Chương II: Các thành phần cơ bản của máy tính số

2.1 Bộ xử lý (Processor)  Đơn vị điều khiển (CU) và đơn vị thực hiện các thao tác tính toán (ALU) được nhóm trong một đơn vị duy nhất còn gọi là bộ xử lý (Processor/ processing unit) hay còn được gọi là đơn vị xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit).  CPU hoạt động theo chương trình nằm trong bộ nhớ chính.

Chương II: Các thành phần cơ

bản của máy tính số

2.1 Bộ xử lý 2.2 Bộ nhớ và thiết bị lưu trữ ngoài

2.3 Thiết bị nhập xuất dữ liệu

2.1 Bộ xử lý (Processor)

 Đơn vị điều khiển (CU) và đơn vị thực

hiện các thao tác tính toán (ALU) được

nhóm trong một đơn vị duy nhất còn gọi là

bộ xử lý (Processor/ processing unit) hay còn

được gọi là đơn vị xử lý trung tâm CPU

(Central Processing Unit).

 CPU hoạt động theo chương trình nằm trong

bộ nhớ chính

Slide 3

h2 Chương I Chức năng

Chương II Thành phần cơ bản

II 1 Đơn vị điều khiển (CU)

II 2 Đơn vị số học và logic (ALU)

II 3 Thanh ghi

Chương III Cơ chế hoạt động

III 1 Chu trình xử lý lệnh

III 1 1 Lấy chỉ lệnh và giải mã

III 1 2 Thực thi chỉ lệnh

III 2 Tập lệnh

Chương IV Tăng hiệu năng

IV 1 Tăng hiệu năng Bộ xử lý

IV 1 1 Kiến trúc song song

a Đường ống

b Siêu đường ống

c Siêu vô hướng

d Tăng độ dài từ lệnh (VLIW)

IV 1 2 CISC và RISC

IV 2 Tăng hiệu năng và độ tin cậy hệ thống (nhiều ALU và nhiều CPU)

2.1.1 Chức năng

lại của máy tính, việc điều khiển này được thực hiện bởi đơn vị điều khiển CU

• Lấy chỉ lệnh, dữ liệu từ bộ nhớ và ghi dữ liệu vào bộ nhớ

• Điều khiển ALU th ực hiện các tính toán

• Điều khiển vào ra

toán số học, các phép logic, việc tính toán được thực hiện bởi đơn vị số học ALU

2.1.2 Thành phần cơ bản

 Đơn vị điều khiển (Control Unit - CU): điều khiển

hoạt động của máy tính theo chương trình đã định sẵn.

 Đơn vị số học và logic (Arithmetic and Logic Unit

-ALU): thực hiện các phép toán số học và phép toán logic.

 Tập thanh ghi (Register File - RF): lưu giữ các

thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động của CPU.

 Đơn vị nối ghép bus (Bus Interface Unit - BIU) kết

nối và trao đổi thông tin giữa bus bên trong(internal

bus) và bus bên ngoài (external bus).

Cấu trúc bus cơ bản

 Bus: tập hợp các đường kết nối dùng để vậnchuyển thông tin giữa các mô-đun của máy

tính với nhau

 Các bus chức năng:

• Bus địa chỉ

• Bus dữ liệu

• Bus điều khiển

 Độ rộng bus: là số đường dây của bus có thểtruyền các bit thông tin đồng thời (chỉ dùng chobus địa chỉ và bus dữ liệu)

Bus địa chỉ

 Chức năng: vận chuyển địa chỉ để xác định

ngăn nhớ hay cổng vào-ra

 Độ rộng bus địa chỉ: cho biết số lượng

ngăn nhớ tối đa được đánh địa chỉ.

• N bit: AN-1, AN-2, A2, A1, A0 có thể đánh địa chỉ tối

đa cho 2 N ngăn nhớ (không gian địa chỉ bộ nhớ)

có thể được trao đổi đồng thời.

