KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

KI N TRÚC MÁY TÍNH... làm vi c khá nhanh... Bít 4: I: Intermediate carry: nh trung gian.

KI N TRÚC MÁY TÍNH

(Dùng cho sinh viên h đào t o đ i h c t xa)

L u hành n i b

HÀ N I - 2008

KI N TRÚC MÁY TÍNH

L I NÓI U

KI N TRÚC MÁY TÍNH là môn h c n m trong ch ng trình đào t o đ i h c ngành Công ngh thông tin và ngành i n t Vi n thông c a H c vi n công ngh B u chính Vi n thông M c tiêu c a môn h c là: kh o sát c u trúc và ch c n ng c a máy tính Môn h c này giúp sinh viên hi u rõ b n ch t và nh ng đ c tr ng c a các h th ng máy tính hi n đ i ây là m t nhi m v không đ n gi n vì:

- Các lo i máy tính hi n nay là t ng đ i đa d ng v ch ng lo i: kh n ng v n hành,

ng d ng, kích th c, giá c là r t khác nhau Có các máy đ n chip ch vài ch c đô la

đ n các siêu máy tính có giá c t i hàng tri u đô la v i hi u xu t và ng d ng trên

ph m vi r ng l n

- S thay đ i nhanh chóng v công ngh máy tính, t k thu t m ch tích h p dùng đ xây d ng nên các thành ph n máy tính cho đ n vi c gia t ng s d ng nh ng khái ni m

v t ch c song song trong vi c k t h p các thành ph n đó

M c dù có s hi n di n c a tính đa d ng và t c đ thay đ i công ngh trong l nh v c máy tính, nhi u khái ni m c b n v n đ c áp d ng r ng kh p Trong sách h ng d n

h c t p này, các y u t c b n v ki n trúc và t ch c máy tính, m i quan h gi a chúng c ng nh nhi u bài toán g p ph i trong thi t k máy tính hi n nay s đ c đ

c p

Sách này gi i thi u các n i dung ch y u sau:

- Khái ni m v Ki n trúc và T ch c máy tính

- L ch s phát tri n c a máy tính, các th h máy tính và cách phân lo i máy tính

- Gi i thi u các thành ph n c b n c a m t h th ng máy tính Ki n trúc thông d ng

c a các lo i máy tính hi n nay: Ki n trúc von-Neumann

- Gi i thi u c u trúc c a b x lý trung tâm: t ch c, ch c n ng và nguyên lý ho t đ ng

c a các b ph n bên trong b vi x lý

- Gi i thi u v t p l nh máy tính bao g m : Chu trình th c hi n m t l nh; m t s d ng

l nh thông d ng; các toán h ng; các ch đ đ a ch

- Gi i thi u ch c n ng và nguyên lý ho t đ ng c a các c p b nh máy tính; B nh trong; B nh ngoài

- H th ng BUS và thi t b ngo i vi

Do sách ch mang tính ch t gi i thi u t ng quát nên sinh viên c n tham kh o thêm các tài li u gi i thi u v ki n trúc c th c a các b x lý Sinh viên c n tìm hi u thêm các tài li u liên quan đ th y đ c sâu h n v n đ đ c đ t ra ( M c tài li u tham kh o)

Hà n i, tháng 4 n m 2008

TÁC GI

CH NG 1: GI I THI U CHUNG

A TÓM T T N I DUNG CHÍNH C A CH NG:

- Ki n trúc máy tính: là nh ng thu c tính h th ng mà ng i l p trình có th nhìn th y

đ c nh : t p l nh, s bit đ bi u di n d li u, k thu t đ nh đ a ch b nh , nguyên

t c vào ra…Ki n trúc máy tính g m: Ki n trúc ph n m m; T ch c c a máy tính và

L p đ t ph n c ng

- T ch c máy tính: nghiên c u các đ n v v n hành và s k t n i gi a chúng nh m

th c hi n các đ c t v ki n trúc nh : Tín hi u đi u khi n; Giao di n v i các thi t b ngo i vi; K thu t b nh đ c s d ng…

- C u trúc c a máy tính: Ph ng th c các thành ph n h th ng liên h v i nhau, bao

g m: B nh trong; B x lý trung tâm (Vi x lý); Các thành ph n nh p/xu t; Các thành ph n k t n i h th ng (BUS)

- Ch c n ng máy tính: X lý d li u; L u tr d li u; Di chuy n d li u; i u khi n

- L ch s phát tri n c a các th h máy tính: Tr i qua 5 th h t n m 1946 đ n nay, các th h này đ c phân chia ph thu c vào s phát tri n c a công ngh đi n t :

èn đi n t ; Transistor, M ch IC, M ch t h p LSI-VLSI; X lý song song

- Ki n trúc von-Neumann: Nguyên t c c a ki n trúc này là ch ng trình đ c l u tr ; cho phép nhi u thu t toán khác nhau có th th c hi n trong máy tính mà không ph i

n i dây l i nh các máy th h tr c đó : ENIAC Khi đó máy tính ch c n l y ch th

a) Ki n trúc máy tính đ c p đ n nh ng thu c tính h th ng mà l p trình viên có th

quan sát đ c Nói cách khác, đó là các thu c tính có nh h ng tr c ti p đ n vi c

th c thi m t ch ng trình, ví d nh t p l nh c a máy tính, s bit đ c s d ng đ

M i l nh ch a thông tin yêu c u b x lý th c hi n, bao g m: mã tác v , đ a ch toán

h ng ngu n, đ a ch toán h ng k t qu , l nh k ti p (thông th ng thì thông tin này n) Ki u đ nh v ch ra cách th c thâm nh p toán h ng Ki n trúc ph n m m là ph n

mà các l p trình viên h th ng ph i n m v ng đ vi c l p trình hi u qu , ít sai sót

Ph n t ch c c a máy tính liên quan đ n c u trúc bên trong c a b x lý, c u

trúc các bus, các c p b nh và các m t k thu t khác c a máy tính Ph n này s đ c trình bày các ch ng sau

L p đ t ph n c ng c a máy tính chính là vi c l p ráp m t máy tính dùng các

linh ki n đi n t và các b ph n ph n c ng c n thi t Trong tài li u này không đ c p

đ n v n đ này

b)T ch c máy tính quan tâm đ n các đ n v v n hành và s k t n i gi a chúng

nh m hi n th c hóa nh ng đ c t v ki n trúc, ch ng h n nh v tín hi u đi u khi n, giao di n

gi a máy tính v i các thi t b ngo i vi, k thu t b nh đ c s d ng, v.v

minh h a rõ h n v hai khái ni m này, chúng ta hãy xét đ n phép toán nhân Vi c máy tính có trang b phép toán này hay không là v n đ thu c v ki n trúc máy tính Trong khi đó, vi c cài đ t phép toán thông qua m t đ n v nhân đ c bi t hay qua c

ch s d ng l p đi l p l i đ n v c ng c a h th ng là v n đ thu c v t ch c máy tính đây s ch n l a s d ng c ch nào ph thu c vào các y u t nh t n s s

