nguyên tắc hoạt động của bộ vi xử lý

Các thanh ghi đa năng Các thanh ghi chỉ số và con trỏ Thanh ghi đoạn Con Trỏ lệnh Toán hạng Bộ tạo địa chỉ và Đ/K BUS Hàng đợi lệnh ALU BUS ĐƠN VỊ THỰC HIỆN EU ĐƠN VỊ GHÉP NỐI BIU... E

Nguyên tắc hoạt động của bộ vi xử lý

a Bên trong của bộ vi xử lýý

- Bộ vi xử lý thường được xem là bộ não của hệ máy vi tính Bộ VXL là một

vi mạch tích hợp cực lớn Chúng ta sẽ nghiên cứu bộ VXL điển hình là 8086/8088

Bộ VXL 8086/8088 gồm có 2 phần chính là đơn vị thực hiện lệnh EU (Execution Unit) và đơn vị giao tiếp BIU (Bus Interface Unit)

EU thực hiện tất cả các tính toán số học và logic, còn BIU thu nhận lệnh (Fetche) và dữ liệu từ bộ nhớ Các lệnh này dùng để điều khiển và cho hoạt động của MP

Các thanh ghi đa năng

Các thanh ghi chỉ số và con trỏ

Thanh ghi đoạn Con Trỏ lệnh

Toán hạng

Bộ tạo địa chỉ và Đ/K BUS

Hàng đợi lệnh ALU

BUS

ĐƠN VỊ THỰC HIỆN EU ĐƠN VỊ GHÉP NỐI BIU

Hình 2.3: Cấu trúc bộ vi xử lý 8086/8088

Sơ đồ khối chức năng của BVXL 8086/8088 được giới thiệu như hình vẽ Dưới đây chúng ta nghiên cứu sâu hơn về khối chức năng đó

b Tổ chức bên trong của EUvi mạch 8086/88

EU là nơi xảy ra các quá trình xử lý dữ liệu ở bên trong bộ VXL, ở

đây có đơn vị số học và đơn vị logic (ALU Arithmetic And logic Unit) cùng với các thanh ghi để xử lý số liệu và ghi giữ các kết quả trung gian EU nhận các lệnh và dữ liệu do EU lại được chuyển ra bộ nhớ hoặc với các thiết bị ngoại vi thông qua BIU Như vậy EU không liên hệ trực tiếp với thế giới bên ngoài mà luôn luôn thông qua BIU

Đơn vị thực hiện EU gồm có 2 phần là ALU và các thanh ghi chung, các lệnh từ hàng đợi lệnh trong BIU được thu nhận vào, giải mã và thực hiện tại đây Các lệnh được lấy từ trên xuống theo nguyên tắc FIFO (First in First out)

ALU gồm các mạch có nhiệm vụ thực hiện các phép tính số học hoặc logic trên các số nhị phân theo từng cặp bit vào

- Các thanh ghi đa năng (General Register):

Bao gồm 4 thanh ghi 16 bít Thanh ghi đa năng dùng để lưu giữ tạm các kết quả trung gian

Là những thanh ghi 16 bit được ký hiệu là AX, BX, CX, DX (Accumulator, Base, Count, Data) được chia làm 2 nửa 8 bít: nửa cao (dùng chữ H) và nửa thấp (dùng chữ L) Các thanh ghi có thể dùng nửa 8 bit để lưu theo Byte hoặc kết hợp 2 nửa để lưu theo từ

8 bít cao 8 bít thấp

Thanh ghi AX: Thanh ghi tích luỹ là thanh ghi chính để thực hiện các phép

toán số học, các lệnh xuất nhập cổng

Thanh ghi BX: Thanh ghi cơ sở, dùng để chỉ đến vị trí 1 ô nhớ trong 1 đoạn

Thanh ghi CX: Thanh ghi đếm, dùng để định số lần lặp của lệnh lặp

Thanh ghi DX: Thanh ghi dữ liệu, thường dùng để lưu kết quả của các phép

tính nhân, chia và định địa chỉ trong các lệnh xuất, nhập cổng

- Các thanh ghi con trỏ và chỉ số

Thanh ghi con trỏ và thanh ghi chỉ gồm có 4 thanh ghi chỉ số và thanh ghi con trỏ dùng cho việc lưu trú thông tin vào trong một khu vực đặc biệt của bộ nhớ Các thanh ghi con trỏ (Pointer Register) được ký hiệu là SP và

