Bài giảng Kiến trúc máy tính

95 trang hapham 4020

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kiến trúc máy tính", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_kien_truc_may_tinh.pdf

Nội dung text: Bài giảng Kiến trúc máy tính

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH KHOA: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BÀI GIẢNG KIẾN TRÚC MÁY TÍNH TÊN HỌC PHẦN : KIẾN TRÚC MÁY TÍNH MÃ HỌC PHẦN : 17302 TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO : ĐẠI HỌC CHÍNH QUY DÙNG CHO SV NGÀNH : CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HẢI PHÒNG - 2010
MỤC LỤC Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG 7 1.1. Lịch sử phát triển và phân loại 7 1.1.1. Lịch sử phát triển 7 1.1.2. Phân loại máy tính 8 1.2. Biểu diễn thông tin trên máy tính 10 1.2.1. Hệ đếm 10 1.2.2. Đổi số thập phân ra số nhị phân hoặc ngược lại 11 1.2.3. Các loại mã 12 1.2.4. Biểu diễn số nguyên theo mã nhị phân 12 1.2.5. Biểu diễn số thực theo mã nhị phân 12 1.2.6. Biểu diễn các dạng thông tin khác 13 1.3. Các loại máy tính cá nhân 13 Chương II: BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM 15 2.1. Tổ chức bộ xử lý 15 2.2. Tổ chức thanh ghi 16 2.2.1. User-Visible Registers: 16 2.2.2. Control and Status Registers: 17 2.3. Đơn vị số học và logic ALU (Arithmetic and logic unit) 18 2.4. Đơn vị điều khiển CU(Control Unit) 19 2.4.1 Tín hiệu điều khiển: 20 2.4.2. Đơn vị điều khiển vi chương trình 21 2.4.3. Một số mở rộng của vi xử lý máy tính cho đến ngày nay 21 2.5. Cấu trúc kết nối - BUS 22 2.6. Tập lệnh và các Mode địa chỉ 23 2.6.1. Tập lệnh của CPU 23 2.6.2. Các nhóm lệnh của CPU 24 2.6.3. Hợp ngữ (Assembly) 30 2.6.4. Các Mode địa chỉ 34 Chương III: HỆ THỐNG NHỚ 37 3.1. Khái quát về hệ thống nhớ 37 3.2. Phân cấp bộ nhớ 38 3.3. Bộ nhớ bán dẫn 38 3.3.1. Các loại bộ nhớ bán dẫn 38 3.3.2. Tổ chức bộ nhớ 39 3.4. Cache Memory 39 3.4.1. Nguyên tắc 39 3.4.2. Kỹ thuật ánh xạ bộ nhớ cache 40 3.5. Quản lý bộ nhớ 43 3.5.1. Các kỹ thuật quản lý bộ nhớ 43 - 1 -
3.5.2. Bộ nhớ ảo 46 3.5.3. Sự phân đoạn 48 3.6. Kỹ thuật giải mã địa chỉ 49 3.6.1. Cấu tạo một vi mạch nhớ 49 3.6.2. Giải mã địa chỉ cho bộ nhớ 50 Chương IV: HỆ THỐNG VÀO RA 53 4.1. Giới thiệu chung 53 4.1.1. Các thiết bị ngoại vi 53 4.1.2. Modul vào ra 53 4.2. Ghép nối máy tính với thiết bị ngoại vi 54 4.2.1. Ghép nối song song 54 4.2.2. Ghép nối nối tiếp 56 4.3. Các phương pháp điều khiển vào ra 56 4.3.1. Vào ra điều khiển bằng cách thăm dò 56 4.3.2. Vào ra điều khiển bằng Ngắt 57 4.3.3. Vào ra điều khiển bằng DMA 61 Chương V: THIẾT BỊ NHẬP DỮ LIỆU 64 5.1. Giới thiệu chung 64 5.2. Bàn phím 64 5.1.1. Kĩ thuật dò phím 64 5.1.2. Kĩ thuật quét phím (Scan) 65 5.3. Chuột 66 5.4. Các thiết bị nhập liệu tiên tiến 66 Chương VI: THIẾT BỊ XUẤT DỮ LIỆU 67 6.1. Những khái niệm cơ bản 67 6.1.1. Nguyên lý của phương pháp hiển thị hình ảnh video. 67 6.1.2. Những đặc điểm chung của màn hình 67 6.2. Màn hình màu CRT (Cathod Ray Tube) 68 6.2.1. Cấu tạo 68 6.2.2. Phương pháp quét dòng 69 6.2.3. Sơ đồ ghép nối và hoạt động: 69 6.2.4. Kĩ thuật làm tươi hình ảnh 70 6.3. Máy in 70 Chương VII: THIẾT BỊ LƯU TRỮ 71 7.1. Giới thiệu chung 71 7.2. Đĩa từ (Magetic) 71 7.2.1. Tham số đọc ghi (Đầu từ) 71 7.2.2. Tham số đĩa từ 72 72.3. Các công nghệ sản xuất đĩa từ 73 7.2.4. Chuẩn bị một đĩa cứng để đưa vào sử dụng 74 7.3. Đĩa Quang (Optical Disk) 74 7.3.1. Đặc điểm 74 7.3.2. Nguyên tắc đọc/ghi thông tin 74 - 2 -
7.3.3. Phân loại 75 7.4. Các thiết bị lưu trữ khác 75 Chương VIII: THIẾT BỊ GHÉP NỐI VÀ TRUYỀN THÔNG 76 8.1. Giới thiệu chung 76 8.2. Bộ chuyển đổi tín hiệu 76 8.2.1. Bộ chuyển đổi tín hiệu số - tương tự: DAC (Digital Analog Converter) 76 8.2.2. Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - số: ADC (Analog Digital Converter) 77 8.2.3. Modem (Modulation - Demodulation) điều chế và giải điều chế 78 8.3. Các chuẩn giao tiếp 79 8.3.1. Các chuẩn chung: 79 8.3.2. Các chuẩn về giao diện gữa DTE và DCE bao gồm: 79 8.3.3. Chuẩn EIA-RS 232 (Electronic Industry Association-Recomand Standard) 79 8.4. Mạch điều khiển truyền số liệu 81 8.4.1. Giới thiệu chung 81 8.4.2. Mạch điều khiển truyền thông dị bộ vạn năng UART (VXL 8250A) 82 8.4.3. Mạch điều khiển truyền thông đồng bộ-dị bộ vạn năng USART (VXL 8251A) 89 - 3 -
YÊU CẦU VÀ NỘI DUNG CHI TIẾT Tên học phần: Kiến trúc máy tính và thiết bị ngoại vi Loại học phần: 2 Bộ môn phụ trách giảng dạy: Kỹ thuật máy tính Khoa phụ trách: CNTT Mã học phần: 17312 Tổng số TC: 4 TS tiết Lý thuyết Thực hành/Xemina Tự học Bài tập lớn Đồ án môn học 75 60 15 0 0 0 Điều kiện tiên quyết: Sinh viên phải học xong các học phần sau mới được đăng ký học phần này: Kiến Hệ điều hành, Cấu trúc dữ liệu, các Ngôn ngữ lập trình cấp cao, Mạch và tín hiệu, Kỹ thuật số. Mục tiêu của học phần: Giới thiệu cho sinh viên có khái niệm tổng quan về kiến trúc máy tính, các kỹ thuật cơ bản về phần cứng, các kỹ thuật điều khiển và ghép nối. Nội dung chủ yếu - Phần I: Kiến trúc máy tính - giới thiệu về các phương pháp biểu diễn thông tin trong máy tính, kiến trúc chung của máy tính điện tử và các thành phần bên trong cũng như chức năng và cấu trúc trong của các thành phần này. - Phần II: Các thiết bị ngoại vi - giới thiệu chung về hệ thống vào ra, các thiết bị ngoại vi, chức năng và cấu trúc trong của chúng cũng như quá trình ghép nối các thiết bị này với máy tính điện tử. Nội dung chi tiết của học phần: PHÂN PHỐI SỐ TIẾT TÊN CHƯƠNG MỤC TS LT BT TH KT Chương I : Giới thiệu chung 6 6 1. Lịch sử phát triển 1 2. Phân loại 1.5 3. Hệ đếm 0.5 4. Các loại mã 1 5. Đơn vị thông tin 0,5 6. Biểu diễn số nguyên trong máy 1 7. Mảng và ngăn xếp 0,5 Chương II : Bộ xử lý trung tâm 14 8 5 1 1. Tổ chức của bộ xử lí trung tâm 1 2. Tập các thanh ghi 1 3. Đơn vị số học và Logic 1,5 4. Đơn vị điều khiển 2 5. Cấu trúc kết nối 0,5 6. Tập lênh Assembly và các Mode địa chỉ 2 Chương III: Hệ thống nhớ 13 12 1 I. Tổng quan 2 - 4 -
PHÂN PHỐI SỐ TIẾT TÊN CHƯƠNG MỤC TS LT BT TH KT 1. Hệ thống nhớ 2. Phân cấp hệ thống nhớ II. Bộ nhớ bán dẫn 2 1. Tổ chức của bộ nhớ bán dẫn 2. Các loại bộ nhớ bán dẫn II. Bộ nhớ Cache 3 1. Khái niệm 2. Các phương pháp ánh xạ dữ liệu IV. Kỹ thuật giải mã địa chỉ 4 1. Khái niệm 2. Kĩ thuật giải mã địa chỉ V. Kỹ thuật quản lí bộ nhớ 1 1. Các kí thuật quản lí bộ nhớ 2. Quản lí bộ nhớ ảo Chương IV: Hệ thống vào ra 9 8 1 I. Tổng quan 2 1. Các Thiết bị ngoại vi 2. Các Mô đun vào ra II. Ghép nối vào ra 3 1. Ghép nối nối tiếp 2. Ghép nối song song III. Các phương pháp vào ra 3 1. Vào ra bằng phương pháp thăm dò 2. Vào ra bằng Ngắt 3. Vào ra bằng phương pháp truy nhập trực tiếp bộ nhớ Chương V: Thiết bị nhập dữ liệu 5 5 1. Khái niệm 0,5 2. Bàn phím 3 3. Chuột 1 4. Các thiết bị nhập liệu tiên tiến 0,5 ChươngVI : Thiết bị xuất dữ liệu 5 5 1. Giới thiệu chung 0,5 2. Màn hình 3,5 4. Máy in 1 Chương VII : Thiết bị lưu trữ 11 6 5 1. Các khái niệm 1 2. Đĩa từ 3 3. Đĩa quang 0,5 4. Các thiết bị lưu trữ khác 1,5 - 5 -
PHÂN PHỐI SỐ TIẾT TÊN CHƯƠNG MỤC TS LT BT TH KT Chương VIII : Thiết bị ghép nối và truyền thông 12 6 5 1 1. Giới thiệu chung 1 2. Bộ chuyển đổi ADC – DAC 2 3. Các chuẩn ghép nối và truyền thông 1 4. Thiết bị điều khiển ghép nối truyền thông 2 Nhiệm vụ của sinh viên : Tham dự các buổi thuyết trình của giáo viên, tự học, tự làm bài tập do giáo viên giao, tham dự các buổi thực hành, các bài kiểm tra định kỳ và cuối kỳ, hoàn thành bài tập lớn theo yêu cầu. Tài liệu học tập : - William Stalling - Computer Organization and Architecture, 1997 - Mc. Graw - Computer Architecture, 1997 - Văn Thế Minh - Kỹ thuật vi xử lý - NXB giáo dục 1997 - Nguyễn Kim Khánh - Giáo trình kiến trúc máy tính - ĐHBK Hà nội - Nguyễn Đình Việt - Giáo trình kiến trúc máy tính - ĐHQG Hà nội - Trần Thái Bá - Điều khiển và ghép nối thiết bị ngoại vi - NXB thống kê 2000 - Trần Quang Vinh - Cấu trúc máy tính - NXB giáo dục 1997 - Võ Văn Thành - Máy vi tính sự cố chẩn đoán và cách giải quyết - NXB thống kê 1996. - William Stalling- Computer Architecture Advanced, 1997 Hình thức và tiêu chuẩn đánh giá sinh viên: - Đánh giá dựa trên tình hình tham dự buổi học trên lớp, các buổi thực hành, điểm kiểm tra thường xuyên và điểm kết thúc học phần. - Hình thức thi cuối kỳ : thi viểt. Thang điểm: Thang điểm chữ A, B, C, D, F Điểm đánh giá học phần Z = 0.3X + 0.7Y. Bài giảng này là tài liệu chính thức và thống nhất của Bộ môn Kỹ thuật máy tính, Khoa Công nghệ Thông tin và được dùng để giảng dạy cho sinh viên. Ngày phê duyệt: 15 / 6 / 2010 Trưởng Bộ môn: ThS. Ngô Quốc Vinh - 6 -
Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. Lịch sử phát triển và phân loại 1.1.1. Lịch sử phát triển Nhiều thế hệ trôi qua con người đã thực hiện các phép toán với các con số chủ yếu bằng tay hay bằng các công cụ tính thô sơ (bảng tính, thước tính ). Năm 1943,John Mauchley và các học trò của ông đã chế tạo ra chiếc máy tính điện tử đầu tiên ở Mĩ - chiếc máy tính được đặt tên là ENIAC (Electronic Numerial Itergrator And Calculator). Nó gồm 18.000 đèn điện tử, 1500 rơ le, nặng 30 tấn, tiêu thụ công suất điện 140KW.Chiếc máy này mục đích phục vụ quân đội trong chiến tranh thế giới lần thứ 2 nhưng đến năm 1946 nó mới hoàn thành. Cho đến ngày nay máy tính đã có những sự phát triển vượt bậc, ứng dụng trong hầu hết các hoạt động của xã hội với rất nhiều chủng loại thế hệ tuỳ theo công việc. Tuy nhiên kể từ đó đến nay có thể phân máy tính ra thành các thế hệ sau: Thế hệ 1: (1950-1959): Về kỹ thuật: linh kiện dùng đèn điện tử, độ tin cậy thấp, tổn hao năng lượng. Tốc độ tính toán từ vài nghìn đến vài trăm nghìn phép tính/giây. Về phần mềm:chủ yếu dùng ngôn ngữ máy để lập trình. Về ứng dụng: mục đích nghiên cứu khoa học kỹ thuât. Thế hệ 2: (1959-1964): Về kỹ thuật:linh kiện bán dẫn chủ yếu là transistor. Bộ nhớ có dung lượng khá lớn. Về phần mềm: đã bắt đầu sử dụng một số ngôn ngữ lập trình bậc cao:Fortran,Algol, Cobol, Về ứng dụng: tham gia giải các bài toán kinh tế xã hội. Thế hệ 3 (1964-1974) Về kỹ thuật: linh kiện chủ yếu sử dụng các mạch tích hợp (IC),các thiết bị ngoại vi được cải tiến, đĩa từ được sử dụng rộng rãi.Tốc độ tính toán đạt vài triệu phép toán trên giây;dung lượng bộ nhớ đạt vài MB (Megabytes). Về phần mềm: Xuất hiện nhiều hệ điều hành khác nhau.Xử lí song song. Phần mềm đa dạng, chất lượng cao, cho phép khai thác máy tính theo nhiều chế độ khác nhau. Về ứng dụng: tham gia trong nhiều lĩnh vưc của xã hội. Thế hệ thứ 4 (1974-199?): Về kỹ thuật: Xử dụng mạch tích hợp cỡ lớn (Very large scale integration) VLSI, thiết kế các cấu trúc đa xử lí. Tốc độ đạt tới hàng chục triệu phép tính /giây. Ở đây chúng ta chủ yếu nói về cấu trúc máy vi tính tương thích IBM nên lịch sử của chiếc máy PC gắn liền với sự phát triển của IBM-PC.chiếc máy tính cá nhân đã phát triển cùng với sự phát triển của các bộ vi xử lý . Máy IBM_PC coi như được khởi đầu từ một công trình của phòng thí nghiệm tại Atlanta của IBM. o Từ năm 1979-1980 IBM hoàn thành chiếc máy Datamaster. Máy này dùng vi xử lý 16 bit của Intel. o Năm 1980 kế hoạch sản xuất máy PC bắt đầu được thực hiện. Chiếc máy IBM_PC đầu tiên dùng một bộ vi xử lý 8 bits của Intel, bộ VXL 8085. o Năm 1981-1982 IBM sản xuất máy tính PC sử dụng bộ vi xử lý 8086,8088. o Năm 1984 máy tính xử dụng chíp 80286. o Năm 1987 máy tính xử dụng bộ VXL 32bits 80386. o Năm 1990 bộ VXL 80486 ra đời với nhiều tính năng hơn. - 7 -
