Thiết kế CPU BÀI TẬP KIẾN TRÚC MÁY TÍNH CHỦ ĐỀ: THIẾT KẾ CPU NHÓM 8: 1. PHA LI NHA 2. NGUYỄN ĐÌNH THẮNG 3. PHẠM THỊ THỦY 4. NGUYỄN TỪ TOÁN 5. NGUYỄN THU THÙY 6. MAI VĂN THẮNG Page 1 of 73 Thiết kế CPU I.  1.  CPU (Central Processing Unit) được gọi là microprocessor hay processor – là một đơn vị xử lý trung tâm, được xem như não bộ, một trong những phần tử cốt lõi nhất của máy vi tính 2.  Trong lịch sử phát triển của mình, chiếc máy tính đã phát triển từ một chiếc máy chữ đơn thuần thành một thiết bị đóng vai trò căn bản trong phương thức mà hàng triệu con người chúng ta làm việc, liên lạc, học tập, giải trí và còn nhiều mô hình sử dụng khác nữa. Việc giới thiệu chiếc máy tính cá nhân IBM đầu tiên năm 1981 đã đánh dấu một bước ngoặt cơ bản trong ngành công nghiệp điện toán. 3.  a. !"#$ Đây là dòng sản phẩm đầu tiên do Intel phát triển dùng cho các máy PC. IBM chính là nhà sản xuất máy tính cá nhân đầu tiên sử dụng loại CPU này. Những CPU tiêu biểu là seri 8086 (sản xuất năm 1978) và seri 8088 (sản xuất năm 1979) có thể truy cập được 1MB bộ nhớ. Vi xử lý thế hệ thứ 1 b. !"%$ Được giới thiệu năm 1982, CPU 80286 của Intel một lần nữa đã khẳng định được vị thế của mình. Nhờ tính tương thích với những CPU của thế hệ trước nên những chương trình viết trước đó đều hoạt động bình thường trên CPU 80286 Page 2 of 73 Thiết kế CPU Vi xử lý thế hệ thứ 2 Là bước tiến quan trọng trong việc chuyển đổi cách xử lý các số liệu từ dạng 16bit thành dạng 32bit. CPU 80386 ra đời năm 1985 được thiết kế tối ưu cho các hoạt động tốc độ cao. Sử dụng cho các hệ điều hành cao cấp như Windows 3x và Windows NT với khả năng thực hiện nhiều tác vụ (multitasking) cùng lúc Vi xử lý thế hệ thứ 3 Giảm thời gian thực thi 1 câu lệnh: để hoàn thành 1 câu lệnh đơn giản thì CPU 486 sử dụng trung bình khoảng 2 chu kì xung clock trong khi CPU 386 cần 4 chu kì xung clock. Thiết kế bộ nhớ đệm trong cấu trúc của CPU giúp nâng cao tốc độ xử lý. Bổ sung tính năng “Burst-mode memory cycles” giúp truy xuất bộ nhớ nhanh hơn. Tích hợp bộ xử lý toán học nâng cao hoạt động, đồng thời với bộ xử lý toán học có sẵn nhằm tăng cường khả năng tính toán cho CPU. Vi xử lý thế hệ thứ 4 c. !"&$ Được thiết kế với những cấu trúc và tính năng mới, điển hình là dòng sản phẩm Pentium của Intel và K5 của AMD.Intel Pentium Processor được giới thiệu vào ngày 19-10-1992, CPU Pentium tương thích hoàn toàn với các CPU của Intel Page 3 of 73 Thiết kế CPU trước đó. CPU Pentium có 32bit bus và 64bit data giúp cho CPU di chuyển lượng dữ liệu gấp đôi so với các CPU thế hệ trước trong cùng một chu kì. Các CPU Intel Pentium thế hệ này hoạt động với xung clock khá cao (từ 75MHz đến 266MHz) như Pentium I, Pentium II, Pentium MMX. Vi xử lý thế hệ thứ 5 Được bổ sung nhiều chức năng mới hoàn toàn như: Dynamic Execution, Dual Independent Bus. Thế hệ thứ 6 được bắt đầu vào khoảng tháng 11-1995 (Pentium Pro). Kể từ đó, các sản phẩm tiếp theo đều có thiết kế căn bản tương tự như cấu trúc của Pentium Pro. Vi xử lý thế hệ thứ 6 Intel Celeron, Intel Pentium III: được giới thiệu vào tháng 2-1999, bổ sung thêm một số như: xử lý ảnh, đồ họa, xem phim, nghe nhạc, nhận dạng giọng nói. Page 4 of 73 Thiết kế CPU Intel Celeron, Intel Pentium III d. !"'