Giáo trình Kiến trúc máy tính

Nội dung text: Giáo trình Kiến trúc máy tính

1. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - môn học kiến trúc máy tính (60 tiết : 50 tiết lý thuyết ; 5tiết thực hành ; 5 tiết bài tập lớn) Chương I: mở đầu 1- Lịch sử phát triển máy tính a/ Các máy tính cơ điện đầu tiên b/ Các thế hệ của máy tính điện tử (MTĐT) 2- Sơ đồ khối MTĐT Chương II: biểu diễn thông tin trong máy tính 1- hệ đếm cơ số 2: 2- Hệ đếm cơ số 8 và cơ số 16: 3- Hệ BCD: 4- Số biểu diễn giá trị trong máy tính: a/ Số nguyên không dấu b/ Số nguyên có dấu c/ Biểu diễn số thực 5- Biểu diễn ký tự Chương III: các khối cơ bản của máy tính 1- Bộ nhớ trong 2- Bộ xử lý trung tâm CPU: -Bộ điều khiển CU -Bộ thao tác dữ liệu ALU - các thanh ghi 3- Liên hệ giữa các khối Chương IV: lệnh và chế độ đia chỉ 1- Mã hoá lệnh : a/ Dạng thức của lệnh b/ Cách thức ghi lệnh 2- Các kiểu lệnh: a/ Nhóm lệnh chuyển dữ liệu b/ Nhóm số học c/ Nhóm logic, dịch, quay d/ Các lệnh so sánh e/ Các lệnh rẽ nhánh f/ Các lệnh đặc biệt 3- Các chế độ địa chỉ
2. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Chương V: bộ xử lý trung tâm CPU 1- Hoạt đông của CPU 2- Thiết kế CPU 3- Bộ đồng xử lý (coprocessor) Chương VI: vào ra dữ liệu với thiết bị ngoại vi 1- Nhiệm vụ của bộ phối ghép: - Phối ghép với phần cứng - Phối ghép về chức năng - Các ví dụ 2- Cấu trúc chung của bộ phối ghép I/O a/ cấu trúc chung của bộ phối ghép b/ Cách giải mã địa chỉ cho phối ghép I/O 3- Cách điều khiển vào ra dữ liệu - Vào ra bằng cách thăm dò trạng thái sẵn sàng của cổng - Vào ra bằng DMA - Vào ra bằng ngắt Chương VII: bộ nhớ máy tính 1- Đại cương 2- Vấn đề dung lưọng, bảo vệ bộ nhớ - Cơ chế đổi địa chỉ logic- vật lý - Bộ nhớ mô tả trang 3- Bộ nhớ ẩn a/ Nguyên tắc b/ Hoạt động của bộ nhớ ẩn c/ Bộ nhớ truy cập theo nội dung 4- Bộ nhớ ảo a/ nguyên tắc b/ Cơ chế trao đổi thông tin c/ Quyền thâm nhập d/ Xác định kích thước trang
3. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Chương I. Giới thiệu chung về kiến trúc máy tính. I. Khái niệm về kiến trúc máy tính Kiến trúc máy tính (Computer architecture) là một khái niệm trừu tượng của một hệ thống tính toán dưới quan điểm của người lập trình hoặc người viết chương trình dịch. Nói cách khác, kiến trúc máy tính được xem xét theo khía cạnh mà người lập trình có thể can thiệp vào mọi mức đặc quyền, bao gồm các thanh ghi, ô nhớ các ngắt có thể được thâm nhập thông qua các lệnh. II. Lịch sử phát triển của máy tính. Chiếc máy tính điện tử đầu tiên là ENIAC được ra đời năm 1946, được chế tạo từ những đèn điện tử, rơle điện tử và các chuyển mạch cơ khí. Lịch sử phát triển của máy tính điện tử có thể chia làm bốn thế hệ như sau: - Thế hệ 1: (1945-1955). Máy tính được xây dựng trên cơ sở đèn điện tử mà mỗi đèn tượng trưng cho 1 bit nhị phân. Do đó máy có khối lượng rất lớn, tốc độ chậm và tiêu thụ điện năng lớn. Như máy ENIAC có khối lượng 30 tấn, tiêu thụ công suất 140KW. - Thế hệ thứ 2: (1955-1965). Máy tính được xây dựng trên cơ sở là các đèn bán dẫn (transistor), máy tính đầu tiên thế hệ này có tênlà TX-0 (transistorized experimental computer 0). - Thế hệ thứ ba: (1965-1980). Máy tính được xây dựng trên các vi mạch cỡ nhỏ (SSI) và cỡ vừa (MSI), điển hình là thế hệ máy System/360 của IBM. Thế hệ máy tính này có những bước đột phá mới như sau: - Tính tương thích cao: Các máy tính trong cùng một họ có khả năng chạy các chương trình, phần mềm của nhau. - Đặc tính đa chương trình: Tại một thời điểm có thể có vài chương trình nằm trong bộ nhớ và một trong số đó được cho chạy trong khi các chương trình khác chờ hoàn thành các thao tác vào/ra. - Không gian địa chỉ rất lớn. - Thế hệ thứ tư: (1980- ). Máy tính được xây dựng trên các vi mạch cỡ lớn (LSI) và cực lớn (VLSI). Đây là thế hệ máy tính số ngày nay, nhờ công nghệ bán dẫn phát triển vượt bậc, mà người ta có thể chế tạo các mạch tổ hợp ở mức độ cực lớn. Nhờ đó máy tính ngày càng nhỏ hơn, nhẹ hơn, mạnh hơn và giá thành rẻ hơn. Máy tính cá nhân bắt đầu xuất hiện và phát triển trong thời kỳ này. Photocopyable 1
4. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Dựa vào kích thước vật lý, hiệu suất và lĩnh vực sử dụng, hiện nay người ta thường chia máy tính số thế hệ thứ tư thành 5 loại chính, các loại có thể trùm lên nhau một phần: - Microcomputer: Còn gọi là PC (personal computer), là những máy tính nhỏ, có 1 chip vi xử lý và một số thiết bị ngoại vi. Thường dùng cho một người, có thể dùng độc lập hoặc dùng trong mạng máy tính. - Minicomputer: Là những máy tính cỡ trung bình, kích thước thường lớn hơn PC. Nó có thể thực hiện được các ứng dụngmà máy tính cỡ lớn thực hiện. Nó có khả năng hỗ trợ hàng chục đến hàng trăm người làm việc. Minicomputer được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng thời gian thực, ví dụ trong điều khiển hàng không, trong tự động hoá sản xuất. - Supermini: Là những máy Minicomputer có tốc độ xử lý nhanh nhất trong họ Mini ở những thời điểm nhất định. Supermini thường được dùng trong các hệ thống phân chia thời gian, ví dụ các máy quản gia của mạng. - Mainframe: Là những máy tính cỡ lớn, có khả năng hỗ trợ cho hàng trăm đến hàng ngàn người sử dụng. 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. - Supercomputer: Đây là những siêu máy tính, được thiết kế đặc biệt để đạt tốc độ thực hiện các phép tính dấu phẩy động cao nhất có thể được. Chúng thường có kiến trúc song song, chỉ hoạt động hiệu quả cao trong một số lĩnh vực. Dựa vào kiến trúc của máy tính người ta cũng phân máy tính ra các loại khác nhau như sau: - Kiến trúc SISD (single instruction - single data, đơn dòng lệnh - đơn dòng dữ liệu), sơ đồ như hình 1-1. Các tín hiệu điều khiển Khối điềulện Khối chấp hành khiểnh lện dữ liệu h Hệ thống nhớ Hình 1-1: Kiến trúc máy tính SISD. Photocopyable 2
5. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa - Kiến trúc CIMD (Single Instruction Multiple Data, đơn dòng lệnh- đa dữ liệu), sơ đồ như hình 1-2. Các tín hiệu điều khiển Khối điều Khối chấp hành Khối chấp hành Khối chấp hành khiển 1 2 n lện dữ liệu h Hệ thống nhớ Hình 1-2: Kiến trúc SIMD. - Kiến trúc MIMD (Multiple Instruction Multiple Data, đa dòng lệnh- đa dữ liệu), sơ đồ như hình 1-3. Các tín hiệu điều khiển Khối điều khiển 1 Khối chấp hành Khối điều khiển Khối chấp hành 1 n n lện dữ liệu lện dữ liệu h h Hệ thống nhớ Hình 1-3: Kiến trúc MIMD. Photocopyable 3
6. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Chương II. Biểu diễn thông tin trong máy tính I. Hệ nhị phân (Binary) I.1. Khái niệm: Hệ nhị phân hay hệ đếm cơ số 2 chỉ có hai con số 0 và 1. Đó là hệ đếm dựa theo vị trí. Giá trị của một số bất kỳ nào đó tuỳ thuộc vào vị trí của nó. Các vị trí có trọng số bằng bậc luỹ thừa của cơ số 2. Chấm cơ số được gọi là chấm nhị phân trong hệ đếm cơ số 2. Mỗi một con số nhị phân được gọi là một bit (BInary digiT). Bit ngoài cùng bên trái là bit có trọng số lớn nhất (MSB, Most Significant Bit) và bit ngoài cùng bên phải là bit có trọng số nhỏ nhất (LSB, Least Significant Bit) như dưới đây: 23 22 21 20 2-1 2-2 MSB 1 0 1 0 . 1 1 LSB Chấm nhị phân Số nhị phân (1010.11)2 có thể biểu diễn thành: 3 2 1 0 -1 -2 (1010.11)2 = 1*2 + 0*2 + 1*2 + 0*2 + 1*2 + 1*2 = (10.75)10. Chú ý: dùng dấu ngoặc đơn và chỉ số dưới để ký hiệu cơ số của hệ đếm. I.2. Biến đổi từ nhị phân sang thập phân Ví dụ : Biến đổi số nhị phân (11001)2 thành số thập phân: Trọng số vị trí: 24 23 22 21 20 Giá trị vị trí: 16 8 4 2 1 Số nhị phân: 1 1 0 0 1 4 3 2 1 0 Số thập phân: 1*2 + 1*2 + 0*2 + 0*2 + 1*2 = (25)10 I.3. Biến đổi thập phân thành nhị phân Photocopyable 4
7. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Để thực hiện việc đổi từ thập phân sang nhị phân, ta áp dụng phương pháp chia lặp như sau: lấy số thập phân chia cho cơ số để thu được một thương số và số dư. Số dư được ghi lại để làm một thành tố của số nhị phân. Sau đó, số thương lại được chia cho cơ số một lần nữa để có thương số thứ 2 và số dư thứ 2. Số dư thứ hai là con số nhị phân thứ hai. Quá trình tiếp diễn cho đến khi số thương bằng 0. Ví dụ 1: Biến đổi số thập phân (29)10 thành nhị phân: 29/2 = 14 + 1(LSB) 14/2 = 7 + 0 7/2 = 3 + 1 3/2 = 1 + 1 1/2 = 0 + 1(MSB) Vậy (29)10 = (1101)2 . Đối với phần lẻ của các số thập phân, số lẻ được nhân với cơ số và số nhớ được ghi lại làm một số nhị phân. Trong quá trình biến đổi, số nhớ đầu chính là bit MSB và số nhớ cuối là bit LSB. Ví dụ 2: Biến đổi số thập phân (0.625)10 thành nhị phân: 0.625*2 = 1.250. Số nhớ là 1, là bit MSB. 0.250*2 = 0.500. Số nhớ là 0 0.500*2 = 1.000. Số nhớ là 1, là bit LSB. Vậy : (0.625)10 = (0.101)2. II. Hệ thập lục phân (Hexadecima). II.1. Khái niệm: Các hệ máy tính hiện đại thường dùng một hệ đếm khác là hệ thập lục phân. Hệ thập lục phân là hệ đếm dựa vào vị trí với cơ số là 16. Hệ này dùng các con số từ 0 đến 9 và các ký tự từ A đến F như trong bảng sau: Bảng 2.1 Hệ thập lục phân: Thập lục phân Thập phân Nhị phân 0 0 0000 1 1 0001 2 2 0010 3 3 0011 4 4 0100 5 5 0101 6 6 0110 7 7 0111 8 8 1000 9 9 1001 Photocopyable 5
8. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa A 10 1010 B 11 1011 C 12 1100 D 13 1101 E 14 1110 F 15 1111 II.2.Biến đổi thập lục phân thành thập phân. Các số thập lục phân có thể được biến đổi thành thập phân bằng cách tính tổng của các con số nhân với giá trị vị trí của nó. Ví dụ : Biến đổi các số a.(5B)16. b. (2AF)16 thành thập phân. a. Số thập lục phân: 5 B Trọng số vị trí: 161 160 Giá trị vị trí : 16 1 Số thập phân: 5*16 + B*1 = (91)10. b. Số thập lục phân: 2 A F Trọng số vị trí: 162 161 160 Giá trị vị trí : 256 16 1 Số thập phân: 2*256 + A*16 + F*1 = (687)10. II.3.Biến đổi thập phân thành thập lục phân. Để biến đổi các số thập phân thành thập lục phân, ta sử dụng phương pháp chia lặp, với cơ số 16. Ví dụ : Biến đổi (1776)10 thành thập lục phân. 1776/16 = 111 + 0 (LSB). 111/16 = 6 + 15 hoặc F. 6/16 = 0 + 6 (MSB). Số thập lục phân: (6F0)16. II.4. Biến đổi thập lục phân thành nhị phân. Các số thập lục phân rất dễ đổi thành nhị phân. Thực ra các số thập lục phân cũng chỉ là một cách biểu diễn các số nhị phân thuận lợi hơn mà thôi (bảng 2-1). Để đổi các số thập lục phân thành nhị phân, chỉ cần thay thế một cách đơn giản từng con số thập lục phân bằng bốn bit nhị phân tương đương của nó. Ví dụ: Đổi số thập lục (DF6)16 thành nhị phân: D F 6 1101 1111 0110 Photocopyable 6
9. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa (DF6)16 = (110111110110)2. II.5. Biến đổi nhị phân thành thập lục phân. Để biến đổi một số nhị phân thành số thập lục phân tương đương thì chỉ cần gộp lại thành từng nhóm gồm 4 bit nhị phân, bắt đầu từ dấu chấm nhị phân. Ví dụ: Biến đổi số nhị phân (1111101000010000)2 thành thập lục phân. 1111 1010 0001 0000 F A 1 0 Số thập lục phân: (FA10)16. III. Hệ BCD (Binary Code decimal). Giữa hệ thập phân và hệ nhị phân còn tồn tại một hệ lai: hệ BCD cho các số hệ thập phân mã hoá bằng hệ nhị phân, rất thích hợp cho các thiết bị đo có thêm phần hiển thị số ở đầu ra dùng các loại đèn hiện số khác nhau. ở đây dùng bốn số hệ nhị phân (bốn bit) để mã hoá một số hệ thập phân có giá trị nằm trong khoảng từ 0 9. Như vậy ở đây ta không dùng hết các tổ hợp có thể có của 4 bit; vì tầm quan trọng của các số BCD nên các bộ vi xử lý thường có các lệnh thao tác với chúng. Ví dụ: (35)10 = (00110101)2. IV. Bảng mã ASCII.(American Standard Code for Information Interchange). Người ta đã xây dựng bộ mã để biểu diễn cho các ký tự cũng như các con số Và các ký hiệu đặc biệt khác. Các mã đó gọi là bộ mã ký tự và số. Bảng mã ASCII là mã 7 bit được dùng phổ biến trong các hệ máy tính hiện nay. Với mã 7 bit nên có 27 = 128 tổ hợp mã. Mỗi ký tự (chữ hoa và chữ thường) cũng như các con số thập phân từ 0 9 và các ký hiệu đặc biệt khác đều được biểu diễn bằng một mã số như bảng 2-2. Việc biến đổi thành ASCII và các mã ký tự số khác, tốt nhất là sử dụng mã tương đương trong bảng. Ví dụ: Đổi các ký tự BILL thành mã ASCII: Ký tự B I L L ASCII 1000010 1001001 1001100 1001100 HEXA 42 49 4C 4C Bảng 2-2: Mã ASCII. Column bits(B7B6B5) Bits(row) 000 001 010 011 100 101 110 111 R B4 B3 B2 B1 0 1 2 3 4 5 6 7 Photocopyable 7
10. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa O W 0 0 0 0 0 NUL DLE SP 0 @ P \ p 1 0 0 0 1 SOH DC1 ! 1 A Q a q 2 0 0 1 0 STX DC2 “ 2 B R b r 3 0 0 1 1 ETX DC3 # 3 C S c s 4 0 1 0 0 EOT DC4 $ 4 D T d t 5 0 1 0 1 ENQ NAK % 5 E U e u 6 0 1 1 0 ACK SYN & 6 F V f v 7 0 1 1 1 BEL ETB ‘ 7 G W g w 8 1 0 0 0 BS CAN ( 8 H X h x 9 1 0 0 1 HT EM ) 9 I Y i y A 1 0 1 0 LF SUB * : J Z j z B 1 0 1 1 VT ESC + ; K [ k { C 1 1 0 0 FF FS - N ^ n ~ F 1 1 1 1 SI US / ? O _ o DEL Control characters: NUL = Null; DLE = Data link escape; SOH = Start Of Heading; DC1 = Device control 1; DC2 = Device control 2; DC3 = Device control 3. DC4 = Device control 4; STX = Start of text; ETX = End of text; EOT = End of transmission; ENQ = Enquiry; NAK = Negative acknowlege. ACK = Acknowlege; SYN = Synidle; BEL = Bell. ETB = End od transmission block; BS = Backspace; CAN = Cancel. HT = Horizontal tab; EM = End of medium; LF = Line feed; SUB = Substitute. VT = Vertical tab; ESC = Escape; FF = From feed; FS = File separator. SO = Shift out; RS = Record separator; SI = Shift in; US = Unit separator. V. Biểu diễn giá trị số trong máy tính. V.I. Biểu diễn số nguyên. a. Biểu diễn số nguyên không dấu: Tất cả các số cũng như các mã trong máy vi tính đều được biểu diễn bằng các chữ số nhị phân. Để biểu diễn các số nguyên không dấu, người ta dùng n bit. Tương ứng với độ dài của số bit được sử dụng, ta có các khoảng giá trị xác định như sau: Số bit Khoảng giá trị n bit: 0 2n - 1 8 bit 0 255 Byte 16 bit 0 65535 Word b. Biểu diễn số nguyên có dấu: Người ta sử dụng bit cao nhất biểu diễn dấu; bit dấu có giá trị 0 tương ứng với số nguyên dương, bit dấu có giá trị 1 biểu diễn số âm. Như vậy khoảng giá trị số được biểu diễn sẽ được tính như sau: Số bit Khoảng giá trị: Photocopyable 8
11. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa n bit 2n-1-1 8 bit -128 127 Short integer 16 bit -32768 32767 Integer 32 bit -231 231-1 (-2147483648 2147483647) Long integer V.2. Biểu diễn số thực(số có dấu chấm (phẩy) động). Có hai cách biểu diễn số thực trong một hệ nhị phân: số có dấu chấm cố định (fĩed point number) và số có dấu chấm động (floating point number). Cách thứ nhất được dùng trong những bộ VXL(micro processor) hay những bộ vi điều khiển (micro controller) cũ. Cách thứ 2 hay được dùng hiện nay có độ chính xác cao. Đối với cách biểu diễn số thực dấu chấm động có khả năng hiệu chỉnh theo giá trị của số thực. Cách biểu diễn chung cho mọi hệ đếm như sau: R = m.Be. Trong đó m là phần định trị, trong hệ thập phân giá trị tuyệt đối của nó phải luôn nhỏ hơn 1. Số e là phần mũ và B là cơ số của hệ đếm. Có hai chuẩn định dạng dấu chấm động quan trọng là: chuẩn MSBIN của Microsoft và chuẩn IEEE. Cả hai chuẩn này đều dùng hệ đếm nhị phân. Thường dùng là theo tiêu chuẩn biểu diễn số thực của IEEE 754- 1985(Institute of Electric & Electronic Engineers), là chuẩn được mọi hãng chấp nhận và được dùng trong bộ xử lý toán học của Intel. Bit dấu nằm tại 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 IEEE được tính như sau: S -1 -n E 7 E 0 -127 R = (-1) *(1+M1*2 + +Mn*2 )*2 . Chú ý: giá trị đầu tiên M0 luôn mặc định là 1. - Dùng 32 bit để biểu diễn số thực, được số thực ngắn: -3,4.1038 < R < 3,4.1038 31 30 23 22 0 S E7 - E0 |Định trị (M1 - M23) - Dùng 64 bit để biểu diễn số thực, được số thực dài: -1,7.10308 < R < 1,7.10308 63 62 52 51 0 S E10 - E0 Định trị (M1 - M52) Photocopyable 9
12. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Ví dụ tính số thực: 0100 0010 1000 1100 1110 1001 1111 1100 Phần định trị: 2-4+2-5+2-8+2-9+2-10+2-12+2-15+ +2-16+2-17+2-18+2-19+2-20+2-21 = 0,1008906. Giá trị ngầm định là: 1,1008906. Phần mũ: 28+22+20 =133 Giá trị thực (bit cao nhất là bit dấu): 133-128=6. Dấu: 0 = số dương Giá trị số thực là: R = 1,1008906.26 = 70,457. Phương pháp đổi số thực sang số dấu phẩy động 32 bit: - Đổi số thập phân thành số nhị phân. - Biểu diễn số nhị phân dưới dạng 1, xxxBy (B: cơ số 2). - Bit cao nhất 31: lấy giá trị 0 với số dương, 1 với số âm. - Phần mũ y đổi sang mã excess -127 của y, được xác định bằng cách: y + (7F)16. - Phần xxx là phần định trị, được đưa vào từ bit 22 0. Ví dụ: Biểu diễn số thực (9,75)10 dưới dạng dấu phẩy động. Ta đổi sang dạng nhị phân: (9,75)10 = (1001.11)2 = 1,00111B3. Bit dấu: bit 31 = 0. Mã excess - 127 của 3 là: 7F + 3 = (82)16 = 82H = (10000010)2. Được đưa vào các bit tiếp theo: từ bit 30 đến bit 23. Bit 22 luôn mặc định là 0. Cuối cùng số thực (9,75)10 được biểu diễn dướiư dạng dấu phẩy động 32 bit như sau: 0100 0001 0001 1100 0000 0000 0000 0000 bit |31|30 23|22 0| Chương III. Các khối cơ bản của máy tính I. Giới thiệu sơ lược cấu trúc của máy vi tính. So với từ khi ra đời, cấu trúc cơ sở của các máy vi tính ngày nay không thay đổi mấy. Mọi máy tính số đều có thể coi như được hình thành từ sáu phần chính (như hình 3-1): Photocopyable 10
13. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Hình 3-1: Giới thiệu sơ đồ khối tổng quát của máy tính số Data Bus Control Bus Thiết bị vào Bộ xử lý Bộ nhớ Bộ nhớ Phối ghép (Input Unit) trung trong ngoài vào/ra tâm (Memory) (Mass store (I/O) (CPU) ROM-RAM Unit) Thiết bị ra (Output Unit) Adrress Bus Trong sơ đồ này, các khối chức năng chính của máy tính số gồm: - Khối xử lý trung tâm (central processing unit, CPU), - Bộ nhớ trong (memory), như RAM, ROM - Bộ nhớ ngoài, như các loại ổ đĩa, băng từ - Khối phối ghép với các thiết bị ngoại vi (vào/ra) - Các bộ phận đầu vào, như bàn phím, chuột, máy quét . - Các bộ phận đầu ra, như màn hình, máy in . Bốn khối chức năng đầu liên hệ với nhau thông qua tập các đường dây để truyền tín hiệu, gọi chung là bus hệ thống. Bus hệ thống bao gồm 3 bus thành phần; ứng với các tín hiệu xác lập địa chỉ từ CPU đến các đơn vị thành phần ta có bus địa chỉ; với các dữ liệu được liên hệ giữa các khối qua bus dữ liệu (data bus); các tín hiệu điều khiển bao gồm các lệnh, các đáp ứng, các trạng thái của các khối được xác lập qua bus điều khiển. Sự khác biệt quan trọng nhất của các hệ máy tính là kích thước và tốc độ, các máy tính nhỏ hơn và nhanh, mạnh hơn theo từng năm. Sự phát triển không ngừng của các thế hệ máy tính nhờ vào hai yếu tố quan trọng, đó là sự phát triển của công nghệ chế tạo IC và công nghệ chế tạo bộ nhớ. II. Bộ nhớ trong. II.1. Cơ sở về bộ nhớ. Các bộ nhớ có thể chia làm hai loại tổng quát, ROM và RAM. ROM là Read-only Memory(bộ nhớ chỉ đọc) và RAM là Random-access Memory (bộ Photocopyable 11
14. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa nhớ truy xuất ngẫu nhiên). Nói chung ROM chứa các dữ liệu một cách cố định và không thể thay đổi. Còn RAM có thể đọc ra và có thể ghi vào. Khái niệm truy xuất ngẫu nhiên có nghĩa là bất kỳ một vị trí nhớ nào cũng có thể được mở ra hoặc được gọi ra ở bất kỳ lúc nào, các thông tin không cần phải đọc ra hay ghi vào một cách tuần tự. Về thực chất, cả RAM và ROM đều là truy xuất ngẫu nhiên. Chỉ có điều khác nhau cơ bản là ROM chỉ cho phép đọc mà không thể ghi vào nó, còn RAM là bộ nhớ có thể đọc và ghi, vì thế RAM được gọi là bộ nhớ đọc/ghi. Cấu trúc bộ nhớ Hình 2-2 trình bày sơ đồ khối của một mạch nhớ. Mạch nhớ được nối với các bộ phận khác trong máy tính thông qua các đường đây địa chỉ và các đường dây dữ liệu của nó. Kiểm soát mạch nhớ bằng đường dây cho phép (enable), riêng đối với RAM còn có thêm đường dây kiểm soát đọc/ghi (Read/write). Các mạch nhớ nói chung được tổ chức dưới dạng ma trận, gồm những hàng và những cột để xác định vị trí hay địa chỉ nhớ. Mỗi ô trong ma trận gọi là một phần tử (cell) hay vị trí nhớ (memory location). Vị trí hay phần tử nhớ được dò tìm bằng cách chọn địa chỉ nhờ mạch giải mã địa chỉ. Mạch này gồm hai phần: mạch chọn địa chỉ hàng RAS (row-address selector) và mạch chọn địa chỉ cột CAS (Column-address selector). Các đường dây địa chỉ sẽ chọn địa chỉ hàng và cột. Đường dây enable dùng để mở các mạch điện lối ra bộ nhớ theo ba trạng thái. Còn đường dây Read/write quyết định dạng thao tác sẽ thực hiện. Bộ nhớ hoặc là có tổ chức bit hoặc là loại có tổ chức lời (word organized). Bộ nhớ tổ chức bit có thể lưu giữ một bit đơn trong mỗi vị trí địa chỉ. Bộ nhớ tổ chức lời sẽ được lựa chọn cả một nhóm phần tử nhớ cùng một lúc với mỗi vị trí địa chỉ. Mỗi nhốm phần tử nhớ thường là một byte (8 bit), hoặc một lời (16 bit). Số đường dây địa chỉ của mạch nhớ sẽ quyết định số vị trí nhớ cực đại tính theo công thức sau: Số vị trí nhớ cực đại = 2N. trong đó, N là số lượng các đường địa chỉ. Photocopyable 12
15. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Addre Data s Memory lines lines (n) (m) device Read/write Device(chip) enable enable (RAM only) a. Mạch nhớ cơ bản (basic memory device) Column address selector(CAS) Memory Read/write enable address lines from Row system addres Memory Data Data s Buffers lines selecto matrix r Device enable b. Sơ đồ khối (Block diagram) Hình 2-2 Mạch nhớ. II.2. ROM-BIOS. Bất cứ hệ máy tính nào cũng có một vi mạch ROM. vi mạch này chứa chương trình của hệ điều hành vào ra cơ sở BIOS (basic input/output system). Những chương trình này cần thiết để khởi động máy và cài đặt chế độ làm việc cơ sở cho các thiết bị ngoại vi. Nói chung, có thể chia ROM thành bốn loại. ROM mặt nạ (maskable ROM) là loại ROM do nhà sản xuất đã nạp sẵn dữ liệu, khi đó dữ liệu không thể thay đổi được nữa. ROM có thể nạp chương trình (PROM - programable ROM) là loại mạch mà người dùng có thể nạp dữ liệu vào thông qua thiết bị “đốt“ PROM. Khi đã nạp thì các dữ liệu trong PROM cũng không thể thay đổi. PROM có thể xoá, còn gọi là EPROM (erasable PROM) là loại ROM mà người dùng có thể nạp dữ liệu vào và các dữ liệu đó có thể xoá hoặc thay đổi Photocopyable 13
16. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa bằng một thiết bị đặc biệt. EPROM có thể xoá bằng điện (electric EPROM) là loại ROM có thể nạp và xoá dữ liệu bằng điện được mà không phải sử dụng tia cực tms như với EPROM. Trong các máy tính hiện đại, người ta thường sử dụng Flash BIOS dùng EEPROM. Như vậy nội dung BIOS của máy tính có thể được thay đổi để tương thích với những mở rộng và nâng cấp hệ thống, mà điều này là không thể thực hiện đối với những máy tính thế hệ cũ sử dụng BIOS dùng PROM hoặc EPROM. BIOS gồm nhiều chương trình và hàm. Phần đầu của chương trình BIOS kiểm tra hệ thống máy tính, quá trình này gọi là POST. Nếu hệ thống sử dụng các Card (thẻ cắm) Plug and Play thì giai đoạn này chính là lúc máy tính truy nhập tham số của thẻ. BIOS nào cũng có chương trình Setup BIOS để người dùng tự chỉnh tham số các thiết bị ngoại vi. II.3. RAM. Có thể chia RAM thành hai hoại, RAM tĩnh (SRAM), có khả năng lưu giữ số liệu mãi mãi nếu như không mất nguồn nuôi. Và RAM động (DRAM), là loại RAM phải được làm tươi (refresh) tức là phải nạp lại dữ liệu đang được lưu trữ theo từng chu kỳ. Làm tươi bằng cách thực hiện thao tác đọc hoặc ghi nhắc lại. Cũng có thể làm tươi bằng những thao tác đặc biệt khác. Loại DRAM có mật độ phần tử nhớ cao nên giá thành khá rẻ so với SRAM. Các mạch nhớ DRAM được dùng phổ biến trong các thế hệ máy tính hiện nay. Để tiết kiệm số đường địa chỉ và giảm số chân trên IC, hầu hết các loại DRAM đều dùng phương pháp địa chỉ multiplex. Trong quá trình đọc hay ghi các đường địa chỉ đầu tiên chứa các thông tin về hàng rồi tiếp sau mang thông tin về cột. Để kiểm soát thao tác này, người ta dùng đường dây RAS và CAS như trên hình 2-3. Khi RAS thấp thì thông tin trên các đường địa chỉ sẽ được mở thông qua mạch chốt địa chỉ hàng (row-address latch). Khi CAS thấp thì thông tin trên các đường địa chỉ sẽ được mở thông qua mạch chốt địa chỉ cột (column-address latch). Việc làm tươi bằng dữ liệu đọc, dữ liệu ghi hoặc bằng các thao tác riêng. Mạch điều khiển làm tươi phải chọn tuần tự từng hàng các phần tử nhớ, cứ mỗi hàng một lần, cho đến khi tất cả các hàng đều được làm tươi. Đó là phương pháp làm tươi từng đợt. Trong quá trình đó không được đọc hay ghi dữ liệu vào bộ nhớ cho đến khi kết thúc quá trình. Một cách khác là làm tươi từng hàng trong các chu kỳ rời rạc và gọi là làm tươi theo chu kỳ đơn. Row Column Address lines A0 to A6 A7 to A13 Row address Photocopyable 14
17. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa RAS valid Column address CAS valid CS Chip selected Address latching timing RAS A0/A7 A /A 1 1 8 Row Row DRAM A2/A9 A /A addres decorder memory 3 10 s array A4/A11 A /A Latch 128x128 5 12 A6/A13 128 1 128 CS Buffers sense WR amps and Din refresh D out A 7 1 128 Column address Column latch Decorder A13 CAS Hình 2-3. Sơ đồ khối DRAM 16.384 bits(16Kb). III. Bộ xử lý trung tâm CPU. Bộ xử lý trung tâm CPU là cốt lõi của một máy vi tính. CPU thực hiện mọi tính toán và xử lý của hệ thống ngoại trừ xử lý tăng cường tính toán đặc biệt trong những hệ thống có một chip đơn vị đồng xử lý toán, mà chip này cũng đã được tích hợp ngay trong các CPU hiện nay. Tất cả những máy tính IBM và tương thích IBM sử dụng những bộ xử lý họ Intel hoặc tương thích với Photocopyable 15
18. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa bộ xử lý họ Intel, dù chính những bộ xử lý có thể đã được nhiều công ty khác nhau thiết kế và sản xuất, gồm AMD, IBM, Cyric . Một trong những bộ xử lý điển hình thuộc họ 80x86 của Intel là bộ xử lý 8088. Đây là bộ vi xử lý khá đơn giản và vì vậy việc tìm hiểu nó là tương đối dễ đối với những người bắt đầu thâm nhập vào lĩnh vực vi xử lý, mặt khác việc nắm vững các vấn đề kỹ thuật của bộ vi xử lý 8088 sẽ là cơ sở để nắm bắt được các kỹ thuật của các bộ xử lý khác trong họ 80x86 của Intel, của các họ khác và của các bộ xử lý hiện đại ngày nay. III.1. Giới thiệu cấu trúc bên trong của bộ vi xử lý 8088. Trên hình 3-1 là sơ đồ khối cấu trúc bên trong của bộ vi xử lý 8088. Photocopyable 16
19. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa III.3. Đơn vị giao diện bus (BIU). Theo sơ đồ khối trên hình 3-1 ta thấy bên trong CPU 8088 có hai khối chính: khối phối ghép bus (bus interface unit, BIU) và khối thực hiện lệnh (execution unit, EU). Việc chia CPU thành hai phần đồng thời có liên hệ với nhau qua đệm lệnh làm tăng đáng kể tốc độ xử lý của CPU. Các bus bên trong CPU có nhiệm vụ chuyển tải tín hiệu của các khối khác. Trong số các bus có bus dữ liệu 16 bit của ALU, bus các tín hiệu điều khiển ở EU và bus trong của hệ thống ở BIU. Trước khi đi ra bus ngoài hoặc đi vào bus trong của bộ vi xử lý, các tín hiệu truyền trên bus thường được cho đi qua các bộ đệm để nâng cao tính tương thích cho nối ghép hoặc nâng cao khả năng phối ghép. BIU bao gồm các thanh ghi đoạn (segment registers: CS, DS, SS, ES), con trỏ lệnh IP (instruction pointer) và bộ điều khiển logic bus (bus control logic, BCL). Đơn vị giao diện BIU còn có bộ nhớ đệm cho mã lệnh. Bộ nhớ này có chiều dài 4 byte (trong 8088) và 6 byte (trong 8086). Bộ nhớ đệm mã lệnh được nối với khối điều khển CB (control block) của đơn vị thực hiện lệnh EU. Bộ nhớ này lưu trữ tạm thời mã lệnh trong một dãy gọi là hàng đợi lệnh. Hàng đợi lệnh cho phép bộ vi xử lý có khả năng xử lý xen kẽ liên tục dòng mã lệnh (pipelining). Hoạt động của bộ CPU được chia làm ba giai đoạn: đọc mã lệnh (operation code fetching), giải mã lệnh (decording) và thực hiện lệnh (execution). BIU đưa ra địa chỉ, đọc mã lệnh từ bộ nhớ, đọc/ghi dữ liệu từ các cổng vào hoặc bộ nhớ. Nói cách khác BIU chịu trách nhiệm đưa địa chỉ ra bus và trao đổi dữ liệu với bus. Photocopyable 17
20. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa III.3. Đơn vị thực hiện lệnh (EU). Trong EU có khối điều khiển (control unit, CU). Chính tại bên trong khối điều khiển này có mạch giải mã lệnh. Mã lệnh đọc vào từ bộ nhớ được đưa đến đầu vào của bộ giải mã, các thông tin thu được từ đầu ra của nó sẽ được đưa đến mạch tạo xung điều khiển, kết quả thu được là các dãy xung khác nhau tuỳ theo mã lệnh, để điều khiển hoạt động của các bộ phận bên trong và bên ngoài CPU. Trong EU có khối số học và lôgic (arithmatic and logic unit, ALU) chuyên thực hiện các phép tính số học và logic mã toán tử của nó nằm trong các thanh ghi đa năng. Kết quả thường được đặt về thanh ghi AX. Ngoài ra trong EU còn có các thanh ghi đa năng (registers: AX, BX, CX, DX, SP, BP, SI, DI), thanh ghi cờ FR (flag register) mà công dụng của chúng sẽ đựoc đề cập đến trong phần sau. Tóm lại, khi CPU hoạt động EU sẽ cung cấp thông tin về địa chỉ cho BIU để khối này đọc lệnh và dữ liệu, còn bản thân nó thì giải mã và thực hiện lệnh. III.4. Các thanh ghi. Các thanh ghi đa năng (general registers) Có nhiệm vụ ghi tham số cho mã lệnh, đây cũng là nơi lệnh trả kết quả về sau khi được thực hiện. Những thanh ghi đa năng của vi xử lý 16 bit là: - AX (accumulator) rộng 16 bit, được chia làm hai phần: 1 byte cao AH và 1 byte thấp AL. Đây là thanh ghi quan trọng nhất và chuyên được dùng để chứa kết quả các thao tác lệnh. Cả ba cách viết AX, AH, AL đều có thể sử dụng như nững thanh ghi riêng biệt. - BX (base) thanh ghi cơ sở, rộng 16 bit, cũng được chia ra làm BH và BL. Đây là thanh ghi thường dùng chứa địa chỉ cơ sở của một bảng dùng trong lệnh XLAT, Cả ba cách viết BX, BH, BL đều có thể sử dụng như những thanh ghi riêng biệt. - CX (count) bộ đếm, rộng 16 bit. Được chia ra làm CH và CL. Thanh ghi CX được ùng để chứ số lần lặp trong trường hợp các lệnh LOOP. Thanh ghi thấp CL được dùng để chứa (nhớ) số lần quay hoặc dịch của các lệnh quay (rotate) và dịch (shift). - DX (data) thanh ghi dữ liệu, rộng 16 bit. Thanh ghi này cùng thanh ghi AX tham gia vào các thao tác của phếp nhân hoặc chia các số 16 bit. DX còn dùng để chứa địa chỉ 16 bit của các cổng cứng (dài hơn 8 bit) trong các lệnh truy nhập các cổng ngoại vi (I/O port). Các thanh ghi đoạn (segment registers) dùng để ghi địa chỉ một đoạn bộ nhớ. Vi mạch 8088/8086 có 20 đường dây trên bus địa chỉ. Do các thanh ghi Photocopyable 18
21. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa con trỏ cà thanh ghi chỉ số chỉ rộng 16 bit nên không thể định địa chỉ cho toàn bộ nhớ vật lý của máy tính là (220 = 1.048.576 = 1Mbyte). Vì vậy trong chế độ thực (real mode) bộ nhớ được chia làm nhiều đoạn để một thanh ghi con trỏ 16 bit có thể quản lý được. Các thanh ghi đoạn 16 bit sẽ chỉ ra địa chỉ đầu của 4 đoạn trong bộ nhớ, dung lượng lớn nhất của mỗi đoạn nhớ sẽ dài 216 = 64 Kbyte và tại một thời điểm nhất định bộ vi xử lý chỉ làm việc được với 4 đoạn nhớ 64Kbyte này. Việc thay đổi giá trị của các thanh ghi đoạn làm cho các đoạn có thể dịch chuyển linh hoạt trong không gian 1 Mbyte, vì vậy các đoạn có thể nằm cách nhau khi thông tin cần lưu trong chúng đòi hỏi dung lượng đủ 64 Kbyte hoặc cũng có thể nắm trùm nhau do có những đoạn không dùng hết độ dài 64 Kbyte và vì thế các đoạn khác có thể bắt đầu nối tiếp ngay sau đó. Địa chỉ của ô nhớ nầm ở đầu đoạn được ghi trong một thanh ghi đoạn 16 bit, địa chỉ này gọi là địa chỉ cơ sở. Mười sáu bit này tương ứng với các đường dây địa chỉ từ A4 đến A20. Như vậy giá trị vật lý của địa chỉ đoạn là giá trị trong thanh ghi đoạn dịch sang trái 4 vị trí. Điều này tương đương với phép nhân với 24 = 16. Địa chỉ của các ô nhớ khác nằm trong đoạn tính được bằng cách cộng thêm vào địa chỉ cơ sở một giá trị gọi là địa chỉ lệch hay độ lệch (offset), gọi như thế vì nó ứng với khoảng lệch của toạ độ một ô nhớ cụ thể nào đó so với ô đầu đoạn. Độ lệch này được xác định bởi các thanh ghi 16 bit khác đóng vai trò thanh ghi lệch (offset register). Nguyên tắc này dẫn đến công thức tính địa chỉ vật lý (physical address) từ địa chỉ đoạn (segment) trong thanh ghi đoạn và địa chỉ lệch (offset) trong thanh ghi con trỏ như sau: Địa chỉ vật lý = Thanh ghi đoạn x 16 + Thanh ghi lệch Việc dùng hai thanh ghi để nhớ thông tin về địa chỉ thực chất tạo ra một loại địa chỉ gọi là địa chỉ logic và được ký hiệu như sau: Thanh ghi đoạn : Thanh ghi lệch hay segment:offset. Địa chỉ kiểu segment : offset là logic vì nó tồn tại dưới dạng giá trị của các thanh ghi cụ thể bên trong CPU và khi cần thiết truy nhập ô nhớ nào đó thì nó phải đổi ra địa chỉ vật lý để rồi đưa lên bus địa chỉ. Việc chuyển đổi này do một bộ tạo địa chỉ thực hiện (phần tử  trên hình 3-1). Vi xử lý 16 bit có 4 thanh ghi đoạn như sau: - CS (code segment) là thanh ghi đoạn mã 16 bit. thanh ghi này phối hợp với con trỏ lệnh IP để ghi địa chỉ mã lệnh trong bộ nhớ. Địa chỉ đầy đủ là CS:IP. - DS (data segment) là thanh ghi đoạn 16 bit cho một đoạn dữ liệu. Thanh ghi này phối hợp với hai thanh ghi chỉ số SI và DI để đánh địa chỉ cho dữ liệu. Địa chỉ đầy đủ cho dữ liệu cần đọc vào là DS:SI, cho dữ liệu cần ghi ra là DS:DI. - SS (stack segment) là thanh ghi đoạn 16 bit cho một ngăn xếp. Địa chỉ đỉnh của ngăn xếp được biểu diễn cùng với con trỏ ngăn xếp SP là SS:SP. Photocopyable 19
22. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa - ES (extra segment) là thanh ghi dữ liệu phụ có chiều dài 16 bit. Thường đuợc dùng để đánh địa chỉ một chuỗi. ES:DI là địa chỉ chuỗi cần viết đến (chuỗi đích) và DS:SI là địa chỉ chỗi đọc vào (chuỗi nguồn). Các thanh ghi con trỏ và chỉ số có thể được dùng như một thanh ghi đa năng 16 bit. Vi mạch 8088 có tất cả ba thanh ghi con trỏ là (IP, BP, SP) và hai thanh ghi chỉ số (SI, DI). Nhiệm vụ của từng thanh ghi như sau: - IP (instruction pointer) là con trỏ chỉ tới lệnh máy tiếp theo. Lệnh này nằm trong bô nhớ mà địa chỉ đoạn được ghi trong CS. Như vậy địa chỉ của mã k=lệnh này là CS:IP. - BP (base pointer) là con trỏ cơ sở trỏ về dữ liệu bộ nhớ mà địa chỉ đoạn được ghi trong SS. Địa chỉ đầy đủ sẽ là SS:BP. - SP (stack pointer) là con trỏ ngăn xếp luôn trỏ vào đỉnh ngăn xếp mà địa chỉ đoạn được ghi trong SS. Địa chỉ đầy đủ của dữ liệu là DS:SP. - SI (source index) là chỉ số nguồn, trỏ vào dữ liệu mà địa chỉ đoạn được ghi trong DS. Địa chỉ đầy đủ của dữ liệu là DS:SI. - DI (destination index) là chỉ số đích, cũng trỏ vào đoạn dữ liệu mà địa chỉ đoạn ghi trong DS. Địa chỉ đầy đủ của đoạn dữ liệu là DS:SI. Thanh ghi cờ FR (flag register) đây là thanh ghi khá đặc biệt trong CPU, dùng để ghi trạng thái kết quả các phép xử lý trong đơn vị số học và logic ALU hoặc một trạng thái hoạt đọnh của EU. Dựa vào các cờ này người lập trình có thể có các lệnh thích hợp tiếp theo cho bộ vi xử lý (các leẹnh nhảy có điều kiện). Thanh ghi này là một thanh ghi 16 bit trong 8088/8086. Nhưng chỉ có 9 bit trong thanh ghi được định nghĩa và sử dụng, đó là: x x x x O D I T S Z x A x P x C x: bit không được định nghĩa. Hình 3-2. Sơ đồ thanh ghi cờ của bộ vi xử lý 8086/8088. - Bit 0: CF (carry flag) cờ nhớ, CF=1 khi có nhớ hoặc mượn từ MSB. - Bit 2: PF (parity flag) cờ parity, PF phản ảnh tính chẵn (parity) của tổng số bit 1 có trong kết quả. Cở PF =1 khi tổng số bit 1 trong kết quả là chẵn (even parity, parity chẵn). - Bit 4: AF (auxliary carry flag) cờ nhớ phụ dùng cho các phép tính với mã BCD. AF = 1 khi có nhớ hoặc mượn từ một số BCD thấp (4 bit thấp) sang một số BCD cao (4 bit cao). - Bit 6: ZF (zero flag) cờ rỗng, ZF = 1 khi kết quả bằng 0. - Bit 7: SF (sing flag) cờ dấu, SF = 1 khi kết quả âm. - Bit 8: TF (trap flag) cờ bẫy, TF = 1 khi vi xử lý ở trong chế độ chạy từng lệnh (chế độ này dùng khi cần tìm lỗi trong một chương trình). Photocopyable 20
23. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa - Bit 9: IF (interrupt enable flag) cờ cho phép ngắt, IF = 1 cho phép các yêu cầu ngắt che được (maskable interrupt) được tác động. - Bit A: DF (direction flag) cờ hướng. DF = 1 khi CPU làm việc với chuỗi ký tự theo thứ tự từ phải sang trái (lùi). - Bit B: OF (overflow) cờ tràn, OF =1 khi kết quả vượt ra ngoài giới hạn, xảy ra đối với phép tính có dấu. Chương IV . Lệnh và chế độ địa chỉ I. Cấu trúc mã lệnh Quy trình thực hiện một lệnh trong bộ vi xử lý được chia làm ba giai đoạn: Lấy lệnh (feeching), giải mã lệnh (decording) và xử lý lệnh (excution). Những bộ VXL cổ điển 8 bit tiến hành ba giai đoạn trên một cách tuần tự. Từ các bộ VXL 16 bit trở đi, bộ VXL dùng pipeline (xen kẽ dòng lệnh) để tiết kiệm thời gian xử lý. Mã lệnh dành cho VXL được viết dưới dạng mã nhị phân. Để con người có thể lập trình và hiểu được VXL, người ta dùng hợp ngữ (assembly language) để miêu tả các lệnh máy bằng tổ hợp các ký tự gợi nhớ (mnemonic). Một lệnh mô tả bằng mã nhị phân có thể dài từ 1 đến 6 byte. Cấu trúc chung của một mã lệnh bao gồm: - Prefix đi trước mã lệnh. - Mã toán (operation code) phân biệt đó là lệnh gì, ví dụ với lệnh dịch chuyển MOV có mã toán là 100010. - Toán hạng (operand) cho biết cái gì được xử lý (nội dung của thanh ghi hay bộ nhớ). - Địa chỉ trực tiếp (2 byte). Photocopyable 21
24. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Nội dung của mã lệnh được quy định khá chặt chẽ. hình 4-1 dưới đây cho thấy cấu trúc nhị phân của một lệnh dịch chuyển MOV đích, nguồn dùng để chuyền dữ liệu giữa 2 thanh ghi hoặc giữa ô nhớ và thanh ghi. 1 0 0 0 1 0 Địa chỉ Địa chỉ Mã lệnh D W MOD REG M/R phần thấp phần cao Byte 1 Byte 2 Byte 3 Byte 4 Hình 4-1: Cấu trúc mã lệnh - Bit D (direction) chỉ hướng cho thanh ghi REG. D=1 chỉ dữ liệu đi đến REG; D=0 thì chỉ dữ liệu đi từ REG. - Bit W (Word) chỉ xem thanh ghi được dùng là 8 bit hay 16 bit (1 word). W=1 có nghĩa là thanh ghi 16 bit được dùng. Bảng 4-1 cho thấy cách mã hoá các thanh ghi trong bộ VXL: - Hai bit MOD (mode, chế độ) và ba bit R/M (register/memory, thanh ghi/bộ nhớ) tạo ra 5 bit, dùng để chỉ chế độ địa chỉ của lệnh. Những chế độ này được quy định trong bảng 4-1. Bảng 4-2 cho thấy cách mã hoá các chế độ địa chỉ (cách tìm ra các toán hạng) bằng các bit này. Bảng 4-1: Cách mã hoá các thanh ghi trong bộ VXL. Thanh ghi Thanh ghi Mã REG Thanh ghi Mã W=1 W=0 đoạn AX AL 000 ES 00 BX BL 011 CS 01 CX CL 001 SS 10 DX DL 010 DS 11 SP AH 100 DI BH 111 BP CH 101 SI DH 110 Bảng 4-2: Phối hợp MOD và R/M để tạo ra các chế độ địa chỉ. MOD 00 01 10 11 R/M W=0 W=1 000 [BX] + [SI] [BX] + [SI] + d8 [BX] + [SI] + d16 AL AX Photocopyable 22
25. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa 001 [BX] + [DI] [BX] + [DI] + d8 [BX] + [DI] + d16 CL CX 010 [BP] + [SI] [BP] + [SI] + d8 [BP] + [SI] + d16 DL DX 011 [BP] + [DI] [BP] + [DI] + d8 [BP] + [DI] + d16 BL BX 100 [SI] [SI] + d8 [SI] + d16 AH SP 101 [DI] [DI] + d8 [DI] + d16 CH BP 110 d16 [BP] + d8 [BP] + d16 DH SI (Địa chỉ trực tiếp) 111 [BX] [BX] + d8 [BX] + d16 BH DI Chế độ bộ nhớ Chế độ thanh ghi Ghi chú: - d8: disp. 8 bit, d16: disp. 16 bit. - Các gía trị cho trong các cột 2, 3, 4 là các địa chỉ hiệu dụng (EA) sẽ được cộng với DS để tạo ra địa chỉ vật lý (riêng BP phải được cộng với SP). Ví dụ 1: Mã hoá các lệnh: a. MOV CL,[BX]; b. MOV 0F3H[SI],CL. a. MOV CL, [BX] 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 Các bit mã hoá CL; ô nhớ có địa chỉ DS:BX; Chuyển 1 bite; Opcode. Chuyển tới thanh ghi b. MOV 0F3H[SI], CL 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 Các bit mã hoá CL; ô nhớ có địa chỉ DS:SI; chuyển 1 bite; Opcode. Chuyển từ thanh ghi; d8 = F3H. II. Tập lệnh của bộ vi xử lý. Mỗi bộ vi xử lý có một tập lệnh xác định, các bộ vi xử lý thế hệ sau thường có tập lệnh được bổ sung, mở rộng hơn so với các bộ vi xử lý thế hệ trước nó, điều đó có nghĩa các bộ vi xử lý thế hệ sau có thể chạy được các chương trình viết cho các bộ vi xử lý trước. Nhưng ngược lại thì không hoàn toàn đúng. Như đã nói trên đây, chúng ta lấy bộ vi xử lý Intel 8088 làm cơ sở để nghiên cứu những vấn đề kỹ thuật của các bộ vi xử lý khác. Vì vậy ở đây chúng ta cũng sẽ nghiên cứu tập lệnh của chính bộ vi xử lý này. Tập lệnh của 8086/8088 gồm hơn 100 ký hiệu gợi nhớ (mnemonic) của lệnh ngôn ngữ assembler cơ sở, để quy định cho bộ vi xử lý phải làm gì. Mỗi Photocopyable 23
26. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa lệnh cơ sở có thể có nhiều biến cách. Ví dụ có tới 28 biến cách khác nhau cho lệnh dịch chuyển cơ sở (MOV) . Tuy nhiên trong chương trình môn học này, chúng ta chỉ xem xét một số lệnh cần thiết theo mục tiêu của môn học. Các lệnh mà chúng ta sẽ nghiên cứu được chia làm 6 nhóm: 1. Nhóm lệnh truyền dữ liệu. 2. Nhóm lệnh số học. 3. Nhóm lệnh logic. 4. Nhóm lệnh so sánh. 5. Nhóm lệnh điều khiển chương trình. 6. Các lệnh đặc biệt. II.1 . Nhóm lệnh truyền dữ liệu (không ảnh hưởng đến các cờ). MOV lệnh di chuyển dữ lệu cơ bản . Lệnh này cóthể sử dụng để di chuyển byte (8 bit) hoặc lời (16 bit) của dữ liệu. Cấu trúc lệnh : MOV đích, nguồn. Trong đó toán hạng đích và gốc có thể tìm theo các địa chỉ khác nhau, nhưng phải có cùng độ dài và không được phép đồng thời là 2 ô nhớ hoặc 2 thanh ghi đoạn. Các ví dụ cho trong bảng 4-3: Bảng 4-3 các ví dụ về lệnh MOV. Đích Nguồn Ví dụ Giải thích 1 Bộ nhớ Thanh ghi MOV 100H, AX - chuyển nôi dung trong AX vào vị trí nhớ 100H. 2 Thanh ghi Bộ nhớ MOV AX, MEM1 - Chuyển nội dung trong vị trí nhớ do nhãn MEM1 chỉ ra vào thanh ghi AX. 3 Thanh ghi Thanh ghi MOV AX, BX - Chuyển nội dung trong BX vào thanh ghi AX. 4 Thanh ghi Tức thời MOV AX, 0FFFFH - Chuyển giá trị hằng số FFFFH vào thanh ghi AX; số 0 ở đầu được dùng để phân biệt và chỉ rõ FFFFH là một giá trị hằng chứ không phải là một nhãn. XCHG -exchange two operands (hoán đổi nội dung 2 toán hạng). Viết lệnh: XCHG Đích, Nguồn Trong đó toán hạng đích và nguồn có thể tìm được theo các chế độ địa chỉ khác nhau, nhưng phải có cùng độ dài và không được phép đồng thời là 2 ô nhớvà cũng không được là thanh ghi đoạn. Photocopyable 24
27. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Ví dụ: XCHG AH, AL ; tráo nội dung AH và AL. XCHG AL, [BX] ; tráo nội dung AL với ô nhớ có địa chỉ DS:BX. IN- Input data from a port (Đọc dữ liệu từ cổng vào thanh Acc) Viết lệnh: IN Acc, Port Port là địa chỉ 8 bit của cổng, nó có thể có giá trị trong khoảng 00H FFH. Nếu Acc là AL thì dữ liệu 8 bit được đưa vào từ cổng Port. Nếu Acc là AX thì dữ liệu 16 bit được đưa vào từ cổng Port và Port+1. Có thể biểu diễn địa chỉ cổng thông qua thanh ghi DX và như vậy địa chỉ cổng được địa chỉ hoá linh hoạt hơn. Lúc này địa chỉ cổng nằm trong dải 0000H FFFFH và lệnh được viết như sau: IN Acc, DX Trong đó DX phải được gán từ trước giá trị ứng với cổng. OUT- Output a byte or word to a port ( Đưa dữ liệu ra cổng từ Acc). Viết lệnh: OUT Port, Acc Nếu Acc là AL thì dữ liệu 8 bit được đưa ra cổng Por Nếu Acc là AH thì dữ liệu 16 bit được đưa ra cổng Port và cổng Port+1. Tương tự với lệnh IN, ở đây cũng có thể dùng thanh ghi DX để chứa địa chỉ cổng. Khi đó lệnh được viết như sau: OUT DX, Acc. Thanh ghi DX phải được nạp địa chỉ cổng từ trước. LEA (load effective address). Lệnh nạp địa chỉ hiệu dụng vào thanh ghi, nó không di chuyển nội dung chứa trong địa chỉ đó. Đây là lệnh để tính địa chỉ lệch hoặc địa chỉ của ô nhớ chọn làm gốc rồi nạp vào thanh ghi đã chọn. Viết lệnh: LEA Đích, nguồn. trong đó : - Đích thường là một trong các thanh ghi BX, CX, DX, BP, SI, DI. - Nguồn là tên biến trong đoạn DS được chỉ rõ trong lệnh hoặc ô nhớ cụ thể. Photocopyable 25
28. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Ví dụ: LEA DX, MSG ; Nạp địa chỉ lệch của bản tin MSG vào DX. LEA CX, [BX] [DI] ; Nạp vào CX địa chỉ hiệu dụng do ; BX và DI chỉ ra: EA=BX+DI. PUSH/POP Thanh ghi ngăn xếp là nơi rất thuận tiện để cất giữ tạm dữ liệu và các toán hạng cần nhớ của chương trình. Ví dụ, một chương trình có thể muốn cất lại các nội dung trong thanh ghi AX để dùng trong một số thao tác sau này. Để thực hiện nhiệm vụ đó có thể dùng các lệnh PUSH và POP. - PUSH Cất dữ liệu vào ngăn xếp. Viết lệnh: PUSH nguồn Mô tả: SP  SP - 2 Nguồn {SP}. trong đó toán hạng gốc có thể tìm được theo các chế độ địa chỉ khác nhau: có thể là các thanh ghi đa năng, thanh ghi đoạn hoặc ô nhớ. Lệnh này thường dùng với lệnh POP như một cặp đối ngẫu để xử lý các dữ liệu và trạng thái của chuương trình chính khi vào/ra chương trình con. Ví dụ: PUSH BX ; cất BX vào ngăn xếp, tại vị trí do SP chỉ ra. PUSH Table[BX] ; cất 2 byte của vùng dữ liệu DS ; có địa chỉ đầu tại (Table+BX). - POP Lấy dữ liệu từ ngăn xếp. Viết lệnh: POP Đích Mô tả: Đích {SP}. SP  SP + 2 trong đó toán hạng gốc có thể tìm được theo các chế độ địa chỉ khác nhau: có thể là các thanh ghi đa năng, thanh ghi đoạn (nhưng không được là thanh ghi đoạ mã CS) hoặc ô nhớ. Dữ liệu để tại ngăn xếp không thay đổi. Giá trị của SS không thay đổi. Ví dụ: POP DX ; lấy 2 byte từ đỉnh ngăn xếp, đưa vào DX. PUSH Table[BX] ; lấy 2 byte ở đỉnh ngăn xếp rồi để tại vùng DS ; có địa chỉ đầu tại (Table+BX). PUSHF/POPF Các nội dung của thanh ghi cờ có thể được gửi vào hay lấy ra khỏi ngăn xếp bằng các lệnh PUSPF và POPF. - PUSHF Cất nội dung thanh ghi cờ vào ngăn xếp. Viết lệnh: PUSHF Mô tả: SP  SP - 2 RF {SP}. Photocopyable 26
29. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Dữ liệu để tại thanh ghi cờ không thay đổi. SS không thay đổi. - POPF Lấy 1 từ, từ đỉnh ngăn xếp đưa vào thanh ghi cờ. Viết lệnh: POPF Mô tả: RF {SP}. SP  SP + 2 Sau lệnh này dữ liệu để tại ngăn xếp không thay đổi. SS không thay đổi. II.2. Nhóm lệnh số học (là nhóm lệnh có ảnh hưởng đến cờ). Các lệnh số học bao gồm bốn phép tính số học cơ bản là cộng, trừ , nhân, chia và đảo dấu toán hạng. ADD/SUB Dạng tổng quát của các lệnh cộng (add) và trừ (subtract) là: ADD đích, nguồn SUB đích, nguồn Mô tả: ADD: Đích  Đích + Nguồn SUB : Đích  Đích -Nguồn trong đó các toán hạng đích, nguồn có thể tìm được theo các địa chỉ khác nhau, nhưng phải chứa dữ liệu có cùng độ dài và không được phép đồng thời là hai ô nhớ và cũng không được là thanh ghi đoạn. Bảng 4-4 tóm tắt các loại khác nhau của các toán hạng đích và nguồn dùng trong các lệnh cộng và trừ: Bảng 4-4. các dạng toán hạng trong lệnh ADD/SUB: Đích (nơi đến) Nguồn (gốc) Thanh ghi Thanh ghi Thanh ghi Bộ nhớ Bộ nhớ Thanh ghi Bộ nhớ Tức thời (hằng số) Thanh ghi Tức thời(hằng số) Ví dụ 1: ADD AX, BX ; AX  AX+BX ADD AL, 74H ; AX  AX+ 74H SUB CL, AL ; CL  CL - AL SUB AX, 0405H ; AX  AX - 0405H. Ví dụ 2: Viết đoạn chương trình ngôn ngữ assembly để cộng 5H với 3H, dùng các thanh ghi AL, BL. MOV AL, 05H ; AL  05H MOV BL, 03H ; BL  03H Photocopyable 27
30. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa ADD AL, BL ; AL  05H+03H =08H MOV 100H, AL ; Di chuyển kết quả từ AL vào vị trí nhớ DS:100H. MUL/DIV Dạng tổng quát của lệnh nhân (multiply, MUL) và chia (divide, DIV) là: MUL số nhân nguồn DIV số chia nguồn trong đó số nhân nguồn (toán hạng gốc) có thể tìm được theo các chế độ địa chỉ khác nhau. Khi dùng lệnh nhân, số được nhân phải được chuyển vào thanh ghi AX hoặc AL. Còn số nhân thì có thể chuyển vào thanh ghi khác bất kỳ hoặc một địa chỉ nhớ. Ví dụ 2: MUL BX ; số nhân nằm trong thanh ghi BX MUL MEM1 ; số nhân nằm trong địa chỉ nhớ mang nhãn MEM1 Khi hai byte nhân với nhau thì kết quả được gửi lưu vào thanh ghi AX. Ví dụ 3. Viết đoạn chương trình nhân 5H với 3H, dùng thanh ghi CL. MOV AL, 05H ; AL  05H (số được nhân) MOV CL, 03H ; CL  03H (số nhân) MUL CL ; AL  0FH (kết quả) MOV MEM1, AL ; chuyển kết quả (0FH) ; từ AL vào vị trí nhớ có nhãn MEM1. Khi nhân hai lời (16 bit) với nhau thì số được nhân phải chuyển vào thanh ghi AX, còn số nhân có thể ở trong một thanh ghi khác bất kỳ hoặc trong vị trí nhớ 16 bite. kết quả sẽ là con số 32 bit (hoặc hai lời) và được chứa trong các thanh ghi DX và AX. Lời có trọng số lớn sẽ ở trong thanh ghi DX và lời có trọng số nhỏ sẽ ở trong thanh ghi AX. Ví dụ 4. Viết đoạn chương trình để nhân 3A62H với 2B14H. MOV AX, 3A62H ; AX  3A62H MOV CX, 2B14H ; CX  2B14H MUL CX ; DXAX  tích = 289C63A8H Các lệnh chia, về cơ bản, cũng giống như các lệnh nhân. Trong phép chia cỡ byte, số chia là một byte có thể ở trong một thanh ghi hoặc một vị trí nhớ. Số bị chia phải là một số không dấu 16 bit chứa trong thanh ghi AX. Kết quả thương số sẽ ở trong thanh ghi AL, còn số dư thì ở trong thanh ghi AH. Photocopyable 28
31. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Đối với phép chia cỡ lời thì số chia 16 bit có thể đặt trong thanh ghi hoặc một vị trí nhớ. Còn số bị chia phải là một số không dấu 32 bit được đặt trong các thanh ghi DX và AX. Thanh ghi DX sẽ giữ lời có trọng số cao, thanh ghi AX sẽ giữ lời có trọng số thấp. Kết quả thương đặt trong thanh ghi AX, còn số dư đặt trong thanh ghi DX. Ví dụ 5: Viết đoạn chương trình để chia 6H cho 3H, dùng thanh ghi CL. MOV AX, 0006H ; AX  6H MOV CL, 03H ; CL  3H DIV CL ; AHAL  00H (số dư), 02H (thương số) Chú ý: 6H được đưa vào thành 0006H để lấp đầy toàn bộ thanh ghi AX. Như vậy các byte trọng số cao của AX sẽ bị xoá để tránh bị lỗi. Ví dụ 6: Viết đoạn chương trình để chia 1A034H cho 1002H, dùng thanh ghi BX MOV AX, 0A034H ; AX  0A034H MOV DX, 0001H ; DX  0001H MOV BX, 1002H ; BX  1002H DIV BX ; DXAX  00H (số dư)1AH (thương số) INC/DEC Đây là lệnh tăng (increment) và giảm (decrement). Lệnh tăng sẽ cộng thêm một đơn vị vào toán hạng, còn lệnh giảm sẽ trừ một đơn vị vào toán hạng. Các lệnh này rất cần đối với thao tác đếm. Dạng tổng quát của các lệnh INC và DEC là: INC đích Mô tả: Đích  Đích +1 DEC đích Mô tả: Đích  Đích -1 Toán hạng đích có thể là một thanh ghi hoặc một vị trí nhớ bất kỳ, có thể là 1 lời 16 bit hoặc 1 byte; có thể tìm được theo các chế độ địa chỉ khác nhau. Chú ý: - Trong lệnh tăng, nếu Đích = FFH (hoặc FFFFH) thì Đích + 1 = 00H (hoặc 0000H) mà không ảnh hưởng đến cờ nhớ. Lệnh này cho kết quả tương đương như lệnh ADD Đích, 1 nhưng chạy nhanh hơn. - Trong lệnh giảm, nếu đích là 00H (hoặc 0000H) thì Đích -1 = FFH (hoặc FFFFH) mà không ảnh hưởng đến cờ nhớ CF. Lệnh này cho kết quả tương đương với lệnh SUB Đích, 1 nhưng chạy nhanh hơn. NEG- Negative a Operand (lấy bù 2 của một toán hạng hay đảo dấu toán hạng). Viết lệnh: NEG Đích Ví dụ: Photocopyable 29
32. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa NEG AH ; AH  0 - (AH) NEG BYTE PTR[BX] ; lấy bù 2 của ô nhớ do BX chỉ ra trong DS. II.3. Nhóm lệnh logic (có ảnh hưởng đến cờ). Các lệnh logic nhằm thực hiện các phép tính Boolean NOT, AND và OR. Lệnh NOT thì đảo tất cả các bit trong toán hạng (byte boặc lời). Các lệnh AND/OR thực hiện các phép tính AND/OR đối với một đôi bit trong toán hạng nguồn và toán hạng đích. Các lệnh này có thể dùng với các toán hạng cỡ lời hoặc cỡ byte. NOT Lấy bù của một toán hạng, đảo bit của một toán hạng. Viết lệnh: NOT Đích. Mô tả: Đích  (Đích) trong đó toán hạng đích có thể tìm được theo các chế độ địa chỉ khác nhau. Lệnh này không tác động đến cờ. Ví dụ 1: Xác định kết quả của đoạn chương trình sau: MOV BL, 00110011B NOT BL MOV MEM1, BL Nội dung của thanh ghi BL được nạp vào là 00110011B. Sau khi thực hiện phép NOT thì nội dung của thanh ghi BL là 11001100B và giá trị này được đưa vaò vị trí nhớ được chỉ ra bởi nhãn MEM1. AND/OR: Và/Hoặc hai toán hạng. dạng tổng quát của lệnh AND/OR là: AND Đích, Nguồn OR Đích, Nguồn trong đó toán hạng đích và nguồn có thể tìm được theo các chế độ địa chỉ khác nhau, nhưng phải chứa dữ liệu cùng độ dài và không được phép đồng thời là hai ô nhớ và cũng không được là thanh ghi đoạn. AND/OR sẽ thực hiện phép tính Boolean đối với các toán hạng nguồn và đích. Phép AND thường dùng để che đi/giữ lại một vài bit nào đó của một toán hạng bằng cách nhân logic toán hạng đó với toán hạng tức thời có các bit 0/1 tại các vị trí cần che/giữ lại tương ứng. Phép OR thường dùng để lập một vài bit nào đó của toán hạng bằng cách cộng lôgic toán hạng đó với toán hạng tức thời có các bit 1 tại các vị trí tương ứng cần thiết lập (toán hạng tức thời trong những trường hợp này còn được gọi là mặt nạ). Ví dụ 2 : AND AL, BL ; nội dung thanh ghi BL được giao với nội dung trong ; thanh ghi AL và kết quả được lưu trong thanh ghi ; AL(AX). Nếu con số trong AL là 00001101B và Photocopyable 30
33. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa ; trong BL là 00110011B thì kết quả trong thanh ghi ; AL sau phép AND là: AL 0000001B. OR AL, BL ; nội dung thanh ghi BL được hợp với nội dung trong ; thanh ghi AL từng bit một và kết quả được lưu trong ;thanh ghi AL(AX). Nếu con số trong AL là ; 00001101B và trong BL là 00110011B thì kết quả ;trong thanh ghi AL sau phép AND là: AL 0011111B. Ví dụ 3: AND BL, 0FH ; che 4 bit cao của BL. OR BL, 30H ; lập 4 bit b4 và b5 của BL lên 1. SAL- Shift arithmetically Left (Dịch trái số học)/ SHL- Shift (Logically) Left (Dịch trái logic). Viết lệnh: SAL Đích, CL SHL Đích, CL Mô tả: CF MSB LSB 0 Mỗi lần dịch MSB sẽ được đưa qua cờ CF và 0 được đưa vào LSB. Thao tác kiểu này được gọi là dịch logic. CL phải được chứa sẵn số lần dịch mong muốn. Thực chất mỗi lần dịch trái tương đương với một lần làm phép nhân với 2 của số không dấu. Vì vậy ta có thể làm phép nhân số bị nhân không dấu với 2i bằng cách dịch trái số học số bị nhân i lần. Chính vì vậy thao tác này còn được gọi là dịch trái số học. Sau lệnh SAL/SHL, cờ CF mang giá trị cũ của MSB, vì vậy lệnh này cò dùng để tạo cờ CF từ giá trị của MSB làm điều kiện cho các lệnh nhảy có điều kiện. Còn cờ OF  1 nếu sau khi dịch 1 lần mà bit MSB bị thay đổi so với trước khi dịch, cờ này không được xác định sau nhiều lần dịch. Lệnh này cập nhật các cờ SF, ZF, PF. Trong đó PF chỉ có ý nghĩa khi toán hạng là 8 bit; cờ AF không xác định. SAR - Shift Arithmetically Right (Dịch phải số học). Viết lệnh: SAR Đích, CL Photocopyable 31
34. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Mô tả: MSB LSB CF Sau mỗi lần dịch phải, MSB được giữ nguyên (nếu đây là bit dấu thì dấu luôn không đổi sau các lần dịch. Còn LSB được đưa vào cờ CF, CL phải được chứa sẵn số lần dịch mong muốn. Kiểu dịch này tương đương với một lần chia cho 2của số có dấu. Vì vậy có thể thay phép chia cho 2 ROL - Rotate All Bit to the Left (Quay vòng sang trái). Viết lệnh: ROL Đích, CL Mô tả: CF MSB LSB Lệnh này dùng để quay toán hạng sang trái, MSB sẽ được đưa qua cờ CF và LSB. CL phải chứa số lần quay mong muốn. Sau lệnh ROL cờ CF mang giá trị cũ của MSB, vì vậy lệnh này cò dùng để tạo cờ CF từ giá trị của MSB làm điều kiện cho các lệnh nhảy có điều kiện. Còn cờ OF  1 nếu sau khi dịch 1 lần mà bit MSB bị thay đổi so với trước khi dịch, cờ này không được xác định sau nhiều lần dịch. Lệnh này tác động vào các cờ CF, OF. Ví dụ: ROL BX, 1 ; quay vòng sang trái thanh ghi BX. MOV CL, 4 ; đặt số lần quay vào thanh ghi CL. ROL AL, CL ; quay vòng sang trái thanh ghi AL 4 lần. ROR - Rotate All Bit to the Right (Quay vòng sang phải). Viết lệnh: ROR Đích, CL Mô tả: MSB LSB CF Photocopyable 32
35. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Lệnh này dùng để quay toán hạng sang phải, LSB sẽ được đưa qua cờ CF và MSB. CL phải chứa số lần quay mong muốn. II.4. Nhóm lệnh so sánh. CMP - Compare Byte or Word (so sánh 2 byte hay 2 từ). Viết lệnh: CMP Đích, Gốc. Trong đó toán hạng đích và gốc có thể tìm được theo các chế độ địa chỉ khác nhau, nhưng phải chữa dữ liệu có cùng độ dài và không được phép đồng thời là 2 ô nhớ. Lệnh này chỉ tạo các cờ, không lưu kết quả so sánh; sau lệnh so sánh, các toán hạng không bị thay đổi. lệnh này thường được dùng để tạo cờ cho các lệnh nhảy có điều kiện. Các cờ chính theo quan hệ đích và nguồn khi so sánh 2 số không dấu: CF ZF Đích = Nguồn 0 1 Đích > Nguồn 0 0 Đích < Nguồn 1 0. TEST - And Operands to Update Flag (và 2 toán hạng để tạo cờ). Viết lệnh: TEST Đích, Nguồn Trong đó toán hạng đích và nguồn có thể tìm được theo các chế độ địa chỉ khác nhau, nhưng phải chứa dữ liệu cùng độ dài và không được phép đồng thời là 2 ô nhớ và cũng không được là thanh ghi đoạn. Sau lệnh này các toán hạng không bị thay đổi và kết quả không được lưu giữ. Các cờ được tạo ra sẽ được dùng làm điều kiện cho các lệnh nhảy có điều kiện. Lệnh này cũng có tác dụng che như một mặt nạ. Tác động: Xoá: CF, OF Cập nhật: PF, SF, ZF (PF chỉ liên quan đến 8 bit thấp) Không xác định: AF. Ví dụ: TEST AH, AL ; Và AH với AL để tạo cờ. TEST AH, 01H ; Bit 0 của AH = 0? TEST BP, [BX][DI] ; Và BP với ô nhớ DS:BX+DI. II.5 Các lệnh điều khiển chương trình. - Lệnh nhảy không điều kiện: Lệnh này khiến bộ vi xử lý bắt đầu thực hiện một lệnh mới tại địa chỉ được mô tả trong lệnh. Viết lệnh: JMP Nhãn Photocopyable 33
36. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Lệnh mới bắt đầu tại địa chỉ ứng với nhãn. Chương trình dịch sẽ căn cứ vào vị trí nhãn để xác định giá trị dịch chuyển. - Lệnh nhảy có điều kiện: Lệnh này biểu diễn thao tác: nhảy (có điều kiện) tới nhãn, tức là chỉ thực hiện nhảy tới nhãn nếu điều kiện chỉ ra đúng. Nhãn phải nằm cách xa (dịch đi một khoảng) -128 +127 byte so với lệnh tiếp theo sau lệnh nhảy có điều kiện. Chương trình dịch sẽ căn cứ vào vị trí của nhãn để xác định giá trị dịch chuyển. Các lệnh này không tác động đến cờ. Người ta phân biệt các kiểu nhảy có điều kiện: + Nhảy theo kiểu không dấu: JA/JNBE - Jump if Above/ Jump if Not Below or Equal. Viết lệnh: JA Nhãn JNBE Nhãn JAE/JNB- Jump if Above or Equal/ Jump if Not Below. Viết lệnh: JAE Nhãn JNB Nhãn JB/JNAE- Jump if Below/ Jump if Not Above or Equal. Viết lệnh: JB Nhãn JNAE Nhãn. Ví dụ 1: CMP AL, 10H ; so sánh AL với 10H. JA MEM1 ; nhảy đến nhãn MEM1 nếu AL cao hơn 10H. JB MEM2 ;nhảy đến nhãn MEM2 nếu AL thấp hơn 10H. + Nhảy theo kiểu có dấu: JG/JNLE- Jump if Greater than/ Jump if Not Less than or Equal. Viết lệnh: JG Nhãn JNLE Nhãn. JGE/JNL- Jump if Greater than or Equal/ Jump if Not Less than. Viết lệnh: JGE Nhãn JNL Nhãn. JL/JNGE- Jump if Less than/ Jump if Not Greater than or Equal. JLE/JNG- Jump if Less than or Equal/ Jump if Not Greater than. + Nhảy theo kiểu đơn. JE/JZ- Jump if Equal/ Jump if Zero. JNE/JNZ- Jump if Not Equal/ Jump if Not Zero. JC- Jump if Carry JNC- Jump if Not Carry JO- Jump if Overflow Photocopyable 34
37. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa JNO- Jump if Not Overflow JS- Jump if Sign JNS- Jump if Not Sign JP/JPE- Jump if Parity/ Jump if Parity Even JNP/JPO- Jump if Not Parity/ Jump if Parity Odd - Lệnh lặp: Lệnh này dùng để lặp lại đoạn chương trình (bao gồm các lệnh nằm trong khoảng tử nhãn đến hết lệnh LOOP Nhãn cho đến khi số lần lặp CX=0. Điều này có nghĩa là trước khi vào vòng lặp, ta phải đưa số lần lặp mong muốn vào thanh ghi CX và sau mỗi lần thực hiện lệnh LOOP Nhãn thì CX tự động giảm đi 1. Nhãn phải nằm cách xa (dịch một khoảng) -128 byte so với lệnh tiếp theo sau lệnh LOOP. Lệnh này không tác động đến cờ. Viết lệnh: LOOP Nhãn Ví dụ: XOR AL, Al ; xoá AL MOV CX, 16 ; số lần lặp đưa vào CX Lap: INC AL ; tăng AL lên 1 LOOP Lap ; lặp lại 16 lần, AL =16. - Lệnh JCXZ- Jump if CX is Zero (nhảy nếu CX = 0). Viết lệnh: JCXZ Nhãn Đây là lệnh nhảy có điều kiện tới nhãn nếu nội dung thanh đếm bằng 0 và không có liên hệ gì với cò ZF. Nhãn phải nằm cách xa (dịch đi một khoảng) -128 +127 byte so với lệnh tiếp theo sau lệnh JCXZ. Chương trình dịch sẽ căn cứ vào vị trí nhãn để xác định giá trị dịch chuyển. - Lệnh gọi chương trình con CALL: Lệnh này dùng để chuyển hoạt động của bộ vi xử lý từ chương trình chính (CTC) sang chương trình con (ctc). Nếu ctc ở cùng một đoạn mã với CTC thì ta có gọi gần. Nếu CTC và ctc nằm trong hai đoạn mã khác nhau thì ta có gọi xa. Gọi gần và gọi xa khác nhau về cách tạo địa chỉ trở về. Địa chỉ trở về là địa chỉ tiếp theo ngay sau lệnh CALL. Khi gọi gần thì chỉ cần cất IP của địa chỉ trở về, khi gọi xa thì phải cất cả CS và IP của địa chỉ trở về. Địa chỉ trở về được tự động cất vào ngăn xếp khi bắt đầu thựuc hiện lệnh gọi và được tự động lấy ra khi gặp lệnh trở về RET. -RET - Return from Procedure to Calling Program (Trở về CTC từ ctc). Viết lệnh: RET Photocopyable 35
38. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Khi gặp lệnh trở về RET, vi xử lý kết thúc ctc lấy lại địa chỉ trở về, bao gồm địa chỉ IP (trường hợp gọi gần) hoặc IP và CS (trong trường hợp gọi xa) của lệnh tiếp theo sau lệnh CALL, được đặt trong ngăn xếp. - INT - Interrupt Program Excution (Ngắt, gián đoạn chương trình đang chạy). Viết lệnh: INT N, N = 0 FFH Mô tả: Các thao tác của bộ vi xử lý khi chạy lệnh INT : 1. SP  SP - 2. {SP}  FR 2. IF  0 (cấm các ngắt khác tác động), TF  0 (chạy suốt). 3. SP  SP - 2, {SP}  CS. 4. SP  SP - 2, {SP}  IP. 5. {N x 4} IP, {5N x 4 + 2} CS. Mỗi lệnh ngắt ứng với một chương trình phục vụ ngắt khác nhau có địa chỉ lấy từ bảng véc tơ ngắt. Bảng này gômg 256 vec tơ, chứa địa chỉ của các chương trình phục vụ ngắt tương ứng và chiếm 1 Kb RAM có địa chỉ thấp nhất. Ví dụ như các chương trình phục vụ ngắt của BIOS, của DOS như IO.SYS, MSDOS.SYS. Ví dụ: INT 21H III. Các chế độ địa chỉ Những phương pháp định địa chỉ hay còn gọi là chế độ địa chỉ (addressing mod) được dùng để vi xử lý tìm ra (định vị, addressing) các toán hạng cần thiết cho một lệnh nào đó. Một bộ vi xử lý có thể có nhiều chế độ địa chỉ, các chế độ địa chỉ này được xác định ngay từ khi chế tạo bộ vi xử lý và sau này không thể thay đổi được. Họ vi xử lý Intel có bảy chế độ địa chỉ như sau: 1. Chế độ địa chỉ thanh ghi 2. Chế độ địa chỉ tức thì 3. Chế độ địa chỉ trực tiếp 4. Chế độ địa chỉ gián tiếp thanh ghi 5. Chế độ địa chỉ tương đối cơ sở 6. Chế độ địa chỉ tương đối chỉ số 7. Chế độ địa chỉ tương đối chỉ số cơ sở III.1. Chế độ địa chỉ thanh ghi (register addressing). Photocopyable 36
39. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Trong chế độ địa chỉ này người ta dùng các thanh ghi bên trong CPU như là các toán hạng để chứa dữ liệu cần thao tác. Vì vậy khi thực hiện lệnh có thể đạt tốc độ truy nhập cao hơn so với các lệnh có truy nhập đến bộ nhớ. Ví dụ: MOV AX, BX ; chuyển nội dung BX vào AX. ADD DS, DL ; cộng nội dung AL và DL , kết quả giữ trong AL. III.2. Chế độ địa chỉ tức thì (immediate addressing) Trong chế độ địa chỉ này toán hạng đích là một thanh ghi hay một ô nhớ, còn toán hạng nguồn là một hằng số và ta có thể tìm thấy toán hạng này ở ngay sau mã lệnh (chính vì vậy chế độ địa chỉ này gọi là chế độ địa chỉ tức thì). Ta có thể dùng chế độ này để nạp dữ liệu cần thao tác vào bất kỳ thanh ghi nào (trừ các thanh ghi đoạn và các thanh ghi cờ) hoặc vào bất kỳ ô nhớ nào trong đoạn dữ liệu DS. Ví dụ: MOV AX, 4EH ; chuyển giá trị 4EH vào thanh ghi AX. MOV AX, 0FFOH ; chuyển 0FF0H vào thanh ghi AX MOV DS, AX ; để đưa vào DS. MOV [BX], 4EH ; chuyển 4EH vào địa chỉ ô nhớ DS:BX III.3. Chế độ địa chỉ trực tiếp (direct addresssing mode) Trong chế độ địa chỉ này một toán hạng chứa địa chỉ lệch của ô nhớ dùng để chứa dữ liệu, còn toán hạng kia chỉ có thể là một thanh ghi mà không thể là một vị trí nhớ. Nếu so sánh với chế độ địa chỉ tức thì ta thấy ở đây ngay sau mã lệnh không phải là một toán hạng mà là một địa chỉ lệch của toán hạng. Xét về phương diện địa chỉ thì đó là địa chỉ trực tiếp. Ví dụ: MOV AL, [1234H] ; chuyển nội dung ô nhớ DS:1234H vào AL. MOV [4321H], CX ; chuyển nội dung CX vào 2 vị trí nhớ ; liên tiếp là DS:4321 và DS:4322. III.4. Chế độ địa chỉ gián tiếp qua thanh ghi (register indirect addressing). Trong chế độ địa chỉ này một toán hạng là một thanh ghi được sử dụng để chứa địa chỉ lệch của ô nhớ chứa dữ liệu, còn toán hạng kia chỉ có thể là một thanh ghi mà không được là ô nhớ. Photocopyable 37
40. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Ví dụ: MOV AL, [BX] ; chuyển nội dung tại ô nhớ DS:BX vào AL. MOV [SI], CL ; chuyển nội dung CL vào ô nhớ DS:SI. III.5. Chế độ địa chỉ tương đối cơ sở (based relative addresing). Trong chế độ này các thanh ghi cơ sở như BX và BP và các hằng số biểu diễn các giá trị dịch chuyển (displacement values) được dùng để tính địa chỉ hiệu dụng của toán hạng trong các vùng nhớ DS và SS. Sự có mặt của các giá trị diạch chuyển xác định tính tương đối (so với cơ sở) của địa chỉ. Ví dụ: MOV CL, [BX] + 10 ; chuyển nội dung 2 ô nhớ liên tiếp có địa ; chỉ DS:(BX+10) và DS:(BX+11) vào CX. MOV CX, [BX +10] ; tương tự như lệnh trên. MOV AL, [BP] + 10 ; chuyển nội dung ô nhớ SS:(BP+10) vào AL III. 6. Chế độ địa chỉ tương đối chỉ số (indexed relative addressing). Trong chế độ địa chỉ này các thanh ghi chỉ số như SI và DI và các hằng số biểu diễn các giá trị dịch chuyển (displacement values) được dùng để tính địa chỉ của toán hạng trong vùng nhớ DS. Ví dụ: MOV AL, [SI]+10 ; chuyển nội dung ô nhớ DS:(SI+10) vào AL. MOV AL, [SI+10] ; tương tự như trên. III.7. Chế độ địa chỉ tương đối chỉ số cơ sở (based indexed relative addressing). Kết hợp hai chế độ địa chỉ chỉ số và cơ sở ta có chế độ địa chỉ chỉ số cơ sở. Trong chế độ địa chỉ này ta dùng cả thanh ghi cơ sở và thanh ghi chỉ số để tính địa chỉ của toán hạng. Nếu ta dùng thêm cả thành phần biểu diễn sự dịch chuyển của địa chỉ thì ta có chế độ địa chỉ phức hợp cho chế độ địa chỉ hoá các mảng hai chiều. Ví dụ: MOV AL, [BP][SI]+10 ; chuyển nội dung DS:(BX+SI+10) vào AL. MOV AL, [BP+SI+10] ; tương tự như trên. Khi dùng thanh ghi chỉ số , thanh ghi cơ sở và thanh ghi con trỏ thì những cặp địa chỉ đoạn và địa chỉ lệch sau sẽ được định nghĩa trước: Photocopyable 38
41. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa CS:IP, DS:SI, DS:DI, DS:BX, ES:DI, SS:SP, SS:BP. Muốn loại bỏ giá trị ngầm định cho BX trong thanh ghi đoạn DS và dùng giá trị trong thanh ghi đoạn ES ta cần viết: MOV AL, ES:[BX] ; chuyển nội dung ES:BX vào AL. Chương V. Các BUS trong vi xử lý và máy vi tính I. Chức năng và thông số của BUS Một trong những hoạt động và chức năng cơ bản của máy tính là truyền số liệu (data transfer). Sự hoạt động của máy tính do các bộ vi xử lý điều khiển. Bộ vi xử lý và các chip hỗ trợ khác đến lượt mình cũng thường xuyên phải truyền số liệu giữa các khối, bộ phận trong và ngoài chúng với nhau. Vì có rất nhiều các bộ phận , khối riêng rẽ trong bản thân các Chip và các đường truyền số liệu rất đa dạng, nên một cách hợp lý ta không thể thực hiện các đường nối giữa các bộ phận , khối từng đôi một với nhau mà ta nối chung tất cả các lối vào/ lối ra của các khối riêng rẽ với nhau lên một hệ thống các đường dẫn chung; hệ thống này được gọi là bus. register On chip bus System CPU Memor I/O I/O y Board Board ALU Local Coprocessor Photocopyable 39
42. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Hình 5.1. Các bus trong một hệ thống máy tính. Các bộ phận, khối được nối lên bus phải thoả mãn một yêu cầu là có khả năng được cắt ra hoặc nối trở lại theo lệnh của điều khiển. Lúc một output được cắt ra khỏi bus, nó ở trạng thái trở kháng cao (High impedance, Hi-Z). Quy tắc nghiêm ngặt của truyền số liệu là trong mỗi thời điểm, tối đa chỉ có một output được cấp số liệu lên bus. Do trong mỗi thời điểm một output thường cần phải đồng thời cấp số liệu cho nhiều input, cho nên nó cần phải có khả năng phát ra (source) ở mức logic cao hoặc nuốt vào (sink) ở mức logic thấp, một dòng điện lớn tới vài chục mA cấp cho các input đó, đóng vai trò tải của output. Thông số đặc trưng cho đường bus là trở kháng vào của nó (gồm có điện trở thuần và dung kháng). Thường điện trở thuần khoảng vài K là thoả mãn yêu cầu của output, chỉ có dung kháng của bus gây khó khăn cho các thiết bị output, (vì nó cản trở tăng tốc độ biến thiên của các mức điện áp trên bus), do đó dung kháng được xem là thông số đặc trưng của bus. Ví dụ xét trường hợp một bus có điện dung vào 100 pF. Nếu muốn tốc độ biến thiên điện áp trên bus là du/dt =2V/10ns thì thiết bị output phải nuốt được dòng điện điện dung là i = dq/dt = C(du/dt) = 20 mA. Căn cứ theo cấu hình của các thiết bị nối vào bus, người ta phân chúng thành 3 nhóm như sau: - Output cấp số liệu cho bus. - Input nhận số liệu từ bus. - In/ Out khi là input, khi là output. II. BUS trong máy vi tính. II.1. Bus trong vi xử lý và bus bộ xử lý Trong các bộ vi xử lý có một hệ thống các bus dùng để truyền số liệu, lệnh, các tín hiệu điều khiển , , giữa các khối bên trong của nó. Ngoài ra có một hệ thống các bus đưa ra ngoài qua các chân của nó. Các đường bus trong được điều khiển bởi khối điều khiển tuỳ thuộc hoặc vào nội dung lệnh đuợc giải mã hoặc theo các điều khiển ngắt của bên ngoài đưa vào vi xử lý. Các đường bus này hoạt động theo nhịp của một clock bên trong vi xử lý. Xét với ví dụ các đường bus trong kiến trúc của vi xử lý 8088 như đã giới thiệu trong chương III. Photocopyable 40
43. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Các bus trong vi xử lý truyền số liệu giữa các khối với nhau, có hai loại đường truyền, một chiều và hai chiều. Hệ các đường bus nối với các bộ phận, khối bên ngoài vi xử lý gồm 20 đường địa chỉ (AD0 - AD 19), 8 đường số liệu ( ), và các đường thuộc bus điều khiển. Chính khối điều khiển phát các tín hiệu điều khiển các bus. Bus bộ vi xử lý là đường truyền dẫn giữa CPU và các chip hỗ trợ trung gian. Những chip hỗ trợ này được gọi là bộ chip (chip set). Bus này dùng để truyền dữ liệu giữa CPU và bus hệ thống chính hoặc giữa CPU và cache ngoài. Vì mục đích của bus bộ xử lý để gửi hoặc nhận thông tin từ CPU với tốc độ nhanh nhất có thể, nên bus này hoạt động nhanh hơn nhiều so với bất kỳ bus nào khác trong hệ thống và đảm bảo tránh hiện tượng tắc nghẽn ở đây. Bus bộ xử lý bao gồm bus dữ liệu, bus địa chỉ và bus điều khiển. Trong một hệ thống thiết kế cho VXL Pentium, bus bộ xử lý có 64 đường dữ liệu, 32 đường địa chỉ. Pentium Pro và Pentium II có 36 đường địa chỉ. Bus bộ xử lý hoạt động ở tốc độ đồng hồ cơ sở giống như CPU chạy ngoại trú. Ví dụ Pentium II 333MHz chạy ở tốc độ đồng hồ 333MHz nội trú nhưng chỉ ở 66,6 MHz ngoại trú. Tốc độ truyền của bus bộ xử lý được xác định bằng cách nhân độ rộng dữ liệu với tốc độ đồng hồ cơ sở rồi chia cho 8. Khi thiết kế các bộ vi xử lý, có thể tuỳ ý lựa chọn loại bus bên trong vi xử lý, còn với các bus liên hệ với bên ngoài cần phải xác định rõ các quy tắc làm việc cũng như các đặc điểm kỹ thuật về điện và cơ khí để người thiết kế Main Board có thể ghép nối vi xử lý với các thiết bị khác. nói cách khác, các bus này phải tuân theo một chuẩn nhất định. Tập các quy tắc của chuẩn còn được gọi là nghi thức bus (bus protocol). Trong thế giới máy tính có rất nhiều loại bus khác nhauđược sử dụng, các bus này nói chung là không tương thích với nhau. Sau đây là một số loại bus được dùng phổ biến: Tên bus Lĩnh vực áp dụng - Camac Vật lý hạt nhân - EISA Một sô hệ thống dùng bộ VXL 8036 - IBM PC, PC/AT Máy tính IBM PC, IBM/PC/AT - Massbus Máy PDP - 1 và VAX - Microchannel Máy PS/2 - Multibus I Một số hệ thống có VXL 8088, 8086 - Multibus II Một số hệ thống có VXL 80386 - Versabus Một số hệ thống dùng VXL Motorola - VME Một số hệ thống dùng VXL 68x0 của Motorola. Người ta thường phân loại bus theo ba cách sau: 1. Theo tổ chức phần cứng (như các loại bus nêu trên) Photocopyable 41
44. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa 2. Theo nghi thức truyền thông (bus đồng bộ và không đồng bộ). 3. Theo loại tín hiệu truyền trên bus (bus địa chỉ, bus dữ liệu ) Sự làm việc của các bus Thường có nhiều thiết bị nối với bus, một số là thiết bị tích cực và có thể đòi hỏi truyền thông tin trên bus, trong khi đó lại có các thiết bị thụ động chờ các yêu cầu từ các thiết bị khác. Các thiết bị tích cực được gọi là chủ bus (master), còn các thiết bị thụ động là tớ (slave). Khi CPU ra lệnh cho bộ điều khiển đĩa đọc/ ghi một khối dữ liệu thì CPU là master cò bộ điều khiển đĩa là slave. Tuy nhiên khi bộ điều khiển đĩa ra lệnh cho bộ nhớ nhận dữ liệu mà nó đọc từ đĩa thì nó lại giữ vai trò của master. Bus Driver và Bus Receiver. Tín hiệu điện mà các thiết bị trong máy tính phát ra thường không đủ mạnh để điều khiển được bus, nhất là khi bus khá dài và có nhiều thiết bị nối với nó. Chính vì vậy mà hầu hết các bus master được nối với bus thông qua một chip được gọi là bus driver, về căn bản đó là bộ khuyếch đại tín hiệu số. Tương tự như vậy, hầu hết các slave bus được nối với bus thông qua bus receiver. Đối với các thiết bị có thể khi thì đóng vai trò master, khi thì đóng vai trò slave, người ta sử dụng một chip kết hợp, gọi là transceiver. Các chip này đóng vai trò ghép nối và thường là các thiết bị 3 trạng thái, cho phép có thể ở trạng thái thứ ba: hở mạch (còn gọi là thả nổi). Giống như MPU, bus có các đường địa chỉ, đường số liệu và đường điều khiển. Tuy nhiên không nhất thiết phải có ánh xạ một - một giữa các tín hiệu ở các chân ra của MPU và các đường dây của bus. Những vấn đề quan trọng nhất liên quan đến thiết kế bus là: Nhịp đồng hồ bus (sự phân chia thời gian, hay còn gọi là bus cloking), cơ chế trọng tài bus (bus arbitration), xử lý ngắt và xử lý lỗi. Các bus có thể được chia theo nghi thức truyền thông tin thành hai loại riêng biệt là bus đồng bộ và bus không đồng bộ phụ thuộc vào việc sử dụng nhịp đồng hồ bus. II.2. Bus đồng bộ (Synchronous bus) Bus đồng bộ có một đường dây điều khiển bởi một bô dao động thạch anh, tín hiệu trên đường dây này có dạng sóng vuông, với tần số thường nằm trong khoảng 5MHz - 50 MHz. Mọi hoạt động bus xảy ra trong một số nguyên lần chu kỳ này và được gọi là chu kỳ bus. Giản đồ thời gian của một bus đồng bộ với tần số đồng hồ là 4MHz, như vậy chu kỳ bus là 250nS. Photocopyable 42
45. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa - T1 bắt đầu bằng sườn lên của tín hiệu đồng hồ , trong một phần thời gian của T1, MPU đặt địa chỉ của byte cần đọc lên bus địa chỉ. Sau khi tín hiệu địa chỉ được thiết lập giá trị mới, MPU đặt các tín hiệu MREQ và RD tích cực. Tín hiệu MREQ (memory request, truy cập bộ nhớ) chứ không phải thiết bị I/O; còn tín hiệu RD (Read) chọn Read. - T2 là thời gian cần thiết để bộ nhớ giải mã địa chỉ và đưa dữ liệu lên bus dữ liệu. - T3 tại sườn xung xuống của T3, MPU nhận dữ liệu trên bus dữ liệu, chứa vào thanh ghi bên trong MPU và chốt dữ liệu. Sau đó MPU đảo các tín hiệu MREQ và RD. Như vậy đã kết thúc một thao tác đọc, tại chu kỳ máy tiếp theo MPU có thể thực hiện một thao tác khác. - TAD : theo giản đồ thời gian, TAD 110ns, đây là thông số do nhà sản xuất đảm bảo, MPU sẽ đưa ra tín hiệu địa chỉ không chậm hươn 110ns tính từ thời điểm giữa sườn lên của T1. - TDS : Giá trị nhỏ nhất là 50ns, thông số này cho phép dữ liệu được đưa ra ổn định trên bus dữ liệu ít nhất là 50ns trước thời điểm giữa sườn xuống của T3. Yêu cầu về thời gian này đảm bảo cho MPU đọc dữ liệu liệu tin cậy. Khoảng thời gian bắt buộc đối với TAD và TDS cũng nói lên rằng, trong trường hợp xấu nhất, bộ nhớ chỉ có 250 + 250+ 125 - 110 - 50 = 465ns tính từ thời điểm có tín hiệu địa chỉ cho tới khi nó đưa dữ liệu ra bus địa chỉ. Nếu bộ nhớ không đáp ứng đủ nhanh, nó cần phải phát tín hiệu xin chờ WAIT trước sườn xuống của T2. Thao tác này đưa thêm vào một trạng thái chờ (wait state), khi bộ nhớ đã đưa ra dữ liệu ổn định, nó sẽ đảo tín hiệu WAIT thành WAIT. - TML: Đảm bảo rằng tín hiệu địa chỉ sẽ được thiết lập trước tín hiệu MREQ ít nhất là 60ns. Khoảng thời gian này là quan trọng nếu tín hiệu MREQ điều khiển sự tạo ra tín hiệu chọn chip CS, bởi vì một số chip nhớ đòi hỏi phải nhận được tín hiệu địa chỉ trước tín hiệu chọn chip. Như vậy không thể chọn chip nhớ với thời gian thiết lập là 75ns. - TM, TRL: Các giá trị bắt buộc đối với 2 đại lượng này có ý nghĩa là cả hai tín hiệu MREQ và RD sẽ là tích cực trong khoảng thời gian 85ns tính từ thừi điểm xuống của xung đồng hồ T1. Trong trường hợp xấu nhất, chip nhớ chỉ có 250 + 250 - 85- 50 = 365ns sau khi hai tín hiệu trên là tích cực để đưa dữ liệu ra bus. Sự bắt buộc về thời gian này bổ sung thêm sự bắt buộc thời gian với tín hiệu đồng hồ. - TMH, TRH: Hai đại lượng này cho biết cần có bao nhiêu thời gian để các tín hiệu MREQ và RD sẽ được đảo sau khi dữ liệu đã được MPU đọc vào. - TDH: Cho biết bộ nhớ cần phải lưu dữ liệu bao lâu trên bus sau khi tín hiệu RD đã đảo. Photocopyable 43
46. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Block Transfer, truyền tải khối dữ liệu. Ngoài các chu kỳ đọc/ ghi, một số bus đồng bộ còn hỗ trợ truyền dữ liệu theo khối. Khi một thao tác đọc/ ghi bắt đầu, bus master báo cho slave biết có bao nhiêu byte cần truyền đi, sau đó slave sẽ liên tục đưa ra mỗi chu kỳ một byte, cho đến khi đủ số byte được thông báo. Như vậy, khi đọc dữ liệu theo khối, n byte dữ liệu cần n+2 chu kỳ, thay cho 3n chu kỳ như trước. Cách khác làm cho bus truyền dữ liệu nhanh hơn là làm cho các chu kỳ ngắn lại. Trong ví dụ trên, mỗi byte được truyền đi trong 750ns, vậy bus có dải thông là 1.33MBs. Nếu xung đồng hồ là 8MHz, thời gian một chu kỳ chỉ còn một nửa, giải thông sẽ là 2.67MBs. Tuy vậy việc giảm chu kỳ bus dẫn đến các khó khăn về mặt kỹ thuật, các bit tín hiệu truyền trên các đường dây khác nhau trong bus không phải luôn có cùng vận tốc, dẫn đến một hiệu ứng, gọi là bus skew. Khi nghiên cứu về bus cần phải quan tâm đến vấn đề tín hiệu tích cực nên là mức thấp hay mức cao. Điều này tuỳ thuộc vào người thiết kế bus xác định mức nào là thuận lợi hơn. Bảng 5.1. Giá trị của một số thông số thời gian Ký hiệu Tham số Min Max TAD Thời gian trễ của tín hiệu địa chỉ 110 TML Thời gian địa chỉ ổn định trước tín hiệu 60 MREQ TM Thời gian trễ của MREQ so với sườn xuống 85 của tín hiệu đồng hồ T1 TRL Thời gian trễ của RD so với sườn xuống của 85 tín hiệu đồng hồ T1 TDS Thời gian thiết lập dữ liệu trước sườn xuống 50 của tín hiệu đồng hồ T3 TMH Thời gian trễ của MREQ so với sườn xuống 85 của tín hiệu đồng hồ T3 TRH Thời gian trễ của RD so với sườn xuống của 85 tín hiệu đồng hồ T3 TDH Thời gian lưu trữ dữ liệu từ lúc đảo tín hiệu 0 RD II.3. Bus không đồng bộ (asynchronous bus). Photocopyable 44
47. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Bus không đồng bộ không sử dụng một xung đồng hồ định nhịp. Chu kỳ của nó có thể kéo dài tuỳ ý và có thể khác nhau đối với các cặp thiết bị trao đổi tin khác nhau. Làm việc với bus đồng bộ dễ dàng hơn do nó được định thời một cách gián đoạn, tuy vậy chính đặc điểm này cũng dẫn đến nhược điểm. Thứ nhất là: mọi công việc được tiến hành trong những khoảng thời gian là bội số nhịp đồng hồ bus, nếu một thao tác nào đó của CPU hay bộ nhớ có thể hoàn thành trong 3,2 chu kỳ thì nó sẽ phải kéo dài thành 4 chu kỳ. Điều hạn chế lớn nữa là đã chọn chu kỳ bus và đã xây dựng bộ nhớ, I/O Card cho bus này thì khó có thể tận dụng được được những tiến bộ của công nghệ. Chẳng hạn sau khi đã xây dựng bus với sự định thời như trên, công nghệ mới đưa ra các chip CPU và chip nhớ có thời gian chu kỳ là 100ns (thay cho 250ns như cũ), chúng vẫn cứ phải chạy với tốc độ thấp như các CPU và chip nhớ loại cũ, bởi vì nghi thức bus đòi hỏi chip nhớ phải đưa ra dữ liệu và ổn định dữ liệu ngay trước thời điểm ứng với sườn xuống của T3. Nếu có nhiều thiết bị khác nhau nối với một bus, trong đó có một số thiết bị có thể hoạt động nhanh hơn các thiết bị khác thì cần phải đặt bus hoạt động phù hợp với thiết bị chậm nhất. Bus không đồng bộ ra đời nhằm khắc phục các nhược điểm của bus đồng bộ. Hình 5.3 minh hoạ sự hoạt động của bus không đồng bộ, trong đó master yêu cầu đọc bộ nhớ. Trước hết master cần phát ra địa chỉ nhớ mà nó muốn truy cập, sau đó phát tín hiệu MREQ tích cực để báo rằng nó muốn truy cập bộ nhớ chứ không phải cổng I/O. Tín hiệu này là cần thiết vì bộ nhớ và các cổng I/O đều có thể dùng chung một miền địa chỉ. Tiếp theo master phải phát tín hiệu RD tích cực để bên slave biết rằng master sẽ thực hiện thao tác đọc chứ không phải là thao tác ghi. Các tín hiệu MREQ và RD được đưa ra sau tín hiệu định địa chỉ bao lâu tuỳ thuộc vào tốc độ của master. Sau khi hai tín hiệu này đã ổn định, master sẽ phát tín hiệu đặc biệt, là MSYN (Master SYNchronization) ở mức tích cực để báo cho slave biết rằng các tín hiệu cần thiết đã sẵn sàng trên bus, slave có thể nhận lấy. Khi slave nhận các tín hiệu này, nó sẽ thực hiện công việc với tốc độ nhanh nhất có thể được (nhanh chóng đưa dữ liệu của ô nhớ yêu cầu lên bus dữ liệu). Khi hoàn thành, slave sẽ phát tín hiệu SSYN (Slave SYNchronization) tích cực. Khi master nhận được tín hiệu SSYN tích cực, nó biết rằng dữ liệu của slave đã sẵn sàng và thực hiện việc chốt dữ liệu, sau đó đảo các đường địa chỉ cũng như các tín hiệu MREQ và RD và MSYN . Khi slave nhận được sự đảo tín hiệu MSYN thành không tích cực, nó biết rằng một chu kỳ đã kết thúc và đảo tín hiệu SSYN . Bây giờ bus lại trở lại Photocopyable 45
48. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa trạng thái ban đầu, mọi tín hiệu đều là không tích cực, tất cả sẵn sàng chờ bus master mới. Trên giản đồ thời gian của bus không đồng bộ, ta sử dụng mũi tên để thể hiện nguyên nhân và kết quả. Việc đưa MSYN lên mức tích cực dẫn đến việc truyền dữ liệu ra bus dữ liệu và đồng thời cũng dẫn đến việc slave phát ra tín hiệu SSYN tích cực. Đến lượt mình, tín hiệu SSYN lại gây ra sự đảo mức của các đường địa chỉ, MREQ và RD và MSYN . Cuối cùng sự đảo mức của MSYN lại gây ra sự đảo mức tín hiệu SSYN và kết thúc một chu kỳ đọc. Full handshake. Tập các tín hiệu phối hợp với nhau như vậy được gọi là Full handshake, nó chủ yếu gồm có 4 sự kiện sau: 1. MSYN được đặt lên mức tích cực. 2. SSYN được đặt tích cực để đáp lại tín hiệu MSYN 3. MSYN được đảo để đáp lại tín hiệu SSYN 4. SSYN được đảo để đáp lại tín hiệu MSYN thành không tích cực. Ta có thể nhận thấy Full handshake là quan hệ nhân quả, độc lập với thời gian. Nếu một cặp master-slave nào đó hoạt động chậm hoặc thời gian bị kéo dài thì cặp master-slave kế tiếp không hề bị ảnh hưởng. Tuy ưu điểm của bus không đồng bộ rất rõ ràng, nhưng trong thực tế phần lớn các bus đang được sử dụng là loại bus đồng bộ. Lý do căn bản là các hệ thống sử dụng bus đồng bộ là dễ thiết kế hơn. CPU chỉ cần chuyển các mức tín hiệu cần thiết sang trạng thái tích cực là các chip nhớ đáp ứng ngay, không cần tín hiệu phản hồi. Chỉ cần các chip được chọn phù hợp thì mọi hoạt động đều trôi chảy. III. Trọng tài bus (bus arbitration). Trong hệ thống máy tính không phải chỉ có CPU làm bus master, thực tế các chip I/O cũng có lúc phải làm chủ bus để có thể đọc hoặc ghi vào bộ nhớ và để gọi ngắt; các bộ đồng xử lý cũng có thể làm chủ bus. Như vậy cần phải giải quyết vấn đề tranh chấp khi có từ hai thiết bị trở lên đồng thời muốn làm chủ bus. Để giải quyết vấn đề này cần có một cơ chế trọng tài để tránh sự xung đột. Cơ chế trọng tài có thể là tập trung hoặc không tập trung. III.1 Trọng tài bus tập trung Hình 5.4 là một ví dụ đơn giản về trọng tài bus tập trung. ở đây, một trọng tài bus duy nhất sẽ quyết định thiết bị nào được là chủ bus tiếp theo. Nhiều bộ VXL có đơn vị trọng tài bus được thiết kế ngay trong chip VXL, trong một số máy tính mini, đơn vị trọng tài bus nằm ngoài CPU. Photocopyable 46
49. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Theo cơ chế này, trọng tài chỉ có thể biết là có yêu cầu chiếm dụng bus hay không, chứ không biết có bao nhiêu đơn vị muốn chiếm bus. Khi trọng tài bus nhận được một yêu cầu, nó sẽ phát ra một tín hiệu cho phép trên đường dây bus grant (cho dùng bus). Đường dây này nối qua tất cả các thiết bị vào/ ra theo kiểu nối tiếp. Khi thiết bị nằm gần trọng tài nhất nhận được tín hiệu cho phép, nó sẽ kiểm tra xem có phải chính nó đã phát yêu cầu chiếm bus không? Nếu đúng thì nó sẽ chiếm lấy bus và không truyền tiếp tín hiêuh cho phép trên đường dây. Nếu nó kiểm tra thấy không phải là yêu cầu của mình thì tiếp tục truyền tín hiệu cho phép tới thiết bị kế tiếp trên đường dây. bus request Bus arbittrtion Device 1 Device 2 Device 3 Device 4 Hình 5.4. Trọng tài bus tập trung có một mức, mắc nối tiếp. Một số loại bus có nhiều mức độ ưu tiên, với mỗi mức ưu tiên có một đường dây yêu cầu bus và một đường dây cho chiếm bus. Hình 5.5 là một ví dụ về bus có hai mức (các bus trong thực tế thường có 4, 8 hay 16 mức). Mỗi thiết bị trong hệ thống máy tính nối với một trong các mức yêu cầu bus, các thiết bị thường được sử dụng hơn được gắn với đường dây có mức ưu tiên cao hơn. bus request Bus arbittrtion Device 1 Device 2 Device 3 Device 4 Photocopyable 47
50. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Hình 5.5. Trọng tài bus tập trung có hai mức, mắc nối tiếp. Nếu có một số thiết bị ở các mức ưu tiên khác nhau cùng yêu cầu, trọng tài bus sẽ chỉ phát tín hiệu cho phép đối với yêu cầu có mức ưu tiên cao nhất. Trong số các thiết bị có cùng mức ưu tiên, thiết bị gần trọng tài bus hơn sẽ có quyền ưu tiên cao hơn. Một số trọng tài bus có đường dây thứ ba nối tới các thiết bị để các thiết bị xác nhận việc nhận được tín hiệu cho phép và chiếm dụng bus, gọi là đường dây biên nhận acknowledgement (ACK). Ngay sau khi một thiết bị phát tín hiệu tích cực trên đường dây ACK, trọng bus có thể đảo tín hiệu trên các đường dây trên các đường dây yêu cầu bus và cho phép dùng bus thành mức không tích cực. Kết quả là các thiết bị khác có thể đòi hỏi chiếm dụng bus trong khi thiết bị đầu tiên đang dùng bus. Khi kết thúc phiên làm việc hiện thời, bus master kế tiếp sẽ được lựa chọn. Cách làm việc như vậy làm tăng hiệu quả sử dụng bus, nhưng cần thêm một đường truyền tín hiệu ACK và cấu trúc của các thiết bị cũng phức tạp hơn. Các chip của Motorola sử dụng các bus loại này. III.2 Trọng tài bus không tập trung Trong cơ chế trọng tài bus không tập trung, không cần sử dụng một đơn vị riêng làm trọng tài bus, nhờ vậy giảm được giá thành phần cứng. Trong một số loại máy tính khác nhau, người ta đã sử dụng một vài kiểu trọng tài bus theo cơ chế này. Trọng tài bus không tập trong trong multibus Trong Multibus, người ta cho phép có thể lựa chọn cơ chế trọng tài bus không tập trung hoặc không tập trung, cơ chế trọng tài bus không tập trung được thực hiện theo sơ đồ trên hình 5.6 bus request bus busy bus arbitration I O I O I O I O Device 1 Device 2 Device 3 Device 4 Photocopyable 48
51. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Hình 5.6. Trọng tài bus không tập trung trong Multibus. Người ta chỉ sử dụng 3 đường dây, không phụ thuộc vào số lượng thiết bị nối với bus. Bao gồm: + Yêu cầu chiếm dụng bus (bus request) + Trạng thái bus (bus busy), được bus master đặt ở mức tích cực + Trọng tài bus, được mắc nối tiếp qua các thiết bị Khi không có thiết bị nào yêu cầu chiếm bus, đường dây trọng tài bus truyền mức tích cực tới tất cả các thiết bị. Khi một đơn vị nào đó muốn chiếm dụng bus, đầu tiên nó kiểm tra bus có rỗi không và kiểm tra đầu vào của đường trọng tài bus, nếu thấy có điện áp IN = 5V thì nó có thể xin bus bằng cách đưa tín hiệu yêu cầu bus (Request) và xoá tín hiệu OUT, tức là đặt OUT = 0V. Do đó các thiết bị ưu tiên thấp hơn sẽ không xin được bus. Lúc này nó trở thành bus master. IV. Xử lý ngắt Một chức năng quan trọng của bus là xử lý ngắt. Khi CPU ra lệnh cho một thiết bị trong máy tính thực hiện việc đọc, ghi hay xử lý tin, nó thường chờ đợi tín hiệu ngắt do thiết bị I/O phát ra khi hoàn thành công việc được CPU yêu cầu. Khi nhận được tín hiệu ngắt, CPU đáp ứng ngay, đó có thể là việc nhận dữ liệu do thiết bị I/O chuyển về, cũng có thể là việc tiếp tục gửi dữ liệu tới thiết bị I/O hoặc CPU sử dụng bus cho một thao tác khác . Như vậy chính ngắt phát ra tín hiệu yêu cầu bus. Vì có thể có nhiều thiết bị ngoại vi cùng phát tín hiệu ngắt, cho nên cũng cần có một cơ chế trọng tài giống như đối với các bus thông thường. Giải pháp thường dùng là gán các mức độ ưu tiên cho các thiết bị và sử dụng một trọng tài tập trung để trao quyền ưu tiên cho các thiết bị và sử dụng một trongh tài tập trung để trao quyền ưu tiên cho các thiết bị quan trọng thường xuyên được sử dụng. V. Một số bus thông dụng V.1 Bus IBM PC Đây là ví dụ điển hình về một loại bus được sử dụng trong các hệ thống thương mại, nó được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống vi xử lý dựa trên chip 8088. Hầu hết họ PC, kể cả các máy tương thích đều sử dụng bus này. Photocopyable 49
52. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Chính bus IBM PC tạo nên cơ sở cho bus IBM PC/AT và nhiều loại bus khác. Bus này có 62 đường dây, trong đó có 20 đường địa chỉ, 8 đường số liệu và các đường tín hiệu khác. Được liệt kê trong bảng 5.1 Về mặt vật lý, bus IBM PC được thiết kế ngay trên bo mạch chính và có khoảng gần chục đầu nối dạng khe cắm (slot) để cắm các card mở rộng, trên mỗi khe cắm có 62 chân được chia thành hai hàng. Tín hiệu Số In Out giải thích dây OSC 1 x Chân dao động (14,31818 MHz) CLK 1 x Xung đồng hồ (4,77 MHHz) RESET 1 x Tín hiệu reset CPU và các thiết bị I/O A0 - A9 20 x Các đường dây địa chỉ D0 - D7 8 x Các đường truyền dữ liệu ALE 1 x Chốt địa chỉ (MEMR) 1 x Đọc bộ nhớ (MEMW) 1 x Ghi vào bộ nhớ (IOR) 1 x Đọc cổng I/O (IOW) 1 x Ghi ra cổng I/O AEN 1 x Adress ENable, yêu cầu bus địa chỉ (IOCHCHK) 1 x I/O Chanel Check IOCHRDY 1 x I/O Chanel Ready IRQ2 - IRQ7 6 x Các đường yêu cầu ngắt DRQ1 - DRQ3 3 x DMA Request DACK0 - 4 x DMA Acknowleage DACK3 T/C 1 x Terminal/Count Power 5 GND 3 Reserved 1 Tín hiệu đồng hồ OSC và CLK Các máy IBM PC đầu tiên sử dụng các phần tử dao động thạch anh, ở tần số 14,31818 MHz, tần số này được chọn phải thoả mãn việc tạo ra tín hiệu đồng bộ màu hệ NTSC. Tần số này cao hơn so với chuẩn 8088 (tần số cực đại là 5 MHz), do đó nó được chia ba thành 4,77MHz. Tần số 4,77 MHz được dùng làm đồng hồ chính để xác định chu kỳ bus. Tín hiệu tần số 4,77 MHz cũng có trên bus IBM PC và ký hiệu là CLK. Tín hiệu này không cân xứng như tín hiệu đông hồ 14,31818 MHz mà trong một chu kỳ bao gồm 2/3 thời gian ở mức thấp và 1/3 thời gian ở mức cao. Photocopyable 50
53. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Tín hiệu reset Tín hiệu RESET trên bus do chip 8284A tạo ra. Để RESET CPU, các mạch điện bên ngoài gửi tín hiệu tới 8284A, nó sẽ đặt tín hiệu reset lên mức tchs cực, buộc CPU và các thiết bị I/O khở tạo lại. Các đường địa chỉ và dữ liệu CPU không nối trực tiếp với các đường địa chỉ và đương số liệu của bus, mà thông qua các chip khác. Các đường địa chỉ được chốt bằng cách dùng 3 chip 74LS373, mỗi chip là một bộ 8 thanh ghi chốt, tuy nhiên chỉ sử dụng 20 trong số 24 đường có thể. Các đường dữ liệu sẽ được lấy mẫu (đọc nhanh giá trị) hoặc cung cấp giá trị trong những thời gian xác định, như trong sườn dương của một tín hiệu đồng hồ nào đó, vì vậy không cần chốt. Các đường dữ liệu của bus được điều khiển bởi bus transceiver (chip 74LS245). Chân DIR xác định hướng của tín hiệu là đi đến hay đi ra từ CPU. Lý do chính của việc nối các chân của MPU với bên ngoài thông qua các bộ đệm chính là vì nó được chế tạo theo công nghệ MOS, CPU không có khả năng cung cấp đủ dòng để điều khiển tất cả các phần tử nối với bus. Các chip làm bộ đệm dùng công nghệ TTL có khả năng cung cấp đủ dòng cho cả các thiết bị nối với bus. Ngoài ra còn lý do khác là, khi có một thiết bị nào đó khác CPU muốn trở thành bus master (như DMAC), CPU cần phải thả nổi các bus. Phương pháp đơn giản nhất được áp dụng là thiết bị đó phải phát tín hiệu AEN (Address ENable) để đảo tín hiệu cho phép đưa ra trên các thanh ghi chốt và transceiver, làm cho các bus được thả nổi. Tín hiệu ALE (Address Latch Enable) Tín hiệu ALE được đặt mức tích cực khi CPU đang điều khiển các đường tín hiệu địa chỉ, cho phép các chip 74LS373 biết khi nào cần chốt địa chỉ lại. Tín hiệu này củ bus cũng cho bộ nhớ và các chip I/O biết khi nào các tín hiệu trên bus địa chỉ là hợp lệ. Các đường tín hiệu MEMR , MEMW , IOR , IOW Để điều khiển việc đọc/ ghi vào bộ nhớ hoặc các thiết bị vào/ra. Nhờ các tín hiệu này, bus cung cấp hai thông gian địa chỉ riêng biệt, một cho MEM và một cho I/O. Bộ nhớ sẽ không phản ứng khi thấy tín hiệu IOR , IOW ở mức tích cực. CPU sử dụng các tín hiệu S0- S2 đưa vào chip điều khiển bus 8288 để tạo ra các tín hiệu MEMR , MEMW , IOR , IOW cùng với tín hiệu ALE. Chip điều khiển bus cũng nhận tín hiệu điều khiển ANE từ bus, tín hiệu này do một thiết bị muốn trở thành bus master đưa ra, khi nhận được tín hiệu ANE, chip Photocopyable 51
54. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa điều khiển bus sẽ phát tín hiệu điều khiển các chip chốt địa chỉ nà chip bus transceiver thả nổi bus. Tín hiệu IOCHCHK (I/O CHanel CHeck) Tín hiệu này sẽ tích cực khi có lỗi chẵn /lẻ bị phát hiện trên bus. Tín hiệu này sẽ tác động mmọt ngắt NMI. Tín hiệu IOCHRDY (I/O CHanel ReaDY) Tín hiệu này do bộ nhớ đưa ra khi tốc độ hoạt động của nó thấp, yêu cầu CPU cho thêm một số chu kỳ để đợi, bằng cách chèn wait states vào các chu kỳ đọc/ghi bộ nhớ. Các tín hiệu IRQ2-IRQ7. Là các tín hiệu do các thiết bị ngoại vi đưa ra, đưa đến chip điều khiển ngắt 8259A. Khi có tín hiệu gửi đến chip điều khiển ngắt, nó sẽ kiểm soát các tín hiệu này và đưa ra một tín hiệu yêu cầu ngắt tới CPU và đặt số hiệu vectơ ngắt lên đường dữ liệu khi CPU cần đến. IRQ0 thường được mạch đồng hồ và IRQ1 được bàn phím sử dụng. Các tín hiệu liên quan đến DMA Các tín hiệu còn lại nói chung liên quan đến hoạt động DMA, chẳng hạn khi CPU yêu cầu ổ đĩa đọc một khối dữ liệu, mạch điều khiển ổ đĩa sẽ chờ nhận được byte đầu tiên từ ổ đĩa đưa ra, sau đó phát ra một yêu cầu trở thành bus master để ghi byte đó vào bộ nhớ. Chip 8237A được INTEL thiết kế nhằm quản lý các nghi thức bus và thực hiện DMA trong đó có việc taưng địa chỉ bộ nhớ và giảm con đếm sau khi truyền mỗi byte. Việc này nó thực hiện thay cho các thiết bị I/O, giúp giảm giá thành của chúng. Về căn bản, chip 8237A là một CPU nhỏ, có các chương trình được ghi sẵn bên trong. Khi 8088 muốn bắt đầu hoạt động DMA đối với một thiết bị ngoại vi nào đó, nó nạp số hiệu vào thiết bị, địa chỉ ô nhớ, số byte, hướng truyền và các thông tin khác vào các thanh ghi bên trong 8237A. Khi chip điều khiển đã sẵn sàng đọc hoặc ghi byte đầu tiên, nó đặt mức tích cực lên một trong các đường DRQ của bus để đưa vào chip 8237A. Khi nhận được tín hiệu, 8237A đòi chiếm bus và sẵn sàng truyền một byte. Chip 8237A phát tín hiệu DACK tới chip điều khiển báo cho nó biết hãy ghi hoặc đọc byte của mình (trong thao tác đọc hoặc ghi tương ứng). Trong khoảng một chu kỳ này, chip 8237A điều khiển hoạt động của bus như một bus master. Chip 8237A có 4 kênh độc lập và có thể quản lý đồng thời 4 đường truyền. Tín hiệu T/C (Terminal/Count) Photocopyable 52
55. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa Đường T/C được chip 8237A đặt mức tích cực khi con đếm byte (byte count) bàng 0, báo cho bộ điều khiển I/O biết rằng công việc yêu cầu đã hoàn tất, đã đến lúc báo hiệu cho 8258A gọi ngắt tới CPU. V.2. Bus IBM PC/AT Bus IBM PC/AT là bước phát triển tiếp theo của thế hệ bus IBM PC nhằm phát huy được những khả năng hơn hẳn của bộ VXL 80286 so với 8088 trước nó. Với bus địa chỉ 24 dây, có khả năng đánh địa chỉ cho 224 = 16MB bộ nhớ và có bus dữ liệu 16 bit. Với giải pháp mở rộng PC bus, bổ sung thêm vào các khe cắm cũ một đoạn khe cắm ngắn, trên đó có 36 dây tín hiệu, tăng thêm cho bus địa chỉ 4 dây, bus dữ liệu 8 dây, các đường yêu cầu ngắt, kênh DMA, . Nhờ vậy các card mở rộng trước đây vẫn dùng cho IBM PC có thể dùng cho IBM PC/AT. Ngoài việc mở rộng bus, tần số tín hiệu đồng hồ bus cũng được tăng từ 4,77 MHz ở PC bus thành 8MHz, nhờ đó tốc độ truyền thông trên bus cũng tăng lên nhiều. Năm 1991 tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) đã đưa ra tiêu chuẩn quốc tế cho bus của máy AT, gọi là bus ISA (Industrial Standard Architecture) Các nhà sản xuất PC khác đã đưa ra một chuẩn khác, đó là bus EISA (Extended ISA), về căn bản bus này là sự mở rộng bus PC/AT thành 32 bit, giữ nguyên tính tương thích với các máy tính và các card mở rộng đã có. ở thế hệ PS/2, thế hệ sau của IBM PC/AT một bus hoàn toàn mới được áp dụng, bus Micro chanel. V.3. Bus PCI Vào đầu năm 1992, Intel đã thành lập nhóm công nghệ mới. Nhằm nghiên cứu cải thiện các đặc tính kỹ thuật và những hạn chế của các bus hiện có như: bus ISA, bus EISA. PCI (Peripheral Component Interconnect, liên kết các thành phần ngoại vi). Định chuẩn bus PCI đã được đưa ra vào tháng 6 năm 1992 và được cập nhật vào tháng 4 năm 1993, đã thiết kế lại bus PC truyền thống bằng cách bổ sung thêm một bus khác vào giữa CPU và bus I/O. Bus PCI thường được gọi là bus mezzanine vì nó bổ sung thêm một tầng khác vào cấu hình bus truyền thống. PCI bỏ qua bus I/O tiêu chuẩn, nó sử dụng bus hệ thống để tăng tốc độ đồng hồ bus lên và khai thác hết lợi thế của đường dẫn dữ liệu của CPU. Thông tin được truyền qua bus PCI ở 33MHz và độ rộng dữ liệu đầy đủ của CPU. Khi bus ấy được sử dụng để nối với CPU 32 bit, dải thông là 132 MBit/s, được tính theo công thức: 33MHz*32bit/8 = 132MBit/s. Khi bus ấy được sử dụng với những hệ thống bổ sung 64 bit, dải thông tăng gấp đôi, nghĩa Photocopyable 53
56. Giáo trình Kiến trúc máy tính Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ô Như Khoa là tốc đọ truyền dữ liệu đạt tới 264MBs. Lý do chíng mà bus PCI đã tăng tốc độ nhanh hơn các bus khác là nó có thể hoạt động đồng thời với bus vi xử lý. CPU có thể được xử lý dữ liệu trong các cache ngoại trú, trong khi bus PCI phải truyền thông tin liên tục giữa các thành phần khác của hệ thống, đây là ưu điểm thiết kế chính của bus PCI. Định chuẩn PCI có ba cấu hình, mỗi cấu hình được thiết kế cho một kiểu hệ thống riêng biệt với những quy định nguồn riêng. Định chuẩn 5V cho những hệ thống máy tính văn phòng, định chuẩn 3,3V cho các hệ thống máy tính xách tay và những định chuẩn chung cho những bo mẹ và các cạc hoạt động trong hai kiểu ấy. V.4. Bus nối tiếp chung USB Bus USB (Universal Serial Bus) là một công nghệ bus mới đầy triển vọng, nhanh chóng phổ biến trong những thế máy tính ngày nay. Chủ yếu USB là cáp cho phép nối lên tới 127 thiết bị bằng cách sử dụng chuỗi xích. Tuy nhiên nó truyền dữ liệu không nhanh bằng FireWire, ở tốc độ 12MBs nó có khả năng đáp ứng cho hầu hết các thiết bị ngoại vi. Định chuẩn USB được đưa ra vào năm 1996 do một hội đồng gồm những đại diện của các nhà sản xuất máy tính lớn như Compaq, Digital, IBM, NEC và Northen Telecom. Một ưu điểm nổi bật của USB là những thiết bị ngoại vi tự nhận dạng, một đặc trưng hết sức thuận lợi cho việc cài đặt, xác lập các thiết bị ngoại vi. Đặc trưng này hoàn toàn tương thích với những công nghệ PnP và cung cấp tiêu chuẩn công nghệ cho kết nối tương lai. Hơn nữa, những thiết bị USB có khả năng cắm nóng. Photocopyable 54