Bài giảng Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của CPU

MODUL:CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CPU Người thực hiện:Nguyễn Duy Hảo * Mục Tiêu:Người học có khả năng VỀ 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 năng VỀ 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 CPU Rèn luyện tính kiên nhẫn Trau dồi khả năng phân tích ,tổng hợp hóa vấn đề,tư duy kĩ thuật vấn đề khoa học MỘT SỐ KHÁI NIỆM CẤU 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 trúc HÌNH ẢNH MÁY TÍNH PHẦN A:TỔNG QUAN MÁY TÍNH Một hệ thống điện tử phức tạp Có tính phân cấp Mỗi cấp chứa tập hợp thành phần con Các thành phần có mối quan hệ chặt chẽ CẤU TRÚC CỦA MÁY TÍNH Bốn 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 Trao đổi thông tin (di chuyển dữ liệu) Liên kết CPU, RAM, thành phần xuất nhập Lưu trữ chương trình và dữ liệu Điều khiển hoạt động của máy tính và xử lý dữ liệu CÂU HỎI : Bộ phận nào điều khiển hoạt động máy tính? Cấu tạo gồm những thành phần nào? Hoạt động như thế nào? CHỨC NĂNG CỦA MÁY TÍNH Máy tính Dữ liệu Vào (số , hình ảnh, văn bản, âm thanh, ...) Dữ liệu Ra (số , hình ảnh, văn bản, âm thanh, ...) CHỨC NĂNG CỦA MÁY TÍNH Lưu trữ dữ liệu Lưu dữ liệu,thông tin(văn bản,hình ảnh,âm thanh,....) Hình thức lưu dạng nhị phân CHỨC NĂNG CỦA MÁY TÍNH Trao đổi thông tin Di chuyển dữ liệu Nhập xuất dữ liệu Truyền dữ liệu Giữa máy tính với thiết bị Giữa máy tính với máy tính CHỨC NĂNG CỦA MÁY TÍNH Điều khiển Quản lý tài nguyên máy tính Điều phối vận hành các thành phần PHẦN B:CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CPU MÔT SỐ KHÁI NIỆM: Cấu tạo:kết hợp nhiều bộ phận thành một vật thể Nguyên lý: quy luật được ứng dụng vào thực tế MỘT SỐ CPU 1.KHÁI NIỆM CPU CPU(Central Processing  Unit ) Đơn vị xử lí trung tâm Mạch xử lý dữ liệu được lập trình sẵn Phần tử cốt lõi nhất của máy tính 2.NHIỆM VỤ CỦA CPU Thực hiện lệnh chương trình Nhận lệnh Giải mã lệnh Nhận dữ liệu Xử lý dữ liệu Ghi dữ liệu 3.CHỨC NĂNG CPU Điều khiển hoạt động của máy tính Thực thi chương trình ghi trên đĩa 2.CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CPU ĐƠN VỊ GIAO TIẾP BUS:BIU (BUS Interface Unit) chức năng gửi ra các địa chỉ nhận các lệnh từ bộ nhớ đọc 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 2.1.Ðơn vị thi hành (Executive Unit) ĐƠN VỊ THỰC THI Bộ xử lý số học và logic Bộ thanh ghi cờ Bộ thanh ghi đa năng Bộ xử lý số học và logic ALU(Arithmetic Logic Unit) xử lý thông tin đã số hoá của máy tính Thực hiện các phép tính cơ bản cộng, trừ (các số nhị phân) AND, OR, NOR, NOT ,đảo, quay, dịch các bít ... Bộ thanh ghi cờ một thanh ghi 16 bít Lưu các thông tin đặc biệt trạng thái hiện thời CPU Lưu trạng thái kết quả của lệnh Bộ thanh ghi đa năng AX:thực hiện phép toán số học,lệnh xuất nhập cổng,xử lý chuỗi BX: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 nhập * 2.2.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) HÀNG ĐỢI LỆNH một thanh ghi FIFO (First - In - First - Out) hàng đợi Chứa các lệnh tiếp theo tăng tốc độ của hệ thống kỹ thuật  pipelining CÁC THANH GHI ĐOẠN bốn 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. CON TRỎ LỆNH IP địa 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. 3.Bus Bus địa chỉ (Address BUS) BUS dữ liệu (Data BUS) BUS điều khiển (Control BUS) BUS ĐỊA CHỈ CPU 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... BUS DỮ LIỆU chuyển 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 lúc BUS ĐIỀU KHIỂN tập hợp các đường dây điều khiển điều khiển các tác vụ của hệ thống 4 đến 10 đường tín hiệu các tín hiệu điều khiển điển hình: MEMR (MEMory Read), MEMW (MEMory Write), IOR (I/O Read) và IOW (I/O Write) 3.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CPU CPU 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 lượt Trong 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 HỎI VÀ ĐÁP 1.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? Chuong 2 : Tổ chức CPU * Sơ đồ khối Control Unit ALU Đơn vị giao tiếp – IO Card IO Device Registers Main Memory Có 2 tác vụ : Đọc /Ghi 2 loại dữ liệu: 1) Data : số liệu đầu vào, kết quả, dữ liệu trung gian 2) Chương trình Phép toán: số học, luận lý, so sánh, dịch, quay,xử lý bit CPU đọc, phân tích lệnh , ra lệnh cho các đơn vị chức năng thực hiện