Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 5: Bộ xử lý đường đi dữ liệu-điều khiển - Nguyễn Quốc Tuấn

Nội dung text: Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 5: Bộ xử lý đường đi dữ liệu-điều khiển - Nguyễn Quốc Tuấn

1. KhoaKhoa KHKH && KTKT MMááyy ttíínhnh BoBoää moânmoân KyõKyõ thuathuaätät MaMaùyùy ttíínhnh Phaïmï Töôøngø Haûiû Nguyeãn Quoácá Tuaáná
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 2
3. Chương 5. Kiến trúc Máy tính - Chap 05 3
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 4
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 5
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 6
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 đếm chương trình (PC) ) Bộ cộng Kiến trúc Máy tính - Chap 05 7
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 8
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 9
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 10
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 11
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 12
13. 5.2 ) Đường đi dữ liệu cho lệnh rẽ nhánh Kiến trúc Máy tính - Chap 05 13
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 14
15. 5.3 ) Xây dựng đường đi dữ liệu cho các lệnh bộ nhớ và lệnh R-type ALU operation Read 3 register 1 Read data 1 MemWrite Read ALUSrc Zero MemtoReg Instruction register 2 Registers ALU Write Result Address Read data register M M U U X X Write data Read data 2 Data Regwrite Write data memory inextend Sign 16 32 MemRead Kiến trúc Máy tính - Chap 05 15
16. 5.3 ) Thêm vào đường đi dữ liệu cho bước đọc lệnh Adder 4 ALU operation Instruction Read 3 PC address register 1 Read data 1 MemWrite Instruction Read ALUSrc Zero MemtoReg register 2 memory Registers ALU Write Result Address Read data register M M Instruction U U X X Write data Read data 2 Data Regwrite Write data memory inextend Sign 16 32 MemRead Kiến trúc Máy tính - Chap 05 16
17. 5.3 ) Hiện thực đường đi dữ liệu cho cả 3 nhóm lệnh PCSrc M U Adder X Shiftleft2 Adder 4 ALU operation Instruction Read 3 PC address register 1 Read data 1 MemWrite Instruction Read ALUSrc Zero MemtoReg register 2 memory Registers ALU Write Result Address Read data register M M Instruction U U X X Write data Read data 2 Data Regwrite Write data memory inextend Sign 16 32 MemRead Kiến trúc Máy tính - Chap 05 17
18. 5.3 ) Điều khiển ALU ALU control Input Function • Các tín hiệu điều khiển 000 AND 001 OR • Quan hệ với câu lệnh 010 Add 110 Subtract •Thiết kế các tín hiệu điều 111 Set on less than khiển ? Opcode ALUOp Operation Funct field ALU control Input LW 00 load word XXXXXX 010 SW 00 store word XXXXXX 010 BEQ 01 branch equal XXXXXX 110 R-type 10 add 100000 010 R-type 10 subtract 100010 110 R-type 10 AND 100100 000 R-type 10 OR 100101 001 R-type 10 set on less than 101010 111 Kiến trúc Máy tính - Chap 05 18
19. 5.3 ) Dạng thức nhóm lệnh R-type 0 rs rt rd shamt funct 31 - 26 25 - 21 20 -16 15 - 11 10 - 6 5 - 0 ) Dạng thức các lệnh load/store 35 hay 43 rs rt address 31 - 26 25 - 21 20 -16 15 - 0 ) Dạng thức các lệnh rẽ nhánh 4 rs rt address 31 - 26 25 - 21 20 -16 15 - 0 Kiến trúc Máy tính - Chap 05 19
20. 5.3 ) Đường đi dữ liệu dưới tác động của câu lệnh PCSrc 0 M U Adder X Shiftleft2 1 Adder 4 Regwrite Instruction Instruction [25 - 21] Read PC address register 1 Read MemWrite data 1 Instruction [20 - 16] Read Instruction ALUSrc Zero MemtoReg register 2 memory ALU 0 Write Registers 1 Read 1 M Result Address Instruction register M data M Instruction U U [15 - 11] U [31 - 0] X Read X X 1 Write data data 2 0 Data 0 RegDst Write memory inextend Sign data Instruction [15 - 0] 16 32 ALU MemRead control Instruction [15 - 0] Kiến trúc Máy tính - Chap 05 ALUOp 20
21. 5.3 ) Đường đi dữ liệu + Đơn vị điều khiển = Bộ xử lý 0 M U Adder X Adder Shiftleft2 1 4 RegDst Branch Control MemRead ] 6 MemtoReg 2 - ALUOp 1 3 [ MemWrite n o i t ALUSrc c u r RegWrite t s n I Instruction Instruction [25 - 21] Read PC address register 1 Read Instruction [20 - 16] data 1 Instruction Read Zero register 2 memory ALU 0 Write Registers 1 Read 1 M Result Address Instruction register M data M Instruction U U [15 - 11] U [31 - 0] X Read X X 1 Write data data 2 0 Data 0 Write memory inextend Sign data Instruction [15 - 0] 16 32 ALU control Kiến trúc Máy tính - Chap 05 Instruction [15 - 0] 21
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 •Cóthể 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
23. 5.4 ) Sơ đồ khối tổng quát bộ xử lý đa chu kỳ PC Address Data Instruction A register Register # ALU Instruction or data Registers ALUOut Memory Memory Register # data B Data register Register # Kiến trúc Máy tính - Chap 05 23
24. 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