trình PC ra bus địa chỉ  CPU phát tín hiệu điều khiển đọc bộ nhớ  Lệnh từ bộ nhớ được đặt lên bus dữ liệu và được CPU copy vào trong thanh ghi lệnh IR  CPU tăng nội dung của PC để trỏ sang lệnh kế tiếp
63. Minh họa quá trình nhận lệnh 63
64. Giải mã lệnh 64  Lệnh từ thanh ghi lệnh IR được đưa đến đơn vị điều khiển  Đơn vị điều khiển tiến hành giải mã lệnh để xác định thao tác cần phải thực hiện
65. Nhận toán hạng 65  CPU đưa địa chỉ của toán hạng ra bus địa chỉ  CPU phát tín hiệu điều khiển đọc  Toán hạng được chuyển vào trong CPU
66. Nhận toán hạng gián tiếp 66  CPU đưa địa chỉ ra bus địa chỉ  CPU phát tín hiệu điều khiển đọc  Nội dung ngăn nhớ được chuyển vào CPU, đó chính là địa chỉ của toán hạng  CPU phát địa chỉ này ra bus địa chỉ  CPU phát tín hiệu điều khiển đọc  Nội dung của toán hạng được chuyển vào CPU
67. Minh họa nhận toán hạng gián tiếp 67
68. Thực hiện lệnh 68  Có nhiều dạng thao tác tùy thuộc vào lệnh  Có thể là:  Đọc/ghi bộ nhớ  Vào-ra dữ liệu  Chuyển dữ liệu giữa các thanh ghi  Thực hiện phép toán số học hoặc logic  Chuyển điều khiển (rẽ nhánh) 
69. Ghi toán hạng 69  CPU đưa địa chỉ ra bus địa chỉ  CPU đưa dữ liệu cần ghi ra bus dữ liệu  ￿ CPU phát tín hiệu điều khiển ghi  Dữ liệu trên bus dữ liệu được copy đến vị trí xác định
70. Minh họa quá trình ghi toán hạng 70
71. Ngắt 71  CPU lưu lại giá trị hiện tại của PC (là địa chỉ trở về sau khi hoàn thành ngắt) – thường lưu vào Stack:  CPU đưa nội dung của PC ra bus dữ liệu  CPU đưa địa chỉ (thường được xác định từ con trỏ ngăn xếp SP) ra bus địa chỉ  CPU phát tín hiệu điều khiển ghi bộ nhớ  Địa chỉ trở về (nội dung của PC) trên bus dữ liệu được lưu vào ngăn nhớ tương ứng ở ngăn xếp  CPU nạp vào PC địa chỉ lệnh đầu tiên của chương trình con phục vụ ngắt tương ứng:  CPU xác định địa chỉ của vector ngắt tương ứng  CPU phát địa chỉ này ra bus địa chỉ  CPU phát tín hiệu điều khiển đọc bộ nhớ  Giá trị của vector ngắt (địa chỉ lệnh đầu tiên của CTC phục vụ ngắt) được chuyển ra bus dữ liệu  Giá trị này được nạp vào trong PC
72. Minh họa thực hiện 1 chương trình 72
73. 2. Đường ống lệnh 73  Nguyên tắc của Pipeline: chia chu trình lệnh thành các công đoạn và cho phép thực hiện gối lên nhau theo kiểu dây chuyền.  Giả sử chu trình lệnh gồm 6 công đoạn với thời gian thực hiện như nhau (T):  Nhận lệnh (Fetch Instruction – FI)  Giải mã lệnh (Decode Instruction – DI)  Tính đ/chỉ toán hạng (Calculate Operand Address – CO)  Nhận toán hạng (Fetch Operands – FO)  Thực hiện lệnh (Execute Instruction – EI)  Ghi toán hạng (Write Operands – WO)
74. Biểu đồ thời gian của đường ống lệnh 74
75. Các xung đột của đường ống lệnh 75  Xung đột cấu trúc: do nhiều công đoạn dùng chung một tài nguyên  Xung đột dữ liệu: lệnh sau sử dụng kết quả của lệnh trước  Xung đột điều khiển: do rẽ nhánh gây ra