Giáo trình Kiến trúc máy tính - Ngô Như Khoa (Phần 1)

Gi¸o tr×nh KiÕn tróc m¸y tÝnh

Ng« Nh- Khoa

Ch-¬ng I. Giíi thiÖu chung vÒ kiÕn tróc m¸y tÝnh.

I. Kh¸i niÖm vÒ kiÕn tróc m¸y tÝnh

KiÕn tróc m¸y tÝnh (Computer architecture) lµ mét kh¸i niÖm trõu t-îng cña

mét hÖ thèng tÝnh to¸n d-íi quan ®iÓm cña ng-êi lËp tr×nh hoÆc ng-êi viÕt ch-¬ng

tr×nh dÞch.

Nãi c¸ch kh¸c, kiÕn tróc m¸y tÝnh ®-îc xem xÐt theo khÝa c¹nh mµ ng-êi lËp

tr×nh cã thÓ can thiÖp vµo mäi møc ®Æc quyÒn, bao gåm c¸c thanh ghi, « nhí c¸c

ng¾t ... cã thÓ ®-îc th©m nhËp th«ng qua c¸c lÖnh.

II. LÞch sö ph¸t triÓn cña m¸y tÝnh.

ChiÕc m¸y tÝnh ®iÖn tö ®Çu tiªn lµ ENIAC ®-îc ra ®êi n¨m 1946, ®-îc chÕ

t¹o tõ nh÷ng ®Ìn ®iÖn tö, r¬le ®iÖn tö vµ c¸c chuyÓn m¹ch c¬ khÝ.

LÞch sö ph¸t triÓn cña m¸y tÝnh ®iÖn tö cã thÓ chia lµm bèn thÕ hÖ nh- sau:

- ThÕ hÖ 1: (1945-1955). M¸y tÝnh ®-îc x©y dùng trªn c¬ së ®Ìn ®iÖn tö mµ mçi

®Ìn t-îng tr-ng cho 1 bit nhÞ ph©n. Do ®ã m¸y cã khèi l-îng rÊt lín, tèc ®é chËm

vµ tiªu thô ®iÖn n¨ng lín. Nh- m¸y ENIAC cã khèi l-îng 30 tÊn, tiªu thô c«ng suÊt

140KW.

- ThÕ hÖ thø 2: (1955-1965). M¸y tÝnh ®-îc x©y dùng trªn c¬ së lµ c¸c ®Ìn b¸n

dÉn (transistor), m¸y tÝnh ®Çu tiªn thÕ hÖ nµy cã tªnlµ TX-0 (transistorized

experimental computer 0).

- ThÕ hÖ thø ba: (1965-1980). M¸y tÝnh ®-îc x©y dùng trªn c¸c vi m¹ch cì nhá

(SSI) vµ cì võa (MSI), ®iÓn h×nh lµ thÕ hÖ m¸y System/360 cña IBM. ThÕ hÖ m¸y

tÝnh nµy cã nh÷ng b-íc ®ét ph¸ míi nh- sau:

- TÝnh t-¬ng thÝch cao: C¸c m¸y tÝnh trong cïng mét hä cã kh¶ n¨ng ch¹y

c¸c ch-¬ng tr×nh, phÇn mÒm cña nhau.

- §Æc tÝnh ®a ch-¬ng tr×nh: T¹i mét thêi ®iÓm cã thÓ cã vµi ch-¬ng tr×nh n»m

trong bé nhí vµ mét trong sè ®ã ®-îc cho ch¹y trong khi c¸c ch-¬ng tr×nh kh¸c

chê hoµn thµnh c¸c thao t¸c vµo/ra.

- Kh«ng gian ®Þa chØ rÊt lín.

- ThÕ hÖ thø t-: (1980- ). M¸y tÝnh ®-îc x©y dùng trªn c¸c vi m¹ch cì lín (LSI)

vµ cùc lín (VLSI).

§©y lµ thÕ hÖ m¸y tÝnh sè ngµy nay, nhê c«ng nghÖ b¸n dÉn ph¸t triÓn v-ît

bËc, mµ ng-êi ta cã thÓ chÕ t¹o c¸c m¹ch tæ hîp ë møc ®é cùc lín. Nhê ®ã m¸y

tÝnh ngµy cµng nhá h¬n, nhÑ h¬n, m¹nh h¬n vµ gi¸ thµnh rÎ h¬n. M¸y tÝnh c¸ nh©n

b¾t ®Çu xuÊt hiÖn vµ ph¸t triÓn trong thêi kú nµy.

Dùa vµo kÝch th-íc vËt lý, hiÖu suÊt vµ lÜnh vùc sö dông, hiÖn nay ng-êi ta

th-êng chia m¸y tÝnh sè thÕ hÖ thø t- thµnh 5 lo¹i chÝnh, c¸c lo¹i cã thÓ trïm lªn

nhau mét phÇn:

Photocopyable

1

Gi¸o tr×nh KiÕn tróc m¸y tÝnh

Ng« Nh- Khoa

- Microcomputer: Cßn gäi lµ PC (personal computer), lµ nh÷ng m¸y tÝnh

nhá, cã 1 chip vi xö lý vµ mét sè thiÕt bÞ ngo¹i vi. Th-êng dïng cho mét ng-êi, cã

thÓ dïng ®éc lËp hoÆc dïng trong m¹ng m¸y tÝnh.

- Minicomputer: Lµ nh÷ng m¸y tÝnh cì trung b×nh, kÝch th-íc th-êng lín

h¬n PC. Nã cã thÓ thùc hiÖn ®-îc c¸c øng dôngmµ m¸y tÝnh cì lín thùc hiÖn. Nã

cã kh¶ n¨ng hç trî hµng chôc ®Õn hµng tr¨m ng-êi lµm viÖc. Minicomputer ®-îc

sö dông réng r·i trong c¸c øng dông thêi gian thùc, vÝ dô trong ®iÒu khiÓn hµng

kh«ng, trong tù ®éng ho¸ s¶n xuÊt.

- Supermini: Lµ nh÷ng m¸y Minicomputer cã tèc ®é xö lý nhanh nhÊt trong

hä Mini ë nh÷ng thêi ®iÓm nhÊt ®Þnh. Supermini th-êng ®-îc dïng trong c¸c hÖ

thèng ph©n chia thêi gian, vÝ dô c¸c m¸y qu¶n gia cña m¹ng.

- Mainframe: Lµ nh÷ng m¸y tÝnh cì lín, cã kh¶ n¨ng hç trî cho hµng tr¨m

®Õn hµng ngµn ng-êi sö dông. Th-êng ®-îc sö dông trong chÕ ®é c¸c c«ng viÖc s¾p

xÕp theo l« lín (Large-Batch-Job) hoÆc xö lý c¸c giao dÞch (Transaction

Processing), vÝ dô trong ng©n hµng.

- Supercomputer: §©y lµ nh÷ng siªu m¸y tÝnh, ®-îc thiÕt kÕ ®Æc biÖt ®Ó ®¹t

tèc ®é thùc hiÖn c¸c phÐp tÝnh dÊu phÈy ®éng cao nhÊt cã thÓ ®-îc. Chóng th-êng

cã kiÕn tróc song song, chØ ho¹t ®éng hiÖu qu¶ cao trong mét sè lÜnh vùc.

Dùa vµo kiÕn tróc cña m¸y tÝnh ng-êi ta còng ph©n m¸y tÝnh ra c¸c lo¹i kh¸c

nhau nh- sau:

- KiÕn tróc SISD (single instruction - single data, ®¬n dßng lÖnh - ®¬n dßng

d÷ liÖu), s¬ ®å nh- h×nh 1-1.

C¸c tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn

lÖnh

Khèi ®iÒu khiÓn

Khèi chÊp hµnh

lÖnh

d÷ liÖu

HÖ thèng nhí

H×nh 1-1: KiÕn tróc m¸y tÝnh SISD.

- KiÕn tróc CIMD (Single Instruction Multiple Data, ®¬n dßng lÖnh- ®a d÷

liÖu), s¬ ®å nh- h×nh 1-2.

