Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC MÁY TÍNH 1. Ngôn ngữ, cấp máy và máy ảo (Language, level and virtual machine) 1.1. Giới thiệu Máy tính số (Digital computer) là máy giải quyết các vấn đề bằng cách thực hiện các chỉ thị do con người cung cấp. Chuỗi các chỉ thị này gọi là chương trình (program). Các mạch điện tử trong một máy tính số sẽ thực hiện một số giới hạn các chỉ thị đơn giản cho trước. Tập hợp các chỉ thị này gọi là tập lệnh của máy tính. Tất cả các chương trình muốn thực thi đều phải được biến đổi sang tập lệnh trước khi được thi hành. Các lệnh cơ bản là: - Cộng 2 số. - So sánh với 0. - Di chuyển dữ liệu. Tập lệnh của máy tính tạo thành một ngôn ngữ giúp con người có thể tác động lên máy tính, ngôn ngữ này gọi là ngôn ngữ máy (machine language). Tuy nhiên, hầu hết các ngôn ngữ máy đều đơn giản nên để thực hiện một yêu cầu nào đó, người thiết kế phải thực hiện một công việc phức tạp. Đó là chuyển các yêu cầu này thành các chỉ thị có chứa trong tập lệnh của máy. Vấn đề này có thể giải quyết bằng cách thiết kế một tập lệnh mới thích hợp cho con người hơn tập lệnh đã cài đặt sẵn trong máy (built-in). Ngôn ngữ máy sẽ được gọi là ngôn ngữ cấp 1 (L1) và ngôn ngữ vừa được hình thành gọi là ngôn ngữ cấp 2 (L2). Một phương pháp thực thi chương trình L2 là chuyển một lệnh trong L2 bằng một chuỗi các lệnh tương đương trong L1. Kết quả là sẽ tạo thành một chương trình L1 và máy tính sẽ thực hiện chương trình tương đương L1 thay vì thực hiện chương trình L2. Kỹ thuật này gọi là biên dịch (compile). Cách khác là một lệnh trong chương trình L2 sẽ được xem như dữ liệu ngõ vào của chương trình L1 và toàn bộ chương trình L2 sẽ được thực thi tuần tự. Kỹ thuật này gọi là thông dịch (interprete), nó không yêu cầu tạo ra một chương trình mới trong L1. Biên dịch và thông dịch đều thực hiện chương trình L2 thông qua tập lệnh trong chương trình L1. Chúng khác nhau ở chỗ là khi biên dịch thì toàn bộ chương trình L2 sẽ được chuyển thành chuỗi lệnh L1 rồi sau đó mới được thực thi còn đối với phương pháp thông dịch thì sẽ thực thi từng lệnh trong L2. Để thuận tiện hơn, ta giả sử tồn tại một máy tính sử dụng ngôn ngữ máy là L2, ta gọi máy tính này là máy ảo (virtual machine). Tuy nhiên, trong thực tế, để có thể thực hiện biên dịch và thông dịch , các ngôn ngữ L1 và L2 không được khác nhau nhiều. Như vậy, ngôn ngữ L2 cũng không thật sự giúp ích nhiều cho người thiết kế. Do đó, một tập lệnh kế tiếp được hình thành sẽ hướng về con người nhiều hơn là máy tính, tập lệnh này sẽ tạo thành một ngôn ngữ và ta gọi là ngôn ngữ L3. Ta có thể viết các chương trình trong L3 như là đã tồn tại máy tính sử dụng Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 2 ngôn ngữ L3 (máy ảo L3). Các chương trình này sẽ được dịch sang ngôn ngữ L2 và được thực thi bằng một chương trình dịch L2. Việc xây dựng toàn bộ chuỗi các ngôn ngữ, mỗi ngôn ngữ được tạo ra sẽ thích hợp hơn ngôn ngữ trước đó sẽ có thể tiếp tục cho đến khi nhận được ngôn ngữ thích hợp nhất. Sơ đồ một máy ảo n cấp có thể biểu diễn như sau: Một máy tính số có n cấp có thể xem như có n-1 máy ảo khác nhau, mổi máy ảo có một ngôn ngữ máy riêng. Các chương trình viết trên các máy ảo này không thể thực thi trực tiếp mà phải dịch thành các ngôn ngữ máy cấp thấp hơn. Chỉ có máy thật dùng ngôn ngữ máy L1 mới có thể thực thi trực tiếp bằng các mạch điện tử. Một lập trình viên sử dụng máy ảo cấp n không cần biết tất cả các trình dịch này. Chương trình trong máy ảo cấp n sẽ được thực thi bằng cách dịch thành ngôn ngữ máy cấp thấp hơn và ngôn ngữ máy này sẽ được dịch thành ngôn ngữ máy thấp hơn nữa hay dịch trực tiếp thành ngôn ngữ máy L1 và thực thi trực tiếp trên các mạch điện tử. Cấp n Cấp 3 Cấp 2 Cấp 1 Máy ảo Mn dùng ngôn ngữ máy Ln Chương trình trong Ln được dịch thành ngôn ngữ của máy cấp thấp hơn Máy ảo M3 dùng ngôn ngữ máy L3 Chương trình trong L3 được dịch thành ngôn ngữ L2 hay L1 Máy ảo M2 dùng ngôn ngữ máy L2 Chương trình trong L2 được dịch thành ngôn ngữ máy L1 Máy tính số M1 dùng ngôn ngữ máy L1 Chương trình trong L1 được thực thi trực tiếp bằng các mạch điện tử Hình 1.1. Máy ảo n cấp Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 3 1.2. Máy nhiều cấp Hầu hết các máy tính hiện nay gồm có 6 cấp: Cấp 0 chính là phần cứng của máy tính. Các mạch điện tử của cấp này sẽ thực thi các chương trình ngôn ngữ máy của cấp 1. Trong cấp logic số, đối tượng quan tâm là các cổng logic. Các cổng này được xây dựng từ một nhóm các transistor. Cấp 1 là cấp ngôn ngữ máy thật sự. Cấp này có một chương trình gọi là vi chương trình (microprogram), vi chương trình có nhiệm vụ thông dịch các chỉ thị của cấp 2. Hầu hết các lệnh trong cấp này là di chuyển dữ liệu từ phần này đến phần khác của máy hay thực hiện