Bài giảng Hệ thống máy tính - Chương 4: Kiến trúc bộ xử lý - Nguyễn Kim Khánh

ipeline lệnh
8 September 2009 46
NKK-HUT
2. Các kiểu thao tác cơ bản
„ 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
8 September 2009 47
NKK-HUT
Các lệnh chuyển dữ liệu
„ MOVE Copy dữ liệu từ nguồn đến đích
„ LOAD Nạp dữ liệu từ bộ nhớ đến bộ xử lý
„ STORE Cất dữ liệu từ bộ xử lý đến bộ nhớ
„ EXCHANGE Trao 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 Cất nội dung toán hạng nguồn vào ngăn xếp
„ POP Lấy nội dung đỉnh ngăn xếp đưa đến
toán hạng đích
8 September 2009 48
NKK-HUT
Các lệnh số học
„ ADD Cộng hai toán hạng
„ SUBTRACT Trừ hai toán hạng
„ MULTIPLY Nhân hai toán hạng
„ DIVIDE Chia hai toán hạng
„ ABSOLUTE Lấy trị tuyệt đối toán hạng
„ NEGATE Đổi dấu toán hạng (lấy bù 2)
„ INCREMENT Tăng toán hạng thêm 1
„ DECREMENT Giảm toán hạng đi 1
„ COMPARE Trừ hai toán hạng để lập cờ
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 13
8 September 2009 49
NKK-HUT
Các lệnh logic 
„ 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
8 September 2009 50
NKK-HUT
Minh hoạ các lệnh AND, OR, XOR
„ Giả sử có hai thanh ghi chứa dữ liệu như sau:
(R1) = 1010 1010
(R2) = 0000 1111
„ R1 Å (R1) AND (R2) = 0000 1010
Phép toán AND dùng để xoá một số bit và giữ
nguyên một số bit còn lại của toán hạng.
„ R1 Å (R1) OR (R2) = 1010 1111
Phép toán OR dùng để thiết lập một số bit và giữ
nguyên một số bit còn lại của toán hạng.
„ R1 Å (R1) XOR (R2) = 1010 0101
Phép toán XOR dùng để đảo một số bit và giữ
nguyên một số bit còn lại của toán hạng.
8 September 2009 51
NKK-HUT
Các lệnh logic (tiếp)
SHIFT Dịch trái (phải) toán hạng
ROTATE Quay trái (phải) toán hạng
8 September 2009 52
NKK-HUT
Các thao tác SHIFT và ROTATE
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 14
8 September 2009 53
NKK-HUT
Các lệnh vào ra chuyên dụng
„ INPUT Copy dữ liệu từ một cổng xác
định đưa đến đích
„ OUTPUT Copy dữ liệu từ nguồn đến
một cổng xác định
8 September 2009 54
NKK-HUT
Các lệnh chuyển điều khiển
„ JUMP (BRANCH) Lệnh nhảy không điều kiện: 
„ nạp vào PC một địa chỉ xác định
„ JUMP CONDITIONAL Lệnh nhảy có điều kiện:
„ điều kiện đúngÆ nạp vào PC một địa chỉ xác định
„ điều kiện saiÆ không làm gì cả
„ CALL Lệnh gọi chương trình con: 
„ Cất nội dung của PC (địa chỉ trở về) ra một vị trí xác
định (thường ở Stack)
„ Nạp vào PC địa chỉ của lệnh đầu tiên của chương trình
con
„ RETURN Lệnh trở về từ chương trình con: 
„ Khôi phục địa chỉ trở về trả lại cho PC để trở về
chương trình chính
8 September 2009 55
NKK-HUT
Lệnh rẽ nhánh không điều kiện
„ Chuyển tới thực hiện lệnh
ở vị trí có địa chỉ XXX:
PC Å XXX
8 September 2009 56
NKK-HUT
Lệnh rẽ nhánh có điều kiện
„ Trong lệnh có kèm theo điều kiện
„ Kiểm tra điều kiện trong lệnh:
„ Nếu điều kiện đúngÆ chuyển tới thực hiện
lệnh ở vị trí có địa chỉ XXX 
PC Å XXX
„ Nếu điều kiện saiÆ 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
