Bài giảng Kiến trúc máy tính - Tuần 10: Bộ xử lý Processor

 1 
Read 
register 2 
Write 
register 
Write 
data 
Read 
data 1 
Read 
data 2 
RegWrite 
Register 
File 
5 
5 
5 
Nội dung của thanh ghi $22 
Immediate 
15:0 
opcode 
31:26 
rs 
25:21 
rt 
20:16 
Inst [25:21] 
Inst [20:16] 
Inst [15:11] 
Vấn đề: 
Thanh ghi đích $21 “ đặt không đúng vị trí” 
lw $21, -50($22) 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
27 
001000 
10110 
10101 
1111 1111 1100 1110 
Read 
register 1 
Read 
register 2 
Write 
register 
Write 
data 
Read 
data 1 
Read 
data 2 
Register 
File 
5 
5 
5 
Immediate 
15:0 
opcode 
31:26 
rs 
25:21 
rt 
20:16 
Inst [25:21] 
Inst [20:16] 
Inst [15:11] 
MUX 
RegDst 
RegDst : 
Tín hiệu điều khiển chọn 
Inst[20:16] hay [15:11] để đưa vào ngõ write register 
Giải pháp (cho chỉ số thanh ghi sẽ được ghi): 
Sử dụng một multiplexer để lựa chọn chỉ số thanh ghi cho ngõ write register chính xác dựa 
trên từng loại lệnh 
lw $21, -50($22) 
Giải mã: Giải pháp cho ngõ “Write register” 
03/2017 
Multiplexer (MUX) 
Chức năng: 
Chọn một input từ tập input đầu vào 
Inputs: 
n đường vào có cùng chiều rộng 
Control: 
Cần m bit trong đó n = 2 m 
Output: 
Chọn đường input thứ i nếu giá trị tín hiệu điều khiển control = i 
28 
Control=0 select in 0 
Control=3 select in 3 
in 0 
in n-1 
out 
Control 
m 
. 
. 
. 
MUX 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Giải mã: giải pháp cho ngõ “Data 2” 
29 
001000 
10110 
10101 
1111 1111 1100 1110 
Read 
register 1 
Read 
register 2 
Write 
register 
Write 
data 
Read 
data 1 
Read 
data 2 
5 
5 
5 
Immediate 
15:0 
opcode 
31:26 
rs 
25:21 
rt 
20:16 
Inst [25:21] 
Inst [20:16] 
Inst [15:11] 
MUX 
RegDst 
Inst [ 15:0] 
MUX 
ALUSrc 
RegWrite 
Sign Extend 
16 
32 
Register 
File 
ALUSrc : 
Tín hiệu điều khiển để chọn “Read data 2” hay giá trị của Inst[15:0] (đã được mở rộng có dấu) cho toán hạng thứ hai 
Giải pháp (cho đường dữ liệu data 2) 
Sử dụng một multiplexer để chọn chính xác toán hạn g thứ 2. 
Sign extend : khối mở rộng số tức thời 16 bit thành 32 bit 
lw $21, -50($22) 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
30 
100011 
10110 
10101 
1111 1111 1100 1110 
Read 
register 1 
Read 
register 2 
Write 
register 
Write 
data 
Read 
data 1 
Read 
data 2 
5 
5 
5 
Immediate 
15:0 
opcode 
31:26 
rs 
25:21 
rt 
20:16 
Inst [25:21] 
Inst [20:16] 
Inst [15:11] 
MUX 
RegDst 
Inst [ 15:0] 
MUX 
ALUSrc 
RegWrite 
Sign Extend 
16 
32 
Register 
File 
V í dụ với lệnh : “ s w $21 , -50( $22 ) " 
Có cần phải thay đổi thành phần nào? 
Giải mã: Lệnh Load Word 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Ví dụ: " beq $9 , $0 , 3 " 
Cần tính kết quả rẽ nhánh và đích đến cùng một lúc ! 
