Khoa KH & KT Máy tính Boä moân Kyõ thuaät Maùy tính Phaïm Töôøng Haûi ng Nguyeãn doc

Khoa
Khoa
KH & KT
KH & KT
M
M
ỏ
ỏ
y
y
t
t
ớ
ớ
nh
nh
Bo
Bo
ọ
ọ
moõn
moõn
Kyừ
Kyừ
thua
thua
ọ
ọ
t
t
Ma

Ma
ự
ự
y
y
t
t
ớ
ớ
nh
nh
Pha
Pha
ù
ù
m
m
T
T
ử
ử
ụ
ụ
ứ
ứ
ng
ng
Ha
Ha
ỷ

ỷ
i
i
Nguyeón
Nguyeón
Quo
Quo
ỏ
ỏ
c
c
Tua
Tua
ỏ
ỏ
n
n
Kiến trúc Máy tính - Chap 05
2
Tài liệuthamkhảo
) “Computer Organization and Design: the hardware/software
interface”,
John L. Hennessy & David A. Patterson, Second Edition,
MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS, INC. 1998
) “Computer Architecture: a quantitative approach”,
John L. Hennessy & David A. Patterson, Third Edition,
MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS, INC. 2002
Kiến trúc Máy tính - Chap 05
3
Chương 5.

Kiến trúc Máy tính - Chap 05
4
5.1 Dẫnnhập
) Hiệu suất của máy tính được quyết định bởi 3 yếu tố
chính: số câu lệnh, chu kỳ clock và CPI (cycle per
instruction)
) Chương trình dịch và cấu trúc tập lệnh quyết định số câu
lệnh của chương trình
) Chu kỳ clock và CPI được quyết định bởi cách hiện thực
của bộ xử lý, cụ thể là đường đi dữ liệu (datapath) và
điều khiển (control)
) Xây dựng đường đi dữ liệu và điều khiển (mang tính
minh họa) cho 1 bộ phận của tập lệnh MIPS
•Lệnh truy xuất bộ nhớ: lw và sw
•Lệnh số học – luận lý: add , sub , and , or , và slt
•Lệnh nhảy: beq và j
Kiến trúc Máy tính - Chap 05
5
5.1
) Bất kỳ câu lệnh nào cũng phải thực thi 2 bước đầu tiên
như sau
•Gửi nội dung của thanh ghi bộ đếm chương trình (program
counter – PC) đến bộ nhớ lệnh để lấy câu lệnh từ bộ nhớ
• Đọc một vài thanh ghi (toán hạng) có địa chỉ được xác định bởi
các vùng toán hạng của câu lệnh
) Sau 2 bước thực thi trên, các bước thực thi kế tiếp
nhằm hoàn thành câu lệnh phụ thuộc vào từng nhóm
lệnh khác nhau
) Đối với tập con các lệnh MIPS chúng ta chọn để minh
họa, các bước thực thi có khá nhiều điểm giống nhau

(td. sử dụng bộ số học – luận lý ALU)
) Điểm khác biệt chủ yếu nằm ở các bước thực thi cuối
của câu lệnh
Kiến trúc Máy tính - Chap 05
6
5.1
) Các khối mạch được chia làm 2 loại: mạch tổ hợp
(combinational circuit) và mạch trạng thái (state circuit)
hay mạch tuần tự
) Sơ đồ tổng quát hiện thực kiến trúc phần cứng ở MIPS
Kiến trúc Máy tính - Chap 05
7
5.2 Xây dựng đường đi dữ liệu
) Phương thức xây dựng đường đi dữ liệu
•Xác định các phần tử kiến trúc cần thiết cho câu lệnh
•Xây dựng dần dần các phân khúc cho đường đi dữ liệu ứng với
từng công đoạn trong thực thi câu lệnh
•Tiến đến xây dựng hoàn chỉnh đường đi dữ liệu cho câu lệnh
) Bộ nhớ lệnh (instruction memory)
) Bộ cộng) Bộ đếm chương trình (PC)
Kiến trúc Máy tính - Chap 05
8
5.2
) Đường đi dữ liệu cho bước đọc lệnh
) Tiến hành xây dựng
đường đi dữ liệu cho
các lệnh R-type ?
add $t1 , $t2 , $t2
sub $s0 , $t0 , $t1
slt $t0 , $s0 , $s1

