So với từ khi ra đời, cấu trúc cơ sở của các máy vi tính ngày nay không thay đổi mấy. Mọi máy tính số đều có thể coi như được hình thành từ sáu phần chính (như hình 1):
Hình 1: Giới thiệu sơ đồ khối tổng quát của máy tính số
Trong sơ đồ này, các khối chức năng chính của máy tính số gồm:
– Khối xử lý trung tâm (central processing unit, CPU),
– Bộ nhớ trong (memory), như RAM, ROM
– Bộ nhớ ngoài, như các loại ổ đĩa, băng từ
– Khối phối ghép với các thiết bị ngoại vi (vào/ra)
– Các bộ phận đầu vào, như bàn phím, chuột, máy quét … .
– Các bộ phận đầu ra, như màn hình, máy in … .
Bốn khối chức năng đầu liên hệ với nhau thông qua tập các đường dây để truyền tín hiệu, gọi chung là bus hệ thống. Bus hệ thống bao gồm 3 bus thành phần; ứng với các tín hiệu xác lập địa chỉ từ CPU đến các đơn vị thành phần ta có bus địa chỉ; với các dữ liệu được liên hệ giữa các khối qua bus dữ liệu (data bus); các tín hiệu điều khiển bao gồm các lệnh, các đáp ứng, các trạng thái của các khối được xác lập qua bus điều khiển.
Sự khác biệt quan trọng nhất của các hệ máy tính là kích thước và tốc độ, các máy tính nhỏ hơn và nhanh, mạnh hơn theo từng năm. Sự phát triển không ngừng của các thế hệ máy tính nhờ vào hai yếu tố quan trọng, đó là sự phát triển của công nghệ chế tạo IC và công nghệ chế tạo bộ nhớ.
Cơ sở về bộ nhớ
Các bộ nhớ có thể chia làm hai loại tổng quát, ROM và RAM. ROM là Read-only Memory(bộ nhớ chỉ đọc) và RAM là Random-access Memory (bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên). Nói chung ROM chứa các dữ liệu một cách cố định và không thể thay đổi. Còn RAM có thể đọc ra và có thể ghi vào.
Khái niệm truy xuất ngẫu nhiên có nghĩa là bất kỳ một vị trí nhớ nào cũng có thể được mở ra hoặc được gọi ra ở bất kỳ lúc nào, các thông tin không cần phải đọc ra hay ghi vào một cách tuần tự. Về thực chất, cả RAM và ROM đều là truy xuất ngẫu nhiên. Chỉ có điều khác nhau cơ bản là ROM chỉ cho phép đọc mà không thể ghi vào nó, còn RAM là bộ nhớ có thể đọc và ghi, vì thế RAM được gọi là “bộ nhớ đọc/ghi”.
Cấu trúc bộ nhớ
Hình 2 trình bày sơ đồ khối của một mạch nhớ. Mạch nhớ được nối với các bộ phận khác trong máy tính thông qua các đường đây địa chỉ và các đường dây dữ liệu của nó. Kiểm soát mạch nhớ bằng đường dây cho phép (enable), riêng đối với RAM còn có thêm đường dây kiểm soát đọc/ghi (Read/write).
Các mạch nhớ nói chung được tổ chức dưới dạng ma trận, gồm những hàng và những cột để xác định vị trí hay địa chỉ nhớ. Mỗi ô trong ma trận gọi là một phần tử (cell) hay vị trí nhớ (memory location). Vị trí hay phần tử nhớ được dò tìm bằng cách chọn địa chỉ nhờ mạch giải mã địa chỉ. Mạch này gồm hai phần: mạch chọn địa chỉ hàng RAS (row-address selector) và mạch chọn địa chỉ cột CAS (Column-address selector). Các đường dây địa chỉ sẽ chọn địa chỉ hàng và cột. Đường dây enable dùng để mở các mạch điện lối ra bộ nhớ theo ba trạng thái. Còn đường dây Read/write quyết định dạng thao tác sẽ thực hiện.