• M bit: DM-1, DM-2, D2, D1, D0

• M thường là 8, 16, 32, 64,128 bit.

bit

Bus điều khiển

điều khiển

• Các tín hiệu điều khiển đọc/ghi

• Các tín hiệu điều khiển ngắt

• Các tín hiệu điều khiển bus

 Các thành phần khác

• Đơn vị xử lý dấu chám động (FPU)

• Bộ nhớ đệm tốc độ cao (Cache)

• v v

Chip vi xử lý Intel 80486DX2

Kích thước 12×6.75 mm

Chíp vi xử lý Intel Pentium 4

Chip vi xử lý của máy tính PC

Đế cắm chíp vi xử

lý trong bo mạch chủ của PC, chíp vxl được đi kèm với quạt làm mát

Đế cắm (Socket) và khe cắm (Slot)

 Chíp vi xử lý của máy tính PC được gắn vào

bo mạch chủ tại đế cắm hoặc khe cắm trên bomạch chủ

• Socket 1, 2, 3, 6: các bộ VXL Intel 486

• Socket 4, 5, 7, 8: Pentium và Pentium Pro

• Socket PGA-370: Celeron, PII và PIII

• Slot 1: Celeron, PII và PIII

• Slot 2: PII và PIII Xeon

• Socket 478: Pentium 4

• …

• Kiểm tra xem một số có bằng 0 ?

• Vận chuyển một nhóm dữ liệu từ vùng này của bộ

nhớ sang vùng khác.

• …

 Chỉ lệnh được biểu diễn theo hệ nhị phân

và được gọi là chỉ lệnh ngôn ngữ máy/lệnh

mã máy (machine language instructions).

Chỉ lệnh /Lệnh mã máy(t)

• Mỗi lệnh mã máy thông thường chứa: mã

lệnh/tác vụ, địa chỉ toán hạng nguồn, địa chỉtoán hạng kết quả, lệnh kế tiếp (thông thườngthì thông tin này ẩn)

• Ví dụ về một lệnh mã máy cộng 32 bit một giá trị tức thời vào thanh ghi và lưu vào một thanh ghi khác

trong kiến trúc MIPS (Microprocessor without

Interlocked Pipeline Stages

Chỉ lệnh (t)

 Chương trình được viết bằng ngôn ngữ cấp cao sẽ được chuyển đổi sang ngôn ngữ máy (Mỗi lệnh của ngôn ngữ cấp cao được xây dựng bằng một lệnh mã máy hoặc một chuỗi nhiều lệnh mã máy), các chỉ lệnh này được

giải mã và được thực thi.

 Các chỉ lệnh thuộc vào một tập lệnh được cài đặt sẵn trong CPU Các chỉ lệnh trong tập lệnh khác nhau về số lượng và định dạng và phụ thuộc vào từng máy tính

a Thanh ghi

 Là bộ nhớ đặc biệt có tốc độ cao dung lượngnhỏ được cấu tạo từ những vi mạch điện tửnằm ngay trong bộ xử lý nhằm lưu trữ những

dữ liệu đang được thao tác bởi CPU

 Kích thước của thanh ghi, đo bằng bits, là bội

số của 8 (8, 16, 32, 64 ) chỉ dung lượng mà

thanh ghi đó có thể lưu trữ đồng thời cũng là lượng dữ liệu mà bộ xử lý có thể tính toán tại một thời điểm Trong một số trường hợp người

ta sử dụng kích thước thanh ghi để đo “kích

cỡ” của bộ xử lý Ví dụ bộ vi xử lý 32 bits.

a.Thanh ghi (t)

 IR: Thanh ghi ch ỉ lệnh (IR_Instruction Register) chứa

nội dung chỉ lệnh

 PC: Thanh ghi đếm chương trình/Con đếm chương trình

(PC_Program Counter) : Tự động tăng để trỏ tới lệnh kế

tiếp trong chương trình.

