Khoa Khoa KH & KT KH & KT M M ỏ ỏ y y t t ớ ớ nh nh Bo Bo ọ ọ moõn moõn Kyừ Kyừ thua thua ọ ọ t t Ma Ma ự ự y y t t ớ ớ nh nh Pha Pha ù ù m m T T ử ử ụ ụ ứ ứ ng ng Ha Ha ỷ ỷ i i Nguyeón Nguyeón Quo Quo ỏ ỏ c c Tua Tua ỏ ỏ n n Kiến trúc Máy tính - Chap 05 2 Tài liệuthamkhảo ) “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 Dẫnnhập ) 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) [...]... 100100 000 R-type 10 OR 100101 001 R-type 10 set on less than 101010 111 Kiến trúc Máy tính - Chap 05 18 5. 3 Dạng thức nhóm lệnh R-type 0 rs rt rd shamt funct 31 - 26 25 - 21 20 -1 6 15 - 11 10 - 6 5- 0 Dạng thức các lệnh load/store 35 hay 43 rs rt address 31 - 26 25 - 21 20 -1 6 15 - 0 Dạng thức các lệnh rẽ nhánh 4 rs rt address 31 - 26 25 - 21 20 -1 6 15 - 0 Kiến trúc Máy tính - Chap 05 19 5. 3 Đường... - 0] Instruction [ 25 - 21] Instruction [20 - 16] Instruction [ 15 - 11] 0 M U X 1 Read register 1 Read data 1 Read register 2 Write Registers register Read data 2 Write data MemWrite ALUSrc 1 M U X 0 RegDst 16 Sign extend Instruction [ 15 - 0] Instruction [ 15 - 0] Kiến trúc Máy tính - Chap 05 MemtoReg Zero ALU Result Address Read data Data Write memory 1 M U X 0 data 32 ALU control ALUOp MemRead 20 5. 3... Instruction memory Instruction [31 - 0] Control Instruction [31 - 26] Branch MemRead MemtoReg ALUOp MemWrite ALUSrc RegWrite Instruction [ 25 - 21] Instruction [20 - 16] Instruction [ 15 - 11] Kiến trúc Máy tính - Chap 05 Read data 1 Read register 2 Write Registers register Read data 2 Write data 16 Sign extend Instruction [ 15 - 0] 0 M U X 1 Read register 1 Instruction [ 15 - 0] Zero 1 M U X 0 ALU Result.. .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 (Signextension unit) • Ngõ nhập dữ liệu 16-bit • Ngõ ra dữ liệu 32-bit Kiến trúc Máy tính - Chap 05 11 5. 2 Đường đi dữ liệu cho lệnh truy xuất bộ nhớ Xây dựng đường đi dữ liệu cho lệnh rẽ nhánh ? beq Kiến trúc Máy tính - Chap 05 $s3 , $s4... data M U X Data memory 32 Kiến trúc Máy tính - Chap 05 MemRead 15 5.3 Thêm vào đường đi dữ liệu cho bước đọc lệnh Adder 4 ALU operation PC Instruction address Instruction memory Instruction Read register 1 Read register 2 Write register 3 ALUSrc MemtoReg Zero ALU Registers Read data 2 Write data Regwrite M U X Result Address Write data Sign extend 16 Kiến trúc Máy tính - Chap 05 MemWrite Read data 1... 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 22 5. 4 Sơ đồ khối tổng quát bộ xử lý đa chu kỳ PC Address Instruction register Memory Data Kiến trúc Máy tính - Chap 05 Register # A ALU Instruction or data Data Registers Memory data register Register # ALUOut B Register # 23 Bài tập “Computer... 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 14 5. 3 Xây dựng đường đi dữ liệu cho các lệnh bộ nhớ và lệnh R-type ALU operation Read register... Máy tính - Chap 05 $s3 , $s4 , L1 12 5. 2 Đường đi dữ liệu cho lệnh rẽ nhánh Kiến trúc Máy tính - Chap 05 13 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... B Register # 23 Bài tập “Computer Organization and Design: the hardware/software interface”, John L Hennessy & David A Patterson, Second Edition, MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS, INC 1998 5. 5 5. 10 Kiến trúc Máy tính - Chap 05 24 ... Data memory 32 MemRead 16 5. 3 Hiện thực đường đi dữ liệu cho cả 3 nhóm lệnh PCSrc Adder Shift left 2 Adder 4 M U X ALU operation PC Instruction address Instruction memory Instruction Read register 1 Read register 2 Write register 3 ALUSrc MemtoReg Zero ALU Registers Read data 2 Write data Regwrite M U X Result Address Write data Sign extend 16 Kiến trúc Máy tính - Chap 05 MemWrite Read data 1 Read . 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 - 6 15 - 1120 -1 6 25 - 2131 - 26 functshamtrdrtrs0 15 -. -1 6 25 - 2131 - 26 functshamtrdrtrs0 15 - 020 -1 6 25 - 2131 - 26 addressrtrs 35 hay 43 15 - 020 -1 6 25 - 2131 - 26 addressrtrs4 Kiến trúc Máy tính - Chap 05 20 5. 3 ) Đường đi dữ liệu dưới tác động của. Edition, MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS, INC. 2002 Kiến trúc Máy tính - Chap 05 3 Chương 5. Kiến trúc Máy tính - Chap 05 4 5. 1 Dẫnnhập ) Hiệu suất của máy tính được quyết định bởi 3 yếu tố chính: số