Bài giảng Kiến trúc máy tính: Chương 5 - Trường ĐH Công nghiệp TP.HCM

Bài giảng Kiến trúc máy tính: Chương 5 Bộ xử lý trung tâm CPU, cung cấp cho người học những kiến thức như: Tổ chức của CPU Hoạt động của chu trình lệnh; Đơn vị điều khiển; Kỹ thuật đường ống lệnh; Cấu trúc bộ xử lý tiên tiến. Mời các bạn cùng tham khảo!

Trang 1

Chương 5

B x lý trung tâm CPU ộ ử (Central Processing Unit)

Trang 3

Tổ chức của CPU

• C u trúc c b n c a CPU ấ ơ ả ủ

Trang 4

• C u trúc c b n c a CPU ấ ơ ả ủ (ti p) ế

– Đ nơ v đi u khi n (Control Unit CU): đi uị ề ể ề khi n ho t ể ạ

Trang 6

• Đ n v đi u khi n ơ ị ề ể CU

Trang 7

• Các tín hi u đ a đ n đ n v đi u khi n ệ ư ế ơ ị ề ể

– Clock: tín hi u xung nh p t m ch t o dao ệ ị ừ ạ ạ đ ng bên ộngoài

– Mã l nh t thanh ghi l nh đ a đ n đệ ừ ệ ư ế ể gi i mã.ả

– Các c t thanh ghi c cho bi t tr ng thái c a CPU.ờ ừ ờ ế ạ ủ– Các tín hi u yêu c u t bus đi u khi nệ ầ ừ ề ể

• Các tín hi u phát ra t đ n v đi u khi n ệ ừ ơ ị ề ể

– Các tín hi u đi u khi n bên trong CPU:ệ ề ể

• Đi u khi n các thanh ghi ề ể

• Đi u khi n ALU ề ể

– Các tín hi u đi u khi n bên ngoài CPU:ệ ề ể

• Đi u khi n b nh ề ể ộ ớ

• Đi u khi n các môđun ề ể nh p xu t ậ ấ

Tổ chức của CPU

Trang 8

Hoạt động của chu trình lệnh

Trang 9

• Chu trình l nh (ti p) ệ ế

Trang 11

• Gi i mã l nh (Decode) ả ệ

– L nh t thanh ghi l nh IR đ ệ ừ ệ ượ c đ a ư đ n đ n v đi u ế ơ ị ề khi n ể

– Đ n v đi u khi n ti n hành gi i mã l nh ơ ị ề ể ế ả ệ đ xác ể

đ nh thao tác ph i th c hi n ị ả ự ệ

– Gi i mã l nh x y ra bên trong CPU ả ệ ả

• Nh n d li u (Fetch Operand) ậ ữ ệ

– CPU đ a đ a ch c a toán h ng ra bus ư ị ỉ ủ ạ đ a ch ị ỉ

– CPU phát tín hi u đi u khi n đ c ệ ề ể ọ

– Toán h ng đ ạ ượ c đ c vào CPU ọ

– T ươ ng t nh nh n l nh ự ư ậ ệ

Trang 12

• Nh n d li u gián ti p ậ ữ ệ ế

– CPU đ a đ a ch ra bus đ a chư ị ỉ ị ỉ

– CPU phát tín hi u đi u khi n ệ ề ể

Trang 13

• Chuy n d li u gi a các thanh ghi v i nhauể ữ ệ ữ ớ

• Chuy n d li u gi a thanh ghi và b nhể ữ ệ ữ ộ ớ

Trang 15

• Ng t (Interrupt) ắ

– N i dung c a b đ m ch ộ ủ ộ ế ươ ng trình PC (đ a ị ch ỉ

tr v sau khi ng t) đ ở ề ắ ượ c đ a ra bus d ư ữ li u ệ

– CPU đ a đ a ch (th ư ị ỉ ườ ng đ ượ ấ ừ c l y t con tr ỏ ngăn x p SP) ra bus đ a ch ế ị ỉ

– CPU phát tín hi u đi u khi n ghi b nh ệ ề ể ộ ớ

– Đ a ch tr v trên bus d li u đ ị ỉ ở ề ữ ệ ượ c ghi ra v ị trí xác đ nh ( ngăn x p) ị ở ế

– Đ a ch l nh đ u tiên c a ch ị ỉ ệ ầ ủ ươ ng trình con đi u ề khi n ng t đ ể ắ ượ c n p vào PC ạ

