Kiến trúc máy tính - Chương 5: Bộ xử lý - Đường đi dữ liệu - Điều khiển

Khoa KH & KT Máy tính Boää moânâ Kyõõ thuaäät Maùùy tính Phaïïm Töôøøng Haûûi Nguyeãnã Quoáác Tuaáán Kiến trúc Máy tính - Chap 05 2 Tài liệu tham khảo ) “Computer Organization and Design: the hardware/software interface”, John L. Hennessy & David A. Patterson, Second Edition, MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS, INC. 1998 ) “Computer Architecture: a quantitative approach”, John L. Hennessy & David A. Patterson, Third Edition, MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS, INC. 2002 Kiến trúc Máy tính - Chap 05 3 Chương 5. Kiến trúc Máy tính - Chap 05 4 5.1 Dẫn nhập )Hiệu suất của máy tính được quyết định bởi 3 yếu tố chính: số câu lệnh, chu kỳ clock và CPI (cycle per instruction) )Chương trình dịch và cấu trúc tập lệnh quyết định số câu lệnh của chương trình )Chu kỳ clock và CPI được quyết định bởi cách hiện thực của bộ xử lý, cụ thể là đường đi dữ liệu (datapath) và điều khiển (control) )Xây dựng đường đi dữ liệu và điều khiển (mang tính minh họa) cho 1 bộ phận của tập lệnh MIPS • Lệnh truy xuất bộ nhớ: lw và sw • Lệnh số học – luận lý: add , sub , and , or , và slt • Lệnh nhảy: beq và j Kiến trúc Máy tính - Chap 05 5 5.1 ... )Bất kỳ câu lệnh nào cũng phải thực thi 2 bước đầu tiên như sau • Gửi nội dung của thanh ghi bộ đếm chương trình (program counter – PC) đến bộ nhớ lệnh để lấy câu lệnh từ bộ nhớ • Đọc một vài thanh ghi (toán hạng) có địa chỉ được xác định bởi các vùng toán hạng của câu lệnh )Sau 2 bước thực thi trên, các bước thực thi kế tiếp nhằm hoàn thành câu lệnh phụ thuộc vào từng nhóm lệnh khác nhau )Đối với tập con các lệnh MIPS chúng ta chọn để minh họa, các bước thực thi có khá nhiều điểm giống nhau (td. sử dụng bộ số học – luận lý ALU) )Điểm khác biệt chủ yếu nằm ở các bước thực thi cuối của câu lệnh Kiến trúc Máy tính - Chap 05 6 5.1 ... )Các khối mạch được chia làm 2 loại: mạch tổ hợp (combinational circuit) và mạch trạng thái (state circuit) hay mạch tuần tự )Sơ đồ tổng quát hiện thực kiến trúc phần cứng ở MIPS Kiến trúc Máy tính - Chap 05 7 5.2 Xây dựng đường đi dữ liệu )Phương thức xây dựng đường đi dữ liệu • Xác định các phần tử kiến trúc cần thiết cho câu lệnh • Xây dựng dần dần các phân khúc cho đường đi dữ liệu ứng với từng công đoạn trong thực thi câu lệnh • Tiến đến xây dựng hoàn chỉnh đường đi dữ liệu cho câu lệnh )Bộ nhớ lệnh (instruction memory) )Bộ cộng)Bộ đếm chương trình (PC) Kiến trúc Máy tính - Chap 05 8 5.2 ... )Đường đi dữ liệu cho bước đọc lệnh ) Tiến hành xây dựng đường đi dữ liệu cho các lệnh R-type ? add $t1 , $t2 , $t2 sub $s0 , $t0 , $t1 slt $t0 , $s0 , $s1 Kiến trúc Máy tính - Chap 05 9 5.2 ... ) Tập thanh ghi (register files) • 2 ngõ đọc dữ liệu • 1 ngõ ghi dữ liệu • 3 ngõ nhận địa chỉ thanh ghi • Tín hiệu điều khiển ghi )Đơn vị số học – luận lý (ALU – Arithmetic Logic Unit) • 32-bit ALU