Photocopyable

2

Gi¸o tr×nh KiÕn tróc m¸y tÝnh

Ng« Nh- Khoa

C¸c tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn

Khèi ®iÒu khiÓn

lÖnh

Khèi chÊp hµnh 1

Khèi chÊp hµnh 2

d÷ liÖu

Khèi chÊp hµnh n

HÖ thèng nhí

H×nh 1-2: KiÕn tróc SIMD.

- KiÕn tróc MIMD (Multiple Instruction Multiple Data, ®a dßng lÖnh- ®a d÷

liÖu), s¬ ®å nh- h×nh 1-3.

C¸c tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn

Khèi ®iÒu khiÓn 1

lÖnh

Khèi chÊp hµnh 1

Khèi ®iÒu khiÓn n

Khèi chÊp hµnh n

d÷ liÖu

lÖnh

d÷ liÖu

HÖ thèng nhí

H×nh 1-3: KiÕn tróc MIMD.

Photocopyable

3

Gi¸o tr×nh KiÕn tróc m¸y tÝnh

Ng« Nh- Khoa

Ch-¬ng II. BiÓu diÔn th«ng tin trong m¸y tÝnh

I. HÖ nhÞ ph©n (Binary)

I.1. Kh¸i niÖm:

HÖ nhÞ ph©n hay hÖ ®Õm c¬ sè 2 chØ cã hai con sè 0 vµ 1. §ã lµ hÖ ®Õm dùa

theo vÞ trÝ. Gi¸ trÞ cña mét sè bÊt kú nµo ®ã tuú thuéc vµo vÞ trÝ cña nã. C¸c vÞ trÝ cã

träng sè b»ng bËc luü thõa cña c¬ sè 2. ChÊm c¬ sè ®-îc gäi lµ chÊm nhÞ ph©n

trong hÖ ®Õm c¬ sè 2. Mçi mét con sè nhÞ ph©n ®-îc gäi lµ mét bit (BInary digiT).

Bit ngoµi cïng bªn tr¸i lµ bit cã träng sè lín nhÊt (MSB, Most Significant Bit) vµ

bit ngoµi cïng bªn ph¶i lµ bit cã träng sè nhá nhÊt (LSB, Least Significant Bit) nh-

d-íi ®©y:

2³2²2¹2⁰2^-12^-2

MSB 1 0 1 0 . 1 1 LSB

ChÊm nhÞ ph©n

Sè nhÞ ph©n (1010.11)₂cã thÓ biÓu diÔn thµnh:

(1010.11)₂= 1*2³+ 0*2²+ 1*2¹+ 0*2⁰+ 1*2^-1+ 1*2^-2= (10.75)₁₀.

Chó ý: dïng dÊu ngoÆc ®¬n vµ chØ sè d-íi ®Ó ký hiÖu c¬ sè cña hÖ ®Õm.

I.2. BiÕn ®æi tõ nhÞ ph©n sang thËp ph©n

VÝ dô : BiÕn ®æi sè nhÞ ph©n (11001)₂thµnh sè thËp ph©n:

Träng sè vÞ trÝ: 2⁴2³2²2¹2⁰

Gi¸ trÞ vÞ trÝ: 16 8 4 2 1

Sè nhÞ ph©n:

1 1 0 0 1

Sè thËp ph©n: 1*2⁴+ 1*2³+ 0*2²+ 0*2¹+ 1*2⁰= (25)₁₀

I.3. BiÕn ®æi thËp ph©n thµnh nhÞ ph©n

§Ó thùc hiÖn viÖc ®æi tõ thËp ph©n sang nhÞ ph©n, ta ¸p dông ph-¬ng ph¸p chia lÆp

nh- sau: lÊy sè thËp ph©n chia cho c¬ sè ®Ó thu ®-îc mét th-¬ng sè vµ sè d-. Sè d-

®-îc ghi l¹i ®Ó lµm mét thµnh tè cña sè nhÞ ph©n. Sau ®ã, sè th-¬ng l¹i ®-îc chia

cho c¬ sè mét lÇn n÷a ®Ó cã th-¬ng sè thø 2 vµ sè d- thø 2. Sè d- thø hai lµ con sè

nhÞ ph©n thø hai. Qu¸ tr×nh tiÕp diÔn cho ®Õn khi sè th-¬ng b»ng 0.

VÝ dô 1: BiÕn ®æi sè thËp ph©n (29)₁₀thµnh nhÞ ph©n:

29/2 = 14 + 1(LSB)

14/2 = 7 + 0

7/2 = 3 + 1

3/2 = 1 + 1

1/2 = 0 + 1(MSB)

Photocopyable

4

Gi¸o tr×nh KiÕn tróc m¸y tÝnh

Ng« Nh- Khoa

VËy (29)₁₀= (1101)₂.

§èi víi phÇn lÎ cña c¸c sè thËp ph©n, sè lÎ ®-îc nh©n víi c¬ sè vµ sè nhí ®-îc ghi

l¹i lµm mét sè nhÞ ph©n. Trong qu¸ tr×nh biÕn ®æi, sè nhí ®Çu chÝnh lµ bit MSB vµ

sè nhí cuèi lµ bit LSB.

VÝ dô 2: BiÕn ®æi sè thËp ph©n (0.625)₁₀thµnh nhÞ ph©n:

0.625*2 = 1.250. Sè nhí lµ 1, lµ bit MSB.

0.250*2 = 0.500. Sè nhí lµ 0

0.500*2 = 1.000. Sè nhí lµ 1, lµ bit LSB.

VËy : (0.625)₁₀= (0.101)₂.

II. HÖ thËp lôc ph©n (Hexadecima).

II.1. Kh¸i niÖm:

C¸c hÖ m¸y tÝnh hiÖn ®¹i th-êng dïng mét hÖ ®Õm kh¸c lµ hÖ thËp lôc ph©n.

HÖ thËp lôc ph©n lµ hÖ ®Õm dùa vµo vÞ trÝ víi c¬ sè lµ 16. HÖ nµy dïng c¸c con sè

tõ 0 ®Õn 9 vµ c¸c ký tù tõ A ®Õn F nh- trong b¶ng sau:

B¶ng 2.1 HÖ thËp lôc ph©n:

ThËp lôc ph©n

ThËp ph©n

NhÞ ph©n

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

1000

1001

1010

1011

1100

1101

1110

1111

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

A

B

C

D

E

F

10

11

12

13

14

15

II.2.BiÕn ®æi thËp lôc ph©n thµnh thËp ph©n.

C¸c sè thËp lôc ph©n cã thÓ ®-îc biÕn ®æi thµnh thËp ph©n b»ng c¸ch tÝnh

tæng cña c¸c con sè nh©n víi gi¸ trÞ vÞ trÝ cña nã.

VÝ dô : BiÕn ®æi c¸c sè a.(5B)₁₆.

b. (2AF)₁₆thµnh thËp ph©n.

a.

Sè thËp lôc ph©n: 5 B

Träng sè vÞ trÝ: 16¹16⁰

Gi¸ trÞ vÞ trÝ :

16 1

Photocopyable

5

Gi¸o tr×nh KiÕn tróc m¸y tÝnh

Ng« Nh- Khoa

Sè thËp ph©n: 5*16 + B*1 = (91)_10.

b.

Sè thËp lôc ph©n: 2 A F

Träng sè vÞ trÝ: 16²16¹16⁰

Gi¸ trÞ vÞ trÝ :

256 16 1

Sè thËp ph©n: 2*256 + A*16 + F*1 = (687)_10.

II.3.BiÕn ®æi thËp ph©n thµnh thËp lôc ph©n.

§Ó biÕn ®æi c¸c sè thËp ph©n thµnh thËp lôc ph©n, ta sö dông ph-¬ng ph¸p

chia lÆp, víi c¬ sè 16.

VÝ dô : BiÕn ®æi (1776)₁₀thµnh thËp lôc ph©n.

1776/16 = 111 + 0 (LSB).