Bộ nhớ hoặc là có tổ chức bit hoặc là loại có tổ chức lời (word organized). Bộ nhớ tổ chức bit có thể lưu giữ một bit đơn trong mỗi vị trí địa chỉ. Bộ nhớ tổ chức lời sẽ được lựa chọn cả một nhóm phần tử nhớ cùng một lúc với mỗi vị trí địa chỉ. Mỗi nhốm phần tử nhớ thường là một byte (8 bit), hoặc một lời (16 bit).
Số đường dây địa chỉ của mạch nhớ sẽ quyết định số vị trí nhớ cực đại tính theo công thức sau:
Số vị trí nhớ cực đại = 2 N.
trong đó, N là số lượng các đường địa chỉ.
Mạch nhớ
Mạch nhớ cơ bản (basic memory device)
Sơ đồ khối (Block diagram)
ROM-BIOS
Bất cứ hệ máy tính nào cũng có một vi mạch ROM. vi mạch này chứa chương trình của hệ điều hành vào ra cơ sở BIOS (basic input/output system). Những chương trình này cần thiết để khởi động máy và cài đặt chế độ làm việc cơ sở cho các thiết bị ngoại vi.
Nói chung, có thể chia ROM thành bốn loại. ROM mặt nạ (maskable ROM) là loại ROM do nhà sản xuất đã nạp sẵn dữ liệu, khi đó dữ liệu không thể thay đổi được nữa. ROM có thể nạp chương trình (PROM – programable ROM) là loại mạch mà người dùng có thể nạp dữ liệu vào thông qua thiết bị “đốt” PROM. Khi đã nạp thì các dữ liệu trong PROM cũng không thể thay đổi. PROM có thể xoá, còn gọi là EPROM (erasable PROM) là loại ROM mà người dùng có thể nạp dữ liệu vào và các dữ liệuđó có thể xoá hoặc thay đổi bằng một thiết bị đặc biệt. EPROM có thể xoá bằng điện (electric EPROM) là loại ROM có thể nạp và xoá dữ liệu bằng điện được mà không phải sử dụng tia cực tms như với EPROM.
Trong các máy tính hiện đại, người ta thường sử dụng Flash BIOS dùng EEPROM. Như vậy nội dung BIOS của máy tính có thể được thay đổi để tương thích với những mở rộng và nâng cấp hệ thống, mà điều này là không thể thực hiện đối với những máy tính thế hệ cũ sử dụng BIOS dùng PROM hoặc EPROM.
BIOS gồm nhiều chương trình và hàm. Phần đầu của chương trình BIOS kiểm tra hệ thống máy tính, quá trình này gọi là POST. Nếu hệ thống sử dụng các Card (thẻ cắm) Plug and Play thì giai đoạn này chính là lúc máy tính truy nhập tham số của thẻ. BIOS nào cũng có chương trình “Setup BIOS” để người dùng tự chỉnh tham số các thiết bị ngoại vi.
RAM
Có thể chia RAM thành hai hoại, RAM tĩnh (SRAM), có khả năng lưu giữ số liệu mãi mãi nếu như không mất nguồn nuôi. Và RAM động (DRAM), là loại RAM phải được “làm tươi” (refresh) tức là phải nạp lại dữ liệu đang được lưu trữ theo từng chu kỳ. “Làm tươi” bằng cách thực hiện thao tác đọc hoặc ghi nhắc lại. Cũng có thể “làm tươi” bằng những thao tác đặc biệt khác. Loại DRAM có mật độ phần tử nhớ cao nên giá thành khá rẻ so với SRAM. Các mạch nhớ DRAM được dùng phổ biến trong các thế hệ máy tính hiện nay.