Giải quyết vấn đề này trong giai đoạn của ALU 
31 
000100 
01001 
00000 
0000 0000 0000 0011 
Immediate 
15:0 
opcode 
31:26 
rs 
25:21 
rt 
20:16 
Read 
register 1 
Read 
register 2 
Write 
register 
Write 
data 
Read 
data 1 
Read 
data 2 
5 
5 
5 
Inst [25:21] 
Inst [20:16] 
Inst [15:11] 
MUX 
RegDst 
Inst [ 15:0] 
MUX 
ALUSrc 
RegWrite 
Sign Extend 
16 
32 
Register 
File 
Giải mã: Lệnh nhánh/nhảy 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Giải mã: tổng kết 
32 
Read 
register 1 
Read 
register 2 
Write 
register 
Write 
data 
Read 
data 1 
Read 
data 2 
Registers 
5 
5 
5 
Inst [25:21] 
Inst [20:16] 
Inst [15:11] 
MUX 
RegDst 
Inst [ 15:0] 
MUX 
ALUSrc 
RegWrite 
Sign Extend 
16 
32 
Operand 1 
Operand 2 
Inst[31:0] 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Instruction Fetch (Nạp lệnh) 
Instruction Decode & Operand Fetch 
(Giải mã và lấy các toán hạng cần thiết, Gọi tắt là “Instruction Decode”) 
ALU (Giai đoạn sử dụng ALU hay giai đoạn thực thi) 
Memory Access (Giai đoạn truy xuất vùng nhớ) 
Result Write (Giai đoạn ghi lại kết quả/lưu trữ) 
33 
Fetch 
Instruction 
Decode 
ALU 
Memory Access 
Result Write 
Next Instruction 
Quy trình thực thi lệnh của MIPS (5 công đoạn) 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Công đoạn ALU 
Công đoạn ALU: 
ALU = Arithmetic-Logic Unit 
Công việc thật sự của hầu hết các lệnh được hiện chủ yếu trong giai đoạn này 
Số học (Arithmetic) (ví dụ: add , sub ), Logic (ví dụ: and , or ): ALU tính ra kết quả cuối cùng 
Lệnh làm việc với bộ nhớ (ví dụ: lw , sw ): ALU dùng tính toán địa chỉ của bộ nhớ 
Lệnh nhảy/nhánh (ví dụ: bne , beq ): ALU thực hiện so sánh các giá trị trên thanh ghi và tính toán địa chỉ đích sẽ nhảy tới 
Đầu vào từ công đoạn trước ( Decode ): 
Các thao tác (operation) và toán hạng (operand(s)) 
Đầu ra cho công đoạn tiếp theo ( Memory ): 
Tính toán kết quả 
(Đối với lệnh lw và sw: Kết quả của công đoạn này sẽ là địa chỉ cung cấp cho memory để lấy dữ liệu) 
34 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Công đoạn ALU 
35 
ALU 
result 
ALU 
Decode Stage 
Operands 
Memory Stage 
Khối mạch thực hiện các phép toán logic và số học 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
ALU (Arithmetic-logical unit ) 
Khối dùng để thực hiện các phép tính logic và số học 
Inputs: 
2 số 32-bit 
Điều khiển khối ALU: 
Do ALU có thể thực hiện nhiều chức năng dùng 4-bit để quyết định chức năng/phép toán cụ thể nào cho ALU 
Outputs: 
Kết quả của phép toán số học hoặc logic 
Một bit tín hiệu để chỉ ra rằng kết quả có bằng 0 hay không 
ALUcontrol 
Function 
0000 
AND 
0001 
OR 
0010 
add 
0110 
subtract 
0111 
slt 
1100 
NOR 
36 
ALU 
result 
ALU 
ALUcontrol 
4 
isZero? 
A 
B 
A op B 
(A op B) == 0? 
