http://www.ebook.edu.vn
Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 191

Chương VII: TỔ CHỨC BỘ XỬ LÝ Trong các chương trước chúng ta ñã các khái niệm cơ bản
liên quan ñến các phần khác nhau của máy tính. Trong chương này
chúng ta tập trung vào bộ phận chính yếu của mọi máy tính – bộ
xử lý trung tâm (central processing unit - CPU). Chức năng chính
yếu của CPU là thực thi các lệnh ñược lưu trong bộ nhớ chính. Như
ñã ñề cập trong phần giới thiệu, do giáo trình này ñược thiết kế
dành cho sinh viên học ngay học kỳ ñầu tiên cho nên chúng ta chỉ
ñề cập ñến các vấn ñề ở mức ñộ ñơn giản.
7.1. Tổ chức bộ xử lý trung tâm
ðể hiểu ñược cách tổ chức trong CPU như thế nào chúng ta
hãy xem những ñòi hỏi ở bên trong nó và những gi nó phải thực
hiện. Nói chung những công việc nó phải làm là:
- Tìm nạp lệnh (Fetch Instruction): CPU ñọc một lệnh từ
bộ nhớ
- Diễn giải lệnh (Interpret Instruction): Lệnh ñược giải
mã và xác ñịnh xem hành ñộng gì ñòi hỏi thực hiện
- Tìm nạp dữ liệu (Fetch data): ðể thực hiện câu lệnh có
thể ñòi hỏi ñọc dữ liệu từ bộ nhớ hoặc từ các thiết bị
nhập xuất
- Xử lý dữ liệu (Process data): Việc thi hành lệnh có thể
ñòi hỏi thực hiện một vài phép tính số học hay logic
trên các dữ liệu tìm nạp vào

chỉ có một số chức năng bên trong CPU, ví dụ như bộ ñếm chương
http://www.ebook.edu.vn
Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 193

trình (progam counter - PC) là một thanh ghi với mục ñích ñặc biệt
ñó là chỉ dùng ñể lưu ñịa chỉ của lệnh cần thực hiện tiếp theo. Một
ví dụ khác của thanh ghi với mục ñích ñặc biệt là thanh ghi mã lệnh
(Instruction Registers – IR), thanh ghi này chỉ ñược dùng ñể lưu mã
lệnh ñang thực hiên tại thời ñiểm hiện tại.
Bộ logic số học ALU cung cấp một mạch số cần thiết ñể
thực hiện các phép tính số học (như cộng, trừ, nhân , chia), logic
(như NOT, AND, OR) và các phép toán dịch chuyển trong bộ lệnh.
Bộ ñiều khiển (control block) chịu trách nhiệm ñiều khiển
mọi hoạt ñộng của CPU như tìm nạp lệnh từ bộ nhớ chính, giải mã
nó, ñịnh loại xem nó thuộc loại nào và cuôi cùng là ra lệnh cho các
bộ phận trong CPU làm việc gì.
CPU tìm nạp lệnh từ bộ nhớ chính, ñọc dữ liệu từ bộ nhớ
chính, ghi dữ liệu ngược lại ñó khi cần và truyền các dữ liệu từ các
thiết bị ngoại vi vào máy tính cũng như ñưa các dữ liệu trong máy
tính ra các thiết bị ngoại vi. Các thiết bị ngoại vi ở ñây có thể là ổ
ñã cứng, máy in, flash memory,…
Trong hình 7.2 cho ta sơ ñồ tổng quát của CPU một cách tỷ
mỉ hơn. Trong ñó chỉ ra việc truyền dữ liệu và ñường ñiều khiển
logic cũng ñược chỉ ra bao gồm cả một nguyên tố gọi là trục CPU
nội (Internal CPU bus). Nguyên tố này ñược cần ñể truyền dữ liệu
giữa các thanh ghi khác nhau và ALU, bởi vì trên thực tế thì ALU
thực thi chỉ trên các dữ liệu nằm ở bộ nhớ bên trong CPU.