đã giới thiệu ở chương 4 • 3-bit các tín hiệu điều khiển • 2 ngõ vào toán hạng 32-bit • 1 ngõ ra kết quả và 1 bit zero Kiến trúc Máy tính - Chap 05 10 5.2 ... )Đường đi dữ liệu cho lệnh dạng R-type )Xây dựng đường đi dữ liệu cho các lệnh truy xuất bộ nhớ ? lw $t0, 0($t1) sw $t1 , 4($sp) Kiến trúc Máy tính - Chap 05 11 5.2 ... )Bộ nhớ dữ liệu (Data memory unit) • 1 ngõ nhận địa chỉ ô nhớ • 1 ngõ nhận dữ liệu ghi • Tín hiệu điều khiển đọc/ghi • 1 ngõ dữ liệu đọc )Bộ mở rộng dấu (Sign- extension unit) • Ngõ nhập dữ liệu 16-bit • Ngõ ra dữ liệu 32-bit Kiến trúc Máy tính - Chap 05 12 5.2 ... )Đường đi dữ liệu cho lệnh truy xuất bộ nhớ )Xây dựng đường đi dữ liệu cho lệnh rẽ nhánh ? beq $s3 , $s4 , L1 Kiến trúc Máy tính - Chap 05 13 5.2 ... )Đường đi dữ liệu cho lệnh rẽ nhánh Kiến trúc Máy tính - Chap 05 14 5.3 Hiện thực bộ xử lý đơn chu kỳ )Hiện thực bộ xử lý cho các câu lệnh MIPS đã xét • Xây dựng đường đi dữ liệu cho tất cả các nhóm lệnh trên cơ sở tổng hợp các đường đi dữ liệu đã khảo sát • Thêm vào các tín hiệu điều khiển • Chỉ hiện thực đơn giản bằng kiến trúc đơn chu kỳ (singcle cycle) )Xây dựng đường đi dữ liệu cho tất cả các câu lệnh • Đáp ứng thực thi mọi câu lệnh chỉ trong 1 chu kỳ clock • Cần phải nhân số lượng đối với các phần tử kiến trúc được sử dụng nhiều hơn 1 lần trong cùng một câu lệnh • Cần 1 bộ nhớ dành riêng cho câu lệnh và 1 bộ nhớ dành riêng cho dữ liệu • Chia sẽ các phần tử kiến trúc giữa những nhóm lệnh khác nhau nhờ vào các bộ multiplexor hay còn gọi là data selector Kiến trúc Máy tính - Chap 05 15 5.3 ... )Xây dựng đường đi dữ liệu cho các lệnh bộ nhớ và lệnh R-type Sign extend 16 32 Read register 1 Read register 2 Write register Write data Read data 1 Read data 2 Registers Regwrite Zero Result ALU ALU operation 3 Instruction Address Write data Read data Data memory MemRead MemWrite M U X ALUSrc M U X MemtoReg Kiến trúc Máy tính - Chap 05 16 5.3 ... ) Thêm vào đường đi dữ liệu cho bước đọc lệnh Sign extend 16 32 Read register 1 Read register 2 Write register Write data Read data 1 Read data 2 Registers Regwrite Zero Result ALU ALU operation 3 Address Write data Read data Data memory MemRead MemWrite M U X ALUSrc M U X MemtoReg Instruction address Instruction Instruction memory Adder PC 4 Kiến trúc Máy tính - Chap 05 17 5.3 ... )Hiện thực đường đi dữ liệu cho cả 3 nhóm lệnh Sign extend 16 32 Read register 1 Read register 2 Write register Write data Read data 1 Read data 2 Registers Regwrite Zero Result ALU ALU operation 3 Address Write data Read data Data memory MemRead MemWrite M U X ALUSrc M U X MemtoReg Instruction address Instruction Instruction memory Adder PC 4 Shiftleft2 M U X PCSrc Adder Kiến trúc Máy tính - Chap 05 18 5.3 ... )Điều khiển ALU • Các tín hiệu điều khiển • Quan hệ với câu lệnh • Thiết kế các tín hiệu điều khiển ? Set on less than111 Subtract110 Add010 OR001 AND000 FunctionALU control Input 