 Thanh ghi lưu trữ dữ liệu

 Thanh ghi lưu trữ địa chỉ

 …

 Ý nghĩa của thanh ghi được gắn liền với các thiết kế của

bộ vi xử lý cụ thể, nên không thể có một chuẩn chung về thanh ghi cho các thế hệ bộ xử lý khác nhau.

b Đơn vị điều khiển (CU)

 Điều khiển mọi hoạt động của máy tính:

• Nhận chỉ lệnh được lưu trong bộ nhớ

• Giải mã chỉ lệnh nhờ bộ giải mã chỉ lệnh (Instruction decoder)

• Thực hiện : Đảm bảo thi hành các chỉ lệnh một cách tuần tự và tác

động các mạch chức năng để thi hành các lệnh

 Modul cần thiết:

• Thanh ghi: IR, PC

• Giải mã chỉ lệnh: Giải mã ý nghĩa của chỉ lệnh

• Tuần tự (sequencer/microsequencer): Trong các máy sử dụng chỉ lệnh phức hợp (CISC), một chỉ lệnh có thể được thực hiện thông qua việc thực hiện một chuỗi các vi chỉ lệnh

(microcode/microinstruction) Các vi chỉ lệnh này được lưu trữ trong một vùng nhớ đặc biệt của CU gọi là control

cách tuần tự

c Đơn vị số học và logic (ALU)

 Thực hiện thao tác đơn giản

• Số học( v ới số nguyên *) giữa hai số : +,-,*,

• Logic thực hiện trên các bits: OR, AND, NOT, dịch bit

• So sánh

• Rẽ nhánh: thay đổi thứ tự thực thi các chỉ lệnh tuần tự dựa trên điều kiện.

c Đơn vị số học và logic (ALU)(t)

• Thiết kế ALU đơn giản đồng thời thiết kế một bộ xử lý kèm theo có thể xử lý theo hai cách tiếp cận 1 và 2 Bộ xử lý đó gọi là đồng xử

Đường dữ liệu

 Dữ liệu chuyển từ bộ nhớ tới các

thanh ghi trong processor ALU lấy dữ

liệu từ các thanh ghi, xử lý và lưu kết

quả vào một thanh ghi đầu ra Kết quả

này có thể được đưa ra ngoài bộ nhớ

hoặc được sử dụng làm dữ liệu vào

 Trong rất nhiều thiết kế ALU nhận từ

đầu vào hoặc tạo ra ở đầu ra một tập

các mã điều kiện (condition

code),được lưu trong thanh ghi trạng

thái (status registry) Các mã này

được sử dụng để xác định các tình

huống như: nhớ (carry-in, carry-out),

tràn bộ đệm (overflow), chia cho 0

(divide by zero) v v.

Đường dữ liệu (Data Path): Tập hợp các đơn vị chức nămg (ALU + thanh ghi + bus nối kết) thực hiện các thao tác xử lý dữ liệu

2.1.3 Cơ chế hoạt động

 Việc thi hành một lệnh mã máy có thể chia thành các bước:

• Đọc chỉ lệnh (IF: Instruction Fetch)

• Giải mã chỉ lệnh (ID: Instruction Decode)

• Thi hành chỉ lệnh (EX: Execute)

• Lưu trữ kết quả (RS: Result Storing)

 Mỗi bước được thi hành trong một hoặc nhiều chu

kỳ xung nhịp

 Bộ xử lý thực thi chương trình bằng cách lặp đi lặp lại những bước này cho tới chỉ lệnh cuối cùng.

2.1.3 Cơ chế hoạt động (t)

trong dựa vào thanh ghi PC và được đưa vào thanh ghi chỉ lệnh IR

giải mã nhờ bộ giải mã Bộ giải mã sẽ giải

mã dạng công việc và gửi các tín hiệu ra lệnh thực hiện các thao tác tới từng đơn vị

2.1.3 Cơ chế hoạt động (t)

 Thi hành chỉ lệnh: Dựa trên kiểu của chỉ lệnh được

giải mã, một trong các tác vụ sau có thể được thực hiện:

• Liên hệ tới bộ nhớ (ghi dữ liệu ra bộ nhớ trong hoặc lấy dữ liệu

từ bộ nhớ vào thanh ghi)

• ALU thực hiện một phép tính

• ALU thực hiện một phép nhảy (tính toán đưa ra địa chỉ tới lệnh

kế tiếp)

 Lưu kết quả: Lưu trữ kết quả trong thanh ghi cùa

ALU, kết quả này có thể được chuyển tới bộ nhớ

trong.

Tổ chức của máy tính đơn giản sử

dụng một bộ xử lý dựa trên mô hình

cổ điển của Von Neumann

Đặc điểm hoạt động:

 Một chương trình sẽ được sao

chép từ đĩa cứng vào bộ nhớ

trong cùng với các thông tin

cần thiết cho chương trình

hoạt động, các thông tin này

được nạp vào bộ nhớ trong từ

kết quả trở lại bộ nhớ trong

hay cho xuất kết quả ra bộ

phận xuất thông tin (màn hình

hay máy in)

Cơ chế điều khiển tuần tự theo mô hình VonNeumann

1 Đọc chỉ lệnh

1

2 Giải mã chỉ lệnh

a Phần lệnh

2

2 Giải mã lệnh (t)

Phần địa chỉ

2

3 Thực thi chỉ lệnh

Lấy dữ liệu

3

4 Lưu kết quả

4

2.1.4 Một số chỉ tiêu đánh giá hiệu năng

 Hiệu năng của bộ xử lý được đo bằng số lượng các chỉ lệnh có thể được thực thi

trong một đơn vị thời gian thể hiện qua các chỉ số sau:

• Triệu lệnh trên giây (Millons Intructions Per

Second _MIPS)

• Tần số xung nhịp đồng hồ (Clock)

• Số chu kỳ xung nhịp đồng hồ cho một lệnh

(CPI) hoặc IPC

 Ví dụ: Khi có lệnh thực hiện một công việc nào

đó Sau 2 xung nhịp thì ổ cứng sẽ copy dữ liệuvào trong RAM Sau 5 xung nhịp thì RAM bắtđầu copy dữ liệu vào bộ nhớ đệm Sau 7 xungnhịp thì CPU bắt đầu tìm dữ liệu trong bộ nhớđệm và xử lý

 Ví dụ: Máy tính dùng bộ xử lý 2GHz

• Ta có f0 = 2GHz = 2x109Hz

 T0 = 1/f0 = 1/(2x109) = 0,5 ns

 Tốc độ xử lý của CPU được tính bằng MHz hoặc GHz

• 1MHz = 1.000.000 Hz

• 1GHz = 1.000.000.000 Hz

Một số yếu tố khác ảnh hưởng tới

hiệu năng

 Độ rộng bus (địa chỉ/dữ liệu)

 Tốc độ bus (tốc độ dữ liệu vào/ra chân CPU) FSB (Front Side Bus)

 Dung lượng bộ nhớ đệm Cache

• Cache nằm bên trong của CPU, có tốc độ truy cập dữ liệu theo kịp tốc độ xủa lý của CPUCPU trong lúc

xử lý không phải chờ dữ liệu từ bộ nhớ chính.

• Dung lượng cache lớn, khả năng đệm dữ liệu lớn  tăng tốc độ xử lý CPU

2.1.5.Tăng hiệu năng bộ xử lý

a.Kỹ thuật song song: các giai đoạn khác

nhau của nhiều lệnh được thi hành cùng một lúc

• Siêu đường ống

• Siêu vô hướng

• Tăng độ dài từ lệnh (VLIW)

b.CISC và RISC

Kỹ thuật đường ống

 Mỗi chỉ lệnh thành nhiều bước

 CPU được thiết kế bao gồm một số đơn vị chức năng, mỗi đơn vị chức năng sẽ thực hiện một bước.

 Kỹ thuật này khiến các lệnh được thực hiện song song, đồng thời và làm tăng tốc độ xử lý

Kỹ thuật siêu đường ống

 Là một cải tiến của kiến trúc đường ống, chỉlệnh tiếp theo được bắt đầu trước khi kết thúcmột bước của chỉ lệnh hiện tại

Kỹ thuật siêu vô hướng

Tăng độ dài từ lệnh

 Chiều dài củamột chỉ lệnh sẽdài ra bởi rấtnhiều tác vụđược địnhnghĩa trong đó

b RISC và CISC

 Các chỉ lệnh ở dạng phức hợp

 Các chỉ lệnh được phân tích nhỏ thành vi chỉ lệnh để thực thi nhờ vi chương trình

 Độ dài cũng như kích thước các chỉ lệnh thay đổi

2.1.6.Tăng hiệu năng và độ tin cậy hệ thống

 Nhiều ALU

 Nhiều CPU: Nhiều bộ xử lý song song

và mỗi bộ xử lý có một nhiệm vụ (chức năng) định sẵn Khi có một sai sót xảy

ra, bộ xử lý sẽ thực hiện việc chuyển đổi

và những bộ xử lý còn lại sẽ chia nhau công việc đang được thực hiện dở

b Máy tính SIMD (Vectơ)

b Máy tính SIMD (Vectơ)

 Không phải chỉ có một biến đơn cho mỗi lối vào ALU mà có một vector n lối vào.

