Bài giảng Kiến trúc máy tính (Computer Architecture) - Chương 4: Bộ xử lý trung tâm CPU

Bài giảng Kiến trúc máy tính (Computer Architecture) - Chương 4: Bộ xử lý trung tâm CPU cung cấp cho học viên những kiến thức về cấu trúc cơ bản của CPU, kiến trúc tập lệnh, hoạt động của CPU, đơn vị số học và logic (ALU),... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!

Chương 4

Bộ xử lý trung tâm

CPU

Mục tiêu

 Nhận biết các thành phần cơ bản của đơn vị

xử lý trung tâm (CPU) và chức năng của

chúng.

 Hiểu được vai trò mỗi thành của CPU trong

mối quan hệ với việc xử lý thông tin.

4.1 Cấu trúc cơ bản của CPU

-1 Đơn vị số học và logic (ALU)

 Chức năng: Thực hiện các phép toán số học

Mô hình kết nối ALU

Các khối bên trong ALU

Bộ cộng sử dụng trong máy tính điện tử

Bộ cộng hai số nhị phân n bit:

Bộ cộng sử dụng trong máy tính điện tử

Bộ bán tổng Bộ cộng đầy đủ 1 bit

a0

b0

S0

c1Half-Adder

2 Thanh ghi

 Thanh ghi là bộ nhớ bên trong CPU

 Vùng nhớ được CPU nhận biết qua tên thanh ghi

 Ví dụ: Bảng mã thanh ghi của VXL 8086

2 Thanh ghi

 Chức năng và đặc điểm

 Chứa các thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt

động ở thời điểm hiện tại của CPU

 Được coi là mức đầu tiên của hệ thống nhớ, có tốc

độ truy xuất cực nhanh

Thanh ghi 8 bit song song

Thanh ghi dịch

Phân loại thanh ghi theo chức năng

 Thanh ghi địa chỉ: quản lý địa chỉ của ngăn nhớ

hay cổng vào/ra

 Thanh ghi lệnh: chứa lệnh đang được thực hiện

 Thanh ghi dữ liệu: chứa tạm thời các dữ liệu

 Thanh ghi trạng thái: chứa các thông tin điều

khiển của CPU và trạng thái kết quả phép toán

 Thanh ghi đa năng: có thể chứa địa chỉ hoặc dữ

liệu

Các thanh ghi điển hình trong CPU

Các thanh ghi địa chỉ

 Thanh ghi cơ sở (thanh ghi

Thanh ghi cơ sở:Thanh ghi chỉ sổ >

Lưu địa chỉ logic

 MAR (Memory Address

Register): Thanh ghi đệm địa

chỉ

Bộ đếm chương trình PC

 Còn được gọi là con trỏ lệnh

IP (Instruction Pointer)

 Lưu địa chỉ của lệnh tiếp

theo sẽ được nhận vào

 Đáy ngăn xếp là một ngăn nhớ xác định

 Đỉnh ngăn xếp là thông tin nằm ở vị trí

trên cùng trong ngăn xếp

 Đỉnh ngăn xếp có thể bị thay đổi

Minh họa con trỏ ngăn xếp

Đỉnh Stack

SP

Cơ chế hoạt động của SP

 SP chứa địa chỉ của ngăn nhớ đỉnh ngăn xếp

 Khi cất một thông tin vào ngăn xếp:

 Nội dung của SP tự động giảm

 Thông tin được cất vào ngăn nhớ được trỏ bởi SP

 Khi lấy một thông tin ra khỏi ngăn xếp:

 Thông tin được đọc từ ngăn nhớ được trỏ bởi SP

 Nội dung của SP tự động tăng

 Khi ngăn xếp rỗng, SP trỏ vào đáy

Các thanh ghi dữ liệu

 Chứa các dữ liệu tạm thời hoặc các kết quả

trung gian

 Cần có nhiều thanh ghi dữ liệu

 Các thanh ghi số nguyên: 8, 16, 32, 64 bit

 Các thanh ghi số dấu phẩy động (ví dụ theo tiêu chuẩn IEEE 754 là 32 bit, 64 bit, …)