111101010set on less than10R-type 001100101OR10R-type 000100100AND10R-type 110100010subtract10R-type 010100000add10R-type 110XXXXXXbranch equal01BEQ 010XXXXXXstore word00SW 010XXXXXXload word00LW ALU control InputFunct fieldOperationALUOpOpcode Kiến trúc Máy tính - Chap 05 19 5.3 ... )Dạng thức nhóm lệnh R-type )Dạng thức các lệnh load/store )Dạng thức các lệnh rẽ nhánh 5 - 010 - 615 - 1120 -1625 - 2131 - 26 functshamtrdrtrs0 15 - 020 -1625 - 2131 - 26 addressrtrs35 hay 43 15 - 020 -1625 - 2131 - 26 addressrtrs4 Kiến trúc Máy tính - Chap 05 20 5.3 ... )Đường đi dữ liệu dưới tác động của câu lệnh Sign extend 16 32 Read register 1 Read register 2 Write register Write data Read data 1 Read data 2 Registers Regwrite Zero Result ALU Address Write data Read data Data memory MemRead MemWrite 1 M U X 0 ALUSrc 1 M U X 0 MemtoReg Instruction address Instruction [31 - 0] Instruction memory Adder PC 4 Shiftleft2 0 M U X 1 PCSrc Adder ALU control 0 M U X 1 RegDst Instruction [25 - 21] ALUOp Instruction [20 - 16] Instruction [15 - 11] Instruction [15 - 0] Instruction [15 - 0] Kiến trúc Máy tính - Chap 05 21 5.3 ... ) Đường đi dữ liệu + Đơn vị điều khiển = Bộ xử lý Sign extend 16 32 Read register 1 Read register 2 Write register Write data Read data 1 Read data 2 Registers Zero Result ALU Address Write data Read data Data memory 1 M U X 0 1 M U X 0 Instruction address Instruction [31 - 0] Instruction memory Adder PC 4 Shiftleft2 0 M U X 1 Adder ALU control 0 M U X 1 Instruction [25 - 21] Instruction [20 - 16] Instruction [15 - 11] Instruction [15 - 0] Instruction [15 - 0] Control RegDst Branch MemRead MemtoReg ALUOp MemWrite ALUSrc RegWrite I n s t r u c t i o n [ 3 1 - 2 6 ] Kiến trúc Máy tính - Chap 05 22 5.4 Bộ xử lý đa chu kỳ ) Trong thực tế, người ta không sử dụng bộ xử lý đơn chu kỳ vì các lý do sau • Thời gian thực hiện các câu lệnh luôn khác nhau Ö phải chọn chu kỳ hoạt động của bộ xử lý bằng với chu kỳ thực thi câu lệnh dài nhất ! • Khả năng trùng lắp các phần tử chức năng cao )Ở bộ xử lý đa chu kỳ (multiple clock), quá trình thực thi 1 câu lệnh diển ra thành nhiều chu kỳ clock )Bộ xử lý đa chu kỳ khắc phục được những nhược điểm chính của bộ xử lý đơn chu kỳ )Một số khác biệt trong thiết kế • Tinh chỉnh thời gian thực thi từng câu lệnh theo giản đồ trạng thái • Có thể sử dụng 1 bộ nhớ chung cho cả câu lệnh lẫn dữ liệu • Thêm vào 1 số thanh ghi để chứa dữ liệu/kết quả trung gian Kiến trúc Máy tính - Chap 05 23 5.4 ... )Sơ đồ khối tổng quát bộ xử lý đa chu kỳ ALUOut AInstructionregister PC Data Register # Register # Register # Registers Address Instruction or data Memory Data A L U Memory data register B Kiến trúc Máy tính - Chap 05 24 Bài tập ) 5.5 ) 5.10 “Computer Organization and Design: the hardware/software interface”, John L. Hennessy & David A. Patterson, Second Edition, MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS, INC. 1998