Nguyên lý hoạt động của các bộ phận bên trong bộ xử lý

Bộ xử lý là gì? Cấu trúc của bộ xử lý trung tâm: tổ chức, chức năng và nguyên lý hoạt động của các bộ phận bên trong bộ xử lý gồm: đường đi của dữ liệu, bộ điều khiển tạo ra sự vận chuyển tín hiệu bên trong bộ xử lý nhằm thực hiện tập lệnh tương ứng với kiến trúc phần mềm đã đề ra.

Mô tả diễn tiến thi hành một lệnh mã máy, đây là cơ sở để hiểu được các hoạt động xử lý lệnh trong các kỹ thuật ống dẫn, siêu ống dẫn, siêu vô hướng,…Một số kỹ thuật xử lý thông tin: ống dẫn, siêu ống dẫn, siêu vô hướng, máy tính có lệnh thật dài, máy tính véc-tơ, xử lý song song và kiến trúc IA-64. Đây sẽ là các nội dung chính trong bài viết Nguyên lý hoạt động của các bộ phận bên trong bộ xử lý ngày hôm nay, mời các bạn đón xem.

Đầu tiên hãy cùng Huỳnh Quí IT cùng nhau đi tìm hiểu, thế nào là đường đi của dữ liệu nhé.

Xem lại bài số 1: Kiến trúc máy tính là gì? 4 giai đoạn lịch sử phát triển máy tính bạn nên biết.

Đường đi của dữ liệu bên trong bộ xử lý

Phần đường đi dữ liệu gồm có bộ phận làm tính và luận lý (ALU: Arithmetic and Logic Unit), các mạch dịch, các thanh ghi và các đường nối kết các bộ phận trên. Phần này chứa hầu hết các trạng thái của bộ xử lý.

Ngoài các thanh ghi tổng quát, phần đường đi dữ liệu còn chứa thanh ghi đếm chương trình (PC: Program Counter), thanh ghi trạng thái (SR: Status Register), thanh ghi đệm TEMP (Temporary), các thanh ghi địa chỉ bộ nhớ (MAR: Memory Address Register), thanh ghi số liệu bộ nhớ (MBR: Memory Buffer Register), bộ đa hợp (MUX: Multiplexor), đây là điểm cuối của các kênh dữ liệu – CPU và bộ nhớ, với nhiệm vụ lập thời biểu truy cập bộ nhớ từ CPU và các kênh dữ liệu, hệ thống bus nguồn (S1, S2) và bus kết quả (Dest).

Nhiệm vụ chính của phần đường đi dữ liệu là đọc các toán hạng từ các thanh ghi tổng quát, thực hiện các phép tính trên toán hạng này trong bộ làm tính và luận lý ALU và lưu trữ kết quả trong các thanh ghi tổng quát. Ở ngã vào và ngã ra các thanh ghi tổng quát có các mạch chốt A, B, C. Thông thường, số lượng các thanh ghi tổng quát là 32.

Phần đường đi của dữ liệu chiếm phân nửa diện tích của bộ xử lý nhưng là phần dễ thiết kế và cài đặt trong bộ xử lý.

Bộ điều khiển bên trong bộ xử lý

Bộ điều khiển tạo các tín hiệu điều khiển di chuyển số liệu (tín hiệu di chuyển số liệu từ các thanh ghi đến bus hoặc tín hiệu viết vào các thanh ghi), điều khiển các tác vụ mà các bộ phận chức năng phải làm (điều khiển ALU, điều khiển đọc và viết vào bộ nhớ trong…). Bộ điều khiển cũng tạo các tín hiệu giúp các lệnh được thực hiện một cách tuần tự.

Việc cài đặt bộ điều khiển có thể dùng một trong hai cách sau: dùng mạch điện tử hoặc dùng vi chương trình  (microprogram).

Bộ điều khiển mạch điện tử

Để hiểu được vận hành của bộ điều khiển mạch điện tử, chúng ta xét đến mô tả  về Automate trạng thái hữu hạn: có nhiều hệ thống hay nhiều thành phần mà ở mỗi thời điểm xem xét đều có một trạng thái (state). Mục đích của trạng thái là ghi nhớ những gì có liên quan trong quá trình hoạt động của hệ thống.

Vì chỉ có một số trạng thái nhất định nên nói chung không thể ghi nhớ hết toàn bộ lịch sử của hệ thống, do vậy nó phải được thiết kế cẩn thận để ghi nhớ những gì quan trọng. Ưu điểm của hệ thống (chỉ có một số hữu hạn các trạng thái) đó là có thể cài đặt hệ thống với một lượng tài nguyên cố định.