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 15
8 September 2009 57
NKK-HUT
Minh hoạ lệnh rẽ nhánh có điều kiện
8 September 2009 58
NKK-HUT
Lệnh CALL và RETURN
„ Lệnh gọi chương trình con: lệnh CALL
„ Cất nội dung PC (chứa địa chỉ của lệnh_kế_tiếp) ra
Stack
„ Nạp vào PC địa chỉ của lệnh đầu tiên của chương
trình con được gọi
Æ Bộ xử lý được 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 Æ Bộ xử lý được điều khiển quay trở
về thực hiện tiếp lệnh nằm sau lệnh CALL
8 September 2009 59
NKK-HUT
Minh hoạ lệnh CALL và RETURN 
8 September 2009 60
NKK-HUT
Gọi các thủ tục lồng nhau
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 16
8 September 2009 61
NKK-HUT
Sử dụng Stack
8 September 2009 62
NKK-HUT
Các lệnh điều khiển hệ thống
„ HALT Dừng thực hiện chương trình
„ WAIT Tạm dừng thực hiện chương trình, 
lặp kiểm tra điều kiện cho đến khi
thoả mãn thì tiếp tục thực hiện
„ NO OPERATION Không thực hiện gì cả
„ LOCK Cấm không cho xin chuyển nhượng
bus
„ UNLOCK Cho phép xin chuyển nhượng bus 
8 September 2009 63
NKK-HUT
3. Các phương pháp định địa chỉ (addressing modes)
Khái niệm về định địa chỉ (addressing)
„ Toán hạng của lệnh có thể là:
„ Một giá trị cụ thể nằm ngay trong lệnh
„ Nội dung của thanh ghi
„ Nội dung của ngăn nhớ hoặc cổng vào-ra
„ Phương pháp định địa chỉ là cách thức
địa chỉ hóa trong trường địa chỉ của lệnh
để xác định nơi chứa toán hạng
8 September 2009 64
NKK-HUT
Các phương pháp định địa chỉ thông dụng
„ Định địa chỉ tức thì
„ Định địa chỉ thanh ghi
„ Định địa chỉ trực tiếp
„ Định địa chỉ gián tiếp qua thanh ghi
„ Định địa chỉ gián tiếp
„ Định địa chỉ dịch chuyển
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 17
8 September 2009 65
NKK-HUT
Định địa chỉ tức thì
„ Toán hạng nằm ngay trong Trường địa
chỉ của lệnh
„ Chỉ có thể là toán hạng nguồn
„ Ví dụ:
ADD R1, 5 ; R1Å R1+5
„ Không tham chiếu bộ nhớ
„ Truy nhập toán hạng rất nhanh
„ Dải giá trị của toán hạng bị hạn chế
8 September 2009 66
NKK-HUT
Sơ đồ định địa chỉ tức thì
8 September 2009 67
NKK-HUT
Định địa chỉ thanh ghi
„ Toán hạng được chứa trong thanh ghi có
tên trong Trường địa chỉ
„ Ví dụ:
ADD R1, R2 ; R1Å R1+R2
„ Số lượng thanh ghi ítÆ Trường địa chỉ
chỉ cần ít bit 
„ Không tham chiếu bộ nhớ
„ Truy nhập toán hạng nhanh
„ Tăng số lượng thanh ghiÆ hiệu quả hơn
8 September 2009 68
NKK-HUT
Sơ đồ định địa chỉ thanh ghi
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 18
8 September 2009 69
NKK-HUT
Định địa chỉ trực tiếp
„ Toán hạng là ngăn nhớ có địa chỉ được
chỉ ra trực tiếp trong Trường địa chỉ của
lệnh
„ Ví dụ: ADD R1, A ;R1 Å R1 + (A)
„ Cộng nội dung thanh ghi R1 với nội dung 
của ngăn nhớ có địa chỉ là A
„ Tìm toán hạng trong bộ nhớ ở địa chỉ A
„ CPU tham chiếu bộ nhớ một lần để truy
nhập dữ liệu
8 September 2009 70
NKK-HUT
Sơ đồ định địa chỉ trực tiếp
8 September 2009 71
NKK-HUT
Định địa chỉ gián tiếp qua thanh ghi
„ Toán hạng là ngăn nhớ có địa chỉ nằm
