Bài giảng Kỹ thuật Vi xử lý: Chương 3 - Nguyễn Thị Quỳnh Hoa

Bài giảng Kỹ thuật Vi xử lý: Chương 3 Họ vi xử lý 8088 và 80x86, cung cấp cho người học những kiến thức như: Nguyên lý hoạt động của một bộ vi xử lý; Cấu trúc của bộ vi xử lý; Kiến trúc và hoạt động của 8088;... Mời các bạn cùng tham khảo!

quynhhoa4484@gmail.com

Chương 3 :

1.1.Nguyên lý hoạt động của một bộ

VXL

Cấu trúc của bộ VXL

Bộ nhớ

• Gồm : Bộ nhớ trong và bộ nhớ ngoài

• Nhiệm vụ:

– Lưu trữ lệnh

– Lưu trữ dữ liệu

Bộ nhớ trong

• Gồm : ROM và RAM

mạch điện để thể hiện các trạng thái "1" hay "0" Ðặc điểm của ROM là thông tin vẫn tồn tại thường xuyên ngay cả khi

mất điện hoặc tắt máy

liệu để CPU có thể truy cập nhanh chóng

Hệ thống BUS

• Bus địa chỉ

• Bus dữ liệu

• Bus điều khiển

Bus địa chỉ

• Là công cụ để CPU có thể xác định và nhận ra vị trí của các thiết bị trong hệ thống

• Có 20 đường dây từ A0 đế n A19

Bus dữ liệu

• Dùng để chuyển thông tin giữa bộ VXL với các thiết bị khác trong hệ thống

• 8088 có 8 bit.8086 có 16 bit

• Sử dụng kỹ thuật Multiplex các đường dây của Bus dữ liệu và Bus địa chỉ

Bus điều khiển

• Là tập hợp các đường dây điều khiển dù ng để điều khiển các tác vụ của hệ thống

• Các tín hiệu điều khiển điển hình :

MEMR,MEMW,IOR,IOW

• Ví dụ về quá trình đọc 1 byte từ bộ nhớ

Xử lý lệnh của các VXL trước 8086/8088

• Lấy lệnh từ bộ nhớ

• Giả i mã lệnh

• Thực hiện lệnh

– Lấy các toán hạng từ bộ nhớ (nếu có)– Lưu trữ kết quả

1.2.Kiến trúc và hoạt động của 8088

• CPU 8088 có 2 khối chính:

– Khối phối gh é p bus (Bus interface unit, BIU): BIU chịu tr á ch nhiệm đưa địa chỉ ra bus v à trao đổi dữ liệu với bus.

– Khối thực hiện lệnh (Execution unit, EU): EU

cung cấp thông tin về địa chỉ cho BIU để khối

n à y đọc lệnh v à dữ liệu, còn EU sẽ giải mã lệnh v à

thực hiện lệnh.

• Hai thành phần BIU và EU làm việc đồng

thời và liên hệ với nhau qua đệm lệnh

Cơ chế Pipelining

BIU (Bus Interface Unit)

• Phá t ra các tín hiệu địa chỉ đến bộ nhớ và các cổng I/O thông qua A-Bus

• Đọc mã lệnh từ bộ nhớ qua D-Bus

• Đọc dữ liệu từ bộ nhớ qua D-Bus

• Ghi dữ liệu vào bộ nhớ qua D-Bus

• Đọc dữ liệu từ các cổng I qua D-Bus

• Ghi dữ liệu ra các cổng O qua D-Bus

EU (Execution unit)

• Bao gồm 2 khối :

• CU (Control Unit) : Giải mã lệnh để tạo ra các tín hiệu điều khiển nhằm thực hiện lệnh đã được giải mã

• ALU (Arithmetical Logical Unit ) : Thực hiện các thao tá c khác nhau đối với các

toá n hạng của lệnh

Đơn vị số học và logic (ALU)