o Năm 1993 Bộ VXL Pentium ra đời mở ra một thế hệ vi tính cá nhân mới với 64 bits dữ liệu, 32 bit địa chỉ. o 1995-1999 các thế hệ VXL mới như MMX,Pentium II,III với khả năng biểu diễn không gian 3 chiều, nhận dạng tiếng nói o Từ năm 2000 cùng với Merced một thế hệ VXL 64 bit với cấu trúc hoàn toàn mới ra đời đã tạo ra một thế hệ máy vi tính mới. Về ứng dụng : Máy tính đã được áp dụng trong hầu hết các lĩnh vực của xã hội. Thế hệ thứ 5: Theo đề án của người Nhật chiếc máy tính điện tử thế hệ thứ 5 có cấu trúc hoàn toàn mới, bao gồm 4 khối cơ bản.Một trong các khối cơ bản là máy tính điện tử có cấu trúc như hiện nay và liên hệ trực tiếp với người sử dụng thông qua khối giao tiếp trí thức gồm 3 khối con: bộ xử lý giao tiếp, cơ sở tri thức và khối lập trình. 1.1.2. Phân loại máy tính Máy tính (computer) là một khái niệm tương đối rộng, tuỳ theo cấu trúc, chức năng, hình dáng mà có thể phân ra nhiều loại khác nhau. Về căn bản máy tính được phân làm các loại chính sau: 1.1.2.1. Phân loại theo khả năng Máy tính lớn (mainframe computer) Máy tính con (mini computer) máy vi tính (Microcomputer). Máy tính lớn (mainframe computer): Là những máy tính cỡ lớn, có khả năng hỗ trợ cho hàng trăm đến hàng ngàn người sử dụng. Có khả năng giải những bài toán lớn tốc độ tính toán nhanh.Chúng được thiết kế đặc biệt với chiều dài bus dữ liệu rộng 64 bit hoặc hơn. Kích thước bộ nhớ làm việc rất lớn. Giá thành cao chỉ được chuyên dùng cho các ứng dụng trong quân sự, ngân hàng, khí tượng. Thường được sử dụng trong chế độ các công việc sắp xếp theo lô lớn (Large-Batch-Job) hoặc xử lý các giao dịch (Transaction Processing), ví dụ trong ngân hàng. Máy tính con (mini computer): Là một dạng thu nhỏ của máy tính lớn. Chiều rộng dữ liệu vào khoảng 32 bit đến 64 bit. Do giá thành thấp hơn máy tính lớn,tính năng mạnh nên máy tính con rất được ưa dùng trong nghiên cứu khoa học. Máy vi tính (MicroComputer): Những máy dùng bộ vi xử lý (họ Intel, Motorola) làm cốt lõi, vi điều khiển (microcontroler) và máy tính trong một vi mạch (one-chip microcomputer) đều thuộc họ máy vi tính. Đặc điểm chung về công nghệ của họ này mức độ tổ hợp lớn VLSI (very large scale integration) và dùng công nghệ CMOS (complementary metal oxide silicon) để chế tạo các mạch logic. Tốc độ phát triển các vi xử lý 32 bit và 64 bit hiện đại làm khoảng cách giữa máy tính lớn và máy vi tính ngày càng thu hẹp. Trạm làm việc (workstation): Cũng là một loại máy vi tính, đặc điểm khác biệt so với máy tính cá nhân PC là có khả năng được nhiều người cùng xử dụng cùng một lúc. Máy tính cá nhân PC (Personal Computer): Chỉ được một người sử dụng. Giá thành của chúng rẻ do cấu hình đơn giản, được chuẩn hoá, và được sản xuất hàng loạt với số lượng lớn.Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ mà máy tính cá nhân ngày nay đã có thể làm được những công việc mà trước kia vốn chỉ là đặc quyền của máy tính lớn. - 8 -
1.1.2.2. Phân loại theo nguyên lý Máy tính cơ khí. Máy tính tương tự Máy tính số 1.1.2.3. Phân loại theo kiến trúc Kiến trúc tuần tự (kiến trúc VonNewman cổ điển) M emory R e g is te r ALU CU I/O Máy tính gồm CPU, Memory, I/O.  CPU gồm:  thanh ghi (regiser)  ALU (Arithmetic Logical Unit)  CU (Control Unit). Đặc điểm :  Thực hiện lần lượt từng lệnh một  Tốc độ chậm Còn được gọi là kiến trúc SISD(Single Instruction Stream-Single Data Stream) Kiến trúc song song + SIMD (Single Instruction Stream-Multiple Data Stream) TÝn hiÖu ®iÒu khiÓn CU A L U 1 A L U 2 lÖnh DL DL m em ory Đặc điểm: o Có một đơn vị điều khiển, n phần tử xử lý o Đơn vị điều khiển: điều khiển đồng thời tất cả các phần tử tại cùng một thời điểm các phần tử xử lý thực hiện cùng một thao tác trên các tập dữ liệu khác nhau. - 9 -
+ MIMD (Multiple Instruction Stream-Multiple Data Stream) TÝn hiÖu ®iÒu khiÓn TÝn hiÖu ®iÒu khiÓn CU1 ALU1 CU2 ALU2 lÖnh DL DL memory Đặc điểm: o Máy gồm hai hoặc nhiều bộ vi xử lý tương tự về khả năng, có thể thực hiện những phép toán khác nhau tren các DL khác nhau. o Tất cả các CPU cùng chia xẻ một bộ nhớ chung. Một số bộ nhớ cục bộ cũng có thể được dùng. o Tất cả CPU cùng xử dụng chung các thiết bị vào ra, có thể dùng chung một số kênh hoặc dùng các kênh khác nhau dẫn đến cùng một thiết bị. o Hệ thống được điều khiển bởi hệ thống hoạt động tích hợp .Nó cung cấp sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa CPU và các chương trình chạy trên chúng ở task, file,các thành phần dữ liệu + MISD (Multiple Instruction Stream-Single Data Stream) Đặc điểm: o Có nhiều đơn vị điều khiển o Thực hiện lệnh theo các công đoạn, tại một thời điểm mỗi đơn vị điều khiển xử lý một công đoạn như vậy có thể tiết kiệm được số chu kỳ máy cần để xử lý lệnh. o Đây cũng là nguyên tắc của Pipeling khi chia lệnh thành các công đoạn: nhận lệnh F (Fetch), giải mã lệnh D (Decode), thực hiện lệnh E (Execute), và ghi kết quả W (write back). Như vậy với 4 lệnh có thể tiết kiệm tới 9 chu kỳ máy 1.2. Biểu diễn thông tin trên máy tính 1.2.1. Hệ đếm a. Hệ đếm bất kỳ Bất kỳ một hệ đếm nào đều biểu diễn một số nguyên theo nguyên tắc sau: n 1 0 1 n-1 i N = an-1 a0 = a0.s + a1.s + + an-1.s =  ai  s (1.1) i 0 Trong đó N là một số nguyên có n chữ số. Chữ số ai tại vị trí i (i=0 n-1) được gọi là trị số (hay còn gọi là trọng số). Giá trị s là cơ số của hệ đếm . Hệ đếm được đặt tên theo giá trị cơ số s. Chẳng hạn, với s=2 ta có hệ đếm cơ số 2, với s=10 ta có hệ đếm cơ số 10 và với s=16 ta có hệ đếm 16. Giá trị s cũng xác định số ký tự cần dùng để biểu diễn trị số. Chẳng hạn với s=2 hệ đếm sẽ cần hai ký tự để biểu diễn, vì thế ta có khái niệm hệ nhị phân(chia ra làm hai). Tương tự như vậy, hệ đếm 10 và 16 còn được gọi là hệ thập phân và hệ thập lục phân. b. Hệ đếm thập phân Định nghĩa: là hệ đếm quen thuộc nhất của nhân loại. Có lẽ hệ đếm này bắt nguồn từ việc người tiền sử dùng mười đầu ngón tay để đếm các đồ vật xung quanh. Ngày nay toàn thế giới thống nhất sử dụng những ký tự số ả Rập để biểu diễn hệ thập phân.Các ký tự số đó là: - 10 -
0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Việc phát minh ra số 0 mới có khả năng biểu diễn số nguyên theo đúng nguyên tắc đã nêu trong phương trình (1.1). Ngoài ra như chúng ta đã biết một số nền văn minh khác cũng phát minh ra hệ đếm của mình như Trung Quốc, La Mã cổ Tuy nhiên vì không có ký tự số 0 nên các hệ đếm này đều cần nhiều hơn 10 ký tự để biểu diễn số nguyên. Ví dụ biểu diễn số nguyên: N = 1547d = 1.103 + 5.102 + 3.101 + 7.100 c. Hệ đếm nhị phân Được hình thành trên cơ sở đại số lôgic Boole, xuất hiên từ cuối thế kỷ 19. Hệ đếm này và các môn toán liên quan đến nó thực sự phát huy được sức mạnh khi có mạch điện hai trạng thái .Với hai con số 0,1 có thể biểu diễn một số nguyên bất kỳ .Mỗi ký tự (hay mỗi trị số) của hệ nhị phân được gọi là một bit (binary digit). Đối với máy tính điện tử các bit được biểu diễn bằng một hiệu điện thế tương ứng: mức 0 (0V-1 V), mức 1 (2v-5v). Để giản tiện trong việc sử dụng số nhị phân, người ta còn đặt nhiều bội số của hệ nhị phân như sau: 4 bit là một nibble. 8 bit là một byte. 16 bit là một từ (word). 32 bit là một từ kép (double word) 210 bit là một kilobit (Kbit). 220 bit là một Megabit (Mbit). 230 bit là một Gigabit (Gbit). Ví dụ biểu diễn một số nguyên: N = 1011b = 1.23 + 0.22 + 1.21 + 1.20 = 8 + 0 + 2 + 1 = 11d d. Hệ thập lục phân (hexa) Xuất hiện như một cách biểu diễn giản tiện trong công nghệ tin học. Vì một số nhị phân quá dài và bất tiện khi viết và tính toán. 4 chữ số nhị phân được gộp thành một chữ số thập lục phân.Như vậy có số của hệ thập lục phân là s=16.Điều này có nghĩa là cần có 16 ký tự khác nhau để biểu diễn hệ thập lục phân.Các ký tự đó là :0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F. Ví dụ biểu diễn một số nguyên: N = 2BC1h = 2.163 + 11.162 + 12.161 + 1.160 = 11201d. 1.2.2. Đổi số thập phân ra số nhị phân hoặc ngược lại Để đổi số số thập phân ra số nhị phân hay thập lục phân, ta chỉ cần chia số thập phân cho cơ số của hệ (2 hoặc 16).Số dư là trị số, thương số được chia tiếp để tính trị số tiếp theo. Trong hệ nhị phân, trị số đầu tiên (ngoài cùng bên phải) được gọi lsg LSB (least significant bit) và trị số cuối cùng (ngoài cùng bên trái) được gọi là MSB (most signifcant bit). Ví dụ: N = 113d Nhị phân Thập lục phân 113/2=56 dư 1 LSB 113/16=7 dư 1 56/2=28 dư 0 7/16=0 dư 7 28/2=14 dư 0 14/2=7 dư 0 7/2=3 dư 1 3/2=1 dư 1MSB Kết quả = 113d = 110001b = 71h - 11 -
1.2.3. Các loại mã a. Mã BCD Dùng 4 bit hệ 2 để biểu diễn một số hệ 10 b. Mã ASCII Dùng 7 bit để mã hoá, bit cuối cùng là bit kiểm tra chẵn lẻ, phát hiện lỗi khi truyền 1.2.4. Biểu diễn số nguyên theo mã nhị phân Dùng số nhị phân không dấu: n bit biểu diễn 2n số từ 0 đến 2n-1 Dùng số nhị phân có dấu: n bit biểu diễn 2n số từ -2n-1 đến +2n-1-1 Số bù 2: - Số bù 1: 1 đổi thành 0, 0 đổi thành 1 - Số bù 2: số bù 1 cộng 1 1.2.5. Biểu diễn số thực theo mã nhị phân a. Biểu diễn dấu chấm cố định Cách biểu diễn dấu chấm cố định trong hệ nhị phân hoàn toàn giống cách biểu diễn số thực thông thường của hệ thập phân n 1 n 1 i i R = an-1 a0, b0 bm-1 =  ai  s +  ai  s i 0 i 0 Trong đó R số thực cần biểu diễn gồm n trị số đứng trước và m trị số đứng sau dấu chấm. Tuỳ thuộc vào hệ thập phân hay nhị phân mà cơ số s có giá trị là 2 hay 10. b. Biểu diễn dấu chấm động Chia làm 4 thành phần:  M: phần định trị  E: phần mũ  R: cơ số  S: dấu Như vậy X = (-1)S.M.RE Ví dụ: R=-750d = -0,75.103 = -0,75E3 Để định dạng dấu chấm động có thể dùng chuẩn IEEE754-1985 (Institute of Electrical and Electronic Engineering) 32 bit hoặc 64 bit. Đây là chuẩn được mọi hãng chấp nhận và được dùng trong bộ xử lý toán học của Intẹl. Bit dấu nằm ở vị trí cao nhất, kích thước phần mũ và khuôn dạng phần định trị thay đổi theo từng loại số thực Giá trị số thực IEEE754-1985 được tính như sau: S -1 -n E7 E0-127 R = (-1) .(1 + M1.2 + +Mn2 ).2 S E7-E0 Định trị(M1- M23) Ví dụ: 428CE9FCh = 0100 0010 1000 1100 1110 1001 1111 1100 Phần dấu (bit cao nhất): 0 = số dương Phần mũ: 28 + 22 + 20 -127= 133-127 =6 Phần định trị: 2-4 + 2-5 + 2-8 + 2-10 + 2-12 + 2-15 + 2-16 + 2-17 + 2-18 + 2-19 + 2-20 + 2-21 - 12 -
= 0,1008906 như vậy giá trị ngầm định là 1,1008906 Quy tắc đổi ngược lại:  Chuyển số dấu phảy động về dạng nhị phân  Đưa về dạng 1.xxxxEyyyy  xác định bit 31: dấu  Xác định bit từ 30-23: yyyy+7Fh  Xác định bit 22-0: xxxx00 00 1.2.6. Biểu diễn các dạng thông tin khác a. Biểu diễn hình ảnh b. Biểu diễn âm thanh c. Các đại lượng vật lý khác 1.3. Các loại máy tính cá nhân Để đảm bảo tính tương thích, cấu trúc phần cứng bên trong các máy vi tính cá nhân về cơ bản là giống nhau. Vì thế chúng chỉ được phân loại theo hình dạng vật lý. Loại để bàn(desktop), loại để bàn thu nhỏ (desktop slim-line) Loại đặt đứng (tower),mini-tower Loại xách tay (notebook) Loại bỏ túi (palmtop,palmpilot) Kiến trúc chung của máy tính điện tử ThiÕt bÞ vµo Bé nhí ngoµi ThiÕt BÞ Ra INPUTDEVICE MAIN MEMORY Bé Sè häc -logic Bé ®iÒu khiÓn CU ALU C¸c ®¬n vÞ chøc n¨ng c¬ b¶n cña m¸y tÝnh ®iÖn tö (C¸c ®êng vÏ nÐt ®øt chØ mèi quan hÖ. C¸c ®êng nÐt liÒn lµ ®êng truyÒn d÷ liÖu) Bộ nhớ trung tâm (Central Memory or Main Memory) Có nhiệm vụ chứa những chương trình và dữ liệu trước khi chương trình được thực thi Bộ điều khiển (Control Unit -CU) Có nhiệm vụ điều khiển sự hoạt động của tất cả các thành phần của hệ thống máy tính theo chương trình mà nó được giao thi hành. - 13 -
Bộ số học và logic (Arithmetic Logical Unit, thường được viết tắt là ALU). Có nhiệm vụ thực hiện các thao tác tính toán theo sự điều khiển của CU. Thiết bị vào (Input Device). Có nhiệm vụ nhận các thông tin từ thế giới bên ngoài, biến đổi sang dạng số một cách thích hợp rồi đưa vào bộ nhớ trong. Thiết bị ra (Output Device) Có nhiệm vụ đưa thông tin số từ bộ nhớ trong ra ngoài dưới dạng những dạng mà con người yêu cầu. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1.1. Trình bày hiểu biết của anh chị về các giai đoạn phát triển của máy tính điện tử 1.2. Trình bày về phân loại máy tính theo kiến trúc 1.3. Đổi số 23786d, -17456d sang số nhị phân nguyên có dấu 16 bít 1.4. Đổi số 3476,0655d sang số thực nhị phân 32 bít theo chuẩn IEEE754 – 1995 1.5. Trình bày cấu trúc chung một máy tính điện tử - 14 -
Chương II: BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM 2.1. Tổ chức bộ xử lý Để hiểu được tổ chức của CPU, chúng ta hãy xem xét những yêu cầu đặt ra trên CPU, những thứ nó phải làm: Fetch Instructions(chỉ lệnh tìm nạp): CPU phải đọc các chỉ lệnh từ bộ nhớ. Interpret Instructions: chỉ lệnh phải được giải mã để xác định hành động nào được yêu cầu. Fetch data (dữ liệu tìm nạp): Sự thi hành một chỉ lệnh có thể yêu cầu thực hiện một vài thao tác số học hoặc lôgi trên dữ liệu. Write Data: Những kết quả của sự thi hành có thể yêu cầu viết dữ liệu vào bộ nhớ hoặc module vào ra. Thông thường CPU phải thực hiện các công việc này, nó có thể rõ ràng CPU cần một chỗ chứa tạm thời để chứa dữ liệu. Nó phải nhớ vị trí của chỉ lệnh sau cùng đến mức nó có thể biết nơi nào chứa lệnh tiếp theo. Nó cần chứa các chỉ lệnh và dữ liệu tạm thời trong khi một lệnh được thực thi. Nói cách khác CPU cần một bộ nhớ trong nhỏ. CPU Registers ALU Control Unit Control Data Address BUS BUS BUS SystemBUS Hình trên xác định các kết nối của CPU với phần còn lại của hệ thống thông qua bus hệ thống. Một giao diện tương tự có thể cần đến cho tất các các cấu trúc kết nối khác. Các bộ phận chính của một CPU là đơn vị số học và logic (ALU) và đơn vị điều khiển (CU). ALU làm công việc tính toán thực sự hoặc xử lý dữ liệu. Đơn vị điều khiển CU chuyển dữ liệu và các chỉ lệnh vào và ra khỏi CPU và điều khiển các thao tác của ALU. Thêm nữa, hình trên còn mô tả một bộ nhớ trong, là chỗ chứa tạm thời gọi là thanh ghi (Register) Hình ảnh chi tiết hơn cấu trúc CPU được mô tả ở trang sau. Các đường truyền dữ liệu và các đường điều khiển logic đều đựơc xác định, bao gồm một thành phần gắn nhãn internal CPU bus. Thành phần này đựơc yêu cầu chuyển dữ liệu giữa các thanh ghi khác nhau và ALU, từ ALU thực tế hoạt động chỉ trên dữ liệu trong bộ nhớ trong CPU. Hình vẽ cũng mô tả các thành phần cơ bản tiêu biểu của ALU. Chú ý sự tương tự giữa cấu trúc trong của máy tính và cấu trúc trong của CPU. Trong cả hai trường hợp, có một sự tập hợp của các thành phần chính (computer: CPU, I/O, bộ nhớ; CPU: CU,ALU, các thanh ghi) được kết nối bằng các đường dữ liệu. - 15 -