 ALU thực sự là một ALU vector, nó có khả năng thực hiện một phép toán như

là phép cộng vector đối với 2 vector lối vào và đưa ra vector kết quả.

 Ứng dụng giải các bài toán dự báo thời tiết.

c Máy tính SIMD (Mảng)

d Máy tính MIMD

 Máy tính có nhiều CPU, mỗi CPU thực hiện một chương trình khác nhau, các CPU có thể cùng chia sẻ một vùng nhớ chung (shared memory).

 Mỗi bộ xử lý có thể được trang bị một bộ nhớ

cục bộ riêng, các bộ xử lý khác không truy cập được, Bộ nhớ cục bộ được sử dụng để chứa

các đoạn mã chương trình hoặc các phần tử dữ liệu không được sử dụng chung Các bộ xử lý

khi truy cập bộ nhớ cục bộ riêng của mình không

sử dụng bus chính dùng chung, nhờ vậy làm

giảm rất nhiều việc truyền thông trên bus chính.

• Intel: Pentium, Celeron

• AMD: Athlon, Duron

 Tốc độ CPU từ 150 MHz đến 233 MHz

 Tốc độ CPU từ 233 MHz đến 450 MHz

 Tốc độ Bus ( FSB ) là 66

và 100 MHz

 Bộ nhớ Cache 128K 256K

- Năm sản xuất : 1997

-1998

 Mainboard hỗ trợ : sử dụng Mainboard có khe cắm Slot

 Tốc độ CPU từ 500 MHz đến 1.300 MHz

 Tốc độ Bus ( FSB ) 100 MHz và 133 MHz

 Bộ nhớ Cache từ 512K

256K- Năm sản xuất : 1999

-2000

 Đế cắm trên Mainboard

là Socket 370

 Tốc độ xử lý từ 1.400 MHz đến 3.800 MHz , 2006

 Tốc độ Bus ( FSB ) 266,

333, 400, 533, 666, 800 MHz

 Bộ nhớ Cache từ 256 đến 512K

 Năm sản xuất từ 2002 đến nay ( 2006) vẫn tiếp tục sản xuất

 Sử dụng Mainboard có đế cắm CPU là Socket 478

 Pentum Dual-Core

E8600

Tốc độ xử lý: 3.33 GHz L2 CACHE : 6 MB

FRONT SIDE BUS :

1333 MHz

Kiến trúc: 45nm

CPUZ v.1.46

 CPI (Cycles Per Instruction): Chu kỳ cho một lệnh

 CPU (Central Processing Unit): Đơn vị xử lý trung tâm

 FPU (Floating Point Unit): Đơn vị xử lý dấu chấm động

 Instruction Set: Tập lệnh

 IR (Instruction Register): Thanh ghi chỉ lệnh

 Machine Language Instruction: Chỉ lệnh ngôn ngữ máy

 Microcode/ Microinstruction: Vi chỉ lệnh

 Microprogram: Vi chương trình

Chỉ mục

 MIMD (Multiple Intruction stream Multiple Data stream):

Máy tính nhiều dòng chảy lệnh nhiều dòng chảy dữ liệu

 MIPS (Million Instruction Per Second): Triệu lệnh trên

 SIMD ( Single Intruction stream Multiple Data stream):

Máy tính một dòng chảy lệnh và nhiều dòng chảy dữ liệu

 SISD (Single Intruction stream Single Data stream): Máy

tính một dòng chảy lệnh và một dòng chảy dữ liệu

Chỉ mục

ống

lệnh dài

cao thành chương trình mã máy của

máy tính đang sử dụng

 Ví dụ C, PASCAL …