()*+, Là thế hệ của CPU Pentium 4 dùng kiến trúc NetBurst do Intel sản xuất. Dòng CPU Pentium kết thúc vào ngày 27 tháng 7 năm 2006 và được thay thể bởi dòng Intel Core (sử dụng nhân "Conroe"). CPU Pentium 4 Đặc trưng của vi xử lý thế hệ này là CPU có khả năng xử lý dữ liệu 64bit. Intel Itanium and Itanium 2: được thiết kế với công nghệ 90nm dùng cho các máy chủ hoặc trạm cần hiệu năng cao. Itanium là CPU đầu tiên của Intel có cấu trúc 64bit được giới thiệu vào ngày 21-5-2001. Itanium 2 là CPU dành cho server được giới thiệu vào tháng 6-2002. Intel Itanium and Itanium 2 Page 5 of 73 Thiết kế CPU /-0123 /-01245: là CPU 64bit dành cho máy tính cá nhân thông thường với bộ điều khiển bộ nhớ được tích hợp trong CPU giúp truy xuất dữ liệu trực tiếp vào bộ nhớ với thời gian nhanh nhất.Điểm khác biệt giữa Athlon 64 và Athlon 64 FX là dung lượng cache và độ rộng của bus bộ nhớ. AMD Athlon 64 & AMD Athlon 64 FX II. 678909::;<=>?@ABC; Page 6 of 73 Thiết kế CPU Có 3 khối chính: 1. Bộ điều khiển : Control Unit CU Nhận lệnh từ bộ nhớ Giải mã lệnh và phát tín hiệu thực hiện lệnh 2. ALU (Arilthmetic and Logic Unit) Thực hiện các phép toán số học và logic 3. Register Set (Tập các thanh ghi) Là những ngăn nhớ đặc biệt nằm ngay bên trong vộ VXL dùng để lưu trữ các dữ liệu tạm thời giúp cho hoạt động của bộ nhớ Ngoài ra còn có: Đơn vị nối ghép bus(Bus interface Unit - BIU): Page 7 of 73 Thiết kế CPU kết nối và trao đổi thông tin giữa bus bên trong (internal bus)và bus bên ngoài (external bus) .D)(E=>) 1. FG);00 Page 8 of 73 Thiết kế CPU - Clock: Mạch xung nhịp đồng hồ hệ thống dùng để đồng bộ các thao tác xử lí trong và ngoài CPU theo các khoảng thời gian không đổi. - Có liên hệ thông tin với tất cả các đơn vị trong Bộ VXL bởi nó điều khiển toàn bộ hoạt động xử lý thông tin bên trong Bộ VXL - Kết quả giải mã lệnh dược đưa đến khối logic điều khiển CL (Control Logic) tạo ra chuỗi các tín hiể để điều khiển quá trình ghi đọc với các thanh ghi bên trong, tính toán ALU - Từ CL, các xung tín hiệu điều khiển đi ra bus điều khiển của hệ thống tác động đến BN hoặc đơn vị I/O để thực hiện trao đổi dữ liệu - CL nhận tín hiệu điều khiển từ bên ngoài, như tín hiệu ngắn (INT, NMI), HOLD, RESET . . . để xử lý bên trong trước khi đưa ra các tín hiệu trả lời như: chấp nhận ngắt INTA, dừng HALT… - CL quyết định thứ tự làm việc của từng đơn vị bộ VXL và sự trao đổi thông tin với thế giới bên ngoài chip VXL - CL là trung tâm điều khiển của BVXL 2. -H8-B9IH0C Page 9 of 73 Thiết kế CPU - Chứa khối logic thực hiện xử lý dữ liệu - ALU là một phần tử cơ bản của CPU của một máy tính - Bộ VXL chứa rất nhiều và rất