việc một số kiểm tra đơn giản. Mỗi máy cấp 1 có một hay nhiều vi chương trình chạy trên chúng. Mỗi vi chương trình xác định một ngôn ngữ cấp 2. Các máy cấp 2 đều có nhiều điểm chung ngay cả các máy cấp 2 của các hãng sản xuất khác nhau. Các lệnh trên máy cấp 2 được thực thi bằng cách thông dịch bởi vi chương trình mà không phải thực thi trực tiếp bằng phần cứng. Cấp 5 Cấp ngôn ngữ hướng vấn đề Dịch (chương trình dịch) Cấp 4 Cấp ngôn ngữ hợp dịch Dịch (hợp dịch) Cấp 3 Cấp hệ điều hành Dịch 1 phần (hệ điều hành) Cấp 2 Cấp máy quy ước Thông dịch (vi chương trình) Cấp 1 Cấp vi lập trình Vi chương trình (phần ứ )Cấp 0 Cấp logic số Hình 1.2 – Các cấp trên máy tính số Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 4 Cấp thứ 3 thường là cấp hỗn hợp. Hầu hết các lệnh trong ngôn ngữ của cấp máy này cũng có trong ngôn ngữ cấp 2 và đổng thời có thêm một tập lệnh mới, một tổ chức bộ nhớ khác và khả năng chạy 2 hay nhiều chương trình song song. Các lệnh mới thêm vào sẽ được thực thi bằng một trình thông dịch chạy trên cấp 2, gọi là hệ điều hành. Nhiều lệnh cấp 3 được thực thi trực tiếp do vi chương trình và một số lệnh khác được thông dịch bằng hệ điều hành (do đó, cấp này là cấp hỗn hợp). Cấp 4 thật sự là dạng tượng trưng cho một trong các ngôn ngữ. Cấp này cung cấp một phương pháp viết chương trình cho các cấp 1, 2, 3 dễ dàng hơn. Các chương trình viết bằng hợp ngữ được dịch sang các ngôn ngữ của cấp 1, 2, 3 và sau đó được thông dịch bằng các máy ảo hay thực tương ứng. Cấp 5 bao gồm các ngôn ngữ được thiết kế cho người lập trình nhằm giải quyết một vấn đề cụ thể. Các ngôn ngữ này được gọi là cấp cao. Một số ngôn ngữ cấp cao như Basic, C, Cobol, Fortran, Lisp, Prolog, Pascal và các ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng như C++, J++, … Các chương trình viết bằng các ngôn ngữ này thường được dịch sang cấp 3 hay 4 bằng các trình biên dịch (compiler). 1.3. Quá trình phát triển của máy nhiều cấp Các máy tính đầu tiên trong thập niên 40 chỉ có 2 cấp: cấp máy quy ước và cấp logic số. Các lập trình viên phải làm việc trên cấp máy quy ước và chương trình được thực thi trên cấp logic số. Trong thập niên 50, Wikes đề xuất ý tưởng thiết kế máy tính 3 cấp. Máy tính này có một trình thông dịch cài đặt sẵn, không thay đổi, có nhiệm vụ thực thi các chương trình trong cấp máy quy ước. Như vậy, phần cứng chỉ thực thi các vi chương trình với số lệnh giới hạn nên các mạch điện tử cũng đơn giản hơn. Trình dịch hợp ngữ (assembler) và các trình biên dịch cho ngôn ngữ cấp cao (compiler) phát triển vào những năm 50 tạo điều kiện dễ dàng hơn cho lập trình viên. Tuy nhiên, vào lúc này, lập trình viên phải tự điều hành máy. Vào những năm 60, việc tự động hóa công việc điều hành bắt đầu được thực hiện. Một chương trình gọi là hệ điều hành (operating system) luôn được lưu trữ bên trong máy tính. Lập trình viên cung cấp các thẻ điều khiển và chương trình, chúng sẽ được đọc và thực thi bằng hệ điều hành. Trong nhiều năm tiếp theo, hệ điều hành càng trở nên phức tạp. Các lệnh, tiện ích và đặc trưng mới được thêm vào cấp máy quy ước cho đến khi xuất hiện một cấp mới. Một số lệnh của cấp mới này giống như cấp máy quy ước nhưng một số lệnh lại hoàn toàn khác, nhất là các lệnh xuất nhập. Vào những năm đầu thập niên 60, các nghiên cứu ở đại học Dartmouth, MIT đã phát triển các hệ điều hành cho phép lập trình viên có thể tác động trực tiếp lên máy tính. Trong các hệ thống này, thiết bị đầu cuối từ xa được nối với máy tính trung tâm qua các đường điện thoại. Một lập trình viên có thể gõ chương trình và nhận kết quả trả về tức thời ở bất cứ nơi nào có thiết bị đầu cuối. Các hệ thống này gọi là hệ thống chia sẻ thời gian (time-sharing system). 2. Phần cứng và phần mềm (Hardware and software) Các chương trình viết bằng ngôn ngữ máy (cấp 1) được thực thi trực tiếp bằng các mạch điện tử của máy tính, không có trình thông dịch và biên dịch nào can thiệp vào. Các mạch điện tử cùng với bộ nhớ và các thành phần xuất / nhập tạo nên phần cứng máy tính. Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 5 Phần cứng bao gồm các mạch tích hợp, các board mạch in, cable, nguồn cung cấp, bộ nhớ, thiết bị đầu cuối, … Phần mềm bao gồm các giải thuật và các biểu diễn của các giải thuật này gọi là chương trình. Nó chính là tập hợp các lệnh tạo thành một chương trình, chứ không phải là các phương tiện vật lý lưu trữ chúng. Một dạng trung gian giữa phần mềm và phần cứng gọi là phần dẻo (firmware). Nó chính là thành phần bao gồm phần mềm được đặt vào bên trong các mạch điện tử trong quá trình sản xuất. Phần dẻo được dùng khi chương trình không thay đổi hay hiếm khi phải thay đổi như chương trình điều khiển đặt trong ROM BIOS. Một thao tác bất kỳ thực thi bằng phần mềm có thể được