Một vi mạch xử lý lệnh như thế nào?

Bạn sẽ học được gì

• Phân biệt mã lệnh và dữ liệu đầu vào.
• Theo dõi vai trò của thanh ghi và bộ tính toán.
• Hiểu vì sao bước xử lý không đồng nghĩa một nhịp đồng hồ.

Cần biết trước

Đọc bài nền tảng được liên kết ở phần điều kiện tiên quyết. Bài này chỉ giải thích nguyên lý, không yêu cầu lắp hay tháo thiết bị.

Lấy lệnh và giải mã

Bộ nhớ lệnh cung cấp mã của lệnh cần thực hiện. Khối giải mã đọc các bit và tạo tín hiệu điều khiển để phần còn lại của bộ xử lý phối hợp. Đồng thời, toán hạng được đọc từ tập thanh ghi.

Có thể xem mã lệnh là yêu cầu “làm việc gì với dữ liệu nào”. Yêu cầu ấy khác với chính các giá trị sẽ cộng hay so sánh. Nếu chỉ đọc được giá trị mà chưa giải mã thao tác thì chưa biết cần làm gì với nó.

• Khối điều phối xử lý
• Khối thực hiện phép tính

Thực hiện rồi ghi kết quả

Khối số học và logic thực hiện thao tác mà lệnh yêu cầu, chẳng hạn cộng hoặc dịch giá trị. Lệnh tải và lưu còn cần truy cập bộ nhớ dữ liệu. Vì vậy không phải lệnh nào cũng cần đọc hay ghi bộ nhớ dữ liệu.

Kết quả được ghi trở lại tập thanh ghi; với lệnh tải, kết quả đến từ bộ nhớ thay vì phép tính số học. Hãy phân biệt kết quả trung gian trên đường tín hiệu với kết quả đã được lưu để lệnh sau sử dụng.

Các bước có phải các nhịp đồng hồ không?

Kiến trúc quyết định cách ánh xạ công việc lên nhịp đồng hồ. Mạch một chu kỳ, nhiều chu kỳ và pipeline tổ chức cùng các trách nhiệm theo những cách khác nhau. Pipeline có thể giải mã một lệnh trong lúc lấy lệnh kế tiếp.

Sơ đồ bước giúp hiểu trách nhiệm. Nó không đủ để khẳng định một CPU thật luôn mất đúng một nhịp cho mỗi bước hoặc mọi lệnh đều có cùng thời gian.

Ví dụ để tự kiểm tra

Hai lệnh minh họa trong một bộ xử lý đơn giản, không phải mô tả một CPU thật. Lệnh thứ nhất: “cộng thanh ghi A với thanh ghi B, giữ kết quả ở thanh ghi C”. Bộ nhớ lệnh đưa mã lệnh tới khối giải mã; khối giải mã đọc các bit và tạo tín hiệu điều khiển, đồng thời hai toán hạng được đọc từ thanh ghi A và B. Khối số học cộng chúng, rồi kết quả được ghi về thanh ghi C. Lệnh này không chạm tới bộ nhớ dữ liệu.

Lệnh thứ hai: “nạp một giá trị từ bộ nhớ dữ liệu vào thanh ghi C”. Các bước lấy lệnh và giải mã giống lệnh trước, nhưng lần này bộ nhớ dữ liệu được đọc, và kết quả ghi về thanh ghi C đến từ bộ nhớ chứ không phải từ phép cộng. Đặt hai lệnh cạnh nhau để thấy phần nào chung (lấy lệnh, giải mã, ghi kết quả) và phần nào riêng (có hay không có truy cập bộ nhớ dữ liệu).

Nếu bộ xử lý dùng pipeline, khối giải mã có thể đang xử lý lệnh thứ nhất trong lúc lệnh thứ hai được lấy. Thứ tự các bước của mỗi lệnh vẫn giữ nguyên; chỉ có việc của các lệnh khác nhau chồng lên nhau.

Câu hỏi thường gặp

Lệnh có phải câu trong mã nguồn không?

Bài này nói về mã lệnh mà bộ xử lý giải mã; không khẳng định mỗi câu mã nguồn tương ứng một lệnh máy.

Pipeline có bỏ qua giải mã không?

Không. Nó chồng thời gian thực hiện của các lệnh khác nhau.

Tóm tắt

• Giải mã tạo tín hiệu điều khiển từ mã lệnh.
• Toán hạng được xử lý rồi kết quả được lưu lại.
• Kiến trúc quyết định cách các bước nằm trong nhịp đồng hồ.