Để tiết kiệm số đường địa chỉ và giảm số chân trên IC, hầu hết các loại DRAM đều dùng phương pháp địa chỉ multiplex. Trong quá trình đọc hay ghi các đường địa chỉ đầu tiên chứa các thông tin về hàng rồi tiếp sau mang thông tin về cột. Để kiểm soát thao tác này, người ta dùng đường dây và như trên hình 3. Khi thấp thì thông tin trên các đường địa chỉ sẽ được mở thông qua mạch chốt địa chỉ hàng (row-address latch). Khi thấp thì thông tin trên các đường địa chỉ sẽ được mở thông qua mạch chốt địa chỉ cột (column-address latch).
Việc “làm tươi” bằng dữ liệu đọc, dữ liệu ghi hoặc bằng các thao tác riêng. Mạch điều khiển làm tươi phải chọn tuần tự từng hàng các phần tử nhớ, cứ mỗi hàng một lần, cho đến khi tất cả các hàng đều được “làm tươi”. Đó là phương pháp làm tươi từng đợt. Trong quá trình đó không được đọc hay ghi dữ liệu vào bộ nhớ cho đến khi kết thúc quá trình. Một cách khác là “làm tươi” từng hàng trong các chu kỳ rời rạc và gọi là làm tươi theo chu kỳ đơn.
Sơ đồ khối DRAM 16.384 bits(16Kb)
Bộ xử lý trung tâm CPU là cốt lõi của một máy vi tính. CPU thực hiện mọi tính toán và xử lý của hệ thống — ngoại trừ xử lý tăng cường tính toán đặc biệt trong những hệ thống có một chip đơn vị đồng xử lý toán, mà chip này cũng đã được tích hợp ngay trong các CPU hiện nay. Tất cả những máy tính IBM và tương thích IBM sử dụng những bộ xử lý họ Intel hoặc tương thích với bộ xử lý họ Intel, dù chính những bộ xử lý có thể đã được nhiều công ty khác nhau thiết kế và sản xuất, gồm AMD, IBM, Cyric… .
Một trong những bộ xử lý điển hình thuộc họ 80×86 của Intel là bộ xử lý 8088. Đây là bộ vi xử lý khá đơn giản và vì vậy việc tìm hiểu nó là tương đối dễ đối với những người bắt đầu thâm nhập vào lĩnh vực vi xử lý, mặt khác việc nắm vững các vấn đề kỹ thuật của bộ vi xử lý 8088 sẽ là cơ sở để nắm bắt được các kỹ thuật của các bộ xử lý khác trong họ 80×86 của Intel, của các họ khác và của các bộ xử lý hiện đại ngày nay.
Giới thiệu cấu trúc bên trong của bộ vi xử lý 8088
Trên hình 1 là sơ đồ khối cấu trúc bên trong của bộ vi xử lý 8088.
Đơn vị giao diện bus (BIU)
Theo sơ đồ khối trên hình 1 ta thấy bên trong CPU 8088 có hai khối chính: khối phối ghép bus (bus interface unit, BIU) và khối thực hiện lệnh (execution unit, EU). Việc chia CPU thành hai phần đồng thời có liên hệ với nhau qua đệm lệnh làm tăng đáng kể tốc độ xử lý của CPU. Các bus bên trong CPU có nhiệm vụ chuyển tải tín hiệu của các khối khác. Trong số các bus có bus dữ liệu 16 bit của ALU, bus các tín hiệu điều khiển ở EU và bus trong của hệ thống ở BIU. Trước khi đi ra bus ngoài hoặc đi vào bus trong của bộ vi xử lý, các tín hiệu truyền trên bus thường được cho đi qua các bộ đệm để nâng cao tính tương thích cho nối ghép hoặc nâng cao khả năng phối ghép.
BIU bao gồm các thanh ghi đoạn (segment registers: CS, DS, SS, ES), con trỏ lệnh IP (instruction pointer) và bộ điều khiển logic bus (bus control logic, BCL). Đơn vị giao diện BIU còn có bộ nhớ đệm cho mã lệnh. Bộ nhớ này có chiều dài 4 byte (trong 8088) và 6 byte (trong 8086). Bộ nhớ đệm mã lệnh được nối với khối điều khển CB (control block) của đơn vị thực hiện lệnh EU. Bộ nhớ này lưu trữ tạm thời mã lệnh trong một dãy gọi là hàng đợi lệnh. Hàng đợi lệnh cho phép bộ vi xử lý có khả năng xử lý xen kẽ liên tục dòng mã lệnh (pipelining). Hoạt động của bộ CPU được chia làm ba giai đoạn: đọc mã lệnh (operation code fetching), giải mã lệnh (decording) và thực hiện lệnh (execution).