Khối ALU ( Arithmetic Logical Unit) 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Các lệnh không nhánh/nhảy (non-branch) kết nối ALU như hình: 
37 
Read 
register 1 
Read 
register 2 
Write 
register 
Write 
data 
Read 
data 1 
Read 
data 2 
Register 
File 
5 
5 
5 
Inst [25:21] 
Inst [20:16] 
Inst [15:11] 
MUX 
RegDst 
Inst [ 15:0] 
MUX 
ALUSrc 
RegWrite 
Sign Extend 
16 
32 
ALU 
result 
ALU 
ALUcontrol 
4 
isZero? 
opcode 
31:26 
rs 
25:21 
rt 
20:16 
rd 
15:11 
shamt 
10:6 
funct 
5:0 
000000 
01001 
01010 
01000 
00000 
100000 
ALUcontrol: 
Thiết lập giá trị cho ALUcontrol cần sử dụng trường opcode và funct 
 add $8 , $9 , $10 
Công đoạn ALU: các lệnh non-branch 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Công đoạn ALU: Các lệnh Branch 
Lệnh rẽ nhánh thì khó hơn vì phải tính toán hai phép toán: 
Ví dụ: " beq $9 , $0 , 3 " 
Kết quả rẽ nhánh: 
Sử dụng ALU để so sánh thanh ghi 
Tín hiệu 1-bit " isZero? “ để kiểm tra tính chất bằng/không bằng 
Địa chỉ đích của nhánh: 
Sử dụng một bộ cộng để tính địa chỉ 
Cần nội dung của thanh ghi PC (từ Fetch Stage) 
Cần Offset (từ Decode Stage) 
38 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
000100 
01001 
00000 
0000 0000 0000 0011 
Immediate 
15:0 
opcode 
31:26 
rs 
25:21 
rt 
20:16 
Read 
register 1 
Read 
register 2 
Write 
register 
Write 
data 
Read 
data 1 
Read 
data 2 
Register 
File 
5 
5 
5 
Inst [25:21] 
Inst [20:16] 
Inst [15:11] 
MUX 
RegDst 
Inst [ 15:0] 
MUX 
ALUSrc 
RegWrite 
Sign Extend 
16 
32 
ALU 
result 
ALU 
ALUcontrol 
4 
isZero? 
Left Shift 2-bit 
PC 
Add 
4 
Add 
MUX 
PCSrc 
Ví dụ: " beq $9 , $0 , 3 " 
Datapath với công đoạn ALU hoàn chỉnh 
39 
PCSrc: 
Tín hiệu điều khiển để lựa chọn giữa 
(PC+4) hoặc địa chỉ đích mà lệnh nhánh/nhảy sẽ nhảy tới 
03/2017 
Instruction Fetch (Nạp lệnh) 
Instruction Decode & Operand Fetch 
(Giải mã và lấy các toán hạng cần thiết, Gọi tắt là “Instruction Decode”) 
ALU (Giai đoạn sử dụng ALU hay giai đoạn thực thi) 
Memory Access (Giai đoạn truy xuất vùng nhớ) 
Result Write (Giai đoạn ghi lại kết quả/lưu trữ) 
40 
Fetch 
Instruction 
Decode 
ALU 
Memory Access 
Result Write 
Next Instruction 
Quy trình thực thi lệnh của MIPS (5 công đoạn) 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Giai đoạn truy xuất vùng nhớ: 
Chỉ có lệnh Load và Store cần thực hiện các thao tác trong giai đoạn này: 
Sử dụng địa chỉ vùng nhớ được tính toán ở giai đoạn ALU 
Đọc dữ liệu ra hoặc ghi dữ liệu vào vùng nhớ dữ liệu 
Tất cả các lệnh khác sẽ rảnh trong giai đoạn này 
Đầu vào từ giai đoạn trước ( ALU ): 
Kết quả tính toán được dùng làm địa chỉ vùng nhớ (nếu có thể ứng dụng) 
Đầu ra cho giai đoạn tiếp theo ( Result Write ): 
Kết quả được lưu trữ lại (nếu cần) 
41 
Giai đoạn truy xuất vùng nhớ (Memory stage) 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
ALU Stage 
Result 
Result Store Stage 
Bộ nhớ lưu trữ dữ liệu 
Data 
