Trình bày về cấu trúc và nguyên lý hoạt động bộ vi xử lý trung tâm (CPU-Central Processing Unit)

lOMoARcPSD|17160101

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BÁO CÁO CHUN ĐỀ HỌC PHẦN

Kiến Trúc Máy Tính
ĐỀ T䄃I:
Trình bày về cấu trúc và nguyên lý hoạt động bộ vi xử lý
trung tâm (CPU-Central Processing Unit).

Sinh viên thực hiện

: NGUYỄN TẤT ĐẠT

Giảng viên hướng dẫn : NGUYỄN THỊ NGỌC TÚ
Ngành

: CÔNG NGHỆ THƠNG TIN

Chun ngành

: CƠNG NGHỆ PHẦN MỀM

Lớp

: D15CNTT3

Khóa

: 2020-2025
Hà Nội, tháng 6 năm 2021


lOMoARcPSD|17160101

PHIẾU CHẤM ĐIỂM
ST
T
1

Họ và tên
sinh viên
Nguyễn Tất
Đạt

Nội dung thực hiện

Điểm

Chữ ký

Đề tài số 5. Trình bày về cấu trúc
và nguyên lý hoạt động bộ vi xử lý
trung tâm (CPU - Central
Processing Unit).

Họ và tên giảng viên
Giảng viên chấm 1:

Giảng viên chấm 2:

Chữ ký

Ghi chú


lOMoARcPSD|17160101

MỤC LỤC
Trang

1 Cấu trúc chung của bộ vi xử lý...........................................................................1
1.1 Tổng quan........................................................................................................1
1.2 Sơ đồ cấu trúc chung của bộ vi xử lý………………………………………..1
1.3 Nguyên lý hoạt động.......................................................................................1
2 Thành phần của CU trong bộ vi xử lý................................................................2
2.2 Khái niệm Đơn vị điều khiển – Control Unit (CU).........................................3
2.2 Phương pháp thiết kế và thành phần của CU..................................................6
3 Thành phần ALU của bộ vi xử lý.......8
3.1 Khái niệm Đơn vị số học và logic – Arithmetic and Logic Unit (ALU) .......4
3.2 Cấu tạo đơn giản của một ALU 1 bit..............................................................4
4 Thanh ghi...........................................................................................................5
4.1 Khái niệm Thanh ghi – Flip-Flop (FF) ..........................................................5
4.2 Chức năng và đặc điểm của thanh ghi............................................................5
4.3 Phân loại thanh ghi...... ..................................................................................5
4.4 Cấu tạo của thanh ghi.....................................................................................5
Phần kết luận........................................................................................................5
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................6
Phụ Lục

lOMoARcPSD|17160101

1, Cấu trúc chung của bộ vi xử lý
1.1, Tổng quan
Vi xử lý là một mạch số có thể thực hiện nhiều chức năng số khác nhau. Nó
sẽ thực hiện một bài tốn, một cơng việc khi được cung cấp mơt chương trình.
Mơt chương trình là một chuỗi các tín hiệu nhị phân nối tiếp nhau, mỗi chuỗi
nhị phân sẽ yêu cầu(cho phép) môt chức năng của vi xử lý hoạt động.
1.2, Sơ đồ cấu trúc chung của bộ vi xử lý

Hình 1, Sơ đồ cấu trúc của bộ vi xử lý (nguồn:123doc)
- Bộ vi xử lý bao gồm:
+ Đơn vị điều khiển (Control Unit – CU).
+ Đơn vị số học và logic (Arithmetic and Logic Unit – Alu).
+ Tập thanh ghi (Register File – RF).
+ Đơn vị ghép nối bus (Bus Interface Unit – BIU).
+ Bus bên trong (Internal Bus).
1.3, Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của CPU gồm 3 bước cơ bản : Tìm nạp, Giải mã, Thực
thi.
- Tìm nạp: Trong quá trình tìm nạp, CPU nhận lệnh dưới dạng những chuỗi
các số được chuyển tới từ RAM. Mỗi lệnh được sắp xếp và cho một địa
1


lOMoARcPSD|17160101

chỉ và địa chỉ đó đc bởi Program Counter - bộ đếm chương trình(PC) và

các lệnh sau đó được đặt vào một Instruction Register - thanh ghi lệnh
(IR). Độ dài của PC sau đó được tăng lên để tham chiếu đến địa chỉ của
lệnh tiếp theo.
- Giải mã: Khi một lệnh được tìm nạp và được lưu trữ trong IR, CPU sẽ
truyền lệnh tới một mạch được gọi là bộ giải mã lệnh. Điều này chuyển
đổi lệnh thành các tín hiệu được chuyển qua các phần khác của CPU để
thực hiện hành động.
- Thực thi: Trong bước cuối cùng, các lệnh được giải mã, gửi đến các bộ
phận liên quan của CPU để được thực hiện. Các kết quả thường được ghi
vào một CPU register, nơi chúng có thể được tham chiếu bằng các lệnh
sau đó.
2, Thành phần của CU của bộ vi xử lý
2.1, Khái niệm Đơn vị điều khiển – Control Unit (CU)
Khối điều khiển – Control Unit (CU) là thành phần của CPU có nhiệm vụ
thơng dịch các lệnh của chương trình và điều khiển hoạt động xử lí, được điều
tiết chính xác bởi xung nhịp đồng hồ hệ thống.
2.2, Phương pháp thiết kế và thành phần của CU
Có 2 phương pháp thiết kế chính cho khối điều khiển (CU)
● Đơn vị điều khiển vi chương trình (Microprogrammed Control Unit)

Hình 2, Sơ đồ cấu trúc của đơn vị điều khiển vi chương trình

2


lOMoARcPSD|17160101

- Thành phần:
+ Bộ giải mã
+ Thanh ghi địa chỉ vi lệnh

+ Mạch dây
+ Bộ nhớ vi chương trình
+ Thanh ghi đệm vi lệnh
+ Bộ giải mã vi lệnh
- Đặc điểm:
+ Đề hoàn thành một lệnh cần thực hiện một hoặc một vài chương trình
+ Tốc độ chậm
● Đơn vị điều khiển nối kết cứng (Hardwired Control Unit)

Hình 3, Sơ đồ cấu trúc của đơn vị điều khiểu nối kết cứng
- Thành phần:
+ Bộ giải mã
+ Đơn vị điều khiển
+ Mạch phân chia thời gian
- Đặc điểm
+ Sử dụng mạch cứng để giải mã và tạo các tính hiệu điều khiển thực
hiện lệnh.
+ Đơn vị điều khiển phức tạp
+ Tốc độ nhanh
3


lOMoARcPSD|17160101

3, Thành phần ALU của bộ vi xử lý
3.1, Khái niệm Đơn vị số học và logic – Arithmetic and Logic Unit (ALU)
Đơn vị số học và logic (ALU) có nhiệm vụ thực hiện các phép toán số học và
phép toán logic trong bộ vi xử lý:
- Số học : cộng, trừ, nhân, chia, tăng, giảm, đảo dấu.
- Logic: AND, OR, XOR, NOT, phép dịch bit.

3.2, Cấu tạo đơn giản của một ALU 1 bit

Hình 4, Sơ đồ cấu tạo của ALU 1 bit
- Bao gồm:
+ Mạch cộng nhị phân
+ Mạch trừ nhị phân
+ Mạch cộng BCD
+ Mạch trừ BCD
+ Mạch nhân
+ Mạch chia

4


lOMoARcPSD|17160101

4, Thanh ghi
4.1, Khái niệm Thanh ghi – Flip-Flop (FF)
Một thanh ghi là một bộ nhớ dung lượng nhỏ và rất nhanh, được sử dụng để
tăng tốc độ xử lý của các chương trình máy tính bằng cách cung cấp các truy cập
trực tiếp đến các giá trị cần dùng.
4.2, Chức năng và đặc điểm của thanh ghi
- Chức năng:
+ 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.
- Đặc điểm:
+Số lượng thanh ghi nhiều dẫn đến tăng hiệu năng của CPU.
+ Có 2 loại thanh ghi: lập trình được và khơng lập trình được
4.3, Phân loại các thanh ghi theo chức năng

-

Thanh ghi địa chỉ: quản lý địa chỉ của ngăn nhớ hay cổng vào-ra.
Thanh ghi dữ liệu: chứa tạm thời các dữ liệu.
Thanh ghi đa năng: có thể chứa địa chỉ hoặc dữ liệu.
Thanh ghi điều khiển/trạng thái: chứa các thông tin điều khiển và trạng
thái của CPU.
- Thanh ghi lệnh: chứa lệnh đang được thức hiện.
4.4, Cấu tạo của thanh ghi
Thanh ghi được xây dựng từ các Flip-Flop (FF) khác nhau và cách mắc cũng
khác nhau.
Ví dụ Thanh ghi ghi dịch thường dùng FF D (phụ lục,“Các loại thanh ghi”),
chúng được tích hợp sẵn trong 1 IC gồm nhiều FF (tạo nên ghi dịch n bit).

Hình 5, Sơ đồ cấu tạo thanh ghi ghi dịch 4 bit cơ bản
- Nguyên lý hoạt động: Thanh ghi, trước hết được xoá (áp xung CLEAR)
để đặt các ngõ ra về 0. Dữ liệu cần dịch chuyển được đưa vào ngõ D của
tầng FF đầu tiên (FF0). Ở mỗi xung kích lên của đồng hồ (CLK), sẽ có 1
bit được dịch chuyển từ trái sang phải, nối tiếp từ tầng này qua tầng khác
và đưa ra ở ngõ Q của tầng sau cùng (FF3).
5


lOMoARcPSD|17160101

Phần kết luận
Qua quá trình viết bài báo cáo chuyên đề, tôi đã củng cố thêm kiến thức về
chủ đề cần báo cáo.

6

lOMoARcPSD|17160101

Tài liệu tham khảo
[1]. Nguyễn Thị Ngọc Tú, Computer Architecture, Giáo trình Kiến Trúc Máy
Tính trường đại học Điện Lực.
[2]. Mark Balch, Computer Digital Design, Book News Inc, Portland - 2003

7


lOMoARcPSD|17160101

Phụ Lục
1, Các loại thanh ghi
1.1, FF SR (Mạch lật đặt lại đặt)

Flip-flop RS hay Flip-flop SR [2] là một đa hài đợi, đơn giản nhất, có
2 ngõ vào R (Reset) và S (Set). R và S ngược nhau và xung đột nhau.
F/f RS được tích hợp làm ngõ khiển trong nhiều f/f còn lại.
1.2, FF JK

Flip-flop JK [4] là f/f đồng bộ. Nó xử lý gần như f/f RS khi coi (J=Set,
K=Reset) và giải thích sự kiện:
- J = 1, K = 0 là lệnh Set
- J = 0, K = 1 là lệnh Reset
- J = 1, K = 1 là lệnh "flip" hay toggle.
1.3, FF T

Flip-flop T [5] hay f/f Toggle, thực hiện Đổi ngược ngõ ra khi có:
- T chuyển sang active
- Khi T là inactive thì khi CLK tác động.


lOMoARcPSD|17160101

1.4, FF D

Flip-flop D-type [3] là f/f đồng bộ, khi CLK tác động thì dữ liệu D
(Data) chuyển tới ngõ ra Q.