Giáo trình Kiến trúc máy vi tính: Phần 1

v G K M / t i u I Ế Á C H Â N o t r T N Y H V ì R I Ư N G n h Ú C T Í N H Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn v ũ CHẤN G i o HƯNG t r ì n h K M I Ế Á Ị T N Y V R I Í Í T C Í N H ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Ị TRUNG TẮM HỌC L I Ề U NHÀ XUẤT BẢN GIAO THÔNG VẬN TẢI H À N Ộ I - 2004 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn L Ờ I Ngày hoạt động hiệu máy máy vi tính đời sống có vi tính NĨI sử dụng người sắc vực khác đến kiến trúc máy giáo dạy "Kiến giảng bày dụng môn máy vi tính, rộng đặc Tài liệu gồm Phần máy ì trình tính, phần Phần thơng PC, bày máy vi tính thành lý hoạt phần - Chương trình Ì trình động bày kiến động trình b ày thiết lý hoạt máy trúc - Chương khổ trình lý hoạt động sử động pháp biểu PC BUS phương tính số chung nhớ pháp vào-ra liệu máy vi tính PC, xử lý vi tính trung trình b ày tổ chức chức khuôn : - Chương cấu trúc, Những chương chế độ hoạt phải nguyên máy có cần lớn Trong bản, trình b ày phương l i gồm hoạt : Ì mơ tả chương cứng dòng - Chương linh vực lĩnh đời sống, dịng ngun trình b ày kỹ thuật Phần máy vi tính trúc tin nguyên kiến chương cứng - Chương chế thực tâm máy : bày tính ", tài liệu máy trúc phần hai phần li trình ì gồm - Chương diễn biệt rãi nước ta rộng tính trúc vấn đề kiến rãi trúc phần kiến vấn đề liên quan trình rộng Để ứng dụng vào lĩnh hiểu b iết sâu ĐẦU nhớ máy bị điều chế làm khiển thiết việc chúng bị giao hệ diện, thống tính - Chương nhập-xuất trình b ày nguyên liệu bàn phím lý hoạt động hai thiết bị hình Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn - Chương lý lưu trữ thông đĩa dành riêng tin, tổ chức để trình lưu trữ thơng bày thiết bị đĩa từ, nguyên tin mức vật lý mức logic từ Tài liệu nghệ thơng thơng vận để giảng có liên tải, Đại học Bách dùng dùng tin Viện khoa Đại Bạn tài liệu Lân, PGS TS Công nghệ thông Văn sót nhiều Chúng cho sinh khoa đọc tài liệu tham cảm ơn TS Đặng Tam, PGS TS tin đọc đóng góp ý Dù cố gắng thiếu thành Nguyễn dạy quan học Mở Hà Nội, Hà Nội Tác giả xin chân tránh khỏi bạn đọc ngành soạn tơi mong Tốn sinh ngành Đại ứng dụng viên khác khảo Thành Nguyễn có Cơng học Giao Trường quan tăm Vũ Như - Viện ích Phu, TS Gia Hiểu kiến thảo, nhận viên Trường ý kiến chắn đóng Hà Nội, tháng khơng góp năm TÁC GIẢ Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 2003 P h ầ n I Cơ SỞ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Chương ì KIẾN TRÚC Cơ BẢN CỦA MÁY TÍNH so N H Ữ N G T H À N H P H Ầ N c B Ả N C Ủ A M Á Y T Í N H số Chức máy tính số thực chương trình Chương trình m ộ t c h u ỗ i c c thị đặt b ộ nhớ Chỉ thị c c d ữ l i ệ u k h c m y t í n h đ ề u t h ể h i ệ n d i dạng c c số Máy tính số gồm khối chức sau (h.l) : Thiết bị đầu (Màn hình, Máy in v.v.) Thiết bị giao diện Đơn vị số học-logic Bộ nhớ đìa từ ALU Thiết bị giao diện r~~ Bộ nhớ Đơn vị điều khiển Thiết bị đầu vào (Bàn phím, Bàn điều khiển, chuột v.v.) tỉ V A| Bộ nhớ bán dẫn CU CPU Hình ì Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn C SỞ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Phần ì • Đ n vị x lý trung t â m CPU (Central Processing U n i t ) Đ n vị xử lý trung t â m g m phần c h í n h : đ n vị đ i ể u k h i ể n c u (Control U n i t ) đ n vị số h ọ c - l o g i