Bài giảng Kiến trúc máy tính Chương 4 Bộ vi xử lý

Control & status registerCó một số thanh ghi được dùng để điều khiển hoạt động của CPU  Program Counter  Instruction Decoding Register  Memory Address Register  Memory Buffer Regist

CHƯƠNG 4

BỘ VI XỬ LÝ

1 Kiến trúc chung của bộ vi xử lý

 Tìm nạp dữ liệu (Fetch data)

 Xử lý dữ liệu (Process data)

 Ghi dữ liệu (Write data)

CPU với bus hệ thống

Bộ nhớ trong,

là chỗ chứa tạm thời

1 Kiến trúc chung của bộ vi xử lý

KTMM

4 / 50

Sơ đồ kiến trúc bên trong của CPU

Là một trong các quyết định thiết kế quan trọng

Mức cao nhất trong phân cấp bộ nhớ

KTMM

5 / 50

User-visible register

User-visible register là thanh ghi có thể được tham chiếu

qua ngôn ngữ máy, cho phép thu nhỏ bộ nhớ chính bằng tối ưu hóa việc sử dụng các thanh ghi, bao gồm các loại:

 General Purpose: đa chức năng, chứa operand của chỉ thị, có thể phân chia cho các chức năng khác nhau bởi người lập trình

 Data: chỉ chứa data, không được dùng để tính toán địa chỉ

 Address: dùng cho chế độ địa chỉ như segment pointer, index register, stack pointer

Condition Codes: chứa các mã điều kiện (còn gọi là các flag)

KTMM

6 / 50

Control & status register

Có một số thanh ghi được dùng để điều khiển hoạt động của CPU

 Program Counter

 Instruction Decoding Register

 Memory Address Register

 Memory Buffer Register

 Tất cả các thiết kế đều có một hay tập thanh ghi gọi là PSW (Program Status Word)

KTMM

7 / 50

Ví dụ Bộ xử lý 8086

Vi xử lý Intel 8086 là vi xử lý 16 bit, các phép toán xử lý bên trong CPU thực hiện trên số nhị phân 16 bit Bao gồm:

Bộ thanh ghi đa dụng

Bộ thanh đoạn và con trỏ lệnh

Thanh ghi trạng thái

KTMM

8 / 50

Bộ xử lý 8086: Bộ thanh ghi đa dụng

 Gồm 8 thanh ghi 16 bit.

 Các thanh ghi AX, BX, CX, DX có thể dùng phân nửa như các thanh ghi 8 bit AH, AL, BH, BL, CH, CL, DH, DL.

 Thanh ghi AH là nửa cao của thanh ghi AX.Thanh ghi AL

là nửa thấp của thanh ghi AX.

 - AX là thanh ghi bộ tích lũy 16 bit (ACC) AL là thanh ghi

bộ tích lũy 8 bit BX là thanh ghi nền (base register) CX là thanh ghi bộ đếm (counter).DX là thanh ghi dữ liệu (data).

 SI là thanh ghi chỉ số nguồn (source index).

 DI là thanh ghi chỉ số đích (destination index).

 BP là thanh ghi con trỏ nền (base pointer).

 SP là thanh ghi con trỏ chồng (stack pointer).

9 / 50

Bộ xử lý 8086: Bộ thanh ghi đa dụng

 Gồm 8 thanh ghi 16 bit.

 Các thanh ghi AX, BX, CX, DX có thể dùng phân nửa như các thanh ghi 8 bit AH, AL, BH, BL, CH, CL, DH, DL.

 Thanh ghi AH là nửa cao của thanh ghi AX.Thanh ghi AL

là nửa thấp của thanh ghi AX.

 - AX là thanh ghi bộ tích lũy 16 bit (ACC) AL là thanh ghi

bộ tích lũy 8 bit BX là thanh ghi nền (base register) CX là thanh ghi bộ đếm (counter).DX là thanh ghi dữ liệu (data).

 SI là thanh ghi chỉ số nguồn (source index).

 DI là thanh ghi chỉ số đích (destination index).

 BP là thanh ghi con trỏ nền (base pointer).

 SP là thanh ghi con trỏ chồng (stack pointer).

10 /

50

Bộ xử lý 8086: Bộ thanh đoạn và con trỏ lệnh

 Gồm 4 thanh ghi đoạn 16 bit dùng để quản lý bộ nhớ theo phương pháp phân đoạn.

 CS là thanh ghi đoạn chương trình (code segment).