• Mô hình kết nối của ALU

Đơn vị điều khiển CU

• Mô hình kết nối CU

Cá c thông tin kết nối đến CU

• Clock

• Mã lệnh

• Cá c trạng thái cờ

• Cá c tín hiệu đk từ BUS đk

• Cá c tín hiệu bên trong CPU

• Cá c tín hiệu bên ngoài CPU

Qua ́ trình nhận và thực thi lệnh

1 BIU xuất nội dung của thanh ghi con trỏ

lệnh IP (Intruction Pointer) ra bus địa chỉđể chọn byte/word đọc vào BIU

2 IP tăng lên 1

3 Lấy lệnh từ BIU đưa vào hàng đợi lệnh (là

thanh ghi lưu trữ theo FIFO)

4 Thực hiện lệnh lấy ra từ hàng đợi

5 Quay trở lại quá trình BIU nhận 1 lệnh mới

2.Thanh ghi

• Thanh ghi đa năng

• Thanh ghi con trỏ và chỉ số

• Thanh ghi quản lý đoạn

• Thanh ghi cờ trạng thái

Cấu trúc thanh ghi của họ 8088

Cấu trúc thanh ghi của họ x86

Các thanh ghi đa năng

• Các thanh ghi đa năng:

– AX, BX, CX, DX: 16 bít

– Các thanh ghi có thể tách ra thành 2 thanhghi ghi 8 bít cao và 8 bít thấp để làm việc độclập

– Thanh ghi dữ liệu

– Dùng để chứa toán hạng, kết quả phép toán * /

– Chứa địa chỉ để in/out

Các thanh ghi đa năng

Các thanh ghi đoạn

• Dài 16 bit và không chia làm 2 phần như thanh ghi

đa năng

• Được sử dụng là địa chỉ cơ sở của các lệnh trong

chương trình, stack và dữ liệu

– CS : chứa địa chỉ bắt đầu của chương trình

– DS : chứa địa chỉ của các biến khai báo trong

chương trình– SS : chứa địa chỉ của bộ nhớ Stack dùng trong

chương trình– ES : chứa địa chỉ cơ sở bổ sung cho các biếnbộ nhớ

Các thanh ghi đoạn

• Bộ nhớ 8086/88 đánh địa chỉ theo byte ,có 20 đường địa chỉ ?quản lý bn địa chỉ khác nhau -> chia thành các đoạn để quản lý

• Tại 1 thời điểm 8086/88 quản lý được 4 đoạn:

– Đoạn mã: Thanh ghi đoạn CS (Code Segment)– Đoạn dữ liệu: Thanh ghi đoạn DS (Data

• Các thanh ghi đoạn chỉ ra địa chỉ đầu của mỗi

đoạn trong bộ nhớ Dung lượng của mỗi đoạn là64KB

• Việc thay đổi giá trị các thanh ghi đoạn làm cho

các đoạn có thể dịch chuyển một cách linh hoạttrong không gian 1MB bộ nhớ

• Các đoạn có thể tách rời nhau hoặc nằm trùm

lên nhau

Các thanh ghi đoạn

Các thanh ghi đoạn

• Nội dung của thanh ghi đoạn sẽ xác định ô nhớđầu tiên trong đoạn, địa chỉ này gọi là địa chỉ cơ

sở (địa chỉ đoạn Segment) Các ô nhớ tiếp theođược xác định bằng cách lấy địa chỉ cơ sở cộngthêm 1 giá trị gọi là địa chỉ lệch ( Offset) Địachỉ lệch cũng được xác định bởi một thanh ghi

khác gọi là thanh ghi offset

Các thanh ghi đoạn

• CS : xác định đoạn lệnh-nơi chứa chương trình

được thi hành

• DS : xác định đoạn dữ liệu-nơi chứa chương trìnhđược thi hành

• SS : xác định đoạn Stack-vùng làm việc tạm thời

dùng để theo dõi các tham số và các địa chỉ đang

được chương trình hiện hành và sử dụng

• ES : trỏ đến đoạn thêm thường được sử dụng để bổ xung cho đoạn dữ liệu

Các thanh ghi đoạn

1MB

Segment Register Offset Register

C á c thanh ghi con trỏ và chỉ số

• Hai thanh ghi chỉ số:

– Chỉ số nguồn SI: Trỏ vào 1 phần tử đoạn

C á c thanh ghi con trỏ và chỉ số

Các thanh ghi con trỏ và chỉ số

• C ó 3 thanh ghi con trỏ v à 2 thanh ghi chỉ số 16

b í t Trừ thanh ghi IP, c á c thanh ghi n à y đều c ó

thể d ù ng như thanh ghi đa năng.