BIU đưa ra địa chỉ, đọc mã lệnh từ bộ nhớ, đọc/ghi dữ liệu từ các cổng vào hoặc bộ nhớ. Nói cách khác BIU chịu trách nhiệm đưa địa chỉ ra bus và trao đổi dữ liệu với bus.
Đơn vị thực hiện lệnh (EU)
Trong EU có khối điều khiển (control unit, CU). Chính tại bên trong khối điều khiển này có mạch giải mã lệnh. Mã lệnh đọc vào từ bộ nhớ được đưa đến đầu vào của bộ giải mã, các thông tin thu được từ đầu ra của nó sẽ được đưa đến mạch tạo xung điều khiển, kết quả thu được là các dãy xung khác nhau tuỳ theo mã lệnh, để điều khiển hoạt động của các bộ phận bên trong và bên ngoài CPU.
Trong EU có khối số học và lôgic (arithmatic and logic unit, ALU) chuyên thực hiện các phép tính số học và logic mã toán tử của nó nằm trong các thanh ghi đa năng. Kết quả thường được đặt về thanh ghi AX.
Ngoài ra trong EU còn có các thanh ghi đa năng (registers: AX, BX, CX, DX, SP, BP, SI, DI), thanh ghi cờ FR (flag register) mà công dụng của chúng sẽ được đề cập đến trong phần sau.
Tóm lại, khi CPU hoạt động EU sẽ cung cấp thông tin về địa chỉ cho BIU để khối này đọc lệnh và dữ liệu, còn bản thân nó thì giải mã và thực hiện lệnh.
Các thanh ghi
Các thanh ghi đa năng (general registers) Có nhiệm vụ ghi tham số cho mã lệnh, đây cũng là nơi lệnh trả kết quả về sau khi được thực hiện. Những thanh ghi đa năng của vi xử lý 16 bit là:
– AX (accumulator) rộng 16 bit, được chia làm hai phần: 1 byte cao AH và 1 byte thấp AL. Đây là thanh ghi quan trọng nhất và chuyên được dùng để chứa kết quả các thao tác lệnh. Cả ba cách viết AX, AH, AL đều có thể sử dụng như nững thanh ghi riêng biệt.
– BX (base) thanh ghi cơ sở, rộng 16 bit, cũng được chia ra làm BH và BL. Đây là thanh ghi thường dùng chứa địa chỉ cơ sở của một bảng dùng trong lệnh XLAT, Cả ba cách viết BX, BH, BL đều có thể sử dụng như những thanh ghi riêng biệt.
– CX (count) bộ đếm, rộng 16 bit. Được chia ra làm CH và CL. Thanh ghi CX được ùng để chứ số lần lặp trong trường hợp các lệnh LOOP. Thanh ghi thấp CL được dùng để chứa (nhớ) số lần quay hoặc dịch của các lệnh quay (rotate) và dịch (shift).
– DX (data) thanh ghi dữ liệu, rộng 16 bit. Thanh ghi này cùng thanh ghi AX tham gia vào các thao tác của phếp nhân hoặc chia các số 16 bit. DX còn dùng để chứa địa chỉ 16 bit của các cổng cứng (dài hơn 8 bit) trong các lệnh truy nhập các cổng ngoại vi (I/O port).