Chẳng hạn, chúng ta có thể cài đặt Automate trạng thái hữu hạn trong phần cứng máy tính ở dạng mạch điện hay một dạng chương trình đơn giản, trong đó, nó có khả năng quyết định khi chỉ biết một lượng giới hạn dữ liệu hoặc bằng cách dùng vị trí trong đoạn mã lệnh để đưa ra quyết định.

Hình 2 cho thấy nguyên tắc của một bộ điều khiển bằng mạch điện. Các đường điều khiển của phần đường đi số liệu là các ngã ra của một hoặc nhiều Automate trạng thái hữu hạn.

Các ngã vào của Automate gồm có thanh ghi lệnh, thanh ghi này chứa lệnh phải thi hành và những thông tin từ bộ đường đi số liệu. Ứng với cấu hình các đường vào và trạng thái hiện tại, Automate sẽ cho trạng thái tương lai và các đường ra tương ứng với trạng thái hiện tại. Automate được cài đặt dưới dạng là một hay nhiều mạch mảng logic lập trình được (PLA: Programmable Logic Array) hoặc các mạch logic ngẫu nhiên.

Kỹ thuật điều khiển này đơn giản và hữu hiệu khi các lệnh có chiều dài cố định, có dạng thức đơn giản. Nó được dùng nhiều trong các bộ xử lý RISC.

Bộ điều khiển vi chương trình

Sơ đồ nguyên tắc của bộ điều khiển dùng vi chương trình được trình bày ở hình 3. Trong kỹ thuật này, các đường dây điều khiển của bộ đường đi dữ liệu ứng với các ngã ra của một vi lệnh nằm trong bộ nhớ vi chương trình. Việc điều khiển các tác vụ của một lệnh mã máy được thực hiện bằng một chuỗi các vi lệnh.

Một vi máy tính nằm bên trong bộ điều khiển thực hiện từng lệnh của vi chương trình này. Chính vi máy tính này điều khiển việc thực hiện một cách tuần tự các vi lệnh để hoàn thành tác vụ mà lệnh mã máy phải thực hiện. Các tác vụ của lệnh mã máy cũng tuỳ thuộc vào trạng thái của phần đường đi dữ liệu.

Bộ điều khiển bằng vi chương trình được dùng rộng rãi trong các bộ xử lý CISC. Bộ xử lý này có tập lệnh phức tạp với các lệnh có chiều dài khác nhau và có dạng thức phức tạp. Trong các bộ xử lý CISC, người ta cài đặt một lệnh mã máy bằng cách viết một vi chương trình. Như vậy công việc khá đơn giản và rất hữu hiệu. Các sai sót trong thiết kế automat điều khiển cũng dễ sửa đổi.

Ngắt quãng (interrupt) trong bộ xử lý

Ngắt quãng là một sự kiện xảy ra một cách ngẫu nhiên trong máy tính và làm ngưng tính tuần tự của chương trình (nghĩa là tạo ra một lệnh nhảy). Phần lớn các nhà sản xuất máy tính (ví dụ như IBM, INTEL) dùng từ ngắt quãng để ám chỉ sự kiện này, tuy nhiên một số nhà sản xuất khác dùng từ “ngoại lệ”, “lỗi”, “bẩy” để chỉ định hiện tượng này.

Bộ điều khiển của CPU là bộ phận khó thực hiện nhất và ngắt quãng là phần khó thực hiện nhất trong bộ điều khiển. Để nhận biết được một ngắt quãng lúc đang thi hành một lệnh, ta phải biết điều chỉnh chu kỳ xung nhịp và điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của máy tính.

Người ta đã nghỉ ra “ngắt quãng” là để nhận biết các sai sót trong tính toán số học, và để ứng dụng cho những hiện tượng thời gian thực. Bây giờ, ngắt quãng được dùng cho các công việc sau đây:

• Ngoại vi đòi hỏi nhập hoặc xuất số liệu.
• Người lập trình muốn dùng dịch vụ của hệ điều hành.
• Cho một chương trình chạy từng lệnh.
• Làm điểm dừng của một chương trình.
• Báo tràn số liệu trong tính toán số học.
• Trang bộ nhớ thực sự không có trong bộ nhớ.
• Báo vi phạm vùng cấm của bộ nhớ.
• Báo dùng một lệnh không có trong tập lệnh.
• Báo phần cứng máy tính bị hư.
• Báo điện bị cắt.

Dù rằng ngắt quãng không xảy ra thường xuyên nhưng bộ xử lý phải được thiết kế sao cho có thể lưu giữ trạng thái của nó trước khi nhảy đi phục vụ ngắt quãng. Sau khi thực hiện xong chương trình phục vụ ngắt, bộ xử lý phải khôi phục trạng thái của nó để có thể tiếp tục công việc.