Status Flags Registers Shifter Complementer Bus CPU Internal Arithmetic and Boolean Logic Control Unit Arthimetic and Logic Unit Control BUS 2.2. Tổ chức thanh ghi Một hệ thống máy tính dùng một hệ thống cấp bậc bộ nhớ. Tại các mức cao hơn trong hệ thống cấp bậc, bộ nhớ nhanh hơn, nhỏ hơn, và đắt hơn (tính theo bit). Trong CPU, có tập hợp các thanh ghi chức năng là mức nhớ trên bộ nhớ chính và bộ nhớ cache trong hệ thống cấp bậc. Các thanh ghi trong CPU phục vụ 2 chức năng chính: User-Visible Registers: Nó cho phép người lập trình ngôn ngữ máy hoặc ngôn ngữ Asembly thu nhỏ bộ nhớ chính bằng tối ưu hoá việc sử dụng các thanh ghi. Control and Status Registers: Các thanh ghi này đựơc sử dụng bởi đơn vị điều khiển CU để điều khiển các thao tác của CPU và bằng phân quyền, các chương trình điều khiển hệ thống điều khiển sự thực thi của các chương trình khác. Không có sự riêng biệt rõ ràng giữa các thanh ghi trong hai loại trên. Ví dụ trên một số máy chương trình đếm là thanh ghi user-visible(ví dụ VAX) nhưng trên nhiều máy khác lại không phải vậy. Cho các mục đích sẽ được thảo luận dưới đây, chúng ta sẽ sử dụng hai loại này 2.2.1. User-Visible Registers: Thanh ghi User-Visible là một trong những thành phần được tham chiếu bởi cách thức của ngôn ngữ máy được CPU thi hành. Thực sự tất cả các thiết kế CPU đương thời cung cấp một số các thanh ghi User-Visible đối lập với một thanh ghi tổng đơn giản. Chúng ta có thể mô tả đặc điểm của chúng trong các loại sau: Mục đích chung Dữ liệu Địa chỉ Mã điều kiện Các thanh ghi mục đích chung (general-purpose registers) có thể bị phân chia cho các chức năng khác nhau bởi người lập trình. Thỉnh thoảng, chúng sử dụng trong tập lệnh trực giao với thao tác. Đó là, bất cứ một thanh ghi mục đích chung nào có thể chứa đựng toán hạng cho opcode. Nó cung cấp sử dụng thanh ghi mục đích chung thực sự. Thông thưòng, có các giới hạn ví dụ có thể có các thanh ghi cho các thao tác con trỏ động. Trong một số trường hợp các thanh ghi mục đích chung có thể được dùng cho các chức năng địa chỉ hoá (ví dụ thanh ghi gián tiếp, dịch chuyển). Trong các trường hợp khác, có một phần hoặc sự phân chia rõ ràng giã thanh ghi dữ liệu và thanh ghi địa chỉ. Các thanh ghi dữ liệu có thể được sử dụng chỉ để giữ dữ liệu và không thể được dùng trong việc tính toán của - 16 -
một địa chỉ toán hạng. Các thanh ghi địa chỉ có thể tự bản thân là thanh ghi mục đích chung, hoặc nó có thể được dành hết cho chế độ địa chỉ riêng. Con trỏ đoạn: Trong một máy với phương pháp địa chỉ đoạn, một thanh ghi đoạn giữ địa chỉ cơ sở của đoạn. Có thể có nhiều thanh ghi: ví dụ, một cho hệ thống điều khiển và một cho tiến trình hiện tại. Thanh ghi chỉ số: Được dùng trong chế độ địa chỉ chỉ sốvà có thể được tự động đánh chỉ số. Con trỏ ngăn xếp: Nếu có user-visible stack addressing, sau đó ngăn xếp tiêu biểu là trong bộ nhớ và có một thanh ghi chỉ đến đầu ngăn xếp.Nó cho phép đánh địa chỉ tuyệt đối; đó là push,pop, và các chỉ lệnh ngăn xếp khác cần không chứa một toán hạng ngăn xếp rõ ràng. 2.2.2. Control and Status Registers: Có rất nhiều thanh ghi CPU khác nhau được sử dụng để điều khiển thao tác của CPU. Hầu hết chúng trên đa số máy là không hữu hình với người dùng. Một vài thanh ghi có thể hữu hình với các lệnh máy thực thi trong chế độ điều khiển hoặc trong operating-system mode. Với các máy tính khác nhau sẽ có tổ chức thanh ghi khác nhau và sử dụng thuật ngữ khác nhau. Bốn thanh ghi là cốt tuỷ đối với sự thi hành lệnh. Program Counter (PC): chứa địa chỉ của một chỉ lệnh được tìm nạp. Thanh ghi lệnh (Instruction Register): chứa chỉ lệnh được tìm nạp gần nhất. Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ (Memory Address Register): chứa địa chỉ của các vị trí trong bộ nhớ. Thanh ghi bộ nhớ đệm (Memory Fuffer Register): chứ một từ dữ liệu được ghi vao trong bộ nhớ hoặc từ được đọc gần đây nhất. Ví dụ các tổ chức thanh ghi vi xử lý. Các ví dụ cung cấp tài liệu để nghiên cứu và so sánh tổ chức thanh ghi của các hệ thống có thể so sánh được.Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét 3 bộ vi xử lý 16 bit được thiết kế ở cùng một thời điểm: Zilog Z8000(PEUT79), Intel 8086 [MORS78,HEYW83], Và Motorola MC6800 [STRI79]. Ví dụ với bộ xử lý 8086: Bao gồm: 1 thanh ghi con trỏ lệnh IP (instruction Pointer): Lưu trữ địa chỉ lệnh kế tiếp sẽ được chạy trong đoạn CT hiện thời. Mỗi 1 từ lệnh được đọc từ bộ nhớ BIU sẽ thay đổi giá trị IP sao cho nó chỉ đến địa chỉ của từ lệnh kế tiếp trong bộ nhớ. 8 thanh ghi chung 4 thanh ghi dữ liệu AX,BX, CX, DX.  AX: (Accumulator Register) thanh ghi tích luỹ các kết quả tính toán.  BX (Base Register) thanh ghi cơ sở: chỉ địa chỉ cơ sở của vùng nhớ thuộc bộ nhớ.  CX (Counter Register) thanh ghi đếm: Khai báo số lần 1 thao tác nào đó phải được thực hiện trong các vòng lặp, phép dịch, quay.  DX (Data Register) thanh ghi số liệu: lưu trữ sl làm thông số chuyển giao CT (2 byte). Khi cần truy nhập chỉ với 1 byte thì byte cao hay thấp được nhận diện H,L. *Các thanh ghi con trỏ, chỉ số: SP (Stack pointer) con trỏ ngăn xếp: địa chỉ đỉnh ngăn xếp. SP cho phép truy xuất dễ dàng các địa chỉ trong đoạn ngăn xếp SS (stack segment). Giá trị trong SP mô tả - 17 -
phải offset của địa chỉ ngăn xếp kế tiếp so với địa chỉ hiện tại đang được lưu trong SS. BP (Base pointer) con trỏ cơ sở: mô tả offset tính từ SS nhưng còn được sử dụng truy nhập DL trong SS. I (index) thanh ghi chỉ số: lưu địa chỉ offset đối với những lệnh truy nhập DL cất trong đoạn DL *Thanh ghi đoạn: Bộ nhớ được chia thành các đoạn logic (segment) dài 64kb. CPU có thể truy nhập 1 lần tới 4 đoạn. Địa chỉ đoạn chứa trong thanh ghi đoạn. Thanh ghi đoạn mã CS (code Segment) nhận diện ĐC bắt đầu của đoạn chương trình hiện hành trong bộ nhớ. DS (data Segment) đoạn DL : địa chỉ bắt đầu đoạn số liệu. SS (Stack Segment) đoạn ngăn xếp: địa chỉ logic đoạn ngăn xếp. EX (extra Segment) đoạn mở rộng: Đ/c DL các chuỗi. *Thanh ghi cờ: Flag Register 9 trong số 16 bit của thanh ghi này được sử dụng, mỗi bit có thể được thiết lập hay xoá dể chỉ thị kết quả của mỗi thao tác trước đó hoặc trạng thái hiện thời bộ XL CF Carry : nhớ PF perity: chẵn lẻ ZF zero : kết quả phép toán =0 SF sign : 0 dương, 1 âm. OF overflow : tràn 2.3. Đơn vị số học và logic ALU (Arithmetic and logic unit) Đơn vị số học và logic (ALU) là một phần của máy tính thực sự thực hiện các thao tác số học và logic trên dữ liệu. Tất cả các thành phần khác của hệ thống máy tính-đơn vị điều khiển, thanh ghi, bộ nhớ, chủ yếu mang dữ liệu vào cho ALU để ALU xử lý và sau đó đưa kết quả ra ngoài. Đơn vị số học và logic và tất cả các thành phần điện tử trong máy tính đều dựa trên việc sử dụng các thiết bị số đơn giản có thể chứa các con số nhị phân, và thực hiện các thao tác boolean logic đơn giản. Control Unit Flags ALU Registers Registers Hình trên chỉ ra trong một giới hạn chung, ALU được kết nối với phần còn lại của CPU như thế nào. Dữ liệu được sẵn sàng cho ALU trong các thanh ghi, và kết của của một thao tác được chứa trong các thanh ghi khác. Các thanh ghi là chỗ chứa tạm thời trong CPU được kết nối bởi các đường tín hiệu tới ALU. ALU sẽ đặt cờ như là kết quả của một thao tác. Ví dụ có tràn được đặt lên 1 nếu kết quả của việc tính toán vượt quá chiều dài của thanh ghi chứa.Giá trị cờ được chứa trong các thanh ghi trong CPU. Đơn vị điều khiển cung cấp tín hiệu điều khiển thao tác của ALU, và sự di chuyển dữ liệu vào và ra khỏi ALU. (Cấu tạo của ALU được mô tả trong hình trang sau) - 18 -
BUS Shiffer A&L MUX R BUS Các phép toán cơ bản của ALU Bộ cộng, trừ: 2.4. Đơn vị điều khiển CU(Control Unit) Như đã biết các thành phần chức năng cơ bản của CPU là: Đơn vị số học và Logic (ALU) Tập các Thanh ghi Các đường dữ liệu trong Các đường dữ liệu ngoài Đơn vị điều khiển(CU) ALU là thành phần chức năng thực sự của máy tính, Các thanh ghi dùng để chứa dữ liệu trong CPU, Một vài thanh ghi chứa thông tin trạng thái cần để quản lý chỉ lệnh sắp xếp liên tục (ví dụ từ trạng thái chương trình). Những thanh ghi khác chứa dữ liệu đưa đến hoặc lấy từ ALU, bộ nhớ, module vào ra. Các đường dữ liệu trong được dùng chuyển dữ liệu giữa các thanh ghi, giữa các thanh ghi và ALU. Các đường dữ liệu ngoài liên kết các thanh ghi với bộ nhớ và module vào ra. thường bằng phương tiện của bus hệ thống. Đơn vị điều khiển tạo ra các thao tác xảy ra trong CPU. Sự thi hành một chương trình bao gồm các thao tác liên quan đến các thành phần CPU. Như chúng ta đã thấy, các thao tác này bao gồm sự liên tục của các vi thao tác (vi điều khiển). Tất cả các vi thao tác là một trong các loại sau: Truyền dữ liệu từ một thanh ghi đến thanh ghi khác. Truyền dữ liệu từ một thanh ghi đến một giao diện ngoài (ví dụ system bus) Truyền dữ liệu từ một giao diện ngoài tới thanh ghi. Thực hiện thao tác số học và logic, sử dụng thanh ghi để nhận và ghi dữ liệu. Tất cả các vi thao tác cần thực hiện trong một chu kỳ chỉ lệnh (bao gồm tất cả các vi thao tác để thực hiện mọi chỉ lệnh trong tập chỉ lệnh, nằm trong một trong những loại trên) Đơn vị điều khiển thực hiện hai công tác chính: Sự sắp xếp chuỗi (sequencing): Đơn vị điều khiển khiến CPU sắp xếp chuỗi vi thao tác vào một chuỗi liên tục thích hợp, dựa trên chương trình đang được thực hiện Sự thi hành (Execution): Đơn vị điều khiển khiến mỗi vi thao tác được thực hiện. Đơn vị điều khiển thao tác dựa vào việc sử dụng các tín hiệu điều khiển. - 19 -
2.4.1 Tín hiệu điều khiển: Chúng ta đã định nghĩa các thành phần đã tạo ra CPU (ALU, thanh ghi, đường dẫn dữ liệu) và các vi thao tác đang được thực hiện. Đối với đơn vị điều khiển để thực hiện các chức năng của nó, nó phải có dữ liệu vào cho phép nó xác định trạng thái của hệ thống và mục ra cho phép nó điều khiển tác động của hệ thống. Có các chi tiết kỹ thuật ngoài của đơn vị điều khiển. Nội tại, đơn vị điều khiển phải có logíc yêu cầu thực hiện chuỗi vi thao tác và thi hành các chức năng. Các yêu cầu của phần này là liên quan với sự tương tác giữa đơn vị điều khiển và các thành phần khác của CPU. Instruction Register Control Signals Within CPU Flag Control Signals From System bus Control Unit Control Bus Clock Control Signals to System Bus Các tín hiệu của đơn vị điều khiển được thể hiện trong hình trên. Bao gồm:  Tín hiệu vào  Tín hiệu ra a. Các tín hiệu vào - Clock: đây là cách đơn vị điều khiển “giữ thời gian” Đơn vị điều khiển tạo ra một vi thao tác (hoặc một tập các thao tác đồng thời) được thực hiện với mỗi xung đồng hồ. Đây là mộ vài lần nhắc đến như là chu kỳ thời gian xử lý, hoặc chu kì thời gian đồng hồ. - Thanh ghi chỉ lệnh: mã chỉ lệnh hiện tại được dùng để xác định vi thao tác nào được thực hiện trong chu kì thi hành. - Cờ: Có các yêu cầu bởi đơn vị điều khiển để xác định trạng thái của CPU và kết quả của thao tác ALU trước. Ví dụ, đối với chỉ lệnh Increment and skip-if rezo (ISZ), đơn vị điều kiển sẽ lượng gia PC nếu cờ Rezo được đặt. - Các tín hiệu điều khiển từ bus điều khiển: Khẩu phần bus điều khiển của bus hệ thống cung cấp tín hiệu cho đơn vị điều khiển, như là tín hiệu ngắt và sự công nhận. b. Các tín hiệu ra - Tín hiệu điều khiển trong CPU: có 2 loại: Nó khiến dữ liệu bị di chuyển từ một thanh ghi tới các thanh ghi khác, và làm hoạt động các chức năng ALU cụ thể. - Các tín hiệu điều khiển điều khiển bus: Cũng có 2 loại: các tín hiệu điều khiển bộ nhớ, và tín hiệu điều khiển module vào ra. Thành phần mới đã được giới thiệu trong hình này là tín hiệu điều khiển. Ba kiểu tín hiệu được sử dụng: kích hoạt một chức năng ALU, kích hoạt các đường dữ liệu, và là các tín hiệu trên bus hệ thống ngoài hoặc giao diện ngoài. Tất cả các dạng tín hiệu này được cung cấp cuối cùng trực tiếp như các tín hiệu vào hay các cổng logic riêng biệt. - 20 -