 DS là thanh ghi đoạn dữ liệu (data segment).

 SS là thanh ghi đoạn chồng (stack segment).

 ES là thanh ghi đoạn mở rộng (extra segment).

 IP là thanh ghi con trỏ lệnh (instruction pointer).

11 /

50

Bộ xử lý 8086: Thanh ghi cờ

 SF là cờ dấu (sign flag) CF là cờ nhớ (carry flag) ZF là cờ

không (zero flag) OF là cờ tràn (overflow flag) AF là cờ trung

gian (auxiliary flag) hay còn gọi là cờ nhớ nửa (half-carry flag)

AF = 0 khi không có sự tràn về dung lượng 4 bit AF = 1 khi có

sự tràn về dung lượng 4 bit.

 Ví dụ : phép toán 00001001 + 00000111 = 00010000 sẽ lập cờ

AF lên 1.

 Cờ AF thường được dùng trong các phép toán BCD (là các số dùng hệ nhị phân 4 bit để biểu diễn số thập phân từ 0 ÷ 9).

 PF là cờ kiểm tra chẳn lẻ (parity flag).

DF là cờ định hướng (direction flag).DF = 0 : định hướng giảm

địa chỉ cho các lệnh xử lý chuỗi DF = 1 : định hướng tăng địa chỉ cho các lệnh xử lý chuỗi.

 IF là cờ ngắt quãng (interrupt enable flag) IF = 0 : cấm ngắt

cứng INTR IF = 1 : cho phép ngắt cứng INTR.

12 /

50

Đơn vị số học và logic ALU

Định nghĩa: là 1 phần của máy tính thực sự thực hiện

các thao tác số học và logic trên dữ liệu Tất cả các thành phần khác của hệ thống máy tính – đơn vị điều khiển, thanh ghi, bộ nhớ, chủ yếu mang dữ liệu vào cho ALU để ALU xử lý và sau đó đưa kết quả ra ngoài

KTMM

13 /

50

Đơn vị số học và logic ALU

KTMM

14 /

50

Đơn vị điều khiển CU

KTMM

15 /

50

Đơn vị điều khiển thực hiện 2 công tác chính:

 Sự sắp xếp chuỗi (sequencing): Đơn vị điều khiển

CPU sắp xếp chuỗi vi thao tác vào 1 chuỗi liên tục thích hợp, dựa trên chương trình đang thực hiện

 Sự thi hành (Execution): Đơn vị điều khiển khiến mỗi

vi thao tác được thực hiện Đơn vị điều khiển thao tác dựa vào việc sử dụng các tín hiệu điều khiển

Đơn vị điều khiển CU

KTMM

16 /

50

Các tín hiệu điều khiển vào

Clock: đây là cách đơn vị điều khiển “giữ thời gian” Đơn vị điều khiển tạo ra 1 vi thao tác (hoặc 1 tập các thao tác đông thời) được thực hiện với mỗi xung đồng

hồ Đây là 1 vài lần nhắc đến như là chu kỳ thời gian

xử lý, hoặc chu kỳ thời gian đồng hồ

Thanh ghi chỉ lệnh: mã chỉ lệnh hiện tại được dùng để xác định vi thao tác nào được thực hiện trong chu kì thi hành

Cờ: có các yêu cầu bởi đơn vị điều khiển để xác định trạng thái của CPU và kết quả của thao tác ALU trước

VD, đối với chỉ lệnh Increment and skip if rezo (ISZ), đơn vị điều khiển sẽ lượng gia PC nếu cờ Rezo được đặt

KTMM

17 /

50

Các tín hiệu điều khiển vào

Các tín hiệu điều khiển từ bus điều khiển: Khẩu phần bus điều khiển của bus hệ thống cung cấp tín hiệu cho đơn vị điều khiển, như tín hiệu ngắt và sự công nhận

KTMM

18 /

50

Các tín hiệu điều khiển ra

Tín hiệu điều khiển trong CPU: có 2 loại: nó khiến sữ liệu bị di chuyển từ 1 thanh ghi tới các thanh ghi khác,

và làm hoạt động các chức năng ALU cụ thể

Các tín hiệu điều khiển bus: cũng có 2 loại các tín hiệu điều khiển bộ nhớ, và tín hiệu điều khiển module vào ra

KTMM

19 /

50

Đơn vị điều khiển chương trình

KTMM

20 /

50

Đơn vị điều khiển chương trình