Thanh ghi tích lũy A

 Accumulator

 Cất giữ toán hạng hoặc các kết quả

phép tính của ALU

Thanh ghi trạng thái

 Còn gọi là thanh ghi cờ (Flag Register)

 Chứa các thông tin trạng thái của CPU

 Các cờ phép toán: báo hiệu trạng thái của kết quả phép toán

 Các cờ điều khiển: biểu thị trạng thái điều khiển của CU

 Cờ Carry (cờ nhớ): được thiết lập lên 1 nếu phép

toán có nhớ ra ngoài bit cao nhất  cờ báo tràn với

số không dấu

 Cờ Overflow (cờ tràn): được thiết lập lên 1 nếu

cộng hai số nguyên cùng dấu mà kết quả có dấu

ngược lại  cờ báo tràn với số có dấu

Ví dụ cờ điều khiển

 Cờ Interrupt (Cờ cho phép ngắt):

 Nếu IF = 1  CPU ở trạng thái cho phép ngắt với tín hiệu yêu cầu ngắt từ bên ngoài gửi tới

 Nếu IF = 0  CPU ở trạng thái cấm ngắt với tín hiệu yêu cầu ngắt từ bên ngoài gửi

Bộ thanh ghi của 8086/8088 CPU

Vị trí của thanh ghi trong

8086/8088

Nhóm thanh ghi dữ liệu

(đa năng – general registers)

 Thanh ghi dùng để lưu trữ dữ liệu tạm thời,

ghi tham số cho mã lệnh, đây cũng là nơi

lệnh trả kết quả về sau khi thực hiện

 Có 4 thanh ghi 16 bit:

 AX (Accumulator Register): thanh chứa

 BX (Base Register): thanh ghi cơ sở

 CX (Count Register): thanh ghi đếm

 DX (Data Register): thanh ghi dữ liệu

 Khi cần chứa các dữ liệu 8 bit thì các thanh

ghi này có thể tách thành 2 thanh ghi 8 bit

cao và 8 bit thấp làm việc độc lập

Biểu diễn các thanh ghi dữ liệu

Nhóm thanh ghi đoạn

(segment) khác nhau dành riêng để:

 Đoạn chứa mã chương trình

 Đoạn chứa dữ liệu và kết quả trung gian của chương

trình

 Đoạn đặc biệt (gọi là ngăn xếp) dùng vào việc quản

lý các thông số của bộ vi xử lý khi gọi chương trình

con hoặc trở về từ chương trình con

bởi:

 Địa chỉ đầu của đoạn được lưu trong thanh ghi đoạn

 Địa chỉ lệch từ ngăn nhớ cần truy cập tới ngăn nhớ đầu

đoạn được lưu trong thanh ghi lệch

Nhóm thanh ghi đoạn

 Vi xử lý 8086 có 4 thanh ghi đoạn 16 bit:

 CS (code segment): Thanh ghi đoạn mã

 DS (data segment): Thanh ghi đoạn dữ liệu

 SS (stack segment): Thanh ghi đoạn ngăn

xếp

 ES (extra segment): Thanh ghi đoạn dữ liệu

Thanh ghi đoạn mã CS (code

segment)

 Là thanh ghi đoạn mã 16 bit

 Thanh ghi này phối hợp với thanh ghi

con trỏ lệnh IP để ghi địa chỉ của lệnh

sắp thực hiện trong đoạn mã

 Địa chỉ đầy đủ là CS:IP

Thanh ghi đoạn dữ liệu DS (Data segment)

 Là thanh ghi đoạn 16 bit cho một đoạn dữ liệu

 Thanh ghi này phối hợp với hai thanh ghi chỉ

số SI và DI để đánh địa chỉ cho dữ liệu

 Địa chỉ đầy đủ cho dữ liệu cần đọc là DS:SI

Thanh ghi đoạn ngăn xếp SS

 Là thanh ghi đoạn 16 bit cho một ngăn xếp

 Địa chỉ đỉnh của ngăn xếp được biểu diễn cùng với con trỏ ngăn xếp SP là SS:SP

Thanh ghi đoạn dữ liệu phụ ES

 Là thanh ghi dữ liệu phụ có chiều dài 16 bit.