• Ứng dụng ch í nh của mỗi thanh ghi l à được ngầm định như thanh ghi lệch cho c á c đoạn tương ứng.

• Ba thanh ghi con trỏ:

– Con trỏ lệnh IP(Instruction Pointer): Trỏ v à o lệnh tiếp theo sẽ được thực hiện nằm trong

đoạn mã CS Địa chỉ đầy đủ của lệnh tiếp theo CS:IP.

– Con trỏ cơ sở BP: Trỏ v à o một phần tử của

ngăn xếp (SS: BP)

– Con trỏ ngăn xếp SP: Trỏ v à o đỉnh ngăn xếp (SS: SP)

16 bít

8 bít Bus D

8086 8088

Thanh ghi cờ

• Cờ C (Carry Flag): C = 1 khi c ó nhớ

hoặc mượn bit

• Cờ P (Parrity ): kiểm tra t í nh chẵn lẻ trong kết quả thực hiện ph é p to á n P

=1 nếu kết quả c ó số bit 1 l à chẵn

• Cờ A(auxiliary carry flag) cờ nhớ phụ

Để l à m việc với số dạng mã BCD

Thanh ghi cờ

• Cờ điều khiển

• Cờ T (Trap Flag):T=1 th ì CPU l à m việc ở chế độ từng lệnh

• Cờ I (Interrupt Flag): I = 1 th ì CPU cho

ph é p c á c yêu cầu ngắt (che được) được

t á c động

• Cờ D(Dirrection Flag): D=1 th ì CPU l à m việc với xâu k í tự theo chiều từ phải sang

tr á i

Thanh ghi cờ

• Dạng của lệnh

• Mã máy

• Mã gợi nhớ

*.asm *.obj

100010 … MOV đích, gốc

Các chế độ địa chỉ

• Bộ VXL 8088 v à họ 80x86 c ó 7 chế độ địa chỉ:

– Chế độ địa chỉ thanh ghi (register addressing mode)

– Chế độ địa chỉ tức th ì (immediate addressing mode)

– Chế độ địa chỉ trực tiếp (direct addressing mode)

– Chế độ địa chỉ gi á n tiếp qua thanh ghi (register indirect

Hằng số

2.Mod thanh ghi

• MOV AX, BX

• ADD AL, CL

3.Mod trực tiếp

• MOV Al, [1053]

• ADD [5307h], AL

4.Mod gián tiếp thanh ghi

• MOV AL, [BX]

• MOV [SI], CL

5.Mod tương đối cơ sở

• MOV CX, [BX]+10

• MOV CL, [BP]+5

6.Mod tương đối chỉ số

• MOV AX,[SI]+10

• MOV AL, [DI+5]

7.Mod tương đối chỉ số cơ sở

• MOV AX, [BX]+[SI]+8

DS DS SS SS

[BX] + [DI] + Disp [BX] + [SI] + Disp [BP] + [DI] + Disp [BP] + [SI] + Disp Tương đối chỉ số cơ sở

7

DS SS

[DI] + Disp [SI] + Disp Tương đối chỉ số

6

DS SS

[BX] + Disp [BP] + Disp Tương đối cơ sở

5

DS DS DS

Trực tiếp

3

Data Tức thi

2

Reg Thanh ghi

1

Đoạn ngầm định Toán hạng

Chế độ địa chỉ STT

Đoạn ngầm định

SP, BP DI

SI, DI, BX IP

Thanh ghi lÖch

SS ES

DS CS

Thanh ghi ®o¹n

Thay đổi đoạn mặc định

• MOV AH,[BP]; SS:BP->AH

• MOV AH,CS:[BP]; CS:BP->AH

Ma ̃ lệnh, mã máy

• Một lệnh của VXL có tối đa 6 byte

– Opcode

– Direction

Ma ̃ lệnh, mã máy

• Một lệnh của VXL có tối đa 6 byte

– Word

– REG : sử dụng 2 hoặc 3 bit

Ma ̃ lệnh, mã máy

• Mode

• R/M

Ma ̃ lệnh, mã máy

• Viết dưới dạng mã lệnh cho dòng lệnh sau :

