Giáo trình kiến trúc máy tính I - Chương 7

Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý

Chương VII: TỔ CHỨC BỘ XỬ LÝ
Trong các chương trước chúng ta ñã các khái niệm cơ bản
liên quan ñến các phần khác nhau của máy tính. Trong chương này
chúng ta tập trung vào bộ phận chính yếu của mọi máy tính – bộ
xử lý trung tâm (central processing unit - CPU). Chức năng chính
yếu của CPU là thực thi các lệnh được lưu trong bộ nhớ chính. Như
đã đề cập trong phần giới thiệu, do giáo trình này được thiết kế
dành cho sinh viên học ngay học kỳ ñầu tiên cho nên chúng ta chỉ
ñề cập ñến các vấn ñề ở mức ñộ ñơn giản.

7.1. Tổ chức bộ xử lý trung tâm
ðể hiểu ñược cách tổ chức trong CPU như thế nào chúng ta
hãy xem những địi hỏi ở bên trong nó và những gi nó phải thực
hiện. Nói chung những cơng việc nó phải làm là:
Tìm nạp lệnh (Fetch Instruction): CPU đọc một lệnh từ
bộ nhớ
Diễn giải lệnh (Interpret Instruction): Lệnh ñược giải
mã và xác định xem hành động gì địi hỏi thực hiện
Tìm nạp dữ liệu (Fetch data): ðể thực hiện câu lệnh có
thể địi hỏi đọc dữ liệu từ bộ nhớ hoặc từ các thiết bị
nhập xuất
Xử lý dữ liệu (Process data): Việc thi hành lệnh có thể
địi hỏi thực hiện một vài phép tính số học hay logic
trên các dữ liệu tìm nạp vào
Ghi dữ liệu (Write data): Kết quả thực thi lệnh cũng có
thể địi hỏi phải ghi dữ liệu vào bộ nhớ hoặc ghi ra các
thiết bị nhập xuất.
ðể làm được các việc như vậy địi hỏi CPU cần lưu một số
dữ liệu tạm thời. Nó phả nhớ vị trí của lệnh vừa thực hiện cũng

như nó cần phải biết được ở đâu có thể nhận được lệnh tiếp theo để
thực hiện. Nó cần lưu tập lệnh và dữ liệu tạm thời trong khi thực thi


191


Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý

một lệnh nào đó. Nói cách khác CPU cần một bộ nhớ trong nhỏ ñể
tiện lợi làm việc.
Nói chung ñể thực hiện các việc vừa liệt kê ở trên, một bộ
xử lý trung tâm ñơn giản cần bao gồm ba nguyên tố quan trọng
nhất: tập các thanh ghi, một bộ xử lý logic số học (Arithmetic
Logic Unit - ALU) và một bộ ñiều khiển (Control Unit - CU). Tổ
chức một máy tính đơn giản gồm CPU và tương tác của nó với bộ
nhớ chính và các thiết bị nhập xuất có thể biểu diễn như hình 7.1.

Hình 7.1. Tổ chức một máy tính đơn giản
Bộ các thanh ghi của các loại máy tính là khác nhau và
thường chia làm hai loại, các thanh ghi ñược dùng với mục ñích
chung (general-purpose registers), và các thanh ghi với mục đích
đặc biệt (special-purpose registers). Các thanh ghi mục đích chung
được sử dụng cho bất kỳ mục đích nào, ví dụ như có thể dùng nó
làm nơi lưu trữ các loại dữ liệu khác nhau, dùng làm lưu các toán
hạng của một lệnh. Trong khi các thanh ghi với mục đích đặc biệt
chỉ có một số chức năng bên trong CPU, ví dụ như bộ đếm chương


192

Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý

trình (progam counter - PC) là một thanh ghi với mục đích đặc biệt
đó là chỉ dùng ñể lưu ñịa chỉ của lệnh cần thực hiện tiếp theo. Một
ví dụ khác của thanh ghi với mục đích đặc biệt là thanh ghi mã lệnh
(Instruction Registers – IR), thanh ghi này chỉ ñược dùng ñể lưu mã
lệnh ñang thực hiên tại thời ñiểm hiện tại.
Bộ logic số học ALU cung cấp một mạch số cần thiết để
thực hiện các phép tính số học (như cộng, trừ, nhân , chia), logic
(như NOT, AND, OR) và các phép tốn dịch chuyển trong bộ lệnh.
Bộ điều khiển (control block) chịu trách nhiệm ñiều khiển
mọi hoạt ñộng của CPU như tìm nạp lệnh từ bộ nhớ chính, giải mã
nó, định loại xem nó thuộc loại nào và ci cùng là ra lệnh cho các
bộ phận trong CPU làm việc gì.
CPU tìm nạp lệnh từ bộ nhớ chính, đọc dữ liệu từ bộ nhớ
chính, ghi dữ liệu ngược lại đó khi cần và truyền các dữ liệu từ các
thiết bị ngoại vi vào máy tính cũng như đưa các dữ liệu trong máy
tính ra các thiết bị ngoại vi. Các thiết bị ngoại vi ở đây có thể là ổ
đã cứng, máy in, flash memory,…
Trong hình 7.2 cho ta sơ ñồ tổng quát của CPU một cách tỷ
mỉ hơn. Trong ñó chỉ ra việc truyền dữ liệu và ñường ñiều khiển
logic cũng ñược chỉ ra bao gồm cả một nguyên tố gọi là trục CPU
nội (Internal CPU bus). Nguyên tố này ñược cần ñể truyền dữ liệu
giữa các thanh ghi khác nhau và ALU, bởi vì trên thực tế thì ALU
thực thi chỉ trên các dữ liệu nằm ở bộ nhớ bên trong CPU.