Chúng ta hãy xem xét lại chu kỳ tìm nạp để xem cách đơn vị điều khiển duy tri diều khiển. Đơn vị điều khiển giữ dấu vết nơi nó là trong chu kỳ tìm nạp. Tại điểm quy định, nó biết chu kỳ tìm nạp đựoc thực hiện tiếp. Bước đầu tiên là di chuyển các nội dung của PC và MAR. Đơn vị điều khiển dùng nó bằng việc kích hoạt tín hiệu điều khiển mở các cổng giữa các bit của PC và các bit của MAR. Bước tiếp theo là đọc một từ trong bộ nhớ vào MBR và gia lượng PC. Đơn vị điều khiển làm việc này bằng vệc gửi các tín hiệu kèm theo đồng thời. Một tín hiệu điều khiển mở các cổng cho phép nội dung của MAR đưa vào bus địa chỉ. Bộ nhớ đọc tín hiệu điều khiển trên bus điều khiển. Một tín hiệu điều khiển các cổng cho phép nội dung bus dữ liệu được chứa trong MBR. Các tín hiệu điều khiển thêm một vào nội dung của PC và chứa kết quả trở lại cho PC Theo đó, đơn vị điều khiển gửi tín hiệu điều khiển mở các cổng giữa MBR (Memory buffer register) và IR (Instruction Register) 2.4.2. Đơn vị điều khiển vi chương trình Các chức năng chính của đơn vị điều khiển này: Instruction Registers Control Unit Decorder ALU Sequencing Flags Control Address Register Logic Clock Read Control Memory Control Buffer Register Decorder Next Address Control Control Signals Control Signals to Within CPU System Bus Để thực hiện một lệnh, đơn vị logic tuần tự đưa ra một lệnh đọc tới bộ nhớ điều khiển Từ mà địa chỉ được xác định trong thanh ghi địa chỉ điều khiển được đọc vào thanh ghi bộ đệm điều khiển. Nội dung của thanh ghi bộ đệm điều khiển phát ra tín hiệu điều khiển và thong tin địa chỉ tiếp theo cho đơn vị lôgic tuần tự. Đơn vị logic tuần tự tải địa chỉ mới vào trong thanh ghi địa chỉ điều khiển dựa vào thông tin địa chỉ tiếp theo từ thanh ghi bộ đệm điều khiển và các cờ ALU. Tất cả xảy ra trong một xung đồng hồ. 2.4.3. Một số mở rộng của vi xử lý máy tính cho đến ngày nay Từ sự phát triển của các máy tính chứa chương trình đầu tiên những năm 1950, đã có một số sự cách tân thực sự rõ rệt trong các khu vực của tổ chức máy tính. Sau đây không phải là một danh sách hoàn chỉnh, mà chỉ là một vài tiến bộ chính kể từ ngày sinh của máy tính. - 21 -
The Family Concept: được giới thiệu bởi IBM với hệ thống System/360 năm 1964, tiếp theo ngay sau đó là DEC với PDP-S.Khái niệm gia đình tách riêng kiến trúc của máy từ sự thi hành của nó. Mộ tập hợp các máy tính được đề nghị, với sự khác nhau giữa đặc trưng giá/tính năng đưa ra cùng một kiến trúc cho người dùng.Sự khác nhau trong giá và hiệu suất là bởi tại sự thi hành khác nhau của cùng một kiến trúc. Đơn vị điều khiển vi chương trình (Microprogrammed Control Unit): Được đề xuất bởi Wikes năm 1951, và được giới thiệu bới IBM trên hệ thống S/360 line trong năm 1964. Lập trình vi chương trình làm giảm bớt công tác thiết kế và thực hiện đơn vị điều khiển và hỗ trợ cho family concept. Bộ nhớ Cache (cache Memory): Đầu tiên được giới thiệu rộng rãi trên hệ thống IBM S/360 Model 85 năm 1968.Sự thêm vào thành phần này trong hệ thống phân cấp bộ nhớ cải thiện rõ rệt hiệu suất Pipelining: Một biện pháp đưa tính toán song song vào bản chất tuần tự của một chương trình chỉ lệnh máy. Các ví dụ là ống dẫn chỉ lệnh và xử lý vector o Instruction Pipelining Như sự tiến hoá của các hệ thống máy tính, hiệu suất cao hơn có thể được đạt được bởi việc nắm bắt các tiến bộ của sự phát triển công nghệ.Hơn nữa, sự cải tiển tổ chức của CPU có thể làm tăng hiệu suất. Chúng ta đã có một số ví dụ ví như sử dụng các thanh ghi bội hon là sử dụng một thanh ghi chứa đơn, và sử dụng bộ nhớ cache. Một phương pháp tổ chức khác rất thông dụng là Instruction Pipe. (Còn thiếu) o Chiến lược ống dẫn Ống dẫn chỉ lệnh tương tự việc sử dụng một dây chuyền trong kế hoạch sản xuất. Một dây chuyền tạo ra các thuận lợi trong thực tế một sản phẩm đi qua nhiều trạng thái khác nhau của quá trình sản xuất. Bằng cách bố trí tiến trình sản xuất trong một dây truyền, các sản phẩm ở những trạng thái khác nhau có thể được làm đồng thời. Tiến trình này cũng được quy cho là pipelining, Bởi vì như trong một ống dẫn, một sản phẩm vào mới được chấp nhận ở một đầu cuối trước các sản phẩm vào được chấp nhận trước đó xuất hiện như sản phẩm ra ở đầu cuối khác. 2.5. Cấu trúc kết nối - BUS Một máy tính bao gồm các bộ phận hay các đơn vị của ba thành phần chính: CPU, hệ thống nhớ, thiết bị vào ra, được liên lạc với nhau. Về thực chất máy tính được coi là một mạng của các đơn vị cơ bản. Hơn nữa cần phải có các đường để kết nối các đơn vị với nhau. Tập hợp các đường kết nối các đơn vị được gọi là Interconnection Structure. Cấu trúc kết nối thông dụng nhất được sử dụng trong máy tính là BUS BUS là tập hợp các đường dây kết nối hai hay nhiều thiết bị với nhau. Rất nhiều thiết bị kết nối với BUS, một tín hiệu được truyền đi từ bất kì một thíêt bị nào cũng có thể được gửi đến tất cả các thiết bị kết nối với BUS. Nếu có hai thiết bị cùng truyền dữ liệu đồng thời trong một thời điểm, những tín hiệu này sẽ gối lên nhau và sẽ bị sai lạc, như vậy chỉ một thiết bị có thể truyền dữ liệu thành công trong một thời điểm. Trong nhiều trường hợp, BUS thực sự gồm nhiều đường liên lạc, mỗi đường có khả năng truyền các tín hiệu mô tả các giá trị nhị phân 0, 1. Các số nhị phân được truyền liên tục thông qua một đường, một số đường của BUS truyền các bit nhị phân đồng thời (kết nối song song). Một hệ thống máy tính chứa đựng một số loại BUS khác nhau tuỳ thuộc các đường kết nối giữa các bộ phận ở các mức khác nhau của hệ thống. BUS kết nối các bộ phận chính của máy gọi là BUS hệ thống. - 22 -
BUS hệ thống bao gồm từ 50 đến 100 đường truyền riêng biệt, mỗi đường được phân chia một chức năng hay một ý nghĩa riêng biệt. Mặc dù có rất nhiều cách thíêt kế BUS khác nhau, nhưng trên bất kỳ cách nào các đường BUS cũng phân loại thành ba nhóm chính: BUS dữ liệu, BUS địa chỉ, BUS điều khiển, ngoài ra có thể có một số đường cung cấp năng lượng cho các module tham gia BUS. BUS dữ liệu: truyền tải dữ liệu tới các thiết bị. Một BUS dữ liệu tiêu biểu bao gồm 8, 16 hay 32 đường, số đường được coi là độ rộng của BUS dữ liệu. Mỗi đường chỉ có thể mang một bit dữ liệu tại một thời điểm, số lượng đường xác định số lượng bit có thể được truyền trong một thời điểm. BUS địa chỉ: dùng chỉ định rõ nguồn gốc hay đích đến của dữ liệu trên BUS dữ liệu. Địa chỉ thường là địa chỉ các cổng vào/ra, từ nhớ trong ngăn nhớ. BUS điều khiển: điều khiển việc truy nhập và việc sử dụng các đường địa chỉ và dữ liệu. Các đường dữ liệu và địa chỉ được chia sẻ cho tất cả các bộ phận, phải có sự điều khiển việc sử dụng các đường đó. Các tín hiệu điều khiển truyền cả lệnh và thông tin thời gian giữa các module hệ thống. Tín hiệu thời gian chỉ ra những thông tin về địa chỉ và dữ liệu hợp lệ. Các tín hiệu lệnh định rã thao tác được thực hiện Những đường điều khiển tiêu biểu: Memory write: điều khiển dữ liệu trên BUS được viết vào vị trí đã được xác định bằng địa chỉ Memory read: điều khiển việc đưa dữ liệu từ một vị trí xác định vào BUS I/O write: điều khiển đưa dữ liệu từ BUS ra cổng vào/ra đã xác định I/O read: điều khiển việc nhận dữ liệu từ cổng vào/ra chuyển vào BUS Transfer ACK: chỉ ra dữ liệu đã được chấp nhận BUS request: chỉ ra module cần chiếm quyền điều khiển BUS BUS grant: chỉ ra module đang yêu cầu đã được cấp quyền điều khiển BUS Interrupt request: yêu cầu ngắt từ thiết bị ngoại vi Interrupt ACK: chấp nhận ngắt từ CPU Clock: xung đồng hồ dùng trong quá trình đồng bộ Reset: khởi động lại các module Phân loại BUS theo đường truyền BUS đồng bộ: được điều khiển bởi nhịp đồng hồ với chu kì nhất định. Hoạt động của vi xử lý đòi hỏi thời gian là bội số của chu kì máy BUS không đồng bộ: không hoạt động theo xung đồng hồ nhất định, khi truyền tín hiệu thiết bị truyền phát tín hiệu MSYN báo cho thiết bị nhận chạy nhanh nhất có thể, sau đó khi hoàn thành thiết bị nhận phát lại tín hiệu SSYN. 2.6. Tập lệnh và các Mode địa chỉ 2.6.1. Tập lệnh của CPU Chức năng máy tính:  Xử lí tin  Truyền thông Về cơ bản việc xử lí thông tin và truyền thông đều dựa trên nguyên tắc thự hiện lệnh (Instruction). Lệnh bao gồm:  Mã lệnh + Toán hạng  Toán tử Toán tử chứa mã lệnh dạng tượng trưng  Mã lệnh: chức năng của thao tác - 23 -
 Dẫn hướng biên dịch: toán tử chứa toán tử giả(pseudo_op), các toán tử giả này không được dịch sang mã máy mà chỉ báo cho chương trình dịch làm việc gì đó. Toán hạng  Toán hạng: xác định dữ liệu sẽ được thao tác  Toán hạng: Đích, Nguồn 2.6.2. Các nhóm lệnh của CPU Ngôn ngữ máy (Machine Language): Chương trình đưa vào bộ nhớ cho máy thực hiện theo nhiều dạng, dạng cơ bản nhất mà máy có thể hiểu ngay được gọi là ngôn ngữ máy. Tuỳ theo CPU mà ngôn ngữ máy có dạng nhất định, chương trình viết bằng ngôn ngữ máy thực hiện rất nhanh và chiếm ít chỗ trong bộ nhớ, tuy nhiên chương trình khó viết và khó nhớ. Hợp ngữ (Assembly) Ngôn ngữ giúp lập trình viên viết chương trình đẽ dàng hơn, thay cho ngôn ngữ máy. Một lệnh của hợp ngữ tương đương như một lệnh của ngôn ngữ máy nhưng thay viết chương trình dưới dạng nhị phân sẽ dùng kí hiệu tượng trưng. Để biểu diễn các nhóm lệnh CPU, dùng tập lệnh Hợp ngữ dùng cho VXL 8086 Intel. Các nhóm lệnh bao gồm:  Nhóm lệnh cơ sở  Các lệnh vào ra  Nhóm lệnh số học  Nhóm lệnh logic  Các lệnh điều khiển, rẽ nhánh. a. Nhóm lệnh cơ sở Lệnh MOV (move): chuyển dữ liệu giữa các thanh ghi, giữa 1 thanh ghi và 1 ô nhớ hoặc trực tiếp 1 số vào 1 thanh ghi hay ô nhớ Cú pháp: MOV đích,nguồn; không làm thay đổi nội dung nguồn Lệnh XCHG (exchange): hoán chuyển nội dung của 2 thanh ghi, 1 thanh ghi và 1 ô nhớ Cú pháp: XCHG đích,nguồn Chú ý: 1 lệnh trên không hợp lệ khi cả đích và nguồn là các ô nhớ Lệnh LEA (load effective address): nạp địa chỉ thực(hiệu dụng) Hàm 9h của ngắt 21h yêu cầu địa chỉ tương đối của chuỗi kí tự chứa trong DX, thực hiện điều này dùng lệnh LEA Cú pháp: LEA đích,nguồn Đích: thanh ghi công dụng chung Nguồn: ô nhớ b. Nhóm lệnh vào/ra CPU liên lạc với các thiết bị ngoại vi qua các thanh ghi vào/ra hay các cổng vào/ra. Có 2 lệnh truy nhập trực tiếp các cổng đó là lệnh IN và OUT, tuy nhiên ít sử dụng Lệnh INT: dùng để gọi các chương trình con ngắt của DOS và BIOS Cú pháp: IN số hiệu ngắt Số hiệu ngắt là 1 số xác định 1 chương trình (ngắt mềm) - 24 -
Ta xem xét các ngắt của DOS:  Ngắt 20h: kết thúc chương trình, 1 chương trình có thể dùng ngắt 20h để trả điều khiển về cho DOS(dùng trong chương trình đuôi .COM)  Ngắt 22h-26h: các phục vụ quản lý CTRL + BREAK, các lỗi nghiêm trọng và truy nhập trực tiếp đĩa  Ngắt 27h: kết thúc chương trình và ở lại thường trú  Ngắt 21h: gọi các hàm: Hàm 0h: kết thúc chương trình Hàm 1h: vào từ bàn phím : đợi đọc 1 ký tự từ thiết bị vào chuẩn sau đó đưa kí tự đó tới thiết bị ra và trả về mã ASCII của dữ liệu trong DL AH = 01h AL = kí tự vào Hàm 2h: hiển thị: đưa kí tự trong DL ra thiết bị ra chuẩn AH = 02h DL = kí tự ra Hàm 5h: in ra: đưa dữ liệu trong DL ra thiết bị in AH = 5h DL = kí tự ra Hàm 9h: in chuỗi: đưa chuỗi kí tự ra thiết bị chuẩn AH = 9h DS:DX con trỏ đến chuỗi kí tự kết thúc bằng $ Chú ý: hàm 2h của ngắt 21h cũng có thể sử dụng để thực hiện 1 chức năng điều khiển nếu DL chứa mã ASCII của kí tự điều khiển, hàm này sẽ thi hành chức năng đó: Mã ASCII Kí hiệu Chức năng điều khiển 7 BEL Phát tiếng Bíp 8 BS(back space) Lùi lại 1 kí tự 9 HT Tab A LF(line feed) Xuống dòng D CR(carry return) Xuống dòng, về đầu dòng b. Nhóm lệnh số học * Chỉ thị ADD (add) và SUB (subtract): Được sử dụng để cộng hoặc trừ nội dung của 2 thanh ghi, 1 thanh ghi và 1 ô nhớ hoặc cộng trừ 1 số vào thanh ghi hay 1 ô nhớ Cú pháp: ADD đích,nguồn SUB đích,nguồn Ví dụ: SUB AX,DX; AX nhận giá trị AX + DX ADD BL,5; BL nhận giá trị BL + 5 Chú ý: phép cộng, trừ trực tiếp giữa các ô nhớ là không hợp lệ * Chỉ thị INC (increment) và DEC (decrement): được sử dụng để cộng, trừ 1 vào nội dung 1 thanh ghi hay ô nhớ Cú pháp: INC đích DEC đích - 25 -