trong thanh ghi
„ Trường địa chỉ cho biết tên thanh ghi đó
„ Thanh ghi có thể là ngầm định
„ Thanh ghi này được gọi là thanh ghi
con trỏ
„ Vùng nhớ có thể được tham chiếu là
lớn (2n), (với n là độ dài của thanh ghi)
8 September 2009 72
NKK-HUT
Sơ đồ định địa chỉ gián tiếp qua thanh ghi
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 19
8 September 2009 73
NKK-HUT
Định địa chỉ gián tiếp qua ngăn nhớ
„ Ngăn nhớ được trỏ bởi Trường địa chỉ
của lệnh chứa địa chỉ của toán hạng
„ Có thể gián tiếp nhiều lần
„ Giống như khái niệm biến con trỏ và
biến động trong lập trình
„ CPU phải thực hiện tham chiếu bộ nhớ
nhiều lần để tìm toán hạngÆ chậm
„ Vùng nhớ có thể được tham chiếu là
lớn
8 September 2009 74
NKK-HUT
Sơ đồ định địa chỉ gián tiếp qua ngăn nhớ
8 September 2009 75
NKK-HUT
Định địa chỉ dịch chuyển
„ Để xác định toán hạng, Trường địa chỉ
chứa hai 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
8 September 2009 76
NKK-HUT
Sơ đồ định địa chỉ dịch chuyển
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 20
8 September 2009 77
NKK-HUT
Các dạng của định địa chỉ dịch chuyển
„ Địa chỉ hoá tương đối với PC
„ Thanh ghi là Bộ đếm chương trình PC
„ Toán hạng có địa chỉ cách ngăn nhớ được
trỏ bởi PC một độ lệch xác định
„ Định địa chỉ cơ sở
„ Thanh ghi chứa địa chỉ cơ sở
„ Hằng số là chỉ số
„ Định địa chỉ chỉ số
„ Hằng số là địa chỉ cơ sở
„ Thanh ghi chứa chỉ số
8 September 2009 78
NKK-HUT
4.3. Hoạt động của CPU
Chu trình lệnh
„ Nhận lệnh
„ Giải mã lệnh
„ Nhận toán hạng
„ Thực hiện lệnh
„ Cất toán hạng
„ Ngắt
8 September 2009 79
NKK-HUT
Giản đồ trạng thái chu trình lệnh
8 September 2009 80
NKK-HUT
Nhận lệnh
„ CPU đưa địa chỉ của lệnh cần nhận từ 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 thanh ghi lệnh IR
„ CPU tăng nội dung PC để trỏ sang lệnh
kế tiếp
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 21
8 September 2009 81
NKK-HUT
Sơ đồ mô tả quá trình nhận lệnh
8 September 2009 82
NKK-HUT
Giải mã lệnh
„ 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 phải thực hiện
„ Giải mã lệnh xảy ra bên trong CPU
8 September 2009 83
NKK-HUT
Nhận dữ liệu
„ CPU đưa địa chỉ của toán hạng ra bus 
địa chỉ
„ CPU phát tín hiệu điều khiển đọc
„ Toán hạng được đọc vào CPU 
„ Tương tự như nhận lệnh
8 September 2009 84
NKK-HUT
Nhận dữ liệu gián tiếp
„ CPU đưa địa chỉ ra bus địa chỉ
„ CPU phát tín hiệu điều khiển đọc
„ Nội dung ngăn nhớ được đọc vào CPU, 
đó chính là địa chỉ của toán hạng
„ Địa chỉ này được CPU phát ra bus địa
chỉ để tìm ra toán hạng
„ CPU phát tín hiệu điều khiển đọc
„ Toán hạng được đọc vào CPU 
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 22
8 September 2009 85
NKK-HUT
Sơ đồ tả nhận toán hạng gián tiếp
8 September 2009 86
NKK-HUT
Thực hiện lệnh
„ Có nhiều dạng tuỳ thuộc vào lệnh
„ Có thể là:
„ Đọc/Ghi bộ nhớ
„ Vào/Ra
„ Chuyển giữa các thanh ghi
„ Thao tác số học/logic
„ Chuyển điều khiển (rẽ nhánh)
„ ...