193


Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý

Hình 7.2. Cấu trúc bên trong của CPU

7.2. Bộ ñiều khiển
Giống như trong một trung đội thì mọi hoạt động được điều
khiển bởi trung ñội trưởng, bộ ñiều khiển chịu trách nhiệm ñiều
khiển mọi hoạt động của CPU. Bộ điều khiển tạo các tín hiệu điều
khiển di chuyển số liệu (tín hiệu di chuyển số liệu từ các thanh ghi
đến bus hoặc tín hiệu viết vào các thanh ghi), ñiều khiển các tác vụ
mà các bộ phận chức năng phải làm (ñiều khiển ALU, ñiều khiển
ñọc và viết vào bộ nhớ trong...). Bộ ñiều khiển cũng tạo các tín
hiệu giúp các lệnh được thực hiện một cách tuần tự.
ðể thiết kế một bộ ñiều khiển, ta có thể dùng một trong hai
cách là dùng mạch điện tử hoặc dùng vi chương trình
(microprogram).


194


Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý

Bộ ñiều khiển mạch ñiện tử
Trong chương 5 chúng ta ñã học về mạch tuần tự. Một bộ
điều khiển mạch điện tử có ngun lý hoạt ñộng như một mạch
tuần tự. Tức là sẽ có các trạng thái và các đường tín hiệu mà sự

thay đổi của các tín hiệu tại một thời điểm nhất ñịnh sẽ làm trạng
thái giữ nguyên hoặc chuyển sang một trạng thái mới.
ðể hiểu ñược vận hành của bộ ñiều khiển mạch ñiện tử,
chúng ta xét ñến mô tả về Automate (mạch tự động hóa) trạng thái
hữu hạn như một mạch tuần tự có nhiều hệ thống hay nhiều thành
phần mà ở mỗi thời điểm xem xét đều có một trạng thái (state).
Mục đích của trạng thái là ghi nhớ những gì có liên quan
trong q trình hoạt động của hệ thống. Vì chỉ có một số trạng thái
nhất định nên nói chung khơng thể ghi nhớ hết tồn bộ lịch sử của
hệ thống, do vậy nó phải được thiết kế cẩn thận để ghi nhớ những
gì quan trọng.
Ưu ñiểm của hệ thống (chỉ có một số hữu hạn các trạng
thái) đó là có thể cài đặt hệ thống với một lượng tài nguyên cố
ñịnh. Chẳng hạn, chúng ta có thể cài đặt Automate trạng thái hữu
hạn trong phần cứng máy tính ở dạng mạch điện hay một dạng
chương trình đơn giản, trong đó, nó có khả năng quyết ñịnh khi chỉ
biết một lượng giới hạn dữ liệu hoặc bằng cách dùng vị trí trong
đoạn mã lệnh để đưa ra quyết ñịnh.
Theo tổ chức ñiều khiển cứng, luận lý ñiều khiển ñược cài
ñặt qua các cổng , mạch lật, mạch giải mã và các mạch số khác.
Thuận lợi là có thể tối ưu để tạo ra chế độ nhanh cho tác vụ
Theo tổ chức điều khiển vi trình, thơng tin ñiều khiển ñược
lưu trong bộ nhớ ñiều khiển, bộ nhớ điều khiển được lập trình để
khởi động dãy vi tac vụ theo yêu cầu. Khi thay ñổi thiết kế, cần
thay ñổi cách kết nối các thành phần nếu tổ chức theo kiểu ñiều
khiển cài cứng. Nếu tổ chức theo ñiều khiển vi trình chỉ cần cập
nhật vi trình trong bộ nhớ ñiều khiển.


195

Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý

Hình 7.3. cho ta sơ ñồ khối một bộ ñiều khiển cơ bản. Lệnh
ñược ñọc từ bộ nhớ và ñưa vào thanh ghi lệnh IR. Thanh ghi lệnh
thì như trong chương 6 chúng ta ñã biết, trong ñó có phần mã hóa
vi tác vụ hay opcode sẽ ñược qua một mạch giải mã ñể biết được
mã tác vụ phải làm là gì. Sau khi giải mã, các tín hiệu này được đưa
vào mạch điều khiển gồm các cổng ñiều khiển.
ðể ñiều khiển các hoạt ñộng ñược ñồng bộ, ta dùng một bộ
tạo các thời hiệu, mỗi thời hiệu ứng với một thời ñiểm nhất ñịnh.
Các thời hiệu này cùng với các tín hiệu từ bộ giải mã và từ các tín
hiệu khác trong phần còn lại của thanh ghi IR sau khi qua các cổng
điều khiển sẽ cho ta các tín hiệu điều khiển cần thiết. Các tín hiệu
điều khiển có thể là đưa dữ liệu một thanh ghi nào đó lên BUS, đưa
dữ liệu từ trên BUS vào thanh ghi, mở tín hiệu ghi vào một thanh
ghi, đưa ra tín hiệu đọc/ghi vào bộ nhớ chính, khởi động ngắt để
truyền dữ liệu ra HDD, máy in,…