Các thanh ghi đoạn (segment registers) dùng để ghi địa chỉ một đoạn bộ nhớ. Vi mạch 8088/8086 có 20 đường dây trên bus địa chỉ. Do các thanh ghi con trỏ cà thanh ghi chỉ số chỉ rộng 16 bit nên không thể định địa chỉ cho toàn bộ nhớ vật lý của máy tính là (2 20 = 1.048.576 = 1Mbyte). Vì vậy trong chế độ thực (real mode) bộ nhớ được chia làm nhiều đoạn để một thanh ghi con trỏ 16 bit có thể quản lý được. Các thanh ghi đoạn 16 bit sẽ chỉ ra địa chỉ đầu của 4 đoạn trong bộ nhớ, dung lượng lớn nhất của mỗi đoạn nhớ sẽ dài 2 16 = 64 Kbyte và tại một thời điểm nhất định bộ vi xử lý chỉ làm việc được với 4 đoạn nhớ 64Kbyte này. Việc thay đổi giá trị của các thanh ghi đoạn làm cho các đoạn có thể dịch chuyển linh hoạt trong không gian 1 Mbyte, vì vậy các đoạn có thể nằm cách nhau khi thông tin cần lưu trong chúng đòi hỏi dung lượng đủ 64 Kbyte hoặc cũng có thể nắm trùm nhau do có những đoạn không dùng hết độ dài 64 Kbyte và vì thế các đoạn khác có thể bắt đầu nối tiếp ngay sau đó. Địa chỉ của ô nhớ nầm ở đầu đoạn được ghi trong một thanh ghi đoạn 16 bit, địa chỉ này gọi là địa chỉ cơ sở. Mười sáu bit này tương ứng với các đường dây địa chỉ từ A4 đến A20. Như vậy giá trị vật lý của địa chỉ đoạn là giá trị trong thanh ghi đoạn dịch sang trái 4 vị trí. Điều này tương đương với phép nhân với 2 4 = 16. Địa chỉ của các ô nhớ khác nằm trong đoạn tính được bằng cách cộng thêm vào địa chỉ cơ sở một giá trị gọi là địa chỉ lệch hay độ lệch (offset), gọi như thế vì nó ứng với khoảng lệch của toạ độ một ô nhớ cụ thể nào đó so với ô đầu đoạn. Độ lệch này được xác định bởi các thanh ghi 16 bit khác đóng vai trò thanh ghi lệch (offset register). Nguyên tắc này dẫn đến công thức tính địa chỉ vật lý (physical address) từ địa chỉ đoạn (segment) trong thanh ghi đoạn và địa chỉ lệch (offset) trong thanh ghi con trỏ như sau:
Việc dùng hai thanh ghi để nhớ thông tin về địa chỉ thực chất tạo ra một loại địa chỉ gọi là địa chỉ logic và được ký hiệu như sau:
Thanh ghi đoạn : Thanh ghi lệch hay segment:offset.
Địa chỉ kiểu segment : offset là logic vì nó tồn tại dưới dạng giá trị của các thanh ghi cụ thể bên trong CPU và khi cần thiết truy nhập ô nhớ nào đó thì nó phải đổi ra địa chỉ vật lý để rồi đưa lên bus địa chỉ. Việc chuyển đổi này do một bộ tạo địa chỉ thực hiện (phần tử trên hình 1).
Vi xử lý 16 bit có 4 thanh ghi đoạn như sau:
– CS (code segment) là thanh ghi đoạn mã 16 bit. thanh ghi này phối hợp với con trỏ lệnh IP để ghi địa chỉ mã lệnh trong bộ nhớ. Địa chỉ đầy đủ là CS:IP.
– DS (data segment) là thanh ghi đoạn 16 bit cho một đoạn dữ liệu. Thanh ghi này phối hợp với hai thanh ghi chỉ số SI và DI để đánh địa chỉ cho dữ liệu. Địa chỉ đầy đủ cho dữ liệu cần đọc vào là DS:SI, cho dữ liệu cần ghi ra là DS:DI.
– SS (stack segment) là thanh ghi đoạn 16 bit cho một ngăn xếp. Địa chỉ đỉnh của ngăn xếp được biểu diễn cùng với con trỏ ngăn xếp SP là SS:SP.