phức tạp các ALU - Một ALU phải xử lý các số sử dụng nhị phân cùng form với các mạch điện tử, đó là hệ nhị phân 1 và 0. - Mỗi ALU có một thiết kế khác nhau, nhưng đều theo qui tắc mã bù hai. Từ đó, bộ ALU dễ dàng tính toàn các phép cộng trừ - Thực hiện các phép tính số học và logic: and, sub, mul, div, and, or, not . . . . Shift left, shift right, decr, incr . . - Có hai cổng vào để nhận dữ liệu vào ALU và cổng ra để lấy kết quả xử lý dữ liệu của ALU ra ngoài - Các thanh ghi temp1 và temp2 làm nhiệm vụ nhận dữ liệu từ các nơi khác nhau bên trong bộ VXL thông qua bus dữ liệu bên trong và lưu trữ trung gian dữ liệu trong quá trình xử lý dữ liệu trong ALU - Tương tự, cổng ra kết nối với bus dữ liệu bên trong do đó kết quả phép toàn có thể được ra tới các nơi khác nhau, dữ liệu thường được đưa tới nơi bộ cộng. - Các lệnh máy được ALU xử lý có thể là 1 hay 2 toán hạng - Lệnh máy được đọc từ BN vào Bộ VXL được giải mã nhờ bộ giải mã lệnh để tạo ra chuỗi các tín hiệu đi tới ALU điều khiển quá trình xử liệu trong ALU. 3. J9:9K98 !C Là vùng nhớ được CPU nhận biết qua tên thanh ghi và có tốc độ truy xuất cực nhanh Page 10 of 73 [...]... trình thiết kế tiếp theo lặp đi lặp lại trên các mức trừu tượng hóa cao hơn 3 Platform methodology Hai phương pháp thiết kế được trình bày trong các phần trước đại diện cho các trường hợp lý tưởng của hai khái niệm thiết kế khác nhau Trong thực tế, phương pháp thiết kế khác nhau từ công ty đến công ty và thậm chí giữa các nhóm khác nhau trong cùng một công ty Trong trường hợp này, hệ thống thiết kế thường... để tạo ra các hợp phần phần cứng dựa trên chức năng của chúng - Thiết kế tương thích chung:Để thiết kế tổng quát ngôn ngữ cho phép người thiết kế đặt cấu hình mô tả hợp phần có thống số chúng trong thiết kế Mô tả tương thích chung có thể thay đổi kích thước đặc tính vật lý, định thời đặc tính tải và môi trường hoạt động của thiết kế - Khai báo kiểu và cách dùng: Ngôn ngữ VHDL cho phép mô tả các kiểu... phân chia thiết kế hoặc tổng hợp phải được lặp đi lặp lại một lần nữa mà không có thiết kế thực sự biết liệu tối ưu hóa được đi đúng hướng Để tránh quá nhiều bước lặp thiết kế, các nhà thiết kế cần các khái niệm về đóng cửa số liệu trong đó giá trị khác nhau từ mức độ trừu tượng thấp hơn số liệu được sử dụng để chú thích thiết kế trên mức độ trừu tượng cao hơn Trong trường hợp này, nhà thiết kế có thể... các hợp phần nhỏ đến lớn hoạt động tại một thời điểm - Hỗ trợ phân cấp thiết kế: Đây là đặc tính thiết yếu của ngôn ngữ phần cứng đa cấp Thiết kế chứa một mô tả giao diện và một số phần độc lập để mô tả hoạt động Hoạt động của hệ thống có thể được đặc tả dựa trên chức năng hoặc dựa trên cấu trúc của những phần nhỏ hơn chúng Đặc tả cấu trúc các hợp phần có thể được thực hiện ở tất cả các cấp thiết kế. .. tuyền xuyên qua các dây dẫn Trong ngôn ngữ VHDL các dây dẫn này được gọi là “tín hiệu” Các tín hiệu hiện hữu từ khi bắt đầu đến khi kết