111/16 = 6 + 15 hoÆc F.

6/16

= 0 + 6 (MSB).

Sè thËp lôc ph©n: (6F0)₁₆.

II.4. BiÕn ®æi thËp lôc ph©n thµnh nhÞ ph©n.

C¸c sè thËp lôc ph©n rÊt dÔ ®æi thµnh nhÞ ph©n. Thùc ra c¸c sè thËp lôc ph©n

còng chØ lµ mét c¸ch biÓu diÔn c¸c sè nhÞ ph©n thuËn lîi h¬n mµ th«i (b¶ng 2-1).

§Ó ®æi c¸c sè thËp lôc ph©n thµnh nhÞ ph©n, chØ cÇn thay thÕ mét c¸ch ®¬n gi¶n

tõng con sè thËp lôc ph©n b»ng bèn bit nhÞ ph©n t-¬ng ®-¬ng cña nã.

VÝ dô: §æi sè thËp lôc (DF6)₁₆thµnh nhÞ ph©n:

D

F

6

1101 1111 0110

(DF6)₁₆= (110111110110)₂.

II.5. BiÕn ®æi nhÞ ph©n thµnh thËp lôc ph©n.

§Ó biÕn ®æi mét sè nhÞ ph©n thµnh sè thËp lôc ph©n t-¬ng ®-¬ng th× chØ cÇn

gép l¹i thµnh tõng nhãm gåm 4 bit nhÞ ph©n, b¾t ®Çu tõ dÊu chÊm nhÞ ph©n.

VÝ dô: BiÕn ®æi sè nhÞ ph©n (1111101000010000)₂thµnh thËp lôc ph©n.

1111 1010 0001 0000

F

A

1

0 Sè thËp lôc ph©n: (FA10)₁₆.

III. HÖ BCD (Binary Code decimal).

Gi÷a hÖ thËp ph©n vµ hÖ nhÞ ph©n cßn tån t¹i mét hÖ lai: hÖ BCD cho c¸c sè

hÖ thËp ph©n m· ho¸ b»ng hÖ nhÞ ph©n, rÊt thÝch hîp cho c¸c thiÕt bÞ ®o cã thªm

phÇn hiÓn thÞ sè ë ®Çu ra dïng c¸c lo¹i ®Ìn hiÖn sè kh¸c nhau. ë ®©y dïng bèn sè

hÖ nhÞ ph©n (bèn bit) ®Ó m· ho¸ mét sè hÖ thËp ph©n cã gi¸ trÞ n»m trong kho¶ng tõ

0..9. Nh- vËy ë ®©y ta kh«ng dïng hÕt c¸c tæ hîp cã thÓ cã cña 4 bit; v× tÇm quan

träng cña c¸c sè BCD nªn c¸c bé vi xö lý th-êng cã c¸c lÖnh thao t¸c víi chóng.

Photocopyable

6

Gi¸o tr×nh KiÕn tróc m¸y tÝnh

Ng« Nh- Khoa

VÝ dô: (35)₁₀= (00110101)₂.

IV. B¶ng m· ASCII.(American Standard Code for Information Interchange).

Ng-êi ta ®· x©y dùng bé m· ®Ó biÓu diÔn cho c¸c ký tù còng nh- c¸c con sè

Vµ c¸c ký hiÖu ®Æc biÖt kh¸c. C¸c m· ®ã gäi lµ bé m· ký tù vµ sè. B¶ng m·

ASCII lµ m· 7 bit ®-îc dïng phæ biÕn trong c¸c hÖ m¸y tÝnh hiÖn nay. Víi m· 7

bit nªn cã 2⁷= 128 tæ hîp m·. Mçi ký tù (ch÷ hoa vµ ch÷ th-êng) còng nh- c¸c con

sè thËp ph©n tõ 0..9 vµ c¸c ký hiÖu ®Æc biÖt kh¸c ®Òu ®-îc biÓu diÔn b»ng mét m·

sè nh- b¶ng 2-2.

ViÖc biÕn ®æi thµnh ASCII vµ c¸c m· ký tù sè kh¸c, tèt nhÊt lµ sö dông m·

t-¬ng ®-¬ng trong b¶ng.

VÝ dô: §æi c¸c ký tù BILL thµnh m· ASCII:

Ký tù

B

I

L

ASCII 1000010 1001001 1001100 1001100

HEXA

42

49

4C

B¶ng 2-2: M· ASCII.

Column bits(B₇B₆B₅)

Bits(row)

R B₄B₃B₂B₁

000

0

001 010 011 100 101 110 111

1

2

3

4

5

6

7

O

W

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

NUL

SOH

STX

ETX

EOT

ENQ NAK

ACK SYN

BEL

BS

HT

LF

VT

FF

CR

SO

SI

DLE

DC1

DC2

DC3

DC4

SP

!

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

:

@

A

B

C

D

E

F

G

H

I

P

Q

R

S

T

U

V

W

X

Y

Z

[

\

p

q

r

s

t

u

v

w

x

y

z

{

|

}

a

b

c

d

e

f

g

h

i

j

k

l

m

n

o

“

#

$

%

&

‘

(

)

*

+

-

ETB

CAN

EM

SUB

ESC

FS

GS

RS

US

A 1

B 1

C 1

D 1

E 1

F 1

J

;

K

L

M

N

O

<

=

>

?

\

]

^

_

,

.

/

~

DEL

Control characters:

NUL = Null; DLE = Data link escape; SOH = Start Of Heading;

DC1 = Device control 1;

DC4 = Device control 4;

EOT = End of transmission; ENQ = Enquiry;

ACK = Acknowlege; SYN = Synidle;

DC2 = Device control 2; DC3 = Device control 3.

STX = Start of text;

ETX = End of text;

NAK = Negative acknowlege.

BEL = Bell.

ETB = End od transmission block; BS = Backspace; CAN = Cancel.

Photocopyable

7

Gi¸o tr×nh KiÕn tróc m¸y tÝnh

Ng« Nh- Khoa

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. BiÓu diÔn gi¸ trÞ sè trong m¸y tÝnh.

V.I. BiÓu diÔn sè nguyªn.

a. BiÓu diÔn sè nguyªn kh«ng dÊu:

TÊt c¶ c¸c sè còng nh- c¸c m· ... trong m¸y vi tÝnh ®Òu ®-îc biÓu diÔn b»ng

c¸c ch÷ sè nhÞ ph©n. §Ó biÓu diÔn c¸c sè nguyªn kh«ng dÊu, ng-êi ta dïng n bit.

T-¬ng øng víi ®é dµi cña sè bit ®-îc sö dông, ta cã c¸c kho¶ng gi¸ trÞ x¸c ®Þnh

nh- sau:

Sè bit

n bit:

8 bit

Kho¶ng gi¸ trÞ

0.. 2ⁿ- 1

0.. 255 Byte

0.. 65535 Word

16 bit

b. BiÓu diÔn sè nguyªn cã dÊu:

Ng-êi ta sö dông bit cao nhÊt biÓu diÔn dÊu; bit dÊu cã gi¸ trÞ 0 t-¬ng øng

víi sè nguyªn d-¬ng, bit dÊu cã gi¸ trÞ 1 biÓu diÔn sè ©m. Nh- vËy kho¶ng gi¸ trÞ

sè ®-îc biÓu diÔn sÏ ®-îc tÝnh nh- sau:

Sè bit

n bit

8 bit

Kho¶ng gi¸ trÞ:

2^n-1-1

-128.. 127 Short integer

16 bit

32 bit

-32768.. 32767 Integer

-2³¹.. 2³¹-1 (-2147483648.. 2147483647) Long integer

V.2. BiÓu diÔn sè thùc(sè cã dÊu chÊm (phÈy) ®éng).