– ES (extra segment) là thanh ghi dữ liệu phụ có chiều dài 16 bit. Thường đuợc dùng để đánh địa chỉ một chuỗi. ES:DI là địa chỉ chuỗi cần viết đến (chuỗi đích) và DS:SI là địa chỉ chỗi đọc vào (chuỗi nguồn).
Các thanh ghi con trỏ và chỉ số có thể được dùng như một thanh ghi đa năng 16 bit. Vi mạch 8088 có tất cả ba thanh ghi con trỏ là (IP, BP, SP) và hai thanh ghi chỉ số (SI, DI). Nhiệm vụ của từng thanh ghi như sau:
– IP (instruction pointer) là con trỏ chỉ tới lệnh máy tiếp theo. Lệnh này nằm trong bô nhớ mà địa chỉ đoạn được ghi trong CS. Như vậy địa chỉ của mã k=lệnh này là CS:IP.
– BP (base pointer) là con trỏ cơ sở trỏ về dữ liệu bộ nhớ mà địa chỉ đoạn được ghi trong SS. Địa chỉ đầy đủ sẽ là SS:BP.
– SP (stack pointer) là con trỏ ngăn xếp luôn trỏ vào đỉnh ngăn xếp mà địa chỉ đoạn được ghi trong SS. Địa chỉ đầy đủ của dữ liệu là DS:SP.
– SI (source index) là chỉ số nguồn, trỏ vào dữ liệu mà địa chỉ đoạn được ghi trong DS. Địa chỉ đầy đủ của dữ liệu là DS:SI.
– DI (destination index) là chỉ số đích, cũng trỏ vào đoạn dữ liệu mà địa chỉ đoạn ghi trong DS. Địa chỉ đầy đủ của đoạn dữ liệu là DS:SI.
Thanh ghi cờ FR (flag register) đây là thanh ghi khá đặc biệt trong CPU, dùng để ghi trạng thái kết quả các phép xử lý trong đơn vị số học và logic ALU hoặc một trạng thái hoạt đọnh của EU. Dựa vào các cờ này người lập trình có thể có các lệnh thích hợp tiếp theo cho bộ vi xử lý (các leẹnh nhảy có điều kiện). Thanh ghi này là một thanh ghi 16 bit trong 8088/8086. Nhưng chỉ có 9 bit trong thanh ghi được định nghĩa và sử dụng, đó là:
Sơ đồ thanh ghi cờ của bộ vi xử lý 8086/8088
– Bit 0: CF (carry flag) cờ nhớ, CF=1 khi có nhớ hoặc mượn từ MSB.
– Bit 2: PF (parity flag) cờ parity, PF phản ảnh tính chẵn (parity) của tổng số bit 1 có trong kết quả. Cở PF =1 khi tổng số bit 1 trong kết quả là chẵn (even parity, parity chẵn).
– Bit 4: AF (auxliary carry flag) cờ nhớ phụ dùng cho các phép tính với mã BCD. AF = 1 khi có nhớ hoặc mượn từ một số BCD thấp (4 bit thấp) sang một số BCD cao (4 bit cao).
– Bit 6: ZF (zero flag) cờ rỗng, ZF = 1 khi kết quả bằng 0.
– Bit 7: SF (sing flag) cờ dấu, SF = 1 khi kết quả âm.
– Bit 8: TF (trap flag) cờ bẫy, TF = 1 khi vi xử lý ở trong chế độ chạy từng lệnh (chế độ này dùng khi cần tìm lỗi trong một chương trình).
– Bit 9: IF (interrupt enable flag) cờ cho phép ngắt, IF = 1 cho phép các yêu cầu ngắt che được (maskable interrupt) được tác động.
– Bit A: DF (direction flag) cờ hướng. DF = 1 khi CPU làm việc với chuỗi ký tự theo thứ tự từ phải sang trái (lùi).
– Bit B: OF (overflow) cờ tràn, OF =1 khi kết quả vượt ra ngoài giới hạn, xảy ra đối với phép tính có dấu.