– MOV CL,[BX]

– MOV AH,2Ah

– MOV CX,[BX]+[SI]+DATA

Tập lệnh của VXL

8088/80x86

• Nhóm lệnh dịch chuyển

• Nhóm lệnh xử lý dữ liệu

• Nhóm lệnh điều khiển

Nho ́m lệnh dịch chuyển

• Nhóm lệnh chuyển dữ liệu

• Nhóm lệnh chuyển địa chỉ

• Nhóm lệnh chuyển dữ liệu qua cổng

A.Nhóm lệnh chuyển dữ liệu

– Ko thay đổi cờ

– Ko chuyển trực tiếp dữ liệu giữa 2 ô nhớ

– Ko chuyển trực tiếp một hằng số vào 1 thanh ghi đoạn

– Ko dùng CS làm toán hạng đích

– Ko chuyển trực tiếp giữa 2 thanh ghi đoạn

– Toán hạng là mem hoặc reg

– Không ảnh hưởng đến các cờ– Không phải là thanh ghi đoạn

– Nội dung reg không thay đổi

– Các cờ không bị thay đổi

B.Nhóm lệnh chuyển địa chỉ

• LEA

• LDS

• LES

• Load Effective Address

• LEA reg16,mem16

• Chú ý :

– Dst có thể là : BX,CX,DX,BP,DI,SI

– Src có thể là : tên biến trong DS hoặc một ô nhớ cụ thể

– Các cờ không bị thay đổi

• LEA BX,[1000h]

• BX<-[1001h,1000h]

C.Nhóm lệnh chuyển dữ liệu

qua cổng

• IN

• OUT

• Input a byte or a word from a port

• IN Acc,port

• Trong đó :

– Acc : thanh chứa

– Port : dữ liệu của cổng có địa chỉ port, nó là địa chỉ 8 bit của cổng

– Các cờ không bị thay đổi

– Acc là thanh chứa

– Port là địa chỉ cổng

– Các cờ không bị thay đổi

Nho ́m lệnh tính toán số học

• Lệnh cộng

• Lệnh trừ

• Lệnh nhân

• Lệnh chia

• Chia cho 0

• Thương > 256 (src8)

• Thương > 65536 (src16)

• Chia cho 0

• Thương > 256 (src8)

• Thương > 65536 (src16)

Nho ́m lệnh logic

• AND

• OR

• XOR

• NOT

– Dst,Src phải có cùng độ dài và ko đồng thời là 2

ô nhớ,2 thanh ghi đoạn

– Các cờ bị thay đổi : CF,OF,SF,ZF,PF

– Thường dùng để che đi/giữ lại những vị trí cần

che đi/giữ lại tương ứng.

– Dst,Src phải có cùng độ dài và ko đồng thời là 2

ô nhớ,2 thanh ghi đoạn

– Các cờ bị thay đổi : CF,OF,SF,ZF,PF

– Thường dùng để một vài bit nào đó của toán

hạ ng lên 1

– Dst,Src phải có cùng độ dài và ko đồng thời là 2

ô nhớ,2 thanh ghi đoạn

– Các cờ bị thay đổi : OF,SF,ZF,PF

– Thường dùng để trả về 0 một thanh ghi nào đó.

– Dst,Src phải có cùng độ dài và ko đồng thời là 2

ô nhớ,2 thanh ghi đoạn

– Các cờ không bị thay đổi

– Thường dùng đảo bit (lấy bù 1) một thanh ghi

nà o đó.