BP, còn các thanh ghi chỉ số (Index, Register) thì ký hiệu là SI và DI Đây là các thanh ghi 16 bít, không thể chia thành 2 thanh ghi 8 bít

Các thanh ghi này thường được dùng chủ yếu để trỏ hoặc ghi chỉ số để xác định một địa chỉ trong bộ nhớ Các địa chỉ được chứa trong các thanh ghi này có thể được liên hợp với các thông tin từ BIU để định vị trí thực của dữ liệu trong bộ nhớ

SP Stack pointer

BP Base Pointer

SI Source Index

DI Destination Index

- Bp: Thanh ghi con trỏ cơ sở, dùng trong phép định địa chỉ cơ sở khi truy

xuất Stack

- Stack: (Ngăn xếp) là một vùng trong bộ nhớ trong để lưu trữ các dữ liệu

tạm thời Stack được sử dụng khi chương trình thực hiện một lệnh gọi chương trình con hay 1 ngắt Lúc đó CPU lưu địa chỉ của lệnh kế tiếp sau lệnh gọi vào Stack Khi thực hiện xong chương trình con hoặc ngắt thì CPU

sẽ lấy địa chỉ này ra khỏi Stack để có thể thực hiện lệnh kế tiếp Stack làm việc theo nguyên tắc LIFO (Last in First out)

Để quản lý Stack cần sử dụng con trỏ để chỉ đến tỉnh của Stack

- SP: Thanh ghi con trỏ ngăn xếp, được dùng làm con trò để chỉ đến phần

tử ở đỉnh của Stack

- SI và DI: Được dùng trong các lệnh xử lý chuỗi và trong các phép định địa

chỉ chỉ mục khi truy xuất bộ nhớ

SI: Thanh ghi chỉ số đích, dùng để xác định địa chỉ chỉ bắt đầu của chuỗi

nguồn

DI: Thanh ghi chỉ số đích, dùng để xác định địa chỉ bắt đầu của chuỗi số

đích

- Thanh ghi cờ.(Flags register)

Là thanh ghi 16 bít Dùng để luư giữ thông tin về các trạng thái công tác của EU hoặc kết quả phép toán do ALU thực hiện MP 8086/8088 có 9

cờ để ghi thông tin

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

OF DF IF TF SF ZF AF PF CF

AF

CF

OF

SF

PF

ZF

DF

IF

TF

Auxiliary Flag

Carry Flag

Overflow Flag

Sign Flag

Parity Fiag

Zero Flag

Direcction Flag

Interupt-Enable Flag

Trap Flag

Cờ phụ - chỉ thị nếu số nhớ vượt 4 LSB

Cờ nhớ - chỉ thị nếu số nhớ vượt 4 MSB

Cờ tràn - chỉ thị nếu kết quả vượt thang

Cờ dấu - chỉ thị kết quả âm

Cờ chẵn - chỉ thị nếu ở kết quả số các số 1 chẵn

Cờ zero - chỉ thị nếu kết quả bằng 0

Cờ hướng - nếu DF=1 thực hiện theo chiều giảm

Cờ ngắt - báo MP biết yêu cầu ngắt

Cờ bẫy - đặt MP vào chế độ chạy từng lệnh CPU 8086/8088 chỉ dùng 9 bít làm cờ

c.Tổ chức bên trong của BIU

- Bộ tạo địa chỉ và điều khiển Bus

BIU gồm có mạch tạo địa chỉ và điều khiển BUS Nó có nhiệm vụ bảo

đảm cho BUS được sử dụng hết dung lượng Để đảm bảo được điều đó, BIU phải thực hiện 2 chức năng sau:

- Chức năng 1: BUS nhận trước các lệnh, cất tạm vào dãy chứa lệnh nhờ đó

mà MP tăng được tốc độ tính toán

- Chức năng 2: BUS đảm đương mọi chức năng điều khiển BUS để EU có

thể tập trung vào việc xử lý dữ liệu và thực hiện lệnh Con trỏ lệnh chứa địa chỉ của lệnh thực hiện tiếp theo

BIU được dùng để trực tiếp truy xuất hoặc phối ghép với những bộ

phận khác của máy tính

BIU gồm 3 khối chức năng - Đơn vị điều khiển BUS

- Hàng chứa lệnh

- Điều khiển địa chỉ

- Đơn vị điều khiển BUS (Bus Control Unit)

Dùng để thực hiện các thao tác Bus đối với MP Nó tiếp nhận và tạo các lệnh, dữ liệu và các tín hiệu điều khiển giữa MP và các bộ nhớ khác của hệ

Ví dụ, xác định hướng di chuyển của dữ liệu trên BUS dữ liệu bằng đường dây điều khiển DT/R (Data transmit/receive) phát hoặc thu dữ liệu

-Hàng chứa lệnh (Instruction Queue)

Dùng hàng chứa lệnh để làm nơi lưu trữ tạm thời các lệnh sẽ được thực hiện trong EU Thông qua đơn vị điều khiển bus, BIU nhận trước các lệnh và cất tạm chúng vào trong hàng chứa lệnh Đây là công việc chiếm nhiều thời gian

hơn so với việc tính toán trong EU Do vậy BIU và EU cùng hoạt động song song bảo đảm nâng cao hiệu quả làm việc của MP

- Đơn vị điều khiển địa chỉ (Address Control Unit)

MP 8088/8086 có 20 đường địa chỉ (20 bít) vì vậy có khả năng đánh địa chỉ đến 1Mb Đơn vị điều khiển địa chỉ phối hợp hoạt động với con trỏ lệnh, các thanh ghi đoạn và mạch tạo địa chỉ để xác định địa chỉ ô nhớ như được vẽ trong hình sau

- Con trỏ lệnh:(Instruction Pointer - IP)

Thanh ghi đoạn Thanh ghi dữ liệu Thanh ghi ngăn xếp Thanh ghi phụ

Con trỏ lệnh

Bộ tạo địa chỉ

16 bit

20 bit

CS DS SS ES

IP

Từ EU

SP, BP, SI, DI, BX

Là một thanh ghi 16 bit dùng để chỉ cho MP biết lệnh phải thực hiện tiếp theo Mỗi lần đơn vị thực hiện EU nhận 1 lệnh thì con trỏ lệnh được tăng lên

để chỉ rõ lệnh được thực hiện tiếp theo trong chương trình

- Các thanh ghi đoạn ( Segment Register)

Gồm có 4 thanh ghi

làm ngăn xếp

để cất dữ liệu

Mỗi đoạn của bộ nhớ có thể dài đến 64Kb MP 8086/88 sử dụng 20 đường địa chỉ nên có thể lập địa chỉ cho 220 ô nhớ (1048576 byte nhớ) Đây là điều gây khó khăn bởi vì các thanh ghi của MP đều sử dụng độ dài là 16 bit Để khắc phục vấn đề này người ta đưa ra khái niệm địa chỉ đoạn và địa chỉ offset (địa chỉ- độ dời) Người sử dụng các thanh ghi đoạn 16 bit CS, DS, SS

và ES để xác định địa chỉ dịch chuyển tính từ địa chỉ đoạn Cụ thể là địa chỉ đoạn sẽ được dịch trái 1 khoảng 4 bit kết hợp với địa chỉ offset giữ nguyên

sẽ tạo thành cách xác định địa chỉ 20 bit

Thanh ghi Ofset Thao tác

CS

DS

SS

ES

IP

BX, SI, DI

SP

DI

Nhận lệnh

Dữ liệu Ngăn xếp Nơi gửi tới