IR

ñịa chỉ bộ nhớ, thanh ghi,…

Mã tác vụ

Mạch giải mã
nxm
m-1

0

D0
…
Dm-1

Các cổng
điều khiển

Tín hiệu
điều khiển

T

Bộ tạo các
thời hiệu

Các tín hiệu khác
(INR, CLR,…)
Clock

Hình 7.3. Sơ đồ khối bộ điều khiển máy tính cơ bản


196


Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý

Bộ ñiều khiển vi chương trình

Thay vì bộ điều khiển cứng dùng mạch tổ hợp các cổng để
cho ra các tín hiệu điều khiển thì điều khiển vi trình dùng một vi
chương trình lập sẵn nằm trong bộ nhớ ñiều khiển ñể khởi ñộng
dãy vi tac vụ theo yêu cầu.
Bộ ñiều khiển bằng vi chương trình được dùng rộng rãi
trong các bộ xử lý CISC. Bộ xử lý này có tập lệnh phức tạp với các
lệnh có chiều dài khác nhau và có dạng thức phức tạp. Trong các
bộ xử lý CISC, người ta cài ñặt một lệnh mã máy bằng cách viết
một vi chương trình. Như vậy cơng việc khá đơn giản và rất hữu
hiệu. Các sai sót trong thiết kế automat điều khiển cũng dễ sửa ñổi.

7.3. Bộ thanh ghi
Các thanh ghi là một loại bộ nhớ ñặc biệt nhanh nằm bên
trong CPU và ñược dùng ñể tạo ra và lưu trữ các kết quả của các
lệnh trong CPU và các phép tốn khác. Các loại máy tính khác
nhau có các bộ thanh ghi khác nhau. Chúng khác nhau về số lượng
các thanh ghi, các loại thanh ghi và cả chiếu dài của mỗi thanh ghi.
Chúng cũng khác nhau trong cách dùng cho mỗi thanh ghi.
Thanh ghi muc đích chung có thể được dùng cho nhiều mục
đích và được nhà lập trình dùng ñể gán cho những trạng thái khác
nhau của các hàm, các biến.
Thanh ghi có mục đích đặc biệt chỉ ñược dùng cho một số
chức năng ñặc biệt. Trong một số trường hợp, một vài thanh ghi chỉ
ñược dùng ñể lưu trữ dữ liệu và khơng thể dùng trong tính tốn địa
chỉ của các tốn hạng.
Chiều dài của thanh ghi phải ñủ ñể lưu trữ hầu hết các loại
dữ liệu, ñặc biệt là thanh ghi ñịa chỉ phải ñủ dài ñể có thể lưu ñược
ñịa chỉ lớn nhất.
Số lượng thanh ghi trong một kiến trúc máy tính ảnh hưởng
trực tiếp ñến việc thiết kế bộ lệnh. Nếu số lượng thanh gi ít sẽ dẫn

đến việc phải sử dụng tham chiếu hay con trỏ tới bộ nhớ nhiều hơn
làm giảm ñáng kể đến tốc độ thực thi của chương trình.


197


Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý

Một dạng khác của các thanh ghi ñược dùng ñể lưu các bit
trạng thái của bộ xử lý hay là các cờ trạng thái. Những bit này thay
ñổi tùy theo kết quả thực hiện một lệnh nào đó trong CPU
Thanh ghi truy cập bộ nhớ
Có hai thanh ghi được dùng đặc biệt trong các lệnh ñọc/ghi
với bộ nhớ: thanh ghi dữ liệu bộ nhớ (memory data register MDR) và thanh ghi ñịa chỉ bộ nhớ (memory address regiater –
MAR). Hai thanh ghi này ñược CPU sử dụng đặc biệt và các nhà
lập trình khơng thể truy cập trực tiếp vào chúng.
Trong thứ tự thực hiện một lệnh ghi vào một vùng nhớ ñặc
biệt, MDR và MAR ñược dùng như sau:
1. Một từ cần lưu vào một vị trí nào đó trong bộ nhớ, đầu
tiên sẽ ñược CPU tải vào thanh ghi MDR
2. ðịa chỉ của vùng nhớ đó (vùng nhớ sẽ ghi dữ liệu vào)
ñược CPU tải vào trong MAR
3. Sau cùng bộ ñiều khiển sẽ phát ra tín hiệu điều khiển
“ghi” (write) để ghi dữ liệu nằm trên MDR vào ñịa chỉ
nằm trên MAR.
Tương tự khi thực hiện một lệnh ñọc (read) từ bộ nhớ,
thanh ghi MDR và MAR sẽ ñược dùng như sau:
1. ðịa chỉ của từ nhớ nằm trong bộ nhớ cần ñọc ñược ñưa
vào MAR

2. Bộ ñiều khiển sẽ phát ra tín hiệu điều khiển “đọc”
(read) để đọc dữ liệu nằm trong bộ nhớ.
3. Dữ liệu nằm trong bộ nhớ có địa chỉ chứa trong MAR sẽ
được tải vào trong MDR
Thanh ghi chuyển tải lệnh
Có hai thanh ghi rất quan trọng ñược dùng ñể lưu các câu
lệnh cho việc thực thi của chương trình là: Bộ đếm chương trình
(program counter – PC) và thanh ghi lệnh (instruction register –
IR).