đ t ng đ i c a c hai cách ti p c n, giá c và kích th c v t lý

K t lúc ngành công nghi p máy tính ra đ i cho đ n nay, s phân bi t gi a ki n trúc

và t ch c máy tính là m t y u t quan tr ng Nhi u hãng s n xu t máy tính cho ra

đ i c m t h máy ch khác nhau v t ch c còn ki n trúc hoàn toàn gi ng nhau K t

qu là các ki u máy trong cùng m t h có giá c và hi u su t v n hành khác nhau

H n th n a, m t ki n trúc máy có th t n t i qua nhi u n m li n trong khi t ch c máy d a trên đó s thay đ i theo b c ti n c a công ngh đây chúng ta có th l y

ví d tr ng h p ki n trúc máy IBM System/370 Ki n trúc này đ c gi i thi u l n

đ u vào n m 1970 v i m t s ki u máy khác nhau Khách hàng v i nhu c u khiêm

t n có th mua ki u máy r h n, ch m h n và nâng c p lên ki u máy đ t ti n h n, nhanh h n khi nhu c u s d ng t ng lên i m quan tr ng trong vi c nâng c p này là khách hàng không ph i b đi nh ng ph n m m đang đ c s d ng trên máy c c a

h Tr i qua n m tháng, hãng IBM đã cho ra đ i thêm nhi u ki u máy m i d a trên công ngh c i ti n nh m thay th nh ng ki u máy l i th i, mang l i cho khách hàng

l i ích v t c đ và chi phí th p, trong khi v n b o toàn s đ u t c a h v ph n m m

nh có s dùng chung m t ki n trúc máy cho t t c ki u máy trong cùng m t h

B ng cách t ch c đ nh h ng ng i s d ng nh v y, ki n trúc IBM System/370, qua m t vài tinh ch nh không đáng k , v n t n t i cho đ n ngày nay v i vai trò ng n

1.2 C u trúc và ch c n ng c a máy tính

Máy tính là m t h th ng ph c t p v i hàng tri u thành ph n đi n t c s Chìa khóa chính đ mô t máy tính rõ ràng là s nh n th c v b n ch t phân c p c a h u h t các h th ng ph c t p M t h th ng phân c p là m t t p h p g m các h th ng con có liên quan v i nhau, trong đó m i h th ng con l i có tính phân c p v c u trúc, c th

ti p t c cho đ n c p th p nh t ch a nh ng h th ng con c s

B n ch t phân c p c a m t h th ng ph c t p gi vai trò chính trong vi c thi t

k và mô t nó T i m i c p, h th ng bao g m m t t p h p các thành ph n con cùng

v i nh ng m i liên h gi a chúng đây có hai y u t đ c quan tâm đ n là c u trúc

và ch c n ng:

C u trúc: cách th c các thành ph n h th ng liên h v i nhau

Ch c n ng : ho t đ ng c a m i thành ph n riêng l v i t cách là m t ph n c a c u trúc

1.2.1 CH C N NG

M t cách t ng quát, m t máy tính có th th c hi n b n ch c n ng c b n sau, nh đ c

th hi n trong hình 1.1:

Hình 1.1 Các ch c n ng c b n c a máy tính

a) X lý d li u: máy tính ph i có kh n ng x lý d li u D li u có th có r t nhi u

d ng và ph m vi yêu c u x lý c ng r t r ng

b) L u tr d li u: máy tính c ng c n ph i có kh n ng l u tr d li u Ngay c khi

máy tính đang x lý d li u, nó v n ph i l u tr t m th i t i m i th i đi m ph n d li u đang đ c x lý Do v y ít nh t thì máy tính c n có ch c n ng l u tr ng n h n Tuy nhiên, ch c n ng l u tr dài h n c ng có t m quan tr ng t ng đ ng, vì d li u c n

đ c l u tr trên máy cho nh ng l n c p nh t và tìm ki m k ti p

c) Di chuy n d li u: máy tính ph i có kh n ng di chuy n d li u gi a nó và th gi i

bên ngoài Kh n ng này đ c th hi n thông qua vi c di chuy n d li u gi a máy tính

v i các thi t b n i k t tr c ti p hay t xa đ n nó Tùy thu c vào ki u k t n i và c ly di chuy n d li u, chúng ta có ti n trình nh p xu t d li u hay truy n d li u:

- Th c hi n nh p xu t d li u: là di chuy n d li u trong c ly ng n gi a máy tính và

* Máy tính đ c dùng nh m t thi t b di chuy n d li u, có nhi m v đ n gi n là

chuy n d li u t b ph n ngo i vi hay đ ng liên l c này sang b ph n ngo i vi hay

đ ng liên l c khác

* Máy tính đ c dùng đ l u tr d li u, v i d li u đ c chuy n t môi tr ng ngoài

vào l u tr trong máy (quá trình đ c d li u) và ng c l i (quá trình ghi d li u)

* Máy tính đ c dùng đ x lý d li u thông qua các thao tác trên d li u l u tr

* Máy tính đ c dùng đ x lý d li u k t h p gi a vi c l u tr và liên l c v i môi

tr ng bên ngoài

1.2.2 C U TRÚC

m c đ n gi n nh t, máy tính có th đ c xem nh m t th c th t ng tác theo

m t cách th c nào đó v i môi tr ng bên ngoài M t cách t ng quát, các m i quan h

c a nó v i môi tr ng bên ngoài có th phân lo i thành các thi t b ngo i vi hay đ ng liên l c.Trong hình 1.2 máy tính đ c mô t v i b n thành ph n chính:

a) B nh trong: dùng đ l u tr d li u ây là m t t p h p các ô nh , m i ô nh có

m t s bit nh t đ nh và ch c m t thông tin đ c mã hoá thành s nh phân mà không quan tâm đ n ki u c a d li u mà nó đang ch a Các thông tin này là các l nh hay s

li u M i ô nh c a b nh trong đ u có m t đ a ch Th i gian thâm nh p vào m t ô

nh b t k trong b nh là nh nhau Vì v y, b nh trong còn đ c g i là b nh truy

c p ng u nhiên (RAM: Random Access Memory) dài c a m t t máy tính (Computer Word) là 32 bit (hay 4 byte), tuy nhiên dung l ng m t ô nh thông th ng

xu t nh p th ng g p là: b l u tr ngoài, màn hình, máy in, bàn phím, chu t, máy quét nh, các giao di n m ng c c b hay m ng di n r ng B t o thích ng là m t vi

m ch t ng h p (chipset) k t n i gi a các h th ng bus có các t c đ d li u khác nhau

d) Các thành ph n n i k t h th ng (BUS) cung c p c ch liên l c gi a CPU, b

H th ng bus bao g m: bus đ a ch , bus d li u và bus đi u khi n Bus đ a ch và bus d

li u dùng trong vi c chuy n d li u gi a các b ph n trong máy tính Bus đi u khi n làm cho s trao đ i thông tin gi a các b ph n đ c đ ng b Thông th ng ng i ta phân bi t m t bus h th ng dùng trao đ i thông tin gi a CPU và b nh trong (thông qua cache), và m t bus vào-ra dùng trao đ i thông tin gi a các b ph n vào-ra và b

nh trong

Máy tính có th có m t ho c nhi u thành ph n nói trên, ví d nh m t ho c nhi u CPU Tr c đây đa ph n các máy tính ch có m t CPU, nh ng g n đây có s gia t ng