Memory 
Address 
Read 
Data 
Write 
Data 
MemRead 
MemWrite 
42 
Giai đoạn truy xuất vùng nhớ (Memory stage) 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Vùng nhớ này lưu trữ dữ liệu cần thiết của chương trình 
Inputs: 
Address: Địa chỉ vùng nhớ 
Write Data: Dữ liệu sẽ được ghi vào vùng nhớ đối với lệnh Store 
Tín hiệu điều khiển: 
Tín hiệu đọc (MemRead ) và ghi (MemWrite); chỉ một tín hiệu được bật lên tại bất kì một thời điểm nào 
Output: 
Dữ liệu được đọc từ vùng nhớ đối với lệnh Load 
43 
Data 
Memory 
Address 
Read 
Data 
Write 
Data 
MemRead 
MemWrite 
Khối Data Memory 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Chỉ những phần liên quan đến Decode & ALU Stage được trình bày 
44 
000100 
01001 
00000 
0000 0000 0000 0011 
Immediate 
15:0 
opcode 
31:26 
rs 
25:21 
rt 
20:16 
Inst [25:21] 
Inst [20:16] 
Inst [15:11] 
MUX 
RegDst 
Inst [ 15:0] 
MUX 
ALUSrc 
RR1 
RR2 
WR 
WD 
RD1 
RD2 
Registers 
5 
5 
5 
RegWrite 
Sign Extend 
16 
32 
ALU 
result 
ALU 
ALUcontrol 
4 
100011 
10110 
10101 
1111 1111 1100 1110 
 Address 
Write 
Data 
MemRead 
MemWrite 
Data 
Memory 
Read 
Data 
 lw $21 , -50( $22 ) 
Giai đoạn Memory: lệnh Load 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Cần Read Data 2 (Decode) để đưa vào Write Data 
45 
000100 
01001 
00000 
0000 0000 0000 0011 
Immediate 
15:0 
opcode 
31:26 
rs 
25:21 
rt 
20:16 
Inst [25:21] 
Inst [20:16] 
Inst [15:11] 
MUX 
RegDst 
Inst [ 15:0] 
MUX 
RR1 
RR2 
WR 
WD 
RD1 
RD2 
Registers 
5 
5 
5 
RegWrite 
Sign Extend 
16 
32 
ALU 
result 
ALU 
ALUcontrol 
4 
101011 
10110 
10101 
1111 1111 1100 1110 
 Address 
Write 
Data 
MemRead 
MemWrite 
Data 
Memory 
Read 
Data 
 sw $21 , -50( $22 ) 
Giai đoạn Memory: lệnh Store 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
MemToReg : 
Tín hiệu điều khiển giúp lựa chọn giá trị lưu vào thanh ghi là từ Read Data hay từ ALU result 
Sử dụng thêm một multiplexer để lựa chọn kết quả lưu trữ vào thanh ghi 
46 
Inst [25:21] 
Inst [20:16] 
Inst [15:11] 
MUX 
RegDst 
Inst [ 15:0] 
MUX 
RR1 
RR2 
WR 
WD 
RD1 
RD2 
Registers 
5 
5 
5 
RegWrite 
Sign Extend 
16 
32 
ALU 
result 
ALU 
ALUcontrol 
4 
Data 
Memory 
Address 
Read 
Data 
Write 
Data 
MemWrite 
opcode 
31:26 
rs 
25:21 
rt 
20:16 
rd 
15:11 
shamt 
10:6 
funct 
5:0 
000000 
01001 
01010 
01000 
00000 
100000 
MUX 
MemToReg 
 add $8 , $9 , $10 
MemRead 
Giai đoạn Memory: lệnh không truy xuất vùng nhớ 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Instruction Fetch (Nạp lệnh) 
Instruction Decode & Operand Fetch 
(Giải mã và lấy các toán hạng cần thiết, Gọi tắt là “Instruction Decode”) 
ALU (Giai đoạn sử dụng ALU hay giai đoạn thực thi) 
Memory Access (Giai đoạn truy xuất vùng nhớ) 
Result Write (Giai đoạn ghi lại kết quả/lưu trữ) 
47 
Fetch 
Instruction 
Decode 
ALU 
Memory Access 
Result Write 
Next Instruction 
