Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 11: Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit – CPU)

LOGO
1/86
Chương 11: BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM
(Central Processing Unit – CPU)
KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
Kiến trúc máy tính 2/86
Chương 11. BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM
Cấu trúc cơ bản của CPU11.1
Chế độ địa chỉ11.2
Hoạt động của CPU 11.3
Các kỹ thuật tiên tiến của bộ xử lý 11.4
Kiến trúc Intel 11.5
Nhiệm vụ của CPU
 Nhận lệnh (Fetch Instruction): CPU đọc lệnh từ bộ
nhớ.
 Giải mã lệnh (Decode Instruction): xác định thao tác mà lệnh yêu 
cầu.
 Nhận dữ liệu (Fetch Data): nhận dữ liệu từ bộ nhớ
hoặc các cổng vào-ra.
 Xử lý dữ liệu (Process Data): thực hiện phép toán số học hay 
phép toán logic với các dữ liệu. 
 Ghi dữ liệu (Write Data): ghi dữ liệu ra bộ nhớ hay
cổng vào-ra 
Kiến trúc máy tính 3/86
11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU
Kiến trúc máy tính 4/86
11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU
Kiến trúc máy tính 5/86
11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU
 Chức năng: 
 Điều khiển nhận lệnh từ bộ nhớ đưa vào thanh ghi lệnh 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. 
a. Đơn vị điều khiển (CU) 
Kiến trúc máy tính 6/86
11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU
 Mô hình kết nối của đơn vị điều khiển:
a. Đơn vị điều khiển (CU) a. ơn vị điều khiển (CU) 
Kiến trúc máy tính 7/86
11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU
 Các tín hiệu đưa đến đơn vị điều khiển: 
 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
a. Đơn vị điều khiển (CU) a. ơn vị điều khiển (CU) 
Kiến trúc máy tính 8/86
11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU
 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 ngoài CPU: 
 Điều khiển bộ nhớ chính 
 Điều khiển các module vào-ra
a. Đơn vị điều khiển (CU) a. ơn vị điều khiển (CU) 
Kiến trúc máy tính 9/86
11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU
 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
b. Đơn vị số học và logic (ALU) 
Kiến trúc máy tính 10/86
11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU
 Mô hình kết nối của ALU:
b. Đơn vị số học và logic (ALU) 
b. Đơn vị số học và logic (ALU) 
Kiến trúc máy tính 11/86
11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU
 Chức năng và đặc điểm:
 Tập hợp các thanh ghi nằm trong CPU
 Chứa các thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động ở thời điểm hiện tại của 
CPU
 Được coi là mức đầu tiên của hệ thống nhớ
 Tuỳ thuộc vào bộ xử lý cụ thể
 Số lượng thanh ghi nhiều tăng hiệu năng của CPU
 Có hai loại thanh ghi:
 Các thanh ghi lập trình được
 Các thanh ghi không lập trình được
c. Các thanh ghi
Kiến trúc máy tính 12/86
11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU
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
c. Các thanh ghi
Kiến trúc máy tính 13/86
11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU
Còn 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.
Thanh ghi PC 
c. Các thanh ghi
Kiến trúc máy tính 14/86
11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU
Chứa địa chỉ của ngăn nhớ dữ liệu 
mà CPU muốn truy cập. 
Thường có một số thanh ghi con trỏ 
dữ liệu.
Thanh ghi con trỏ dữ liệu (DP) 
c. Các thanh ghi
Kiến trúc máy tính 15/86
11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU
 Ngăn xếp là vùng nhớ có cấu trúc 
LIFO (Last In - First Out)
 Ngăn xếp thường dùng để phục vụ 
cho chương trình con
 Đáy ngăn xếp là một ngăn nhớ xác 
định
 Đỉnh ngăn xếp là thông tin nằm ở 
vị trí trên cùng trong ngăn xếp
 Đỉnh ngăn xếp có thể bị thay đổi
Con trỏ ngăn xếp (SP) 
c. Các thanh ghi
 SP chứa địa chỉ của ngăn nhớ đỉnh ngăn
xếp
 Khi cất một thông tin vào ngăn xếp:
 Nội dung của SP tự động giảm
 Thông tin được cất vào ngăn nhớ được 
trỏ bởi SP
 Khi lấy một thông tin ra khỏi ngăn xếp:
 Thông tin được đọc từ ngăn nhớ được 
trỏ bởi SP
 Nội dung của SP tự động tăng
 Khi ngăn xếp rỗng, SP trỏ vào đáy
Kiến trúc máy tính 16/86
11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU
Minh họa hoạt động của SP c. Các thanh ghi
Kiến trúc máy tính 17/86
11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU
 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 mà CPU cần 
truy cập so với ngăn nhớ cơ sở. 
Địa chỉ của ngăn nhớ cần truy cập = địa chỉ cơ sở + chỉ số
Thanh ghi cơ sở và thanh ghi chỉ số 
c. Các thanh ghi
Kiến trúc máy tính 18/86
11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU
Thanh ghi cơ sở và thanh ghi chỉ số 
c. Các thanh ghi
Kiến trúc máy tính 19/86
11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU
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
Thanh ghi dữ liệu
c. Các thanh ghi
Kiến trúc máy tính 20/86
11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU
Còn gọi là thanh ghi cờ (Flag Register) 
Chứa các thông tin trạng thái của CPU 
 Các cờ phép toán: biểu thị trạng thái của kết quả phép toán 
 Các cờ điều khiển: điều khiển chế độ làm việc của CPU
Thanh ghi trạng thái
c. Các thanh ghi
Kiến trúc máy tính 21/86
11.1. Cấu trúc cơ bản của CPU
 Cờ Zero (ZF - cờ rỗng): được thiết lập lên 1 khi kết quả của phép toán vừa thực 
hiện xong bằng 0. 
 Cờ Sign (SF - cờ dấu): được thiết lập lên 1 khi kết quả của phép toán vừa t