Nho ́m lệnh dịch và quay

• Shift Arithimetically/Logic left

• SAL/SHL Dst,CL

• Với SAL, thì msb ko đổi sau khi thực hiện lệnh

• Có ảnh hưởng tới các cờ : ZF,OF,CF,PF và SF(đối với SHL)

0

CF

LÖnh SHL

• Giống với SAL/SHL nhưng là dịch phải

• Quay trái, quay phải qua cờ nhớ

• Thực hiện giống ROL/ROH nhưng CF có tham gia vào vòng quay

Nho ́m lệnh so sánh

• CMP

– Sau lệnh, toán hạng không thay đổi

– Chỉ thay đổi các cờ : AF,CF,OF,PF,ZF,SF

Nho ́m lệnh xử lý với chuỗi

• MOVS :MOVSB, MOVSW

• CMPS :CMPSB, CMPSW

• SCAS :SCASB, SCASW

• LODS :LODSB, LODSW

• STOS :STOSB, STOSW

• REP

• REP lệnh xử lý chuỗi

• REP MOVSB/MOVSW

STOSB/STOSW lặp lại cho đến khi CX=0

Vi ́ dụ

• Chép 80h byte từ địa chỉ

3000h:1000h đế n địa chỉ 4800h:C200h

Ca ́c lệnh điều khiển chương trình

• Nhóm lệnh dịch chuyển thanh ghi cờ

• Lệnh nhảy

• Lệnh vòng lặp

• Lệnh cho chương trình con

Nho ́m lệnh chuyển cờ hiệu

• LAHF

• SAHF

• PUSHF

• POPF

• Store AH to Flag

• Chuyển các bit 7,6,4,2 và 0 của thanh ghi AH vào các cờ SF,ZF,AF,PF và CF

PUSHF và POPF

• PUSHF : chuyển thanh ghi cờ vào Stack.

• POPF : lấy dữ liệu từ Stack chuyển và o thanh ghi cờ.

Lệnh lặp

– Dừng LOOP khi CX=0 hoặc ZF=0

– Các cờ không bị thay đổi

– Dừng LOOP khi CX=0 hoặc ZF=1

– Các cờ không bị thay đổi

Ca ́c lệnh nhảy

• Nhảy không điều kiện

• Nhảy có điều kiện

Nha ̉y không điều kiện

• JMP Label

– JMP short Label (-128đến 127)

– JMP near Label (-32768đến 37767)– JmP reg16

– JMP mem16

– JMP mem32

– JMP far Label

Nha ̉y không điều kiện

• short Label :IP <- IP+offset

• near Label :IP <- địa chỉ

• Reg16 :IP <- reg16

• Mem16 :IP <- [mem+1,mem]

• Mem32 :CS <- [mem+3,mem+2]

IP <- [mem +1,mem]

• far Label :CS <- PTR segment

IP <- PTR offset

Nha ̉y có điều kiện

• Jxxx Label

• Nếu thỏa đk thì nhảy tương đối

ngược lại sẽ không làm gì cả (qua lệnh kế)

Nha ̉y có điều kiện

• Khi thực hiện so sánh không dấu

Nha ̉y có điều kiện

• Khi thực hiện so sánh các số có dấu

Ca ́c lệnh cho chương trình con

• CALL

• RET

• CALL thủ tục

• Mô tả : Chuyển hoạt động của CTC sang ctc

– Gọi gần : ctc nằm trong cùng một đoạn mã với CTC (CALL near)

– Gọi xa : ctc không nằm trong cùng mộtđoạn mã với CTC (CALL far)

– Các cờ bị thay đổi : AF,CF,OF,PF,ZF,SF

– Địa chỉ lệch của ctc -> IP

– Khi gặp RET thì VXL lấy lại địa chỉ trở về

IP từ Stack

– SP+2->SP

– Địa chỉ lệch của ctc -> IP

– Khi gặp RET thì VXL lấy lại địa chỉ trở về IP từ Stack

– SP+2->SP,lấy lại địa chỉ IP

– SP+2->SP,lấy lại địa chỉ CS

Một số lệnh điều khiển khác

• CLC :Clear the Carry flag

• CLD :Clear the Direction flag

• CLI :Clear the Interrupt flag

• CMC :Complement the Carry flag

• HLT :Halt processing

• INT :Interrupt