c A L U ( A r i t h m e t i c - L o g i c U n i t ) Đ n vị xử lý trung t â m thực h i ệ n c c chức n ă n g : - Đ i ề u k h i ể n g h i / đ ọ c t h ô n g t i n lên b ộ nhớ - H i ể u thực h i ệ n m ộ t tập hữu hạn c c t h ị ( l ệ n h ) t h ể d i dạng m ã số - Nhập c c thị t n h thực t h i c c t h ị n y (chức thực h i ệ n c h n g t r ì n h đ a n g c ó b ộ nhớ) Ị - Đ i ề u k h i ể n q u trình nhập t h ô n g t i n t t h i ế t bị đ ầ u v o đ i ề u k h i ể n q u trình x u ấ t t h ô n g t i n qua t h i ế t bị đ ầ u V • Bộ nhớ Chức n ă n g b ộ nhớ lưu trữ t h ô n g t i n ( c h n g t r ì n h c c d ữ l i ệ u có liên quan) C c t h ô n g t i n t r u y ề n t ả i d i dạng c c số • T h i ế t bị đ ầ u v o T h i ế t bị đ ầ u vào thực h i ệ n chức n ă n g nhập c c t h ô n g t i n n g u y ê n thủy cho m y tính T h i ế t bị đ ầ u v o c ó t h ể b n p h í m , chuột b n đ i ề u k h i ể n v.v • T h i ế t bị đầu T h i ế t bị đầu h i ể n thị c c t h ô n g t i n đưa từ m y t í n h , dạng n g i c ó t h ể h i ể u T h i ế t bị đ ầ u c ó t h ể m n h ì n h h i ể n t h ị , m y i n , thiết bị âm v.v Các thiết bị đầu v o / đ ầ u (được g ọ i chung c c t h i ế t bị ngoại vi) không k ế t n ố i trực t i ế p v i đ n vị x lý trung t â m CPU m p h ả i qua thiết bị giao d i ệ n Sự c ó mặt t h i ế t bị giao d i ệ n c ó k h c b i ệ t r ấ t lớn dạng thức t r u y ề n t ả i tốc đ ộ xử lý t h ô n g t i n đ n vị x lý trung tâm c c t h i ế t bị ngoại v i Bên m y tính số sử dụng l m p h n g t i ệ n t r u y ề n t ả i t h ô n g t i n , t h ế g i i b ê n n g o i m y tính t h ô n g t i n t r u y ề n t ả i d i dạng k ý tự, n h s n g , â m v.v Đ n vị x lý trung t â m CPU xử lý thông t i n v i tốc đ ộ r ấ t cao, c c t h i ế t bị b ê n n g o i m y t í n h xử lý t h ô n g t i n v i tốc đ ộ chậm n h i ề u Do t h i ế t bị giao d i ệ n thực h i ệ n chức n ă n g g h é p n ố i để thực h i ệ n việc trao đ ổ i t h ô n g t i n đ n vị x lý trung t â m c c thiết bị ngoại v i Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn C SỞ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Phần Ị H Ệ Đ Ế M N H Ị P H Ả N V À P H Ư Ơ N G P H Á P B I Ể U D I Ê N THÔNG TIN TRONG MÁY TÍNH số Trong q trình phát triển, lồi người có nhu cầu đếm vật Hai bàn tay m ộ t c ô n g cụ tự n h i ê n sử dụng cho việc đ ế m H ệ đ ế m thập p h â n ( h ệ c số 10) k ế t q u ả tự n h i ê n h ệ thống đ ế m n y H ệ đ ế m nhị p h â n h ệ đ ế m d ù n g m y t í n h số Đ i ề u n y x u ấ t p h t từ k h ả n ă n g c ô n g nghệ c h ế tạo c c t h i ế t bị lưu trữ t h ô n g t i n xử lý t h ô n g t i n dạng nhị p h â n ( c c g i ả i m ã , c c đ ế m , t h i ế t bị thực h i ệ n c c p h é p t í n h số học logic v.v.) H ệ đ ế m nhị p h â n d ù n g đ ể mang t ả i t h ể h i ệ n t h ô n g t i n H ệ đ ế m nhị p h â n x â y dựng sở c c chữ số nhị p h â n " " " Ì " 2.1 Các số nhị phân M y t í n h số x â y dựng sở c c mạch đ i ệ n Hai trạng t h i m c h đ i ệ n d ù n g đ ể t h ể h i ệ n c c số nhị p h â n Ì : - c ó k h n g c ó d ị n g đ i ệ n mạch - đ i ệ n p cao đ i ệ n p thấp Ví dụ : số Ì t h ể h i ệ n trạng t h i mạch c ó d ị n g đ i ệ n c ó h i ệ u đ i ệ n t h ế t r ê n m ộ t đ i ệ n k h n g , số t h ể h i ệ n trạng t h i ngược l i 2.2 Bít Bít (Binary D i g i t ) m ộ t chữ số hệ nhị p h â n , b i ể u d i ễ n c c số " " " Ì " Bít đơn vị nhỏ b i ể u d i ễ n d ữ l i ệ u (đơn vị nhỏ mang t h ô n g tin) m y t í n h M ỗ i bít mang m ộ t t h ô n g t i n V í d ụ : số " Ì " m tả mạch đ i ệ n đ ó n g , đ è n s n g , trạng thái "cho p h é p " v.v Con số " " m ô tả mạch đ i ệ n h , đ è n tắt, trạng t h i " c ấ m " v.v 2.3 Biểu diễn liệu số máy tính 2.3.1 Hệ thống số, số trọng số Đ ể b i ể u d i ễ n số lượng số c ó t h ể d ù n g c c h ệ đ ế m k h c Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Phần ì C SỞ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH T h n g thường ta sử dụng c c k ý h i ệ u (chữ số) Ì đ ể ghi l i c c số lượng đ ế m M u ố n g h i l i c c trị l n h n p h ả i sử dụng k ý p h p vị trí Trong k ý p h p n y vị t r í m ỗ i chữ số x c định g i trị n ó số K ý p h p vị trí tổng q u t m ộ t số : a _ j a - 2n a i a \>ị\> * -ib n + + a ^ E m + a *E° + b ^ E = a _ !*E m n _ n + b *E~ - 2 + a _ * E " + + n n + + b _ j * E ~ ( m _ ) m + b *E _ m m đ ó E số E n , E ,E , E° , E n - Ì ' n - 2' ••' i ' ' v i trọng số a • a a a b , E , E ( m l \ E i ' ' ••' m - i ' m b b b m c c c c trọng số sà n ằ m vị t r í tương ứng H ệ đ ế m thập p h â n ( H ệ số 10) H ệ thập p h â n d ù n g m i c h ữ số t " " đ ế n " " k ý p h p vị trí để thể h i ệ n số đ ế m V í dụ : số 126.5 c ó ý nghĩa M ộ t t r ă m H a i chục Sáu đ n vị Năm phần m i đ n vị Con số 126.5 t h ể h i ệ n giá t r ị : 126.5 = 1*10 10 + 2*10 + 6*10° + * l ( f đ ó 10 số lo , lo , 10°, l o " c c trọng số Ì , 2, 6, c c chữ số đ ặ t vị trí t n g ứng v i trọng số • H ệ đ ế m nhị p h â n ( H ệ số 2) H ệ nhị p h â n d ù n g hai chữ số " " " Ì " k ý p h p vị trí đ ể t h ể h i ệ n số đếm với số , , ° , 2 ỉ ,2 , v.v c c trọng số C c chữ số " " " Ì " đ ặ t vị t r í t n g ứng v i trọng số Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Phần KIẾN TRÚC MÁY VI TÍNH li Bảng G D T h ệ đ i ề u h n h tạo k h i k h i đ ộ n g h ệ thống CPU quản lý bảng G D T qua ghi G D T R Thanh ghi G D T R chứa hai t h ô n g t i n bảng G D T : địa n ề n bảng k í c h thước ( g i i hạn) bảng K h i c ó y ê u cầu truy nhập đ o n , n g i y ê u cầu cung c ấ p B ộ chọn đ o n CPU thực h i ệ n thao t c k i ể m tra q u y ề n truy nhập đ o n trước k h i cho truy nhập Đ ố i v i việc truy nhập đ o n d ữ l i ệ u , q u t r ì n h k i ể m tra t i ế n h n h theo quy tắc : EPL = max(CPL, RPL) < DPL đ ó : + CPL mức đặc quyền n h i ệ m vụ đ a n g thực h i ệ n T h n g thường CPL c ó giá trị mức đặc q u y ề n đ o n chứa m ã l ệ n h đ a n g chạy B ộ x lý trung t â m c ó t h ể thay đ ổ i giá trị CPL k h i đ i ề u k h i ể n c h n g trình chuyển đ ế n m ộ t đ o n m ã c ó mức đặc q u y ề n cao h n + RPL mức đặc q u y ề n y ê u cầu mức đặc q u y ề n b ộ chọn M ứ c đặc quyền RPL sinh b i n g i nạp b ộ chọn đ o n + EPL mức đặc q u y ề n h i ệ u dụng + D P L mức đặc q u y ề n đ o n bị truy nhập N ế u đ i ề u k i ệ n k h ô n g thoa m ã n sinh m ộ t ngoại l ệ CPU k h ô n g cho truy nhập đ o n N ế u đ i ề u k i ệ n q u y ề n truy nhập thoa m ã n CPU cho truy nhập đ o n V i ệ c truy nhập ô n h đ o n thực h i ệ n t h ô n g qua địa n ề n đ o n (có t B ộ m ô tả đ o n vừa chọn) địa offset ô nhớ đ ó Đ ố i v i v i ệ c truy nhập đ o n m ã l ệ n h , q u t r ì n h k i ể m tra t i ế n h n h theo quy tắc : EPL = max(CPL, RPL) > DPL o n g đ ó việc truy