8 September 2009 87
NKK-HUT
Ghi toán hạng
„ 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
8 September 2009 88
NKK-HUT
Sơ đồ mô tả quá trình ghi toán hạng
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 23
8 September 2009 89
NKK-HUT
Ngắt
„ Nội dung của bộ đếm chương trình PC (địa
chỉ trở về sau khi ngắt) được đưa ra bus dữ
liệu
„ CPU đưa địa chỉ (thường được lấy từ con trỏ
ngăn xếp SP) ra bus địa chỉ
„ CPU phát tín hiệu điều khiển ghi bộ nhớ
„ Địa chỉ trở về trên bus dữ liệu được ghi ra vị
trí xác định (ở ngăn xếp) 
„ Địa chỉ lệnh đầu tiên của chương trình con 
điều khiển ngắt được nạp vào PC
8 September 2009 90
NKK-HUT
Sơ đồ mô tả chu trình ngắt
8 September 2009 91
NKK-HUT
4.4. Kỹ thuật đường ống lệnh
„ Khái niệm: Đường ống lệnh (Instruction Pipelining) 
là kỹ thuật chia chu trình lệnh thành các công đoạn
và cho phép thực hiện gối lên nhau (như dây
chuyền lắp ráp)
„ Chẳng hạn có 6 công đoạn:
„ Nhận lệnh (Fetch Instruction - FI)
„ Giải mã lệnh (Decode Instruction - DI)
„ Tính địa 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)
8 September 2009 92
NKK-HUT
Giản đồ thời gian cho đường ống lệnh
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 24
8 September 2009 93
NKK-HUT
Các Hazard của đường ống lệnh
„ Hazard cấu trúc
„ Hazard dữ liệu
„ Hazard điều khiển
8 September 2009 94
NKK-HUT
Hazard về cấu trúc
„ Nguyên nhân: Dùng chung tài nguyên
„ Khắc phục: 
„ nhân tài nguyên để tránh xung đột
„ Làm trễ
Ví dụ: 
„ Bus dữ liệu: truyền lệnh và dữ liệu
Æ Bus lệnh riêng, bus dữ liệu riêng (cache 
lệnh và cache dữ liệu)
8 September 2009 95
NKK-HUT
Ví dụ Hazard về cấu trúc
conflict on arithmetic unit
cache miss
TLB miss
MULT A,B,C
MULT D,E,F
I D F E E E W
I D F F F E E E W
3 clocks necessary for multiplication
stall
8 September 2009 96
NKK-HUT
Hazard về dữ liệu
„ Nguyên nhân: lệnh sau sử dụng dữ liệu 
kết quả của lệnh trước 
„ Các dạng: 
„ RAW (Read After Write)
„ WAR (Write After Read)
„ WAW (Write After Write)
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 25
8 September 2009 97
NKK-HUT
Sự phụ thuộc về dữ liệu
RAW
WAR
WAW
ADD A,B,C
ADD E,A,D
ADD A,B,C
ADD B,D,E
ADD A,B,C
ADD A,D,E
Write-A must be earlier than
Read-A
Read-B must be earlier than
Write-B
First Write-A must be earlier
Than second Write-A
8 September 2009 98
NKK-HUT
WAR and WAW
WAR
WAW
ADD A,B,C
ADD B,D,E
ADD A,B,C
ADD A,D,E
Read-B is earlier than Write-B
first Write-A is earlier than second Write-A
I D F E W
I D F E W
Write B
Read B
I D F E W
