Bài giảng Kiến trúc máy tính 1 - Chương 7: Tổ chức bộ xử lý - Vũ Đức Lung

Khoa KTMT Vũ Đức Lung 1
Chƣơng 7 – Tổ chức bộ xử lý
7.1. Tổ chức bộ xử lý trung tâm
7.2. Bộ điều khiển
7.3. Bộ thanh ghi
7.4. Đường đi dữ liệu (Datapath)
7.4.1. Tổ chức One-Bus
7.4.2. Tổ chức Two-Bus, Three-Bus
7.5. Diễn tiến thi hành lệnh mã máy
7.6. Xử lý ngắt (Interrupt Handling)
7.7. Kỹ thuật ống dẫn (Pipeline)
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 2
7.1. Tổ chức bộ xử lý trung tâm
 đòi hỏi ở bên trong CPU:
– Tìm nạp lệnh (Fetch Instruction)
– Diễn giải lệnh (Interpret Instruction)
– Tìm nạp dữ liệu (Fetch data)
– Xử lý dữ liệu (Process data)
– Ghi dữ liệu (Write data)
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 3
Cấu trúc bên trong của CPU
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 4
7.2. Bộ điều khiển
 Bộ điều khiển mạch điện tử
– nguyên lý hoạt động như một mạch tuần tự hay Automate (mạch tự 
động hóa) trạng thái hữu hạn
– Ưu điểm : 
• chỉ có một số hữu hạn các trạng thái
• tối ưu để tạo ra chế độ nhanh cho tác vụ
 Bộ điều khiển vi chương trình
– dùng một vi chương trình lập sẵn nằm trong bộ nhớ điều khiển để khởi 
động dãy vi tac vụ theo yêu cầu.
– dùng rộng rãi trong các bộ xử lý CISC
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 5
7.2. Bộ điều khiển
 sơ đồ khối một bộ điều khiển cơ bản
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 6
7.3. Bộ thanh ghi
 Thanh ghi muc đích chung 
 Thanh ghi có mục đích đặc biệt 
 Chiều dài của thanh ghi 
 Số lượng thanh ghi 
 Thanh ghi truy cập bộ nhớ
– Thanh ghi dữ liệu bộ nhớ (memory data register - MDR) 
– Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ (memory address regiater – MAR)
 Thanh ghi chuyển tải lệnh
– Bộ đếm chương trình (program counter – PC) 
– Thanh ghi lệnh (instruction register – IR)
 Thanh ghi từ trạng thái của chương trình (program stature 
word – PSW).
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 7
Các thanh ghi họ 80x86
– Thanh ghi mục đích chung
– Thanh ghi segment
– Thanh ghi đếm chương trình PC và thanh ghi cờ trạng thái
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 8
7.4. Đƣờng đi dữ liệu (Datapath)
 Đường đi dữ liệu gồm có 
– bộ logic-số học (ALU: Arithmetic and Logic Unit), 
– các mạch dịch, 
– các thanh ghi 
– các đường nối kết các bộ phận trên
 Nhiệm vụ chính của phần đường đi dữ liệu 
– đọc các toán hạng từ các thanh ghi tổng quát
– thực hiện các phép tính trên toán hạng này trong ALU
– lưu trữ kết quả trong các thanh ghi tổng quát
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 9
7.4.1. Tổ chức One-Bus
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 10
7.4.2. Tổ chức Two-Bus
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 11
Three-Bus
 . Tổ chức đường truyền dữ liệu dạng three-bus
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 12
7.5. Diễn tiến thi hành lệnh mã máy(CPU instruction 
cycle)
 Việc thi hành một lệnh mã máy có thể chia thành 5 giai đoạn 
– Đọc lệnh (IF: Instruction Fetch)
– Giải mã lệnh (ID: Instruction Decode)
– Thi hành lệnh (EX: Execute)
– Thâm nhập bộ nhớ trong hoặc nhảy (MEM: Memory access)
– Lưu trữ kết quả (RS: Result Storing).