Để đơn giản việc thiết kế, một vài bộ xử lý chỉ chấp nhận ngắt sau khi thực hiện xong lệnh đang chạy. Khi một ngắt xảy ra, bộ xử lý thi hành các bước sau đây:

1. Thực hiện xong lệnh đang làm.
2. Lưu trữ trạng thái hiện tại.
3. Nhảy đến chương trình phục vụ ngắt
4. Khi chương trình phục vụ chấm dứt, bộ xử lý khôi phục lại trạng thái cũ của nó và tiếp tục thực hiện chương trình mà nó đang thực hiện khi bị ngắt.

Kỹ thuật ống dẫn (pipeline) trong bộ xử lý

Đây là một kỹ thuật làm cho các giai đoạn khác nhau của nhiều lệnh được thi hành cùng một lúc.

Ví dụ: Chúng ta có những lệnh đều đặn, mỗi lệnh được thực hiện trong cùng một khoản thời gian. Giả sử, mỗi lệnh được thực hiện trong 5 giai đoạn và mỗi giai đoạn được thực hiện trong 1 chu kỳ xung nhịp. Các giai đoạn thực hiện một lệnh là: lấy lệnh (IF: Instruction Fetch), giải mã (ID: Instruction Decode), thi hành (EX: Execute), thâm nhập bộ nhớ (MEM: Memory Access), lưu trữ kết quả (RS: Result Storing).

So sánh với kiểu xử lý tuần tự thông thường, 5 lệnh được thực hiện trong 25 chu kỳ xung nhịp, thì xử lý lệnh theo kỹ thuật ống dẫn thực hiện 5 lậnh chỉ trong 9 chu kỳ xung nhịp.

Như vậy kỹ thuật ống dẫn làm tăng tốc độ thực hiện các lệnh. Tuy nhiên kỹ thuật ống dẫn có một số ràng buộc:

• Cần phải có một mạch điện để thi hành mỗi giai đoạn của lệnh vì tất cả các giai đoạn của lệnh được thi hành cùng lúc. Trong một bộ xử lý không dùng kỹ thuật ống dẫn, ta có thể dùng bộ làm toán ALU để cập nhật thanh ghi PC, cập nhật địa chỉ của toán hạng bộ nhớ, địa chỉ ô nhớ mà chương trình cần nhảy tới, làm các phép tính trên các toán hạng vì các phép tính này có thể xảy ra ở nhiều giai đoạn khác nhau.
• Phải có nhiều thanh ghi khác nhau dùng cho các tác vụ đọc và viết. Trên hình III.4, tại một chu kỳ xung nhịp, ta thấy cùng một lúc có 2 tác vụ đọc (ID, MEM) và 1 tác vụ viết (RS).
• Trong một máy có kỹ thuật ống dẫn, có khi kết quả của một tác vụ trước đó, là toán hạng nguồn của một tác vụ khác. Như vậy sẽ có thêm những khó khăn mà ta sẽ đề cập ở mục tới.
• Cần phải giải mã các lệnh một cách đơn giản để có thể giải mã và đọc các toán hạng trong một chu kỳ duy nhất của xung nhịp.
• Cần phải có các bộ làm tính ALU hữu hiệu để có thể thi hành lệnh số học dài nhất, có số giữ, trong một khoảng thời gian ít hơn một chu kỳ của xung nhịp.
• Cần phải có nhiều thanh ghi lệnh để lưu giữ lệnh mà chúng ta phải xem xét cho mỗi giai đoạn thi hành lệnh.
• Cuối cùng phải có nhiều thanh ghi bộ đếm chương trình PC để có thể tái tục các lệnh trong trường hợp có ngắt quãng.

Khó khăn trong kỹ thuật ống dẫn trong bộ xử lý

Khi thi hành lệnh trong một máy tính dùng kỹ thuật ống dẫn, có nhiều trường hợp làm cho việc thực hiện kỹ thuật ống dẫn không thực hiện được như là: thiếu các mạch chức năng, một lệnh dùng kết quả của lệnh trước, một lệnh nhảy.

Ta có thể phân biệt 3 loại khó khăn: khó khăn do cấu trúc, khó khăn do số liệu và khó khăn do điều khiển.

• Khó khăn do cấu trúc: Đây là khó khăn do thiếu bộ phận chức năng, ví dụ trong một máy tính dùng kỹ thuật ống dẫn phải có nhiều ALU, nhiều PC, nhiều thanh ghi lệnh IR … Các khó khăn này được giải quyết bằng cách thêm các bộ phận chức năng cần thiết và hữu hiệu.
• Khó khăn do số liệu:

Lấy ví dụ trường hợp các lệnh liên tiếp sau:

Lệnh 1: ADD     R1, R2, R3

Lệnh 2: SUB     R4, R1, R5

Lệnh 3: AND     R6, R1, R7

Lệnh 4: OR        R8, R1, R9

• Khó khăn do điều khiển:

Các lệnh làm thay đổi tính thi hành các lệnh một cách tuần tự (nghĩa là PC tăng đều đặn sau mỗi lệnh), gây khó khăn về điều khiển. Các lệnh này là lệnh nhảy đến một địa chỉ tuyệt đối chứa trong một thanh ghi, hay lệnh nhảy đến một địa chỉ xác định một cách tương đối so với địa chỉ hiện tại của bộ đếm chương trình PC. Các lệnh nhảy trên có thể có hoặc không điều kiện.