198


Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý

Thanh ghi PC dùng ñể lưu ñạ chỉ của lệnh tiếp theo qua ñó
sẽ ñiều khiển thứ tự thực hiện các lệnh trong một chương trình. Các
lệnh thực hiện lần lượt được tìm thấy và lưu vào trong thanh ghi
IR. Tại mỗi thời ñiểm chỉ có một lệnh được lưu trong IR. Sau khi
đã tìm và đem một lệnh về cho IR, thanh ghi PC sẽ ñược nạp một
giá trị mới là ñịa chỉ của lệnh tiếp theo.
Thanh ghi trạng thái
Các thanh ghi trạng thái hay là các cờ trạng thái ñược sử
dụng ñể giữ các thơng tin về trạng thái của q trình thực thi lệnh.
Một số kiến trúc máy tính chứa một thanh ghi ñặc biệt gọi là thanh
ghi từ trạng thái của chương trình (program stature word – PSW).
Trong PSW chứa các bit trạng thái cho biết kết quả của các phép
tính số học (có bằng 0 khơng?có số thừa khơng?...), trạng thái ngắt,
thơng tin bảo vệ bộ nhớ, tình trạng của bộ xử lý,…

Các thanh ghi họ 80x86
Trong các thế hệ máy tính 32 bit của Intel như 386,486 và
Pentium có ba nhóm thanh ghi, đó là:
- Thanh ghi mục đích chung
- Thanh ghi segment
- Thanh ghi đếm chương trình PC và thanh ghi cờ
trạng thái
Trong hình 7.4 cho ta thấy ba nhóm này. Nhóm thứ nhất là
các thanh ghi mục đích chung được đặt tên bằng các ký tự
A,B,C,D,SI (source index), DI (destination index), SP (stack
pointer) và BP (base pointer). Nhóm thứ hai bao gồm các thanh ghi
CS (code segment), SS (stack segment) và 4 thanh ghi ñoạn dữ liệu
DS, ES, FS và GS. Nhóm thanh ghi thứ ba bao gồm thanh ghi lệnh
IR và thanh ghi trạng thái. Trong số những bit trạng thái, 5 bit ñầu
tiên ñồng nhất với các bit của bộ vi xử lý 8 bit trước ñây 8085. Các
bit tiếp theo 6-11 giống như ñược giới thiệu trong 8086. Các bit 1214 ñược giới thiệu trong 80286 trong khi các bit 16-17 trong
80386. Bit flag 18 trong 80486. Trong đó cịn nhiều bit chưa ñược


199


Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý

dùng tới và ñể làm dự trữ cho những mục đích có thể xuất hiện sau
này.

Hình 7.4. Các thanh ghi họ 80x86

7.4. ðường đi dữ liệu (Datapath)

Phần đường đi dữ liệu gồm có bộ logic-số học (ALU:
Arithmetic and Logic Unit), các mạch dịch, các thanh ghi và các
ñường nối kết các bộ phận trên. Phần này chứa hầu hết các trạng
thái của bộ xử lý. Ngồi các thanh ghi tổng qt, phần đường đi dữ
liệu cịn chứa thanh ghi đếm chương trình (PC: Program Counter),
thanh ghi trạng thái (SR: Status Register), các thanh ghi ñịa chỉ bộ
nhớ MAR, thanh ghi số liệu bộ nhớ MDR, bộ ña hợp (MUX:
Multiplexor), ñây là ñiểm cuối của các kênh dữ liệu - CPU và bộ
nhớ, với nhiệm vụ lập thời biểu truy cập bộ nhớ từ CPU và các
kênh dữ liệu, các hệ thống bus


200


Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý

Nhiệm vụ chính của phần đường đi dữ liệu là đọc các tốn
hạng từ các thanh ghi tổng quát, thực hiện các phép tính trên toán
hạng này trong ALU và lưu trữ kết quả trong các thanh ghi tổng
quát. Ở ngã vào và ngã ra các thanh ghi tổng quát có các mạch chốt
A, B, C. Như đã đề cập ở trên, thơng thường, số lượng các thanh
ghi tổng quát là 32.
Phần ñường ñi của dữ liệu chiếm phân nửa diện tích của bộ
xử lý nhưng là phần dễ thiết kế và cài ñặt trong bộ xử lý.
7.4.1. Tổ chức One-Bus
Các thanh ghi CPU và ALU dùng một BUS ñơn ñể di
chuyển dữ liệu ra vào giữa chúng với nhau. Vì một BUS chỉ có thể
sử dụng một dữ liệu di chuyển trong một chu kỳ đồng hồ, cho nên
một phép tốn có hai tốn hạng sẽ phải cần hai chu kỳ đồng hồ để

tìm và nạp các tốn hạng cho ALU. Dạng tổ chức BUS này là đơn
giản nhất nhưng nó bị nhiều hạn chế về số lượng dữ liệu ñược
chuyển tải trong một chu kỳ đồng hồ nói chung đã làm chậm cả hệ
thống lại rất nhiều.
Hình 7.5 cho ta sơ đồ tổ chức đường đi dữ liệu one-bus . Nó
bao gồm bộ các thanh ghi đa mục đích, một thanh ghi ñịa chỉ bộ
nhớ MAR, một thanh ghi dữ liệu bộ nhớ MDR, một thanh ghi lệnh
IR, một thanh ghi ñếm chương trình PC và bộ logic số học ALU.

