Đang tải... (xem toàn văn)
Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 12: Chức năng và cấu trúc vi xử lý cung cấp cho người học các kiến thức: Tổ chức của Bộ xử lý, tổ chức thanh ghi, chu kỳ lệnh, kỹ thuật đường ống lệnh (Pipelining), kiến trúc VXL tiên tiến. Mời các bạn cùng tham khảo.
+ Chương 12 Chức cấu trúc Vi xử lý + Nội dung Tổ chức Bộ xử lý Tổ chức ghi Chu kỳ lệnh Kỹ thuật đường ống lệnh (Pipelining) Kiến trúc VXL tiên tiến + 12.1 Tổ chức vi xử lý Các yêu cầu xử lý: Truy xuất lệnh: Bộ xử lý đọc lệnh từ nhớ (thanh ghi, nhớ cache, nhớ chính) Giải mã lệnh: Lệnh giải mã để xác định hành động yêu cầu Truy xuất liệu: Việc thực thi lệnh yêu cầu đọc liệu từ nhớ module vào/ra Xử lý liệu: Việc thực thi lệnh yêu cầu thực số phép toán số học logic liệu Ghi liệu: Kết thúc việc thực yêu cầu ghi liệu vào nhớ module vào/ra Để thực việc này, vi xử lý cần lưu tạm thời số liệu cần nhớ nhỏ bên ghi + Tổ chức VXL ALU: khối tính tốn số học logic CU: khối điều khiển: kiểm soát việc di chuyển liệu lệnh vào khỏi xử lý điều khiển hoạt động ALU Các ghi: lưu trữ liệu tạm thời trình lệnh thực Cấu trúc bên CPU + 12.2 Tổ chức ghi Các ghi loại nhớ Vai trò ghi: Thanh ghi hiển thị với người dùng Cho phép người lập trình ngơn ngữ assembly ngơn ngữ máy sử dụng câu lệnh VD: ADD AX, 300: lấy liệu ngăn nhớ 300 cộng với AX ghi kết vào AX Giảm thiểu tham chiếu nhớ cách sử dụng ghi Thanh ghi điều khiển trạng thái Được sử dụng CU để điều khiển hoạt động vi xử lý chương trình hệ điều hành đặc quyền (privileged) để kiểm soát việc thực thi chương trình VD: ghi PC chứa địa lệnh chương trình a Thanh ghi hiển thị với người dùng Là ghi lập trình viên sử dụng lệnh để phục vụ cho mục đích viết chương trình Phân loại Thanh ghi đa năng: lập trình viên sử dụng ghi nhóm cho nhiều mục đích khác Thanh ghi liệu: sử dụng để chứa liệu khơng dùng để tính tốn địa tốn hạng Thanh ghi địa chỉ: ghi đa ghi dành riêng cho chế độ địa cụ thể VD: ghi SP (con trỏ đoạn), ghi index, ghi SP (con trỏ ngăn xếp) Mã điều kiện Còn gọi bit cờ Là bit phần cứng xử lý đặt theo kết hoạt động + b Thanh ghi điều khiển trạng thái Bốn ghi cần thiết để thực thi lệnh: Thanh ghi PC - Bộ đếm chương trình Thanh ghi IR – ghi lệnh Chứa địa vị trí nhớ Thanh ghi MBR (hoặc MDR) – ghi đệm nhớ Chứa lệnh truy xuất Thanh ghi MAR – ghi địa nhớ Chứa địa lệnh truy xuất Chứa từ liệu ghi vào nhớ từ vừa đọc từ BN Một số BXL có nhiều ghi PSW (program status word - từ trạng thái chương trình): chứa thơng tin trạng thái chương trình thực + b Thanh ghi điều khiển trạng thái Thanh ghi PSW – Thanh ghi trạng thái chương trình Thanh ghi tập hợp ghi chứa thông tin trạng thái mã điều kiện Các trường cờ phổ biến gồm: Sign: Chứa bit dấu kết phép tính số học cuối Zero: Thiết lập kết Carry: Thiết lập phép tính có nhớ (phép cộng) vay (phép trừ) vào bit có bậc lớn Được sử dụng cho phép tính số học nhiều từ Equal: Thiết lập kết so sánh logic Overflow: Được sử dụng để định tràn số học Interrupt Enable/Disable: Được sử dụng phép vô hiệu hoá ngắt Supervisor: Cho biết xử lý thực chế độ giám sát hay chế độ người dùng Một số lệnh privileged thực chế độ giám sát, số vùng nhớ truy cập chế độ giám sát + c Ví dụ tổ chức ghi MC68000, Intel 8086, Intel 80386 + Xung đột điều khiển Còn gọi Hazard nhánh Xảy kỹ thuật đường ống đưa dự báo nhánh bị sai so với nhánh thực tế Các lệnh truy xuất bị loại bỏ + 12.5 Kiến trúc VXL tiên tiến a Cấu trúc chung xử lý tiên tiến b Các kiến trúc song song mức