BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN KIẾN TRÚC VÀ TỔ CHỨC MÁY TÍNH TÌM HIỂU VỀ CÁC KĨ THUẬT TIÊN TIẾN CỦA BỘ XỬ LÝ Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 3. Nguyễn Hoàng Anh (MSV: 1000321) Nguyễn Thị Ngọc Ánh (MSV: 1000647) Nguyễn Thị Giang (MSV: 1003402) Nguyễn Thị Lợi (MSV: 1021089) Nguyễn Tuấn Thành (MSV: 1011270) Giáo viên hướng dẫn: Tiêu Thị Ngọc Dung Hà Nội, 11-2011 MỤC LỤC CÁC HÌNH ẢNH, BẢNG BIỂU 3 SỬ DỤNG TRONG TÀI LIỆU NÀY 3 CHƯƠNG I 3 CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA BỘ VI XỬ LÝ CPU 3 I.NHIỆM VỤ CỦA CPU 3 II.CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN 3 1.Đơn vị số học và logic (ALU – Arithmetic and Logic Unit) 4 2.Đơn vị điều khiển (CU – Control Unit) 4 3.Tập các thanh ghi (RF – Register File) 5 4.Đơn vị nối ghép Bus (BIU – Bus Interface Unit) 5 CẤU TRÚC CHUNG CỦA CÁC BỘ XỬ LÝ TIÊN TIẾN 6 I.CÁC ĐƠN VỊ XỬ LÝ DỮ LIỆU 6 II.BỘ NHỚ CACHE 7 1.Định nghĩa 7 2.Hai mức Cache 7 III.ĐƠN VỊ QUẢN LÝ BỘ NHỚ 8 1.Tổng quan về quản lý bộ nhớ 8 2.Nhiệm vụ, chức năng của đơn vị quản lý bộ nhớ 10 CÁC KIẾN TRÚC SONG SONG MỨC LỆNH 13 I.TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ỐNG DẪN 13 1.Khái niệm 13 2.Những khó khăn trong kỹ thuật ống dẫn 13 II.SIÊU ỐNG DẪN (SUPERPIPELINE & HYPERPIPELINE) 16 1.Khái niệm 16 2.Nhận xét 16 III.SIÊU VÔ HƯỚNG (SUPERSCALAR) 17 1.Khái niệm 17 2.Nhận xét 18 3.Kỹ thuật siêu luồng (Hyper Threading) 18 4.Máy tính có lệnh rất dài (VLIW – Very long instruction word) 19 5.Kiến trúc IA – 64 19 KIẾN TRÚC RISC 21 I.SƠ LƯỢC VỀ CISC 21 II.CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA RISC 21 1.Khái niệm và lịch sử ra đời 21 2.Các đặc trưng của RISC 22 3.Các kiểu định vị trong các bộ xử lí RISC 24 III.SO SÁNH GIỮA CISC VÀ RISC 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO 27 CÁC HÌNH ẢNH, BẢNG BIỂU SỬ DỤNG TRONG TÀI LIỆU NÀY CÁC HÌNH ẢNH, BẢNG BIỂU 3 SỬ DỤNG TRONG TÀI LIỆU NÀY 3 CHƯƠNG I 3 CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA BỘ VI XỬ LÝ CPU 3 I.NHIỆM VỤ CỦA CPU 3 II.CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN 3 1.Đơn vị số học và logic (ALU – Arithmetic and Logic Unit) 4 Hình 1.2: Mô hình kết nối ALU 4 2.Đơn vị điều khiển (CU – Control Unit) 4 Hình 1.3: Mô hình kết nối đơn vị điều khiển 4 3.Tập các thanh ghi (RF – Register File) 5 4.Đơn vị nối ghép Bus (BIU – Bus Interface Unit) 5 CẤU TRÚC CHUNG CỦA CÁC BỘ XỬ LÝ TIÊN TIẾN 6 Hình 2.1 : Cấu trúc chung của bộ xử lý tiên tiến 6 I.CÁC ĐƠN VỊ XỬ LÝ DỮ LIỆU 6 II.BỘ NHỚ CACHE 7 1.Định nghĩa 7 Hình 2.2 : Trao đổi dữ liệu giữa các thành phần CPU - Cache- RAM 7 2.Hai mức Cache 7 Hình 2.3 : Hoạt động của 2 mức Cache 8 III.