BỘ XỬ LÝ VÀ BỘ NHỚ PROCESSOR AND MEMORY

Chương 7

BỘ XỬ LÝ VÀ BỘ NHỚ
PROCESSOR AND MEMORY


Nội dung
7.1. Bộ xử lý trung tâm - The central
processing unit (CPU).
7.2. Bộ nhớ chính - The main memory
7.3. Các đường truyền của bộ nhớ - Memory
buses
7.4. Kiến trúc kết nối - I/O buses


Giới thiệu

Microprocessor


Giới thiệu


Bộ xử lý trung tâm – CPU
The central processing unit





Còn gọi là bộ xử lý (processor), vi xử lý (micro-processor).

CPU là bộ não của máy tính có nhiệm vụ thi hành các lệnh
của chương trình và xử lý các dữ liệu trong chương trình.
Các thành phần chính của CPU:
 Đơn vị điều khiển
(The Control Unit)
 Đơn vị số học luận lý
(The Arithmetic Logic Unit (ALU))
 Các thanh ghi (registers)


Bộ xử lý trung tâm
The central processing unit (CPU)


ROM

PROM

FLASH

Main Memory (RAM)

Cache Memory

Decoder

Accumulator
register

Program control

register

General-purpose
register

Instruction
register

General-purpose
register

Memory address
register

.
.
.

Memory buffer
register
Input/Output
register
General-purpose
register
Control Unit

General-purpose
register
Arthmetic Logic Unit

Central Processing Unit (CPU)

I/O
D
E
V
I
C
E
S


Đơn vị điều khiển – Control Unit (CU)








Đơn vị điều khiển (CU): chọn và dịch các lệnh của chương
trình, sau đó thực thi chúng.
CU khơng thực sự thi hành bất kỳ q trình nào trên dữ
liệu, nhưng nó đóng vai trò là một hệ thống trung tâm cần
thiết điều khiển các thành phần khác của máy tính.
CU quản lý và phối hợp hoạt động của tồn bộ hệ thống
máy tính kể cả việc nhập và xuất dữ liệu.
CU nhận các lệnh từ bộ nhớ chính, dịch các lệnh, và gửi
các tín hiệu tới các đơn vị khác của hệ thống để thực thi

chúng.


Đơn vị số học logic
The Arithmetic Logic Unit (ALU)






Đơn vị số học logic (ALU): thực thi các lệnh tính tốn
diễn ra trong suốt quá trình xử lý dữ liệu.
Khi đơn vị điều khiển (CU) gặp một lệnh có các phép toán
số học (cộng, trừ, nhân, chia) hay phép toán luận lý (nhỏ
hơn, bằng, lớn hơn), thì nó chuyển quyền điểu khiển cho
ALU.
Trong trường hợp máy tính nhỏ, tồn bộ CPU (cả đơn vị
điều khiển và ALU) được chứa trong 1 chip đơn siêu nhỏ
được gọi là bộ vi xử lý.


Bộ xử lý trung tâm – CPU
The central processing unit


Các khái niệm:
 Tập các chỉ thị - Instruction Set.
 Thanh ghi - Register.
 Tốc độ bộ xử lý - Processor Speed.

 CISC and RISC Processors.
 CISC: Complex Instruction Set Computer
 RISC: Reduced Instruction Set Computer
 EPIC :Explicitly Parallel Instruction Computing


Tập lệnh - instruction set







Tập lệnh (instruction set) là các chỉ thị mà CPU sẽ thực thi.
Mỗi họ CPU có một tập lệnh riêng. Các chương trình
thường được viết dựa trên tập lệnh của một họ CPU do đó
chương trình thực hiện trên họ CPU này không hoạt động
được ở CPU họ khác.
Ví dụ: CPU của máy IBM khác CPU của các nhà sản xuất
khác như Sony, Toshiba,…
Hầu hết các CPU có hơn 200 lệnh (cộng, trừ, so sánh,…)
trong tập lệnh của chúng.


Thanh ghi - Register










Các thanh ghi được gắn với CPU bằng các mạch điện tử
dùng để giữ thông tin tạm thời và là một phần của CPU
(không phải bộ nhớ chính).
Chiều dài của thanh ghi bằng với số bit mà nó lưu trữ. Các
loại thanh ghi: 8 bit, 32-bit, 64-bit...
Kích cỡ của các thanh ghi (còn gọi word size) là dung
lượng của dữ liệu mà máy tính có thể xử lý.
Kích thước thanh ghi càng lớn, máy tính xử lý dữ liệu càng
nhanh.
Các máy tính dùng nhiều loại thanh ghi, mỗi một thanh ghi
được thiết kế để thực thi một chức năng riêng.


Thanh ghi - Register
STT

Name of Register

Function

1

Địa chỉ bộ nhớ
Memory Address (MAR)

Nắm giữ địa chỉ của bộ nhớ đang hoạt
động.

2

Vùng đệm bộ nhớ
Memory Buffer (MBR)

Nắm giữ thông tin được chuyển tới hay
lấy từ bộ nhớ.

3

Điều khiển chương trình. Nắm giữ địa chỉ của lệnh kế tiếp được
Program Control (PC)
thực thi.

4

Bộ chứa
Accumulator (A)

Chứa các kết quả và dữ liệu.