gắn trực tiếp vào phần cứng và một lệnh bất kỳ thực thi bằng phần cứng cũng có thể được mô phỏng bằng phần mềm. Quyết định đặt một số chức năng vào phần mềm và các chức năng khác vào phần cứng dựa trên các yếu tố giá thành, tốc độ, độ tin cậy. Trên nhiều máy tính đầu tiên, phần cứng và phần mềm được phân biệt rõ ràng. Phần cứng thực hiện vài lệnh đơn giản như cộng và nhảy, các thủ tục khác phải do lập trình viên tự thiết kế. Sau đó, một số thao tác thường xuyên thực thi đòi hỏi các nhà thiết kế hướng đến yêu cầu xây dựng các mạch điện từ thực thi các thao tác này. Kết quả là hình thành xu hướng di chuyển các thao tác theo hướng từ cấp cao xuống cấp thấp hơn. Một số thao tác trước đây được lập trình ở cấp máy quy ước, sau đó được chuyển xuống thực thi ở phần cứng. Tuy nhiên, khi xuất hiện thế hệ máy tính dùng vi lập trình và thế hệ máy tính nhiều cấp, lại xuất hiện xu hướng ngược lại, nghĩa là di chuyển các thao tác từ cấp thấp lên cấp cao hơn. Ví dụ như lệnh cộng sẽ được thực hiện trực tiếp bằng phần cứng ở các máy trước kia. Đối với máy tính được vi lập trình hóa, lệnh cộng của cấp máy quy ước được thông dịch bằng một vi chương trình chạy trên cấp thấp nhất và được thực thi bằng một chuỗi các bước nhỏ: tìm lệnh, nạp lệnh, xác định lệnh, định vị dữ liệu, tìm và nạp dữ liệu từ bộ nhớ, thực thi phép cộng và lưu trữ kết quả. Một số đặc trưng trước đây được lập trình ở cấp máy quy ước, sau đó được thực hiện bằng phần cứng hay vi chương trình: - Các lệnh nhân, chia số nguyên. - Các lệnh xử lý dấu chấm động. - Các lệnh gọi thủ tục và quay về từ lệnh gọi thủ tục. - Các lệnh đếm. - Các lệnh quản lý chuỗi ký tự. - Các đặc trưng làm tăng tốc độ tính toán chuỗi: định địa chỉ chỉ số và định địa chỉ gián tiếp. - Các đặc trưng cho phép chương trình di chuyển trong bộ nhớ sau khi đã thực thi (cấp phát lại bộ nhớ). - Các xung clock cho thủ tục định thời. - Các ngắt báo hiệu cho máy tính. Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 6 - Khả năng chuyển đổi quá trình. Như vậy, ta thấy ranh giới giữa phần cứng và phần mềm là không nhất định và thường xuyên thay đổi. Theo quan điểm của lập trình viên, cách thức thực thi một lệnh là không quan trọng, ngoại trừ tốc độ thực thi. Như vậy, phần cứng của người này có thể là phần mềm của người kia.Từ đó dẫn đến ý tưởng thiết kế máy tính có cấu trúc (structured computer). Đó là cấu trúc một máy tính thành một chuỗi các cấp, lập trình viên làm việc trên cấp n không quan tâm đến các cấp khác. 3. Tổ chức hệ thống máy tính 3.1. Cấu trúc một hệ thống máy tính Sơ đồ khối của một hệ thống máy vi tính có thể mô tả như hình vẽ. Nó bao gồm các khối: CPU Bộ nhớ trong ROM RAM Giao tiếp nhập Thiết bị nhập:- Bàn phím - Chuột - Scanner - Ổ đĩa …Giao tiếp xuất Thiết bị xuất: - Màn hình - Máy in - Máy vẽ - Ổ đĩa … Bus hệ thống Thiết bị ngoại iHình 1.3 – Sơ đồ khối một hệ thống máy tính Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 7 - Khối xử lý trung tâm (CPU – Central Processing Unit): nhận và thực thi các lệnh. Bên trong CPU gồm các mạch điều khiển logic, mạch tính toán số học, … - Bộ nhớ (Memory): lưu trữ các lệnh và dữ liệu. Nó bao gồm 2 loại: bộ nhớ trong và bộ nhớ ngoài. Bộ nhớ thường được chia thành các ô nhớ nhỏ. Mỗi ô nhớ được gán một địa chỉ để CPU có thể định vị khi cần đọc hay ghi dữ liệu. - Thiết bị ngoại vi (Input / Output): dùng để nhập hay xuất dữ liệu. Bàn phím, chuột, scanner, … thuộc thiết bị nhập; màn hình, máy in, … thuộc thiết bị xuất. Các ổ đĩa thuộc bộ nhớ ngoài cũng có thể coi vừa là thiết bị xuất vừa là thiết bị nhập. Các thiết bị ngoại vi liên hệ với CPU qua các mạch giao tiếp I/O (I/O interface)/ - Bus hệ thống: tập hợp các đường dây để CPU có thể liên kết với các bộ phận khác. 3.2. Hoạt động của máy tính Màn hình Card màn hìnhCPU RAM Giao tiếp song song Giao tiếp nối tiếp Card mạng Điều khiển ổ đĩa Đĩa mềm Đĩa cứng Bàn phím PC Modem Máy in Hình 1.4 – Sơ đồ khối một PC với các thiết bị ngoại vi Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 8 CPU được nối với các thành phần khác bằng bus hệ thống nghĩa là sẽ có nhiều thiết bị cùng dùng chung một hệ thống dây dẫn để trao đổi dữ liệu. Do đó, để hệ thống không bị xung đột, CPU phải xử lý sao cho trong một thời điểm, chỉ có một thiết bị hay ô nhớ đã chỉ định mới có thể chiếm dụng bus hệ thống. Do mục đích này, bus hệ thống bao gồm 3 loại: - Bus dữ liệu (data bus): truyền tải dữ liệu - Bus địa chỉ (address bus): chọn ô nhớ hay thiết bị ngoại vi - Bus điều khiển (control bus): hỗ trợ trao đổi thông tin trạng thái như phân biệt CPU phải truy xuất bộ nhớ hay ngoại vị, thao tác xử lý là đọc/ghi, … CPU phát tín hiệu địa chỉ của thiết bị lên bus địa chỉ. Tín hiệu này được dưa vào mạch giải mã địa chỉ chọn thiết bị. Bộ giải mã sẽ phát ra