Đề tài CPU
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (495.38 KB, 64 trang )
THUYÊT TRÌNH BTL MÔN KIẾN TRÚC VÀ TỔ CHỨC MÁY
TÍNH
Đề tài :CPU
•
NHÓM 3
Khái niệm về CPU
CPU viết tắt của chữ Central Processing Unit (tiếng Anh) - đơn vị xử lí trung
tâm.CPU là một linh kiện quan trọng nhất của máy tính . Nó được ví như
bộ não của con người, một trong những phần tử cốt lõi nhất của máy vi
tính. Nhiệm vụ chính của CPU là xử lý các chương trình vi tính và dữ
kiện. Toàn bộ quá trình xử lí,tính toán và điều khiển được thực hiện tại
đây. Cấu trúc chung
•
Bộ điều khiển ( Control Unit_CU ).
•
Đơn vị số học và logic (Arithmetic and Logic Unit – ALU).
•
Tập thanh ghi .
•
Bus bên trong (Intemal bus ).
Bộ điều khiển ( Control Unit_CU )
•
Chức năng :
- Khối này chuyên tạo ra các lệnh điều khiển.
- Là các vi xử lí có nhiệm vụ thông dịch các lệnh của chương trình và điều khiển hoạt động xử
lí,được điều tiết chính xác bởi xung nhịp đồng hồ hệ thống.
- Điều khiển nhận lệnh từ bộ nhớ đưa vào thanh ghi lệnh.
- Tăng nội dung của bộ đếm trương trình PC(Program counter) để trỏ sang lệnh kế tiếp.
–
Phát ra các tín hiệu điều khiển lệnh.
–
Nhận các tín hiệu yêu cầu từ các bus hệ thống và đáp ứng các yêu cầu đó.
Mô hình kết nối CU
Các tín hiệu
•
TÍN HIỆU VÀO
Tín hiệu clock
•
TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN
Đơn vị số học và logic (Arithmetic and Logic Unit – ALU).
•
Chức năng : Thực hiện các phép toán số học và phép toán logic
–
Phép toán số học : cộng,trừ,nhân, chia,tăng,giảm,đảo dấu.
–
Phép toán logic : AND,OR,XOR,NOT,phép dịch bit.
Mô hình kết nối
Dữ liệu ra đến
các thanh gh
Dữ liệu vào từ
các thanh gh
Các tín hiệu từ
đơn vị điều khiển
thanh ghi cờ
Ðơn vị số học và logic
(ALU)
Tập thanh ghi
•
Chức năng :
- Chứa các thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động ở thời hiện tại của
CPU.
–
Được coi là mức đầu tiên của hệ thống nhớ.
–
Tùy thuộc vào bộ xử lí cụ thể.
Số lượng thanh ghi càng nhiều thì hiệu năng của CPU càng tăng.
Tập thanh ghi
•
Phân loại
Có 2 cách phân loại thanh ghi :
> Phân loại theo người sử dụng
- Các thanh ghi lập trình được .
-Các thanh ghi không thể lập trình được .
Tập thanh ghi
> Phân loại theo chức năng :
- Thanh ghi địa chỉ .
- Thanh ghi dữ liệu .
- Thanh ghi đa năng .
- Thanh ghi điều khiển/trạng thái .
- Thanh ghi lệnh .
Một số thanh ghi điển hình
•
Các thanh ghi địa chỉ .
•
Bộ đếm chương trình PC(program Counter).
•
Con trỏ dữ liệu DP(Data Pointer).
•
Con trỏ ngăn xếp SP(Stack Pointer).
•
Thanh ghi cơ sở và thanh ghi chỉ số(Base Register&Index Register).
•
Các thanh ghi dữ liệu.
•
Các thanh ghi trạng thái.
.
Bus bên trong (Intemal bus).
•
Bus là tập các dây kết nối các thành phần của máy tính .
•
Các loại bus :
- Bus địa chỉ .
- Bus dữ liệu.
- Bus điều khiển.
Bus địa chỉ
•
Chức năng :vận chuyển địa chỉ để xác định ngăn nhớ hay cổng vào ra.
•
Độ rộng bus địa chỉ: xác định dung lượng bộ nhớ cực đại của hệ thống.
•
Nếu độ rộng bus địa chỉ là N bit :
•
AN-1,AN-2,…A2,A1,A0.