B NH TRONG

VÀO/RA

(I/O)

B X LÝ TRUNG TÂM (CPU)

n v đi u khi n (CU)

n v s h logic (ALU) Các thanh ghi

c-(Registers)

s d ng nhi u CPU trong m t h th ng máy đ n CPU luôn luôn là đ i t ng quan

tr ng c n đ c kh o sát vì đây là thành ph n ph c t p nh t c a h th ng Trong hình 1.2 c ng th hi n c u trúc c a CPU v i các thành ph n chính g m:

n v đi u khi n (CU- Control Unit): đi u khi n ho t đ ng c a CPU và c ng là đi u

khi n ho t đ ng c a máy tính

n v s h c và logic (ALU – Arithmetic and Logic Unit): th c hi n các ch c n ng

x lý d li u c a máy tính

T p thanh ghi ( Registers ): cung c p n i l u tr bên trong CPU

Thành ph n n i k t n i CPU: c ch cung c p kh n ng liên l c gi a đ n v đi u khi n, ALU và t p thanh ghi

Trong các thành ph n con nói trên c a CPU, đ n v đi u khi n l i gi vai trò quan tr ng

nh t S cài đ t đ n v này d n đ n m t khái ni m n n t ng trong ch t o b vi x lý máy tính ó là khái ni m vi l p trình Hình 1.3 mô t t ch c bên trong m t đ n v

đi u khi n v i ba thành ph n chính g m:

1.3 L ch s phát tri n c a máy tính

S phát tri n c a máy tính đ c mô t d a trên s ti n b c a các công ngh ch t o các linh ki n c b n c a máy tính nh : b x lý, b nh , các ngo i vi,…Ta có th nói máy tính đi n t s tr i qua b n th h liên ti p Vi c chuy n t th h tr c sang th h sau

đ c đ c tr ng b ng m t s thay đ i c b n v công ngh

1.3.1 Th h đ u tiên (1945-1958): Máy tính ENIAC (Electronic Numerical Integrator

and Computer) là máy tính đi n t s đ u tiên do Giáo s Mauchly và ng i h c trò Eckert t i i h c Pennsylvania thi t k vào n m 1943 và đ c hoàn thành vào n m

1946 ây là m t máy tính kh ng l v i th tích dài 20 mét, cao 2,8 mét và r ng vài mét ENIAC bao g m: 18.000 đèn đi n t , 1.500 công t c t đ ng, cân n ng 30 t n, và tiêu th 140KW gi Nó có 20 thanh ghi 10 bit (tính toán trên s th p phân) Có kh n ng th c

hi n 5.000 phép toán c ng trong m t giây Công vi c l p trình b ng tay b ng cách đ u

n i các đ u c m đi n và dùng các ng t đi n

Giáo s toán h c John Von Neumann đã đ a ra ý t ng thi t k máy tính IAS (Princeton Institute for Advanced Studies): ch ng trình đ c l u trong b nh , b đi u khi n s l y l nh và bi n đ i giá tr c a d li u trong ph n b nh , b làm toán và lu n lý (ALU: Arithmetic And Logic Unit) đ c đi u khi n đ tính toán trên d li u nh phân,

đi u khi n ho t đ ng c a các thi t b vào ra ây là m t ý t ng n n t ng cho các máy tính hi n đ i ngày nay Máy tính này còn đ c g i là máy tính Von Neumann

Vào nh ng n m đ u c a th p niên 50, nh ng máy tính th ng m i đ u tiên đ c

đ a ra th tr ng: 48 h máy UNIVAC I và 19 h máy IBM 701 đã đ c bán ra

1.3.2 Th h th hai (1958-1964)

Công ty Bell đã phát minh ra transistor vào n m 1947 và do đó th h th hai c a

máy tính đ c đ c tr ng b ng s thay th các đèn đi n t b ng các transistor l ng c c Tuy nhiên, đ n cu i th p niên 50, máy tính th ng m i dùng transistor m i xu t hi n trên

th tr ng Kích th c máy tính gi m, r ti n h n, tiêu t n n ng l ng ít h n Vào th i

đi m này, m ch in và b nh b ng xuy n t đ c dùng Ngôn ng c p cao xu t hi n (nh

M ch in nhi u l p xu t hi n, b nh bán d n b t đ u thay th b nh b ng xuy n t Máy tính đa ch ng trình và h đi u hành chia th i gian đ c dùng

1.3.4 Th h th t (1974- nay)

Th h th t đ c đánh d u b ng các IC có m t đ tích h p cao (LSI: Large Scale

Integration) có th ch a hàng ngàn linh ki n Các IC m t đ tích h p r t cao (VLSI: Very Large Scale Integration) có th ch a h n 10 ngàn linh ki n trên m ch Hi n nay, các chip VLSI ch a hàng tri u linh ki n

V i s xu t hi n c a b vi x lý (microprocessor) ch a c ph n th c hi n và ph n

đi u khi n c a m t b x lý, s phát tri n c a công ngh bán d n các máy vi tính đã đ c

ch t o và kh i đ u cho các th h máy tính cá nhân

khi đ c t hóa theo chi u ng c l i, lõi s đ i di n cho giá tr 0 B nh lõi t ki u này

làm vi c khá nhanh Nó ch c n m t ph n tri u giây đ đ c m t bit l u trong b nh

Nh ng nó r t đ t ti n, c ng k nh, và s d ng c ch ho t đ ng lo i tr : m t thao tác đ n

gi n nh đ c m t lõi s xóa d li u l u trong lõi đó Do v y c n ph i cài đ t các m ch

ph c h i d li u ngay khi nó đ c l y ra ngoài

N m 1970, Fairchild ch t o ra b nh bán d n có dung l ng t ng đ i đ u tiên Chip này có kích th c b ng m t lõi đ n, có th l u 256 bit nh , ho t đ ng không theo

c ch lo i tr và nhanh h n b nh lõi t Nó ch c n 70 ph n t giây đ đ c ra m t bit

d li u trong b nh Tuy nhiên giá thành cho m i bit cao h n so v i lõi t

K t n m 1970, b nh bán d n đã đi qua tám th h : 1K, 4K, 16K, 64K, 256K, 1M, 4M, và gi đây là 16M bit trên m t chip đ n (1K = 210

n m 1972 ây là b vi x lý 8 bit đ u tiên và có đ ph c t p g p đôi chip 4004

n n m 1974, Intel đ a ra chip 8080, b vi x lý đa d ng đ u tiên đ c thi t k

đ tr thành CPU c a m t máy vi tính đa d ng So v i chip 8008, chip 8080 nhanh h n,

có t p ch th phong phú h n và có kh n ng đ nh đ a ch l n h n

C ng trong cùng th i gian đó, các b vi x lý 16 bit đã b t đ u đ c phát tri n

M c dù v y, mãi đ n cu i nh ng n m 70, các b vi x lý 16 bit đa d ng m i xu t hi n