chỉ một tín hiệu chọn chip đúng sẽ cho phép mở bộ đệm của thiết bị cần thiết, dữ liệu lúc này sẽ được trao đổi giữa CPU và thiết bị. Trong quá trình này, các tín hiệu điều khiển cũng được phát trên control bus để xác định mục đích của quá trình truy xuất. 3.3. Các chip hỗ trợ 3.3.1. Mạch tạo xung clock 8284 Mạch tạo xung clock dùng để cung cấp xung clock cho CPU. Hình 1.5 – Mạch tạo xung clock 8284 CSYNC (Clock Synchronisation): ngõ vào xung đồng bộ chung khi hệ thống có các 8284 dùng dao động ngoài tại chân EFI. Khi dùng mạch dao động trong thì phải nối GND. PCLK (Peripheral Clock): xung clock f = fX/6 (fX là tần số thạch anh) với chu kỳ bổn phận 50%. AEN 1, AEN 2 (Address Enable): cho phép chọn các chân tương ứng RDY1, RDY2 báo hiệu trạng thái sẵn sàng của bộ nhớ hay thiết bị ngoại vi. RDY1, RDY2 (Bus ready): kết hợp với AEN1 , AEN2 tạo các chu kỳ đợi ở CPU 8284123456789 101112131415161718CSYNCPCLKAEN1RDY1READYRD2AEN2CLKGND RESETRESOSCF/CEFIASYNCX2X1VCCTài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 9 READY: nối đến chân READY của µP. CLK (Clock): xung clock f = fX/3, nối với chân CLK của CPU. RESET: nối với chân RESET của CPU, là tín hiệu khởi động lại toàn hệ thống. RES (Reset Input): chân khởi động cho 8284, được nối với mạch RC để tự khởi động khi bật nguồn. OSC: ngõ ra xung clock có tần số fX. F/C (Frequency / Crystal): chọn nguồn tín hiệu chuẩn cho 8284, nếu ở mức cao thì chọn tần số xung clock bên ngoài, ngược lại thì dùng xung clock từ thạch anh. EFI (External Frequency Input): xung clock từ bộ dao động ngoài. ASYNC : chọn chế độ làm việc cho tín hiệu RDY. Nếu ASYNC = 1, tín hiệu RDY có ảnh hưởng đến tín hiệu READY cho đến khi có xung âm của xung clock. Ngược lại thì RDY chỉ ảnh hưởng khi xuất hiện xung âm. X1,X2: ngõ vào của thạch anh, dùng để tạo xung chuẩn cho hệ thống. Hình 1.6 – Mạch khởi động cho 8284 8284123456789101112131415161718CSYNCPCLKAEN1RDY1READYRD2AEN2CLKGNDRESETRESOSCF/CEFIASYNCX2X1VCCVcc+Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 10 3.3.2. Mạch định thời PIT – 8253 / 8254 (Programmable Interval Timer) Hình 1.7 – Sơ đồ chân của PIT 8253 Hình 1.8 – Sơ đồ khối của PIT 8253 D7 ÷ D0: bus dữ liệu CLK0 ÷ CLK2: ngõ vào xung clock cho các bộ đếm OUT0 ÷ OUT2: ngõ ra bộ đếm A019A120OUT010OUT113OUT217D08D17D26D35D44D53D62D71G011G114G216CLK09CLK115CLK218RD22WR23CS218253Đệm dữ liệu Điều khiển đọc/ghi Thanh ghi từ điều khiển Bộ đếm 0 Bộ đếm 1 Bộ đếm 2 D7 ÷ D0 RD WR CS A1 A0 BUS NỘI OUT0 CLK0 GATE0 OUT1 CLK1 GATE1 OUT2 CLK2 GATE2 Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 11 RD , WR : cho phép CPU đọc / ghi dữ liệu từ / đến các thanh ghi của 8253 A1, A0: giải mã chọn bộ đếm hay thanh ghi điều khiển, thường được nối với bus địa chỉ của CPU A1 A0 Chọn 0 0 Bộ đếm 0 0 1 Bộ đếm 1 1 0 Bộ đếm 2 1 1 Thanh ghi từ điều khiển G0 ÷ G2 (Gate): cho phép hay cấm các bộ đếm hoạt động ( =1: cho phép, =0: cấm). PIT 8253 có tất cả 5 chế độ đếm tùy thuộc vào giá trị trong thanh ghi điều khiển. PIT 8253 có 3 bộ đếm lùi 16 bit có thể lập trình và độc lập với nhau. Mỗi bộ đếm có tín hiệu xung clock riêng (8254 tương tự như 8253 nhưng có thêm lệnh đọc thanh ghi từ điều khiển CWR). Địa chỉ các thanh ghi của PIT đối với PC là: SC1 Quy định phương thức đọc/ghi 00: chốt bộ đếm 01: đọc/ghi byte thấp 10: đọc/ghi byte cao 11: đọc/ghi byte thấp trước, byte cao sau SC0RW1 RW0M2 M1 M0BCDChọn bộ đếm 00: bộ đếm 0 01: bộ đếm 1 10: bộ đếm 2 11: đọc CWR trong 8254 Hình 1.9 – Dạng từ điều khiển của 8253 Chế độ đếm 000: chế độ 0 001: chế độ 1 010: chế độ 2 011: chế độ 3 100: chế độ 4 101: chế độ 5 Định dạng đếm 0: đếm nhị phân 1: đếm BCD (0 ÷ 999) Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 12 Port (1) Port (2) Thanh ghi40h 48h Bộ đếm 0 41h 49h Bộ đếm 1 42h 4Ah Bộ đếm 2 43h 4Bh CWR Các chế độ đếm: Chế độ 0 (Interrupt on Terminal Count): tín hiệu ngõ ra ở mức thấp cho tới khi bộ đếm tràn thì sẽ chuyển lên mức cao. Chế độ 1 (Programmable Monoflop): tín hiệu ngõ ra chuyển xuống mức thấp tại cạnh âm của xung clock đầu tiên và sẽ chuyển lên mức cao khi bộ đếm kết thúc. Chế độ 2 (Rate Generator): tín hiệu ngõ ra xuống mức thấp trong chu kỳ đầu tiên và sau đó chuyển lên mức cao trong các chu kỳ còn lại. Chế độ 3 (Square-Wave Generator): tương tự như chế độ 2 nhưng xung ngõ ra là sóng vuông khi giá trị đếm chẵn và sẽ thêm một chu kỳ ở mức cao khi giá trị đếm lẻ. Chế độ 4 (Software-triggered Pulse): giống như chế độ 2 nhưng xung Gate không khởi động quá trình đếm mà sẽ đếm ngay khi số đếm ban đầu được nạp. Ngõ ra ở mức cao để đếm và xuống mức thấp trong chu kỳ xung đếm. Sau đó, ngõ ra sẽ trở lại mức cao. Chế độ 5 (Hardware-triggered Pulse): giống như chế độ 2 nhưng xung Gate không khởi động quá trình đếm mà được khởi động bằng cạnh