nhập đoạn m ã lệnh có mức đặc quyền cao (EPL > D P L ) phải thực h i ệ n t h ô n g qua cổng g ọ i ỉ ) Cơ chế truy nhập nhớ (ô nhớ) qua báng LÚT Bảng LDT hệ điều hành tạo nạp chương trình ứng dụng vào b ộ nhớ k h i thực h i ệ n m ộ t n h i ệ m vụ M ỗ i bảng L D T quản lý c c đ o n 76 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Phần li KIẾN TRÚC MÁY VI TÍNH m ộ t c h n g trình ứng dụng ( m ộ t n h i ệ m v ụ ) V i ệ c quản lý c c đ o n ( c c v ù n g nhớ) thuộc m ộ t c h n g trình ứng dụng (một n h i ệ m v ụ ) t ổ chức n h sau (h.37) : Bảng LDT Đoạn liệu Nền LDT DS 15 INDEX Bộ mô tả đoan 47 RPL Bản copy Bộ mô tả đoạn (Phần hở) Bộ chọn đoạn Nền đoan Bộ mô tả đoạn Địa offset Tốn hạng (Phần kín) Địa cao Bảng GDT Nền GDT < 39 16 15 Địa Giói hạn GDTR Bộ mơ tả đoạn Bô mô tả LDT 15 47 Bô chon Bản copy LDT Bộ mô tả LDT Bô mô tả LDT Bơ mơ tả TSS ỉ (Phần hở) LDTR (Phần kín) cao Hình 37 M ỗ i m ộ t đ o n n h quản lý b i m ộ t Bộ m ô tả đ o n Các Bộ m ô tả đ o n nhiệm vụ chứa m ộ t bảng L D T r i ê n g b i ệ t N ó i c c h k h c , m ỗ i bảng L D T quản lý c c đ o n nhớ m ộ t n h i ệ m vụ M ỗ i bảng L D T quản lý b i m ộ t Bộ m ô tả L D T Bộ m ô tả L D T chứa địa bảng L D T , k í c h thước bảng, quyền truy nhập bảng (quyền truy nhập n h i ệ m v ụ ) Các B ộ m ô tả L D T c c n h i ệ m vụ chứa bảng G D T Bảng G D T quản lý b i ghi hệ thống GDTR 77 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Phần KIẾN TRÚC MÁY VI TÍNH li K h i m ộ t n h i ệ m vụ thực h i ệ n , h ệ đ i ề u h n h nạp B ộ chọn L D T v o ghi h ệ thống L D T R Thanh ghi L D T R trỏ đ ế n B ộ m ô tả L D T bảng G D T , từ đ â y CPU t h ô n g qua bảng L D T quản lý c c đ o n n h i ệ m vụ đ ó bắt đ ầ u (hoặc t i ế p tục) thực h i ệ n n h i ệ m vụ n y Đ ể truy nhập c c đ o n n h i ệ m vụ, n g i yêu cầu cần nạp B ộ chọn đ o n v o ghi đ o n tương ứng CPU thực h i ệ n thao tác k i ể m tra quyền truy nhập đ o n N ế u đ i ể u k i ệ n quyền truy nhập thoa m ã n CPU cho truy nhập đ o n N ế u đ i ề u k i ệ n k h ô n g thoa m ã n CPU sinh m ộ t ngoại l ệ k h ô n g cho truy nhập đ o n V i ệ c truy nhập ô nhớ đ o n thực h i ệ n t h ô n g qua địa đ o n ( c ó từ Bộ m ô tả đ o n vừa chọn) địa offset ô nhớ đ ó g) Cơ chế chuyển điều khiển gọi chương trình chế độ bảo vệ V i ệ c chuyển đ i ề u k h i ể n xảy k h i thực h i ệ n c c l ệ n h nhảy ( l ệ n h JMP) lênh g ọ i c h n g trình (lệnh C A L L ) Trường hợp thực h i ệ n l ệ n h nhảy l ệ n h g ọ i đoạn mã lệnh n h i ệ m vụ đ a n g chạy (lệnh nhảy gần, lệnh gọi gần) x ả y n h sau : Khi thực lệnh nhảy gần (NEAR JUMP), trỏ lệnh IP nạp giá trị m i C h n g trình t i ế p tục thực h i ệ n từ vị trí m i IP trỏ đ ế n Khi thực lệnh gọi gần (NEAR CALL), xử lý trung tâm thực c c thao tác sau : + Cất giá trị h i ệ n t h i IP v o n g ă n xếp + N p địa offset c h n g trình g ọ i ( đ í c h ) v o IP + Thực h i ệ n c h n g trình ( đ í c h ) T r n g hợp chuyển đ i ề u k h i ể n đ ế n đ o n m ã l ệ n h k h c k h i thực h i ệ n l ệ n h g ọ i xa ( F A R C A L L ) c ó hai tình : - Đ o n m ã l ệ n h đích c ó mức đặc quyền t h ấ p h n mức đặc quyền đ o n m ã l ệ n h nguồn h i ệ n t i K h i đ ó b ộ xử lý trung t â m thực h i ệ n c c thao tác sau : + Cất giá trị h i ệ n t h i c s IP v o n g ă n x ế p + N p b ộ chọn đ o n m ã l ệ n h chứa c h n g