Cã hai c¸ch biÓu diÔn sè thùc trong mét hÖ nhÞ ph©n: sè cã dÊu chÊm cè ®Þnh

(fÜed point number) vµ sè cã dÊu chÊm ®éng (floating point number). C¸ch thø nhÊt

®-îc dïng trong nh÷ng bé VXL(micro processor) hay nh÷ng bé vi ®iÒu khiÓn

(micro controller) cò. C¸ch thø 2 hay ®-îc dïng hiÖn nay cã ®é chÝnh x¸c cao. §èi

víi c¸ch biÓu diÔn sè thùc dÊu chÊm ®éng cã kh¶ n¨ng hiÖu chØnh theo gi¸ trÞ cña

sè thùc. C¸ch biÓu diÔn chung cho mäi hÖ ®Õm nh- sau:

R = m.B^e.

Trong ®ã m lµ phÇn ®Þnh trÞ, trong hÖ thËp ph©n gi¸ trÞ tuyÖt ®èi cña nã ph¶i lu«n

nhá h¬n 1. Sè e lµ phÇn mò vµ B lµ c¬ sè cña hÖ ®Õm.

Cã hai chuÈn ®Þnh d¹ng dÊu chÊm ®éng quan träng lµ: chuÈn MSBIN cña

Microsoft vµ chuÈn IEEE. C¶ hai chuÈn nµy ®Òu dïng hÖ ®Õm nhÞ ph©n.

Th-êng dïng lµ theo tiªu chuÈn biÓu diÔn sè thùc cña IEEE 754-

1985(Institute of Electric & Electronic Engineers), lµ chuÈn ®-îc mäi h·ng chÊp

nhËn vµ ®-îc dïng trong bé xö lý to¸n häc cña Intel. Bit dÊu n»m t¹i vÞ trÝ cao nhÊt;

kÝch th-íc phÇn mò vµ khu«n d¹ng phÇn ®Þnh trÞ thay ®æi theo tõng lo¹i sè thùc.

Gi¸ trÞ sè thùc IEEE ®-îc tÝnh nh- sau:

R = (-1)^S*(1+M₁*2^-1+ ... +M_n*2^-n)*2^{E 7...E 0 -127}

.

Photocopyable

8

Gi¸o tr×nh KiÕn tróc m¸y tÝnh

Ng« Nh- Khoa

Chó ý: gi¸ trÞ ®Çu tiªn M₀lu«n mÆc ®Þnh lµ 1.

- Dïng 32 bit ®Ó biÓu diÔn sè thùc, ®-îc sè thùc ng¾n: -3,4.10³⁸< R < 3,4.10³⁸

31 30

E7 - E0

23 22

|§Þnh trÞ (M1 - M23)

0

S

- Dïng 64 bit ®Ó biÓu diÔn sè thùc, ®-îc sè thùc dµi: -1,7.10³⁰⁸< R < 1,7.10³⁰⁸

63 62

S

52 51

§Þnh trÞ (M1 - M52)

E10 - E0

VÝ dô tÝnh sè thùc:

0100 0010 1000 1100 1110 1001 1111 1100

PhÇn ®Þnh trÞ: 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.

Gi¸ trÞ ngÇm ®Þnh lµ: 1,1008906.

PhÇn mò: 2⁸+2²+2⁰=133

Gi¸ trÞ thùc (bit cao nhÊt lµ bit dÊu): 133-128=6.

DÊu: 0 = sè d-¬ng

Gi¸ trÞ sè thùc lµ: R = 1,1008906.2⁶= 70,457.

Ph-¬ng ph¸p ®æi sè thùc sang sè dÊu phÈy ®éng 32 bit:

- §æi sè thËp ph©n thµnh sè nhÞ ph©n.

- BiÓu diÔn sè nhÞ ph©n d-íi d¹ng 1, xxxBy (B: c¬ sè 2).

- Bit cao nhÊt 31: lÊy gi¸ trÞ 0 víi sè d-¬ng, 1 víi sè ©m.

- PhÇn mò y ®æi sang m· excess -127 cña y, ®-îc x¸c ®Þnh b»ng c¸ch: y + (7F)₁₆.

- PhÇn xxx lµ phÇn ®Þnh trÞ, ®-îc ®-a vµo tõ bit 22..0.

VÝ dô: BiÓu diÔn sè thùc (9,75)₁₀d-íi d¹ng dÊu phÈy ®éng.

Ta ®æi sang d¹ng nhÞ ph©n: (9,75)₁₀= (1001.11)₂= 1,00111B3.

Bit dÊu: bit 31 = 0.

M· excess - 127 cña 3 lµ: 7F + 3 = (82)₁₆= 82H = (10000010)₂. §-îc ®-a vµo c¸c

bit tiÕp theo: tõ bit 30 ®Õn bit 23.

Bit 22 lu«n mÆc ®Þnh lµ 0.

Cuèi cïng sè thùc (9,75)₁₀®-îc biÓu diÔn d-íi- d¹ng dÊu phÈy ®éng 32 bit nh-

sau:

0100 0001 0001 1100 0000 0000 0000 0000

Photocopyable

9

Gi¸o tr×nh KiÕn tróc m¸y tÝnh

Ng« Nh- Khoa

bit |31|30

23|22

0|

Ch-¬ng III. C¸c khèi c¬ b¶n cña m¸y tÝnh

I. Giíi thiÖu s¬ l-îc cÊu tróc cña m¸y vi tÝnh.

So víi tõ khi ra ®êi, cÊu tróc c¬ së cña c¸c m¸y vi tÝnh ngµy nay kh«ng thay

®æi mÊy. Mäi m¸y tÝnh sè ®Òu cã thÓ coi nh- ®-îc h×nh thµnh tõ s¸u phÇn chÝnh

(nh- h×nh 3-1):

H×nh 3-1: Giíi thiÖu s¬ ®å khèi tæng qu¸t cña m¸y tÝnh sè

Data Bus

Control Bus

ThiÕt bÞ vµo

(Input Unit)

Bé xö lý

trung t©m

(CPU)

Bé nhí trong

(Memory)

ROM-RAM

Bé nhí ngoµi

(Mass store

Unit)

Phèi ghÐp

vµo/ra

(I/O)

ThiÕt bÞ ra

(Output Unit)

Adrress Bus

Trong s¬ ®å nµy, c¸c khèi chøc n¨ng chÝnh cña m¸y tÝnh sè gåm:

- Khèi xö lý trung t©m (central processing unit, CPU),

- Bé nhí trong (memory), nh- RAM, ROM

- Bé nhí ngoµi, nh- c¸c lo¹i æ ®Üa, b¨ng tõ

- Khèi phèi ghÐp víi c¸c thiÕt bÞ ngo¹i vi (vµo/ra)

- C¸c bé phËn ®Çu vµo, nh- bµn phÝm, chuét, m¸y quÐt ... .

- C¸c bé phËn ®Çu ra, nh- mµn h×nh, m¸y in ... .

Bèn khèi chøc n¨ng ®Çu liªn hÖ víi nhau th«ng qua tËp c¸c ®-êng d©y ®Ó

truyÒn tÝn hiÖu, gäi chung lµ bus hÖ thèng. Bus hÖ thèng bao gåm 3 bus thµnh phÇn;

øng víi c¸c tÝn hiÖu x¸c lËp ®Þa chØ tõ CPU ®Õn c¸c ®¬n vÞ thµnh phÇn ta cã bus ®Þa

chØ; víi c¸c d÷ liÖu ®-îc liªn hÖ gi÷a c¸c khèi qua bus d÷ liÖu (data bus); c¸c tÝn

hiÖu ®iÒu khiÓn bao gåm c¸c lÖnh, c¸c ®¸p øng, c¸c tr¹ng th¸i cña c¸c khèi ®-îc

x¸c lËp qua bus ®iÒu khiÓn.

Photocopyable

10

Gi¸o tr×nh KiÕn tróc m¸y tÝnh

Ng« Nh- Khoa

Sù kh¸c biÖt quan träng nhÊt cña c¸c hÖ m¸y tÝnh lµ kÝch th-íc vµ tèc ®é, c¸c

m¸y tÝnh nhá h¬n vµ nhanh, m¹nh h¬n theo tõng n¨m. Sù ph¸t triÓn kh«ng ngõng

cña c¸c thÕ hÖ m¸y tÝnh nhê vµo hai yÕu tè quan träng, ®ã lµ sù ph¸t triÓn cña c«ng

nghÖ chÕ t¹o IC vµ c«ng nghÖ chÕ t¹o bé nhí.