th h c a nh ng máy tính thông minh, d a trên các ngôn ng trí tu nhân t o nh LISP

và PROLOG, và nh ng giao di n ng i - máy thông minh n th i đi m này, các nghiên c u đã cho ra các s n ph m b c đ u và g n đây nh t (2004) là s ra m t s n

ph m ng i máy thông minh g n gi ng v i con ng i nh t: ASIMO (Advanced Step Innovative Mobility: B c chân tiên ti n c a đ i m i và chuy n đ ng) V i hàng tr m nghìn máy móc đi n t t i tân đ t trong c th , ASIMO có th lên/xu ng c u thang m t cách uy n chuy n, nh n di n ng i, các c ch hành đ ng, gi ng nói và đáp ng m t s

m nh l nh c a con ng i Th m chí, nó có th b t ch c c đ ng, g i tên ng i và cung

c p thông tin ngay sau khi b n h i, r t g n g i và thân thi n Hi n nay có nhi u công ty,

vi n nghiên c u c a Nh t thuê Asimo ti p khách và h ng d n khách tham quan nh :

Vi n B o tàng Khoa h c n ng l ng và i m i qu c gia, hãng IBM Nh t B n, Công ty

đi n l c Tokyo Hãng Honda b t đ u nghiên c u ASIMO t n m 1986 d a vào nguyên lý chuy n đ ng b ng hai chân Cho t i nay, hãng đã ch t o đ c 50 robot ASIMO

Các ti n b liên t c v m t đ tích h p trong VLSI đã cho phép th c hi n các

m ch vi x lý ngày càng m nh (8 bit, 16 bit, 32 bit và 64 bit v i vi c xu t hi n các b x

lý RISC n m 1986 và các b x lý siêu vô h ng n m 1990) Chính các b x lý này giúp th c hi n các máy tính song song v i t vài b x lý đ n vài ngàn b x lý i u này làm các chuyên gia v ki n trúc máy tính tiên đoán th h th 5 là th h các máy tính x lý song song

3 1964-1974 Mach IC Máy tính mini 50 hãng m i: DEC

PDP-11, Data general ,Nova

Nh đã đ c p trên, vi c l p trình trên máy ENIAC là m t công vi c r t t nh t

và t n kém nhi u th i gian Công vi c này s đ n gi n h n n u ch ng trình có th đ c

bi u di n d i d ng thích h p cho vi c l u tr trong b nh cùng v i d li u c n x lý Khi đó máy tính ch c n l y ch th b ng cách đ c t b nh , ngoài ra ch ng trình có th

đ c thi t l p hay thay đ i thông qua s ch nh s a các giá tr l u trong m t ph n nào đó

c a b nh

Ý t ng này, đ c bi t đ n v i tên g i "khái ni m ch ng trình đ c l u tr ",

do nhà toán h c John von Neumann, m t c v n c a d án ENIAC, đ a ra ngày 8/11/1945, trong m t b n đ xu t v m t lo i máy tính m i có tên g i EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer) Máy tính này cho phép nhi u thu t toán khác nhau có th đ c ti n hành trong máy tính mà không c n ph i n i dây l i nh máy

d) Thi t b nh p/xu t đ c v n hành b i đ n v đi u khi n

H u h t các máy tính hi n nay đ u có chung c u trúc và ch c n ng t ng quát nh trên

Do v y chúng còn có tên g i chung là các máy von Neumann

Hình 2.1 C u trúc c a máy IAS

B

nh chính

Thi t b vào/ra

C CÂU H I ÔN T P

Hãy ch n câu tr l i thích h p nh t ( v i nh ng câu h i tr c nghi m )

1 Ki n trúc máy tính là khái ni m có liên quan đ n

(a) Cài đ t ph n c ng c th

(b) Ý t ng thi t k

(c) Các thu c tính có nh h ng tr c ti p đ n vi c th c thi m t ch ng trình (d) C (b) và (c) đ u đúng

2 T ch c máy tính là khái ni m có liên quan đ n

8 Xu h ng phát tri n c a máy tính hi n nay là gì?

9 Trong khái ni m "ch ng trình đ c l u tr " do von Neumann đ a ra, máy tính l y

CH NG II: KH I X LÝ TRUNG TÂM (CPU)

A TÓM T T N I DUNG CHÍNH C A CH NG:

- Các thành ph n ch c n ng chính c a kh i x lý trung tâm (B vi x lý CPU): Tr c

h t là h th ng các thanh ghi g m : Thanh ghi tích l y A; b đ m ch ng trình PC; Thanh ghi tr ng thái hay g i là thanh ghi c FR; Con tr ng n x p SP; Các thanh ghi đa

n ng ( B,C,D,E,H,L); Thanh ghi đ a ch b nh và logic MAR; Thanh ghi l nh IR và các thanh ghi d li u t m th i

Thành ph n ti p theo c a CPU là: Kh i đi u khi n hay còn g i là đ n v đi u khi n

(CU): có nhi m v chuy n các tín hi u đi u khi n ra ngoài CPU nh m tác đ ng vi c trao đ i d li u v i b nh và thi t b vào/ra đ ng th i nó c ng đ a ra các thanh ghi và tác đ ng vào ALU th c hi n các nhi m v c th

M t trong các thành ph n ch c n ng quan tr ng c a CPU là kh i logic và s h c

Hình 2.1 C u trúc bên trong c a kh i x lý trung tâm (CPU)

Kh i x lý trung tâm (CPU) c a máy tính th ng g m có các thanh ghi, đ n v

s h c- logic (ALU) và đ n v đi u khi n (CU) Các thành ph n bên trong CPU k t n i thông tin v i nhau thông qua bus trong Các th h vi x lý 8-bít c a Intel, Motorola, Zilog đã m t th i làm m u đ tìm hi u c u trúc và ho t đ ng chung c a các lo i vi x

lý Các th h vi x lý 16-bít và 32-bít sau này v n k th a nh ng ch c n ng c b n

nh t trong c u trúc c a vi x lý 8-bít Các ch ng trình vi t cho th h vi x lý 8-bít

v n có th ch y trên các h th ng vi x lý 16 –bít và 32-bit c a cùng m t hãng s n xu t

S đ kh i không mô t chi ti t ph n c ng mà ch mô t các ch c n ng logic đ

x lý và đi u khi n d li u Nó c ng ch ra t ng ch c n ng logic k t n i v i các ch c

n ng khác nh th nào

2.2 Các thanh ghi c a CPU

Các thanh ghi bên trong vi x lý có nh ng ch c n ng khác nhau M t s thanh ghi có th dùng cho nhi u m c đích, đa n ng Chúng đ c g i là nh ng thanh ghi đa

n v đi u khi n (CU)

Thanh ghi l nh (IR)

B đ m ch ng trình (PC)

