Bài giảng Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của CPU - Nguyễn Duy Hảo

MODUL:CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CPUNgười thực hiện:Nguyễn Duy Hảo12Mục Tiêu:Người học có khả năngVỀ KIẾN THỨC: Trình bày bằng lời nói khái niệm CPU Mô tả được các thành phần bên trong CPU. Trình bày được phương thức giao tiếp giữa CPU với thiết bị ngoại vi. Trình bày được mối liên hệ phần cứng và phẩn mềm Mục Tiêu:Người học có khả năngVỀ KĨ NĂNG VÀ THÁI ĐỘ: Hình thành kỹ năng làm việc nhóm Hình thành ý thức ham học hỏi,tìm tòi nghiên cứu hoạt động CPURèn luyện tính kiên nhẫn Trau dồi khả năng phân tích ,tổng hợp hóa vấn đề,tư duy kĩ thuật vấn đề khoa học 3MỘT SỐ KHÁI NIỆMCẤU TRÚC:cách thức các thành phần hệ thống liên hệ với nhau CHỨC NĂNG:hoạt động của mỗi thành phần riêng lẻ với tư cách là một phần của cấu trúc4HÌNH ẢNH MÁY TÍNH5PHẦN A:TỔNG QUAN MÁY TÍNHMột hệ thống điện tử phức tạp Có tính phân cấpMỗi cấp chứa tập hợp thành phần conCác thành phần có mối quan hệ chặt chẽ6CẤU TRÚC CỦA MÁY TÍNHBốn thành phần chính: Đơn vị xử lý trung tâm (CPU – Central Processing Unit) Bộ nhớ chính Các thành phần nhập xuất thành phần nối kết hệ thống 7Trao đổithông tin(di chuyển dữ liệu)Liên kết CPU,RAM,thành phần xuất nhậpLưu trữ chương trình và dữ liệuĐiều khiển hoạt động của máy tính và xử lý dữ liệu 8CÂU HỎI :Bộ phận nào điều khiển hoạt động máy tính?Cấu tạo gồm những thành phần nào?Hoạt động như thế nào?9CHỨC NĂNG CỦA MÁY TÍNHMáy tínhDữ liệu Vào(số ,hình ảnh,văn bản,âm thanh,...)Dữ liệu Ra(số ,hình ảnh,văn bản,âm thanh,...)10CHỨC NĂNG CỦA MÁY TÍNHLưu trữ dữ liệu Lưu dữ liệu,thông tin(văn bản,hình ảnh,âm thanh,....)Hình thức lưu dạng nhị phân 11CHỨC NĂNG CỦA MÁY TÍNHTrao đổi thông tinDi chuyển dữ liệuNhập xuất dữ liệu Truyền dữ liệuGiữa máy tính với thiết bịGiữa máy tính với máy tính12CHỨC NĂNG CỦA MÁY TÍNHĐiều khiển Quản lý tài nguyên máy tínhĐiều phối vận hành các thành phần13PHẦN B:CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CPUMÔT SỐ KHÁI NIỆM:Cấu tạo:kết hợp nhiều bộ phận thành một vật thểNguyên lý: quy luật được ứng dụng vào thực tế14MỘT SỐ CPU151.KHÁI NIỆM CPUCPU(Central Processing  Unit )Đơn vị xử lí trung tâm Mạch xử lý dữ liệu được lập trình sẵnPhần tử cốt lõi nhất của máy tính162.NHIỆM VỤ CỦA CPUThực hiện lệnh chương trìnhNhận lệnhGiải mã lệnhNhận dữ liệuXử lý dữ liệuGhi dữ liệu173.CHỨC NĂNG CPUĐiều khiển hoạt động của máy tínhThực thi chương trình ghi trên đĩa182.CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CPUĐƠN VỊ GIAO TIẾP BUS:BIU (BUS Interface Unit) chức năng gửi ra các địa chỉnhận các lệnh từ bộ nhớđọc số liệu vào từ các cổng, bộ nhớ ghi dữ liệu ĐƠN VỊ THỰC THI:EU (Execution Unit). điều khiển cho BIU tìm đúng lệnh, dữ liệu 19202.1.