Trang 16

• Ng t (ti p) ắ ế

Trang 17

Đơn vị điều khiển

Trang 18

Đơn vị điều khiển

Mạch tuần tự

• Đ n v đi u khi n vi ơ ị ề ể

Trang 21

• So sánh scalar và pipeline

Kỹ thuật đường ống lệnh

Chu kỳ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

L nh 1 ệ I D F E W

L nh 3 ệ I D F E W Chu kỳ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 L nh 1 ệ I D F E W

– Scalar

– Nhi u chu ề

k máy cho ỳ

1 l nhệ

– Pipeline

– M i chu k ỗ ỳ

máy th c ự

hi n xong 1 ệ

l nhệ

Trang 22

• Các tr ng i c a đ ở ạ ủ ườ ng ng l nh ố ệ

– Th c t không th luôn đ t 1 chu k máy/l nh ự ế ể ạ ỳ ệ

do các tr ng i d n đ n s gián đo n c a ng ở ạ ẫ ế ự ạ ủ ố

Trang 25

• Tr ng i ở ạ v d li u (ti p) ề ữ ệ ế

Trang 26

• Tr ng i ở ạ v d li u (ti p) ề ữ ệ ế

– RAW

Trang 27

• Tr ng i ở ạ v ề đi u khi n ề ể

– Do l nh r nhánh gây ra ệ ẽ

– Đây là d ng tr ng i gây thi t h i nhi u nh t cho ạ ở ạ ệ ạ ề ấ

ng l nh: toàn b các l nh đang th c thi trong ng

Trang 28

Cấu trúc bộ xử lý tiên tiến

Trang 29

Trang 30

• Cache d li u (Data cache)ữ ệ

 Gi i quy t xung đ t khi nh n l nh và d li uả ế ộ ậ ệ ữ ệ

Trang 32

• Các ki n trúc máy tính song song ế

– Nhu c u gi i các bài toán l n ngày càng nhi u, c n ầ ả ớ ề ầ

nh ng máy tính c c m nh có kh năng x lý t c đ caoữ ự ạ ả ử ố ộ– Ki n trúc máy tính tu n t (VonNeumann) ti n đ n gi i ế ầ ự ế ế ớ

h n t c đ , m t b x lý duy nh t khó nâng cao h n n a ạ ố ộ ộ ộ ử ấ ơ ữ

kh năng x lýả ử

– Các ki n trúc máy tính song song giúp tăng hi u su t tính ế ệ ấtoán cho máy tính:

– Ki n trúc song song m c l nh IPL (Instructionlevel parallelism) : ế ứ ệ Tăng s l ố ượ ng l nh thi hành đ ệ ượ c trên cùng 1 đ n v th i gian ơ ị ờ – Ki n trúc song song m c x lý (Machine parallelism) : Tăng s ế ứ ử ố

Trang 33

• Ki n trúc song song m c l nh ế ứ ệ

– Siêu đ ườ ng ng (Superpipeline ố )

• Chia m i thao tác trong chu trình l nh ra n b ỗ ệ ướ c nh ỏ 

ng l nh dài h n

• C n 1/n chu k máy cho m i thao tác ầ ỳ ỗ

– Siêu h ướ ng (Superscalar)

• S d ng nhi u ng l nh ử ụ ề ố ệ  CPU g m nhi u đ n v ch c ồ ề ơ ị ứ năng, cho phép thi hành nhi u l nh đ ng th i ề ệ ồ ờ

• M i chu k máy th c hi n đ ỗ ỳ ự ệ ượ c nhi u l nh ề ệ

– VLIW (Very Long Instruction Word)

• Ghép nhi u l nh đ n vào 1 t máy đ th c hi n đ ng th i ề ệ ơ ừ ể ự ệ ồ ờ

• Ví d : CPU Itanium h IA64 c a Intel cho phép ghép 3 ụ ọ ủ

l nh ệ /t máy g i là bundle g m 128 bit ừ ọ ồ

Trang 35

• VLIW

• Ví d : Khuôn d ng l nh c a CPU Intel ụ ạ ệ ủ Itanium

Trang 36

• Ki n trúc song song m c x lý ế ứ ử

– Tích h p nhi u b x lý đ ng th i đ tăng kh ợ ề ộ ử ồ ờ ể ả năng thi hành ch ươ ng trình

– Các xu h ướ ng phát tri n: ể

• Đa chương (multiprogramming)

Trang 37

• Ki n trúc song song m c x lý (ti p) ế ứ ử ế

(a) Onchip parallelism (b) Coprocessor (c) Multiprocessor (d) Multicomputer (e) Grid

Trang 38

• Multicore

Trang 39

• Ví d : CPU Intel Core i7 g m 4 nhân ụ ồ

Trang 41

• Multiprocessor (ti p) ế

– S đ NUMA (NonUniform Memory Access) ơ ồ dùng bus chung và b nh riêng ộ ớ

Trang 42

– S đ UMA (Uniform Memory Access) dùng switch và b nh riêng ơ ồ ộ ớ – Còn g i là h th ng đa x lý đ i x ng SMP (Symmetric Multi ọ ệ ố ử ố ứ

Processors)

Trang 43

– S đ multiprocessor dùng b nh chung ơ ồ ộ ớ

Trang 44

• Ví d : H th ng SUN E25K (NUMA multi ụ ệ ố

processor)

72 CPU Dual-core UltraSPARC IV+ 1.95GHz

32MB Cache L3 1.15 TB RAM 250TB HDD

Trang 45

• Multicomputer

– Phân lo i theo Flynn (1966): Căn c vào s ạ ứ ố

l ượ ng l nh và s l ệ ố ượ ng d li u có th x lý là 1 ữ ệ ể ử hay nhi u ề

Trang 46

• S đ phân lo i Flynn ơ ồ ạ

Trang 47

• Ví d v SIMD ụ ề

Trang 48

• Cluster

– Là 1 d ng máy tính lo i MIMD g m nhi u máy tính đ c ạ ạ ồ ề ộ

l p k t n i qua m ng t c đ cao, m i máy có CPU, BN ậ ế ố ạ ố ộ ỗ

• Grid : K t n i qua Internet ế ố

Trang 49

• Cluster (ti p) ế

Trang 50

• Messagepassing multicomputer

Trang 52

• Ví d : Siêu máy tính Red Storm c a Cray ụ ủ

Trang 53

• So sánh 2 siêu máy tính Bluegen & Red Storm

Trang 54

• Top 10 siêu máy tính 06/2010 trên trang top500.org

1 Oak Ridge National LaboratoryUnited States Jaguar Cray XT5HE Opteron Six Core 2.6 GHzCray Inc.

2 National Supercomputing Centre in Shenzhen China (Thâm Quy n)ế Nebulae (Tinh Vân) Dawning TC3600 Blade, Intel X5650Dawning

3 DOE/NNSA/LANLUnited States

Roadrunner BladeCenter QS22/LS21 Cluster, PowerXCell 8i 3.2 Ghz / Opteron DC 1.8 GHz, Voltaire Infiniband

5 Forschungszentrum Juelich (FZJ)Germany JUGENE Blue Gene/P SolutionIBM

6 NASA/Ames Research Center/NASUnited States Pleiades SGI Altix ICE 8200EX/8400EX, Xeon HT QC 3.0 GhzSGI

7 National SuperComputer Center in Tianjin/NUDTChina (Thiên Tân) Tianhe1 (Tinh Hà) NUDT TH1 Cluster, Xeon E5540/E5450NUDT

8 DOE/NNSA/LLNLUnited States BlueGene/L eServer Blue Gene SolutionIBM

9 Argonne National LaboratoryUnited States Intrepid Blue Gene/P SolutionIBM

10 National Renewable Energy LaboratoryUnited States Red Sky Sun Blade x6275, Xeon X55xx 2.93 Ghz, InfinibandSun

Trang 55

Rank Site Computer

1 RIKEN Advanced Institute for Computational Science

Japan

K computer, SPARC64 VIIIfx 2.0GHz Fujitsu

2 National Supercomputing Center in Tianjin

(Thiên Tân) – China

Tianhe1A (Tinh Hà) X5670 2.93Ghz 6C, NVIDIA GPU NUDT

7 NASA/Ames Research Center/NAS

United States

Pleiades Xeon HT QC 3.0/Xeon 5570/5670 2.93 Ghz SGI

IBM

Trang 56

Rank Site Computer

Trang 57

1 DOE/SC/Oak Ridge National Laboratory

Trang 58

Câu hỏi

Định dạng
Số trang	58
Dung lượng	1,74 MB