•
có thể đánh địa chỉ tối đa cho 2^N ngăn nhớ.
•
Ví dụ: Bộ xử lí Pentium có bus địa chỉ 32 bit.
Bus dữ liệu
•
Chức năng :Vận chuyển lệnh từ bộ nhớ đến CPU. Vận chuyển dữ liệu
giữa CPU,các mô đun nhớ và mô đun vào-ra với nhau.
•
Các loại tín hiệu điều khiển:Xác định số bít dữ liệu có thể được trao đổi
đồng thời.
•
M bit: DM-1,DM-2,…D2,D1,D0.
•
M thường là:8,16,32,64,128 bit.
Bus điều khiển
•
Chức năng: vận chuyển các tín hiệu điều khiển.
•
Các tín hiệu điều khiển:
+ Các tín hiệu phát ra từ CPU để điều khiển mô-đun nhớ và mô-đun vào-
ra.
+ Các tín hiệu từ mô-đun nhớ hay mô-đun vào-ra gửi đến yêu cầu CPU.
Hoạt động của CPU
•
Ở thời điểm ban đầu CPU hoạt động theo mức kiến trúc là cấu trúc tuần
tự .
•
Cấu trúc tuần tự là chương trình được một CPU thi hành và một bộ nhớ
chứa dữ liệu của nó . Các lệnh lần lượt sẽ được nhận từ bộ nhớ về rồi
được thực hiện qua các bước .
Các bước thực hiện lệnh trong CPU
•
Các bước tiến hành gồm 5 bước :
•
+ IF ( Instruction Fetch ) : Nhận lệnh từ bộ nhớ hay cache .
•
+ ID ( Instruction Decode ) : Giải mã lệnh và đọc các toán hạng .
•
+ EX ( Exeute ) : Thực hiện lệnh , nếu là lệnh truy cập từ bộ nhớ thì tính toán trên địa chỉ ô
nhớ .
•
+ MEM ( Memory access ) : Truy cập bộ nhớ .
•
+ WB ( Write Back ) : Ghi lưu kết quả vào thanh ghi .
Mô hình cấu trúc tuần tự
Tốc độ xử lý của cấu trúc tuần tự
•
Giả sử có một chương trình cần CPU thực hiện n lệnh . Mỗi lệnh được
thực hiện trong một chu kỳ T . Mỗi bước thực hiện lệnh cần khoảng thời
gian là T/5 . Vậy tổng thời gian thực hiện một chương trình ( hay thực
hiện n lệnh ) là :
•
T(tt) = T * n .
Kiến trúc song song mức lệnh
•
Kiến trúc song song mức lệnh là các kỹ thuật làm giảm tối thiểu thời gian thực hiện lệnh của bộ vi
xử lý , tức là làm tăng tốc độ xử lý thông tin của bộ vi xử lý . Ở mức kiến trúc đầu tiên là cấu trúc
tuần tự , sau đó là kỹ thuật đường ống ( Pipeline ) , tiếp theo là mức kiến trúc song song bao
gồm :
•
+ Kỹ thuật siêu đường ống ( Superpipeline ).
•
+ Kỹ thuật siêu vô hướng ( Superscalar ) .
•
+ Kỹ thuật đường ống dẫn dài VLIW
•
( Very Long Instruction Word ).
Kỹ thuật đường ống ( Pipeline )
•
Pipeline ( đường ống ) là một kỹ thuật thực hiện lệnh trong đó các lệnh
được thực hiện theo kiểu gối đầu lên nhau nhằm tận dụng những khoảng
thời gian nhàn rỗi giữa các bước . Qua đó nhằm làm tăng tốc độ thực
hiện của bộ vi xử lý .
Mô hình pipeline lý tưởng
Tốc độ xử lý của lý thuật pipeline
•
Giả sử thời gian thực hiện một bước trong kỹ thuật pipeline là T/5 .
•
Vậy thời gian thực hiện một lệnh trong kỹ thuật pipeline là T.
•
Thời gian thực hiện hai lệnh trong kỹ thuật pipeline là T + T/5 .
•
Thời gian thực hiện ba lệnh trong kỹ thuật pipeline là
•
Thời gian thực hiện n lệnh trong kỹ thuật pipeline là
•
Tpp= T + ((n -1)*T)/5