Kiến trúc Máy tính - Chap 05
9
5.2
) Tập thanh ghi (register files)
• 2 ngõ đọc dữ liệu
• 1 ngõ ghi dữ liệu
• 3 ngõ nhận địa chỉ thanh ghi
• Tín hiệu điều khiển ghi
) Đơn vị số học – luận lý
(ALU – Arithmetic Logic
Unit)
• 32-bit ALU đã giới thiệu ở
chương 4
• 3-bit các tín hiệu điều khiển
• 2 ngõ vào toán hạng 32-bit
• 1 ngõ ra kết quả và 1 bit zero
Kiến trúc Máy tính - Chap 05
10
5.2
) Đường đi dữ liệu cho lệnh dạng R-type
) Xây dựng đường đi dữ liệu cho các lệnh truy xuất bộ
nhớ ?
lw $t0, 0($t1) sw $t1 , 4($sp)
Kiến trúc Máy tính - Chap 05
11
5.2
) Bộ nhớ dữ liệu (Data
memory unit)
• 1 ngõ nhận địa chỉ ô nhớ
• 1 ngõ nhận dữ liệu ghi

• Tín hiệu điều khiển đọc/ghi
• 1 ngõ dữ liệu đọc
) Bộ mở rộng dấu (Sign-
extension unit)
•Ngõ nhập dữ liệu 16-bit
•Ngõ ra dữ liệu 32-bit
Kiến trúc Máy tính - Chap 05
12
5.2
) Đường đi dữ liệu cho lệnh truy xuất bộ nhớ
) Xây dựng đường đi dữ liệu cho lệnh rẽ nhánh ?
beq $s3 , $s4 , L1
Kiến trúc Máy tính - Chap 05
13
5.2
) Đường đi dữ liệu cho
lệnh rẽ nhánh
Kiến trúc Máy tính - Chap 05
14
5.3 Hiện thực bộ xử lý đơn chu kỳ
) Hiện thực bộ xử lý cho các câu lệnh MIPS đã xét
•Xây dựng đường đi dữ liệu cho tất cả các nhóm lệnh trên cơ sở
tổng hợp các đường đi dữ liệu đã khảo sát
• Thêm vào các tín hiệu điều khiển
•Chỉ hiện thực đơn giản bằng kiến trúc đơn chu kỳ (singcle cycle)
) Xây dựng đường đi dữ liệu cho tất cả các câu lệnh
• Đáp ứng thực thi mọi câu lệnh chỉ trong 1 chu kỳ clock
•Cần phải nhân số lượng đối với các phần tử kiến trúc được sử
dụng nhiều hơn 1 lần trong cùng một câu lệnh
•Cần 1 bộ nhớ dành riêng cho câu lệnh và 1 bộ nhớ dành riêng

cho dữ liệu
•Chia sẽ các phần tử kiến trúc giữa những nhóm lệnh khác nhau
nhờ vào các bộ multiplexor hay còn gọi là data selector
Kiến trúc Máy tính - Chap 05
15
5.3
) Xây dựng đường đi dữ liệu cho các lệnh bộ nhớ và lệnh
R-type
Sign extend
16 32
Read
register 1
Read
register 2
Write
register
Write data
Read data 1
Read data 2
Register s
Regwrite
Zero
Result
ALU
ALU operation
3
Instruction
Address
Write data
Read data

Data
memory
MemRead
MemWrite
M
U
X
ALUSrc
M
U
X
MemtoReg
Kiến trúc Máy tính - Chap 05
16
5.3
) Thêm vào đường đi dữ liệu cho bước đọc lệnh
Sign extend
16 32
Read
register 1
Read
register 2
Write
register
Write data
Read data 1
Read data 2
Registers
Regwrite
Zero

Result
ALU
ALU operation
3
Address
Write data
Read data
Data
memory
MemRead
MemWrite
M
U
X
ALUSrc
M
U
X
MemtoReg
Instruction
address
Instruction
Instruction
memory
Adder
PC
4
Kiến trúc Máy tính - Chap 05
17
5.3

) Hiện thực đường đi dữ liệu cho cả 3 nhóm lệnh
Sign extend
16 32
Read
register 1
Read
register 2
Write
register
Write data
Read d ata 1
Read d ata 2
Registers
Regwrite
Zero
Result
ALU
ALU operation
3
Address
Write data
Read data
Data
memo ry
MemRead
MemWrite
M
U
X
ALUSrc

M
U
X
MemtoReg
Instruction
address
Instruction
Instruction
memory
Adder
PC
4
Shiftleft2
M
U
X
PCS
r
c
Adder
Kiến trúc Máy tính - Chap 05
18
5.3
) Điều khiển ALU
• Các tín hiệu điều khiển
• Quan hệ với câu lệnh
•Thiết kế các tín hiệu điều
khiển ?
Set on less than111
Subtract110

Add010
OR001
AND000
FunctionALU control Input
111101010set on less than10R-type
001100101OR10R-type
000100100AND10R-type
110100010subtract10R-type
010100000add10R-type
110XXXXXXbranch equal01BEQ
010XXXXXXstore word00SW
010XXXXXXload word00LW
ALU control InputFunct fieldOperationALUOpOpcode
Kiến trúc Máy tính - Chap 05
19
5.3
) Dạng thức nhóm lệnh R-type
) Dạng thức các lệnh load/store
) Dạng thức các lệnh rẽ nhánh
5 - 010 - 615 - 1120 -1625 - 2131 - 26
functshamtrdrtrs0
15 - 020 -1625 - 2131 - 26
addressrtrs35 hay 43
15 - 020 -1625 - 2131 - 26
addressrtrs4
Kiến trúc Máy tính - Chap 05
20
5.3
) Đường đi dữ liệu dưới tác động của câu lệnh
Sign extend

16 32
Read
register 1
Read
register 2
Write
register
Write data
Read
data 1
Read
data 2
Registers
Regwrite
Zero
Result
ALU
Address
Write
data
Read
data
Data
memory
MemRead
MemWrite
1
M
U
X

0
ALUSrc
1
M
U
X
0
MemtoReg
Instruction
address
Instruction
[31 - 0]
Instruction
memory
Adder
PC
4
Shiftleft2
0
M
U
X
1
PCSrc
Adder
ALU
control
0
M
U

X
1
RegDst
Instruction [25 - 21]
ALUOp
Instruction [20 - 16]
Instruction
[15 - 1 1]
Instruction
[15 - 0]
Instruction [15 - 0]
Kiến trúc Máy tính - Chap 05
21
5.3
) Đường đi dữ liệu + Đơn vị điều khiển = Bộ xử lý
Sign extend
16 32
Read
register 1
Read
register 2
Write
register
Write data
Read
data 1
Read
data 2
Registers
Zero

Result
ALU
Address
Write
data
Read
data
Data
memory
1
M
U
X
0
1
M
U
X
0
Instruction
address
Instruction
[31 - 0]
Instruction
memory
Adder
PC
4
Shiftleft2
0

M
U
X
1
Adder
ALU
control
0
M
U
X
1
Instruction [25 - 21]
Instruction [20 - 16]
Instruction
[15 - 11]
Instruction
[15 - 0]
Instruction [15 - 0]
Control
RegDst
Branch
MemRead
MemtoReg
ALUOp
MemWrite
ALUSrc
RegWrite
I
n

s
t
r
u
c
t
i
o
n
[
3
1
-
2
6
]
Kiến trúc Máy tính - Chap 05
22
5.4 Bộ xử lý đa chu kỳ
) Trong thực tế, người ta không sử dụng bộ xử lý đơn chu
kỳ vì các lý do sau
•Thời gian thực hiện các câu lệnh luôn khác nhau Ö phải chọn
chu kỳ hoạt động của bộ xử lý bằng với chu kỳ thực thi câu lệnh
dài nhất !
•Khả năng trùng lắp các phần tử chức năng cao
) Ở bộ xử lý đa chu kỳ (multiple clock), quá trình thực thi 1
câu lệnh diển ra thành nhiều chu kỳ clock
) Bộ xử lý đa chu kỳ khắc phục được những nhược điểm
chính của bộ xử lý đơn chu kỳ
) Một số khác biệt trong thiết kế

• Tinh chỉnh thời gian thực thi từng câu lệnh theo giản đồ trạng thái
•Cóthể sử dụng 1 bộ nhớ chung cho cả câu lệnh lẫn dữ liệu
• Thêm vào 1 số thanh ghi để chứa dữ liệu/kết quả trung gian
Kiến trúc Máy tính - Chap 05
23
5.4
) Sơ đồ khối tổng quát bộ xử lý đa chu kỳ
ALUOut
A
Instruction
register
PC
Data
Register #
Register #
Register #
Registers
Address
Instruction
or data
Memory
Data
ALU
Memory
data
register
B
Kiến trúc Máy tính - Chap 05
24
Bài tập

) 5.5
) 5.10
“Computer Organization and Design: the hardware/software
interface”,
John L. Hennessy & David A. Patterson, Second Edition,
MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS, INC. 1998