Hình 7.5. Tổ chức One-Bus


201


Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý

7.4.2. Tổ chức Two-Bus, Three-Bus
Sử dụng hai BUS ñể tổ chức ñường ñi dữ liệu là một giải
pháp giúp cải thiện tốc ñộ rất nhiều so với công nghệ dùng one-bus.
Trong trường hợp này các thanh ghi đa mục đích được nối với cả
hai bus. Dữ liệu có thể truyền từ hai thanh ghi khác nhau ñến ñầu
vào của ALU tại cùng một thời điểm. Do vậy, một lệnh có hai tốn
hạng có thể tìm và nạp trong cùng một chu kỳ đồng hồ và như vậy
rõ ràng tốc ñộ xử lý lệnh lúc này đã tăng gấp đơi. Hơn nữa, trong
cấu trúc này (hình 7.6) cịn có một thanh ghi đệm (buffer register)
có thể cần thiết ñể lưu trữ dữ liệu ñầu ra của ALU khi hai bus ñạng
bận chuyển tải dữ liệu.
Trong hình 7.6(a) cho ta thấy cách tổ chức kiến trúc kiểu
two-bus này. Trong một số trường hợp, một bus có thể ñược dùng

ñể di chuyển dữ liệu vào thanh ghi (in-bus). Ở trừơng hợp này một
thanh ghi đệm thêm có thể ñược dùng như là một bộ nhớ tạm thời
trước khi ñưa vào ALU. ðầu ra của ALU ñược nối trực tiếp với inbus và cho phép chuyển kết quả tính tốn tới một trong các thanh
ghi. Hình 7.6(b) cho ta tổ chức two-bus với in-bus và out-bus.
Trong tổ chức three-bus thì hai trong số đó được dùng như
là các bus nguồn, bus cịn lại như là bus đích. Các bus nguồn
chuyển dữ liệu ra khỏi thanh ghi (out-bus), và bus đích có thể
chuyển dữ liệu vào trong các thanh ghi (in-bus). Mỗi ñầu của outbus ñược nối với ñầu vào của ALU. ðầu ra của ALU thì nối trực
tiếp với in-bus. Như vậy chúng ta lại có thể truyền dữ liệu nhiều
hơn trong cùng một chu kỳ ñồng hồ. Tuy nhiên việc tăng các bus
lên sẽ làm tăng ñộ phức tạp của phần cứng lên nhiều hơn, vì vậy
tùy theo mức độ cần thiết mà các loại máy tính khác nhau sẽ có số
lượng bus khác nhau. Tổ chức máy tính đơn giản loại three-bus có
thể mih họa như hình 7.7.



202


Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý

Hình 7.6. Tổ chức ñường truyền dữ liệu dạng two-bus



203


Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý

Hình 7.7. Tổ chức ñường truyền dữ liệu dạng three-bus

7.5. Diễn tiến thi hành lệnh mã máy(CPU instruction
cycle)
Công việc của CPU diễn ra liên tục và việc thực hiện các
lệnh diễn ra như trong hình 7.8. Các lệnh được lấy ra từ bộ nhớ
chính và khi CPU tìm thấy một lệnh, nó sẽ phân tích lệnh đó để
thực thi, sau đó lại sẽ tìm nạp lệnh tiếp theo và cứ như vậy diễn ra
liên tục.
Việc thi hành một lệnh mã máy có thể chia thành 5 giai ñoạn sau:
ðọc lệnh (IF: Instruction Fetch)
Giải mã lệnh (ID: Instruction Decode)
Thi hành lệnh (EX: Execute)
Thâm nhập bộ nhớ trong hoặc nhảy (MEM: Memory
access)
Lưu trữ kết quả (RS: Result Storing).
Mỗi giai ñoạn ñược thi hành trong một hoặc nhiều chu kỳ xung
nhịp.


204


Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý

Hình 7.8. Hoạt động của CPU
1. ðọc lệnh (fetch instruction):
Chuỗi các sự kiện trong một lần tìm đọc lệnh cị thể tổng
qt như sau:

1. Dữ liệu trong PC ñược load vào MAR: MAR ← PC
2. Giá trị trong thanh ghi PC tăng lên 1:

PC PC+1

3. Kết quả của lệnh ñọc từ bộ nhớ, dữ liệu ñược load vào
MDR: MDR M[MAR]
4. Dữ liệu trong MDR ñược load vào IR: IR ← M[MAR]
Bộ ñếm chương trình PC ñược ñưa vào MAR . Lệnh
ñược ñọc từ bộ nhớ trong, tại các ơ nhớ có địa chỉ nằm
trong MAR và ñược ñưa vào thanh ghi lệnh IR. Thứ tự thực
hiện lệnh theo thời gian ñối với loại one-bus như sau:


205


Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý

Nếu dùng three-bus như hình 7.7 thì ta có thứ tự các
bước như sau:

2. Giải mã lệnh và ñọc các thanh ghi nguồn:
A ← Rs1
B ← Rs2
PC ← PC + 4
Lệnh ñược giải mã. Kế đó các thanh ghi Rs1 và Rs2
được đưa vào A và B.Thanh ghi PC ñược tăng lên ñể chỉ tới
lệnh kế đó.
ðể hiểu rõ giai đoạn này, ta lấy dạng thức của một

lệnh làm tính tiêu biểu sau đây:



206


Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý

Các thanh ghi nguồn Rs1 và Rs2 ñược sử dụng tuỳ
theo tác vụ, kết quả được đặt trong thanh ghi đích Rd.
Ta thấy việc giải mã ñược thực hiện cùng lúc với
việc ñọc các thanh ghi Rs1 và Rs2 vì các thanh ghi này ln
nằm tại cùng vị trí ở trong lệnh.
3. Thi hành lệnh:
Tuỳ theo loại lệnh mà một trong ba nhiệm vụ sau ñây ñược
thực hiện:
- Liên hệ tới bộ nhớ
MAR ← ðịa chỉ do ALU tính tuỳ theo kiểu định vị
(Rs2).
MDR ← Rs1
ðịa chỉ hiệu dụng do ALU tính được đưa vào MAR
và thanh ghi nguồn Rs1 ñược ñưa vào MDR ñể ñược lưu
vào bộ nhớ trong.
- Một lệnh của ALU
Ngã ra ALU ← Kết quả của phép tính
ALU thực hiện phép tính xác định trong mã lệnh,
đưa kết quả ra ngã ra.
- Một phép nhảy
Ngã ra ALU ← ðịa chỉ lệnh tiếp theo do ALU tính.

ALU cộng địa chỉ của PC với độ dời để làm thành
địa chỉ đích và ñưa ñịa chỉ này ra ngã ra. Nếu là một phép


207


Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý

nhảy có điều kiện thì thanh ghi trạng thái được đọc quyết
định có cộng ñộ dời vào PC hay không.
4. Thâm nhập bộ nhớ trong hoặc nhảy lần cuối
Giai ñoạn này thường chỉ ñược dùng cho các lệnh
nạp dữ liệu, lưu giữ dữ liệu và lệnh nhảy.
- Tham khảo ñến bộ nhớ:
MDR ← M[MAR] hoặc M[MAR] ← MDR
Số liệu ñược nạp vào MDR hoặc lưu vào ñịa chỉ mà
MAR trỏ ñến.
- Nhảy:
If (ñiều kiện), PC ← ngả ra ALU
Nếu ñiều kiện ñúng, ngã ra ALU được nạp vào PC.
ðối với lệnh nhảy khơng điều kiện, ngả ra ALU ln được
nạp vào thanh ghi PC.
5. Lưu trữ kết quả
Rd ← Ngã ra ALU hoặc Rd ← MDR
Lưu trữ kết quả trong thanh ghi đích.

7.6. Xử lý ngắt (Interrupt Handling)
Ngắt là một sự kiện xảy ra một cách ngẫu nhiên trong máy
tính và làm ngưng tính tuần tự của chương trình (nghĩa là tạo ra

một lệnh nhảy). Phần lớn các nhà sản xuất máy tính (ví dụ như
IBM, INTEL) dùng từ ngắt quãng ñể ám chỉ sự kiện này, tuy nhiên


208


Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý

một số nhà sản xuất khác dùng từ “ngoại lệ”, “lỗi”, “bẫy” ñể chỉ
ñịnh hiện tượng này.
Bộ ñiều khiển của CPU là bộ phận khó thực hiện nhất và
ngắt quãng là phần khó thực hiện nhất trong bộ ñiều khiển. ðể
nhận biết ñược một ngắt quãng lúc ñang thi hành một lệnh, ta phải
biết ñiều chỉnh chu kỳ xung nhịp và ñiều này có thể ảnh hưởng đến
hiệu quả của máy tính.
Người ta đã nghĩ ra “ngắt quãng” là ñể nhận biết các sai sót
trong tính tốn số học, và để ứng dụng cho những hiện tượng thời
gian thực. Bây giờ, ngắt quãng ñược dùng cho các cơng việc sau
đây:
Ngoại vi địi hỏi nhập hoặc xuất số liệu.
Người lập trình muốn dùng dịch vụ của hệ điều
hành.
Cho một chương trình chạy từng lệnh.
Làm điểm dừng của một chương trình.
Báo tràn số liệu trong tính tốn số học.
Trang bộ nhớ thực sự khơng có trong bộ nhớ.
Báo vi phạm vùng cấm của bộ nhớ.
Báo dùng một lệnh khơng có trong tập lệnh.
Báo phần cứng máy tính bị hư.

Báo điện bị cắt.



209


Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý

Dù rằng ngắt quãng khơng xảy ra thường xun nhưng bộ
xử lý phải được thiết kế sao cho có thể lưu giữ trạng thái của nó
trước khi nhảy đi phục vụ ngắt qng. Sau khi thực hiện xong
chương trình phục vụ ngắt, bộ xử lý phải khơi phục trạng thái của
nó để có thể tiếp tục cơng việc.
ðể đơn giản việc thiết kế, một vài bộ xử lý chỉ chấp nhận
ngắt sau khi thực hiện xong lệnh ñang chạy. Khi một ngắt xảy ra,
bộ xử lý thi hành các bước sau ñây:
1. Thực hiện xong lệnh ñang làm.
2. Lưu trữ trạng thái hiện tại.
3. Nhảy đến chương trình phục vụ ngắt
4. Khi chương trình phục vụ chấm dứt, bộ xử lý khôi phục
lại trạng thái cũ của nó và tiếp tục thực hiện chương trình
mà nó đang thực hiện khi bị ngắt.
Bảng 7.1 cho ta thấy thứ tự thực hiện các sự kiện khi xảy ra
ngắt, ở ñây t1
Bảng 7.1. Thực hiện các vi tác vụ khi ngắt