Ví dụ: INC WORD; WORD nhận giá trị WORD + 1 * Lệnh NEG (negavi): lệnh NEG dùng phủ định nội dung của toán hạng đích, thay thế nội dung bởi phần bù 2 Cú pháp: NEG đích Toán hạng đích có thể là 1 thanh ghi hay ô nhớ * Các lệnh MUL (Multiply) và IMUL (Integer MUL): Lệnh nhân giá trị số học. Khi xét các số có dấu và không dấu thì kết qủa thực hiện phép toán là khác nhau, với các số có dấu ta dùng lệnh IMUL, các số không dấu ta dùng lệnh MUL Cú pháp: MUL toán hạng nguồn IMUL toán hạng nguồn Khi nhân các byte với nhau, 1 số được chứa trong toán hạng nguồn, số còn lại được giả thiết đã chứa trong AL. Toán hạng nguồn có thể là 1 thanh ghi hay ô nhớ. * Các lệnh DIV (Device) và IDIV (Integer DIV): Lệnh chia số học. Khi xét các số có dấu và không dấu thì kết qủa thực hiện phép toán là khác nhau, với các số có dấu ta dùng lệnh IDIV, các số không dấu ta dùng lệnh DIV Cú pháp: DIV số chia IDIV số chia  Dạng byte: số chia là thanh ghi hay ô nhớ 1 byte, số bị chia: 16 bit được giả định chứa trong AX thương 8 bit chứa trong AL, số dư 8 bit trong AH  Dạng word: số chia 16 bit, số bị chia giả định chứa trong DX:AX, thương 16 bit chứa trong AX, số dư 16 bit trong DX c. Các lệnh logic dịch và quay * Các lệnh logic: AND, OR, NOT, XOR: thay đổi từng bit trong máy Cú pháp: AND đích,nguồn OR đích,nguồn XOR đích,nguồn Ảnh hưởng tới các cờ: SF, ZF, PF phản ánh kết quả lệnh AF không xác định CF, OF=0  Lệnh AND: xoá các bit nhất định của toán hạng đích trong khi giữ nguyên các bit còn lại, các bit cần xoá được AND với 0  Lệnh OR: thiết lập các bit xác định của toán hạng đích khi vẫn giữ nguyên các bit còn lại, các bit cần thiết lập được OR với 1  Lệnh XOR: đảo các bit xác định Sử dụng:  Đổi mã ASCII của 1 số thành số tương ứng: khi đọc 1 kí tự từ bàn phím, AL sẽ chứa mã ASCII của kí tự đó vì vậy dùng lệnh AND đổi mã ASCII của kí tự ra giá trị thập phân tương ứng - 26 -
Ví dụ:  Số 5 mã ASCII là 35h vì vậy khi đổi ra giá trị thập phân thực hiện phép: AND AL,0Fh  Đổi chữ thường thành chữ hoa: có thể dùng lệnh SUB SUB đích,20h hoặc dùng lệnh AND: AND đích,0DFh  Xoá 1 thanh ghi: XOR đích,nguồn; đích=nguồn Ví dụ: MOV AX,0 SUB AX,AX XOR AX,AX  Kiểm tra xem 1 thanh ghi có bằng 0 hay không: OR đích,nguồn; đích=nguồn Ví dụ: OR CX,CX;(CMP CX,0) * Lệnh NOT: lấy số bù 1 của toán hạng đích Cú pháp: NOT toán hạng đích; không ảnh hưởng tới cờ * Lệnh TEST: thực hiện phép AND giữa toán hạng đích với toán hạng nguồn nhưng không làm thay đổi toán hạng đích mà chỉ thiết lập cờ Cú pháp: TEST toán hạng đích,toán hạng nguồn Các cờ bị tác động: SF, ZF, PF: phản ánh kết quả AF: không xác định CF, OF=0 d. Các lệnh dịch và quay Quay và dịch các bit trong toán hạng đích sang trái hoặc phải 1 hoặc 1 số vị trí.  Lệnh dịch: các bit bị dịch ra khỏi toán hạng sẽ bị mất  Lệnh quay: các bit bị dịch ra 1 phía của toán hạng đích sẽ đựơc đưa trở lại phía bên kia quay 1 vị trí Cú pháp: Quay, dịch 1 vị trí Mã lệnh Toán hạng đích,1 Quay, dịch N vị trí Mã lệnh Toán hạng đích,CL; CL chứa N * Các lệnh dịch trái Lệnh SHL(Shift Left): Dịch các bit của toán hạng sang trái 1 vị trí: SHL toán hạng đích,1; Giá trị 0 sẽ được đưa vào vị trí bên phải nhất của toán hạng, còn MSB của nó sẽ được đưa vào CF N vị trí SHL toán hạng đích,CL - 27 -
N phép dịch trái sẽ được thực hiện Có thể dùng lệnh SHL để thực hiện phép nhân nhị phân Lệnh SAL(Shift Arithmetic Left): Tương tự như lệnh SHL Lệnh SHR(Shift Right): Dịch các bit của toán hạng sang phải 1 vị trí: SHR toán hạng đích,1; Giá trị 0 sẽ được đưa vào vị trí bên trái nhất của toán hạng, còn LSB của nó sẽ được đưa vào CF N vị trí SHR toán hạng đích,CL N phép dịch phải sẽ được thực hiện Có thể dùng lệnh SHR để thực hiện phép chia nhị phân Lệnh SAR(Shift Arithmetic Right): Tương tự như lệnh SHR * Các lệnh quay Lệnh ROL(Rotate Left): Dịch các bít của toán hạng sang trái 1 vị trí: ROL toán hạng đích,1; Bit MSB sẽ được dịch vào vị trí bên phải nhất của toán hạng, đồng thời được đưa vào CF N vị trí ROL toán hạng đích,CL N phép quay trái sẽ được thực hiện Lệnh ROR(Rotate Right): Dịch các bít của toán hạng sang phải 1 vị trí: ROR toán hạng đích,1; Bit bên phải nhất (LSB) sẽ được dịch vào vị trí bên trái (MSB) nhất của toán hạng, đồng thời được đưa vào CF N vị trí ROR toán hạng đích,CL N phép quay phải sẽ được thực hiện Ví dụ: đếm số bit 1 có trong thanh ghi BX mà không làm thay đổi nội dung BX, kết quả lưu trong AX XOR AX,AX; xoá AX MOV CX,16; biến đếm vòng lặp Top: ROL BX,1 JNC Next; bit 0? INC AX; không, tăng biến đếm kết quả Next: LOOP Top; quay lại Lệnh RCL (Rotate Carry Left): quay trái qua cờ nhớ Dịch các bít của toán hạng đích sang trái. Bit MSB được đặt vào CF, giá trị của CF được đưa vào bit phải nhất(LSB) của toán hạng đích Cú pháp: RCL toán hạng,1 hoặc RCL toán hạng,CL - 28 -
Lệnh RCR(Rotate Carry Right): quay phải qua cờ nhớ Dịch các bít của toán hạng đích sang phải. Bit LMSB được đặt vào CF, giá trị của CF được đưa vào bit phải nhất (LSB) của toán hạng đích Ví dụ: đảo các bit trong 1byte hay 1word MOV CX,8; số lần lặp Everse: SHL AL,1; lấy 1 bit vào CF RCR BL,1; quay, đưa vào BL LOOP Reverse MOV AL,BL; đưa vào AL e. Các lệnh điều khiển rẽ nhánh Cho phép chọn lựa và lặp lại các đoạn mã lệnh * Các lệnh nhảy có điều kiện Cú pháp: Tên lệnh nhãn đích Nếu điều kiện của lệnh nhảy thoả mãn, lệnh có nhãn đích sẽ được thực hiện. Lệnh này có thể ở trước hoặc sau lệnh nhảy. Nếu điều kiện không thoả lệnh ngay sau lệnh nhảy được thực hiện Phạm vi của lệnh nhảy có điều kiện: Nhãn đích phải đứng trước lệnh nhảy không quá 126byte hoặc đứng sau lệnh nhảy không quá 127byte  CPU thực hiện 1 lệnh nhảy ntn?  CPU dựa vào thanh ghi cờ để điều chỉnh IP chỉ đến nhãn đích Các lệnh nhảy có điều kiện Kí hiệu Chức năng Điều kiện nhảy JG/JNLE Nhảy nếu lớn hơn, nhảy nếu không nhỏ hơn hay ZF=0 và SF=0 bằng (Jump if Greate, Jump if Not Less than or Equal) JGE/JNL Nhảy nếu lớn hơn hay bằng, nhảy nếu không nhỏ SF=OF hơn JL/JNGE Nhảy nếu nhỏ hơn, nhảy nếu không lớn hơn hay SF<>OF bằng JLE/JNG Nhảy nếu nhỏ hơn hoặc bằng, nhảy nếu không lớn ZF=1 hay SF=OF hơn Các lệnh nhảy không dấu JA/JNBE Nhảy nếu lớn hơn, nhảy nếu không nhỏ hơn hoặc CF=0 và ZF=0 bằng (Jump if Above, Jump if Not Below or Equal) JAE/JNB/JNC Nhảy nếu không nhớ(No Carry) CF=0 JB/JNAE/JC Nhảy nếu có nhớ CF=1 JBE/JNA Nhảy nếu nhỏ hơn hay bằng CF=1 hay ZF=1 Các lệnh nhảy điều kiện đơn JE/JZ Nhảy nếu kết quả bằng nhau, nhảy nếu kết quả bằng ZF=1 không (Jump if Equal, Jump if Zero) JNE/JNZ Nhảy nếu không bằng nhau, nếu kết quả khác 0 ZF=0 JO Nhảy nếu tràn(Jump if Overflow) OF=1 - 29 -
Kí hiệu Chức năng Điều kiện nhảy JNO Nhảy nếu không tràn OF=0 JS Nhảy nếu dấu âm(Jump if Signed) SF=1 JNS Nhảy nếu dấu dương SF=0 JP/JPE Nhảy nếu chẵn (Jump if Parity, Jump if Parity PF=1 Even) JNP/JPO Nhảy nếu lẻ (Jump if Parity Odd) PF=0 Lệnh CMP (compare) Các điều kiện nhảy thường được cung cấp bởi lệnh CMP Cú pháp: CMP đích,nguồn So sánh các toán tử đích với toán tử nguồn bằng cách lấy toán tử đích trừ đi toán tử nguồn Toán tử đích không thể là hằng số, các toán tử không cùng là ô nhớ Lệnh JMP (Jump) Lệnh JMP dẫn đến việc chuyển điều khiển không điều kiện Cú pháp: JMP đích Đích phải là 1 nhãn trong cùng 1 đoạn với lệnh JMP * Cấu trúc lặp Lặp: cho phép lặp lại 1 đoạn chương trình nào đó, số lần lặp có thể biết trước hoặc không biết trước Vòng lặp FOR FOR số lần lặp DO các dòng lệnh END_FOR Thực hiện: dùng lệnh LOOP Cú pháp: LOOP nhãn đích Bộ đếm vòng lặp là thanh ghi CX, được khởi tạo bằng số lần lặp Mỗi lần thực hiện LOOP thanh ghi CX tự động giảm đi 1, và nếu CX<>0 thì điều khiển được chuyển tới nhãn đích. Nếu CX=0 thì lệnh tiếp theo LOOP sẽ được thực hiện 2.6.3. Hợp ngữ (Assembly) a. Cú pháp của hợp ngữ Các chương trình hợp ngữ được dịch ra các chỉ thị máy bằng một chương trình biên dịch vì vậy khi viết phải phù hợp với các khuôn mẫu của trình biên dịch đó Các dòng lệnh: Chương trình là tập hợp của các dòng lệnh, bao gồm: o Lệnh mà trình biên dịch dịch ra mã máy o Lệnh dẫn hướng biên dịch Cú pháp: Tên Toán tử Toán hạng Chú thích - 30 -
Các trường cách nhau ít nhất một dấu cách hay TAB Ví dụ: START: MOV CX,5 ; Khởi tạo CX Tên trường: Sử dụng: Nhãn lệnh, tên thủ tục, tên biến Chương trình biên dịch chuyển các tên thành địa chỉ bộ nhớ  Độ dài: 1 đến 31 kí tự(không chứa dấu cách)  Không bắt đầu bởi chữ số  Không phân biệt chữ hoa, chữ thường  Nếu có dấu chấm(.) phải đặt ở đầu Toán tử  Toán tử chứa mã lệnh dạng tượng trưng  Mã lệnh: chức năng của thao tác  Dẫn hướng biên dịch: toán tử chứa toán tử giả(pseudo_op), các toán tử giả này không được dịch sang mã máy mà chỉ báo cho chương trình dịch làm việc gì đó. Toán hạng  Toán hạng: xác định dữ liệu sẽ được thao tác  Toán hạng: Đích, Nguồn Lời giải thích Đặt sau dấu ; và giải thích xem dòng lệnh đó làm gì Dữ liệu chương trình Biểu diễn dữ liệu dưới dạng số nhị phân, thập phân, hexa thậm chí kí tự  Số nhị phân: kết thúc bằng B hoặc b  Số thập phân: kết thúc bằng D hoặc d  Số hexa: kết thúc bằng H hoặc h, bắt đầu bằng chữ số thập phân Các ký tự: bao trong dấu nháy kép “” Các toán tử giả định nghĩa số liệu DB byte DW word(2 byte) DD double word(2 word) DQ quard word(4 word) DT 10 byte liên tiếp b. Các biến Mỗi biến có một kiểu dữ liệu và được chương trình gán cho một địa chỉ bộ nhớ Biến kiểu Byte Định nghĩa: Tên DB giá trị khởi tạo Ví dụ: ALPHA DB 4 Giới hạn thập phân của các giá trị khởi tạo: -128 đến 127 hoặc 0 đến 255 Nếu dùng dấu ? thì biến không được khởi tạo Biến kiểu Word Định nghĩa: Tên DW giá trị khởi tạo - 31 -
ví dụ: ALPHA DW ? Biến kiểu Mảng Mảng: chuỗi byte nhớ hay từ nhớ Định nghĩa: Tên Kiểu giá trị khởi tạo Phần tử đầu tiên của mảng chính là tên mảng  Mảng byte: tên+1 là phần tử tiếp theo  Mảng word: tên+1 là phần tử tiếp theo ví dụ: ARRAY DB 4h,5h,6h phần tử 1: ARRAY phần tử 2: ARRAY+1 phần tử 3: ARRAY+2 Chú ý: byte thấp và byte cao trong một từ ví dụ: WORD DB 1234h byte thấp: WORD, nội dung: 34h byte cao: WORD+1, nội dung: 12h Chuỗi kí tự Có thể được khởi tạo bằng bảng mã ASCII CHAR DB ‘ABC’ hoặc CHAR DB 41h,42h,43h cũng có thể kết hợp các kí tự và số: MSG DB ‘HELLO’,0Ah,’$’ hoặc MSG DB 48h,45h,4Ch,4Fh,0Ah,24h chú ý phân biệt chữ hoa và chữ thường c. Các hằng có tên Dùng các tên tượng trưng để biểu diễn các hằng số Cú pháp: Tên EQU Hằng số ví dụ: CONST EQU 0Ah cũng có thể dùng chuỗi: MSG EQU “hello” chú ý: bộ nhớ không dành chỗ cho các hằng có tên d. Cấu trúc chương trình DOS thi hành được hai loại tập tin: dạng .COM và .EXE. Tập tin dạng .EXE thường dùng để xây dựng các chương trình lớn, còn các tập tin .COM tạo các chương trình nhỏ hơn. ASM cho phép tạo cả hai loại tập tin nói trên song cách viết là khác nhau: - 32 -
Tập tin dạng .COM Đặc điểm:  Chỉ có duy nhất một đoạn, chương trình, dữ liệu và STACK đều chung đoạn này  Kích thước tối đa của tệp là 64K  Thực hiện nhanh hơn tệp .EXE Cách thực hiện một tệp tin dạng .COM  DOS khởi tạo vùng nhớ 256byte offset: 0000h gọi là vùng nhớ PSP(Program Segment Prefix)  Định vị tệp tin vào vùng nhớ với offset 100h  Các thanh ghi đoạn CS, DS, ES, SS trỏ tới PSP  IP được gán giá trị 100h  SP được gán giá trị FFFEh Cấu trúc chương trình .MODEL TINY .CODE ORG 100h START: JMP CONTINUE ; khai báo dữ liệu CONTINUE: MAIN PROC ; đoạn mã INT 20 h; về DOS MAIN ENDP ; các lệnh chương trình con END START Tập tin dạng .EXE Đặc điểm:  Chương trình có thể khai báo nhiều đoạn khác nhau, mỗi chương trình có thể có nhiều đoạn chương trình, nhiều đoạn dữ liệu  Có thể gọi chương trình con  Kích thước của tệp tuỳ ý và lớn hơn 64K Cách thực hiện một tệp tin dạng .EXE  DOS khởi tạo vùng nhớ 256byte offset: 0000h gọi là vùng nhớ PSP(Program Segment Prefix)  Nạp Header của tệp sau PSP  Các thanh ghi đoạn CS, IP được xác định từ Header là địa chỉ bắt đầu của chương trình Cấu trúc chương trình .MODEL SMALL .STACK .DATA ; khai báo dữ liệu .CODE - 33 -