Quy trình thực thi lệnh của MIPS (5 công đoạn) 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Công đoạn Result Write: 
Những lệnh ghi kết quả của các phép toán vào thanh ghi: 
Ví dụ: số học, logic, shifts, load, set-less-than 
Cần chỉ số thanh ghi đích và kết quả tính toán 
Những lệnh không ghi kết quả như: store, branch, jump: 
Không có ghi kết quả 
Những lệnh này sẽ rảnh trong giai đoạn này 
Đầu vào từ giai đoạn trước ( Memory ): 
Kết quả tính toán hoặc là từ Memory hoặc là từ ALU 
48 
Giai đoạn lưu trữ kết quả (Result Write) 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Công đoạn Result Write không có thêm bất kỳ thành phần nào khác: 
Chỉ đơn giản đưa kết quả vào thanh ghi (ngõ Write data của khối Registers/Register file) 
Chỉ số của thanh ghi được ghi vào (ngõ vào Write Register) được sinh ra trong giai đoạn Decode Stage 
49 
Memory Stage 
Result 
Read 
register 1 
Read 
register 2 
Write 
register 
Read 
data 1 
Read 
data 2 
Registers 
5 
5 
5 
Write 
data 
Giai đoạn lưu trữ kết quả (Result Write) 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
50 
Inst [25:21] 
Inst [20:16] 
Inst [15:11] 
MUX 
Inst [ 15:0] 
MUX 
RR1 
RR2 
WR 
WD 
RD1 
RD2 
Registers 
5 
5 
5 
RegWrite 
Sign Extend 
ALU 
result 
ALU 
ALUcontrol 
4 
Data 
Memory 
Address 
Read 
Data 
Write 
Data 
MemWrite 
opcode 
31:26 
rs 
25:21 
rt 
20:16 
rd 
15:11 
shamt 
10:6 
funct 
5:0 
000000 
01001 
01010 
01000 
00000 
100000 
MUX 
MemToReg 
 add $8 , $9 , $10 
MemRead 
Giai đoạn lưu trữ kết quả (Result Write) 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Inst [25:21] 
Inst [20:16] 
Inst [15:11] 
MUX 
Inst [ 15:0] 
MUX 
RR1 
RR2 
WR 
WD 
RD1 
RD2 
Registers 
5 
5 
5 
RegWrite 
Sign Extend 
ALU 
result 
ALU 
ALUcontrol 
4 
Data 
Memory 
Address 
Read 
Data 
Write 
Data 
MemWrite 
opcode 
31:26 
rs 
25:21 
rt 
20:16 
rd 
15:11 
shamt 
10:6 
funct 
5:0 
000000 
01001 
01010 
01000 
00000 
100000 
Left Shift 2-bit 
PC 
Add 
4 
Add 
MUX 
PCSrc 
Instruction 
Memory 
is0? 
Address 
Instruction 
RegDst 
MemRead 
ALUSrc 
Datapath hoàn chỉnh 
MemToReg 
MUX 
51 
(Chưa có khối Control để điều khiển các tín hiệu điều khiển) 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
BỘ XỬ LÝ 
52 
Tổng kết: 
Phần này trình bày một cách thiết kế datapath đơn giản cho bộ xử lý 32 bits, với 8 lệnh cơ bản của MIPS: 
add, sub, and, or, slt 
l w, sw 
beq 
Với khối chức năng cơ bản trong một bộ xử lý (tập thanh ghi, khối ALU, khối Control , thanh ghi PC, thanh ghi IR) và bộ nhớ chính, các khối này sẽ được kết nối với nhau để đảm bảo thực thi đúng 8 lệnh như trên. 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
BỘ XỬ LÝ 
Lý thuyết: Đọc sách tham khảo 
Mục: 4.1, 4.2, 4.3 
 Sách: Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface , Patterson, D. A., and J. L. Hennessy, Morgan Kaufman, Revised Fourth Edition, 2011. 
Bài tập: file đính kèm 
53 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.