210


Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý

7.7. Kỹ thuật ống dẫn (PIPELINE)
ðây là một kỹ thuật làm cho các giai ñoạn khác nhau của
nhiều lệnh ñược thi hành cùng một lúc.
Ví dụ: Chúng ta có những lệnh đều đặn, mỗi lệnh ñược thực
hiện trong cùng một khoảng thời gian. Giả sử, mỗi lệnh ñược thực
hiện trong 5 giai ñoạn và mỗi giai ñoạn ñược thực hiện trong 1 chu
kỳ xung nhịp. Các giai đoạn thực hiện một lệnh là:
• Lấy lệnh (IF: Instruction Fetch),
• Giải mã (ID: Instruction Decode),
• Thi hành (EX: Execute),
• Thâm nhập bộ nhớ (MEM: Memory Access),
• Lưu trữ kết quả (RS: Result Storing).
Hình 7.9 cho thấy ñể xử lý 5 lệnh chúng ta cần 9 chu kỳ
xung nhịp. Trong chu kỳ xung nhịp thứ nhất, lệnh thứ i nhất được
tìm nạp vào. Trong chu kỳ xung nhịp thứ hai, trong khi lệnh thứ i
ñang thực hiện giải mã thì lại tiếp tục nạp lệnh tiếp theo i+1. Sang
chu kỳ xung nhịp thứ ba, trong khi lệnh thứ i ñang thực hiện, lệnh
thứ i+1 ñang giải mã thì lại tiếp tục tìm nạp lệnh thứ i+2.

Hình 7.9. Thực hiện lệnh trong kỹ thuật pipeline



211

Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý

So sánh với kiểu xử lý tuần tự thơng thường, 5 lệnh được
thực hiện trong 25 chu kỳ xung nhịp, thì xử lý lệnh theo kỹ thuật
ống dẫn thực hiện 5 lệnh chỉ trong 9 chu kỳ xung nhịp.
Cứ như thế, nếu số lệnh tăng lên nữa thì tiến tới chỉ trong
một chu kỳ xung nhịp, bộ xử lý có thể thực hiện một lệnh (bình
thường lệnh này được thực hiện trong 5 chu kỳ).
Như vậy kỹ thuật ống dẫn làm tăng tốc ñộ thực hiện các
lệnh. Tuy nhiên kỹ thuật ống dẫn có một số ràng buộc:
- Cần phải có một mạch điện tử để thi hành mỗi giai đoạn
của lệnh vì tất cả các giai ñoạn của lệnh ñược thi hành cùng lúc.
Trong một bộ xử lý không dùng kỹ thuật ống dẫn, ta có thể dùng bộ
logic số học ALU để cập nhật thanh ghi PC, cập nhật địa chỉ của
tốn hạng bộ nhớ, địa chỉ ơ nhớ mà chương trình cần nhảy tới, làm
các phép tính trên các tốn hạng vì các phép tính này có thể xảy ra
ở nhiều giai đoạn khác nhau.
- Phải có nhiều thanh ghi khác nhau dùng cho các tác vụ
đọc và viết. Trên hình 7.9, tại một chu kỳ xung nhịp (chu kỳ xung
nhịp 5), ta thấy cùng một lúc có 2 tác vụ ñọc (IF, MEM) và 1 tác vụ
viết (RS).
- Trong một máy có kỹ thuật ống dẫn, có khi kết quả của
một tác vụ trước đó, là tốn hạng nguồn của một tác vụ khác. Giả
sử kết quả của lệnh thứ i là tốn hạng của lệnh thứ i+1 thì tại chu
kỳ xung nhịp thứ 4 lệnh thứ i+1 không thể thực hiện (EX) được vì
cịn chưa có giá trị tốn hạng. Như vậy sẽ có thêm những khó khăn
địi hỏi phải có cơ chế xử lý riêng.
- Cần phải giải mã các lệnh một cách đơn giản để có thể
giải mã và đọc các tốn hạng trong một chu kỳ duy nhất của xung

nhịp.
- Cần phải có các bộ làm tính ALU hữu hiệu để có thể thi
hành lệnh số học dài nhất, có số giữ, trong một khoảng thời gian ít
hơn một chu kỳ của xung nhịp.