lệnh c Kiến trúc RISC 25/8 Kiến trúc máy tính 12.5 Kiến trúc VXL tiên tiến a Cấu trúc chung BXL tiên tiến 26/86 Kiến trúc máy tính 12.5 Kiến trúc VXL tiên tiến Các đơn vị xử lý liệu Các đơn vị số nguyên (Integer Unit – IU) Các đơn vị số dấu chấm động (Floating Point Unit – FPU) Các đơn vị chức đặc biệt: Đơn vị xử lý liệu âm Đơn vị xử lý liệu hình ảnh Đơn vị xử lý liệu vector 27/86 Kiến trúc máy tính 12.5 Kiến trúc VXL tiên tiến Bộ nhớ cache Được tích hợp chip vi xử lý Thường bao gồm mức Cache: Cache L1 gồm phần tách rời: Cache lệnh Cache liệu → Giải xung đột nhận lệnh liệu Cache L2: dùng chung cho lệnh liệu 28/86 Kiến trúc máy tính 12.5 Kiến trúc VXL tiên tiến Đơn vị quản lý nhớ Chuyển đổi địa ảo thành địa vật lý Cung cấp chế phân trang phân đoạn Cung cấp chế độ bảo vệ nhớ 29/86 Kiến trúc máy tính 12.5 Kiến trúc VXL tiên tiến b Kiến trúc song song mức lệnh Siêu đường ống (Superpipeline Hyperpipeline) Siêu vô hướng (Superscalar) Từ lệnh dài – VLIW (Very Long Instruction Word) 30/86 Kiến trúc máy tính 12.5 Kiến trúc VXL tiên tiến 31/86 Kiến trúc máy tính 12.5 Kiến trúc VXL tiên tiến VLIW (Very Long Instruction Word) 32/86 Kiến trúc máy tính 12.5 Kiến trúc VXL tiên tiến c Kiến trúc RISC CISC RISC: CISC – Complex Instruction Set Computer: Máy tính có tập lệnh phức tạp VD: xử lý 80x86 RISC – Reduced Instruction Set Computer: Máy tính có tập lệnh rút gọn VD: xử lý Sun SPARC, Power PC, 33/86 Kiến trúc máy tính 12.5 Kiến trúc VXL tiên tiến Các đặc trưng RISC Số lượng lệnh Các lệnh có thời gian thực chu kỳ máy Độ dài lệnh (32 bit) Có khn dạng lệnh (≤ 4) Có chế độ địa hóa tốn hạng (≤ 4) Có nhiều ghi Các lệnh chủ yếu thao tác ghi với ghi Truy cập nhớ thông qua lệnh LOAD STORE 34/86 Kiến trúc máy tính 12.5 Kiến trúc VXL tiên tiến Các xử lý bit: 4004, 4040 Các xử lý bit: 8008, 8080, 8085 Các xử lý 16 bit: 8086, 8088, 80186, 80188, 80286 Các xử lý 32 bit: họ 80386, 80486, họ Pentium I, II, III, Các xử lý 64 bit: Itanium, Itanium 2, Pentium D, Xeon, Intel Core 35/86 Kiến trúc máy tính 12.5 Kiến trúc VXL tiên tiến a Kiến trúc Intel x86 16 bit (IA-16) Các ghi bên trong: 16 bit Xử lý phép toán số nguyên với 16 bit Quản lý nhớ theo đoạn 64KB Là kiến trúc mở đầu cho dòng máy tính IBM-PC 36/86 Kiến trúc máy tính 12.5 Kiến trúc VXL tiên tiến b Kiến trúc 32 bit (IA-32) Các ghi bên trong: 32 bit Xử lý phép toán số nguyên với 32 bit Có chế độ làm việc: Chế độ 8086 thực (Real 8086 mode): làm việc xử lý 8086 Chế độ 8086 ảo (Virtual mode): làm việc nhiều xử lý 8086 (đa nhiệm 16bit) Chế độ bảo vệ (Protected mode): Đa nhiệm 32 bit Quản lý nhớ ảo Xử lý phép toán số dấu chấm động (từ 80486) 37/86 Kiến trúc máy tính 12.5 Kiến trúc VXL tiên tiến c Kiến trúc 64 bit (IA-64) Các ghi bên trong: 64 bit Xử lý phép toán số nguyên với 64 bit Xử lý phép toán số dấu chấm động Khơng tương thích phần cứng với phận trước Tương thích phần mềm cách giả lập mơi trường 38/86 Kiến trúc máy tính ... loại bỏ + 12. 5 Kiến trúc VXL tiên tiến a Cấu trúc chung xử lý tiên tiến b Các kiến trúc song song mức lệnh c Kiến trúc RISC 25/8 Kiến trúc máy tính 12. 5 Kiến trúc VXL tiên tiến a Cấu trúc chung... 28/86 Kiến trúc máy tính 12. 5 Kiến trúc VXL tiên tiến Đơn vị quản lý nhớ Chuyển đổi địa ảo thành địa vật lý Cung cấp chế phân trang phân đoạn Cung cấp chế độ bảo vệ nhớ 29/86 Kiến trúc máy. .. (Superscalar) Từ lệnh dài – VLIW (Very Long Instruction Word) 30/86 Kiến trúc máy tính 12. 5 Kiến trúc VXL tiên tiến 31/86 Kiến trúc máy tính