BỘ XỬ LÝ VÀ BỘ NHỚ PROCESSOR AND MEMORY

Thanh ghi - Register  Các thanh ghi được gắn với CPU bằng các mạch điện tử dùng để giữ thông tin tạm thời và là một phần của CPU không phải bộ nhớ chính.. CU lấy địa chỉ của lệnh tiếp

Chương 7

BỘ XỬ LÝ VÀ BỘ NHỚ

PROCESSOR AND MEMORY

Nội dung

7.1 Bộ xử lý trung tâm - The central

processing unit (CPU)

7.2 Bộ nhớ chính - The main memory

7.3 Các đường truyền của bộ nhớ - Memory

buses 7.4 Kiến trúc kết nối - I/O buses

Giới thiệu

Microprocessor

Giới thiệu

Bộ xử lý trung tâm – CPU

The central processing unit

 Còn gọi là bộ xử lý (processor), vi xử lý (micro-processor)

 CPU là bộ não của máy tính có nhiệm vụ thi hành các lệnh của chương trình và xử lý các dữ liệu trong chương trình

 Các thành phần chính của CPU:

 Đơn vị điều khiển

(The Control Unit)

 Đơn vị số học luận lý

(The Arithmetic Logic Unit (ALU))

 Các thanh ghi (registers)

Bộ xử lý trung tâm

The central processing unit (CPU)

ROM PROM FLASH

Main Memory (RAM)

General-purpose register

General-purpose register

General-purpose register

Control Unit Arthmetic Logic Unit

Central Processing Unit (CPU)

Đơn vị điều khiển – Control Unit (CU)

 Đơn vị điều khiển (CU): chọn và dịch các lệnh của chương trình, sau đó thực thi chúng

 CU không thực sự thi hành bất kỳ quá trình nào trên dữ liệu, nhưng nó đóng vai trò là một hệ thống trung tâm cần thiết điều khiển các thành phần khác của máy tính

 CU quản lý và phối hợp hoạt động của toàn bộ hệ thống máy tính kể cả việc nhập và xuất dữ liệu

 CU nhận các lệnh từ bộ nhớ chính, dịch các lệnh, và gửi các tín hiệu tới các đơn vị khác của hệ thống để thực thi chúng

Đơn vị số học logic

The Arithmetic Logic Unit ( ALU )

 Đơn vị số học logic ( ALU ): thực thi các lệnh tính toán

diễn ra trong suốt quá trình xử lý dữ liệu

 Khi đơn vị điều khiển (CU) gặp một lệnh có các phép toán

số học (cộng, trừ, nhân, chia) hay phép toán luận lý (nhỏ hơn, bằng, lớn hơn), thì nó chuyển quyền điểu khiển cho

ALU

 Trong trường hợp máy tính nhỏ, toàn bộ CPU (cả đơn vị điều khiển và ALU) được chứa trong 1 chip đơn siêu nhỏ

được gọi là bộ vi xử lý

Bộ xử lý trung tâm – CPU

The central processing unit

 Các khái niệm:

 Tập các chỉ thị - Instruction Set

 Thanh ghi - Register

 Tốc độ bộ xử lý - Processor Speed

 CISC and RISC Processors

 CISC: Complex Instruction Set Computer

 RISC: Reduced Instruction Set Computer

 EPIC :Explicitly Parallel Instruction Computing

Tập lệnh - instruction set

 Tập lệnh (instruction set) là các chỉ thị mà CPU sẽ thực thi

 Mỗi họ CPU có một tập lệnh riêng Các chương trình thường được viết dựa trên tập lệnh của một họ CPU do đó chương trình thực hiện trên họ CPU này không hoạt động được ở CPU họ khác

 Ví dụ: CPU của máy IBM khác CPU của các nhà sản xuất khác như Sony, Toshiba,…

 Hầu hết các CPU có hơn 200 lệnh (cộng, trừ, so sánh,…) trong tập lệnh của chúng

Thanh ghi - Register

 Các thanh ghi được gắn với CPU bằng các mạch điện tử

dùng để giữ thông tin tạm thời và là một phần của CPU (không phải bộ nhớ chính)

 Chiều dài của thanh ghi bằng với số bit mà nó lưu trữ Các loại thanh ghi: 8 bit, 32-bit, 64-bit