Trong trường hợp đơn giản nhất, tác vụ nhảy không thể biết trước giai đoạn giải mã. Như vậy, nếu lệnh nhảy bắt đầu ở chu kỳ C thì lệnh mà chương trình nhảy tới chỉ được bắt đầu ở chu kỳ C+2. Ngoài ra, phải biết địa chỉ cần nhảy đến mà ta có ở cuối giai đoạn giải mã ID. Trong lệnh nhảy tương đối, ta phải cộng độ dời chứa trong thanh ghi lệnh IR vào thanh ghi PC. Việc tính địa chỉ này chỉ được thực hiện vào giai đoạn ID với điều kiện phải có một mạch công việc riêng biệt.

Vậy trong trường hợp lệnh nhảy không điều kiện, lệnh mà chương trình nhảy đến bắt đầu thực hiện ở chu kỳ C+2 nếu lệnh nhảy bắt đầu ở chu kỳ C.

Cho các lệnh nhảy có điều kiện thì phải tính toán điều kiện. Thông thường các kiến trúc RISC đặt kết quả việc so sánh vào trong thanh ghi trạng thái, hoặc vào trong thanh ghi tổng quát. Trong cả 2 trường hợp, đọc điều kiện tương đương với đọc thanh ghi. Đọc thanh ghi có thể được thực hiện trong phân nửa chu kỳ cuối giai đoạn ID.

Một trường hợp khó hơn có thể xảy ra trong những lệnh nhảy có điều kiện. Đó là điều kiện được có khi so sánh 2 thanh ghi và chỉ thực hiện lệnh nhảy khi kết quả so sánh là đúng. Việc tính toán trên các đại lượng logic không thể thực hiện được trong phân nửa chu kỳ và như thế phải kéo dài thời gian thực hiện lệnh nhảy có điều kiện. Người ta thường tránh các trường hợp này để không làm giảm mức hữu hiệu của máy tính.

Vậy trường hợp đơn giản, người ta có thể được địa chỉ cần nhảy đến và điều kiện nhảy cuối giai đoạn ID. Vậy có chậm đi một chu kỳ mà người ta có thể giải quyết bằng nhiều cách.

Cách thứ nhất là đóng băng kỹ thuật ống dẫn trong một chu kỳ, nghĩa là ngưng thi hành lệnh thứ i+1 đang làm nếu lệnh thư i là lệnh nhảy. Ta mất trắng một chu kỳ cho mỗi lệnh nhảy.

Cách thứ hai là thi hành lệnh sau lệnh nhảy nhưng lưu ý rằng hiệu quả của một lệnh nhảy bị chậm mất một lệnh. Vậy lệnh theo sau lệnh nhảy  được thực hiện trước khi lệnh mà chương trình phải nhảy tới được thực hiện. Chương trình dịch hay người lập trình có nhiệm vụ xen vào một lệnh hữu ích sau lệnh nhảy.

Trong trường hợp nhảy có điều kiện, việc nhảy có thể được thực hiện hay không thực hiện. Lệnh hữu ích đặt sau lệnh nhảy không làm sai lệch chương trình dù điều kiện nhảy đúng hay sai.

Bộ xử lý RISC SPARC có những lệnh nhảy với huỷ bỏ. Các lệnh này cho phép thi hành lệnh sau lệnh nhảy nếu điều kiện nhảy đúng và huỷ bỏ thực hiện lệnh đó nếu điều kiện nhảy sai.

Vậy là trong khuôn khổ bài viết ngày hôm nay, các bạn cơ bản cũng đã biết được Bộ xử lý là gì? Cấu trúc của bộ xử lý trung tâm: tổ chức, chức năng và nguyên lý hoạt động của các bộ phận bên trong bộ xử lý gồm: đường đi của dữ liệu, bộ điều khiển tạo ra sự vận chuyển tín hiệu bên trong bộ xử lý nhằm thực hiện tập lệnh tương ứng với kiến trúc phần mềm đã đề ra.

Hy vọng các bài viết sau sẽ chia sẻ đến mọi người các kiến thức hay hơn. Mọi ý kiến đóng góp xin vui lòng liên hệ qua Fanpage hoặc bình luận dưới bài viết. Mọi tài liệu được tham khảo trên internet.