Thanh ghi tích l y (A)

n ng (general-purpose) M t s khác l i có nh ng nhi m v riêng Trong h u h t các

lo i vi x lý đ u có các thanh ghi c b n, đó là: thanh ghi tích lu (A), con tr ng n

x p (SP), thanh ghi tr ng thái (SR), thanh ghi đ a ch b nh (MAR: Memory Address Register), thanh ghi l nh (IR), b đ m ch ng trình (PC), các thanh ghi đa n ng, và các thanh ghi t m th i Không ph i t t c các thanh ghi bên trong vi x lý đ c trình bày trong s đ t ng quát, b i vì có m t s thanh ghi ng i l p trình không th can thi p vào đ c T t c nh ng thanh ghi mà ng i l p trình có th can thi p vào đ c (ghi/

đ c đ c) th ng đ c trình bày trong mô hình l p trình c a vi x lý

2.2.1 Thanh ghi tích lu A (Accumulator)

Thanh ghi tích lu A tham gia vào ph n l n các phép tính Nó c t gi toán h ng (operand) ho c các k t qu phép tính c a ALU Các phép tính s h c và logic ph i s

d ng ALU và thanh ghi tích lu A Vì v y, thanh ghi tích lu A là m t thanh ghi chính

c a vi x lý, và là m t thành ph n trong mô hình l p trình c a vi x lý dài t x lý

c a vi x lý ph thu c vào đ dài c a thanh ghi tích lu Cho nên, thanh ghi tích lu

c a các lo i vi x lý 8-bit có đ dài 8-bit (1 byte) Tuy nhiên, m t s lo i vi x lý có

th có nh ng thanh ghi tích lu có ghi tích lu đ dài kép Th m chí m t s lo i vi x lý còn có m t s thanh ghi tích lu , ví d m t thanh ghi tích lu A, thanh ghi tích lu khác

g i là B Trong tr ng h p này ph i có l nh ch cho b vi x lý chuy n k t qu tính c a ALU vào thanh ghi tích lu A, và m t l nh chuy n d li u vào thanh ghi tích lu B

T ng t , có l nh xoá thanh ghi tích lu A và l nh xoá thanh ghi tích lu B

Ví d m t phép c ng hai toán h ng: C = A + B đ c thanh ghi tích lu A th c

hi n nh sau :

1 Toán h ng A đ c đ a vào thanh ghi tích lu A;

2 Toán h ng B t m t ng n nh bên ngoài ( h c t m t thanh ghi khác) đ c

c ng v i toán h ng ch a trong thanh ghi tích lu A;

3 K t qu phép công C = A + B n m l i thanh ghi tích lu A (toán h ng A b k t

qu C thay th trong thanh ghi tích lu A (toán h ng A b kêtá qu C thay th trong

đa s các phép tính s h c, thanh ghi tích lu ban

lu A có th đ c chuy n đ n thanh ghi khác ho c đ a ra m t ng n nh b nh bên ngoài vi x lý, ho c đ a ra m t ng n nh b nh bên ngoài vi x lý, ho c ra m t c ng vào/ ra d li u nào đó

Nh ng l nh vào/ra (I/O) v i ngo i vi th ng là nh ng l nh trao đ i byte d li u

gi a thanh ghi tích lu A v i các thanh ghi c a đi u khi n ngo i vi thông qua bus h

th ng và bus duq li u bên trong c a x lý Ví d , l nh :IN port, là l nh đ c d li u t

c ng (port) c a ngo i vi (đ a ch port) vào thanh ghi tích lu A và OUT port- đ c n i dung c a thanh ghi tích lu A ra c ng ngo i vi

2.2.2 B đ m ch ng trình (PC: Program Counter)

B đ m ch ng trình là m t trong nh ng thanh ghi quan tr ng nh t trong vi x

lý Ch ng trình là t p h p liên t c các ch d n (instructions) l u gi trong b nh bên ngoài vi x lý M i m t ch d n (l nh máy) trong ch ng trình ph i đ c vi x lý th c

hi n theo m t th t mong mu n c a ng i l p trình B đ m ch ng trình có nhi m v gín gi ti n trình th c hi n ch ng trình theo mong mu n đó Tromg ti n trình th c

hi n ch ng trình, b đ m ch ng trình luôn ch a đ a ch ng n nh l u gi ch d n ti p theo mà vi x lý ph i th c hi n

B đ m ch ng trình th ng có đ dài l n h n đ dài t mà vi x lý th c hi n

i v i vi x lý 8-bit, b đ m ch ng trình có đ dài 16-bit Vì nó dùng đ ch a đ a

ch ng n nh nên không gian mà có th đ a ch đ c là 64 kbyte t 8-bit, t c là m t b

nh v i dung l ng 64 Kbyte = 216 (hay 65.536) Ch có m t s ít ch d n làm vi c v i

b đ m ch ng trình Tr c khi vi x lý có th th c hi n m t ch ng trình, b đ m

ch ng trình ph i đ c n p m t giá tr Giá tr này là đ a ch c a ng n nh ch a l nh

đ u tiên ph i th c hi n trong ch ng trình Th ng thì giá tr này là toàn các bit 0, hay toàn các bit 1 Toàn các bit 0 ngh a là đ a ch ng n nh đ u tiên c a b nh (0000h) Toàn các bit 1 ngh a là đ a ch c a ng n nh cu i cùng c a b nh (FFFFh) Trong

ng n nh này ph i ch a n i dung c a l nh đ u tiên c a ch ng trình T t c nh ng

ng n nh còn l i c a ch ng trình có th ch a l nh hay d li u là tu thu c vào c u trúc ch ng trình

a ch c a ng n nh ch a l nh đ u tiên c a ch ng trình đ c chuy n t b

đ m ch ng trình đ n thanh ghi đ a ch b nh Thanh ghi đ a ch b nh c ng ph i có

đ dài 16-bit Lúc này, n i dung c a b đ m ch ng trình và thanh ghi đ a ch b nh

là gi ng nhau Qua 16-bit bú đ a ch thanh ghi đ a ch b nh gi đ a ch ng n nh ch a

l nh đ u tiên c a ch ng trình ra các m ch nh k t n i trên bus đ a ch Sau đó b nh

g i lên bus d li u 8-bit n i duing c a ng n nh đ c ch n, đó chính là n i dung c a

mã lênh đ u tiên c a ch ng trình Thông qua bus d li u 8-bit c a h th ng và bus d

li u 8-bit ghi l nh (IR) Thanh ghi l nh c ng ph i có đ dài 8-bit đ ch a đ n i dung

c a mã l nh, ngay sau khi có n i dung c a mã l nh, kh i logic gi i mã l nh th c hi n

gi i mã l nh K t qu c a gi i mã l nh đ c kh i logic đi u khi n t o ra các tín hi u

đi u khi n giai đo n th c hi n l nh

Quá trình đ c l nh t b nh vào thanh ghi trong vi x lý l nh g i là giai đo n

đ c l nh (Instruction fetch) Ti p sau là các giai đo n gi i mã l nh, th c hi n l nh M t khi l nh đ u tiên đã đ c đ c t b nh vào thanh ghi l nh và vi x lý b t đ u th c

hi n ch d n đ u tiên, vi x t đ ng t ng n i dung b đ m ch ng trình lên (Increment), nh v y b đ m ch ng trình có giá tr m i là đ a ch c a ng n nh ch a

l nh ti p theo ph i th c hi n (đ a ch c a l nh ti p theo) ây là đi u quan tr ng c n ghi

nh , b i vì s có tr ng h p, ví d , trong ch ng trình g p ph i m t l nh g i (CALL)

t i m t ch ng trình con, khi đó l nh ti p theo ph i th c hi n là l nh đ u tiên trong

ch ng trình con, t c là b đ m ch ng trình ph i ch a đ a ch c a ng n nh l u n i dung c a l nh đ u tiên c a ch ng trình con Khi vi x lý b t đ u th c hi n l nh cu i cùng c a ch ng trình con Khi vi x lý b t đ u th c hi n l nh cu i cùng c a ch ng trình con thì b đ m ch ng trình l i ph i có đ a ch c a ng n nh ch a l nh ti p theo

l nh CALL trong th t s p x p c a ch ng trình chính l u trong b nh Không

nh ng th , các l nh nh y vô đi u ki n (JMP), có đi u ki n c ng làm thay đ i th t

th c hi n tu n t các l nh s p x p trong ch gnt rình đ c l u trong b nh

2.2.3 Thanh ghi tr ng thái

Thanh ghi tr ng thái c a vi x lý còn đ c g i là thanh ghi c (flag register), và dùng đ ghi k t qu c a các l nh ki m tra, so sánh khi th c hi n ch ng trình M t s phép tính th c hi n v i ALU và v i các thanh ghi có th thi t l p ho c xoá m t s bít trong thanh ghi tr ng thái Các bít trong thanh ghi tr ng thái còn g i các bít c M i m t bít c a nó có m t ý ngh a và b tác đ ng tu theo l nh máy th c hi n S d ng các bít

c a thanh ghi tr ng thái có th th c hi n r nhánh ch ng trình b ng các l nh nh y có

đi u ki n (nh y theo giá tr các bít c ), và b đ m ch ng trình ph i đ c n p đ a ch

c a đích nh y t i S r nhánh đ c th c hi n nêu giá tr c tho mãn Ch c n ng c a bít trong thanh ghi tr ng thái đ c gi i thích trong hình 2.2

Z N C I IF O P 1 Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0

Bit 0: “1” logic 1 không dùng

Bit 1:P: Party: ch n l P=1 khi k t qu c a phép toán đ l i m t thanh ghi ch ra có s

các bit =1 là l

Bit 2: O: Overflow: tràn.O=1 khi c nh s h c và nh d u xu t hi n trong các phép

toán v i s bù 2 ( khi phép tính v i s nhj phân có tràn )

Bit 3:IF: Interrupt Flag: c ng t IF=1 khi ch ng trình quy t đ nh cho phép ch c n ng

ng t IF=0 khi ch ng trình không cho phép ch c n ng ng t

Bít 4: I: Intermediate carry: nh trung gian I=1 khi c ng 2 s 4 bit t o ra nh cho bit

th 5 Bít này th ng g i là nh m t n a và dung khi chuy n đ i các s BCD thành s nh phân

Bit 5:C:Cary bit: bit nh : C=1 khi 2 s nh phân c ng v i nhau t o ra nh t bit th 8

ho c có vay m n ( borrow) khi m t s nh h n tr m t s l n h n

Bit 6:N: Negativ: âm N=1 ( bit cao nh t) c a giá tr là s âm trong phép bù 2

Bit 7:Z: Zero bit Z=1 khi phép tính gây ratats c các bit c a thanh ghi k t qu b ng 0

Hình 2.2 Thanh ghi tr ng thái c a Vi x lý

Có th l y ví d phép c ng hai s 8 bít nh h ng đ n giá tr các bít c nh th nào: + Tr ng h p 1: a = 1110 1110, b = 0111 0000

0110 1110

1 ä + 0111 0000

0101 1110

Nh 8-bit k t qu > 0 Giá tr nh 1 c a phép tính t l n c ng các bít th 8 c a hai s thi t l p bít C = 1 c a thanh ghi tr ng thái

Giá tr nh 1 c a phép tính t l n c ng các bít th 8 c a hai s thi t l p bít C = 1, đ ng

th i k t qu c ng là s âm thi t l p bít N = 1 c a thanh ghi tr ng thái

b ng 1, đ ng th i 8 bít k t qu b ng 0 thi t l p bít Z =1 c a thanh ghi tr ng thái

Trong t p l nh c a vi x lý các l nh đ u đ c mô t v i tác đ ng đ n các giá tr c a các thanh ghi tr ng thái, nh đó ng i l p ch ng trình có th th c hi n ki m tra các giá tr các bít tr ng thái và r nhánh ch ng trình N i dung c a thanh ghi tr ng thái có th

đ c đ c ra nh ch ng trình thông qua bus d li u bên trong, nh ng nó không th

nh n d li u t bus d li u bên trong, do đó, thanh ghi tr ng thái ch có th đ c đ c

mà không ghi b i l p trình

2.2.4 Con tr ng n x p SP (Stack Pointer)

Ng n x p đó là b nh có c ch truy c p theo ki u LIFO (last in first out), ngh a là byte d li u nào ghi vào ng n x p cu i cùng thì s đ c đ c ra đ u tiên Ng n x p có

th là m t vùng nào đó c a b nh chính, hay là m t m ng thanh ghi riêng bi t Nó làm nhi m v l u gi nh ng thông tin ph i dùng đi dùng l i nhi u l n trong quá trình th c

hi n ch ng trình, đ c bi t là khi có nhi u ch ng trình con

Gi ng nh b đ m ch ng trình con tr ng n x p ph i có đ dài đ đ ch a giá tr

đ a ch c a m t ng n nh trong b nh Trong vi x lý 16 bit nó có đ dài 16 bít N i dung c a con tr ng n x p là đ a ch tr đ n vùng nh ti p theo Ng n x p luôn đ c truy c p t đ nh (TOP) Trong h u h t các lo i vi x lý, con tr ng n x p gi m đ a ch

ti p theo th p h n sau khi nó đ c s d ng i u này cho phép ng i l p trình xây

d ng ng n x p t đ nh xu ng đáy trong b nh Các l nh thao tác v i ng n x p là các

l nh hai byte Có ngh a là n i dung c a con tr ng n x p gi m đi hai sau m i l n s

d ng : (SP-1), (SP-2) N i dung c a con tr ng n x p đ c ng i l p trình kh i t o ban

đ u Quá trình g i là kh i t o con tr ng n x p N i dung ban đ u c a con tr ng n x p luôn tr đ n đ nh ng n x p N u không kh i t o con tr ng n x p thì ng n x p có th

b t đ u m t vùng b t k trong b nh chính Nh ng ng n x p không đ c kh i t o ban đ u có th gây ra s đè lên nh ng vùng d li u quan tr ng, ho c ghi lên chính

ch ng trình, ho c ghi vào vùng không thu c RAM Trong nh ng tr ng h p nh v y

có th làm h ng n i dung c a ng n x p, làm h ng ch ng trình th c hi n

Các l nh c t gi d li u vào ng n x p nh : CALL (g i t i ch ng trình con), PUSH (đ y d li u vào ng n x p), RST p (yêu c u ng t) kéo theo s gi m n i dung c a con

tr ng n x p Các l nh ph c h i d li u c t gi trong ng n x p nh : RET (tr v t

ch ng trình con), POP (ph c h i t ng n x p) kéo theo s t ng n i dung con tr ng n

x p (SP+1) Khi kh i đ ng h th ng máy tính, con tr ng n x p luôn đ c kh i t o v

đ a ch đ nh c a ng n x p

2.2.5 Các thanh ghi đa n ng

Vi x lý 8 bít có 6 thanh ghi đa n ng (B, C, D, E, H, L) C ng gi ng nh thanh ghi tích l y, đây là nh ng thanh ghi 8 bít Các lo i vi x lý khác nhau có th có nhi u thanh ghi đa n ng h n, nhi u ng d ng h n Các thanh ghi đa n ng có th đ c s d ng cho nhi u m c đích và nhi u l nh s d ng các thanh ghi này: ch a các toán h ng đ th c

hi n các phép tính s h c, logic, d ch… Có th th c hi n các l nh x lý các bít trong

t ng thanh ghi đa n ng Các thanh ghi đa n ng có th ghép l i thành t ng đôi Ví d , các c p thanh ghi BC, DE và HL có ch c n ng th ng nh t: chúng có th đ c thao tác

nh các thanh ghi 16 bit riêng bi t i u này cho phép th c hi n các l nh v i các d

li u 16 bít C p thanh ghi HL có th đ c dùng đ ch a đ a ch ng n nh , và n i dung

c a HL có th đ c t ng lên 1 (increment) ho c gi m đi 1 (deincrement) đ tr t i ng n

nh ti p theo

2.2.6 Thanh ghi đ a ch b nh và logic

Thanh ghi đ a ch b nh (MAR – Memmory Address Register) có n i dung là đ a

ch ng n nh mà trong ng n nh đó ch a l nh hay d li u mà vi x lý c n đ n ho c

ph i ghi d li u vào đó Vì là đ a ch b nh nên thanh ghi đ a ch b nh ph i có đ dài

16 bít Các đ ng ra c a thanh ghi đ a ch b nh đ c đi u khi n n i v i bus đ a ch

16 bít c a h th ng, qua đó giá tr n i dung c a thanh ghi đ c d n đ n các m ch logic

gi i mã ch n đ a ch ng n nh c a b nh hay các c ng vào/ra k t nói v i các thi t b ngo i vi Logic gi i mã ch n đ a ch b nh và các c ng vào/ra k t n i v i các thi t b ngo i vi Logic gi i mã ch n đ a ch b nh và các c ng vào/ra có th khác nhau tùy thu c vào lo in vi x lý, b nh và các thi t b ngo i vi k t n i

Trong chu k đ c l nh (instruction fetch), m t l nh máy đ c đ c t b nh N i dung c a MAR và n i dung c a PC lúc này là nh nhau Ngh a là, MAR tr t i nh n

đ u tiên c a ch ng trình đang đ c đ c t b nh M t khi l nh đ c

này n i dung c a MAR không t ng Sau khi gi i mã l nh xong, b t đ u chu k th c

hi n l nh Trong chu k th c hi n l nh n i dung c a thanh ghi đ a ch b nh ph thu c

l nh đang th c hi n M t s l nh không c n t i đ a ch ng n nh ch dùng m t l n cho

đ c l nh Trong h u h t các h vi x lý 8 bít, MAR có đ dài 16 bít Ph thu c vào các

lo i vi x lý, nó có th có đ dài: 16, 32, 64 bít

MAR 16 bit có th chia thành hai byte: byte cao và byte th p, khi k t n i đ c l p v i

8 bít d li u bên trong có th nh n 8 bit d li u đ c l p MAR có th nh n d li u t

m t s ngu n Ph n l n các h vi x lý có các l nh n p MAR t PC, t các thanh ghi

đa n ng, t …ho c t b nh Có m t s l nh cho phép thi t l p giá tr m i cho MAR: giá tr m i này đ c tính v i phép c ng (ho c tr ) n i dung c a PC v i m t s nguyên

bù thêm (offset) ây khái ni m đánh đ a ch b nh có bù thêm (offset addressing)

2.2.7 Thanh ghi l nh IR (Instruction register)

Thanh IR ch a l nh đang th c hi n Trong chu đ c l nh (instruction cycle) t b

nh , l nh đ c n p vào IR thông qua bus d li u trong IR nh là b đ m duy trì n i dung l nh và đ u ra c a thanh ghi l nh đ a t i b gi i mã l nh (instruction decoder) đ

t o ra chu i các tín hi u đi u khi n th c hi n l nh dài c a IR ph thu c vào t ng

b vi x lý, trong m t s lo i vi x lý, đ dài c a nó b ng đ dài c a t x lý C ng có

th d a vào s l ng l nh c a t p l nh đoán đ c đ dài thanh ghi l nh, vì 2N

= s

l ng t i đa các l nh (maximal number of instruction), trong đó N = s bít c a thanh ghi l nh ôi khi đ dài c a IR ch ng n b ng 3 đ n 4 bít

2.2.8 Các thanh ghi d li u t m th i (Temporary data register)

ALU không có b đ m, do đó khi tính toán, các d li u ph i đ c l y t ho c đ a

tr l i bus d li u trong theo th i đi m nh p nào đó Nh ng vi c này, n u thi u thanh ghi d li u t m th i thì không th th c hi n Ngoài ra trong quá trình x lý c n s n

đ nh d li u trong th i gian đ ng n đ đ cho ALU th c hi n đ c xong phép tính Có hai thanh ghi d li u t m th i hai c ng IN c a ALU cho phép ALU th c hi n các phép tính v i hai t d li u 8 bít

2.3 Kh i đi u khi n ( Control Unit)

Kh i đi u khi n (CU) th c hi n:

1 a ra ngoài CPU các tín hi u đi u khi n đ tác đ ng đ n các trao đ i d li u

v i b nh và vào/ra

2 a ra các thành ghi và tác đ ng ALU th c hi n nhi m v c th

Kh i đi u khi n th c hi n nh ng tác đ ng này nh :

1 Di n gi i đ c (gi i mã) các mã l nh (Op-codes);

2 nh tu n t các vi thao tác;

3 Th c hi n các vi thao tác;

4 Ra các quy t đ nh d a trên các c tr ng thái c a ALU

Nh v y, đ n v đi u khi n có các đ u vào và đ u ra nh hình 2.3

N u có m t l nh c ng n i dung thanh ghi tích lu A v i n i dung m t ng n nh

có đ a ch là 107Ah; ADD A, 107 Ah thì quá trình di n ra trong CPU nh sau:

Hình 2.3 Các đ u vào và ra c a đ n v đi u khi n

Cho r ng l nh ADD A, 107Ah đã đ c đ c t b v CPU Khi đó các thao tác ti p theo

Các tín hi u

đi u khi n trong CPU

Các c

tr ng thái

c a ALU

Quá trình này đ pc đi u khi m và đ nh th i nh đ n v đi u khi n c a CPU

B vi x c ng là m t CPU c a m t máy vi tính, nó c ng có c u trúc bên trong

v i đ y đ các kh i ch c n ng c a m t CPU

2.4 Kh i Logic và s h c (ALU)

n v ALU là m t trong nh ng thành ph n chính trong vi x lý ALU ch a các

kh i logic th c hi n các phép tính s h c và logic Các kh i này có tên g i t ng ng

nh : b c ng (Adder), b tr (Subtractor), b d ch (Shifter), các so sánh (=, <, >), bù 2 (2s Complementer), t ng (Inerementer), gi m (Decrementer), ho c (OR), và (AND),

c ng module 2 (XOR), đ o (NOT), ho c đ o (NOR),… (hình 2.4)

ALU c a đa s các lo i vi x có th th c hi n các ch c n ng sau:

ADD (c ng) 2s Complement (bù nh phân)

AND (Và logic) Shift Lefl (d ch trái)

Phép nhân và chia s h c đ c th c hi n nh k t h p các phép c ng, tr , d ch trái và

d ch ph i

ALU có hai c ng vào (IN) và m t c ng ra (OUT) Các c ng IN đ nh n t d

li u vào ALU C ng OUT đ l y k t qu x lý d li u c a ALU ra ngoài Các c ng IN

đ c nh đ m b ng các thanh ghi t m th i 1 và 2 Nh ng thanh ghi này làm nhi m v

nh n d li u t các n i khác nhau bên trong b vi x lý thông qua bus d li u bên trong

và l u gi t m th i d li u cho hai c ng IN trong quá trình x lý d li u trong ALU

T ng t , c ng OUT k t n i v i bus d li u bên trong, do đó k t qu phép toán có th

=

B c ng logic

Hình 2.4 Các kh i logic bên trong ALU

C CÂU H I ÔN T P

1 S đ c u trúc bên trong c a kh i x lý trung tâm (CPU) ?

2 Ch c n ng nào sau đây không ph i là ch c n ng c a ALU:

(a) K t n i ALU v i Bus d li u trong c a CPU

(b) K t n i thanh ghi v i thanh ghi t ng

(d) Luôn luôn ( a,b,c)

10 dài c a thanh ghi l nh ph thu c:

(a) Ki n trúc c a CPU

(b) Thi t k CPU 8 bit hay 16 bit

(c) Kích th c c a b nh đ c đánh đ a ch

(d) T c đ CPU

CH NG 3: T P L NH MÁY TÍNH

A TÓM T T N I DUNG CHÍNH C A CH NG:

- Sinh viên c n hi u rõ: nh ngh a t p l nh máy tính Chu trình 5 giai đo n th c hi n

m t l nh mã máy: c l nh; Gi i mã l nh; Thi hành l nh; Thâm nh p b nh trong

ho c nh y và cu i cùng là L u tr u k t qu

- M t s d ng l nh thông d ng đ c gi i thi u trong ch ng này: Nhóm l nh gán giá

tr nh : l nh b nh , l nh tính toán s h c, l nh logic; các l nh d ch chuy n s h c ho c logic, l nh quay vòng L nh thâm nh p b nh ng n x p Các th t c

- Các d ng toán h ng: Có 4 d ng toán h ng đ c dùng trong h th ng : D ng đ a ch ,

D ng s : s nguyên, d u ph y đ ng; D ng chu i ký t : ASCII, EBIDEC… và D ng d

x lý ch th , bao g m hai b c: CPU đ c ch th t b nh và th c thi ch th đó Vi c

th c thi ch ng trình là s l p đi l p l i quá trình l y ch th và th c thi ch th

Hình 3.1 Chu k ch th c s Các chu k l y và th c thi ch th

đ u m i chu k ch th , CPU l y m t ch th t b nh M t thanh ghi g i là b đ m

ch ng trình (PC) đ c s d ng đ theo dõi ch th c n l y ra k ti p Tr khi đ c ch

ra rõ ràng, CPU luôn t ng PC sau khi m i ch th đ c l y ra đ tr đ n ch th k ti p trong dãy ch th

Ch th đ c l y ra s đ c t i vào m t thanh ghi trong CPU có tên g i là thanh ghi ch

th (IR) Ch th này d ng mã nh phân đ c t ho t đ ng CPU c n th c hi n CPU thông d ch ch th và th c hi n ho t đ ng đ c yêu c u M t cách t ng quát, các ho t

đ ng này r i vào m t trong b n nhóm sau:

CPU – B nh : d li u có th đ c chuy n t CPU vào b nh hay ng c l i

CPU – Thành ph n nh p/xu t: d li u có th đ c truy n t bên ngoài vào CPU thông qua vi c liên l c gi a CPU và m t module nh p/xu t

X lý d li u: CPU có th th c hi n thao tác lu n lý hay s h c trên d li u

i u khi n: m t ch th có th đ c t s thay đ i th t th c thi c a dãy ch th

Nh ch ng 1 đã gi i thi u: t p l nh là t p h p các l nh mã máy (mã nh phân) hoàn ch nh có th hi u và đ c x lý b i b x lý trung tâm, thông th ng các

l nh trong t p l nh đ c trình bày d i d ng h p ng M i l nh ch a thông tin yêu c u

b x lý th c hi n, bao g m: mã tác v , đ a ch toán h ng ngu n, đ a ch toán h ng k t

qu , l nh k ti p (thông th ng thì thông tin này n)

3.2 Chu trình th c hi n l nh mã máy

Vi c thi hành m t l nh mã máy có th chia thành 5 giai đo n:

c l nh (IF: Instruction Fetch)

Gi i mã l nh (ID: Instruction Decode) Thi hành l nh (EX: Execute)

Thâm nh p b nh trong ho c nh y (MEM: Memory access)

B đ m ch ng trình PC đ c đ a vào MAR L nh đ c đ c t b nh trong,

t i các ô nh có đ a ch n m trong MAR và đ c đ a vào thanh ghi l nh IR

2 Gi i mã l nh và đ c các thanh ghi ngu n:

Các thanh ghi ngu n Rs1 và Rs2 đ c s d ng tu theo tác v , k t qu đ c

đ t trong thanh ghi đích Rd

Ta th y vi c gi i mã đ c th c hi n cùng lúc v i vi c đ c các thanh ghi Rs1 và Rs2 vì các thanh ghi này luôn n m t i cùng v trí trong l nh

a ch hi u d ng do ALU tính đ c đ a vào MAR và thanh ghi ngu n Rs1

đ c đ a vào MBR đ đ c l u vào b nh trong

Mã l nh Thanh ghi Rs1 Thanh ghi Rs2 Thanh ghi Rd Tác v

4 Thâm nh p b nh trong ho c nh y l n cu i

đo n này th ng ch đ c dùng cho các l nh n p d li u, l u gi d li u