II. Bé nhí trong.

II.1. C¬ së vÒ bé nhí.

C¸c bé nhí cã thÓ chia lµm hai lo¹i tæng qu¸t, ROM vµ RAM. ROM lµ

Read-only Memory(bé nhí chØ ®äc) vµ RAM lµ Random-access Memory (bé nhí

truy xuÊt ngÉu nhiªn). Nãi chung ROM chøa c¸c d÷ liÖu mét c¸ch cè ®Þnh vµ

kh«ng thÓ thay ®æi. Cßn RAM cã thÓ ®äc ra vµ cã thÓ ghi vµo.

Kh¸i niÖm truy xuÊt ngÉu nhiªn cã nghÜa lµ bÊt kú mét vÞ trÝ nhí nµo còng cã

thÓ ®-îc më ra hoÆc ®-îc gäi ra ë bÊt kú lóc nµo, c¸c th«ng tin kh«ng cÇn ph¶i ®äc

ra hay ghi vµo mét c¸ch tuÇn tù. VÒ thùc chÊt, c¶ RAM vµ ROM ®Òu lµ truy xuÊt

ngÉu nhiªn. ChØ cã ®iÒu kh¸c nhau c¬ b¶n lµ ROM chØ cho phÐp ®äc mµ kh«ng thÓ

ghi vµo nã, cßn RAM lµ bé nhí cã thÓ ®äc vµ ghi, v× thÕ RAM ®-îc gäi lµ “bé nhí

®äc/ghi”.

CÊu tróc bé nhí

H×nh 2-2 tr×nh bµy s¬ ®å khèi cña mét m¹ch nhí. M¹ch nhí ®-îc nèi víi c¸c

bé phËn kh¸c trong m¸y tÝnh th«ng qua c¸c ®-êng ®©y ®Þa chØ vµ c¸c ®-êng d©y d÷

liÖu cña nã. KiÓm so¸t m¹ch nhí b»ng ®-êng d©y cho phÐp (enable), riªng ®èi víi

RAM cßn cã thªm ®-êng d©y kiÓm so¸t ®äc/ghi (Read/write).

C¸c m¹ch nhí nãi chung ®-îc tæ chøc d-íi d¹ng ma trËn, gåm nh÷ng hµng

vµ nh÷ng cét ®Ó x¸c ®Þnh vÞ trÝ hay ®Þa chØ nhí. Mçi « trong ma trËn gäi lµ mét

phÇn tö (cell) hay vÞ trÝ nhí (memory location). VÞ trÝ hay phÇn tö nhí ®-îc dß t×m

b»ng c¸ch chän ®Þa chØ nhê m¹ch gi¶i m· ®Þa chØ. M¹ch nµy gåm hai phÇn: m¹ch

chän ®Þa chØ hµng RAS (row-address selector) vµ m¹ch chän ®Þa chØ cét CAS

(Column-address selector). C¸c ®-êng d©y ®Þa chØ sÏ chän ®Þa chØ hµng vµ cét.

§-êng d©y enable dïng ®Ó më c¸c m¹ch ®iÖn lèi ra bé nhí theo ba tr¹ng th¸i. Cßn

®-êng d©y Read/write quyÕt ®Þnh d¹ng thao t¸c sÏ thùc hiÖn.

Bé nhí hoÆc lµ cã tæ chøc bit hoÆc lµ lo¹i cã tæ chøc lêi (word organized). Bé

nhí tæ chøc bit cã thÓ l-u gi÷ mét bit ®¬n trong mçi vÞ trÝ ®Þa chØ. Bé nhí tæ chøc

lêi sÏ ®-îc lùa chän c¶ mét nhãm phÇn tö nhí cïng mét lóc víi mçi vÞ trÝ ®Þa chØ.

Mçi nhèm phÇn tö nhí th-êng lµ mét byte (8 bit), hoÆc mét lêi (16 bit).

Sè ®-êng d©y ®Þa chØ cña m¹ch nhí sÏ quyÕt ®Þnh sè vÞ trÝ nhí cùc ®¹i tÝnh

theo c«ng thøc sau:

Sè vÞ trÝ nhí cùc ®¹i = 2^N.

trong ®ã, N lµ sè l-îng c¸c ®-êng ®Þa chØ.

Photocopyable

11

Gi¸o tr×nh KiÕn tróc m¸y tÝnh

Ng« Nh- Khoa

Addres

lines

(m)

Data

lines

(n)

Memory

device

Read/write

Device(chip)

enable

(RAM only)

a. M¹ch nhí c¬ b¶n (basic memory device)

Column address

selector(CAS)

Memory

address

lines

from

system

Read/write enable

Data

Row

address

selector

(RAS)

Data

Memory

matrix

lines

Buffers

Device enable

b. S¬ ®å khèi (Block diagram)

H×nh 2-2 M¹ch nhí.

II.2. ROM-BIOS.

BÊt cø hÖ m¸y tÝnh nµo còng cã mét vi m¹ch ROM. vi m¹ch nµy chøa

ch-¬ng tr×nh cña hÖ ®iÒu hµnh vµo ra c¬ së BIOS (basic input/output system).

Nh÷ng ch-¬ng tr×nh nµy cÇn thiÕt ®Ó khëi ®éng m¸y vµ cµi ®Æt chÕ ®é lµm viÖc c¬

së cho c¸c thiÕt bÞ ngo¹i vi.

Nãi chung, cã thÓ chia ROM thµnh bèn lo¹i. ROM mÆt n¹ (maskable

ROM) lµ lo¹i ROM do nhµ s¶n xuÊt ®· n¹p s½n d÷ liÖu, khi ®ã d÷ liÖu kh«ng thÓ

thay ®æi ®-îc n÷a. ROM cã thÓ n¹p ch-¬ng tr×nh (PROM - programable ROM)

Photocopyable

12

Gi¸o tr×nh KiÕn tróc m¸y tÝnh

Ng« Nh- Khoa

lµ lo¹i m¹ch mµ ng-êi dïng cã thÓ n¹p d÷ liÖu vµo th«ng qua thiÕt bÞ “®èt” PROM.

Khi ®· n¹p th× c¸c d÷ liÖu trong PROM còng kh«ng thÓ thay ®æi. PROM cã thÓ

xo¸, cßn gäi lµ EPROM (erasable PROM) lµ lo¹i ROM mµ ng-êi dïng cã thÓ n¹p

d÷ liÖu vµo vµ c¸c d÷ liÖu ®ã cã thÓ xo¸ hoÆc thay ®æi b»ng mét thiÕt bÞ ®Æc biÖt.

EPROM cã thÓ xo¸ b»ng ®iÖn (electric EPROM) lµ lo¹i ROM cã thÓ n¹p vµ xo¸ d÷

liÖu b»ng ®iÖn ®-îc mµ kh«ng ph¶i sö dông tia cùc tms nh- víi EPROM.

Trong c¸c m¸y tÝnh hiÖn ®¹i, ng-êi ta th-êng sö dông Flash BIOS dïng

EEPROM. Nh- vËy néi dung BIOS cña m¸y tÝnh cã thÓ ®-îc thay ®æi ®Ó t-¬ng

®èi víi nh÷ng m¸y tÝnh thÕ hÖ cò sö dông BIOS dïng PROM hoÆc EPROM.

BIOS gåm nhiÒu ch-¬ng tr×nh vµ hµm. PhÇn ®Çu cña ch-¬ng tr×nh BIOS

kiÓm tra hÖ thèng m¸y tÝnh, qu¸ tr×nh nµy gäi lµ POST. NÕu hÖ thèng sö dông c¸c

Card (thÎ c¾m) Plug and Play th× giai ®o¹n nµy chÝnh lµ lóc m¸y tÝnh truy nhËp

tham sè cña thÎ. BIOS nµo còng cã ch-¬ng tr×nh “Setup BIOS” ®Ó ng-êi dïng tù

chØnh tham sè c¸c thiÕt bÞ ngo¹i vi.