ĐƠN VỊ QUẢN LÝ BỘ NHỚ 8 1.Tổng quan về quản lý bộ nhớ 8 Hình 2.4 : Đơn vị quản lý bộ nhớ 10 2.Nhiệm vụ, chức năng của đơn vị quản lý bộ nhớ 10 a)Chuyển đổi địa chỉ ảo thành địa chỉ vật lý 10 Hình 2.5 : Chuyển đổi địa chỉ ảo thành địa chỉ 32bit 10 Hình 2.6 : Chuyển đổi địa chỉ 32 bit thành địa chỉ thật 11 b)Cung cấp cơ chế phân trang/phân đoạn 11 c)Cung cấp chế độ bảo vệ bộ nhớ 12 CÁC KIẾN TRÚC SONG SONG MỨC LỆNH 13 I.TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ỐNG DẪN 13 1.Khái niệm 13 Hình 3.1: Các giai đoạn khác nhau của kỹ thuật ống dẫn 13 2.Những khó khăn trong kỹ thuật ống dẫn 13 Hình 3.2: Khó khăn do số liệu 14 Hình 3.4: Khó khăn do điều khiển 16 II.SIÊU ỐNG DẪN (SUPERPIPELINE & HYPERPIPELINE) 16 1.Khái niệm 16 2.Nhận xét 16 a)Ưu điểm 16 b)Nhược điểm 17 Hình 3.5: Siêu ống dẫn bậc 2 so với ống dẫn đơn giản 17 III.SIÊU VÔ HƯỚNG (SUPERSCALAR) 17 1.Khái niệm 17 Hình 3.6: Siêu vô hướng so với kỹ thuật ống dẫn 18 2.Nhận xét 18 3.Kỹ thuật siêu luồng (Hyper Threading) 18 4.Máy tính có lệnh rất dài (VLIW – Very long instruction word) 19 5.Kiến trúc IA – 64 19 KIẾN TRÚC RISC 21 I.SƠ LƯỢC VỀ CISC 21 Hình 4.1: Đặc tính của một vài máy CISC 21 II.CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA RISC 21 1.Khái niệm và lịch sử ra đời 21 2.Các đặc trưng của RISC 22 Hình 4.2: Đặc tính của ba mẫu đầu tiên máy RISC 23 3.Các kiểu định vị trong các bộ xử lí RISC 24 Hình 4.3: Dạng lệnh trong kiểu định vị thanh ghi cho vài CPU RISC 24 Hình 4.5: Dạng lệnh kiểu định vị tức thì cho vài CPU RISC 25 Hình 4.6: Định vị tức thì trong CPU Power PC 25 Hình 4.7: Dạng lệnh kiểu định vị trực tiếp của vài CPU RISC 25 III.SO SÁNH GIỮA CISC VÀ RISC 26 Bảng 4.1: Bảng so sánh giữa CISC và RISC 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO 27 3 Các kĩ thuật tiên tiến của bộ vi xử lý CHƯƠNG I CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA BỘ VI XỬ LÝ CPU Bộ xử lý trung tâm (CPU – Central Proccesing Unit) là thành phần cốt lõi của một chiếc máy vi tính. Nhiệm vụ của CPU là xử lý những hoạt động, chẳng hạn như tính toán, lưu trữ thông tin và truy tìm. Vì thế CPU biểu thị cho “trí thông minh” của mỗi máy tính. Sự tiến bộ của công nghệ máy tính luôn gắn bó với sự phát triển của CPU. I. NHIỆM VỤ CỦA CPU Nhiệm vụ cơ bản của CPU, như đã nói ở trên, CPU được ví như bộ não của máy vi tính, toàn bộ quá trình xử lý, tính toán và điều khiển đều được thực hiện tại đây : • 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): CPU 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 các cổng vào – ra. II. CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN Hình 1.1 : Sơ đồ cấu trúc cơ bản của CPU Nhóm 3 4 Các kĩ thuật tiên tiến của bộ vi xử lý 1. Đơn vị số học và logic (ALU – Arithmetic and Logic Unit) Có chức năng thực hiện các lệnh của đơn vị điều khiển và xử lý tín hiệu. Theo tên gọi, đơn vị này dùng để thực hiện các phép tính số học(+,-,*,/,…)hay các phép tính logic (AND, OR, XOR, NOT, phép dịch bit…). Hình 1.2: Mô hình kết nối ALU 2. Đơn vị điều khiển (CU – Control Unit) Là các vi xử lí có nhiệm vụ thông dịch các lệnh của chương trình và điều khiển hoạt động xử lí,được điều tiết chính xác bởi xung nhịp đồng hồ hệ thống. Bên cạnh đó, CU còn có chức năng tăng nội dung của bộ đếm chương trình để trỏ sang lệnh kế tiếp; giải mã lệnh được nhận để xác định thao tác mã yêu cầu; phát ra các tín hiệu điều khiển thực hiện lệnh; nhận các tín hiệu yêu cầu từ Bus hệ thống và đáp ứng với các yêu cầu đó. Hình 1.3: Mô