Bài giảng Kiến trúc máy tính và hợp ngữ - Chương 5: Bộ xử lý trung tâm

KiẾN TRỨC MÁY TÍNH VÀ HỢP NGỮ
CHƯƠNG 5: Bộ xử lý trung tâm (CPU)


CPU
2

 5.2.1. Cấu trúc cơ bản của CPU
 5.2.2. Tập lệnh
 5.2.3. Hoạt động của CPU


5.2.1. Cấu trúc cơ bản của CPU
3

Đơn vị ghép nối Bus


1. Đơn vị điều khiển (CU)
4

 Chức năng:
 Điều khiển nhận lệnh từ bộ nhớ đưa vào thanh ghi lệnh (IR) và tăng nội dung của PC để trỏ
sang lệnh kế tiếp.

 Giải mã lệnh nằm trong thanh ghi lệnh để xác định thao tác cần thực hiện và phát ra tín hiệu
điều khiển thực hiện lệnh đó.

 Nhận tín hiệu yêu cầu từ bus hệ thống và đáp ứng với các yêu cầu đó.

Đơn vị điều khiển (tiếp)
5

 Mơ hình kết nối của đơn vị điều khiển:

IR


Đơn vị điều khiển – Control Unit(tiếp)
6

 Các tín hiệu đưa đến Control Unit:

 Mã lệnh từ thanh ghi lệnh đưa đến để giải mã
 Các cờ từ thanh ghi cờ cho biết trạng thái của CPU
 Xung clock từ bộ tạo xung bên ngoài cung cấp cho đơn vị điều khiển làm việc
 Các tín hiệu yêu cầu từ bus điều khiển


Đơn vị điều khiển Control Unit (tiếp)
7

 Các tín hiệu phát ra từ đơn vị điều khiển:

 Các tín hiệu điều khiển bên trong CPU:
 Điều khiển các thanh ghi
 Điều khiển hoạt động của ALU

 Các tín hiệu điều khiển bên ngồi CPU:
 Điều khiển bộ nhớ chính

 Điều khiển các module vào-ra


2. Đơn vị số học và logic (ALU)
8

 Chức năng: Thực hiện các phép toán số học và các phép toán logic.

 Số học: cộng, trừ, nhân, chia, tăng, giảm, đảo dấu, …
 Logic: AND, OR, XOR, NOT, các phép dịch và quay bit


Đơn vị số học và logic (tiếp)
9

 Mơ hình kết nối của ALU


Mơ hình kết nối của ALU 4 bit
10


Mơ hình kết nối của ALU 16 bit
11


3. Tập thanh ghi (RF)
12

 a. Chức năng và phân loại

 b. Một số thanh ghi điển hình


a. Chức năng và phân loại
13

 Chức năng:
 Là tập hợp các thanh ghi nằm trong CPU
 Chứa các thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động hiện tại của CPU.
 Phân loại tập thanh ghi
 Phân loại theo khả năng can thiệp của người lập trình:
 Các thanh ghi khơng lập trình được: người lập trình khơng can thiệp được
 Các thanh ghi lập trình được: người lập trình can thiệp được
 Phân loại theo chức năng:
 Thanh ghi địa chỉ: quản lý địa chỉ của ngăn nhớ hay cổng vào-ra
 Thanh ghi dữ liệu: chứa các dữ liệu tạm thời hoặc kết quả trung gian phục vụ cho việc xử lý dữ liệu của
CPU

 Thanh ghi điều khiển và trạng thái: chứa các thông tin điều khiển và trạng thái của CPU
 Thanh ghi lệnh: chứa lệnh đang được thực hiện
 Thanh ghi đa năng: có thể chứa địa chỉ hoặc dữ liệu


b. Một số thanh ghi điển hình
14

 Các thanh ghi địa chỉ
 Bộ đếm chương trình (Program Counter – PC)
 Con trỏ dữ liệu (Data Pointer – DP)
 Con trỏ ngăn xếp (Stack Pointer – SP)

 Thanh ghi cơ sở và thanh ghi chỉ số (Base Register & Index Register)
 Các thanh ghi dữ liệu
 Thanh ghi trạng thái


Các vùng nhớ cơ bản của CT
15

 Chương trình đang thực hiện phải nằm trong bộ nhớ chính và nó chiếm 3 vùng nhớ cơ
bản sau:
 Vùng nhớ lệnh (Code): chứa các lệnh của chương trình.
 Vùng dữ liệu (Data): chứa dữ liệu của chương trình. Thực chất đây là nơi cấp phát các ngăn
nhớ cho các biến nhớ.

 Vùng ngăn xếp (Stack): là vùng nhớ có cấu trúc LIFO (Last In First Out) dùng để cất giữ thông
tin và sau đó có thể khơi phục lại. Thường dùng cho việc thực hiện các chương trình con.


Ví dụ minh họa thực thi một chương trình
16


Bộ đếm chương trình (PC)
17

 Cịn gọi là con trỏ lệnh (Instruction Pointer - IP)

 Là thanh ghi chứa địa chỉ của lệnh tiếp theo sẽ được nhận vào.
 Sau khi một lệnh được nhận vào thì nội dung của PC tự động tăng để trỏ sang lệnh kế tiếp nằm
ngay sau lệnh vừa được nhận.

Minh họa hoạt động của PC
18


Thanh ghi con trỏ dữ liệu (DP)
19

 Chứa địa chỉ của ngăn nhớ dữ liệu mà CPU muốn truy cập.
 Thường có một số thanh ghi con trỏ dữ liệu.


Minh họa hoạt động của DP
20


Con trỏ ngăn xếp (SP)
21

 Chứa địa chỉ của ngăn nhớ đỉnh ngăn xếp (ngăn xếp có chiều từ đáy lên đỉnh, ngược với
chiều tăng của địa chỉ)
 Khi cất thêm một thông tin vào ngăn xếp:
 Nội dung của SP tự động giảm
 Thông tin được cất vào stack được tính bắt đầu từ ngăn nhớ trỏ bởi SP
 Khi lấy một thông tin ra khỏi ngăn xếp:
 Thông tin được lấy ra từ stack được tính bắt đầu từ ngăn nhớ trỏ bởi SP
 Nội dung của SP tự động tăng
 Khi ngăn xếp rỗng: SP trỏ vào đáy ngăn xếp

Minh họa hoạt động của SP
22


Thanh ghi cơ sở và thanh ghi chỉ số
23

 Thanh ghi cơ sở: chứa địa chỉ của ngăn nhớ cơ sở (địa chỉ cơ sở).
 Thanh ghi chỉ số: chứa độ lệch địa chỉ giữa ngăn nhớ cơ sở so với ngăn nhớ mà CPU cần
truy cập (chỉ số).
Địa chỉ của ngăn nhớ cần truy cập = địa chỉ cơ sở + chỉ số


Minh họa thanh ghi cơ sở và chỉ số
24


Các thanh ghi dữ liệu
25

 Chứa các dữ liệu tạm thời hoặc các kết quả trung gian phục vụ cho việc xử lý dữ liệu của
CPU

 Cần có nhiều thanh ghi dữ liệu
 Các thanh ghi số nguyên: 8, 16, 32, 64 bit
 Các thanh ghi số dấu chấm động