KTMT chương 4 Bộ xử lý

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

Kiến trúc máy tính
Chương 4 _Bộ xử lý

GV : Ths.Nguyễn Thanh Đăng


CÂU HỎI
Câu 1: Có bao nhiêu rủi ro trong mô hình xử lý ống? Kể
tên và nêu ý nghĩa của từng loại?
Câu 2: Câu lệnh lw $t0,12($s0) có ý nghĩa như thế nào?
Câu 3: Các lệnh khi được thực thi gồm mấy giai đoạn? Kể
tên các giai đoạn?
Câu 4: Hiện thực phương pháp xúc tiến sớm giải quyết rủi
ro về dữ liệu có mấy loại? Hãy kể tên?
Câu 5: Các giai đoạn để xây dựng đường dữ liệu ? Hãy kể
tên?


4.1 GIỚI THIỆU

4.2 MÔ HÌNH THỰC THI LỆNH

4.3 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN
CỦA 1 BỘ XỬ LÝ


4.1. Giới thiệu

Chương 4 sẽ trình bày 2 dạng hiện thực khác nhau của máy tính
theo kiến trúc MIPS. Cách hiện thực thứ nhất khá đơn giản khi mà ở
đó mỗi lệnh sẽ được hoàn thành trong 1 chu kì xung nhịp. Tuy
nhiên, nếu thực hiện cách này tuy đơn giản nhưng hiệu suất không
cao và chỉ mang tính chất tham khảo. Cách thực hiện thứ 2 là cách
hiện thực được sử dụng nhiều trong thực tế hơn, đó là cách thực
hiện theo cơ chế ống (pipeline), do đó hiệu suất của cách thực hiện
theo cơ chế xử lí ống sẽ cao hơn so với cách hiện thực theo mô hình
đơn giản.


4.2. Mô hình thực thi lệnh
- Tất cả các lệnh khi được thực thi đều có hai giai đoạn:

+ Giai đoạn đọc lệnh (instruction fetch)
+ Giai đoạn giải mã lệnh (instruction decode)


4.2. Mô hình thực thi lệnh
Sau 2 giai đoạn đọc lệnh và giải mã lệnh, các nhóm lệnh khác
nhau sẽ yêu cầu các tác vụ và các khối chức năng khác nhau.
Tuy nhiên, các lệnh trong cùng 1 nhóm lệnh (nhóm lệnh số
học, truy xuất dữ liệu và rẻ nhánh) sẽ có tác vụ và các khối
chức năng tham gia vào tính toán khá tương tự nhau. Đây
chính là quy tắc “sự đơn giản tạo nên tính quy tắc” trong kiến
trúc MIPS


4.3. Các thành phần cơ bản của một bộ xử lý
4.3.1. Đường dữ liệu

4.3.2. Bộ điều khiển


4.3. Các thành phần cơ bản của một bộ xử lý
Quá trình thực thi các lệnh MIPS dù theo mô hình đơn giản
hay mô hình xử lí ống thì bộ xử lý theo kiến trúc MIPS
cũng sẽ cần những thành phần cơ bản bao gồm: bộ nhớ
lệnh, tập thanh ghi, khối ALU và bộ nhớ dữ liệu.


4.3. Các thành phần cơ bản của một bộ xử lý
4.3.1. Đường dữ liệu
Đường truyền dữ liệu bao gồm các tín hiệu dữ liệu
(datasighal) và các khối chức năng (functional unit) xử lí
các tín hiệu dữ liệu này. Nhiệm vụ chính của đường dữ
liệu là xử lí dữ liệu dưới sự điều khiển của bộ điều khiển
và truyền dữ liệu qua lại giữa các khối chức năng.


4.3.1. Đường dữ liệu
Bộ nhớ
lệnh

Khối
ALU

Đường
dữ liệu

Bộ nhớ dữ

liệu

Tập thanh
ghi


4.3.1. Đường dữ liệu
- Bộ nhớ lệnh:
Bộ nhớ lệnh là nơi chứa
toàn bộ các lệnh của chương
trình đang thực thi. Các lệnh
được chứa tuần tự trong bộ
nhớ lệnh theo mô hình lưu
trữ mà bộ xử lí đó đang sử
dụng (lite/big endian).


4.3.1. Đường dữ liệu
- Tập thanh ghi:

Tập thanh ghi trong kiến
trúc bộ xử lí MIPS là nơi
chứa tất cả 32 thanh ghi đa
dụng của MIPS.


4.3.1. Đường dữ liệu
- Bộ nhớ dữ liệu:
Bộ nhớ dữ liệu là nơi lưu trữ
dữ liệu của các chương trình

đang thực thi. Dữ liệu được
lưu trữ tuần tự trong các ô
nhớ có địa chỉ xác định và
tuân theo quy tắc lưu trữ
(little/big endian) của kiến
trúc bộ xử lí đang sử dụng
bộ nhớ.


4.3.1. Đường dữ liệu
- Khối ALU:
Khối ALU sẽ thực hiện các
phép toán số học và so
sánh để phục vụ các lệnh
số học, lệnh luận lý, lệnh
truy xuất dữ liệu, lệnh rẽ
nhánh có điều kiện và lệnh
so sánh


4.3.2. Bộ điều khiển
Bộ điều khiển chịu trách nhiệm phân tích lệnh đang thực
thi và sinh ra các tín hiệu để điều khiển hoạt động của các
khối chức năng. Ngoài ba tín hiệu điều khiển đã trình bày
ở trên là ghi thanh ghi, đọc bộ nhớ và ghi bộ nhớ, bộ điều
khiển còn sinh ra các tín hiệu điều khiển để xác định tác vụ
của khối ALU và để lựa chọn các đường dữ liệu.


4.3.2. Bộ điều khiển

4.4 Xây dựng mô hình xử lý theo mô hình đơn giản
► Mô hình bộ xử lý đơn giản (mô hình đơn chu kỳ - single-cycle) đặt
mục tiêu thiết kế sao cho tất cả các lệnh đều phải được hoàn thành
trong 1 chu kỳ.
► Quá trình thực hiện lệnh phải trãi qua 5 giai đoạn cơ bản là: đọc
lệnh, giải mã lệnh, thực thi lệnh, truy xuất bộ nhớ và cập nhật kết quả.


4.4.1 Xây dựng đường dữ liệu
1)Giai đoạn đọc lệnh
2)Giai đoạn giải mã lệnh
3)Giai đoạn thực thi lệnh
4)Giai đoạn truy xuất bộ nhớ
5)Giai đoạn cập nhật kết quả
6)Hoàn chỉnh đường dữ liệu


Giai đoạn đọc lệnh


Sau khi bộ nhớ
lệnh thực thi việc
truy xuất lệnh tại
địa chỉ được cung
cấp bởi thanh ghi
PC thì lệnh
(có kích thước 32
bit) được đưa ra

ngoài

Giai đoạn đọc
lệnh thì giá trị
của thanh ghi PC
được đưa vào bộ
nhớ lệnh để truy
xuất lệnh chuẩn
bị được thực thi
hiện đang được
lưu trữ trong bộ
nhớ lệnh

Đồng thời thanh
ghi PC được lên 4
để chứa địa chỉ của
lệnh chuẩn bị được
thực thi tiếp theo


Giai đoạn giải mã lệnh


Giai đoạn này có sự tham gia của tập thanh ghi để truy xuất
giá trị hai thanh ghi nguồn đối với các lệnh dạng R, lệnh rẽ
nhánh có điều kiện và lệnh lưu dữ liệu.
Còn đối với lệnh dạng I ngoài việc truy xuất giá trị của một
thanh ghi nguồn (trừ lệnh dữ liệu)thì trong giai đoạn này cần
phải mở rộng dấu giá trị số nguyên từ 16bit thành 32bit để có
thể thực hiện phép toán với giá trị 32bit truy xuất được từ

thanh ghi (được thực hiện bởi khối Mở rộng dấu)
Kết quả của giai đoạn này là các giá trị số có kích thước 32bit,
có thể được lưu trữ trong thanh ghi hoặc được thực hiện mở
rộng dấu từ giá trị số nguyên 16bit tham gia trực tiếp vào lệnh


Giai đoạn thực thi lệnh


Sẽ khác nhau với các nhóm lệnh khác nhau, lệnh R thì giá trị
truy xuất được hai thanh ghi nguồn ở giai đoạn giải mã lệnh sẽ
được đưa vào khối ALU để thực hiện tác vụ tương ứng, còn
lệnh I thì giá trị truy xuất được trong thanh ghi nguồn rs cùng
với giá trị số nguyên được mở rộng dấu từ 16bit thành 32bit sẽ
được đưa vào khối ALU để thực hiện tác vụ tương ứng
Đối với các lệnh chuyển dữ liệu thì giá trị truy xuất được ghi
trong thanh ghi địa chỉ nền (rs) cùng với độ dời sau khi mở
rộng dấu từ 16bit thành 32bit sẽ được đưa vào khối ALU để
tính toán giá trị toán hạng bộ nhớ → thanh ghi rs đều được sử
dụng để truy xuất tập thanh ghi


Giai đoạn truy xuất bộ nhớ