hình kết nối đơn vị điều khiển Nhóm 3 5 Các kĩ thuật tiên tiến của bộ vi xử lý 3. Tập các thanh ghi (RF – Register File) • Thanh ghi là thành phần lưu trữ dữ liệu bên trong CPU, là nơi chứa các thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động ở thời điểm hiện tại của CPU. Mỗi thanh ghi có độ dài nhất định (16 bit hoặc 8 bit) và được nhận biết bằng một tên riêng. Tùy vào độ dài và chức năng mà thanh ghi có công dụng chứa dữ liệu hoặc kết quả của phép toán, hoặc là các địa chỉ dùng để định vị bộ nhớ khi cần thiết. Nội dung của thanh ghi được truy xuất thông qua tên riêng của nó. • Một số thanh ghi điển hình: - Các thanh ghi địa chỉ, bao gồm:  Bộ đếm chương trình (PC – Program Counter)  Con trỏ dữ liệu (DT – Data Pointer)  Con trỏ ngăn xếp (SP – Stack Pointer)  Thanh ghi cơ sở và thanh ghi chỉ số (Base Register & Index Register) - Các thanh ghi dữ liệu - Thanh ghi trạng thái 4. Đơn vị nối ghép Bus (BIU – Bus Interface Unit) • Là tập các dây kết nối các thành phần của máy tính • Các loại Bus: - Bus địa chỉ: xác định vùng nhớ hay thiết bị ngoại vi mà CPU cần truy xuất, luôn nhận dữ liệu từ CPU. - Bus dữ liệu: tải dữ liệu từ CPU đên bộ nhớ và ngược lại - Bus điều khiển: truyền tải các câu lệnh điều khiển. CHƯƠNG II Nhóm 3 6 Các kĩ thuật tiên tiến của bộ vi xử lý CẤU TRÚC CHUNG CỦA CÁC BỘ XỬ LÝ TIÊN TIẾN Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, các bộ xử lý với những kĩ thuật tiên tiến đã lần lượt ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng máy vi tính. Những bộ vi xử lý đời mới có tốc độ làm việc nhanh, hiệu suất cao trở thành sự lựa chọn hàng đầu của người sử dụng. Hình 2.1 : Cấu trúc chung của bộ xử lý tiên tiến I. CÁC ĐƠN VỊ XỬ LÝ DỮ LIỆU Dữ liệu mà CPU nhận được từ bên ngoài (thông qua bus bên ngoài) được tính toán, xử lý bởi các đơn vị xử lý dữ liệu. Sau đó, kết quả cuối cùng được đưa ra ngoài bằng bus tương ứng. Giữa các đơn vị này cũng có sự trao đổi dữ liệu thông qua bus bên trong. Các đơn vị xử lý dữ liệu bao gồm : • Các đơn vị số nguyên : xử lý các thao tác về số nguyên. Nhóm 3 7 Các kĩ thuật tiên tiến của bộ vi xử lý • Các đơn vị số dấu phẩy động : xử lý các thao tác về các phép toán trên số thực. • Các đơn vị chức năng đặc biệt như đơn vị xử lý dữ liệu âm thanh, đơn vị xử lý dữ liệu hình ảnh, dữ liệu vector… II. BỘ NHỚ CACHE 1. Định nghĩa Bộ nhớ Cache là bộ nhớ tốc độ cao có sẵn trong CPU với mục đích tăng tốc độ truy cập dữ liệu và những lệnh lưu trữ trong RAM. Bộ nhớ Cache copy hầu hết các dữ liệu đã được truy cập gần nhất từ RAM vào bộ nhớ tĩnh và dự đoán dữ liệu gì CPU sẽ hỏi tiếp theo, tải chúng đến bộ nhớ tĩnh trước khi CPU yêu cầu thực sự. Mục đích là làm cho CPU có thể truy cập vào bộ nhớ Cache thay vì truy cập trực tiếp vào RAM, vì nó có thể truy vấn dữ liệu từ bộ nhớ Cache một cách tức thời hoặc hầu như ngay lập tức thay vì phải đợi khi truy cập vào dữ liệu được lưu trong RAM. CPU truy cập vào bộ nhớ Cache thay vì RAM càng nhiều thì tốc độ của hệ thống càng nhanh hơn. Hình 2.2 : Trao đổi dữ liệu giữa các thành phần CPU - Cache- RAM 2. Hai mức