I D F E W
Write A
Write A
no conflict at in-order pipeline
conflict at out-of-order pipeline
8 September 2009 99
NKK-HUT
RAW
ADD A,B,C
ADD E,A,D
I D F E W
I D F E C
I D F E W
I D D D F E W
Read A
Write A
stall
Write-A must be earlier
Than Read-A Write A
Read A
8 September 2009 100
NKK-HUT
Hazard điều khiển
BEQ A, B, Label
LOAD C, X
・・・・
Label: LOAD C, Y
I D F E C
I D F E C
set PC
stall
Wait for branch address
calculation
next instruction to a branch instruction cannot be fetched until branch condition
defined and PC updated
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 26
8 September 2009 101
NKK-HUT
4.5. Các kiến trúc song song mức lệnh
„ Siêu đường ống (Superpipeline & 
Hyperpipeline)
„ Siêu vô hướng (Superscalar)
„ VLIW (Very Long Instruction Word)
8 September 2009 102
NKK-HUT
Superpipeline
8 September 2009 103
NKK-HUT
Superscalar
8 September 2009 104
NKK-HUT
VLIW (Very Long Instruction Word)
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 27
8 September 2009 105
NKK-HUT
4.6. Một số kiến trúc thông dụng
1. Kiến trúc Intel
„ Kiến trúc 4-bit: 4004
„ Kiến trúc 8-bit: 8008,8080,8085
„ Kiến trúc 16-bit: 8086/8088,80186,80286
„ Kiến trúc 32-bit: 80386, 80486, 
Pentium,Pentium II, 
Celeron, Pentium III, 
Pentium 4, Core
„ Kiến trúc 64-bit: Itanium, Core 2
8 September 2009 106
NKK-HUT
Kiến trúc 16-bit (IA-16)
„ Các thanh ghi bên trong: 16-bit
„ Xử lý các phép toán số nguyên với 16-bit
„ Quản lý bộ nhớ theo đoạn 64KBytes
„ Mở đầu cho dòng máy tính IBM-PC
8 September 2009 107
NKK-HUT
Kiến trúc 32-bit (IA-32)
„ Các thanh ghi bên trong: 32-bit
„ Xử lý các phép toán số nguyên với 32-bit
„ Có ba chế độ làm việc:
„ Chế độ 8086 thực (Real 8086 mode): làm việc như một
bộ xử lý 8086
„ Chế độ 8086 ảo (Virtual 8086 mode): làm việc như
nhiều bộ xử lý 8086 (đa nhiệm 16-bit)
„ Chế độ bảo vệ (Protected mode)
„ đa nhiệm 32-bit
„ quản lý bộ nhớ ảo
„ Xử lý các phép toán số dấu phẩy động (từ 80486)
8 September 2009 108
NKK-HUT
Kiến trúc 64-bit (IA-64)
„ Các thanh ghi bên trong: 64-bit
„ Xử lý các phép toán số nguyên với 64-bit
„ Xử lý các phép toán số dấu phẩy động
„ Không tương thích phần cứng với các bộ
xử lý trước đó
„ Tương thích phần mềm bằng cách giả lập
môi trường
Bài giảng Hệ thống máy tính
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 28
8 September 2009 109
NKK-HUT
2. Một số kiến trúc khác
„ Kiến trúc MIPS (đã học)
„ Kiến trúc ARM
„ Kiến trúc Sun SPARC
„ Kiến trúc PowerPC
„ 
8 September 2009 110
NKK-HUT
Hết chương 4