thúc của tá trình tái tạo Không tạo ra tin hiệu mới hoặc không nối kết vậy lý với các tin hiệu được cho phép tỏng thời gian tái tạo Các tín hiệu không có chứa đựng như các biến Các tién hiệu như là những đối tượng và có các kết nối được cố định với các tín hiệu khác... nhóm lại bằng cách sử dụng khối Ngôn ngữ VHDL cho phép sử dụng các thư viện và liên kết các hợp phần phụ của thiết kế với các phần tử của thư viện khác VI Mối quan hệ giữa ngôn ngữ VHDL và phần cứng 1 Các kiểu VHDL Trong ngôn ngữ VHDL có các kiểu sau: - Kiểu liệt kê được định nghĩa bằng cách liệt kê dánh sách cac giá trị, mỗi thành phần của danh sách là một tên dành riêng hoặc là một ký tự số Ví dụ:... diện của thiết kế, mà còn chứa một số đặc tả của hệ thống Các đặc tả và các mẫu có thể dựa vào thư viện sau khi được dịch bởi chương trình dịch - Có lệnh tuần tự: Khi người thiết kế phân chia hệ thống thành những hợp phần đồng thời hay phần con, tiếp đó người thiết kế có thể mô tả chi tiết hoạt động bên trong bằng những cấu trúc ngôn ngữ lập trình tuần tự như các lệnh case, if – then – else, loop, … Các. .. tượng cao hơn Mỗi thiết kế được thực hiện từ mức cổng trước , với thiết kế ngày càng phức tạp nên phương pháp này thường khó quản lý và sửa lỗi , đặc biệt các vi xử lý với hàng triệu transistor Các thiết kế theo phương pháp bottom-up thông thường phải đưa ra cấu trúc mới , cách thiết kế phân cấp mới nếu không sẽ khó quản lý những thiết kế phức tạp 2 Top – down methodology ( phương pháp từ trên xuống)... thiết kế cho mọi máy tính nhưng ngày nay thiết kế quá phức tạp như vậy cho phương pháp hoàn chỉnh từ trên xuống Nói chung, phương pháp từ trên xuống để lại vị trí và định tuyến cho bước cuối cùng Bằng cách tránh bố trí trên các cấp độ khác của trừu tượng Thật không may, số liệu các hệ thống và các thành phần không được biết đến cho đến khi bước cuối cùng và do đó nó là rất khó để tối ưu hóa thiết kế. .. Phương pháp thiết kế CPU Bottom – up methodology ( phương pháp từ dưới lên ) Phương pháp từ dưới lên bắt đầu ngay cả trước khi các công cụ CAD(computeraided Page 17 of 73 Thiết kế CPU Design – máy tính hỗ trợ thiết kế) đã được phát minh Nó vẫn còn được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp hiện nay, bởi vì nó sau một phương pháp trực quan của việc xây dựng các bộ phận trước khi lắp ráp toàn bộ sản phẩm Phương . Thi t k CPU BÀI T P KIẾN TRÚC MÁY T NH CHỦ ĐỀ: THI T K CPU NHÓM 8: 1. PHA LI NHA 2. NGUYỄN ĐÌNH THẮNG 3. PHẠM THỊ THỦY 4. NGUYỄN T TOÁN 5. NGUYỄN THU THÙY 6. MAI VĂN THẮNG Page 1 of 73 Thi t. ho t động bình thường trên CPU 80 286 Page 2 of 73 Thi t k CPU Vi xử lý thế hệ thứ 2 Là bước tiến quan trọng trong việc chuyển đổi cách xử lý các số liệu t dạng 16bit thành dạng 32bit. CPU 80 386 . thế hệ thứ 3 Giảm thời gian thực thi 1 câu lệnh: để hoàn thành 1 câu lệnh đơn giản thì CPU 486 sử dụng trung bình khoảng 2 chu k xung clock trong khi CPU 386 cần 4 chu k xung clock. Thi t k bộ