212


Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý

- Cần phải có nhiều thanh ghi lệnh ñể lưu giữ lệnh mà
chúng ta phải xem xét cho mỗi giai ñoạn thi hành lệnh.
- Cuối cùng phải có nhiều thanh ghi bộ đếm chương trình
PC để có thể tái tục các lệnh trong trường hợp có ngắt quãng.
Những khó khăn trong kỹ thuật ống dẫn
Khi thi hành lệnh trong một máy tính dùng kỹ thuật ống
dẫn, có nhiều trường hợp làm cho việc thực hiện kỹ thuật ống dẫn
khơng thực hiện được như là: thiếu các mạch chức năng, một lệnh
dùng kết quả của lệnh trước, một lệnh nhảy.
Ta có thể phân biệt 3 loại khó khăn: khó khăn do cấu trúc,
khó khăn do số liệu và khó khăn do điều khiển.
a. Khó khăn do cấu trúc:
ðây là khó khăn do thiếu bộ phận chức năng, ví dụ trong
một máy tính dùng kỹ thuật ống dẫn phải có nhiều ALU, nhiều PC,
nhiều thanh ghi lệnh IR ... Các khó khăn này được giải quyết bằng
cách thêm các bộ phận chức năng cần thiết và hữu hiệu.
b. Khó khăn do số liệu:
Lấy ví dụ trường hợp các lệnh liên tiếp sau:
Lệnh 1: ADD R1, R2, R3

Lệnh 2: SUB R4, R1, R5
Lệnh 3: AND R6, R1, R7
Lệnh 4: OR R8, R1, R9
Hình 7.10 cho thấy R1, kết quả của lệnh 1 chỉ có thể được
dùng cho lệnh 2 sau giai ñoạn MEM của lệnh 1, nhưng R1 ñược


213


Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý

dùng cho lệnh 2 vào giai ñoạn EX của lệnh 1. Chúng ta cũng thấy
R1 được dùng cho các lệnh 3 và 4.

Hình 7.10. Những khó khăn do số liệu
ðể khắc phục khó khăn này, một bộ phận phần cứng ñược
dùng ñể ñưa kết quả từ ngã ra ALU trực tiếp vô một trong các
thanh ghi ngã vào như trong hình 7.5.
Khi bộ phận phần cứng nêu trên phát hiện có dùng kết quả
của ALU làm tốn hạng cho liệt kê, nó tác động vào mạch ña hợp
ñể ñưa ngã ra của ALU vào ngã vào của ALU hoặc vào ngã vào
của một ñơn vị chức năng khác nếu cần.
c. Khó khăn do điều khiển:
Các lệnh làm thay đổi tính thi hành các lệnh một cách tuần
tự (nghĩa là PC tăng ñều ñặn sau mỗi lệnh), gây khó khăn về điều
khiển. Các lệnh này là lệnh nhảy ñến một ñịa chỉ tuyệt ñối chứa
trong một thanh ghi, hay lệnh nhảy ñến một ñịa chỉ xác ñịnh một
cách tương ñối so với ñịa chỉ hiện tại của bộ đếm chương trình PC.
Các lệnh nhảy trên có thể có hoặc khơng điều kiện.

Trong trường hợp đơn giản nhất, tác vụ nhảy khơng thể biết
trước giai đoạn giải mã. Như vậy, nếu lệnh nhảy bắt ñầu ở chu kỳ C
thì lệnh mà chương trình nhảy tới chỉ ñược bắt ñầu ở chu kỳ C+2.
Ngoài ra, phải biết ñịa chỉ cần nhảy ñến mà ta có ở cuối giai ñoạn


214


Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý

giải mã ID. Trong lệnh nhảy tương ñối, ta phải cộng ñộ dời chứa
trong thanh ghi lệnh IR vào thanh ghi PC. Việc tính ñịa chỉ này chỉ
ñược thực hiện vào giai ñoạn ID với điều kiện phải có một mạch
cơng việc riêng biệt.
Vậy trong trường hợp lệnh nhảy khơng điều kiện, lệnh mà
chương trình nhảy đến bắt đầu thực hiện ở chu kỳ C+2 nếu lệnh
nhảy bắt ñầu ở chu kỳ C.
Cho các lệnh nhảy có điều kiện thì phải tính tốn điều kiện.
Thơng thường các kiến trúc RISC đặt kết quả việc so sánh vào
trong thanh ghi trạng thái, hoặc vào trong thanh ghi tổng quát.
Trong cả 2 trường hợp, ñọc ñiều kiện tương đương với đọc thanh
ghi. ðọc thanh ghi có thể ñược thực hiện trong phân nửa chu kỳ
cuối giai ñoạn ID.
Một trường hợp khó hơn có thể xảy ra trong những lệnh
nhảy có điều kiện. ðó là điều kiện ñược có khi so sánh 2 thanh ghi
và chỉ thực hiện lệnh nhảy khi kết quả so sánh là ñúng. Việc tính
tốn trên các đại lượng logic khơng thể thực hiện ñược trong phân
nửa chu kỳ và như thế phải kéo dài thời gian thực hiện lệnh nhảy
có điều kiện. Người ta thường tránh các trường hợp này để khơng

làm giảm mức hữu hiệu của máy tính.
Vậy trường hợp đơn giản, người ta có thể được địa chỉ cần
nhảy đến và điều kiện nhảy cuối giai đoạn ID. Vậy có chậm đi một
chu kỳ mà người ta có thể giải quyết bằng nhiều cách.
Cách thứ nhất là đóng băng kỹ thuật ống dẫn trong một chu
kỳ, nghĩa là ngưng thi hành lệnh thứ i+1 ñang làm nếu lệnh thư i là
lệnh nhảy. Ta mất trắng một chu kỳ cho mỗi lệnh nhảy.
Cách thứ hai là thi hành lệnh sau lệnh nhảy nhưng lưu ý
rằng hiệu quả của một lệnh nhảy bị chậm mất một lệnh. Vậy lệnh
theo sau lệnh nhảy ñược thực hiện trước khi lệnh mà chương trình


215