II.3. RAM.

Cã thÓ chia RAM thµnh hai ho¹i, RAM tÜnh (SRAM), cã kh¶ n¨ng l-u gi÷ sè

liÖu m·i m·i nÕu nh- kh«ng mÊt nguån nu«i. Vµ RAM ®éng (DRAM), lµ lo¹i

RAM ph¶i ®-îc “lµm t-¬i” (refresh) tøc lµ ph¶i n¹p l¹i d÷ liÖu ®ang ®-îc l-u tr÷

theo tõng chu kú. “Lµm t-¬i” b»ng c¸ch thùc hiÖn thao t¸c ®äc hoÆc ghi nh¾c l¹i.

Còng cã thÓ “lµm t-¬i” b»ng nh÷ng thao t¸c ®Æc biÖt kh¸c. Lo¹i DRAM cã mËt ®é

phÇn tö nhí cao nªn gi¸ thµnh kh¸ rÎ so víi SRAM. C¸c m¹ch nhí DRAM ®-îc

dïng phæ biÕn trong c¸c thÕ hÖ m¸y tÝnh hiÖn nay.

DRAM ®Òu dïng ph-¬ng ph¸p ®Þa chØ multiplex. Trong qu¸ tr×nh ®äc hay ghi c¸c

®-êng ®Þa chØ ®Çu tiªn chøa c¸c th«ng tin vÒ hµng råi tiÕp sau mang th«ng tin vÒ

h×nh 2-3. Khi RAS thÊp th× th«ng tin trªn c¸c ®-êng ®Þa chØ sÏ ®-îc më th«ng qua

m¹ch chèt ®Þa chØ hµng (row-address latch). Khi CAS thÊp th× th«ng tin trªn c¸c

®-êng ®Þa chØ sÏ ®-îc më th«ng qua m¹ch chèt ®Þa chØ cét (column-address latch).

ViÖc “lµm t-¬i” b»ng d÷ liÖu ®äc, d÷ liÖu ghi hoÆc b»ng c¸c thao t¸c riªng.

M¹ch ®iÒu khiÓn lµm t-¬i ph¶i chän tuÇn tù tõng hµng c¸c phÇn tö nhí, cø mçi

hµng mét lÇn, cho ®Õn khi tÊt c¶ c¸c hµng ®Òu ®-îc “lµm t-¬i”. §ã lµ ph-¬ng ph¸p

lµm t-¬i tõng ®ît. Trong qu¸ tr×nh ®ã kh«ng ®-îc ®äc hay ghi d÷ liÖu vµo bé nhí

cho ®Õn khi kÕt thóc qu¸ tr×nh. Mét c¸ch kh¸c lµ “lµm t-¬i” tõng hµng trong c¸c

chu kú rêi r¹c vµ gäi lµ lµm t-¬i theo chu kú ®¬n.

Row

A₀to A₆

Column

A₇to A₁₃

Address lines

Row address

valid

RAS

Photocopyable

13

Gi¸o tr×nh KiÕn tróc m¸y tÝnh

Ng« Nh- Khoa

Column address

valid

CAS

CS

Chip selected

Address latching timing

RAS

A₀/A₇

A₁/A₈

A₂/A₉

A₃/A₁₀

A₄/A₁₁

A₅/A₁₂

A₆/A₁₃

1

Row

address

Latch

Row

decorder

DRAM

memory

array

128x128

128

CS

WR

D_in

1

128

Buffers sense

amps and refresh

D_out

A₇

1

128

Column

address

latch

Column

Decorder

A₁₃

CAS

H×nh 2-3. S¬ ®å khèi DRAM 16.384 bits(16Kb).

tÝnh to¸n vµ xö lý cña hÖ thèng -- ngo¹i trõ xö lý t¨ng c-êng tÝnh to¸n ®Æc biÖt

trong nh÷ng hÖ thèng cã mét chip ®¬n vÞ ®ång xö lý to¸n, mµ chip nµy còng ®·

®-îc tÝch hîp ngay trong c¸c CPU hiÖn nay. TÊt c¶ nh÷ng m¸y tÝnh IBM vµ t-¬ng

thÝch IBM sö dông nh÷ng bé xö lý hä Intel hoÆc t-¬ng thÝch víi bé xö lý hä Intel,

dï chÝnh nh÷ng bé xö lý cã thÓ ®· ®-îc nhiÒu c«ng ty kh¸c nhau thiÕt kÕ vµ s¶n

xuÊt, gåm AMD, IBM, Cyric... .

Mét trong nh÷ng bé xö lý ®iÓn h×nh thuéc hä 80x86 cña Intel lµ bé xö lý

Photocopyable

14

Gi¸o tr×nh KiÕn tróc m¸y tÝnh

Ng« Nh- Khoa

c¸c vÊn ®Ò kü thuËt cña bé vi xö lý 8088 sÏ lµ c¬ së ®Ó n¾m b¾t ®-îc c¸c kü thuËt

cña c¸c bé xö lý kh¸c trong hä 80x86 cña Intel, cña c¸c hä kh¸c vµ cña c¸c bé xö

lý hiÖn ®¹i ngµy nay.

III.1. Giíi thiÖu cÊu tróc bªn trong cña bé vi xö lý 8088.

Trªn h×nh 3-1 lµ s¬ ®å khèi cÊu tróc bªn trong cña bé vi xö lý 8088.

Photocopyable

15

Gi¸o tr×nh KiÕn tróc m¸y tÝnh

Ng« Nh- Khoa

III.3. §¬n vÞ giao diÖn bus (BIU).

Theo s¬ ®å khèi trªn h×nh 3-1 ta thÊy bªn trong CPU 8088 cã hai khèi chÝnh:

khèi phèi ghÐp bus (bus interface unit, BIU) vµ khèi thùc hiÖn lÖnh (execution unit,

EU). ViÖc chia CPU thµnh hai phÇn ®ång thêi cã liªn hÖ víi nhau qua ®Öm lÖnh

lµm t¨ng ®¸ng kÓ tèc ®é xö lý cña CPU. C¸c bus bªn trong CPU cã nhiÖm vô

chuyÓn t¶i tÝn hiÖu cña c¸c khèi kh¸c. Trong sè c¸c bus cã bus d÷ liÖu 16 bit cña

ALU, bus c¸c tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn ë EU vµ bus trong cña hÖ thèng ë BIU. Tr-íc khi

®i ra bus ngoµi hoÆc ®i vµo bus trong cña bé vi xö lý, c¸c tÝn hiÖu truyÒn trªn bus

BIU bao gåm c¸c thanh ghi ®o¹n (segment registers: CS, DS, SS, ES), con trá

lÖnh IP (instruction pointer) vµ bé ®iÒu khiÓn logic bus (bus control logic, BCL).

§¬n vÞ giao diÖn BIU cßn cã bé nhí ®Öm cho m· lÖnh. Bé nhí nµy cã chiÒu dµi 4

byte (trong 8088) vµ 6 byte (trong 8086). Bé nhí ®Öm m· lÖnh ®-îc nèi víi khèi

®iÒu khÓn CB (control block) cña ®¬n vÞ thùc hiÖn lÖnh EU. Bé nhí nµy l-u tr÷ t¹m

thêi m· lÖnh trong mét d·y gäi lµ hµng ®îi lÖnh. Hµng ®îi lÖnh cho phÐp bé vi xö

lý cã kh¶ n¨ng xö lý xen kÏ liªn tôc dßng m· lÖnh (pipelining). Ho¹t ®éng cña bé

CPU ®-îc chia lµm ba giai ®o¹n: ®äc m· lÖnh (operation code fetching), gi¶i m·

lÖnh (decording) vµ thùc hiÖn lÖnh (execution).