t r ì n h ( đ í c h ) v o c s + N p địa offset c h n g t r ì n h ( đ í c h ) v o IP + Thực h i ệ n c h n g t r ì n h đ í c h 78 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Phần KIẾN TRÚC MÁY VI TÍNH li L ệ n h R É T cho p h é p r i k h ỏ i c h n g trình đ ể trở c h n g t r ì n h g ọ i n ó L ệ n h n y k h ô i phục l i n ộ i dung b ộ chọn đ o n m ã l ệ n h nguồn ( n ộ i dung ghi CS), n ộ i dung trỏ l ệ n h ( n ộ i dung ghi IP) t i ế p tục thực h i ệ n c h n g t r ì n h đ ã g ọ i c h n g t r ì n h n y - Đ o n m ã l ệ n h c h n g t r ì n h ( đ í c h ) có mức đặc quyền cao h n mức đặc quyền đ o n m ã l ệ n h nguồn h i ệ n t i K h i đ ó việc g ọ i c h n g trình ( đ í c h ) p h ả i thực h i ệ n qua cổng g ọ i Bộ chọn đ o n lúc n y k h ô n g trỏ đ ế n m ô tả đ o n m ã l ệ n h chứa c h n g trình ( đ í c h ) , m trỏ đ ế n cổng g ọ i (bộ m ô tả cổng g ọ i ) Cổng g ọ i trỏ đ ế n m ô tả đ o n m ã l ệ n h c h n g trình ( đ í c h ) , cổng g ọ i chứa địa offset bắt đ ầ u c h n g trình ( đ í c h ) , qua đ ó g ọ i c h n g t r ì n h ( đ í c h ) Bộ xử lý trung t â m thực h i ệ n trình n y n h sau : + T m lưu g i ữ n ộ i dung c s , IP, ss, SP h i ệ n t h i (thuộc c h n g trình nguồn) + N p chọn cổng g ọ i k i ể m tra quyền truy nhập + Cất g i ữ giá trị t m lưu ss SP nguồn vào n g ă n xếp đ í c h + Chuyển c c tham số từ n g ă n xếp nguồn sang n g ă n xếp đích + Cất g i ữ giá trị t m lưu c s IP nguồn vào n g ă n xếp đ í c h + N p b ộ chọn m ô tả đ o n m ã l ệ n h đ í c h địa offset ( l ấ y từ cổng g ọ i ) , qua đ ó nạp b ộ m ô tả đ o n m ã l ệ n h đ í c h + Thực h i ệ n c h n g trình ( đ í c h ) K h i b ộ x lý trung t â m gặp l ệ n h R É T việc trở c h n g t r ì n h nguồn thực h i ệ n bắt đ ầ u việc k i ể m tra quyền truy nhập, sau đ ó k h i phục n ộ i dung c c ghi c s , IP, ss, SP theo m ộ t trình tự ngược l i 2.6 Cơ chế hoạt động đa nhiệm N h i ệ m vụ định nghĩa n h m ộ t thực h i ệ n c h n g trình n o đ ó M ỗ i m ộ t n h i ệ m vụ c ó m ộ t đ o n trạng thái n h i ệ m vụ ( đ o n TSS - Task State Segment) chứa t o n b ộ trạng thái n h i ệ m vụ đ ó M ỗ i đ o n TSS quản lý ( t r ỏ ) b ó i m ộ t B ộ m ô tả TSS n ằ m bảng G D T CPU x86 c ó phần cứng h ỗ trợ thao tác chuyển n h i ệ m vụ Thao tác chuyển n h i ệ m vụ thực h i ệ n lưu bảo vệ toàn trạng thái hoạt động n h i ệ m vụ đ a n g thực h i ệ n (bao g m n ộ i dung toàn b ộ c c ghi CPU, k h n g gian 79 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Phần KIÊN TRÚC MÁY VI TÍNH li địa c ó liên quan B ộ chọn L D T n h i ệ m vụ đ a n g c h y ) v o đ o n TSS, sau đ ó nạp trạng thái n h i ệ m vụ t i ế p theo từ đ o n TSS t n g ứng v o CPU, k i ể m tra truy nhập bắt đ ầ u thực h i ệ n n h i ệ m vụ m i Bảng GDT Đoạn TSS Bộ mô tả đoạn Địa ngăn xếp mứt đặc quyền 0,1,2 Nền GDT 15 47 TR Bộ chọn TSS (Phần hò) Bản copy Bộ mô tả TSS Bộ mô tả LDT Nội dung ghi CPU, trạng thái hệ thống v.v Bộ mô tả TSS (Phần kin) Bộ chọn LDT Nền TSS Nạp vào ghi CPU —> Nạp vào LDTR Ảnh bít cho phép truy nhập cổng vào/ liên quan Hình 38 Thanh ghi n h i ệ m vụ T R (Task Register) trỏ đ ế n B ộ m ô tả TSS quản lý n h i ệ m vụ h i ệ n t h i Thao tác chuyển nhiệm vụ tiến hành theo bước sau (h.38) : + Lưu toàn trạng thái hoạt động nhiệm vụ thực (bao g m n ộ i dung toàn c c g h i CPU, c c địa c ó liên quan