KIẾN TRÚC PHẦN MỀM BỘ XỬ LÝ

Kiến trúc phần mềm bộ xử lý


Nội dung
 Các thành phần cơ bản của máy tính
 Kiến trúc máy tính
 Tập lệnh
 Kiến trúc CISC
 Kiến trúc RISC


Các thành phần cơ bản của máy tính
CPU

Bộ nhớ

Bus hệ thống

Module vào/ra

HDD

LCD


Đặc trưng cơ bản
 Máy tính bao gồm:
 CPU
 Bộ nhớ chính
 Hệ thống vào-ra
 Bộ nhớ chính chứa chương trình và dữ liệu, gồm

các ngăn nhớ được đánh địa chỉ
 Máy tính thực hiện lệnh tuần tự


Bộ xử lý trung tâm (CPU)
 Chức năng:
 Điều khiển hoạt động của máy tính
 Xử lý dữ liệu

 Nguyên tắc hoạt động:





Hoạt động theo chương trình nằm trong bộ nhớ
Nhận lần lượt từng lệnh từ bộ nhớ chính
Giải mã lệnh
Phát tín hiệu điều khiển thực thi lệnh

 Trong quá trình hoạt động, CPU có thể trao đổi dữ

liệu với bộ nhớ chính hoặc hệ thống vào/ra


Bộ vi xử lý
 Là CPU được chế tạo trên 1 chip
 Tốc độ của bộ vi xử lý:
 Được đánh giá thông qua tần số xung đồng hồ

(clock) cung cấp cho bộ xử lý làm việc
 VD: bộ vi xử lý có tốc độ 1GHz => chu kỳ 1 xung
là 10-9 s = 1ns


Bộ nhớ máy tính
 Chức năng:
 Lưu trữ chương trình và dữ liệu
 Các thao tác cơ bản với bộ nhớ:
 Thao tác đọc (read)
 Thao tác ghi (write)

 Các thành phần cơ bản của bộ nhớ:
 Bộ nhớ trong
 Bộ nhớ ngoài


Bộ nhớ trong
 Bao gồm những thành phần nhớ mà CPU có thể





trao đổi thông tin trực tiếp
Được thiết kế bằng bộ nhớ bán dẫn (ROM, RAM)
Dung lượng nhỏ hơn bộ nhớ ngoài
Tốc độ nhanh
Chia làm:

 Bộ nhớ chính (main memory)
 Bộ nhớ đệm nhanh (cache memory)


Bộ nhớ chính
 Chứa các chương trình đang được thực hiện và

các dữ liệu đang được xử lý
 Được tổ chức thành các ngăn nhớ được đánh địa
chỉ theo byte
 Trên máy tính PC, bộ nhớ chính gồm:
 ROM BIOS: chứa các chương trình điều khiển cơ

bản của máy tính
 RAM: chứa thông tin tạm thời


Bộ nhớ đệm nhanh
 Được đặt đệm giữa CPU và bộ nhớ chính nhằm

tăng tốc độ truy cập bộ nhớ của CPU
 Hiện nay, cache được chia thành một số mức:
level 1 (L1), level 2 (L2), level 3 (L3), … và được
tích hợp trên chip vi xử lý
 Cache thuộc loại bộ nhớ RAM


Bộ nhớ ngoài
 Chứa tài nguyên phần mềm của máy tính:
 Hệ điều hành (OS)

 Các chương trình
 Các dữ liệu
 Tồn tại dưới dạng các thiết bị bộ nhớ được kết nối

vào máy tính như các thiết bị vào/ra (ổ đĩa)


Hệ thống vào/ra (I/O system)
 Chức năng:
 Trao đổi thông tin giữa máy tính với bên ngoài

 Các thao tác cơ bản:
 Vào dữ liệu (Input)
 Ra dữ liệu (Output)

 Các thành phần cơ bản:
 Các thiết bị ngoại vi (thiết bị vào/ra): chuyển đổi thông tin

giữa bên trong và bên ngoài máy tính
 Các module nối ghép vào/ra:

 Để kết nối thiết bị ngoại vi (peripheral devices) với máy tính
 Trong các module vào/ra có các cổng vào/ra (I/O ports), các
cổng này được đánh địa chỉ, thiết bị ngoại vi được kết nối và
trao đổi dữ liệu thông qua cổng.


Liên kết hệ thống
 Sử dụng các bus
 Bus là tập hợp các đường kết nối dùng để vận

chuyển thông tin từ thành phần này đến thành
phần khác trong máy tính
 Độ rộng bus: là số đường kết nối có khả năng vận
chuyển các bits theo xung đồng hồ
 Phân loại bus:
 Bus địa chỉ
 Bus dữ liệu
 Bus điều khiển


Sơ đồ liên kết hệ thống

CPU
Các module
nhớ của bộ nhớ
chính

Các
module
vào/ra

Các thiết bị
ngoại vi

Bus địa chỉ
Bus dữ liệu
Bus điều khiển

Bus địa chỉ
 Vận chuyển địa chỉ từ CPU đến module vào/ra

nhằm xác định ngăn nhớ, cổng vào/ra cần trao đổi
thông tin
 Độ rộng của bus địa chỉ:

 Có khả năng vận chuyển tối đa n bit địa chỉ cùng 1

lúc

 Bus địa chỉ của một số bộ xử lý Intel:
 8088/8086: 20bit => không gian địa chỉ: 220 = 1MB
 80386/80486/Pentium: 32 bit => 232 = 4GB
 Pentium 2 & Pentium 4: 36 bit => 236 = 64GB


Bus dữ liệu
 Vận chuyển dữ liệu từ bộ nhớ chính => CPU
 Vận chuyển dữ liệu giữa các thành phần
 Độ rộng bus dữ liệu:
 Có thể vận chuyển tối đa m bit đồng thời (m= 8,
16, 32, 64 bit)
 Bus dữ liệu của một số bộ xử lý Intel:
 8088: 8 bit
 8086: 16 bit
 80386/80486: 32 bit
 Pentium: 64 bit

Bus điều khiển
 Vận chuyển các tín hiệu điều khiển
 2 loại tín hiệu điều khiển:
 Tín hiệu điều khiển từ CPU => các thành phần

khác
 Tín hiệu yêu cầu từ các thành phần khác gửi về
CPU


Một số tín hiệu điều khiển điển hình











MEMR: đọc nội dung ngăn nhớ
MEMW: ghi dữ liệu vào ngăn nhớ
IOR: đọc dữ liệu từ cổng vào
IOW: ghi dữ liệu ra cổng
NMI (Non-Maskable Interrupt): ngắt không che được đưa đến ngắt CPU
(bắt buộc CPU phải ngắt khi có tín hiệu này)
INTR (Interrupt Request): tín hiệu yêu cầu ngắt đưa đến xin ngắt CPU
(không bắt buộc)

INTA (Interrupt Acknowledge): tín hiệu phát ra từ CPU báo chấp nhận
ngắt
Reset: khởi động lại CPU
BRQ (Bus Request): tín hiệu yêu cầu CPU chuyển nhượng quyền sử dụng
bus
BGT (Bus Grant): tín hiệu phát ra báo chấp nhận chuyển nhượng bus.


Phân cấp bus trong máy tính
 4 lớp bus:
 Bus của bộ xử lý
 Bus của bộ nhớ chính (RAM)
 Bus vào/ra tốc độ cao (USB)
 Bus vào/ra tốc độ chậm


Mạch số
 Gồm 2 loại:
 Mạch tổ hợp
 Mạch tuần tự
 Mạch tổ hợp:
 Trạng thái đầu ra chỉ phụ thuộc vào tổ hợp đầu vào
khi tổ hợp này đã ổn định
 Mạch tuần tự:
 Trạng thái đầu ra không những phụ thuộc vào tổ
hợp đầu vào mà còn phụ thuộc vào trạng thái đầu
ra trước đó


Mạch số

Hoạt động cơ bản của máy tính

Bắt đầu

Nhận lệnh
Chu trình
lệnh
Thực thi lệnh

Dừng


Hoạt động ngắt
 Khái niệm:
 Ngắt (Interrupt) là cơ chế cho phép tạm dừng chương

trình đang thực hiện để chuyển sang thực hiện 1
chương trình khác: chương trình con phục vụ ngắt

 Các loại ngắt:
 Ngắt do lỗi khi thực hiện chương trình (VD: I/O, tràn

số, …)
 Ngắt do lỗi phần cứng (lỗi RAM, lỗi nguồn, …)
 Ngắt do tín hiệu yêu cầu ngắt từ bộ điều khiển vào/ra
gửi về CPU yêu cầu CPU chuyển sang thực hiện
chương trình con trao đổi dữ liệu với thiết bị ngoại vi

Sơ đồ mô tả
Chương trình
đang thực hiện

Ngắt ở đây

Chương trình
con phục vụ
ngắt


Hoạt động với nhiều ngắt
 Ngắt tuần tự

 Ngắt lồng nhau