MAIN PROC MOV AX,@DATA MOV DS,AX ; các lệnh MOV AX,4Ch INT 21h; về DOS MAIN ENDP ; các lệnh chương trình con END MAIN e. Các chỉ dẫn .MODEL: xác định kiểu bộ nhớ dành cho đoạn mã và đoạn dữ liệu Các kiểu bộ nhớ thường dùng:  TINY: mã và dữ liệu nằm trong phạm vi 1 đoạn  SMALL: mã nằm trong phạm vi đoạn 64K, dữ liệu nằm trong đoạn khác  MEDIUM: mã nằm trong đoạn >64K, dữ liệu nằm trong đoạn 64K  COMPACT: mã nằm trong phạm vi đoạn 64K, và dữ liệu nằm trong đoạn >64K  LARGE: mã và dữ liệu nằm trong đoạn >64K, nhưng một mảng dữ liệu 64K, mảng dữ liệu >64K .STACK: kích thước Stack khi có chương trình con  Qui định kích thước Stack là 512byte(100h)  Mặc định: 1K .CODE: điểm bắt đầu đoạn mã chương trình .DATA: điểm bắt đầu đoạn dữ liệu .MAIN PROC ;thân chương trình END MAIN f. Tạo lập và chạy một chương trình o Dùng các phần mềm soạn thảo văn bản (SK, NC ) để tạo lập tệp văn bản chương trình gốc bằng hợp ngữ, đuôi tệp là ASM o Dùng chương trình dịch MASM (Microsoft Macro Assembly) hoặc TASM(Turbo ) để dịch tệp .ASM ra mã máy dưới dạng tệp .OBJ(Object) o Dùng chương trình LINK hoặc TLINK để kết nối các OBJ lại với nhau thành chương trình .EXE o Nếu chương trình viết ra để dịch ra kiểu .COM thì dùng chương trình EXE2BIN của DOS để dịch tiếp từ .EXE sang .COM o Chạy chương trình Ví dụ: viết chương trình đưa ra màn hình lời chào “Hello” 2.6.4. Các Mode địa chỉ Chế độ địa chỉ dùng để xác định toán hạng, bao gồm:  Chế độ địa chỉ thanh ghi: toán hạng là thanh ghi  Chế độ địa chỉ tức thì: toán hạng là hằng số  Chế độ địa chỉ trực tiếp: toán hạng là biến nhớ - 34 -
Chế độ địa chỉ gián tiếp thanh ghi Địa chỉ offset của toán hạng được chứa trong một thanh ghi, thanh ghi đóng vai trò như một con trỏ trỏ đến các ô nhớ Khuôn dạng toán hạng: [thanh ghi] Thanh ghi có thể là BX, DI, SI hay BP với các thanh ghi BX, DI, SI số hiệu đoạn của toán hạng chứa trong DS, với thanh ghi BP số hiệu đoạn chứa trong SS. Ví dụ: SI chứa địa chỉ offset 0100h và các từ nhớ tại địa chỉ 0100h có giá trị là 1234h. Khi thực hiện MOV AX,[SI] Thì CPU kiểm tra SI để suy ra địa chỉ từ nhớ là DS:0100h sau đó chuyển nội dung của từ nhớ này(1234h) vào AX, nh vậy AX nhận giá trị 1234h MOV AX,SI Thì AX nhận giá trị 100h Ví dụ: tính tổng một mảng 10 phần tử, lưu kết quả vào AX XOR AX,AX LEA SI,W Tong: ADD AX,[SI] ADD SI,2 LOOP Tong Chế độ địa chỉ cơ sở và chỉ số Trong các chế độ địa chỉ này địa chỉ offset của các toán hạng nhận được bằng cách cộng 1 số được gọi là độ dịch với nội dung của 1 thanh ghi. Trong đó độ dịch có thể là:  Địa chỉ offset của 1 biến  1 hằng số  Địa chỉ offset của 1 biên cộng hoặc trừ với 1 hằng số Toán hạng được viết: [thanh ghi + độ dịch] [độ dịch + thanh ghi] [thanh ghi] + độ dịch độ dịch + [thanh ghi] độ dịch[thanh ghi] Các thanh ghi phải là BX, SI, DI hay BP  Dùng BX, SI hay DI thì số hiệu đoạn chứa trong DS  Dùng BP thì số hiệu đoạn chứa trong SS. Chế độ địa chỉ đuợc gọi là cơ sở nếu dùng BX hay BP, gọi là chỉ số nếu dùng SI hay DI. Ví dụ: mảng W, thanh ghi BX=4 các lệnh sau là tương đương MOV AX,W[BX] MOV AX,[W+BX] MOV AX,[BX+W] MOV AX,W+[BX] - 35 -
MOV AX[BX]+W Ví dụ 2: Cho mảng ALPHA DW 0123h,0456h,0789h,0ABCh trong đoạn đánh địa chỉ bởi DS BX chứa 2, offset 0002 chứa 1084h SI chứa 4, offset 0004 chứa 2BACh DI chứa 1 Với các lệnh Lệnh Offset toán hạng Số đợc chuyển Mov ax,[alpha+bx] Alpha+2 0456h Mov bx,[bx+2] 2+2 2BACh Mov cx,alpha[si] Alpha+4 0789h Mov ax,-2[si] -2+4 1084h Mov bx,[alpha+3+di] Alpha+3+1 0789h Ví dụ 3: thay thế chữ thờng trong chuỗi thành chữ hoa ASM: MOV CX,N XOR SI,SI Lap: CMP MSG[SI],’ ’ JE Next AND MSG[SI],0DFH Next: INC SI LOOP lap CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 2.1. Trình bày kiến trúc chung của máy tính theo nguyên lý VonNewman? Nêu chức năng từng đơn vị? Phân loại máy tính theo kiến trúc? 2.2 Trình bày sơ đồ cấu trúc, chức năng nhiệm vụ của bộ xử lý trung tâm (Nêu rõ chức năng của từng đơn vị) 2.3. Trình bày tổ chức thanh ghi trong vi xử lý 8086? 2.4. Trình bày chức năng nhiệm vụ cấu tạo của đơn vị số học và logic ALU? 2.5. Các loại tín hiệu điều khiển của đơn vị xử lý trung tâm (Vẽ sơ đồ giải thích)? 2.6. Trình bày sơ đồ cấu trúc, chức năng nhiệm vụ của đơn vị điều khiển vi chương trình ? 2.7. Trình bày khái niệm về BUS? Phân loại BUS - 36 -
Chương III: HỆ THỐNG NHỚ 3.1. Khái quát về hệ thống nhớ Vị trí:  Bên trong CPU (register)  Internal memory (main memory)  Bộ nhớ ngoài (đĩa cứng, đĩa quang) Dung lượng  Kích thước từ nhớ (word size): thường là 8,16,32 bits  Số lượng từ nhớ Đơn vị truyền  Word: đơn vị tự nhiên ở tổ chức bộ nhớ. Kích thước từ nhớ thường là số bit dùng để biểu diễn số hoặc độ dài lệnh .  Khối (block) là đơn vị truyền dữ liệu lớn hơn từ nhớ, thường được dụng truyền dữ liệu với bộ nhớ ngoài. Phương pháp truy nhập  Sequential access (truy nhập tuần tự): thường được dùng truy cập băng từ.  Truy nhập trực tiếp (direct memory): giống như truy nhập tuần tự, truy nhập trực tiếp bao hàm việc chia sẻ đọc viết cơ khí.Những từ nhớ của bản ghi có địa chỉ cơ sở duy nhất trên vị trí vật lý. Việc truy nhập được hoàn thành bởi truy nhập trực tiếp là đi đến vùng lân cận chung cộng với tìm kiếm tuần tự, đếm hoặc đợi để đi đến vị trí cuối cùng.Thời gian truy nhập có thể thay đổi được. Các loại đĩa sử dụng phương pháp truy nhập trực tiếp.  Truy nhập ngẫu nhiên (Random access): mỗi vị trí địa chỉ trong bộ nhớ là độc nhất. Thời gian truy nhập các vị trí đã cho là độc lập với dãy truy nhập ưu tiên và là hằng số.Như vậy, vị trí nào cũng có thể được chọn ngẫu nhiên, và địa chỉ trực tiếp.Bộ nhớ chính là truy nhập ngẫu nhiên.  Truy nhập liên kết: đây là kiểu truy nhập ngẫu nhiên có thể làm sự so sánh vị trí bít trong từ cho một phép toán cụ thể và làm việc này cho tất cả các từ đồng thời. Vì vậy một từ đựơc tìm lại được dựa vào chính nội dung của nó thay vì địa chỉ của nó.Với truy nhập ngẫu nhiên thông thường, mỗi vị trí có địa chỉ cơ khí của mình, và thời gian tìm là hằng số độc lập với vị trí hay mẫu hình truy nhập ưu tiên.Bộ nhớ cache dùng cách truy nhập này. Sự thi hành.  Thời gian truy nhập: (access time): đối với truy nhập ngẫu nhiên đó là thời gian để thực hiện hoạt động đọc ghi. Đó là thời gian từ khi địa chỉ đã sẵn sàng trong bộ nhớ đến khi dữ liệu được cất trữ hoặc được làm có thể sử dụng được. Đối vớ truy nhập không phải là ngẫu nhiên thời gian truy nhập là thời gian đưa vị trí đọc viết cơ khí đến vị trí mong muốn.  Cycle time (chu kỳ thời gian):  Transfer rate: tốc độ dữ liệu có thể được truyền vào hoặc ra khỏi đơn vị nhớ. Kiểu vật lý  Bán dẫn  Từ (magnetic)  Quang (optical) Đặc tính vật lý  Có thể thay đổi/ không thay đổi - 37 -
 Có thể xoá được/ không thể xoá được 3.2. Phân cấp bộ nhớ Thanh ghi Cache Main memory Disk Cache Magnetic disk Magnetic Tape Optical Disk Phan cap memory Việc phân cấp bộ nhớ theo các tiêu chuẩn:  Giảm giá/bit  Tăng dung lượng  Tăng thời gian truy nhập  Giảm tần số truy nhập của bộ nhớ bởi CPU. Theo chiều từ trên xuống dưới:  Dung lượng tăng dần  Tốc độ truy nhập giảm dần. 3.3. Bộ nhớ bán dẫn 3.3.1. Các loại bộ nhớ bán dẫn Tất cả các loại bộ nhớ được trình bầy sau đây là truy nhập ngẫu nhiên. Đó là những từ nhớ riêng biệt được truy nhập trực tiếp qua địa chỉ logic a. RAM (random- access memory): Đặc điểm phân biệt là có thể đọc dữ liệu từ bộ nhớ và dễ dàng ghi dữ liệu vào.Việc đọc và ghi dữ liệu đựơc hoàn thành nhờ các tín hiệu điện. Một đặc tính khác của RAM là thay đổi được. RAM được nuôi bằng một nguồn điện ổn định. Nếu nguồn nuôi bị ngắt dữ liệu trên RAM sẽ mất. Vì vậy RAM được dùng làm chỗ trữ tạm thời. Công nghệ RAM chia làm 2 loại:  RAM tĩnh: giá trị nhị phân được cất trữ dùng các flip-flop truyền thống cấu hình cổng logic. Static RAM sẽ giữ được dữ liệu ổn định,tốc đọ nhanh.  RAM động (Dinamic RAM): sử dụng các tế bào chứa dữ liệu dựa trên sự nạp điện cho các tụ điện.Vì các tụ điện có xu hướng phóng điện nên RAM động yêu cầu nạp điện làm tươi định kỳ để giữ thông tin . b. ROM (Read only Memory) Tương phản với RAM là ROM. ROM chứa đựng các kiểu dữ liệu không thể bị thay đổi trong một thời gian dài. Một đặc tính của ROM là chỉ có thể đọc dữ liệu từ đó mà không thể ghi dữ liệu mới vào nó. Một ứng dụng quan trọng của ROM là chứa đựng các vi chương trình. Những ứng dụng tiềm tàng khác bao gồm:  Thư viện thủ tục con cho các chức năng được sử dụng liên tục.  Các chương trình hệ thống.  Các bảng chức năng. ROM được sản xuất tương tự như các mạch điện tích hợp khác, với dữ liệu được ghi vào chip trong quá trình chế tạo. - 38 -
Phân loại:  Maskable ROM: ghi khi chế tạo  PROM (Programable ROM) chỉ ghi một lần.  EPROM (Erasable PROM) xoá được bằng tia cực tím.  Flash ROM : Flash memory có thể xoá được bằng tín hiệu điện .  Flash ROM có thể xoá và ghi lại được bằng tín hiệu điện. Thêm nữa nó có thể chỉ xoá các khối nhớ thay vì phải xoá toàn bộ chíp. Flash memory sử dụng một transistor trên một bit, và do đó giành được mật độ cao. 3.3.2. Tổ chức bộ nhớ Dựa trên các mạch Flip- flop Có 2N ngăn nhớ -> N chân địa chỉ. Độ dài mỗi ngăn nhớ m bits Dung lượng 2N*m Truy nhËp CAS Address Memory Data Buffer RAS CAS: Colum Address Select RAS: Row Address Select 3.4. Cache Memory 3.4.1. Nguyên tắc Cache memory được dùng có tốc độ nhớ gần bằng tốc độ của các bộ nhớ nhanh nhất có sẵn, và tại cùng thời gian cung cấp một kích thước bộ nhớ rộng với giá không đắt hơn các kiểu bộ nhớ bán dẫn. CPU Word Transfer Cache Block trasfer Main Memory Cache and Main Memory Đây là mối quan hệ giữa bộ nhớ chính lớn và chậm hơn với bộ nhớ cache nhỏ nhưng nhanh hơn. Bộ nhớ cache sao chép một phần của bộ nhớ chính. Khi CPU cố gắng đọc một từ nhớ của bộ nhớ, sự kiểm tra được làm để xác định rõ nếu từ nhớ nằm trong cache. Trong trường hợp đó, từ nhớ được cung cấp cho CPU. Nếu không khối nhớ của bộ nhớ chính, bao gồm một số từ nhớ cố định được đọc vào trong cache và sau dó từ nhớ được cung cấp cho CPU. Bởi vì hiện tượng tham vấn cục bộ, khi khối dữ liệu được đem về trong cache để thoả - 39 -
mãn tín hiệu tham chiếu bộ nhớ, hầu như những tham chiếu tương lai sẽ là những từ nhớ khác của khối nhớ. Bộ nhớ chính bao gồm tới 2n từ nhớ có thể đánh địa chỉ, với mỗi từ nhớ có một địa chỉ n bit duy nhất. Cho mục đích ánh xạ, bộ nhớ này coi như bao gồm một số của độ dài những Data Block Memory Tag Address 0 1 1 2 2 Block 3 (K word) 3 Block Length ( K Words) 2^n-1 b) Cache Word Length a) Main memory khối cố định của mỗi K từ nhớ. Tức là có M=2n/ k khối nhớ. Cache bao gồm C khe của mỗi K từ nhớ, và số của các khe,hoặc các hàng, nó coi như ít hơn số khối nhớ của bộ nhớ chính (C line 0  Block 1-> line 1  Block C-> line 0  Bock i -> line (i mod C) - 40 -
Giả sử cache có 2n2 ngăn nhớ (đường), địa chỉ do CPU phát ra là n bit Tag n2 n1 n1 n1 xác định số byte trong khối 2 ->byte n-n1 bit còn lại : xác định khối nằm trong bộ nhớ chính. n2 bít tiếp theo xác định đường trong cache còn lại là trường Tag Mỗi 1 block được ghi vào cache thì cần 1 chỗ để ghi Tag (biết được đường nào nằm trong cache) Main Memory Memory Address Tag Data Tag Line Word Compare x x Hit in cache Miss in cache Bộ so sánh : thông dịch địa chỉ và so sánh nối vào. Nhược điểm của phương pháp ánh xạ này là có một vị trí cố định của cache cho bất cứ khối đã cho nào. Hơn nữa nếu xảy ra chương trình muốn tham vấn lại từ nhớ từ 2 khối khác nhau được ánh xạ vào cùng một đường, khi đó các khối sẽ tiếp tục được trao đổi trong cache, và tỉ lệ thành công sẽ giảm xuống. b. Ánh xạ liên kết hoàn toàn Ánh xạ liên kết sẽ khắc phục nhược điểm trên bằng cách cho phép mỗi khối bộ nhớ chính được nạp vào trong bất kỳ đường nào của cache. W0 Cache W Memory Address Tag Data 1 W2 Tag Word W 3 L 0 X X Compare L 1 Hit in Cache L 2 Miss in cache - 41 -
Trong trường hợp này n bit chia ra 2 trường: Tag word Khi CPU phát ra địa chỉ thì nó so sánh với tất cả các Tag được ghi trong cache, nếu có 1 Tag nào trong cache trùng với Tag địa chỉ thì hit in cache c. Ánh xạ liên kết tập hợp (cache 2 đường) Main memory Tag Cache Data W0 Memory Address W1 Tag Set Word W2 W3 L0 X L1 Compare X Hit in cache L2 Miss in cache Chia cache thành các tập hợp, Mỗi tập hợp có m đường ánh xạ:  Block 0 -> set 0   Block i -> Set (i mod S) Địa chỉ Tag Set n1 Ví dụ : Cho bộ nhớ chính 4 GB, kích thước cache 16 kB, kích thước khối 32 byte. Xác định địa chỉ do CPU phát ra theo 3 phương pháp ánh xạ Bộ nhớ chính có dung lượng 4GB = 232B -> Số bit địa chỉ do CPU phát ra là n=32 1 khối (block) có kích thước là 32B = 25B -> n1=5 * Xét trong trường hợp ánh xạ trực tiếp 14 16kb 2 9 Số đường trong cache: n2 = 5 2 -> n2 = 9 bit 32byte 2 Tag = 32 – 9 – 5 = 18 bit * Với liên kết hoàn toàn Tag=32 – 5 = 27 bit * Với liên kết tập hợp (2 đường) 16kb 214 Số đường trong cache: n2 = 28 -> n2 = 8 bit 5 32byte.2line 2 .2 Tag = 32 – 8 – 5 = 19 bit - 42 -
Trực tiếp 18 9 5 Hoàn toàn 27 5 Tập hợp 19 8 5 3.5. Quản lý bộ nhớ 3.5.1. Các kỹ thuật quản lý bộ nhớ Trong một hệ thống lập trình đơn nhiệm, bộ nhớ chính được chia thành hai phần: Một phần dành cho hệ điều hành (resident monitor) Một phần dành cho chương trình đang được thực hiện. Trong một hệ thống lập trình đa nhiệm, phần của bộ nhớ dành cho chương trình cần phải được chia nhỏ hơn nữa cung cấp cho các tiến trình phức tạp. Công tác chia nhỏ được quản lý động bởi hệ điều hành và còn được biết duới tên quản lý bộ nhớ (memory management). Process Request END Long Term Short Term CPU Queue Queue I/O I/O Queue I/O I/O Queue I/O I/O Queue Figure 7.14 Queuing diagram representation of processor scheduling Quản lý bộ nhớ thực sự là quan trọng trong một hệ thống đa nhiệm. Nếu chỉ là một vài tiến trình trong bộ nhớ, trong hầu hết thời gian tất cả các tiến trình sẽ phải đợi việc truy nhập vào ra và bộ vi xử lý sẽ bị nhàn rỗi. Như vậy, bộ nhớ cần phải định vị hiệu quả để sắp đặt càng nhiều tiến trình trong bộ nhớ càng tốt. a. Swapping (hoán đổi) Trên hệ thống luôn tồn tại 3 kiểu hàng đợi (queues): Hàng đợi cho các tiến trình mới Hàng đợi cho các tiến trình sẵn sàng sử dụng CPU Hàng đợi cho các tiến trình không sẵn sàng sử dụng CPU. Thực tế, các hoạt động vào ra chậm hơn rất nhiều so với khả năng tính toán của CPU, nên trong các hệ thống lập trình đơn nhiệm CPU nhàn rỗi trong hầu hết thời gian. Trong quá trình hoạt động, bộ nhớ lưu giữ các tiến trình và dữ liệu, CPU có thể chuyển tới tiến trình khác khi một tiến trình đang đợi. Nhưng vi xử lý nhanh hơn thiết bị vào ra đối với tất cả các tiến trình trong bộ nhớ đang đợi I/O. Vì vậy thậm chí với lập trình đa nhiệm, một bộ CPU có thể nhàn rỗi trong hầu hết thời gian. Bộ nhớ chính có thể được mở rộng, và có thể điều tiết cho nhiều tiến trình.Nhưng có hai trở ngại trong cách tiếp cận này. Đầu tiên, bộ nhớ chính là rất đắt. Thứ hai, sự yêu cầu bộ nhớ - 43 -
của các chương trình phát triển rất nhanh khi giá bộ nhớ giảm xuống. Kết quả các tiến trình chưa chắc tăng lên trong khi có dung lượng bộ nhớ lớn hơn. Disk Storage Main Memory Operating System Completed Jobs and User Sessions (a) Simple Job Scheduling Disk Storage Main Memory Intermediate Operating Queue System Completed Jobs Long Term and User Queue Sessions (b) Swapping Figure 7.15. The use of swapping Một giải pháp khác là tráo đổi (swapping). Chúng ta có một hàng đợi (long-term queue) của các yêu cầu tiến trình được trữ trên đĩa. Nó được nạp vào một lần khi không gian bộ nhớ cho phép. Khi các tiến trình hoàn thành, chúng được chuyển ra khỏi bộ nhớ chính. Bây giờ, trạng thái sẽ xuất hiện là không có bất kỳ tiến trình nào trong bộ nhớ nằm ở trạng thái sẵn sàng. Đúng hơn trong thời gian rỗi còn lại. CPU tráo đổi một trong những tiến trình trở lại đĩa vào trong một hàng đợi trung gian. Đây là hàng đợi của các tiến trình đã tồn tại đã được tạm thời đưa ra khỏi bộ nhớ. Hệ điều hành sau đó nạp một tiến trình khác từ hàng đợi trung gian hoặc thực hiện một yêu cầu tiến trình mới từ hàng đợi (long-term queue). Kỹ thuật tráo đổi, dù sao cũng là thao tác vào ra (I/O) và vì vậy cũng có thể phát sinh các sự cố về dữ liệu. Nhưng, khi disk I/O là thiết bị vào ra nhanh nhất trên hệ thống (ví dụ so sánh với băng từ hoặc với vào ra máy in), tráo đổi sẽ nâng cao sự thực thi. Một giản đồ tinh vi hơn là bộ nhớ ảo sẽ cải thiện sự thi hành hơn sự tráo đổi đơn giản. b. Phân vùng (Partioning) Hệ điều hành chiếm giữ một phần cố định của bộ nhớ. Phần còn lại của bộ nhớ được phân vùng cho việc sử dụng của các tiến trình. Luợc đồ đơn giản nhất cho bộ nhớ có thể phân vùng là sử dụng “các phân vùng kích thước cố định” (fixed-size partitions) Operating System128k 64K 192K 256K 384K Figure 7.16 Example of Fixed Partioning Chú ý rằng, mặc dù các phân vùng có kích thước cố định, chúng không có kích thước bằng nhau. Khi một tiến trình được tải vào bộ nhớ, nó được đặt vào một phân vùng nhỏ nhất có thể. - 44 -
Thậm chí với việc sử dụng những partition kích thước cố định không bằng nhau; sẽ có sự lãng phí bộ nhớ. Trong hầu hết các trường hợp, một tiến trình sẽ không yêu cầu chính xác dung lượng bộ nhớ được cung cấp bởi một phân vùng. Ví dụ, một tiến trình yêu cầu 128kbytes bộ nhớ có thể được đặt vào phân vùng dung lượng 192kbytes, lãng phí 64 kbytes không thể dùng bởi tiến trình khác. Một cách tiếp cận hiệu quả hơn là sử dụng các phân vùng kích thước thay đổi được. Khi một tiến trình được nạp vào trong bộ nhớ, nó được cấp chính xác dung lượng bộ nhớ nó yêu cầu và không hơn. Bộ nhớ chính ban đầu rỗng, trừ phần cung cấp cho hệ điều hành (a). Nó bỏ mặc một “lỗ hổng”ở phần cuối bộ nhớ vì quá nhỏ cho tiến trình thứ 4. Khi tiến trình 2 được tráo đổi ra ngoài (b) có một chỗ trống cho tiến trình thứ 4 . Tiến trình 4 nhỏ hơn tiến trình 2, một lỗ trống nhỏ được tạo ra. Như ví dụ đã trình bày, phương thức này khởi đầu tốt nhưng cuối cùng dẫn đến một trạng thái trong đó có rất nhiều “lỗ trống nhỏ” trong bộ nhớ . Càng ngày, bộ nhớ càng bị phân mảnh và không tận dụng được bộ nhớ. Một kỹ thuật khắc phục vấn đề này là “compaction”. Từ đó trở đi, hệ điều hành luân chuyển các tiến trình trong bộ nhớ để đặt tất cả “lỗ trống” lại với nhau trong một khối. đây là một thủ tục lãng phí thời gian, lãng phí thời gian sử lý của CPU. Trước khi xem xét cách giải quyết với sự thiếu sót của sự phân vùng, chúng ta phải giải quyết một vấn đề. Nếu người đọc cân nhắc một chút, nó có thể trở lên rõ ràng rằng một tiến trình hầu như không được tải vào trong cùng một chỗ trong bộ nhớ mỗi lần nó được tráo đổi vào. Hơn nữa, nếu “compaction” được thực hiện một tiến trình có thể phải luân chuyển trong bộ nhớ chính. Bây giờ, tiến trình trong bộ nhớ bao gồm các chỉ lệnh và dữ liệu. Các chỉ lệnh sẽ bao gồm địa chỉ các vị trí trong bộ nhớ thuộc 2 loại:  Địa chỉ của mục dữ liệu.  Địa chỉ của các chỉ lệnh sử dụng cho sự phân nhánh chỉ lệnh Nhưng bây giờ chúng ta thấy rằng những địa chỉ đó không cố định. Chúng sẽ thay đổi mỗi lần tiến trình được tráo đổi. Để giải quyết vấn đề này, một sự phân biệt được tạo ra giữa địa chỉ logic và địa chỉ vật lý. Địa chỉ logic được biểu diễn một vị trí liên quan tới khởi đầu của chương trình. Các chỉ lệnh trong chương trình bao hàm chỉ một địa chỉ logic. Địa chỉ vật lý là vị trí thực trong bộ nhớ chính. Khi CPU thực hiện một tiến trình, nó tự động chuyển đổi từ địa chỉ logic sang đại chỉ vật lý bằng việc công thêm vị trí khởi đầu hiện tại của tiến trình, được gọi là địa chỉ cơ sở, cho mỗi địa chỉ logic. Một ví dụ khác của CPU là đặc tính phần cứng được thiết kết tuơng thích với yêu cầu của hệ điều hành. trạng thái tự nhiên chính xác của đặc trưng phần cứng phụ thuộc vào chiến thuật quản lý bộ nhớ được sử dụng. c. Phân trang Cả các phân vùng kích thước cố định và thay đổi đều không hiệu quả trong việc sử dụng bộ nhớ. Giả định, bộ nhớ đã được phân vùng vào các chunks liên kết nhỏ có kích thước cố định bằng nhau, và mỗi tiến trình cùng được phân chia vào trong một số các chunks đó. Sau đó các chunks của một chương trình, được gọi là các “trang”, có thể được phân bổ vào các chunks có thể trong bộ nhớ, gọi là các frame (khung), hoặc trang khung. Tất nhiên phần bộ nhớ lãng phí của tiến trình này là một phần nhỏ trên trang cuối cùng. (Hình vẽ) - 45 -
Ở mỗi điểm thời gian đã cho, một vài khung trong bộ nhớ được sử dụng và một vài khung trống. Danh sách các khung trống được duy trì bởi hệ điều hành. Tiến trình A, được trữ trên đĩa, bao gồm bốn trang. Khi đến thời gian nạp tiến trình này, hệ điều hành tìm 4 khung trống và nạp bốn trang của tiến trình A vào trong bốn khung đó. Bây giờ giả định, như trong ví dụ này, không có các khung trống kế tiếp để giữ tiến trình. Nó có ngăn cản hệ điều hành nạp tải tiến trình không? Câu trả lời là không, bởi vì chúng ta có thể sử dụng lại khái niệm địa chỉ logic. Một địa chỉ cơ sở đơn giản sẽ không đủ. Hơn nữa hệ điều hành duy trì một bảng trang cho mỗi tiến trình. Bảng trang lưu giữ vị trí các khung cho mỗi trang của tiến trình. Trong chương trình, mỗi địa chỉ logic bao gồm một số hiệu trang và một địa chỉ quan hệ trong trang. Trong trường hợp phân vùng đơn giản một địa chỉ logic là vị trí của một từ chỉ tới điểm khởi đầu của chương trình; CPU biên dịch nó thành địa chỉ vật lý. Với phân trang sự biên dịch địa chỉ lôgic-vật lý vẫn được làm bởi phần cứng CPU. Bây giờ CPU phải biết cách truy nhập bảng trang của tiến trình hiện tại. Trình diện với một địa chỉ logic (số hiệu trang, địa chỉ liên quan), CPU sử dụng bảng trang để đưa ra địa chỉ vật lý (số hiệu khung, địa chỉ liên quan). Bộ nhớ chính được chia thành các khung nhỏ có kích thước bằng nhau. Mỗi tiến trình được chia vào các trang khung (frame-size page). Các tiến trình nhỏ hơn yêu cầu ít trang hơn các tiến trình lớn. Khi một tiến trình được nạp vào, các trang của nó được tải vào các khung rỗi và một bảng trang được thiết lập. 3.5.2. Bộ nhớ ảo a. Yêu cầu phân trang Với việc sử dụng phân trang, các hệ thống chương trình đa nhiệm trở lên thực sự hiệu quả. Việc chia nhỏ một tiến trình vào các trang dẫn đến sự phát triển của một khái niệm quan trọng khác: bộ nhớ ảo. Để hiểu bộ nhớ ảo, chúng ta phải tìm hiểu về bản đồ phân trang. Sự tìm hiểu chọn lọc này là yêu cầu phân trang, chúng chỉ đơn giản là mỗi trang của tiến trình được đưa vào trong bộ nhớ chỉ một khi chúng được cần đến, đó là yêu cầu. Xem xét một tiến trình lớn, bao gồm một chương trình dài cộng với một số lượng lớn các mảng dữ liệu. Trong bất kỳ chu trình nào, sự thực hiện có thể bị hạn chế chỉ một section (đoạn) chương trình (ví dụ một thủ tục con), có thể chỉ một hoặc hai mảng dữ liệu được dùng - Đây là nguyên tắc định hướng. Sẽ rất lãng phí khi tải vào rất nhiều trang cho tiến trình này khi chỉ một vài trang được dùng trước đó khi chuơng trình tạm treo. Chúng ta có thể sử dụng bộ nhớ tốt hơn bằng việc tải vào chỉ một vài trang. Sau đó, nếu chương trình phân nhánh tới một chỉ lệnh trên một trang không nằm trong bộ nhớ chính, hoặc nếu chương trình tham chiếu dữ liệu trên một trang không nằm trong bộ nhớ, một ngoại lệ lỗi trang sẽ xảy ra. Nó yêu cầu hệ điều hành nạp các trang đã yêu cầu vào bộ nhớ. Như vậy, bất kỳ thời điểm nào, chỉ một vài trang của chương trình là nằm trong bộ nhớ và bởi vậy rất nhiều tiến trình có thể được duy trì trong bộ nhớ. . Hơn nữa, thời gian được ghi lại bởi vì những trang không được dùng không được tráo đổi vào ra trong bộ nhớ. Tuy nhiên, hệ điều hành phải khéo léo quản lý bản đồ phân trang. Khi nó nạp một trang vào, nó phải đẩy một trang khác ra. Nếu nó đẩy ra một trang vừa được sử dụng, sau đó nó sẽ phải tìm lại trang đó ngay lập tức. Rất nhiều trong chúng dẫn tới một trạng thái được gọi là Thrashing: tiến trình tiêu tốn hầu hết thời gian tráo đổi các trang hơn là thực hiện các chỉ lệnh. Việc tránh thrashing đã là mộth nghiên cứu chính trong thập niên 70 và dẫn đến nhiều giải thuật phức hợp đa dạng nhưng hiệu quả. Với yêu cầu phân trang, nó không cần thiết tải toàn bộ chương trình vào trong bộ nhớ chính. Thực tế có một kết quả rõ rệt: các tiến trình có thể lớn hơn bộ nhớ chính. Một trong những giới hạnh nền tảng trong lập trình đã được nâng lên. Không yêu cầu phân trang, một lập trình viên phải nhận thức sâu sắc về dung lượng bộ nhớ cho phép. Nếu chương trình được viết quá lớn, lập trình viên phải nghĩ ra con đuờng cấu trúc chương trình vào trong các bộ - 46 -