 Thường đuợc dùng để đánh địa chỉ một chuỗi

 ES:SI là địa chỉ chuỗi đọc vào (chuỗi nguồn)

 ES:DI là địa chỉ chuỗi cần viết ra (chuỗi đích)

Nhóm thanh ghi con trỏ và chỉ số

thanh ghi chỉ số 16 bit

 Các thanh ghi con trỏ:

 IP (instruction pointer): con trỏ lệnh

 BP (base pointer): con trỏ cơ sở

 SP (stack pointer): con trỏ ngăn xếp

 Các thanh ghi chỉ số:

 SI (source index): chỉ số nguồn

 DI (destination index): chỉ số đích

lệch cho các đoạn tương ứng

Các thanh ghi con trỏ

 IP (instruction pointer)

này nằm trong bô nhớ mà địa chỉ đoạn được

ghi trong CS

 IP xác định địa chỉ lệch (địa chỉ offset) của

lệnh kế tiếp trong đoạn mã lệnh sẽ được CPU

thi hành

Các thanh ghi con trỏ (tiếp)

 BP (base pointer)

 Là con trỏ cơ sở trỏ về dữ liệu, BP luôn luôn

trỏ vào dữ liệu nằm trong đoạn ngăn xếp SS

 Địa chỉ đầy đủ của một phần tử trong đoạn

ngăn xếp sẽ là SS:BP

 SP (stack pointer)

 Là con trỏ ngăn xếp luôn trỏ vào đỉnh hiện

thời của ngăn xếp nằm trong đoạn ngăn xếp

SS

 Địa chỉ đầy đủ của đỉnh ngăn xếp ứng với SS:

SP

Các thanh ghi chỉ số

 SI (source index)

 Là chỉ số nguồn

 Chỉ vào dữ liệu trong đoạn dữ liệu DS

 Địa chỉ đầy đủ của dữ liệu là DS:SI

 DI (destination index)

 Là chỉ số đích

 Chỉ vào dữ liệu trong đoạn dữ liệu DS

Thanh ghi cờ FR (flag register)

 Là thanh ghi 16 bit khá đặc biệt trong CPU, chứa cácthông tin trạng thái hiện;

 Ghi trạng thái kết quả các phép xử lý trong đơn vị số học

và logic ALU (Ví dụ: trạng thái tràn của phép toán vừa thực hiện)

 Hoặc một trạng thái hoạt động của khối thực hiện lệnh

 Thanh ghi cờ gồm các cờ, mỗi cờ dùng 1 bit

Sơ đồ thanh ghi cờ của bộ

VXL 8086/8088

X: là bit không được định nghĩa

Các cờ cụ thể

 CF (carry flag) cờ nhớ, CF=1 khi có nhớ hoặc mượn

từ MSB

 OF (overflow) cờ tràn, OF =1 khi kết quả vượt ra

ngoài giới hạn, xảy ra đối với phép tính có dấu

 AF (auxliary carry flag) cờ nhớ phụ dùng cho các

phép tính với mã BCD AF = 1 khi có nhớ hoặc mượn

từ một số BCD thấp (4 bit thấp) sang một số BCD cao(4 bit cao)

 SF (sign flag) cờ dấu, SF = 1 khi kết quả âm.

 ZF (zero flag) cờ rỗng, ZF = 1 khi kết quả bằng 0.

Các cờ cụ thể (tiếp)

 PF (parity flag) cờ parity, PF phản ảnh tính chẵn

(parity) của tổng số bit 1 có trong kết quả Cở PF =1khi tổng số bit 1 trong kết quả là chẵn

 TF (trap flag) cờ bẫy, TF = 1 khi vi xử lý ở trong chế

độ chạy từng lệnh (chế độ này dùng khi cần tìm lỗitrong một chương trình)

 IF (interrupt enable flag) cờ cho phép ngắt, IF = 1 cho

 Nhóm thanh ghi dữ liệu: AX, BX, CX, DX

 Nhóm thanh ghi địa chỉ:

 Nhóm thanh ghi đoạn (DS, CS, SS, ES): chứa địa chỉ đoạn

 Nhóm thanh ghi con trỏ (IP, SP, BP) và chỉ số (SI, DI): chứa địa chỉ lệch

Tổng kết các thanh ghi của

VXL 8086/8088

Cặp thanh ghi đoạn và thanh ghi lệch

DS: SI  Địa chỉ của dữ liệu nguồn cần đọc nằm trong đoạn

dữ liệu DS DS:DI  Địa chỉ của dữ liệu đích cần ghi vào nằm trong

đoạn dữ liệu DS CS:IP  Địa chỉ của lệnh sẽ được nằm trong đoạn mã CS SS:SP  Địa chỉ của đỉnh ngăn xếp nằm trong đoạn ngăn

xếp SS SS:BP  Địa chỉ của dữ liệu nằm trong đoạn ngăn xếp SS

3 Đơn vị điều khiển

 Chức năng:

 Tạo tín hiệu điều khiển ra bên ngoài CPU để phục

vụ việc trao đổi dữ liệu với M và I/O

 Tạo tín hiệu bên trong CPU để dịch chuyển dữ liệu giữa các thanh ghi

 Điều khiển ALU thực hiện phép toán yêu cầu

Các tín hiệu điều khiển

Các phương pháp thiết kế đơn vị

Điều khiển bằng kết nối cứng

 Các tín hiệu điều khiển đầu ra khối CU là hàm logic của các tín hiệu vào

 Ứng với mỗi tín hiệu điều khiển cần một

mạch logic

 Số chức năng càng nhiều  CU càng phức

tạp

Đơn vị điều khiển bằng kết nối cứng

IR Giải mã

CU

Mạch phân chia thời gian

.

T 1 .

T n

C 0 C n-1

cờ

Nhận xét

 Điều khiển bằng kết nối cứng:

 Sử dụng mạch cứng để giải mã và tạo các tín hiệu điều khiển thực hiện lệnh

 Đơn vị điều khiển phức tạp

Điều khiển bằng vi chương trình

 Một số khái niệm:

 Vi toán: Một chu trình lệnh bao gồm các chu

trình nhỏ hơn: nhận lệnh, thực hiện lệnh, … mỗi chu trình này bao gồm một loạt các bước nhỏ hơn luôn truy nhập vào các thanh ghi của CPU, các

bước nhỏ này được gọi là phép vi toán

 Vi lệnh: Mỗi vi toán được mã hóa bằng một tập

các ký hiệu được gọi là vi lệnh

 Vi chương trình: Tập hợp một dãy các vi lệnh

tạo thành một vi chương trình

Điều khiển bằng vi chương trình

 Bộ nhớ vi chương trình (ROM) lưu trữ các vi chương trình (microprogram)

 Để hoàn thành một lệnh cần thực hiện một hoặc một vài vi chương trình

 Với mỗi vi lênh, CU sẽ thiết lập 1 tập các tín hiệu điều khiển tương ứng gọi là từ điều

Đơn vị điều khiển bằng vi chương

trình

Thanh ghi lệnh

Bô giải mã

Thanh ghi địa chỉ vi lệnh

Bô nhớ

vi chương trình

Thanh ghi đệm vi lệnh

Bô giải mã vi lệnh

Các tín hiệu điều khiển Các tín hiệu điều khiển

Khối logic điều khiển

Nội dung

 Cấu trúc cơ bản của CPU

 Kiến trúc tập lệnh

 Hoạt động của CPU

4.2 Kiến trúc tập lệnh

 Giới thiệu tập lệnh

 Đặc trưng của lệnh máy

 Tập lệnh

 Các phương pháp định địa chỉ

 RISC và CISC

Giới thiệu về tập lệnh

 Mỗi lệnh là một chuỗi số nhị phân (được gọi là lệnh

máy) mà bộ vi xử lý hiểu được để thực hiện một thao tác xác định

 Bộ xử lý có nhiều chức năng, mỗi chức năng ứng với một lệnh  Tập các lệnh gọi là tập lệnh của bộ xử lý

Giới thiệu về tập lệnh

 Ví dụ:

1 Các đặc trưng của lệnh máy

 Cấu trúc mã lệnh

 Các kiểu lệnh

 Số lượng địa chỉ

 Kiểu dữ liệu

1 Các đặc trưng của lệnh máy (tiếp)

 Cấu trúc mã lệnh:

 Mã thao tác (Operation Code: Opcode): Mã chỉ ra thao

tác mà bộ vi xử lý cần phải thực hiện, phân biệt đó là lệnh

gì

 Địa chỉ toán hạng (Operand Address): Chỉ ra nơi chứa

các toán hạng mà thao tác sẽ tác động

 Toán hạng (operand) cho biết cái gì được xử lý (nội dung

của thanh ghi hay bộ nhớ)

 Toán hạng nguồn: dữ liệu vào của thao tác

 Toán hạng đích: dữ liệu ra của thao tác

1 Các đặc trưng của lệnh máy (tiếp)

 Các kiểu lệnh:

 Xử lý dữ liệu (Data processing): Các lệnh số

học và logic

liệu vào/ra giữa thanh ghi và bộ nhớ

lệnh vào/ra

Ba địa chỉ toán hạng

 2 toán hạng nguồn, 1 toán hạng đích

 c = a + b

 Từ lệnh dài vì phải mã hoá địa chỉ cho cả ba toán hạng

Hai địa chỉ toán hạng

 Một toán hạng vừa là toán hạng nguồn vừa là toán hạng đích; toán hạng còn lại là toán

hạng nguồn

 a = a + b

 Giá trị cũ của 1 toán hạng nguồn bị mất vì

phải chứa kết quả

Một địa chỉ toán hạng

 Một toán hạng được chỉ ra trong lệnh

 Một toán hạng là ngầm định  thường là

thanh ghi tích lũy A (Accumulator)

Không địa chỉ toán hạng

 Các toán hạng đều được ngầm định

 Sử dụng trong điều khiển Stack

 Lệnh không địa chỉ luôn ngầm định trỏ vào đỉnh của Stack

 Ví dụ:

Push a

Đánh giá về số địa chỉ toán hạng

 Nhiều địa chỉ toán hạng:

 Lệnh dài hơn

 Cần nhiều thanh ghi

 Nhận lệnh và thực hiện lệnh chậm hơn

 Chương trình có ít lệnh hơn

 Ít địa chỉ toán hạng:

 Lệnh ngắn hơn

1 Các đặc trưng của lệnh máy (tiếp)

 Dữ liệu ký tự (Characters): mã hóa theo bộ mã ký tự

 Dữ liệu kiểu logic (Logical data)

a Các lệnh chuyển dữ liệu

 MOV Sao chép dữ liệu từ toán hạng nguồn đến đích

 LOAD Nạp dữ liệu từ bộ nhớ đến bộ xử lý

 STORE Cất dữ liệu từ bộ xử lý đến bộ nhớ

 CLEAR Chuyển các bit 0 vào toán hạng đích

 SET Chuyển các bit 1 vào toán hạng đích

 PUSH Cất nội dung của một toán hạng nguồn vào

b Các lệnh số học

 SUBTRACT Trừ hai toán hạng

 MULTIPLY Nhân hai toán hạng

 DIVIDE Chia hai toán hạng

 ABSOLUTE Lấy trị tuyệt đối toán hạng

 NEGATE Đổi dấu toán hạng (lấy bù 2)

 INCREMENT Tăng toán hạng thêm 1

 DECREMENT Giảm toán hạng đi 1

 COMPARE Trừ 2 toán hạng để lập cờ

c Các lệnh logic

 Shift Dịch trái (phải) toán hạng

 Rotate Quay trái (phải) toán hạng

Minh họa lệnh AND, OR và XOR

 Giả sử có hai thanh ghi R1, R2 chứa dữ liệu như sau

Các thao tác Shift và Rotate

f Các lệnh chuyển điều khiển

(rẽ nhánh)

 JUMP (BRANCH) - Lệnh nhảy không điều kiện

 JUMP CONDITIONAL - Lệnh nhảy có điều kiện

 Call- Lệnh gọi chương trình con

 Return – Lệnh trở về từ chương trình con

Lệnh JUMP

 Chuyển tới thực hiện lệnh

ở vị trí có địa chỉ XXX:

PC  XXX

Lệnh JUMP CONDITIONAL

 Trong lệnh có kèm theo điều kiện

 Kiểm tra điều kiện trong lệnh:

 Điều kiện được kiểm tra thông qua các cờ

 Nếu điều kiện đúng  chuyển tới thực hiện

lệnh ở vị trí có địa chỉ XXX

 Nếu điều kiện sai  chuyển sang thực hiện

lệnh kế tiếp

Ví dụ: BRP X  Nhảy tới ô nhớ X nếu kết quả dương

BRN X  Nhảy tới ô nhớ X nếu kết quả âm BRZ X  Nhảy tới ô nhớ X nếu kết quả bằng 0

 Nạp vào PC địa chỉ của lệnh đầu tiên

của chương trình con được gọi

 Bộ xử lý được chuyển sang thực hiện

chương trình con tương ứng

g Các lệnh điều khiển hệ thống

 HALT: Dừng thực hiện chương trình

 WAIT: Tạm dừng thực hiện chương trình, lặp kiểm

tra điều kiện cho đến khi thoả mãn thì tiếp tục thực

hiện

 NO OPERATION: Không thực hiện gì cả

 LOCK: Cấm không cho xin chuyển nhượng bus

 UNLOCK: Cho phép xin chuyển nhượng bus

Bài tập về nhà

 Tìm hiểu tập lệnh của vi xử lý Intel x86

Tài liệu tham khảo:

 Chapter 10, Stallings, William Computer organization and architecture: designing for performance 2010, 8th edition

3 Các phương pháp định địa chỉ

 Phương pháp định địa chỉ: là cách thức

địa chỉ hóa trong trường địa chỉ của lệnh

để xác định nơi chứa toán hạng

 Toán hạng của lệnh có thể nằm ở đâu?

 Một giá trị cụ thể nằm ngay trong lệnh

 Nội dung của thanh ghi  phải cho biết tên

của thanh ghi

Đánh địa chỉ cho bộ nhớ

 Địa chỉ vật lý của ô nhớ:

được đánh địa chỉ theo thứ tự tăng

dần bắt đầu từ 0 tới 2n - 1 (địa chỉ

vật lý)

 Địa chỉ logic của ô nhớ:

(Segment)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

2 n - 1

Đánh địa chỉ cho bộ nhớ (tiếp)

Ô nhớ cơ sở

Ô nhớ cần truy cập

Ô nhớ đầu tiên- địa chỉ đoạn (segment) được cất trong thanh ghi đoạn

Bộ nhớ CPU Intel 8086

 Không gian địa chỉ vật lý (A19-A0): 00000H  FFFFFH (1MB)

 Địa chỉ logic gồm hai thành phần:

Bộ nhớ CPU Intel 8086 (tiếp)

Kết quả 12A62H 12A62H

Nhận xét

 Một địa chỉ vật lý có thể được xác định thông qua nhiều địa chỉ logic khác nhau

 Nhưng với mỗi địa chỉ logic duy nhất chỉ xác định được 1 địa chỉ vật lý