dương của xung clock ngõ vào. Ngõ ra ở mức cao và xuống mức thấp sau một chu kỳ clock khi quá trình đếm kết thúc. Ba chức năng của 8253 trong PC: Cập nhật đồng hồ hệ thống: bộ đếm 0 của PIT phát tuần hoàn một ngắt cứng qua IRQ0 của 8259 để CPU có thể thay đổi đồng hồ hệ thống. Bộ đếm hoạt động trong chế độ 2. Ngõ vào được cấp xung clock tần số 1.19318 MHz. G0 = 1 để bộ đếm luôn được phép đếm. Giá trị ban đầu được nạp là 0 cho phép PIT phát ra xung chính xác với tần số:1.19318/65536 = 18.206Hz. Cạnh dương của mỗi xung này sẽ tạo ra một ngắt cứng trong 8259. Yêu cầu này sẽ dẫn tới ngắt 08h để cập nhật đồng hổ hệ thống 18.206 lần trong 1 giây. Làm tươi bộ nhớ: PIT nối với chip DMAC dùng làm tươi bộ nhớ DRAM. Bộ đếm 1 sẽ định kỳ kích hoạt kênh 0 của DMAC-8237A để tiến hành 1 chu trình đọc giả làm tươi bộ nhớ. Bộ nhớ 1 hoạt động trong chế độ 3 phát sóng vuông với giá trị nạp ban đầu là 18. Do đó sóng vuông được phát ra có tần số 1,19318 MHz/18 = 66288 Hz (chu kỳ bằng 0.015s). Như vậy cứ sau 15 ms cạnh dương của sóng vuông này sẽ tạo 1 chu kỳ đọc giả để làm tươi bộ nhớ. Phát sóng âm với tần số biến đổi ra loa của PC: Bộ đếm 2 của PIT được dùng để phát sóng âm ra loa của PC. Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 13 3.3.3. Mạch điều khiển bus 8288 Mạch điều khiển bus 8288 lấy một số tín hiệu điều khiển của CPU và cung cấp các tín hiệu điều khiển cần thiết cho hệ vi xử lý. Hình 1.10 – Mạch điều khiển bus 8288 IOB (Input / Output Bus Mode): điều khiển để 8288 làm việc ở các chế độ bus khác nhau. CLK (Clock): ngõ vào lấy từ xung clock hệ thống (từ 8284) và dùng để đồng bộ toàn bộ các xung điều khiển đi ra từ mạch 8288. S2 ,S1 , S0 : các tín hiệu trạng thái lấy trực tiếp từ CPU. Tuỳ theo các giá trị nhận được mà 8288 sẽ đưa các tín hiệu theo bảng: S2 1S S0 Tạo tín hiệu 0 0 0 INTA 0 0 1 IORC 0 1 0 IOWC, AIOWC 0 1 1 Không 1 0 0 MRDC 1 0 1 MRDC 1 1 0 MWTC, AMWC 1 1 1 Không DT/R (Data Transmit/Receive): CPU truyền (1) hay nhận (0) dữ liệu. ALE (Address Latch Enable): tín hiệu cho phép chốt địa chỉ, tín hiệu này thường được nối với chân G của 74573 để điếu khiển chốt địa chỉ. AEN (Address Enable): chờ thời gian trễ khoảng 150 ns sẽ tạo các tín hiệu điều khiển ở đầu ra của 8288 để đảm bảo rằng địa chỉ sử dụng đã hợp lệ. 82881234567891112131415161718191020IOBCLKS1DT/RALEAENMRDCAMWCMWTCIOWCAIOWCIORCINTACENDENMCE/PDENS2S0GNDVCCTài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 14 MRDC (Memory Read Command): điều khiển đọc bộ nhớ MWTC (Memory Write Command): điều khiển ghi bộ nhớ AMWC (Advanced MWTC),: giống như MWTC nhưng hoạt động sớm hơn một chút dùng cho các bộ nhớ chậm đáp ứng kịp tốc độ CPU. IOWC(I/O Write Command): điều khiển ghi ngoại vi AIOWC (Advanced IOWC),: giống như IOWC nhưng hoạt động sớm hơn một chút dùng cho các ngoại vi chậm đáp ứng kịp tốc độ CPU. IORC (I/O Read Command): điều khiển đọc ngoại vi INTA (Interrupt Acknowledge): ngõ ra thông báo CPU chấp nhận yêu cầu ngắt của thiết bị ngoại vi CEN (Command Enable): cho phép đưa ra tín hiệu DEN và các tín hiệu điều khiển khác của 8288. DEN (Data Enable): điều khiển bus dữ liệu thành bus cục bộ hay bus hệ thống. MCE / PDEN (Master Cascade Enable / Peripheral Data Enable): định chế độ làm việc cho mạch điều khiển ngắt PIC 8259 để nó làm việc ở chế độ master. 3.3.4. Chip điều khiển ngắt ưu tiên PIC 8259A (Priority Interrupt Controller) Hình 1.11 – Sơ đồ chân của 8259A Trong trường hợp nhiều yêu cầu ngắt cần phải phục vụ, ta thường dùng vi mạch 8259A để giải quyết vấn đề ưu tiên. 8259A có thể giải quyết được 8 yêu cầu ngắt với 8 mức ưu tiên khác nhau. 8259A1110987654181920212223242527132 161726121315D0D1D2D3D4D5D6D7IR0IR1IR2IR3IR4IR5IR6IR7A0CSRDWR SP/ENINTINTACAS0CAS1CAS2Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 15 Các khối chức năng: IRR (thanh ghi yêu cầu ngắt): lưu trữ các yêu cầu ngắt tại ngõ vào ISR (thanh ghi phục vụ ngắt): lưu trữ các yêu cầu ngắt đang phục vụ IMR (thanh ghi mặt nạ ngắt): lưu trữ mặt nạ của các yêu cầu ngắt tại ngõ vào Control logic (logic điều khiển): gởi yêu cầu ngắt tới chân INTR của CPU khi có tín hiệu ngắt tại ngõ vào của 8259A và nhận trả lời chấp nhận yêu cầu ngắt hay không INTA từ CPU để đưa kiểu ngắt vào CPU. Data bus buffer (đệm bus dữ liệu): giao tiếp giữa 8259A với bus dữ liệu của CPU. Cascade buffer / comparator (đệm nối tầng và so sánh): lưu trữ và so sánh số hiệu của các kiểu ngắt trong trường hợp dùng nhiều mạch 8259A. Các tín hiệu điều khiển: CAS0 ÷ 2 (In, Out): các ngõ vào chọn mạch 8259A tớ (slave) từ mạch 8259A chủ (master) trong trường hợp dùng nhiều mạch 8259A để tăng yêu cầu ngắt. Data bus buffer Read / Write Logic RD WR A0 CS Cascade buffer / comparator CAS0 CAS1 CAS2 ENSP / Control logic ISR (Interrupt Service