Giáo trình Hệ vi xử lý tiên tiến - Nguyễn Trung Đồng

Giáo trình Hệ vi xử lý tiên tiến giới thiệu các hệ vi xử lý tiên tiến, kỹ thuật đường ống và siêu hướng, các mô hình máy tính xử lý song song, sơ lược về lập trình và đặc trưng mạng. Đây là tài liệu tham khảo dành cho sinh viên ngành Điện điện tử.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình Hệ vi xử lý tiên tiến - Nguyễn Trung Đồng 1 Nguyễn Trung Đồng Tel. 0983 410 866 Chương I. Các Hệ Vi xử lý tiên tiến I.1.Tổng quan về Hệ Vi xử lý tiên tiến Các hệ Vi xử lý tiên tiến bắt đầu xuất hiện vào giữa những năm 1990 từ các hãng chế tạo hàng đầu thế giới như Intel, Motorola, Sun, IBM, DEC, AMD, … Đặc điểm cơ bản của các hệ Vi xử lý loại này là xử lý dữ liệu 32 bit hoặc 64 bit. BUS dữ liệu trong (Internal Data BUS) và BUS dữ liệu ngoài (External Data BUS) thường là 32 bit hoặc 64 bit. PUIQ DU A-BUS 32n (Prefetch Unit & Instruction Queue) (Decoding Unit) BIU D-BUS 32+j (BUS ICACHE Inter- (Instruction cache) C-BUS face BTC CU Unit) (Target Control (Control Unit) DCACHE Cache Unit) (Data Cache) MMU (Me- mory BUS nội (Internal BUS) 32n Ma- nage- ment IU (Integer Unit) FPU (Floating Point Unit) Unit) IRF FPRF SFU (Integer Register File) (Floating Point Register (Spe- File) cial Func- IOU FPOU tion (Integer Operation (Floating Point Operation Unit) Unit) Unit) Hình I.1. Sơ đồ khối bộ Vi xử lý công nghệ tiên tiến 2 Hệ Vi xử lý tiên tiến Các đơn vị chức năng cơ bản trong sơ đồ khối cấu trúc của một CPU công nghệ tiên tiến gồm: A-BUS (Address BUS): BUS địa chỉ D-BUS (Data BUS): BUS dữ liệu C-BUS (Control BUS): BUS điều khiển BIU (BUS Interface Unit): Đơn vị giao tiếp BUS MMU (Memory Management Unit): Đơn vị quản lý bộ nhớ SFU (Special Function Unit): Đơn vị chức năng đặc biệt PUIQ (Prefetch Unit and Instruction Queue): Đơn vị tiền đọc lệnh và hàng lệnh DU (Decoding Unit): Đơn vị giải mã ICACHE (Instruction Cache): Cache lệnh DCACHE (Data Cache): Cache dữ liệu BTC (Branche Target Control Cache Unit): Đơn vị cache điều khiển đích rẽ nhánh CU (Control Unit): Đơn vị điều khiển IU (Integer Unit): Đơn vị số nguyên FPU (Floating Point Unit): Đơn vị dấu phẩy động IRF (Integer Register File): Tệp thanh ghi số nguyên IOU (Integer Operation Unit): Đơn vị thao tác số nguyên 3 Nguyễn Trung Đồng Tel. 0983 410 866 FPRF (Floating Point Register File): Tệp thanh ghi số dấu phẩy động FPOU (Floating Point Operation Unit): Đơn vị thao tác số dấu phẩy động Với các bộ Vi xử lý 32 bit, các thanh ghi FPR và đơn vị số nguyên IU là 32 bit, BUS dữ liệu có thể là 32 bit, còn trong các bộ Vi xử lý 64 bit, thì IU là 64 bit, các FPR là 64 bit, BUS dữ liệu có thể là 64, 64x3 hoặc 64x4 bit (32n hoặc 32k, trong đó n, k là các số nguyên). BUS địa chỉ thường cho phép quản lý bộ nhớ có dung lượng đến 4GB (232), hoặc lớn hơn với BUS địa chỉ 32+j bit. Đơn vị giao tiếp BUS (BIU) là bộ đệm giữa các khối chức năng bên trong CPU với các thành phần chức năng bên ngoài gồm bộ nhớ, thiết bị vào/ra và được tổ chức hành ba loại giao tiếp sau:  Giao tiếp dữ liệu (Data Interface)  Giao tiếp địa chỉ (Address Interface)  Giao tiếp điều khiển (Control Interface). Các thành phần chức năng bên trong CPU được liên kết với nhau qua BUS bên trong (Internal BUS). Giao tiếp dữ liệu thực hiện việc kết nối trực tiếp với PUIQ và vùng nhớ cache. Giao tiếp địa chỉ được tạo bởi đơn vị MMU và địa chỉ của các vị trí nhớ, của thiết bị ngoại vi được đưa tới các thành phần tương ứng. Giao tiếp điều khiển gửi các tín hiệu điều khiển hoạt động và nhận các tín hiệu trạng thái (trạng thái sẵn sàng, tín hiệu yêu cầu ngắt v.v…), của các thành phần chức năng có liên lạc trao đổi dữ liệu với CPU. Các liên kết này được nối trực tiếp với đơn vị điều khiển CU. 4 Hệ Vi xử lý tiên tiến 32k Data BUS Data Interface PUIQ Prefetch Unit and Instruction Queue 32+j Address BUS Address Interface ICACHE Control BUS Control Interface DCACHE MMU Memory Management Unit Internal BUS 32n Hình I.2. Đơn vị giao tiếp BUS BIU Đơn vị tiền đọc lệnh và hàng lệnh (PUIQ) được xây dựng từ các mạch logic để đọc trước các lệnh từ ICACHE và đặt lệnh vào hàng đợi. Hàng đợi được tổ chức theo nguyên lý FIFO (First In First Out). Hàng đợi thường có độ dài từ 8 đến 32 byte. Từ hàng đợi, lệnh được chuyển tới đơn vị giải mã DU. Ở các hệ Vi xử lý tiên tiến, DU có thể đồng thời giải mã một số lệnh để được thực hiện theo cơ chế xử lý song song. Đơn vị các chức năng đặc biệt (SFU) bao gồm các đơn vị chức năng bổ sung thêm cho CPU như đơn ...