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 13
 Đọc lệnh (fetch instruction):
– Dữ liệu trong PC được load vào MAR: MAR ← PC
– Giá trị trong thanh ghi PC tăng lên 1: PCfPC+1
– Kết quả của lệnh đọc từ bộ nhớ, dữ liệu được load vào MDR: 
MDRM[MAR]
– Dữ liệu trong MDR được load vào IR: IR ← M[MAR]
 Thứ tự thực hiện lệnh theo thời gian đối với loại one-bus:
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 14
 Thứ tự thực hiện lệnh theo thời gian đối với loại three-bus:
 Giải mã lệnh và đọc các thanh ghi nguồn:
– A ← Rs1
– B ← Rs2
– PC ← PC + 4
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 15
Thi hành lệnh:
 Liên hệ tới bộ nhớ
– MAR ← Địa chỉ do ALU tính tuỳ theo kiểu định vị (Rs2).
– MDR ← Rs1
Một lệnh của ALU
– Ngã ra ALU ← Kết quả của phép tính
Một phép nhảy
– Ngã ra ALU ← Địa chỉ lệnh tiếp theo do ALU tính.
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 16
 Thâm nhập bộ nhớ trong hoặc nhảy lần cuối
– Tham khảo đến bộ nhớ:
MDR ← M[MAR] hoặc M[MAR] ← MDR
– Nhảy:
If (điều kiện), PC ← ngả ra ALU
 Lưu trữ kết quả
– Rd ← Ngã ra ALU hoặc Rd ← MDR
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 17
7.6. Xử lý ngắt (Interrupt Handling)
 Ngắt là một sự kiện xảy ra một cách ngẫu nhiên trong máy tính 
và làm ngưng tính tuần tự của chương trình (nghĩa là tạo ra 
một lệnh nhảy)
 ngắt quãng được dùng cho các công việc:
– Ngoại vi đòi hỏi nhập hoặc xuất số liệu.
– Người lập trình muốn dùng dịch vụ của hệ điều hành.
– Cho một chương trình chạy từng lệnh.
– Làm điểm dừng của một chương trình.
– Báo tràn số liệu trong tính toán số học.
– Trang bộ nhớ thực sự không có trong bộ nhớ.
– Báo vi phạm vùng cấm của bộ nhớ.
– Báo dùng một lệnh không có trong tập lệnh.
– Báo phần cứng máy tính bị hư.
– Báo điện bị cắt.
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 18
 Khi một ngắt xảy ra, bộ xử lý thi hành các bước:
– 1. Thực hiện xong lệnh đang làm.
– 2. Lưu trữ trạng thái hiện tại.
– 3. Nhảy đến chương trình phục vụ ngắt
– 4. Khi chương trình phục vụ chấm dứt, bộ xử lý khôi phục lại trạng thái 
cũ của nó và tiếp tục thực hiện chương trình mà nó đang thực hiện khi 
bị ngắt.
 Thực hiện các vi tác vụ khi ngắt
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 19
7.7. Kỹ thuật ống dẫn (PIPELINE)
 Thực hiện lệnh trong kỹ thuật pipeline:
Một số ràng buộc trong pipeline
– Cần phải có một mạch điện tử để thi hành mỗi giai đoạn của lệnh 
– Phải có nhiều thanh ghi khác nhau dùng cho các tác vụ đọc và viết
– Cần phải giải mã các lệnh một cách đơn giản 
– Cần phải có các bộ làm tính ALU hữu hiệu để có thể thi hành lệnh số 
học dài nhất
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 20
Những khó khăn trong kỹ thuật ống dẫn 
 Khó khăn do cấu trúc
 Khó khăn do điều khiển
 Khó khăn do số liệu
– ví dụ trường hợp các lệnh liên tiếp sau:
Lệnh 1: ADD R1, R2, R3
Lệnh 2: SUB R4, R1, R5
Lệnh 3: AND R6, R1, R7
Lệnh 4: OR R8, R1, R9
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 21
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG VII