5

Lệnh
Instruction (I)

Nắm giữ lệnh trong khi nó đang thi hành.

6

Nhập/Xuất
Input/Output (I/O)

Giao tiếp với thiết bị Nhập/Xuất.

Chức năng của các thanh ghi


Quá trình thực thi của CPU
1.

2.

3.

4.

CU lấy địa chỉ của lệnh tiếp theo từ thanh ghi điều khiển chương
trình và đọc lệnh đó từ địa chỉ bộ nhớ vào trong thanh ghi lệnh của
CUCU gửi phần thao tác và địa chỉ của lệnh đến nơi giải mã và
địa chỉ thanh ghi vùng nhớ.
Nơi giải mã dịch lệnh và đơn vị điều khiển gửi các tín hiệu đến
đơn vị thích hợp như ALU để thực thi các tác vụ riêng biệt của
lệnh.
ALU thực thi các thao tác cần thiết trong dữ liệu và gửi đến đơn vị
điều khiển tín hiệu ngay khi nó hồn tất.

Khi mỗi lệnh được thực thi, địa chỉ của lệnh tiếp theo cũng tự động
được truy xuất và lấy dữ liệu nhập vào bên trong chương trình điều
khiển thanh ghi, và lập lại từ bước 1 đến bước 4.


Quá trình thực thi của CPU


Tốc độ bộ xử lý - Processor Speed






Các thao tác thường được đồng bộ bởi 1 đồng hồ điện tử
được xây dựng bên trong gọi là đồng hồ hệ thống, nó sản
xuất ra hàng triệu xung điện đều đặn trong mỗi giây (gọi là
chu kỳ đồng hồ).
Một chu kỳ là khoảng thời gian để thực hiện một thao tác.
Chu kỳ đồng hồ càng ngắn thì bộ xử lý càng nhanh.
Tốc độ của đồng hồ được đo bằng megahertz (hay
MHz)/giây.




1 MHz = 1 triệu chu kỳ/giây
1 GHz = 1 tỷ chu kỳ/giây
Các CPU hiện nay đạt 2-4 GHz

Tốc độ bộ xử lý - Processor Speed


Bộ xử lý CISC và RISC
Kiến trúc CISC (Complex Instruction Set Computer)
 Các lệnh của CPU có chiều dài khác nhau.
 Thời gian thi hành lệnh cũng khác nhau.
 Giúp lập trình bằng ngơn ngữ máy dễ dàng hơn.
 Phức tạp và chi phí cao để sản xuất.
 Hầu hết các máy tính cá nhân hiện nay dùng bộ vi xử
lý CISC.


Bộ xử lý CISC và RISC
Kiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computer)
 Các lệnh dài bằng nhau. Có bộ tập lệnh nhỏ
 Thời gian thi hành các lệnh chỉ bằng 1 chu kỳ đồng hồ.
 Cung cấp khả năng thi hành nhiều hoạt động cùng lúc
(Super scalar execution).
 Dùng cơ chế đường ống (Pipelining) để giảm thời gian
thi hành. Đoán trước việc phân nhánh (Branche
prediction).
 Thiết kế đơn giản hơn, tốc độ nhanh hơn, ít phức tạp
hơn, và chi phí ít hơn để sản xuất so với các bộ xử lý
CISC.


Bộ xử lý CISC và RISC

Cơ chế đường ống


Các bộ xử lý EPIC
Explicity Parallel Instruction Computing







Bộ xử lý dựa trên thiết kế IA-64 có bộ tập lệnh 64-bit
mới của họ (ISA) là IA-64.
Đơn giản và mạnh hơn các bộ xử lý CISC hay RISC
truyền thống.
Ba điểm quan trọng của cơng nghệ EPIC là tính rõ
ràng, sự khẳng định và sự suy đoán.


Các bộ xử lý EPIC
Explicity Parallel Instruction Computing

Các đặc điểm:
Song Song - Explicit Parallelism:
 Bộ vi xử lý cho phép nhiều phần mềm giao tiếp cùng
một lúc đến bộ xử lý nên các thao tác có thể được
thực hiện cùng một lúc.

Các bộ xử lý EPIC
Xác nhận - Predication:
 Làm giảm các lệnh rẽ nhánh và loại bỏ các nhánh
không báo trước.
 Tại thời gian thực thi của lệnh rẽ nhánh:




Nếu sự suy đốn đúng, thì bộ xử lý sẽ thực thi và các
kết quả của chúng có thể trực tiếp dùng ngay bởi bộ vi
xử lý.
Nếu sự suy đoán sai, các kết quả của sự thực thi sẽ bị
bỏ qua.


Các bộ xử lý EPIC
Sự suy đoán - Speculation:
 Là một kỹ thuật làm giảm ảnh hưởng của bộ nhớ đến
tốc độ của bộ xi xử lý không đều nhau.
 Mục đích chính là chia việc nhập dữ liệu, khơng chỉ
cho phép bộ xử lý nhập từng mẫu dữ liệu từ bộ nhớ
trước khi chương trình thực sự cần nó, mà cịn trì
hỗn việc thơng báo sự thực thi nếu dữ liệu đã nhập
bị sai luật.


Bộ nhớ chính - The main memory