BIU ®-a ra ®Þa chØ, ®äc m· lÖnh tõ bé nhí, ®äc/ghi d÷ liÖu tõ c¸c cæng vµo

hoÆc bé nhí. Nãi c¸ch kh¸c BIU chÞu tr¸ch nhiÖm ®-a ®Þa chØ ra bus vµ trao ®æi d÷

liÖu víi bus.

III.3. §¬n vÞ thùc hiÖn lÖnh (EU).

Trong EU cã khèi ®iÒu khiÓn (control unit, CU). ChÝnh t¹i bªn trong khèi

®iÒu khiÓn nµy cã m¹ch gi¶i m· lÖnh. M· lÖnh ®äc vµo tõ bé nhí ®-îc ®-a ®Õn ®Çu

vµo cña bé gi¶i m·, c¸c th«ng tin thu ®-îc tõ ®Çu ra cña nã sÏ ®-îc ®-a ®Õn m¹ch

t¹o xung ®iÒu khiÓn, kÕt qu¶ thu ®-îc lµ c¸c d·y xung kh¸c nhau tuú theo m· lÖnh,

®Ó ®iÒu khiÓn ho¹t ®éng cña c¸c bé phËn bªn trong vµ bªn ngoµi CPU.

Trong EU cã khèi sè häc vµ l«gic (arithmatic and logic unit, ALU) chuyªn

thùc hiÖn c¸c phÐp tÝnh sè häc vµ logic m· to¸n tö cña nã n»m trong c¸c thanh ghi

®a n¨ng. KÕt qu¶ th-êng ®-îc ®Æt vÒ thanh ghi AX.

Photocopyable

16

Gi¸o tr×nh KiÕn tróc m¸y tÝnh

Ng« Nh- Khoa

Ngoµi ra trong EU cßn cã c¸c thanh ghi ®a n¨ng (registers: AX, BX, CX,

DX, SP, BP, SI, DI), thanh ghi cê FR (flag register) mµ c«ng dông cña chóng sÏ

®ùoc ®Ò cËp ®Õn trong phÇn sau.

Tãm l¹i, khi CPU ho¹t ®éng EU sÏ cung cÊp th«ng tin vÒ ®Þa chØ cho BIU ®Ó

III.4. C¸c thanh ghi.

C¸c thanh ghi ®a n¨ng (general registers) Cã nhiÖm vô ghi tham sè cho

ghi ®a n¨ng cña vi xö lý 16 bit lµ:

- AX (accumulator) réng 16 bit, ®-îc chia lµm hai phÇn: 1 byte cao AH vµ 1 byte

c¸c thao t¸c lÖnh. C¶ ba c¸ch viÕt AX, AH, AL ®Òu cã thÓ sö dông nh- n÷ng thanh

ghi riªng biÖt.

thanh ghi th-êng dïng chøa ®Þa chØ c¬ së cña mét b¶ng dïng trong lÖnh XLAT, C¶

ba c¸ch viÕt BX, BH, BL ®Òu cã thÓ sö dông nh- nh÷ng thanh ghi riªng biÖt.

- CX (count) bé ®Õm, réng 16 bit. §-îc chia ra lµm CH vµ CL. Thanh ghi CX ®-îc

ïng ®Ó chø sè lÇn lÆp trong tr-êng hîp c¸c lÖnh LOOP. Thanh ghi thÊp CL ®-îc

dïng ®Ó chøa (nhí) sè lÇn quay hoÆc dÞch cña c¸c lÖnh quay (rotate) vµ dÞch (shift).

- DX (data) thanh ghi d÷ liÖu, réng 16 bit. Thanh ghi nµy cïng thanh ghi AX tham

®Þa chØ 16 bit cña c¸c cæng cøng (dµi h¬n 8 bit) trong c¸c lÖnh truy nhËp c¸c cæng

ngo¹i vi (I/O port).

C¸c thanh ghi ®o¹n (segment registers) dïng ®Ó ghi ®Þa chØ mét ®o¹n bé

trá cµ thanh ghi chØ sè chØ réng 16 bit nªn kh«ng thÓ ®Þnh ®Þa chØ cho toµn bé nhí

vËt lý cña m¸y tÝnh lµ (2²⁰= 1.048.576 = 1Mbyte). V× vËy trong chÕ ®é thùc (real

mode) bé nhí ®-îc chia lµm nhiÒu ®o¹n ®Ó mét thanh ghi con trá 16 bit cã thÓ

qu¶n lý ®-îc. C¸c thanh ghi ®o¹n 16 bit sÏ chØ ra ®Þa chØ ®Çu cña 4 ®o¹n trong bé

nhí, dung l-îng lín nhÊt cña mçi ®o¹n nhí sÏ dµi 2¹⁶= 64 Kbyte vµ t¹i mét thêi

®iÓm nhÊt ®Þnh bé vi xö lý chØ lµm viÖc ®-îc víi 4 ®o¹n nhí 64Kbyte nµy. ViÖc

thay ®æi gi¸ trÞ cña c¸c thanh ghi ®o¹n lµm cho c¸c ®o¹n cã thÓ dÞch chuyÓn linh

ho¹t trong kh«ng gian 1 Mbyte, v× vËy c¸c ®o¹n cã thÓ n»m c¸ch nhau khi th«ng tin

cÇn l-u trong chóng ®ßi hái dung l-îng ®ñ 64 Kbyte hoÆc còng cã thÓ n¾m trïm

nhau do cã nh÷ng ®o¹n kh«ng dïng hÕt ®é dµi 64 Kbyte vµ v× thÕ c¸c ®o¹n kh¸c cã

thÓ b¾t ®Çu nèi tiÕp ngay sau ®ã. §Þa chØ cña « nhí nÇm ë ®Çu ®o¹n ®-îc ghi trong

mét thanh ghi ®o¹n 16 bit, ®Þa chØ nµy gäi lµ ®Þa chØ c¬ së. M-êi s¸u bit nµy t-¬ng

®o¹n lµ gi¸ trÞ trong thanh ghi ®o¹n dÞch sang tr¸i 4 vÞ trÝ. §iÒu nµy t-¬ng ®-¬ng

b»ng c¸ch céng thªm vµo ®Þa chØ c¬ së mét gi¸ trÞ gäi lµ ®Þa chØ lÖch hay ®é lÖch

Photocopyable

17

Gi¸o tr×nh KiÕn tróc m¸y tÝnh

Ng« Nh- Khoa

(offset), gäi nh- thÕ v× nã øng víi kho¶ng lÖch cña to¹ ®é mét « nhí cô thÓ nµo ®ã

so víi « ®Çu ®o¹n. §é lÖch nµy ®-îc x¸c ®Þnh bëi c¸c thanh ghi 16 bit kh¸c ®ãng

vai trß thanh ghi lÖch (offset register). Nguyªn t¾c nµy dÉn ®Õn c«ng thøc tÝnh ®Þa

chØ vËt lý (physical address) tõ ®Þa chØ ®o¹n (segment) trong thanh ghi ®o¹n vµ ®Þa

chØ lÖch (offset) trong thanh ghi con trá nh- sau:

§Þa chØ vËt lý = Thanh ghi ®o¹n x 16 + Thanh ghi lÖch

ViÖc dïng hai thanh ghi ®Ó nhí th«ng tin vÒ ®Þa chØ thùc chÊt t¹o ra mét lo¹i

®Þa chØ gäi lµ ®Þa chØ logic vµ ®-îc ký hiÖu nh- sau:

Thanh ghi ®o¹n : Thanh ghi lÖch hay segment:offset.

§Þa chØ kiÓu segment : offset lµ logic v× nã tån t¹i d-íi d¹ng gi¸ trÞ cña c¸c

thanh ghi cô thÓ bªn trong CPU vµ khi cÇn thiÕt truy nhËp « nhí nµo ®ã th× nã ph¶i

®æi ra ®Þa chØ vËt lý ®Ó råi ®-a lªn bus ®Þa chØ. ViÖc chuyÓn ®æi nµy do mét bé t¹o

®Þa chØ thùc hiÖn (phÇn tö  trªn h×nh 3-1).

Vi xö lý 16 bit cã 4 thanh ghi ®o¹n nh- sau:

- CS (code segment) lµ thanh ghi ®o¹n m· 16 bit. thanh ghi nµy phèi hîp víi con

trá lÖnh IP ®Ó ghi ®Þa chØ m· lÖnh trong bé nhí. §Þa chØ ®Çy ®ñ lµ CS:IP.

- DS (data segment) lµ thanh ghi ®o¹n 16 bit cho mét ®o¹n d÷ liÖu. Thanh ghi nµy

phèi hîp víi hai thanh ghi chØ sè SI vµ DI ®Ó ®¸nh ®Þa chØ cho d÷ liÖu. §Þa chØ ®Çy

®ñ cho d÷ liÖu cÇn ®äc vµo lµ DS:SI, cho d÷ liÖu cÇn ghi ra lµ DS:DI.

- SS (stack segment) lµ thanh ghi ®o¹n 16 bit cho mét ng¨n xÕp. §Þa chØ ®Ønh cña

ng¨n xÕp ®-îc biÓu diÔn cïng víi con trá ng¨n xÕp SP lµ SS:SP.

- ES (extra segment) lµ thanh ghi d÷ liÖu phô cã chiÒu dµi 16 bit. Th-êng ®uîc

dïng ®Ó ®¸nh ®Þa chØ mét chuçi. ES:DI lµ ®Þa chØ chuçi cÇn viÕt ®Õn (chuçi ®Ých) vµ

DS:SI lµ ®Þa chØ chçi ®äc vµo (chuçi nguån).

C¸c thanh ghi con trá vµ chØ sè cã thÓ ®-îc dïng nh- mét thanh ghi ®a

n¨ng 16 bit. Vi m¹ch 8088 cã tÊt c¶ ba thanh ghi con trá lµ (IP, BP, SP) vµ hai

thanh ghi chØ sè (SI, DI). NhiÖm vô cña tõng thanh ghi nh- sau:

- IP (instruction pointer) lµ con trá chØ tíi lÖnh m¸y tiÕp theo. LÖnh nµy n»m

trong b« nhí mµ ®Þa chØ ®o¹n ®-îc ghi trong CS. Nh- vËy ®Þa chØ cña m· k=lÖnh

nµy lµ CS:IP.

- BP (base pointer) lµ con trá c¬ së trá vÒ d÷ liÖu bé nhí mµ ®Þa chØ ®o¹n ®-îc ghi

trong SS. §Þa chØ ®Çy ®ñ sÏ lµ SS:BP.

- SP (stack pointer) lµ con trá ng¨n xÕp lu«n trá vµo ®Ønh ng¨n xÕp mµ ®Þa chØ

®o¹n ®-îc ghi trong SS. §Þa chØ ®Çy ®ñ cña d÷ liÖu lµ DS:SP.

- SI (source index) lµ chØ sè nguån, trá vµo d÷ liÖu mµ ®Þa chØ ®o¹n ®-îc ghi trong

DS. §Þa chØ ®Çy ®ñ cña d÷ liÖu lµ DS:SI.

- DI (destination index) lµ chØ sè ®Ých, còng trá vµo ®o¹n d÷ liÖu mµ ®Þa chØ ®o¹n

ghi trong DS. §Þa chØ ®Çy ®ñ cña ®o¹n d÷ liÖu lµ DS:SI.

Photocopyable

18

Gi¸o tr×nh KiÕn tróc m¸y tÝnh

Ng« Nh- Khoa

dïng ®Ó ghi tr¹ng th¸i kÕt qu¶ c¸c phÐp xö lý trong ®¬n vÞ sè häc vµ logic ALU

hoÆc mét tr¹ng th¸i ho¹t ®änh cña EU. Dùa vµo c¸c cê nµy ng-êi lËp tr×nh cã thÓ

cã c¸c lÖnh thÝch hîp tiÕp theo cho bé vi xö lý (c¸c leÑnh nh¶y cã ®iÒu kiÖn).

Thanh ghi nµy lµ mét thanh ghi 16 bit trong 8088/8086. Nh-ng chØ cã 9 bit trong

thanh ghi ®-îc ®Þnh nghÜa vµ sö dông, ®ã lµ:

x

O

D

I

T

S

Z

x

A

x

P

x

C

x: bit kh«ng ®-îc ®Þnh nghÜa.

H×nh 3-2. S¬ ®å thanh ghi cê cña bé vi xö lý 8086/8088.

- Bit 0: CF (carry flag) cê nhí, CF=1 khi cã nhí hoÆc m-în tõ MSB.

- Bit 2: PF (parity flag) cê parity, PF ph¶n ¶nh tÝnh ch½n (parity) cña tæng sè bit 1

cã trong kÕt qu¶. Cë PF =1 khi tæng sè bit 1 trong kÕt qu¶ lµ ch½n (even parity,

parity ch½n).

- Bit 4: AF (auxliary carry flag) cê nhí phô dïng cho c¸c phÐp tÝnh víi m· BCD.

AF = 1 khi cã nhí hoÆc m-în tõ mét sè BCD thÊp (4 bit thÊp) sang mét sè BCD

cao (4 bit cao).

- Bit 6: ZF (zero flag) cê rçng, ZF = 1 khi kÕt qu¶ b»ng 0.

- Bit 8: TF (trap flag) cê bÉy, TF = 1 khi vi xö lý ë trong chÕ ®é ch¹y tõng lÖnh

(chÕ ®é nµy dïng khi cÇn t×m lçi trong mét ch-¬ng tr×nh).

- Bit 9: IF (interrupt enable flag) cê cho phÐp ng¾t, IF = 1 cho phÐp c¸c yªu cÇu

ng¾t che ®-îc (maskable interrupt) ®-îc t¸c ®éng.

- Bit A: DF (direction flag) cê h-íng. DF = 1 khi CPU lµm viÖc víi chuçi ký tù

theo thø tù tõ ph¶i sang tr¸i (lïi).

- Bit B: OF (overflow) cê trµn, OF =1 khi kÕt qu¶ v-ît ra ngoµi giíi h¹n, x¶y ra

®èi víi phÐp tÝnh cã dÊu.

Photocopyable

19

Gi¸o tr×nh KiÕn tróc m¸y tÝnh

Ng« Nh- Khoa

Ch-¬ng IV . LÖnh vµ chÕ ®é ®Þa chØ

I. CÊu tróc m· lÖnh

Quy tr×nh thùc hiÖn mét lÖnh trong bé vi xö lý ®-îc chia lµm ba giai ®o¹n:

LÊy lÖnh (feeching), gi¶i m· lÖnh (decording) vµ xö lý lÖnh (excution). Nh÷ng bé

VXL cæ ®iÓn 8 bit tiÕn hµnh ba giai ®o¹n trªn mét c¸ch tuÇn tù. Tõ c¸c bé VXL 16

bit trë ®i, bé VXL dïng pipeline (xen kÏ dßng lÖnh) ®Ó tiÕt kiÖm thêi gian xö lý.

tr×nh vµ hiÓu ®-îc VXL, ng-êi ta dïng hîp ng÷ (assembly language) ®Ó miªu t¶

c¸c lÖnh m¸y b»ng tæ hîp c¸c ký tù gîi nhí (mnemonic).

cña mét m· lÖnh bao gåm:

- Prefix ®i tr-íc m· lÖnh.

MOV cã m· to¸n lµ 100010.

- To¸n h¹ng (operand) cho biÕt c¸i g× ®-îc xö lý (néi dung cña thanh ghi hay bé

nhí).

- §Þa chØ trùc tiÕp (2 byte).

chuyÒn d÷ liÖu gi÷a 2 thanh ghi hoÆc gi÷a « nhí vµ thanh ghi.

1

0

1

0

§Þa chØ

phÇn thÊp

Byte 3

§Þa chØ

phÇn cao

Byte 4

M· lÖnh

Byte 1

D W MOD

REG

Byte 2

M/R

H×nh 4-1: CÊu tróc m· lÖnh

Photocopyable

20