Register)PR (Priority Resolver) IRR (Interrupt Request Register) INTERNAL BUS IMR (Interrupt Mask Register) IR0IR1IR7INT INTAHình 1.12 – Sơ đồ khối của PIC 8259A Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 16 ENSP / (In, Out) (Slave Program / Enable Buffer): nếu 8259A hoạt động ở chế độ không dùng đệm dữ liệu thì tín hiệu này dùng để xác định mạch 8259A là mạch chủ (SP = 1) hay tớ ( SP = 0). Nếu 8259A hoạt động ở chế độ có đệm dữ liệu thì tín hiệu này dùng để cho phép giao tiếp giữa 8259A và CPU, khi đó mạch 8259A là master hay slave phải dựa vào từ lệnh khởi động ICW4. INT (Out): tín hiệu yêu cầu ngắt đưa đến CPU (chân INTR). INTA (In): nhận trả lời chấp nhận ngắt hay không từ CPU (chân INTA ) A0: cho phép chọn các từ điều khiển của 8259A. 8259A cho phép xử lý 8 ngắt với 8 mức ưu tiên khác nhau. Trong trường hợp hệ thống có số lượng ngắt lớn hơn thì có thể mắc nhiều 8259A liên tầng. Hình 1.13 – 8259A mắc liên tầng 3.3.5. Chip điều khiển truy nhập bộ nhớ trực tiếp DMAC 8237 (Direct Memory Access Controller) DMAC 8237 có thể thực hiện truyền dữ liệu theo 3 kiểu: kiểu đọc (từ bộ nhớ ra thiết bị ngoại vi), kiểu ghi (từ thiết bị ngoại vi đến bộ nhớ) và kiểu kiểm tra. 8259A - Slave1110987654271321617261819202122232425121315D0D1D2D3D4D5D6D7A0CSRDWRSP/ENINTINTAIR0IR1IR2IR3IR4IR5IR6IR7CAS0CAS1CAS28259A - Master1110987654271321617261819202122232425121315D0D1D2D3D4D5D6D7A0CSRDWRSP/ENINTINTAIR0IR1IR2IR3IR4IR5IR6IR7CAS0CAS1CAS280861234567891011121314151617181920 2122232425262728293031323334353637383940GNDAD14AD13AD12AD11AD10AD9AD8AD7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0NMIINTRCLKGND RESETREADYTESTINTA (QS1)ALE (QS0)DEN (S0)DT/R (S1)IO/M (S2)WR (LOCK)HLDA (RQ/GT1)HOLD (RQ/GT0)RDMN/MXBHE/S7A19/S6A18/S5A17/S4A16/S3AD15VCCVccTài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 17 Hình 1.14 – Sơ đồ chân và sơ đồ khối của DMAC 8237A 82373410985612131173612323334353738394030292827262322212524141519181716MEMRMEMWHRQAENASTBVXREADYCLKRESETCSHLDAEOPIORIOWA0A1A2A3A4A5A6A7DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7DAK0DAK1DAK2DAK3DRQ0DRQ1DRQ2DRQ3 Timing and control EOP RESET CSREADCLK AEN MEMW ADSTMEMR IOW IOR Priority encoder and rotating prority logic DecrementorTemp word count registerIncrementor Temp address register I/O bufferOutput bufferRead buffer Base addressBase word count R/W buffer Current addressCurrent word countWrite bufferRead bufferI/O bufferCommandMask Request R/W ModeStatus Command control Temp Bus 16 bitA8 – A15 D0 – D1 A0 – A3A4 – A7DRQ0 – DRQ3 DACK0 – DACK3 HLDA HRQ DB0 – DB7 RDTài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 18 Khối Timing and Control (định thời và điều khiển): Tạo các tín hiệu định thời và điều khiển cho bus ngoài (external bus). Các tín hiệu này được đồng bộ với xung clock đưa vào DMAC (tần số xung clock tối đa là 5 MHz). Khối Priority encoder and rotating priority logic (mã hóa ưu tiên và quay mức ưu tiên): DMAC 8237A có 2 mô hình ưu tiên: mô hình ưu tiên cố định (fixed priority) và mô hình ưu tiên quay (rotating priority). Trong mô hình ưu tiên cố định, kênh 0 sẽ có mức ưu tiên cao nhất còn kênh 3 có mức ưu tiên thấp nhất. Còn đối với mô hình ưu tiên quay thì mức ưu tiên khi khởi động giống như mô hình ưu tiên cố định nhưng khi yêu cầu DMA tại một kênh nào đó được phục vụ thì sẽ được đặt xuống mức ưu tiên thấp nhất. Khối Command Control (điều khiển lệnh): Giải mã các thanh ghi lệnh (xác định thanh ghi sẽ được truy xuất và loại hoạt động cần thực hiện). Các thanh ghi: DMAC 8237A có tất cả 12 loại thanh ghi nội khác nhau: Tên Kích thước (bit) Số lượng Thanh ghi địa chỉ cơ sở (Base Address Register) Thanh ghi đếm từ cơ sở (Base Word Count Register) Thanh ghi địa chỉ hiện hành (Current Address Register) Thanh ghi đếm từ hiện hành (Current Word Count Register) Thanh ghi địa chỉ tạm (Temporary Address Register) Thanh ghi đếm từ tạm (Temporary Word Count Register) Thanh ghi trạng thái (Status Register) Thanh ghi lệnh (Command Register) Thanh ghi tạm (Temporary Register) Thanh ghi chế độ (Mode Register) Thanh ghi mặt nạ (Mask Register) Thanh ghi yêu cầu (Request Register) 16 16 16 16 16 16 8 8 8 6 4 4 4 4 4 4 1 1 1 1 1 4 1 1 Chức năng các chân của 8237A: CLK (Input): tín hiệu xung clock của mạch. Tín hiệu này thường được lấy từ 8284 sau khi qua cổng đảo. CS (Input): thường được nối với bộ giải mã địa chỉ. RESET (Input): khởi động 8237A, được nối với ngõ RESET của 8284. Khi Reset thì thanh ghi mặt nạ được lập còn các phần sau bị xóa: Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 19 + Thanh ghi lệnh + Thanh ghi trạng thái + Thanh ghi yêu cầu + Thanh ghi tạm + Flip-flop đầu/cuối (First/Last flip-flop) READY (Input): nối với READY của CPU để tạo chu kỳ đợi khi truy xuất các thiết bị ngoại vi hay bộ nhớ chậm. HLDA (Hold Acknowledge)(Input): tín hiệu chấp nhận yêu cầu treo từ CPU DRQ0 – DRQ3 (DMA Request)(Input): các tín hiệu yêu cầu treo từ thiết bị ngoại vi. DB0 – DB7 (Input, Output): nối đến bus địa chỉ và dữ liệu của CPU IOR , IOW (Input, Output): sử dụng trong các chu kỳ đọc và ghi EOP (End Of Process)(Input,Output): bắt buộc DMAC kết thúc quá trình DMA nếu là ngõ vào hay dùng để báo cho một kênh biết là dữ liệu đã chuyển xong (Terminal count – TC), thường dùng như yêu cầu ngắt để CPU kết thúc quá trình DMA. A0 – A3 (Input, Output): chọn các thanh ghi trong 8237A khi lập trình hay dùng để chứa 4 bit địa chỉ thấp. A4 – A7 (Output): chứa 4 bit địa chỉ HRQ (Hold Request)(Output): tín hiệu yêu cầu treo đến CPU DACK0 – DACK3 (DMA Acknowledge)(Output): tín hiệu trả lời yêu cầu DMA cho các kênh. AEN (Output): cho phép lấy địa chỉ vùng nhớ cần trao đổi ADSTB (Address Strobe)(Output): chốt các bit địa chỉ cao A8 – A15 chứa trong các chân DB0 – DB7 MEMR, MEMW (Output): dùng để đọc / ghi bộ nhớ. Các thanh ghi nội: Các thanh ghi nội trong DMAC 8237A được truy xuất nhờ các bit địa chỉ thấp A0 – A3. Bit địa chỉ A3 A2 A1 A0 Địa chỉ Chọn chức năng R/W?0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 X0 X1 X2 X3 Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ kênh 0 Thanh ghi đếm từ kênh 0 Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ kênh 1 Thanh ghi đếm từ kênh 1 R/W R/W R/W R/W Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 20 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 X4 X5 X6 X7 X8 X9 XA XB XC XD XE XF Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ kênh 2 Thanh ghi đếm từ kênh 2 Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ kênh 3 Thanh ghi đếm từ kênh 3 Thanh ghi trạng thái / lệnh Thanh ghi yêu cầu Thanh ghi mặt nạ cho một kênh Thanh ghi chế độ Xóa flip-flop đầu/cuối Xóa toàn bộ các thanh ghi / đọc thanh ghi tạm Xóa thanh ghi mặt nạ Thanh ghi mặt nạ R/W R/W R/W R/W R/W W W W W W/R W W Địa chỉ các thanh ghi nội dùng ghi / đọc địa chỉ: Kênh IOR IOW A3 A2 A1 A0 Thanh ghi R/W?0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 Địa chỉ cơ sở và địa chỉ hiện hành Địa chỉ hiện hành Bộ đếm cơ sở và bộ đếm hiện hành Bộ đếm hiện hành W R W R 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 Địa chỉ cơ sở và địa chỉ hiện hành Địa chỉ hiện hành Bộ đếm cơ sở và bộ đếm hiện hành Bộ đếm hiện hành W R W R 2 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 Địa chỉ cơ sở và địa chỉ hiện hành Địa chỉ hiện hành Bộ đếm cơ sở và bộ đếm hiện hành Bộ đếm hiện hành W R W R 3 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 Địa chỉ cơ sở và địa chỉ hiện hành Địa chỉ hiện hành Bộ đếm cơ sở và bộ đếm hiện hành Bộ đếm hiện hành W R W R Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 21 Địa chỉ các thanh ghi trạng thái và điều khiển: IOR ` IOW A3 A2 A1 A0 Thanh ghi 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 Ghi thanh ghi lệnh Đọc thanh ghi trạng thái Ghi thanh ghi yêu cầu Ghi thanh ghi mặt nạ Ghi thanh ghi chế độ Xóa flip-flop đầu/cuối Xóa tất cả các thanh ghi nội 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 Địa chỉ cơ sở và địa chỉ hiện hành Địa chỉ hiện hành Bộ đếm cơ sở và bộ đếm hiện hành Bộ đếm hiện hành Mạch 8273A-5 chứa 4 kênh trao đổi dữ liệu DMA với mức ưu tiên lập trình được. 8237A-5 có tốc độ truyền 1 MBps cho mỗi kênh và 1 kênh có thể truyền 1 mảng có độ dài 64 KB. Để có thể sử dụng mạch DMAC 8237A, ta cần tạo tín hiệu điều khiển như sau: Hình 1.15 – Tín hiệu điều khiển cho hệ thống làm việc với DMAC 8237A Tín hiệu AEN từ 8237A dùng để cấm các tín hiệu điều khiển từ CPU khi DMAC đã nắm quyền điều khiển bus. Vcc74LS257235611101413151479121A1B2A2B3A3B4A4BGA/B1Y2Y3Y4YRDWRAEN (8237A) IO/M IORIOWMEMRMEMWTài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 22 3.3.6. Chip điều khiển màn hình CRTC 6845 (Cathode Ray Tube Controller) Hình 1.16 – Sơ đồ chân của 6845 RST (Reset): khởi động lại 6845. LPSTD (Light Pen Strobe): lưu trữ địa chỉ hiện hành của RAM màn hình trong thanh ghi bút sáng. CPU đọc thanh ghi và xác định vị trí bút sáng trên màn hình. MA0 ÷ MA13 (Memory Address): 14 địa chỉ nhớ cho RAM màn hình. DE (Display Enable): cho phép (=1) hay không (=0) các tín hiệu điều khiển và địa chỉ vùng hiện lên màn hình. CURSOR: vị trí con trỏ đã quét (=1) hay chưa (=0). VS (Vertical Synchronization): ngõ ra tín hiệu đồng bộ quét dọc HS (Horizontal Synchronization): ngõ ra tín hiệu đồng bộ quét ngang RA0 ÷RA4 (Row Address): phân định hàng quét của ký tự trong chế độ văn bản (32 hàng quét). Trong chế độ đồ họa, chúng kết hợp với MA0 ÷ MA13 tạo các địa chỉ cho các bank RAM màn hình. D0 ÷ D7: đường dữ liệu. CS : chọn chip. RS (Regigter Select): chọn thanh ghi địa chỉ (=0) hay thanh ghi dữ liệu (=1). 684545678910111213141516171925242322213233323130292827263837363534183940MA0MA1MA2MA3MA4MA5MA6MA7MA8MA9MA10MA11MA12MA13CURSORCSRSER/WCLKLPSTDRSTD0D1D2D3D4D5D6D7RA0RA1RA2RA3RA4DEHSVSTài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 23 E: xung âm kích hoạt bus dữ liệu và dùng như xung clock cho 6845 đọc / ghi dữ liệu vào các thanh ghi bên trong. R/W : đọc / ghi dữ liệu vào các thanh ghi. CLK: dùng đồng bộ với tín hiệu của màn hình và thường bằng tốc độ hiện ký tự trên màn hình. 3.3.7. Chip đồng xử lý toán học 8087/80287/80387 (Mathematical co-processor) Các bộ đồng xử lý toán 80x87 hỗ trợ CPU trong việc tính toán các biểu thức dùng dấu chấm động như cộng, trừ, nhân, chia các số dấu chấm động, căn thức, logarit, … Chúng cho phép xử lý các phép toán này nhanh hơn nhiều so với CPU. Thời gian xử lý giữa 8087 và 8086 như sau (dùng xung clock 8 MHz): Phép toán 8087 [µs] 8086 [µs]Cộng / trừ Nhân Chia Căn bậc haiTang Lũy thừa Lưu trữ 10.6 11.9 24.4 22.5 56.3 62.5 13.1 1000 1000 2000 12250 8125 10680 750 8087: 8087 gồm một đơn vị điều khiển (CU – Control Unit) dùng để điều khiển bus và một đơn vị số học (NU – Numerical Unit) để thực hiện các phép toán dấu chấm động trong các mạch tính lũy thừa (exponent module) và mạch tính phần định trị (mantissa module). Khác với 8086, thay vì dùng các thanh ghi rời rạc là một ngăn xếp thanh ghi. Đơn vị điều khiển nhận và giải mã lệnh, dọc và ghi các toán hạng, chạy các lệnh điều khiển riêng của 8087. Do đó, CU có thể đồng bộ với CPU trong khi NU đang thực hiện các công việc tính toán. CU bao gồm bộ điều khiển bus, bộ đệm dữ liệu và hàng lệnh. Ngăn xếp thanh ghi có tất cả 8 thanh ghi từ R0 ÷ R7, mỗi thanh ghi dài 80 bit trong đó bit 79 là bit dấu, bit 64 ÷ 78 dùng cho số mũ và phần còn lại là phần định trị. Dữ liệu truyền giữa các thanh ghi này được thực hiện rất nhanh do 8087 có độ rộng bus dữ liệu là 84 bit và không cần phải biến đổi định dạng. Ngay sau khi reset PC, bộ đồng xử lý kiểm tra xem nó có được nối với PC hay không bằng các đường BHE /S7. 8087 sẽ điều chỉnh độ dài của hàng lệnh cho phù hợp với CPU (nếu dùng 8086 thì độ dài là 6 byte). Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 24 Hình 1.18 – Sơ đồ kết nối 8087 và CPU 8086 Từ điều khiển Từ trạng thái Đệm dữ liệu Điều khiển busBộ điều khiển số Module lũy thừa Module định trị Từ thẻ Thanh ghi ngăn xếp Bus dữ liệu Địa chỉ trạng thái Hình 1.17 – Sơ đồ khối của 8087 CU - Control Unit NU - Numerical Unit CLK (8284)INT (8259)IRx (8259)80873432252419231615141312111098765432393837363526272831332221BHE/S7INTQS0QS1CLKBUSYAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7AD8AD9AD10AD11AD12AD13AD14AD15A16/S3A17/S4A18/S5A19/S6S0S1S2RQ/GT0RQ/GT1READYRST8086343229252431301723332219211816151413121110987654323938373635262728BHE/S7RDLOCKQS0QS1RQ/GT0RQ/GT1NMITESTMXREADYCLKRSTINTRAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7AD8AD9AD10AD11AD12AD13AD14AD15A16/S3A17/S4A18/S5A19/S6S0S1S2Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 25 8087 có một thanh ghi trạng thái là thanh ghi từ thẻ (tag word) gồm các cặp bit Tag0 ÷ Tag7 để lưu trữ các thông tin liên quan đến nội dung của các thanh ghi R0 ÷ R7 để cho phép thực hiện một số tác vụ nhanh hơn. Mỗi thanh ghi từ thẻ có 2 bit xác định 4 giá trị khác nhau của các thanh ghi Ri. Tag = 00: xác định Tag = 01: zero Tag = 10: NAN, giá trị bất thường Tag = 11: rỗng 80287: Do 80286 có chế độ mạch bảo vệ nên mạch ghép nối giữa 80286 và 80287 được thiết kế khác 8087 ở đơn vị điều khiển CU. Bộ đồng xử lý ở đây không thực hiện truy xuất bộ nhớ trực tiếp. Để truy xuất được bộ nhớ, 80287 không những cần một đơc vị định địa chỉ đơn giản của nó mà còn phải được tăng cường thêm chức năng quản lý bộ nhớ của 80286. Cấu trúc bên trong của 80287 cũng tương tự như 8087, chỉ có đơn vị bus thay đổi cho phù hợp với 80286. Hình 1.19 – Sơ đồ kết nối giữa 80286 và 80287 S0822841516781172351164101213S0S1X1X2ARDYAYENSRDYSYENEFIRESF/CREADYCLKRESETPCLK80287232221201918171615141211876526252440323537213836392728343329313D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15ERRORBUSYPEREQREADYCLKRESETCLK286S0S1HLDAPEACKCKMNPRDNPWRNPS1NPS2CMD0CMD1COD/INTAS1S082288193181215147613121117165489S0S1M/IOREADYCLKCEN/AENCENLCMDLYMBINTAIORCIOWCDT/RDENALEMCEMRDCMWTC8028634333228272625242322212019181716151413121110875416665686766331295957645354615236384042444648503739414345474951A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15A16A17A18A19A20A21A22A23S0S1BHECOD/INTAHLDALOCKM/IOPEACKREADYCLKRSTNMIINTRHOLDERRORBUSYPEREQCAPD0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15S1822841516781172351164101213S0S1X1X2ARDYAYENSRDYSYENEFIRESF/CREADYCLKRESETPCLKS0S0S1S1 |
