Cấu trúc máy tính: Bộ vi xử lý

Chương 3

Bộ vi xử lý


Tổng quan
Thường còn gọi là bộ xử lý (processor), vi xử lý (microprocessor).
CPU có nhiệm vụ thi hành lệnh của chương trình và xử lý các
dữ liệu trong chương trình.
Đơn vị điều khiển chi phối toàn bộ hoạt động của máy tính
bằng cách lấy lệnh từ bộ nhớ, giải mã lệnh và thực hiện lệnh
đó.

Chương 3

Tổ chức và cấu trúc máy tính

Tờ 2


Tổng quan
Bộ xử lý hay còn gọi là CPU là nguồn phát sinh mọi hoạt
động của máy tính.
Bộ xử lý điều khiển hoạt động của máy tính thơng qua việc
lấy và thi hành lệnh nằm trong bộ nhớ.
Bật máy

Máy tính
Lấy lệnh

Thi hành lệnh

Tắt máy

(Ngơn ngữ máy)

lệnh đầu
mục đích ?

lệnh giữa
lệnh giữa

làm gì nữa ?
tại sao lệnh này ?

lệnh giữa
xong ?

Chương 3

lệnh cuối

Diễn tả làm thế
nào giải quyết

Tổ chức và cấu trúc máy tính

Chương trình

Tờ 3

CPU
(Tín hiệu điều khiển xuất)

CPU có gì
bên trong ?

CPU

điều khiển

Khối

(Tín hiệu điều khiển nhập)

(Xung clock)

định thì

(Lấy và thi hành lệnh)
(Thanh ghi lệnh IR)

(Bộ thanh ghi)
PC
IDX
Flags
Chương 3

ACC
SP

Đa dụng

ALU

Tổ chức và cấu trúc máy tính

Cộng
Trừ
Nhân
Chia

And
Or
Xor
Not

Dịch

Quay
Tờ 4


Bộ thanh ghi
Là bộ nhớ bên trong CPU.
Làm việc với tốc độ truy xuất tương đương tốc độ CPU.
Có số lượng hạn chế do đắt tiền.
Có tên riêng tùy theo chức năng :
PC
: program counter.
IR

: Instruction register.
ACC : Accumulator.
SP
: stack pointer.
MAR : memory address register.
MBR : memory buffer register.
Các thanh ghi tổng quát.
Thanh ghi cờ trạng thái (Flags).

Chương 3

Tổ chức và cấu trúc máy tính

Tờ 5


Thanh ghi cờ trạng thái






 OF DF IF TF SF ZF  AF  PF  CF

Cờ nhớ (Carry flag) báo tràn dung lượng
Cờ không (Zero flag) báo kết quả không
Cờ dấu (Sign flag) báo kết quả âm
Cờ tràn (Overflow flag) báo tràn về dấu
Cờ kiểm tra (Parity flag) báo số bit một chẳn

Cờ trung gian (Auxiliary flag) báo tràn số BCD
(cờ nhớ nửa Half-carry cũng chính là nó)

Chương 3

Tổ chức và cấu trúc máy tính

Tờ 6


Bo mạch chủ
CPU
Intel 955X Express Chipset for
DDR2 667 SDRAM Memory and
Intel Pentium 4 Processor (1066 MHz FSB)

PCI Slot

DDR2
SDRAM
Mouse
FireWire

Parallel

LAN
Audio

PCI Express
USB

Keyboard
Chương 3

Serial

USB
Tổ chức và cấu trúc máy tính

Tờ 7


ALU

Số
học

Cộng

1

ACC  ACC / toán hạng
R2  ACC mod toán hạng

Cộng có nhớ
2 ACC  ACC - tốn hạng - CF

Tăng

ACC - toán hạng

3

Trừ

4 ACC  ACC + toán hạng + CF

Trừ có mượn
Giảm

5

So sánh

Tốn hạng  Tốn hạng + 1

R2,ACC  ACC * tốn hạng

6

Nhân
8

(khơng ảnh hưởng CF)
Chương 3

ACC  ACC - toán hạng

7

Chia

ACC  ACC + toán hạng

9 Toán hạng  Toán hạng - 1

Tổ chức và cấu trúc máy tính

Tờ 8


ALU (tt.)
A

Trái
Số học

Dịch

CF

Phải
Luận lý

Không qua CF

Quay

Trái

Qua CF

0
CF

B

Phải

C

CF
Not

Luận
lý

And
Or

G
F

CF
0
CF

CF

D

CF

E

Xor
Chương 3

Tổ chức và cấu trúc máy tính

Tờ 9


Phép nhân = phép cộng và phép dịch
Giải thuật

1. Khởi động : D = thừa số 1, M =

1001
×
101
1001
+ 0000
1001
101101

Chương 3

2.
3.
4.

5.

thừa số 2, A = 0.
Dịch M sang phải 1 bit, xem = 0
hay = 1.
Nếu = 1 : cộng D vào A ( A = A
+D)
nếu = 0 : giữ nguyên A
Dịch D sang trái 1 bit (chuẩn bị
cộng cho hàng số cao hơn).
Lặp lại từ bước 2 đến bước 4
cho đến khi nào M hết số thì
dừng. Lúc đó A = kết quả.

Tổ chức và cấu trúc máy tính

Tờ 10


Ví dụ
1001  0101 = 0010 1101

Bước

D

Bắt đầu

0000 1001

0101

1

0000 1001

0010

1

0000 1001

2

0001 0010

0001

0

0000 1001

3

0010 0100

0000

1

0010 1101

4

0100 1000

0000

0

0010 1101

Chương 3

M

Tổ chức và cấu trúc máy tính

A
0000 0000

Tờ 11


Tập lệnh
Dạng lệnh tổng quát
quá
dài

Opcode

địa chỉ
địa chỉ
toán hạng 1 toán hạng 2

địa chỉ
kết quả

địa chỉ
lệnh kế

thanh ghi PC

giải mã lệnh
địa chỉ hiểu ngầm

dùng toán hạng 1
chứa kết quả

Các phương pháp định địa chỉ toán hạng
Chương 3

Tổ chức và cấu trúc máy tính

Tờ 12


Phương pháp định địa chỉ tốn hạng
Xác định vị trí dữ liệu mà lệnh tác động.
Dựa vào một trong các đặc tính sau :

Làm ngắn câu lệnh.
Đơn giản hóa câu lệnh.
Truy xuất tốn hạng nhanh.
Làm câu lệnh có tính linh động (tạo vịng lặp).
Có 8 phương pháp định địa chỉ toán hạng : trực tiếp, gián
tiếp,

Chương 3

Tổ chức và cấu trúc máy tính

Tờ 13


Trực tiếp
bộ nhớ
lệnh :
nạp

7000

ACC,(7000)

13

7000
giải thích : ACC  (7000)

dấu ( ) cho biết dùng
phương pháp trực tiếp

13
ACC
E4

Địa chỉ trong lệnh là địa chỉ ơ nhớ chứa tốn hạng
Chương 3

Tổ chức và cấu trúc máy tính

Tờ 14


Gián tiếp
bộ nhớ
lệnh :
cộng

7000

R1,@ 7000

06
70

7000
giải thích : R1  R1 + ((7000))

2 dấu ( ) là truy xuất
bộ nhớ 2 lần

7006
13
E4

R1

13

+
+
+

E4
F7

Địa chỉ trong lệnh là địa chỉ ô nhớ chứa địa chỉ toán hạng
Chương 3

Tổ chức và cấu trúc máy tính

Tờ 15


Tức thời
bộ nhớ
lệnh :
nạp

7000

R1,# 23
23

giải thích : R1  23

23
R1
E4

Tốn hạng nằm trong lệnh
Chương 3

Tổ chức và cấu trúc máy tính

Tờ 16


Chỉ số
bộ nhớ
lệnh :
nạp

7000

ACC,X 06
06

giải thích : ACC  (IX + 10)
7000

IX
7000

06
+
+
+

7006
7006

13

13

ACC
E4

Địa chỉ toán hạng là tổng của nội dung thanh ghi chỉ số với độ dời trong lệnh
Chương 3

Tổ chức và cấu trúc máy tính

Tờ 17


Tương đối
lệnh :
nạp

bộ nhớ

ACC,$+ 04

7000 nạp

ACC,$+ 06

04
giải thích : ACC  (PC + 04)
PC và phép + là dấu
hiệu của tương đối
PC

7002

7002

04

+
+
+

7006
7006

13

13

ACC
E4

Địa chỉ toán hạng là tổng của nội dung thanh ghi PC với độ dời trong lệnh
Chương 3

Tổ chức và cấu trúc máy tính

Tờ 18


Thanh ghi
bộ nhớ
lệnh :
nạp

7000

ACC,R1

giải thích : ACC  R1

ACC
1C

R1
E4

E4

Tốn hạng nằm trong thanh ghi
Chương 3

Tổ chức và cấu trúc máy tính

Tờ 19


Gián tiếp qua thanh ghi
bộ nhớ
lệnh :
nạp

7000

ACC,@ R1

giải thích : ACC  (R1)
R1
7006

7006

13

13

ACC

E4

Thanh ghi giữ địa chỉ ô nhớ chứa tốn hạng
Chương 3

Tổ chức và cấu trúc máy tính

Tờ 20