phận nhỏ có thể được nạp vào tại một thời điểm. Với yêu cầu phân trang, công việc đó được giao phó cho hệ điều hành và phần cứng. Người lập trình sẽ được phân phát một bộ nhớ rất lớn, kích thước liên kết với thiết bị lưu trữ ngoài. Hệ điều hành sử dụng yêu cầu phân trang để nạp các phần của tiến trình vào bộ nhớ chính. Bởi vì một tiến trình thực hiện chỉ trong bộ nhớ chính, chỉ bộ nhớ chính được tham chiếu như là bộ nhớ thực sự. Nhưng một lập trình viên, hoặc ngưòi dùng nhật thấy một bộ nhớ lớn hơn rất nhiều- được định rõ trên đĩa cứng. Nó được tham chiếu đến như là bộ nhớ ảo. Bộ nhớ ảo cho phép lập trình đa nhiệm hiệu quả và giảm nhẹ những ép buộc không cần thiết của người dùng với bộ nhớ chính. b. Phân trang trong quản lý bộ nhớ ảo Chia bộ nhớ thành các trang nhớ có kích thước cố định từ vài KB -> vài chục KB Bộ xử lý phát ra địa chỉ ảo thông qua MMU để chuyển thành địa chỉ vật lý. Bé xö lý Virtual Address Data MMU Physical Address Cache Data Main memory DMA Bé nhí ngoµi M M U:M emory Managerment Unit Kích thước trang với các bộ xử lý 86x thường là 4kbyte hay 4Mb.Các trang này có thể ánh xạ vào bộ nhớ vật lý hay đĩa cứng. Khi một chương trình (hay một nhiệm vụ)yêu cầu truy nhập một địa chỉ logic, VXL biên dịch địa chỉ logic này sang địa chỉ tuyến tính. Sau đó, dùng phương pháp phân trang biên dịch địa chỉ tuyến tính sang địa chỉ vật lý tương ứng. Nếu trang chứa địa chỉ tuyến tính trên không tồn tại trong bộ nhớ vật lý, bộ VXL ra ngoại lệ “lỗi trang” #PF. Chương trình xử lý ngoại lệ này nạp trang cần truy nhập từ đĩa cứng về bộ nhớ vật lý (có thể nạp một trang khác từ bộ nhớ vật lý lên đĩa cứng để lấy chỗ).Sau khi trang cần truy nhập có mặt trong bộ nhớ vật lý, lệnh return từ chương trình xử lý ngoại lệ khiến bộ vi xử lý thực hiện lệnh đã gây ra ngoại lệ #PF. Thông tin mà bộ vi xử lý dùng để ánh xạ địa chỉ tuyến tính vào không gian địa chỉ vaat lý (cũng như để tạo ngoại lệ “ lỗi trang”) được lưu trữ trong danh mục trang (PDE) và bảng trang. Danh mục trang và bảng trang đều nằm trong bộ nhớ vật lý. c. Cách quản lý trang và phương pháp biên dịch địa chỉ tuyến tính Máy tính quản lý bộ nhớ phân trang dựa trên danh mục trang, bảng trang và trang.  Danh mục trang: Tổ hợp các giá trị 32 bit, được gọi là PDE (page-directory entry) . Danh mục trang có chiều dài bằng một trang (4kbyte) và chứa 1024 PDE.  Bảng trang : tổ hợp các giá trị 32 bit, được gọi là PTE, bảng trang cũng có chiều dài bằng 1 trang(4kbyte) và chứa tất cả 1024 PTE. Nếu dùng trang kích thước 4 Mbyte hay 2 Mbyte thì bộ vi xử lý không cần đến PTE. Các trang lớn (4 hay 2 Mb) được ánh xạ trực tiếp từ danh mục trang.  Trang (page) không gian địa chỉ phẳng có kích thước 4 kbyte, 4 Mbyte, - 47 -
 Bảng con trỏ danh mục trang : tổ hợp 3 giá trị 64 bit, mỗi giá trị trỏ đến một danh mục trang. Cấu trúc này chỉ được dùng khi mở rộng không gian địa chỉ lên 36 bit. Biên dịch địa chỉ tuyến tính (4kbyte) §Þa chØ tuyÕn tÝnh 31 0 Danh môc b¶ng offset 10 10 12 Trang 4 kbyte Danh môc b¶ng b¶ng trang §/C vËt lý PTE PDE 1024PDE*1024PTE=2^20 Trang CR3(pdbr ) 32 Biªn dÞch ®Þa chØ tuyÕn tÝnh (trang 4 kbyte) Hình vẽ cho ta thấy cách dùng danh mục trang và bảng trang khi ánh xạ địa chỉ tuyến tính sang trang4 kbyte. Giá trị trong danh mục trang trỏ đến một vị trí trong bảng trang, giá trị tương ứng trong bảng trang trỏ đến trang cần truy nhập trong bộ nhớ vật lý. Cơ chế này cho phép truy nhập 220 trang hay một không gian bộ nhớ vật lý gồm (232 byte = 4 Gbyte). Để biên dịch địa chỉ tuyến tính sang địa chỉ vật lý, địa chỉ tuyến tính được chia làm 3 phần:  Giá trị danh mục trang: bit 22 đến 31, là giá trị lệch của một vị trí (PDE) trong bảng danh mục (có tất cả 210 PDE), PDE cho biết vị trí bảng trang cần truy nhập.  Giá trị bảng trang: bit 12 đến bit 21 là giá trị lệch của một vị trí (PTE) trong bảng trang. PTE cho biết địa chỉ cơ sở của một trang trong bộ nhớ vật lý.  Địa chỉ lệch trong trang: bit 0 đến bit 11 cho biết vị trí của byte cần truy nhập trong trang được trọn bằng giá trị PTE. Địa chỉ cơ sở của danh mục trang Địa chỉ cơ sở của danh mục trang hiện tại được lưu trữ trong thanh ghi điều khiển CR3 (vì vậy thanh ghi này còn được gọi là thanh ghi cơ sở danh mục trang PDBR-page directory base register). Nếu dùng cơ chế phân trang, thanh ghi PDBR cần được nạp ngay khi khởi động máy (trước khi cho phép cơ chế phân trang). Nội dung của thanh ghi PDBR có thể được thay đổi tự động khi thay đổi nhiệm vụ bằng lệnh MOV. 3.5.3. Sự phân đoạn Có một cách quản lý bộ nhớ khác gọi là phân đoạn bộ nhớ. Trong khi việc phân trang cho phép cung cấp cho lập trình viên một không gian địa chỉ lớn hơn, sự phân đoạn thường cung cấp cho lập trình viên một tiện ích cho việc tổ chức các chương trình và dữ liệu, và như là một phương tiện cho việc tích hợp quyền ưu tiên và các thuộc tính bảo vệ với các chỉ lệnh và dữ liệu. Sự phân đoạn cho phép người lập trình xem xét bộ nhớ như là việc bao gồm nhiều không gian địa chỉ hay các đoạn. Các đoạn là biến đổi, động về kích thước. Đặc biệt, người lập trình hoặc hệ điều hành sẽ phân bổ các chương trình và dữ liệu vào các đoạn khác nhau. Có thể có một số lượng các đoạn chương trình cho các kiểu chương trình khác nhau giống như một số lượng các đoạn dữ liệu. Mỗi đoạn có thể được phân bổ truy nhập và quyền sử - 48 -
dụng. Sự tham chiếu bộ nhớ bao gồm một dạng địa chỉ. Cách tổ chức này có một số thuận lợi cho nguời lập trình so với không gian địa chỉ không phân đoạn.  Nó làm đơn giản cách trình bày sự phát triển của các cấu trúc dữ liệu. Nếu lập trình viên không biết kích thước của một cấu trúc dữ liệu riêng biệt sẽ là bao nhiêu, nó sẽ không cần hướng dẫn. Cấu trúc dữ liệu có thể được phân bổ và đoạn của nó và hệ điều hành sẽ mở rộng hoặc co rút lại đoạn nếu cần thiết.  Nó cho phép các chương trình được biến đổi và biên dịch lại độc lập, không yêu cầu thiết đặt toàn bộ các chương trình phải được liên kết và nạp tải lại. Một lần nữa, đây đang sử dụng hoàn hảo đa đoạn .  Nó tự giúp việc chia sẻ giữa các tiến trình. Một lập trình viên có thể đặt một chương trình tiện ích hoặc một bảng dữ liệu hữu dụng trong một đoạn có thể được đánh địa chỉ bởi một tiến trình khác.  Nó tự bảo vệ mình. Khi một đoạn có thể được xây dựng để chứa đưọng một tập các chương trình hoặc dữ liệu đã được định nghĩa, lập trình viên hoặc nhà quản trị mạng có thể phân bổ quyền ưu tiên truy nhập trong một kiểu phù hợp. Những thuận lợi này không có sẵn với việc phân trang, (việc phân trang là không thấy được với lập trình viên). Nói cách khác, chúng ta đã nhìn thấy kỹ thuật phân trang cung cấp một kiểu quản lý bộ nhớ hiệu quả. Để kết hợp các thuận lợi của cả hai, một số hệ thống được hỗ trợ với phần cứng và phần mềm hệ điều hành để cung cấp cả hai phương pháp quản lý . 3.6. Kỹ thuật giải mã địa chỉ 3.6.1. Cấu tạo một vi mạch nhớ Một mạch nhớ được tạo nên từ nhiều vi mạch nhớ. Một vi mạch nhớ thường có cấu trúc tiêu biểu như sau: A0 A1 A2 Am A1 A2 A0 tÝn Dn D2 D1 D0 TÝn hiÖu hiÖu ®Þa d÷ chØ liÖu WR: Write WE WR WE: write enable CS OE OE: output enable CS: Chip select RD: read Chän Vá RD Nhóm tín hiệu địa chỉ: các tín hiệu địa chỉ có tác dụng chọn ra một ô nhớ (từ nhớ) cụ thể để ghi / đọc. Các ô nhớ có độ dài khác nhau tuỳ theo nhà sản xúât : 1,2,4,8 bit. Một vi mạch nhớ có m bit địa chỉ thì có2m từ nhớ. Nhóm tín hiệu dữ liệu: Số đường dây dữ liệu quyết định độ dài từ nhớ của mạch nhớ. Thông thường người ta hay nói rõ dung lượng và độ dài từ nhớ cùng một lúc. Ví dụ mạch nhớ: 1K x 8 Nhóm tín hiệu chọn vi mạch (chọn vỏ): Các tín hiệu chọn vỏ là CS (chip select) hoặc CE (chip enable) thường được dùng để chọn ra vi mạch nhớ cụ thể được ghi / đọc . Tín hiệu ở mạch nhớ Ram thường là CS ở ROM là CE. Các tín hiệu chọn vỏ thường nối với đầu ra của mạch giải mã địa chỉ. Khi một mạch nhớ không được chọn thì bus dữ liệu của nó bị treo (ở trạng thái trở kháng cao). - 49 -
Nhóm tín hiệu điều khiển: Một mạch nhớ RAM thường có 1 tín hiệu điều khiển là R/W để điều khiển quá trình ghi / đọc. Nếu mạch nhớ RAM có 2 tín hiệu điều khiển thì đó là WE (write enable) để điều khiển ghi và OE để điều khiển đọc. Hai tín hiệu này phải ngược pha nhau để điều khiển việc ghi đọc mạch nhớ. 3.6.2. Giải mã địa chỉ cho bộ nhớ Mỗi một mạch nhớ ghép nối với CPU cần phải được CPU quy chiếu tới một cách chính xác khi thực hiện thao tác ghi / đọc. Điều đó có nghĩa là mỗi mạch nhớ phải được gán cho một vùng riêng biệt có địa chỉ xác định nằm trong không gian địa chỉ tổng thể của bộ nhớ . Việc gán địa chỉ cụ thể cho từng mạch nhớ được thực hiện nhờ bộ giải mã địa chỉ. Việc phân thành các vùng nhớ khác nhau để thực hiện các chức năng nhất định gọi là phân vùng bộ nhớ. a. Cấu tạo chung của bộ giải mã địa chỉ: tÝn hiÖu CS1 ®Þa chØ CS2 M¹ch gi¶i m· CS3 C¸c tÝn ®Þa chØ hiÖu chän vá tÝn hiÖu ®iÒu CSn khiÓn M¹ch gi¶i m· ®Þa chØ tæng qu¸t Tín hiệu điều khiển : IO/ M dùng để phân biệt đối tượng mà CPU chon làm việc là bộ nhớ hay thiết bị vào ra. Tín hiệu địa chỉ : là các bit địa chỉ có quan hệ nhất định đến việc chọn vỏ ở đầu ra. Thông thường khi thiết kế mạch giải mã người ta thường tính dôi ra để dự phòng, sao cho sau này co thể tăng thêm dung lượng bộ nhớ. b. Giải mã địa chỉ bằng các mạch NAND Ví dụ mạch giải mã đơn giản cho EPROM 2761-1 dung lượng 2Kx8 có địa chỉ nằm trong khoảng FF800h-FFFFFh (vùng địa chỉ có chứa địa chỉ khởi động của CPU 8088) Sơ đồ mạch giải mã: A0-A7 D0-D7 2716-1 CE OE A11 2716-1 A12 lµ EPROM A19 RD 2KB IO/M - 50 -
A19 A18 A17 A16 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5A4 A3 A2 A1 A0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 =FF800h 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 =FFFFFh Số chân địa chỉ trong CPU 8088 là 20 chân đánh số từ A0 đến A19. Trong mạch giải mã này ERPROM dung lượng 2KB -> sử dụng 11 bít địa chỉ thấp từ A0 đến A10 để chọn từ nhớ trong ERPROM . Các bít cao còn lại A11 đến A19 kết hợp với xung IO/M (đã được đảo) để tạo xung chọn vỏ cho 2KB đặt tại vùng nhớ cao nhất của CPU 8088 c. Giải mã dùng mạch giải mã kiểu 74LS138 Sơ đồ mạch giải mã LS138 Bảng chức năng: A B C G2B G2A G1 y0 y1 y2 y3 y4 y5 y6 y7 x x x 1 x x 1 1 1 1 1 1 1 1 x x x x 1 x 1 1 1 1 1 1 1 1 x x x x x 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 Ví dụ: giải mã địa chỉ vùng nhớ 64 kb địa chỉ bắt đầu F0000 h đến FFFFF h bằng EPROM 8KB Với địa chỉ vùng nhớ như trên cần 20 bit địa chỉ để mã hoá : A0 A19 dung lượng của EPROM là 8 kb -> cần 13 bit địa chỉ để xác định từ nhớ (ô nhớ)-> sử dụng 13 bit thấp để mã hoá: A0A12 . Các bit địa chỉ A13A15 được đưa vào các đầu vào chọn A, B, C của bộ giải mã ls138 để chọn EPROM tương ứng. Các chân còn lại A16 A18 qua mạch NAND đưa vào chân G2a tín hiệu IO/M được đưa vào chân G2b - 51 -
A19 được đưa vào G1 Nếu dùng EPROM 2Kb -> cần sử dụng 32 mạch nhớ.->sử dụng 4 bộ giải mã LS138 để chọn chíp nhớ tương ứng. Dung lượng của EPROM là 2kb -> sử dụng 11 bit thấp A0A10 để xác định từ nhớ trong mạch nhớ. Các bit A11A13 được đưa vào chân chọn vỏ của các bộ giải mã LS138 Bit A14 đưa vào chân G2A của bộ giải mã LS138 1 và 3; qua mạch NOT đổi thành xung âm đưa vào chân G2A của bộ giải mã LS138 2và 4. Bit A15 được đưa vào chân G2B của bộ giải mã LS138 1 và 2; qua mạch NOT thành xung âm đưa vào chân G2B của bộ giải mã 3,4 . Các chân A16A19 Kết hợp với xung tín hiệu IO/M (đã được đổi dấu) qua mạch AND đưa vào chân G1. Sơ đồ ghép nối EPROM và giải mã địa chỉ: CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 3.1. Trình bày khái niệm, nguyên tắc hoạt động của bộ nhớ Cache? 2.2. Trình bày kỹ thuật quản lý bộ nhớ (Khái niệm, kỹ thuật hoán đổi, phân vùng, phân trang) 3.3. Trình bày khái niệm bộ nhớ ảo (Virtual memory)? Cách quản lý trang và phương pháp biên dịch địa chỉ tuyến tính? 3.4. Cho bộ nhớ chính 32 MB, kích thước cache 8 kB, kích thước khối 32 byte. Xác định địa chỉ do CPU phát ra theo 3 phương pháp ánh xạ 3.5. Trình bày sơ đồ ghép nối và giải mã địa chỉ vùng nhớ 8 KB có địa chỉ F0000hFFFFFh sử dụng mạch giải mã LS138 và EPROM 1Kx4 - 52 -
Chương IV: HỆ THỐNG VÀO RA 4.1. Giới thiệu chung Hệ thống vào ra: trao đổi thông tin giữa máy tính và thế giới bên ngoài, bao gồm:  Các modul vào ra (mạch ghép nối IO): ghép nối giữa CPU và bộ nhớ với các TBNV.  Các TBNV: mạch ghép nối vào ra tổ chức thành các cổng vào ra sao cho mỗi cổng có một địa chỉ xác định. Địa chỉ hoá cổng vào ra:  Địa chỉ hoá tách biệt (vào ra trực tiếp): không gian địa chỉ cổng độc lập với không gian địa chỉ bộ nhớ.  Địa chỉ hoá theo bản đồ bộ nhớ: không gian địa chỉ cổng vào ra nằm trong không gian địa chỉ bộ nhớ. 4.1.1. Các thiết bị ngoại vi Chức năng:  Trao đổi thông tin người - máy  Trao đổi thông tin máy - máy Cấu trúc dữ liệu từ môi dữ liệu nhị Đệm dữ Chuyển đổi tín trường ngoài phân liệu hiệu modul vào ra Logic điều khiển Logic điều khiển:  Nhận tín hiệu điều khiển của CPU  Phát tín hiệu điều khiển TBNV  Phát tín hiệu trạng thái báo cho CPU biết trạng thái của TBNV Đệm dữ liệu: chứa tạm thời dữ liệu trao đổi giữa TBNV và Modul vào ra Chuyển đổi tín hiệu: chuyển tín hiệu ở dạng phi điện năng thành tín hiệu điện năng. 4.1.2. Modul vào ra dữ liệu Cổng Thanh ghi dữ liệu IO điều khiển dữ liệu trạng thái Thanh ghi điều khiển và trạng thái dữ liệu Cổng địa chỉ Logic điều khiển IO điều khiển trạng thái điều khiển - 53 -