B ộ chọn L D T n h i ệ m vụ h i ệ n t h i ) v o đ o n trạng thái n h i ệ m vụ TSS n h i ệ m vụ n y + Nạp Bộ chọn nhiệm vụ vào ghi TR Thanh ghi TR trỏ đ ế n B ộ m ô tả TSS quản lý đ o n TSS n h i ệ m vụ t i ế p theo + Qua Bộ mô tả TSS truy nhập đoạn TSS nhiệm vụ tiếp theo, nạp trạng thái n h i ệ m vụ t i ế p theo v o c c ghi CPU, đ ó c ó ghi L D T R B ộ m ô tả TSS nạp v o phần k í n T R + Thực kiểm tra quyền truy nhập + Thực nhiệm vụ 80 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Phần li KIẾN TRÚC MÁY VI TÍNH 2.7 C c c h ế đ ộ x c đ ị n h đ ị a c h ỉ t o n h n g CPU x86 thực h i ệ n m ộ t tập c c n h ó m lệnh : - N h ó m l ệ n h số học : A D D , SUB, M U L , D I V - N h ó m l ệ n h c h u y ể n số l i ệ u : M O V , PUSH, POP - N h ó m l ệ n h rẽ n h n h đ i ề u k h i ể n : JMP, C A L L , R É T , I N T , L O O P , C U , STÌ - N h ó m lệnh v o : I N , O U T - Các lệnh k h c : logic, thao tác bít, x lý xâu 2.7.1 Cấu trúc lệnh Cấu trúc m ộ t l ệ n h c ó t h ể c ó c c dạng sau : Mã lệnh M ã lệnh Mã lệnh Địa toán hạng Địa toán hạng đ í c h Địa t o n hạng nguồn M ã l ệ n h : phần chứa t h ô n g t i n xác định c c thao t c c ô n g việc cần thực h i ệ n Phần địa c h ỉ : phần t h ô n g t i n xác định nơi chứa t o n hạng C c nơi c ó t h ể chứa t o n hạng : + Tức t h i lênh (giá trị t o n hạng n ằ m l ệ n h ) + C c ghi CPU + B ộ nhớ Các thao tác c ó t h ể x ả y c c đ ố i tượng sau : Thanh ghi < - Tức t h i Thanh ghi Thanh ghi B ộ nhớ < - Tức t h i B ộ n h Thanh ghi 81 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Phần KIẾN TRÚC MÁY VI TÍNH li 2.7.2 Các phương Các phương pháp xác định địa toán hạng pháp xác định địa toán hạng ( C c phương pháp định vị toán hạng) cho p h é p xác định nơi chứa t o n hạng N i chứa t o n hạng c ó thể : l ệ n h , ghi nhớ Bộ nhớ mặc định h i ể u đ o n d ữ l i ệ u , xác định địa ô nhớ xác định địa offset h i ệ u dụng nhớ đ o n đ ó Trong c c trường hợp k h c cần r õ đ o n nhớ c ầ n truy nhập, ví dụ ES :[địa o f f s e t ] Có n h ó m c h ế đ ộ định vị toán hạng + Định vị tức t h i + Định vị ghi + Định vị nhớ • Định vị tức thời : D ữ l i ệ u n ằ m c â u l ệ n h V í dụ : • M O V A X , 0F000h ; đưa giá trị F000h v o A X Định vị g h i : Các ghi đa n ă n g , c c ghi địa c c ghi đ o n CPU nơi chứa d ữ l i ệ u V í dụ : • M O V A X , BX ; đưa giá trị B X v o A X Định vị nhớ : P h n g p h p định vị nhớ cho p h é p x c định địa offset (địa lệch) nhớ chứa tốn hạng, nhớ mặc định n ằ m đ o n d ữ l i ệ u C ó c c p h n g p h p định vị nhớ sau : - Định vị trực t i ế p - Định vị g i n t i ế p - Định vị sở - Định vị số - Định vị sở số - Định vị đ ầ y đ ủ 82 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Phần li KIẾN TRÚC MÁY VI TÍNH + Đ ị n h vị trực t i ế p : Địa ô n h chứa d ữ l i ệ u n ằ m l ệ n h Địa O f f s e t = [giá trị cụ t h ể ] Ví d ụ : ' M # v A X , [lOOOh] ; Đ a n ộ i dung nhớ có địa DS : lOOOh v o A X MOV AX, ALFA ; A L F A tên b i ế n đ ã khai b o Đoạn liệu DS : OOOệh I I I lOOOh Nền đoạn ——rrmrr-rtrrT Dở l i ệ u địa t h ấ p —Ị địa cao + Đ ị n h vị g i n t i ế p (thanh ghi) Các g h i địa B X , BP, SI, D I , SP nơi chứa địa ô n h d ữ l i ệ u V í dụ : M O V A X , [ B X ] ; đ ó [ B X ] = lOOOh ; lệnh thực đưa n ộ i dung nhớ có địa DS : lOOOh vào A X Đoạn liệu Nền đoạn địa thấp DS : 0000 BX 1000h Ì Dữ liệu địa cao Ì ĩ ĩ + Đ ị n h vịĩ c sở Ì Địa offset = ' [ B X + khoảng dịch] [BP + khoảng dịch], ghi BP trỏ đ ế n đoạn ngăn xếp 83 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Phần li KIẾN TRÚC MÁY VI TÍNH P h n g p h p định vị c sở thường d ù n g c c thao t c v i phần tử mảng d ữ l i ệ u v i c c c ấ u t r ú c d ữ l i ệ u tương đ n g V í d ụ : M O V A X , [ B X + 10h] ; [ B X ] = lOOOh , lệnh thực đưa n ộ i dung nhớ có gia DS : lOlOh vào A X Đoạn liệu Nền đoạn DS : OOOOh DS : lOOOh DS : l O l O h + Định vị số [ [ S I + khoảng dịch] Địa offset = ị [ D I + khoảng dịch] V í dụ : M O V A X , [SI + lOOOh] ; đó[SI] = lOh , lệnh thực h i ệ n đ a n ộ i dung ô n h c ó địa DS : lOlOh v o A X Đoạn liệu Nền đoạn DS : OOOOh lOỌOh SI Ị ỊQh ĩ Ị-»e—> DS : lOOOh D ữ liêu DS : l O l O h 84 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Phần ỉ! KIẾN TRỨC MÁY VI TÍNH Đ i ề u k h c b i ệ t p h n g p h p định vị số so v i p h n g p h p định vị sở hệ 32 bít c ó t h ể v i ế t (SI* b ộ i số), ( D I * b ộ i số) B ộ i số 1,2,4,8 + Đ ị n h vị c sở số [ B X + SI] [BX + DI] Địa offset = X [BP + SI] L [BP + D I ] V í d ụ : M O V A X , [ B X + SI] ; đ ó [ B X ] = lOOOh, [SI] B lOh lệnh thực h i ệ n đưa n ộ i dung nhớ c ó địa DS : lOlOh v o A X Đoạn liệu Nền đoan DS : OOOOh DS :lOOOh SI lOh D ữ liêu D S : lOlOh P h n g p h p định vị sở số thường d ù n g c c thao tác v i mảng d ữ l i ệ u v i c c c ấ u trúc d ữ l i ệ u tương đ n g + Định vị đ ầ y đ ủ Địa offset = [Thanh ghi c sở + Thanh ghi số + khoảng dịch] 85 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Phăn KIẾN TRÚC MÁY VI TÍNH li Đoan liệu DS : OOOOh Nền đoạn BX SI DS : lOOOh lOOOh lOh 03h -»-©—> —> DS : lOlOh ĩ DS : 1013h Dữ liệu P h n g p h p định vị n y thường d ù n g c c thao t c v i m ả n g l i ệ u hai chiều v i c c c ấ u trúc d ữ l i ệ u phức tạp P E N T I U M Pentium loại đơn vị xử lý trung tâm 32 bít loại đơn vị xử lý trung t â m đ ầ u tiên sử dụng k ỹ thuật I L P (Instruction Level Parallelism), k ỹ thuật x lý song song mức l ệ n h 3.1 Kỹ thuật đường ống kỹ thuật ILP M ộ t lệnh thường xử lý qua n ă m giai đ o n : 1_ Nhập lệnh ( F I Fetch the Instruction) 2_ G i ả i m ã lệnh ( D I Decode the Instruction) 3_ Tạo địa t o n hạng ( G Ĩ A Generate Operand Address) 4_ Nhập tốn hạng (FO Fetch operands) 5_ Thực h i ệ n l ệ n h ( E I Execute Instruction) 86 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Phán KIẾN TRÚC MÁY VI TÍNH li V i k ỹ thuật xử lý l ệ n h t h ô n g t h n g , đơn vị x lý trung t â m phải thực h i ệ n xong t ấ t c c giai đ o n thực h i ệ n m ộ t l ệ n h , t h n g sau chu k ỳ m y , r i m i c h u y ể n sang nhập thực h i ệ n lệnh t i ế p theo Đ ể t ă n g tốc đ ộ xử lý l ệ n h m k h ô n g t h i ế t phải t ă n g tần số nhịp m y , n g i ta sử dụng c c k ỹ thuật k h c n h k ỹ thuật xử lý lệnh k i ể u đường ống (Pipeline) k ỹ thuật I L P • K ỹ thuật xử lý l ệ n h k i ể u đ n g ống (Pipeline) K ỹ thuật x lý lệnh k i ể u đường ống sử dụng c c đơn vị xử lý trung t â m từ đ i CPU Intel 8086 Đ n g ống tương tự n h d â y chuyền sản x u ấ t n h i ề u c ô n g đ o n Ở d â y chuyền sản x u ấ t , m ỗ i c ô n g đ o n thực h i ệ n thao tác sản xuất Sản p h ẩ m h ì n h t h n h dần sau m ỗ i c ô n g đ o n sản xuất chuyển đ ế n c ô n g đ o