tuần tự. Tức là sẽ có các trạng thái và các ñường tín hiệu mà sự
thay ñổi của các tín hiệu tại một thời ñiểm nhất ñịnh sẽ làm trạng
thái giữ nguyên hoặc chuyển sang một trạng thái mới.
ðể hiểu ñược vận hành của bộ ñiều khiển mạch ñiện tử,
chúng ta xét ñến mô tả về Automate (mạch tự ñộng hóa) trạng thái
hữu hạn như một mạch tuần tự có nhiều hệ thống hay nhiều thành
phần mà ở mỗi thời ñiểm xem xét ñều có một trạng thái (state).
Mục ñích của trạng thái là ghi nhớ những gì có liên quan
trong quá trình hoạt ñộng của hệ thống. Vì chỉ có một số trạng thái
nhất ñịnh nên nói chung không thể ghi nhớ hết toàn bộ lịch sử của
hệ thống, do vậy nó phải ñược thiết kế cẩn thận ñể ghi nhớ những
gì quan trọng.
Ưu ñiểm của hệ thống (chỉ có một số hữu hạn các trạng
thái) ñó là có thể cài ñặt hệ thống với một lượng tài nguyên cố
ñịnh. Chẳng hạn, chúng ta có thể cài ñặt Automate trạng thái hữu
hạn trong phần cứng máy tính ở dạng mạch ñiện hay một dạng
chương trình ñơn giản, trong ñó, nó có khả năng quyết ñịnh khi chỉ
biết một lượng giới hạn dữ liệu hoặc bằng cách dùng vị trí trong
ñoạn mã lệnh ñể ñưa ra quyết ñịnh.
Theo tổ chức ñiều khiển cứng, luận lý ñiều khiển ñược cài
ñặt qua các cổng , mạch lật, mạch giải mã và các mạch số khác.
Thuận lợi là có thể tối ưu ñể tạo ra chế ñộ nhanh cho tác vụ
Theo tổ chức ñiều khiển vi trình, thông tin ñiều khiển ñược
lưu trong bộ nhớ ñiều khiển, bộ nhớ ñiều khiển ñược lập trình ñể
khởi ñộng dãy vi tac vụ theo yêu cầu. Khi thay ñổi thiết kế, cần
thay ñổi cách kết nối các thành phần nếu tổ chức theo kiểu ñiều
khiển cài cứng. Nếu tổ chức theo ñiều khiển vi trình chỉ cần cập
nhật vi trình trong bộ nhớ ñiều khiển.
http://www.ebook.edu.vn
Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý

ã
nxm
Các c
ổng
ñiều khiển
Tín hiệu
ñiều khiển
m
-
1

D
m
-
1

…

0

B
ộ tạo các
thời hiệu
D
0

T

Các tín hiệu khác
(INR, CLR,…)

nhau của các hàm, các biến.
Thanh ghi có mục ñích ñặc biệt chỉ ñược dùng cho một số
chức năng ñặc biệt. Trong một số trường hợp, một vài thanh ghi chỉ
ñược dùng ñể lưu trữ dữ liệu và không thể dùng trong tính toán ñịa
chỉ của các toán hạng.
Chiều dài của thanh ghi phải ñủ ñể lưu trữ hầu hết các loại
dữ liệu, ñặc biệt là thanh ghi ñịa chỉ phải ñủ dài ñể có thể lưu ñược
ñịa chỉ lớn nhất.
Số lượng thanh ghi trong một kiến trúc máy tính ảnh hưởng
trực tiếp ñến việc thiết kế bộ lệnh. Nếu số lượng thanh gi ít sẽ dẫn
ñến việc phải sử dụng tham chiếu hay con trỏ tới bộ nhớ nhiều hơn
làm giảm ñáng kể ñến tốc ñộ thực thi của chương trình.
http://www.ebook.edu.vn
Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 198

Một dạng khác của các thanh ghi ñược dùng ñể lưu các bit
trạng thái của bộ xử lý hay là các cờ trạng thái. Những bit này thay
ñổi tùy theo kết quả thực hiện một lệnh nào ñó trong CPU
Thanh ghi truy cập bộ nhớ
Có hai thanh ghi ñược dùng ñặc biệt trong các lệnh ñọc/ghi
với bộ nhớ: thanh ghi dữ liệu bộ nhớ (memory data register -
MDR) và thanh ghi ñịa chỉ bộ nhớ (memory address regiater –
MAR). Hai thanh ghi này ñược CPU sử dụng ñặc biệt và các nhà
lập trình không thể truy cập trực tiếp vào chúng.
Trong thứ tự thực hiện một lệnh ghi vào một vùng nhớ ñặc
biệt, MDR và MAR ñược dùng như sau:
1. Một từ cần lưu vào một vị trí nào ñó trong bộ nhớ, ñầu

giá trị mới là ñịa chỉ của lệnh tiếp theo.
Thanh ghi trạng thái
Các thanh ghi trạng thái hay là các cờ trạng thái ñược sử
dụng ñể giữ các thông tin về trạng thái của quá trình thực thi lệnh.
Một số kiến trúc máy tính chứa một thanh ghi ñặc biệt gọi là thanh
ghi từ trạng thái của chương trình (program stature word – PSW).
Trong PSW chứa các bit trạng thái cho biết kết quả của các phép
tính số học (có bằng 0 không?có số thừa không? ), trạng thái ngắt,
thông tin bảo vệ bộ nhớ, tình trạng của bộ xử lý,…
Các thanh ghi họ 80x86
Trong các thế hệ máy tính 32 bit của Intel như 386,486 và
Pentium có ba nhóm thanh ghi, ñó là:
- Thanh ghi mục ñích chung
- Thanh ghi segment
- Thanh ghi ñếm chương trình PC và thanh ghi cờ
trạng thái
Trong hình 7.4 cho ta thấy ba nhóm này. Nhóm thứ nhất là
các thanh ghi mục ñích chung ñược ñặt tên bằng các ký tự
A,B,C,D,SI (source index), DI (destination index), SP (stack
pointer) và BP (base pointer). Nhóm thứ hai bao gồm các thanh ghi
CS (code segment), SS (stack segment) và 4 thanh ghi ñoạn dữ liệu
DS, ES, FS và GS. Nhóm thanh ghi thứ ba bao gồm thanh ghi lệnh
IR và thanh ghi trạng thái. Trong số những bit trạng thái, 5 bit ñầu
tiên ñồng nhất với các bit của bộ vi xử lý 8 bit trước ñây 8085. Các
bit tiếp theo 6-11 giống như ñược giới thiệu trong 8086. Các bit 12-
14 ñược giới thiệu trong 80286 trong khi các bit 16-17 trong
80386. Bit flag 18 trong 80486. Trong ñó còn nhiều bit chưa ñược
http://www.ebook.edu.vn
Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý


Phần ñường ñi của dữ liệu chiếm phân nửa diện tích của bộ
xử lý nhưng là phần dễ thiết kế và cài ñặt trong bộ xử lý.
7.4.1. Tổ chức One-Bus
Các thanh ghi CPU và ALU dùng một BUS ñơn ñể di
chuyển dữ liệu ra vào giữa chúng với nhau. Vì một BUS chỉ có thể
sử dụng một dữ liệu di chuyển trong một chu kỳ ñồng hồ, cho nên
một phép toán có hai toán hạng sẽ phải cần hai chu kỳ ñồng hồ ñể
tìm và nạp các toán hạng cho ALU. Dạng tổ chức BUS này là ñơn
giản nhất nhưng nó bị nhiều hạn chế về số lượng dữ liệu ñược
chuyển tải trong một chu kỳ ñồng hồ nói chung ñã làm chậm cả hệ
thống lại rất nhiều.
Hình 7.5 cho ta sơ ñồ tổ chức ñường ñi dữ liệu one-bus . Nó
bao gồm bộ các thanh ghi ña mục ñích, một thanh ghi ñịa chỉ bộ
nhớ MAR, một thanh ghi dữ liệu bộ nhớ MDR, một thanh ghi lệnh
IR, một thanh ghi ñếm chương trình PC và bộ logic số học ALU.

Hình 7.5. Tổ chức One-Bus
http://www.ebook.edu.vn
Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 202

7.4.2. Tổ chức Two-Bus, Three-Bus
Sử dụng hai BUS ñể tổ chức ñường ñi dữ liệu là một giải
pháp giúp cải thiện tốc ñộ rất nhiều so với công nghệ dùng one-bus.
Trong trường hợp này các thanh ghi ña mục ñích ñược nối với cả
hai bus. Dữ liệu có thể truyền từ hai thanh ghi khác nhau ñến ñầu
vào của ALU tại cùng một thời ñiểm. Do vậy, một lệnh có hai toán
hạng có thể tìm và nạp trong cùng một chu kỳ ñồng hồ và như vậy

http://www.ebook.edu.vn
Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 204Hình 7.7. Tổ chức ñường truyền dữ liệu dạng three-bus
7.5. Diễn tiến thi hành lệnh mã máy(CPU instruction
cycle)
Công việc của CPU diễn ra liên tục và việc thực hiện các
lệnh diễn ra như trong hình 7.8. Các lệnh ñược lấy ra từ bộ nhớ
chính và khi CPU tìm thấy một lệnh, nó sẽ phân tích lệnh ñó ñể
thực thi, sau ñó lại sẽ tìm nạp lệnh tiếp theo và cứ như vậy diễn ra
liên tục.
Việc thi hành một lệnh mã máy có thể chia thành 5 giai ñoạn sau:
 ðọc lệnh (IF: Instruction Fetch)
 Giải mã lệnh (ID: Instruction Decode)
 Thi hành lệnh (EX: Execute)
 Thâm nhập bộ nhớ trong hoặc nhảy (MEM: Memory
access)
 Lưu trữ kết quả (RS: Result Storing).
Mỗi giai ñoạn ñược thi hành trong một hoặc nhiều chu kỳ xung
nhịp.
http://www.ebook.edu.vn
Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 205


ñược ñưa vào A và B.Thanh ghi PC ñược tăng lên ñể chỉ tới
lệnh kế ñó.
ðể hiểu rõ giai ñoạn này, ta lấy dạng thức của một
lệnh làm tính tiêu biểu sau ñây:

http://www.ebook.edu.vn
Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 207

Các thanh ghi nguồn Rs1 và Rs2 ñược sử dụng tuỳ
theo tác vụ, kết quả ñược ñặt trong thanh ghi ñích Rd.
Ta thấy việc giải mã ñược thực hiện cùng lúc với
việc ñọc các thanh ghi Rs1 và Rs2 vì các thanh ghi này luôn
nằm tại cùng vị trí ở trong lệnh.
3. Thi hành lệnh:
Tuỳ theo loại lệnh mà một trong ba nhiệm vụ sau ñây ñược
thực hiện:
- Liên hệ tới bộ nhớ
MAR ← ðịa chỉ do ALU tính tuỳ theo kiểu ñịnh vị
(Rs2).
MDR ← Rs1
ðịa chỉ hiệu dụng do ALU tính ñược ñưa vào MAR
và thanh ghi nguồn Rs1 ñược ñưa vào MDR ñể ñược lưu
vào bộ nhớ trong.
- Một lệnh của ALU
Ngã ra ALU ← Kết quả của phép tính
ALU thực hiện phép tính xác ñịnh trong mã lệnh,
ñưa kết quả ra ngã ra.

một lệnh nhảy). Phần lớn các nhà sản xuất máy tính (ví dụ như
IBM, INTEL) dùng từ ngắt quãng ñể ám chỉ sự kiện này, tuy nhiên
http://www.ebook.edu.vn
Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 209

một số nhà sản xuất khác dùng từ “ngoại lệ”, “lỗi”, “bẫy” ñể chỉ
ñịnh hiện tượng này.
Bộ ñiều khiển của CPU là bộ phận khó thực hiện nhất và
ngắt quãng là phần khó thực hiện nhất trong bộ ñiều khiển. ðể
nhận biết ñược một ngắt quãng lúc ñang thi hành một lệnh, ta phải
biết ñiều chỉnh chu kỳ xung nhịp và ñiều này có thể ảnh hưởng ñến
hiệu quả của máy tính.
Người ta ñã nghĩ ra “ngắt quãng” là ñể nhận biết các sai sót
trong tính toán số học, và ñể ứng dụng cho những hiện tượng thời
gian thực. Bây giờ, ngắt quãng ñược dùng cho các công việc sau
ñây:
 Ngoại vi ñòi hỏi nhập hoặc xuất số liệu.
 Người lập trình muốn dùng dịch vụ của hệ ñiều
hành.
 Cho một chương trình chạy từng lệnh.
 Làm ñiểm 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 ñiện bị cắt.
http://www.ebook.edu.vn
Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 211

7.7. Kỹ thuật ống dẫn (PIPELINE)
ðây là một kỹ thuật làm cho các giai ñoạn khác nhau của
nhiều lệnh ñược thi hành cùng một lúc.
Ví dụ: Chúng ta có những lệnh ñều ñặn, mỗi lệnh ñược thực
hiện trong cùng một khoảng thời gian. Giả sử, mỗi lệnh ñược thực
hiện trong 5 giai ñoạn và mỗi giai ñoạn ñược thực hiện trong 1 chu
kỳ xung nhịp. Các giai ñoạn 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).
Hình 7.9 cho thấy ñể xử lý 5 lệnh chúng ta cần 9 chu kỳ
xung nhịp. Trong chu kỳ xung nhịp thứ nhất, lệnh thứ i nhất ñược
tìm nạp vào. Trong chu kỳ xung nhịp thứ hai, trong khi lệnh thứ i
ñang thực hiện giải mã thì lại tiếp tục nạp lệnh tiếp theo i+1. Sang
chu kỳ xung nhịp thứ ba, trong khi lệnh thứ i ñang thực hiện, lệnh
thứ i+1 ñang giải mã thì lại tiếp tục tìm nạp lệnh thứ i+2.

Hình 7.9. Thực hiện lệnh trong kỹ thuật pipeline
http://www.ebook.edu.vn
Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý

giải mã và ñọc các toán hạng trong một chu kỳ duy nhất của xung
nhịp.
- Cần phải có các bộ làm tính ALU hữu hiệu ñể 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.
http://www.ebook.edu.vn
Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 213

- Cần phải có nhiều thanh ghi lệnh ñể lưu giữ lệnh mà
chúng ta phải xem xét cho mỗi giai ñoạn thi hành lệnh.
- Cuối cùng phải có nhiều thanh ghi bộ ñếm chương trình
PC ñể có thể tái tục các lệnh trong trường hợp có ngắt quãng.
 Những khó khăn trong kỹ thuật ống dẫn
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 ñược 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 ñiều khiển.
a. Khó khăn do cấu trúc:
ðây 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 ñược giải quyết bằng
cách thêm các bộ phận chức năng cần thiết và hữu hiệu.
b. Khó khăn do số liệu:
Lấy ví dụ trường hợp các lệnh liên tiếp sau:
Lệnh 1: ADD R1, R2, R3

trước giai ñoạn giải mã. Như vậy, nếu lệnh nhảy bắt ñầu ở chu kỳ C
thì lệnh mà chương trình nhảy tới chỉ ñược bắt ñầu ở chu kỳ C+2.
Ngoài ra, phải biết ñịa chỉ cần nhảy ñến mà ta có ở cuối giai ñoạn
http://www.ebook.edu.vn
Chương VII: Tổ chức Bộ xử lý 215

giải mã ID. Trong lệnh nhảy tương ñối, ta phải cộng ñộ dời chứa
trong thanh ghi lệnh IR vào thanh ghi PC. Việc tính ñịa chỉ này chỉ
ñược thực hiện vào giai ñoạn ID với ñiều kiện phải có một mạch
công việc riêng biệt.
Vậy trong trường hợp lệnh nhảy không ñiều kiện, lệnh mà
chương trình nhảy ñến bắt ñầu thực hiện ở chu kỳ C+2 nếu lệnh
nhảy bắt ñầu ở chu kỳ C.
Cho các lệnh nhảy có ñiều kiện thì phải tính toán ñiều kiện.
Thông thường các kiến trúc RISC ñặt kết quả việc so sánh vào
trong thanh ghi trạng thái, hoặc vào trong thanh ghi tổng quát.
Trong cả 2 trường hợp, ñọc ñiều kiện tương ñương với ñọc thanh
ghi. ðọc thanh ghi có thể ñược thực hiện trong phân nửa chu kỳ
cuối giai ñoạn ID.
Một trường hợp khó hơn có thể xảy ra trong những lệnh
nhảy có ñiều kiện. ðó là ñiều kiện ñược có khi so sánh 2 thanh ghi
và chỉ thực hiện lệnh nhảy khi kết quả so sánh là ñúng. Việc tính
toán trên các ñại lượng logic không thể thực hiện ñược trong phân
nửa chu kỳ và như thế phải kéo dài thời gian thực hiện lệnh nhảy
có ñiều kiện. Người ta thường tránh các trường hợp này ñể không
làm giảm mức hữu hiệu của máy tính.
Vậy trường hợp ñơn giản, người ta có thể ñược ñịa chỉ cần