Cache Nói chung ở các CPU hiện đại hiện nay đều có đến ba Cache nhớ: L2 là Cache nhớ lớn hơn và có thể tìm thấy ở giữa bộ nhớ RAM và Cache chỉ lệnh L1, nó nắm giữ cả các chỉ lệnh và dữ liệu; Cache chỉ lệnh L1 được sử dụng để lưu các chỉ lệnh đã được thực thi bởi CPU và lưu dữ liệu để có thể được ghi ngược trở lại bộ nhớ và Nhóm 3 8 Các kĩ thuật tiên tiến của bộ vi xử lý Cache nhớ dữ liệu L1. L1 và L2 có nghĩa là “Level 1” và “Level 2”, ám chỉ khoảng cách từ chúng đến lõi CPU. Hình 2.3 : Hoạt động của 2 mức Cache • Cache mức một (L1 cache): thường là cache trong (on-chip cache; nằm bên trong CPU) • Cache mức hai (L2 cache) thường là cache ngoài (off-chip cache; cache này nằm bên ngoài CPU). • Ngoài ra, trong một số hệ thống (PowerPC G4, IBM S/390 G4, Itanium của Intel) còn có tổ chức cache mức ba (L3 cache), đây là mức cache trung gian giữa cache L2 và một thẻ bộ nhớ. III. ĐƠN VỊ QUẢN LÝ BỘ NHỚ 1. Tổng quan về quản lý bộ nhớ Quản lý bộ nhớ là một công việc quan trọng và phức tạp nhất của hệ điều hành (HĐH). Bộ phận quản lý bộ nhớ chính như là một tài nguyên của hệ thống dùng để cấp phát và chia sẻ cho nhiều tiến trình đang ở trạng thái hoạt động. Công cụ cơ bản của quản lý bộ nhớ là sự phân trang và phân đoạn (quản lý bộ nhớ thật). Với sự Nhóm 3 [...]... diễn dịch các cấu trúc của chương trình gốc Sự cứng Nhóm 3 23 Các kĩ thuật tiên tiến của bộ vi xử lý nhắc của kĩ thuật ống dẫn cũng gây khó khăn • Có ít lệnh trợ giúp cho ngôn ngữ cấp cao 3 Các kiểu định vị trong các bộ xử lí RISC Trong bộ xử lý RISC, các lệnh số học và logic chỉ được thực hiện theo kiểu thanh ghi và tức thì, còn những lệnh đọc và ghi vào bộ nhớ là những lệnh có toán hạng bộ nhớ thì... song song các lệnh mã máy (EPIC) Nhóm 3 19 Các kĩ thuật tiên tiến của bộ vi xử lý • Các lệnh dài hay rất dài (LIW hay VLIW) • Các lệnh rẽ nhánh xác định (thay vì đoán các lệnh rẽ nhánh như các kiến trúc trước) • Nạp trước các lệnh (theo sự suy đoán) b) Các đặc trưng tổ chức của bộ xử lý theo kiến trúc IA – 64 • Có nhiều thanh ghi: số lượng thanh ghi các bộ xử lý kiến trúc IA-64 là 256 thanh ghi Trong... pháp quản lý bộ nhớ ảo khác nhau: • Quản lý bộ nhớ phân trang • Quản lý bộ nhớ phân đoạn • Kết hợp quản lý bộ nhớ phân trang và phân đoạn Để đạt được hiệu quả cần thiết, người ta phải thực hiện các phương pháp quản lý bộ nhớ ảo bằng phần cứng Đơn vị phần cứng quản lý bộ nhớ ảo được gọi là MMU (Memory Management Unit) thường ở bên trong CPU (hình 2.4) Nhóm 3 9 Các kĩ thuật tiên tiến của bộ vi xử lý Hình... và kỹ thuật xử lý song song Kiến trúc IA-64 giới thiệu một sự khởi đầu mới quan trọng của kỹ thuật siêu vô hướng kỹ thuật xử lý lệnh song song (EPIC: Expicitly Parallel Intruction Computing) - kỹ thuật ảnh hưởng nhiều đến sự phát triển của bộ xử lý hiện nay Sản phẩm đầu tiên thuộc kiến trúc này là bộ xử lý Itanium của hãng Intel a) Đặc trưng của kiến trúc IA – 64 • Cơ chế xử lý là song song các lệnh... tiến của bộ vi xử lý Hình 4.2: Đặc tính của ba mẫu đầu tiên máy RISC a) Ưu điểm: • Diện tích bộ vi xử lí dùng cho bộ điều khiển giảm từ 60% ( cho các bộ xử lí CISC) xuống còn 10% (cho các bộ xử lí RISC) Như vậy có thể tích hợp thêm vào bên trong bộ xử lí các thanh ghi, các cổng vào ra và bộ nhớ cache… • Tốc độ tính toán cao nhờ vào việc giải mã lệnh đơn giản, nhờ có nhiều thanh ghi (ít thâm nhập bộ nhớ)... Các lệnh đều có cùng chiều dài • Chỉ có các lệnh ghi hoặc đọc ô nhớ mới thâm nhập vào bộ nhớ • Dùng bộ tạo tín hiệu điều khiển bằng mạch điện để tránh chu kỳ giải mã các vi lệnh làm cho thời gian thực hiện lệnh kéo dài • Bộ xử lý RISC có nhiều thanh ghi để giảm bớt việc thâm nhập vào bộ nhớ trong • Các bộ xử li RISC đầu tiên thực hiện tất cả các lệnh trong 1 chu kì máy Nhóm 3 22 Các kĩ thuật tiên tiến. .. thi hành cùng lúc Trường mẫu này chứa các thông tin chỉ ra các lệnh có thể thực hiện song song Các lệnh trong một gói có thể là các lệnh độc lập nhau Bộ biên dịch sẽ sắp xếp lại các lệnh trong các gói lệnh kề nhau theo một thứ tự để các lệnh có thể được thực hiện song song CHƯƠNG IV Nhóm 3 20 Các kĩ thuật tiên tiến của bộ vi xử lý KIẾN TRÚC RISC I SƠ LƯỢC VỀ CISC Các kiến trúc với tập lệnh phức tạp CISC... thực thi tất cả các lệnh đều như nhau Ý tưởng thiết kế RISC bắt đầu khi người ta nhận thấy rất nhiều tính năng trong các bộ vi xử lý vốn được thiết kế nhằm giúp công việc lập trình dễ dàng hơn lại Nhóm 3 21 Các kĩ thuật tiên tiến của bộ vi xử lý thường bị các phần mềm bỏ sót Những tính năng này thông thường cần vài chu kỳ máy để thực thi Cộng thêm sự cách biệt về hiệu suất giữa các CPU và bộ nhớ chính... với mỗi phần tử trong bảng phân đoạn để ngăn chặn các thao tác truy xuất không hợp lệ đến phân đoạn tương ứng Nhóm 3 12 Các kĩ thuật tiên tiến của bộ vi xử lý CHƯƠNG III CÁC KIẾN TRÚC SONG SONG MỨC LỆNH I TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ỐNG DẪN 1 Khái niệm • Kỹ thuật ống dẫn là kỹ thuật làm cho các giai đoạn khác nhau của nhiều lệnh được thi hành cùng một lúc • Các giai đoạn : - Lấy lệnh (IF: Instruction Fetch)... hướng so với kỹ thuật ống dẫn 2 Nhận xét Trong một máy tính siêu vô hướng phần cứng phải quản lý việc đọc và thi hành đồng thời nhiều lệnh Vậy nó phải có khả năng quản lý các quan hệ giữa số liệu với nhau Cũng cần phải chọn các lệnh có khả năng được thi hành cùng một lúc Những bộ xử lý đầu tiên đưa ra thị trường dùng kỹ thuật này là các bộ xử lý Intel i860 và IBM RS/6000 Các bộ xử lý này có khả năng . THUẬT ỐNG DẪN 13 1.Khái niệm 13 Hình 3. 1: Các giai đoạn khác nhau của kỹ thuật ống dẫn 13 2.Những khó khăn trong kỹ thuật ống dẫn 13 Hình 3. 2: Khó khăn do số liệu 14 Hình 3. 4: Khó khăn do điều. 11-2011 MỤC LỤC CÁC HÌNH ẢNH, BẢNG BIỂU 3 SỬ DỤNG TRONG TÀI LIỆU NÀY 3 CHƯƠNG I 3 CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA BỘ VI XỬ LÝ CPU 3 I.NHIỆM VỤ CỦA CPU 3 II.CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN 3 1.Đơn vị số học và logic (ALU. ẢNH, BẢNG BIỂU 3 SỬ DỤNG TRONG TÀI LIỆU NÀY 3 CHƯƠNG I 3 CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA BỘ VI XỬ LÝ CPU 3 I.NHIỆM VỤ CỦA CPU 3 II.CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN 3 1.Đơn vị số học và logic (ALU – Arithmetic