Giáo trình Kiến trúc máy tính

Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 191 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 ñược lưu trong bộ nhớ chính. Như ñã ñề cập trong phần giới thiệu, do giáo trình này ñược 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 ñòi hỏi ở bên trong nó và những gi nó phải thực hiện. Nói chung những công việc nó phải làm là: - Tìm nạp lệnh (Fetch Instruction): CPU ñọc một lệnh từ bộ nhớ - Diễn giải lệnh (Interpret Instruction): Lệnh ñược giải mã và xác ñịnh xem hành ñộng gì ñòi hỏi thực hiện - Tìm nạp dữ liệu (Fetch data): ðể thực hiện câu lệnh có thể ñòi hỏi ñọc dữ liệu từ bộ nhớ hoặc từ các thiết bị nhập xuất - Xử lý dữ liệu (Process data): Việc thi hành lệnh có thể ñòi 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 ñòi hỏi phải ghi dữ liệu vào bộ nhớ hoặc ghi ra các thiết bị nhập xuất. ðể làm ñược các việc như vậy ñòi 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 ñược ở ñâu có thể nhận ñược lệnh tiếp theo ñể thực hiện. Nó cần lưu tập lệnh và dữ liệu tạm thời trong khi thực thi Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 192 một lệnh nào ñó. 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 ñơn 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 ñơn 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 ñích ñặc biệt (special-purpose registers). Các thanh ghi mục ñích chung ñược sử dụng cho bất kỳ mục ñích 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 ñích ñặc biệt chỉ có một số chức năng bên trong CPU, ví dụ như bộ ñếm chương Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 193 trình (progam counter - PC) là một thanh ghi với mục ñích ñặc biệt ñó là chỉ dùng ñể lưu ñịa chỉ của lệnh cần thực hiện tiếp theo. Một ví dụ khác của thanh ghi với mục ñích ñặc 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 ñể thực hiện các phép tính số học (như cộng, trừ, nhân , chia), logic (như NOT, AND, OR) và các phép toán dịch chuyển trong bộ lệnh. Bộ ñiều khiển (control block) chịu trách nhiệm ñiều khiển mọi hoạt ñộng của CPU như tìm nạp lệnh từ bộ nhớ chính, giải mã nó, ñịnh loại xem nó thuộc loại nào và cuôi cùng là ra lệnh cho các bộ phận trong CPU làm việc gì. CPU tìm nạp lệnh từ bộ nhớ chính, ñọc dữ liệu từ bộ nhớ chính, ghi dữ liệu ngược lại ñó khi cần và truyền các dữ liệu từ các thiết bị ngoại vi vào máy tính cũng như ñưa các dữ liệu trong máy tính ra các thiết bị ngoại vi. Các thiết bị ngoại vi ở ñây có thể là ổ ñã 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. Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 194 Hình 7.2. Cấu trúc bên trong của CPU 7.2. Bộ ñiều khiển Giống như trong một trung ñội thì mọi hoạt ñộng ñược ñiều khiển bởi trung ñội trưởng, bộ ñiều khiển chịu trách nhiệm ñiều khiển mọi hoạt ñộng của CPU. Bộ ñiều khiển tạo các tín hiệu ñiều khiển di chuyển số liệu (tín hiệu di chuyển số liệu từ các thanh ghi ñến 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 ñược thực hiện một cách tuần tự. ðể thiết kế một bộ ñiều khiển, ta có thể dùng một trong hai cách là dùng mạch ñiện tử hoặc dùng vi chương trình (microprogram). Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 195 Bộ ñiều khiển mạch ñiện tử Trong chương 5 chúng ta ñã học về mạch tuần tự. Một bộ ñiều khiển mạch ñiện tử có nguyên lý hoạt ñộng như một mạch tuần tự. Tức là sẽ có các trạng thái và các ñường tín hiệu mà sự thay ñổi của các tín hiệu tại một thời ñiểm 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 ñộng hóa) trạng thái hữu hạn như một mạch tuần tự có nhiều hệ thống hay nhiều thành phần mà ở mỗi thời ñiểm xem xét ñều có một trạng thái (state). Mục ñích của trạng thái là ghi nhớ những gì có liên quan trong quá trình hoạt ñộng của hệ thống. Vì chỉ có một số trạng thái nhất ñịnh nên nói chung không thể ghi nhớ hết toàn bộ lịch sử của hệ thống, do vậy nó phải ñược thiết kế cẩn thận ñể ghi nhớ những gì quan trọng. Ưu ñiểm của hệ thống (chỉ có một số hữu hạn các trạng thái) ñó là có thể cài ñặt hệ thống với một lượng tài nguyên cố ñịnh. Chẳng hạn, chúng ta có thể cài ñặt Automate trạng thái hữu hạn trong phần cứng máy tính ở dạng mạch ñiện hay một dạng chương trình ñơn giản, trong ñó, nó có khả năng quyết ñịnh khi chỉ biết một lượng giới hạn dữ liệu hoặc bằng cách dùng vị trí trong ñoạn mã lệnh ñể ñưa 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 ñể tạo ra chế ñộ nhanh cho tác vụ Theo tổ chức ñiều khiển vi trình, thông tin ñiều khiển ñược lưu trong bộ nhớ ñiều khiển, bộ nhớ ñiều khiển ñược lập trình ñể khởi ñộng 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. Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 196 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 ñược mã tác vụ phải làm là gì. Sau khi giải mã, các tín hiệu này ñược ñưa vào mạch ñiều 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 ñiều khiển sẽ cho ta các tín hiệu ñiều khiển cần thiết. Các tín hiệu ñiều khiển có thể là ñưa dữ liệu một thanh ghi nào ñó lên BUS, ñưa dữ liệu từ trên BUS vào thanh ghi, mở tín hiệu ghi vào một thanh ghi, ñưa ra tín hiệu ñọc/ghi vào bộ nhớ chính, khởi ñộng ngắt ñể truyền dữ liệu ra HDD, máy in,… Mã tác vụ ñịa chỉ bộ nhớ, thanh ghi,… Mạch giải mã nxm Các cổng ñiều khiển Tín hiệu ñiều khiển m-1 Dm-1 … 0 Bộ tạo các thời hiệu D0 T Các tín hiệu khác (INR, CLR,…) Clock IR Hình 7.3. Sơ ñồ khối bộ ñiều khiển máy tính cơ bản Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 197 Bộ ñiều khiển vi chương trình Thay vì bộ ñiều khiển cứng dùng mạch tổ hợp các cổng ñể cho ra các tín hiệu ñiều khiển thì ñiều 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 ñược 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 công việc khá ñơn giản và rất hữu hiệu. Các sai sót trong thiết kế automat ñiều 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 toán 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 ñích chung có thể ñược dùng cho nhiều mục ñích và ñược nhà lập trình dùng ñể gán cho những trạng thái khác nhau của các hàm, các biến. Thanh ghi có mục ñích ñặc 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 không thể dùng trong tính toán ñịa chỉ của các toán 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 ñến việc phải sử dụng tham chiếu hay con trỏ tới bộ nhớ nhiều hơn làm giảm ñáng kể ñến tốc ñộ thực thi của chương trình. Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 198 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 ñó trong CPU Thanh ghi truy cập bộ nhớ Có hai thanh ghi ñược dùng ñặc 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 ñặc biệt và các nhà lập trình không 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 ñó trong bộ nhớ, ñầu tiên sẽ ñược CPU tải vào thanh ghi MDR 2. ðịa chỉ của vùng nhớ ñó (vùng nhớ sẽ ghi dữ liệu vào) ñược CPU tải vào trong MAR 3. Sau cùng bộ ñiều khiển sẽ phát ra tín hiệu ñiều khiển “ghi” (write) ñể 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 ñiều khiển “ñọc” (read) ñể ñọc dữ liệu nằm trong bộ nhớ. 3. Dữ liệu nằm trong bộ nhớ có ñịa chỉ chứa trong MAR sẽ ñược 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 ñếm chương trình (program counter – PC) và thanh ghi lệnh (instruction register – IR). Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 199 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 ñược tìm thấy và lưu vào trong thanh ghi IR. Tại mỗi thời ñiểm chỉ có một lệnh ñược lưu trong IR. Sau khi ñã tìm và ñem 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 thông tin về trạng thái của quá 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 không?có số thừa không?...), trạng thái ngắt, thông 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, ñó là: - Thanh ghi mục ñích chung - Thanh ghi segment - Thanh ghi ñếm 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 ñích chung ñược ñặt 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 12- 14 ñược giới thiệu trong 80286 trong khi các bit 16-17 trong 80386. Bit flag 18 trong 80486. Trong ñó còn nhiều bit chưa ñược Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 200 dùng tới và ñể làm dự trữ cho những mục ñích có thể xuất hiện sau này. Hình 7.4. Các thanh ghi họ 80x86 7.4. ðường ñi dữ liệu (Datapath) Phần ñường ñi 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. Ngoài các thanh ghi tổng quát, phần ñường ñi dữ liệu còn chứa thanh ghi ñếm 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 Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 201 Nhiệm vụ chính của phần ñường ñi dữ liệu là ñọc các toán 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 ñã ñề cập ở trên, thông 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 ñồng hồ, cho nên một phép toán có hai toán hạng sẽ phải cần hai chu kỳ ñồng hồ ñể tìm và nạp các toán hạng cho ALU. Dạng tổ chức BUS này là ñơn giản nhất nhưng nó bị nhiều hạn chế về số lượng dữ liệu ñược chuyển tải trong một chu kỳ ñồng hồ nói chung ñã làm chậm cả hệ thống lại rất nhiều. Hình 7.5 cho ta sơ ñồ tổ chức ñường ñi dữ liệu one-bus . Nó bao gồm bộ các thanh ghi ña mục ñích, 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 Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 202 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 ña mục ñích ñược 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 ñiểm. Do vậy, một lệnh có hai toán hạng có thể tìm và nạp trong cùng một chu kỳ ñồng hồ và như vậy rõ ràng tốc ñộ xử lý lệnh lúc này ñã tăng gấp ñôi. Hơn nữa, trong cấu trúc này (hình 7.6) còn có một thanh ghi ñệm (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 ñệm 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 in- bus và cho phép chuyển kết quả tính toán 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 ñó ñược dùng như là các bus nguồn, bus còn lại như là bus ñích. Các bus nguồn chuyển dữ liệu ra khỏi thanh ghi (out-bus), và bus ñích có thể chuyển dữ liệu vào trong các thanh ghi (in-bus). Mỗi ñầu của out- bus 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 ñộ cần thiết mà các loại máy tính khác nhau sẽ có số lượng bus khác nhau. Tổ chức máy tính ñơn giản loại three-bus có thể mih họa như hình 7.7. Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 203 Hình 7.6. Tổ chức ñường truyền dữ liệu dạng two-bus Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 204 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 ñược lấy ra từ bộ nhớ chính và khi CPU tìm thấy một lệnh, nó sẽ phân tích lệnh ñó ñể thực thi, sau ñó 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. Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 205 Hình 7.8. Hoạt ñộng của CPU 1. ðọc lệnh (fetch instruction): Chuỗi các sự kiện trong một lần tìm ñọc lệnh cò thể tổng quát 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 ô nhớ có ñịa 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: Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 206 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 ñó các thanh ghi Rs1 và Rs2 ñược ñưa vào A và B.Thanh ghi PC ñược tăng lên ñể chỉ tới lệnh kế ñó. ðể hiểu rõ giai ñoạn này, ta lấy dạng thức của một lệnh làm tính tiêu biểu sau ñây: Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 207 Các thanh ghi nguồn Rs1 và Rs2 ñược sử dụng tuỳ theo tác vụ, kết quả ñược ñặt trong thanh ghi ñích 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 luôn 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 ñịnh vị (Rs2). MDR ← Rs1 ðịa chỉ hiệu dụng do ALU tính ñược ñưa 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 ñịnh trong mã lệnh, ñưa kết quả ra ngã ra. - Một phép nhảy Ngã ra ALU ← ðịa chỉ lệnh tiếp theo do ALU tính. ALU cộng ñịa chỉ của PC với ñộ dời ñể làm thành ñịa chỉ ñích và ñưa ñịa chỉ này ra ngã ra. Nếu là một phép Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 208 nhảy có ñiều kiện thì thanh ghi trạng thái ñược ñọc quyết ñịnh 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 ñược nạp vào PC. ðối với lệnh nhảy không ñiều kiện, ngả ra ALU luôn ñược nạp vào thanh ghi PC. 5. Lưu trữ kết quả Rd ← Ngã ra ALU hoặc Rd ← MDR Lưu trữ kết quả trong thanh ghi ñích. 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 Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 209 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 ñến hiệu quả của máy tính. Người ta ñã nghĩ ra “ngắt quãng” là ñể nhận biết các sai sót trong tính toán số học, và ñể ứng dụng cho những hiện tượng thời gian thực. Bây giờ, ngắt quãng ñược dùng cho các công việc sau ñây:
Ngoại vi ñòi hỏi nhập hoặc xuất số liệu.
Người lập trình muốn dùng dịch vụ của hệ ñiều hành.
Cho một chương trình chạy từng lệnh.
Làm ñiểm dừng của một chương trình.
Báo tràn số liệu trong tính toán số học.
Trang bộ nhớ thực sự không có trong bộ nhớ.
Báo vi phạm vùng cấm của bộ nhớ.
Báo dùng một lệnh không có trong tập lệnh.
Báo phần cứng máy tính bị hư.
Báo ñiện bị cắt. Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 210 Dù rằng ngắt quãng không xảy ra thường xuyên nhưng bộ xử lý phải ñược thiết kế sao cho có thể lưu giữ trạng thái của nó trước khi nhảy ñi phục vụ ngắt quãng. Sau khi thực hiện xong chương trình phục vụ ngắt, bộ xử lý phải khôi phục trạng thái của nó ñể có thể tiếp tục công việc. ðể ñơn 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 ñến 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 ñang 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<t2<t3. Bảng 7.1. Thực hiện các vi tác vụ khi ngắt Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 211 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 ñều ñặn, 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 ñoạn 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 ñược 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 Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 212 So sánh với kiểu xử lý tuần tự thông thường, 5 lệnh ñược 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 ñược 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 ñiện tử ñể thi hành mỗi giai ñoạn 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 ñể cập nhật thanh ghi PC, cập nhật ñịa chỉ của toán hạng bộ nhớ, ñịa chỉ ô nhớ mà chương trình cần nhảy tới, làm các phép tính trên các toán hạng vì các phé