Ðơn vị thi hành (Executive Unit) ĐƠN VỊ THỰC THIBộ xử lý số học và logic Bộ thanh ghi cờ Bộ thanh ghi đa năng 21Bộ xử lý số học và logicALU(Arithmetic Logic Unit) xử lý thông tin đã số hoá của máy tínhThực hiện các phép tính cơ bảncộng, trừ (các số nhị phân) AND, OR, NOR, NOT ,đảo, quay, dịch các bít ... 22Bộ thanh ghi cờ một thanh ghi 16 bítLưu các thông tin đặc biệt trạng thái hiện thời CPU Lưu trạng thái kết quả của lệnh23Bộ thanh ghi đa năng AX:thực hiện phép toán số học,lệnh xuất nhập cổng,xử lý chuỗiBX:định địa chỉ cơ sở khi truy xuất các dữ liệu trong bộ nhớ CX:định số lần lặp lại trong một lệnh DX:để ghi kết quả của các phép toán nhân và chia, định địa cổng trong các phép xuất nhập2425252.2.ĐƠN VỊ GIAO TIẾP BIU(Bus Interface Unit) Gồm có:Hàng đợi lệnh (Instruction Queue)Các thanh ghi đoạn (Segment Register)Con trỏ lệnh IP (Instruction Pointer)26HÀNG ĐỢI LỆNHmột thanh ghi FIFO (First - In - First - Out) hàng đợi Chứa các lệnh tiếp theotăng tốc độ của hệ thốngkỹ thuật  pipelining 27CÁC THANH GHI ĐOẠNbốn thanh ghi CS, DS, ES, SS CS (Code Segment): chứa địa chỉ đoạn mã lệnh.DS (Data Segment): chứa địa chỉ đoạn dữ liệu.ES (Extra Segment): chứa địa chỉ đoạn dữ liệu bổ sung.SS (Stack Segment): chứa địa chỉ đoạn Stack.28CON TRỎ LỆNH IPđịa chỉ offset lệnh kế tiếp (trong đoạn xác định bởi thanh ghi CS).thanh ghi IP tự động thay đổi chỉ địa chỉ offset lệnh sẽ được CPU thi hành kế tiếp.293.Bus Bus địa chỉ (Address BUS)BUS dữ liệu (Data BUS) BUS điều khiển (Control BUS) 30BUS ĐỊA CHỈCPU xác định và nhận ra vị trí của các thiết bị trong hệ thống. Các thiết bị này có thể là các ô nhớ, các cổng giao tiếp...31BUS DỮ LIỆUchuyển dữ liệu và lệnh giữa bộ VXL với các thiết bị vừa phải thu và phát thông tin BUS hai chiều (Bidirectional BUS)không thể thu phát đồng thời cùng một lúc32BUS ĐIỀU KHIỂNtập hợp các đường dây điều khiển điều khiển các tác vụ của hệ thống4 đến 10 đường tín hiệucác tín hiệu điều khiển điển hình: MEMR (MEMory Read), MEMW (MEMory Write), IOR (I/O Read) và IOW (I/O Write)333.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CPUCPU hoạt động hoàn toàn phụ thuộc vào các mã lệnh , mã lệnh là tín hiệu số dạng 0,1 CPU sẽ đọc và làm theo các chỉ lệnh một cách lần lượtTrong quá trình đọc và thực hiện các chỉ lệnh, các bộ giải mã sẽ giải mã các chỉ lệnh này thành các tín hiệu điều khiển 34HỎI VÀ ĐÁP1.Máy tính là gì ?2.Trình bày cấu tạo và chức năng CPU ?3.Trình bày chức năng của đơn vị thi hành ? 4.Trình bày chức năng đơn vị giao tiêp?5.Nêu mối liên hệ các thành phần trong CPU?35Chuong 2 : Tổ chức CPU36Sơ đồ khốiControl UnitALUĐơn vị giao tiếp – IO CardIO DeviceRegisters Main MemoryCó 2 tác vụ : Đọc /Ghi2 loại dữ liệu:1) Data : số liệu đầu vào, kết quả,dữ liệu trung gian2) Chương trìnhPhép toán: số học, luận lý, so sánh, dịch, quay,xử lý bitCPUđọc, phân tích lệnh , ra lệnh cho các đơn vị chức năng thực hiện