 Kích cỡ của các thanh ghi (còn gọi word size) là dung

lượng của dữ liệu mà máy tính có thể xử lý

 Kích thước thanh ghi càng lớn, máy tính xử lý dữ liệu càng nhanh

 Các máy tính dùng nhiều loại thanh ghi, mỗi một thanh ghi được thiết kế để thực thi một chức năng riêng

Thanh ghi - Register

STT Name of Register Function

1 Địa chỉ bộ nhớ

Memory Address (MAR)

Nắm giữ địa chỉ của bộ nhớ đang hoạt động

Giao tiếp với thiết bị Nhập/Xuất

Chức năng của các thanh ghi

Quá trình thực thi của CPU

1 CU lấy địa chỉ của lệnh tiếp theo từ thanh ghi điều khiển chương trình và đọc lệnh đó từ địa chỉ bộ nhớ vào trong thanh ghi lệnh của CUCU gửi phần thao tác và địa chỉ của lệnh đến nơi giải mã và địa chỉ thanh ghi vùng nhớ

2 Nơi giải mã dịch lệnh và đơn vị điều khiển gửi các tín hiệu đến đơn vị thích hợp như ALU để thực thi các tác vụ riêng biệt của lệnh

3 ALU thực thi các thao tác cần thiết trong dữ liệu và gửi đến đơn vị điều khiển tín hiệu ngay khi nó hoàn tất

4 Khi mỗi lệnh được thực thi, địa chỉ của lệnh tiếp theo cũng tự động được truy xuất và lấy dữ liệu nhập vào bên trong chương trình điều khiển thanh ghi, và lập lại từ bước 1 đến bước 4

Quá trình thực thi của CPU

Tốc độ bộ xử lý - Processor Speed

 Các thao tác thường được đồng bộ bởi 1 đồng hồ điện tử được xây dựng bên trong gọi là đồng hồ hệ thống, nó sản xuất ra hàng triệu xung điện đều đặn trong mỗi giây (gọi là chu kỳ đồng hồ)

 Một chu kỳ là khoảng thời gian để thực hiện một thao tác Chu kỳ đồng hồ càng ngắn thì bộ xử lý càng nhanh

 Tốc độ của đồng hồ được đo bằng megahertz (hay

Tốc độ bộ xử lý - Processor Speed

Bộ xử lý CISC và RISC

Kiến trúc CISC (Complex Instruction Set Computer)

 Các lệnh của CPU có chiều dài khác nhau

 Thời gian thi hành lệnh cũng khác nhau

 Giúp lập trình bằng ngôn ngữ máy dễ dàng hơn

 Phức tạp và chi phí cao để sản xuất

 Hầu hết các máy tính cá nhân hiện nay dùng bộ vi xử

lý CISC

Bộ xử lý CISC và RISC

Kiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computer)

 Các lệnh dài bằng nhau Có bộ tập lệnh nhỏ

 Thời gian thi hành các lệnh chỉ bằng 1 chu kỳ đồng hồ

 Cung cấp khả năng thi hành nhiều hoạt động cùng lúc (Super scalar execution)

 Dùng cơ chế đường ống (Pipelining) để giảm thời gian thi hành Đoán trước việc phân nhánh (Branche prediction)

 Thiết kế đơn giản hơn, tốc độ nhanh hơn, ít phức tạp hơn, và chi phí ít hơn để sản xuất so với các bộ xử lý CISC

Bộ xử lý CISC và RISC

Cơ chế đường ống

Các bộ xử lý EPIC

Explicity Parallel Instruction Computing

 Bộ xử lý dựa trên thiết kế IA-64 có bộ tập lệnh 64-bit mới của họ (ISA) là IA-64

truyền thống

 Ba điểm quan trọng của công nghệ EPIC là tính rõ ràng, sự khẳng định và sự suy đoán

Các bộ xử lý EPIC

Explicity Parallel Instruction Computing

Các đặc điểm:

Song Song - Explicit Parallelism:

 Bộ vi xử lý cho phép nhiều phần mềm giao tiếp cùng một lúc đến bộ xử lý nên các thao tác có thể được

thực hiện cùng một lúc

Các bộ xử lý EPIC

Xác nhận - Predication:

 Làm giảm các lệnh rẽ nhánh và loại bỏ các nhánh không báo trước

 Tại thời gian thực thi của lệnh rẽ nhánh:

 Nếu sự suy đoán đúng, thì bộ xử lý sẽ thực thi và các kết quả của chúng có thể trực tiếp dùng ngay bởi bộ vi

xử lý

 Nếu sự suy đoán sai, các kết quả của sự thực thi sẽ bị

bỏ qua

Các bộ xử lý EPIC

Sự suy đoán - Speculation:

 Là một kỹ thuật làm giảm ảnh hưởng của bộ nhớ đến tốc độ của bộ xi xử lý không đều nhau

 Mục đích chính là chia việc nhập dữ liệu, không chỉ cho phép bộ xử lý nhập từng mẫu dữ liệu từ bộ nhớ trước khi chương trình thực sự cần nó, mà còn trì hoãn việc thông báo sự thực thi nếu dữ liệu đã nhập

bị sai luật

Bộ nhớ chính - The main memory

Bộ nhớ chính - The main memory

 Gồm các chip trên bảng mạch chính hay trên một bản

mạch nhỏ gắn liền với bảng mạch chính của một hệ thống

Bộ nhớ chính - The main memory

 Có 2 chức năng chính :

 Chứa tạm chương trình đang được sử dụng để xử lý thông tin

 Chứa tạm dữ liệu

 Dữ liệu dùng trong máy tính có 3 loại :

 Dữ liệu ban đầu nhận từ khối nhập

 Dữ liệu trung gian đang được xử lý

 Kết quả cuối cùng chờ đưa ra khối xuất

Bộ nhớ chính - The main memory

 Một số khái niệm về bộ nhớ chính:

 Tiêu chuẩn đánh giá kho lưu trữ-Storage Evaluation

Criteria

 Tổ chức bộ nhớ chính - Main Memory Organization

 Dung lượng bộ nhớ chính - Main Memory Capacity

 RAM tĩnh và RAM động - Static and Dynamic RAM

 Bộ nhớ chỉ đọc - Read-Only Memory

 Bộ nhớ Cache - Cache Memory

Bộ nhớ chính - Tiêu chuẩn đánh giá kho lưu trữ

kho dữ liệu

sức chứa của kho

cất trong kho được gọi là ổ lưu trữ không khả biến Ngược lại, nếu

dữ liệu đã lưu trữ bị mất khi máy bị tắt hay treo gọi là kho khả

biến

trong vùng dữ liệu của kho, thì nó được gọi là kho truy cập ngẫu

nhiên hay bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM)

Bộ nhớ chính – Tổ chức bộ nhớ

Bộ nhớ chính – Tổ chức bộ nhớ

 Bộ nhớ chính gồm nhiều vùng lưu trữ nhỏ được gọi là vị trí hay

ô Mỗi vị trí có thể lưu trữ một số cố định các bit gọi là độ dài

từ

 Mỗi vùng có một địa chỉ dùng để nhận dạng vùng nhớ

 Mỗi vùng nhớ có thể lưu trữ một phần tử dữ liệu hay một lệnh

gọi là nội dung vùng nhớ

 Các địa chỉ thường bắt đầu tại số 0 và địa chỉ cao nhất bằng N-1

 Hành động nhập dữ liệu vào 1 ô lưu trữ gọi là thao tác ghi vào

vùng nhớ, hành động gọi dữ liệu từ 1 ô lưu trữ gọi là thao tác đọc vùng nhớ

Bộ nhớ chính – RAM tĩnh và động

 Thường được dùng trong các máy tính khoa học lớn

để tăng tốc độ của sự tính toán

Bộ nhớ chính

Bộ nhớ có chiều dài từ cố định và thay đổi

Bộ nhớ có chiều dài thay đổi:

 Mỗi ô nhớ trong bộ nhớ chiếm số byte bằng với độ dài thực của các từ

 Có khả năng tính toán nhanh hơn

 Dùng trong các máy tính kinh doanh nhỏ cho việc tối

ưu hóa khả năng của không gian lưu trữ

Bộ nhớ chính

Bộ nhớ có chiều dài từ cố định và thay đổi

Bộ nhớ có chiều dài thay đổi:

 Ví dụ: 1 máy với bộ nhớ có chiều dài từ 8 ký tự vì 1 ký tự

có thể được đặt trong mỗi 1 ô dữ liệu của máy này nên không lãng phí bộ nhớ

Bộ nhớ chính – RAM tĩnh và động

RAM tĩnh (static RAM (SRAM)):

 Không cần bất kỳ bản mạch bên ngoài để lưu lại dữ liệu

 Lấy nhiều các thiết bị bán dẫn và các thiết bị khác để lưu trữ 1 bit trong một thanh RAM tĩnh

 Các chip trong RAM tĩnh thì phức tạp và tốn nhiều không gian cho việc cung cấp dung lượng lưu trữ

 Ram tĩnh thì nhanh hơn, tốn kém hơn, và tiêu thụ nhiều năng lượng hơn thanh RAM động

Bộ nhớ chính – RAM tĩnh và động

RAM động (Dynamic RAM (DRAM)):

 Dùng một bản mạch ngoài để tái tạo hay làm mới kho lưu trữ để lưu lại dữ liệu

 Các chip trong RAM động thì không phức tạp và không tốn nhiều không gian cho việc cung cấp dung lượng lưu trữ như RAM tĩnh

 Ram động thì không nhanh hơn, ít tốn kém hơn, và tiêu thụ ít năng lượng hơn thanh RAM tĩnh

 Bộ nhớ chính của hầu hết các máy tính dùng RAM động

Bộ nhớ chính – Bộ nhớ Chỉ-Đọc

Có 2 loại ROM:

Programmable read-only memory(PROM):

 Cho phép người dùng hiệu chỉnh để chuyển đổi các chương trình của họ thành các microprogram và lưu trữ nó trong Rom

 PROM được lập trình để ghi lại thông tin bằng một thiết bị đặc biệt, gọi là PROM-programer

 PROM chỉ có thể đọc được những thông tin lưu trữ

và chỉ được ghi một lần

Bộ nhớ chính – Bộ nhớ Chỉ-Đọc

Erasable programmable read-only memory (EPROM):

 Có thể xóa các lưu trữ trong EPROM và các chip này có thể lập trình lại để lưu lại các thông tin mới

 Loại chip này thường được sử dụng bởi các nhân viên R&D, là người thường xuyên thay đổi các microprogram để kiểm tra sự hiệu quả của hệ thống máy tính với các chương trình mới

 Khi EPROM được sử dụng, thông tin được lưu trữ chỉ có thể được đọc và tồn tại cho đến khi bị xóa

Bộ nhớ chính – Bộ nhớ Chỉ-Đọc

Các loại bộ nhớ truy câp ngẫu nhiên

Bộ nhớ chính – Bộ nhớ Cache

 Cache là bộ nhớ đệm giữa CPU và bộ nhớ chính

 Cache được chế tạo từ SRAM có tốc độ làm việc rất cao và có dung lượng nhỏ

 Nhiệm vụ của cache là làm giảm thời gian đợi (wait-state) của CPU khi truy xuất bộ nhớ chính bằng cơ chế đọc trước các ô nhớ kế tiếp

 Các bộ xử lý hiện nay đều có cache bên trong Trong thực tế, các lập trình viên thì không biết đến sự tồn tại và cách dùng của nó

Bộ nhớ chính – Bộ nhớ Cache

Quá trình thao tác của bộ nhớ cache

Các đường truyền của bộ nhớ - Memory buses

 Là một nhóm các dây dẫn song song mà mỗi đường có nhiệm

vụ truyền tải 1 bit thông tin

 Đường truyền hệ thống là tuyến kêt nối giữa CPU với các bộ

phận mà nó muốn trao đổi thông tin, cụ thể là bộ nhớ và khối

xuất nhập (I/O)

 Trên một tuyến có thể truyền tải nhiều loại thông tin khác nhau

 Một số đường truyền có khả năng truyền thông tin theo cả 2

chiều Tuy nhiên, trong từng thời điểm, luồng dữ liệu chỉ đi một

chiều

 Độ rộng của tuyến (số đường) xác định chiều dài của một từ

(word) mà CPU trao đổi mỗi lần

 Ví dụ : CPU dùng bus 16 để truyền dữ liệu 32 bit thì phải thực

hiện 2 lần

Các đường truyền của bộ nhớ - Memory buses

 Mỗi hệ thống máy tính có 3 loại đường truyền:

CPU

BỘ NHỚ CHÍNH Data Bus

Control Bus Address Bus

Ba loại đường truyền giữa CPU và bộ nhớ chính

Các đường truyền của bộ nhớ - Memory buses

 Đường dẫn dữ liệu: dùng để truyền dữ liệu giữa CPU và

bộ nhớ

 Đường dẫn địa chỉ: dùng để mang địa chỉ của một vùng

nhớ chứa dữ liệu được chuyển đến hoặc từ bộ nhớ

 Đường dẫn điều khiển: gửi các địa chỉ và trao đổi dữ liệu

với bộ nhớ, CPU cũng cần phải gửi các tín hiệu điều khiển

đến bộ nhớ để xác định xem dữ liệu cần được đọc hay là

viết đến vùng địa chỉ đã xác định và thực hiện dưới dạng

lệnh ĐỌC/VIẾT

Đường dẫn nhập/xuất - I/O buses

 Là các đường dẫn để kết nối CPU với các thiết bị nhập/xuất Có 3 loại:

 Đường dẫn dữ liệu: dùng để truyền dữ liệu giữa CPU với các thiết bị nhập/xuất Các đường dẫn dữ liệu theo tiêu chuẩn công nghiệp là :

Đường dẫn nhập/xuất - I/O buses

 Đường dẫn ISA (kiến trúc chuẩn công nghiệp): là

đường dẫn 16-bit có thể truyền dữ liệu dọc theo 8 hay

16 đường dữ liệu, tùy thuộc vào loại mạch giao tiếp được dùng trong 1 khe mở rộng Nghĩa là các khe mở rộng ISA có thể chấp nhận cả 2 mạch giao tiếp 8-bit và 16-bit

Đường dẫn nhập/xuất - I/O buses

 Đường dẫn MCA(kiến trúc vi kênh): là 1 đường dẫn

32-bit, nó truyền dữ liệu dọc theo 32 luồng dữ liệu Khe

mở rộng MCA không chấp nhận các mạch giao tiếp bit hay 16-bit mà phải thiết kế các mạch giao tiếp 32-bit

8-riêng biệt

 Đường dẫn EISA(Kiến trúc chuẩn công nghiệp mở

rộng): là đường dẫn 32-bit, được thiết kế để chấp nhận

và sử dụng khe mở rộng ISA EISA thì nhanh hơn ISA, nhưng không nhanh bằng MCA – tính tương thích của

nó thì thích ứng với các khe mở rộng 16-bit

Đường dẫn nhập/xuất - I/O buses

 Đường dẫn địa chỉ: dùng để mang địa chỉ của thiết bị

nhập/xuất được truy cập bới CPU

 Đường dẫn điều khiển: dùng để mang các lệnh như

START, READ, WRITE, REWIND, TAPE, … từ CPU đến các thiết bị nhập/xuất Nó cũng được dùng để mang thông tin trạng thái của các thiết bị nhập/xuất đến CPU

Kiến trúc kết nối

1. Kiến trúc Unibus:

 Gồm một đường dẫn dữ liệu đơn, một đường dẫn địa chỉ

và một đường dẫn kiểm soát được dùng để kết nối CPU với bộ nhớ và các thiết bị nhập/xuất

 Các đường dẫn được dùng chung cho việc chuyển dữ liệu giữa CPU và bộ nhớ, cũng như giữa CPU và các thiết bị nhập/xuất

Kiến trúc kết nối

Address Bus Data Bus

Control Bus

Thiết bị Nhập/Xuất

Với bộ điều khiển kết hợp CPU Bộ nhớ chính

Kiến trúc kết nối đường dẫn đơn

Kiến trúc kết nối

Kiến trúc Dual Bus:

 Thiết lập riêng các bus cho sự kết nối tương đối của CPU với bộ nhớ và thiết bị nhập/xuất

 Việc truyền dữ liệu giữa CPU và bộ nhớ chính được thực hiện bằng cách sử dụng bus kết nối CPU với memory