n sau, cho đ ế n k h i h o n t h n h c ô n g đ o n c u ố i c ù n g / T r o n g k ỹ thuật xử lý l ệ n h theo k i ể u đ n g ống, việc thực h i ệ n l ệ n h thực h i ệ n qua thao t c , m ỗ i thao t c thực h i ệ n m ộ t giai đ o n , giai đ o n n ọ t i ế p sau giai đ o n kia, cho đ ế n k h i thực h i ệ n xong l ệ n h V i m ộ t đường ống - g i a i đ o n , t i m ỗ i chu k ỳ m y c ó d ữ l i ệ u thuộc giai đ o n xử lý gửi vào đ n g ống thao t c thực h i ệ n đồng t h i N h v ậ y , tính từ k h i thực t h i xong l ệ n h đ ầ u tiên sau m ỗ i chu k ỳ m y l i c ó m ộ t lệnh h o n t h n h m ộ t lệnh m i nhập (h.39) K ỹ thuật đường ống cho p h é p tăng tốc đ ộ thực h i ệ n l ệ n h lên n h i ề u l ầ n Chu k ỳ FI DI GÓA FO EI FI DI GÓA FO EI FI DI GÓA FO EI FI DI GÓA FO EI FI DI GÓA FO EI Hình 39 87 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Phần • KIẾN TRÚC MÁY VI TÍNH li K ỹ thuật I L P ( K ỹ thuật x lý song song mức l ệ n h ) K ỹ thuật I L P k ỹ thuật t h i ế t k ế đ n v ị - x lý trung t ầ m c h n g trình dịch nhằm l m t ă n g tốc đ ộ c c thao t c m y ( n h g h i - đ ọ c b ộ nhớ) thực h i ệ n c c p h é p tính Trong c c k ỹ thuật I L P c ó k ỹ thuật superscalar, đ ó t i m ộ t chu k ỳ m y n h i ề u l ệ n h nhập thực h i ệ n đ n g t h i nhiều đường ống k h c Pentium l o i đ n vị x lý trung t â m t h i ế t k ế theo k ỹ thuật superscalar, đ ó hai l ệ n h nhập g i ả i m ã đ n g t h i Pentium c ó hai đ n g ống thực h i ệ n l ệ n h song song u V Q u t r ì n h thực h i ệ n l ệ n h m ô tả n h sau (h.40) : FI DI GÓA FO EI GÓA FO EI Fĩ GÓA ro GÓA FO EI GÓA FO EI GĨA FO EI BI DI FI DI Hình 40 3.2 C ấ u t r ú c c ủ a P e n t ỉ u m Pentium đ n vị xử lý trung t â m l o i 32bit đ n vị x lý trung t â m l o i CISC (Complex Instruction Sét Computer) v i đặc đ i ể m : h ệ l ệ n h phức tạp, nhiều k i ể u x c định địa chỉ, nhiều k h u ô n dạng l ệ n h n h i ề u k í c h thước lệnh k h c Pentium c ó BUS địa n g o i 32 bít, BUS d ữ l i ệ u n g o i 64 bít Pentium c ó hai cache Kbyte độc lập : m ộ t cache K b y t e cổng d n h cho d ữ l i ệ u cache Kbyte chứa l ệ n h Pentium c ó hai đ n g ống thực h i ệ n lệnh song song u V , hai đơn vị số h ọ c - l o g i c A L U Pentium c ó m ộ t b ộ đồng xử lý d ấ u c h ấ m động FPU tích hợp c h í p m ộ t đ n g ống r i ê n g thực h i ệ n c c lệnh d ấ u c h ấ m động (h.41) 88 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Phần KIẾN TRÚC MÁY VI TÍNH li VỊ Cache lệnh 8kbyte Dự báo rẽ nhánh BTB Hàng nhập lệnh Giải mã lệnh ũ : Đơn vị điều khiển Tạo địa toán hạng kênh l i Đơn vị Bus BUS 32bit địa 64bit liệu Tạo địa toán hạng kênhV Đơn vị xử lý dấu chấm động Các ghi Các ghi ALU kênh V ALU kênh u Cache liệu 8kbyte MA Hình 41 Pentium c ó c c g h i sau Gác g h i đ o n 16 bít cs DS ~ẼS~ ~ss~ ~FS~ GS 89 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn KIẾN TRÚC MÁY VI TÍNH Phần Ù Các ghi đ a n ă n g 32 bít : 31 16 15 AH (AX) AL EAX BH (BX) BL EBX CH (CX) CL ECX DH (DX) DL EDX Các ghi đ a n ă n g 32 bít 31 16 15 SI ESI DI EDI BP EBP SP ESP Con trỏ lệnh EIP ghi cờ E F L A G S 32 bít : 31 16 15 IP EIP FLAGS EFLAGS Các ghi h ệ thống : Các ghi đ i ề u k h i ể n 32 bịt : CRO, C R , CR2, CR3, CR4 Các ghi quản lý b ộ nhớ : G D T R , L D T R , I D T R , T R 90 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn