Cấu trúc-Nguyên lý hoạt động máy tính

Hiên nay các thiết bị tin học ngày càng được các công ty công sở cũng như người dân sử dụng,nhưng số người có hiểu biết về máy tính chưa nhiều.Đồ án này của em trình bày những hiểu biết

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG

Giáo viên hướng dẫn: Thạc Sĩ LÊ DŨNG

Sinh viên thưc hiện: NGUYỄN XUÂN SƠN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỘC LẬP -TỰ DO-HẠNH PHÚC

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP

3.Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

4.Các bản vẽ(Ghi số lượng và kích thước bản vẽ):

5.Cán bộ hướng dẫn:

Họ và tên cán bộ hướng dẫn

7.Ngày hoàn thành nhiệm vụ:………

Ngày tháng năm 2005

CHỦ NHIỆM KHOA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI

Kết quả điểm đánh giá

-Quá trình thiết kế: Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án cho khoa

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG SINH VIÊN

(Ký và ghi rõ họ tên)

NGUYỄN XUÂN SƠN

Đồ án tốt nghiệp này là sự tổng thể và áp dụng tất cả các kiếnthức mà chúng em đã được tiếp thu ở trên lớp và qua một quá trìnhthực tế đi thực tập,cùng với sự hướng dẫn nhiệt tình ,hết mình về thờigian và công sức của thầy giáo hướng dẫn là ThS LÊ DŨNG.

Tuy nhiên ,do sự tiếp thu kiến thức của chúng em còn có nhữnghạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót ,kính mong quý thầy côchiếu cố.Sự góp ý phê bình , đánh giá khả năng học tập đối với chúng

em của quý thấy cô là bài học kinh nghiệm quý giá cho chặng đườngtiếp theo của chúng em sau khi ra trường

Là sinh viên ngành ĐTVT, được đào tạo tại một ngôi trường giàutruyền thống là Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội,chúng em rất tựhào về khoa mà mình đang theo học

,tự hào về những thầy cô,về sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹthuật ,của sự ươm mầm cho tương lai đất nước Việt Nam nói riêng vàcho thế giới

Một lần nữa ,chúng em xin chân thành cảm ơn công lao to lớncủa các thầy cô.Kính chúc các thầy cô mạnh khỏe ,tiếp tục truyền đạtnhững kinh nghiệm ,những bài học cho các thế hệ sinh viên tương lai

GIỚI THIỆU

Tin học là một trong các nghành khoa học đang phát triển tại Việt Nam Dù chưa có thời gian phát triển lâu như ở các nước khác trên thế giới nhưng cũng đã có những đóng góp không nhỏ trong sự phát triển chung của các lĩnh vực của đời sống

Xu hướng phát triển hệ thống thông tin trên thế giới là xã hội hóa thông tin ,thông tin mang tính toàn cầu Thị trường tin học nước ta

cũng lớn mạnh theo ,rất nhiều công ty hàng đầu thế giới về tin học đã

mở rộng lĩnh vực hoạt động sang Việt Nam Intel là một công ty hàng đầu trong lĩnh vực sản xuất bộ vi xử lý máy tính đã đến Việt Nam để

mở rộng thị trường.Bộ vi xử lý Pentium của Intel hiện là bộ vi xử lý được sử dụng rộng rãi nhất ,với rất nhiều ưu điểm và được tối ưu để phục vụ cho công việc

Hiên nay các thiết bị tin học ngày càng được các công ty công

sở cũng như người dân sử dụng,nhưng số người có hiểu biết về máy tính chưa nhiều.Đồ án này của em trình bày những hiểu biết cơ bản vềmáy vi tính dùng bộ vi xử lý Pentium nhằm mục đích đóng góp một phần nhỏ nào đó trong việc tìm hiểu máy tính và vi xử lý Pentium.Do thời gian tìm hiểu có hạn và khả năng nghiên cứu chưa được chuyên sâu nên trong đồ án của em còn có nhiều thiếu sót về sự trình bày cũng như kiến thức

1.2.2 Nguồn cấp điện cho máy tính xách tay 15

1.3 Cấu trúc bản mạch chính 21

1.3.1 Vi xử lý 21

1.3.2 ROM-BIOS 21

1.3.3 Các khe và ổ cắm 22

CHƯƠNG 2 Vi xử lý Pentium 28

2.1 Cấu trúc vi xử lý pentium 28

2.1.1 Đặc điểm chung của pentium 28

2.1.2 Cấu trúc của pentium 30

2.2 Cấu trúc hệ thống vi xử lý pentium 36

2.2.1 Tài nguyên hệ thống 36

2.2.2 Các thanh ghi quản lý bộ nhớ 39

CHƯƠNG 3 Thiết bị điều khiển dữ liệu 40

3.1 Vi mạch tổng hợp cho pentium 40

3.2Vi mạch tổng hợp Intel 810 ………40

3.3Vi mạch tổng hợp Super I/O……… 45

CHƯƠNG 4 Thiết bị thu nhận dữ liệu 47

4.1 Bàn phím………47

4.2 Con chuột……… 48

CHƯƠNG 5 Thiết bị hiển thị dữ liệu 5.1 Những khái niệm cơ bản về màn hình……….52

5.2 Màn hình ống tia âm cực ………53

5.3 Màn hình tinh thể lỏng……….54

5.4 Màn hình Plasma……….56

5.6 Thiết bị chiếu hình vi cơ……….56

5.5 Thẻ điều hợp hiển thị……… 57

CHƯƠNG 6 Thiết bị lưu trữ dữ liệu……….56

6.1 Đĩa từ……….56

6.1.1 Ổ đĩa mềm Đĩa mềm 56

6.1.2 Ổ đĩa cứng………60

6.1.3 Đĩa Bernouli……… 62

6.1.4 Cấu trúc vật lý và logic ……… 64

6.1.5 Bộ điều khiển và các giao diện ổ đĩa từ 65

6.2 Các loại thẻ nhớ………69

6.3 Bộ nhớ trong……… 70

6.3.1 Cấu trúc vật lý ……….72 6.3.2 Cấu trúc logic và cách truy nhập ……… 75

CHƯƠNG 1 Các thành phần cơ bản của máy tính cá nhân

1 Các loại hình máy tính cá nhân:

Để đảm bảo tính tương thích ,cấu trúc phần cứng bên trongcủa máy tính cá nhân về cơ bản là giống nhau Vì thế chúng chỉ đượcphân biệt theo hình dạng vật lý như sau:

 Loại để bàn (desktop),loại để bàn thu nhỏ (desktop slim-line)

 Loại đặt đứng (tower),loại đặt đứng nhỏ(mini tower)

 Loại xách tay(notebook)

Loại để bàn được thiết kế để đặt được trên bàn làm việc Đây

là loại hình máy tính phổ biến nhất Một máy để bàn thường có kíchthước rộng:sâu:cao là 45:38:16 cm.Một loại máy tính để bàn khác cókích thước nhỏ hơn là “desktop slim-line” có kích thước là 40:38:13cm.Với loại máy này ,để cắm được bản mạch phụ ta cần thẻ gốc gọilà” Riser”cắm vuông góc với bản mạch chính

Loại máy đặt đứng thường đặt cạnh bàn làm việc hay bên

dưới Loại này có ưu điểm không gian máy rộng thoáng ,tốt cho làmnguội và mở rộng cấu hình

Loại đặt đứng nhỏ thực chất là máy để bàn được đặt

đứng.Loại này có ưu điểm là tiết kiệm diện tích để máy,nhưng cónhược điểm là thẻ mở rộng chuyển sang nằm song song với mặt bànlàm việc,làm giảm đáng kể quá trình làm nguội máy bằng đối lưu

Máy tính xách tay hiện đại (notebook) thường có kích thước

chuẩn của khổ A4.Loại này có tính năng hệt như một máy tính để bànthông thường và có một màn hình tinh thể lỏng

Máy tính bỏ túi là một máy tính cá nhân hoàn chỉnh nhưng có

thiết kế nhỏ gọn và dung lượng bộ nhớ hạn chế.Một vài loại máy thuộc

họ này là Palmtop và Palmpilot

2 Bộ nguồn:

2.1 Nguồn cấp điện máy lớn :

*Nhiệm vụ :

Bộ nguồn có chức năng chuyển điện xoay chiều AC 110-220V

AC thành 1 chiều DC :+5V(dây đỏ),-5V(dây trắng ),+12V(dây vàng 12V(dây xanh),dây tiếp đất (dây đen ) để cung cấp cho các mạch điệntrong máy cũng như cho các thiết bị ngoại vi(Ổ CD-ROM,)

Nguồn điện là điều kiện cơ bản cho máy tính hoạt động nênmột bộ nguồn máy tính làm việc ổn định và cung cấp đủ công suất rất

quan trọng đối với một máy tính cá nhân Tuỳ theo chủng loại và cấuhình ,mỗi máy tính cá nhân cần công suất nguồn khác nhau.

Bảng so sánh một công suất nguồn của một số máy tính thông dụng:

(Desktop)

Để đứng(Tower)Côngsuất

(W)

Khi thiết kế card mở rộng ,hay trang bị thêm các chi tiết ngoại vikhác ,ta cần lưu ý công suất tiêu thụ của máy tính không dược vượtquá công suất nguồn cung cấp

Để trang bị một bộ nguồn có công suất thích hợp ta cần tínhtổng công suất tiêu thụ của bản mạch chính và các thiết bị ngoại vicộng thêm 25-50% hệ số an toàn

Bảng liệt kê những tham số công suất cơ bản của một vài chi tiết trong máy tính:

(V)

Dòng điện tốiđa

(mA)

Giới hạn ổnáp(%)

Bản mạch

chính

3,525,012-12

300040002525

+2,5 đến-2,5+5,0 đến -5,0+5,0 đến 5,0+10,0 đến -9,0

ISA(1khe) -5,0

12-12

2001500300

+5,0 đến -5,0+5,0 đến -5,0+5,0 đến -5,0

+3,52

50005000

+5,0 đến _4,0+5,0 đến -1,2

Những nhược điểm trên khiến bộ nguồn tuyến tính ngày nayhầu như không tồn tại trong máy tính cá nhân Chúng được thaythế bởi bộ nguồn ưu việt hơn :Bộ ổn áp ngắt

Bộ ổn áp ngắt (Switching Regulator):

Là một bộ nguồn rất nhẹ và có hiệu suất cao Năng lượngđiện được điều tiết theo nguyên tắc đóng mở.Bộ ổn áp ngắt tiết

kiệm nhiều năng lượng hơn bộ nguồn tuyến tính Chúng có nhượcđiểm là rất khó tìm ra hỏng hóc để sửa chữa Trong bộ ổn áp ngắtdòng điện xoay chiều AC (Alternative Current) được chỉnh lưu ngaythành dòng cao thế Tiếp đó dòng 1 chiều này được ngắt mở vớitần số cao(20-40 Khz).Một nguồn cao tần và một vài transistor năngsuất đảm nhận việc ngắt dòng với tần ssố cao.Dòng cao thế cao tầnnày sau đó được đưa vào biến thế để hạ xuống điện thế làm việc Biến thế này nhỏ hơn rất nhiều so với biến thế tần sốthấp Do công suất nguồn được hiệu chỉnh theo phương pháp điềubiên chiều rộng xung PWM(Pulse-Width Modulation) nên nănglượng điện thất thoát cũng nhỏ hơn rất nhiều.

Bộ nguồn máy tính cần thoả mãn các điều kiện sau:

-Ổn định:Bộ nguồn cần có đủ công suất cung cấp điện thế ổn địnhcho máy tính trong thời gian dài.Bộ nguồn không ổn định có thể gâylỗi trong các thiết bị ngoại vi khác

(Ví dụ:Nguồn điện không ổn định có thể làm máy tính hoạt độngkhông chính xác gây ra lỗi ổ đĩa cứng )

Làm nguội tốt :Bộ nguồn tốt không chỉ cung cấp điện chomáy ,quạt gió của bộ nguồn còn là thiết bị làm mát chính cho toàn bộmáy vi tính.Quạt thông gió làm việc ổn định giúp linh kiện máy khôngquá nóng

Hiệu suất cao:Bộ nguồn trong máy tính hiện đại được trang bị

bộ logic điều khiển thông minh, đưa máy vào trạng thái nghỉ chờ(Standby) khi không được sử dụng.Khi máy tính trong trạng tháiStandby thì tất cả các linh kiện máy đều giảm đến mức tối thiểu điện

năng tiêu thụ.Khả năng này giúp máy tính tiết kiệm được môt lượngđiện năng đáng kể.

Khả năng mở rộng:Bộ nguồn cần có đủ công suất khi lắp thêmcác thiết bị mới vào máy.Bộ nguồn máy tính các nhân cung cấp cho bomạch chính những mức điện thế sau:

+5V:Dây dẫn thường có màu dỏ Nó được hầu hết các vimạch ,cárd cắm sử dụng

+12V:Là điện thế dung cho động cơ ổ đĩa cứng và các thiét

bị như ổ CD, ổ đĩa mềm…Điện thế này không được bo mạch chính

sử dụng nhưng được nối đến khe cắm ISA cho card cắm.Dây dẫnnay thường có màu vàng

-5V và -12V:Những điện thế này được các vi mạch thế hệ cũdùng đến.Bộ nguồn cung cấp điện thế âm vì lí do tương thích,máy tínhhiện đại không dùng đến Vì ít được sử dụng điện thế âm thườngđược thiết kế với dòng thấp

-+3,3V:Vi xử lý hiện đại (họ 486 hay Pentium) được sản xuấttheo công nghệ mới nên cần điện thế làm việc thấp hơn các thế hệcũ.Những vi mạch này làm việc ở điện thế +3,3V hay 2,8V.Một số bảnmạch chính cấy thêm vi mạch hạ thế để cung cấp nguồn từ nguồn5V.Nhược điểm của vi mạch hạ thế làm tăng thêm nguồn nhiệt trênbản mạch chính.Bộ nguồn của cấu hình chuẩn mới ATX(AT Extended)quy định điện thế 3,3V đến trực tiếp từ bộ nguồn

Bộ nguồn thông minh đưa tín hiệu nguồn sẵn sàng (powergood) về bản mạch chính khi đóng mạch máy.Bản mạch chính chỉ bắtđầu làm việc khi nhận được tín hiệu này Tín hiệu này trở về trạng thái

thụ động khi mất điện ,quay trở lại tích cực khi có điện trở lại Vì vậymáy tính sẽ tự khởi động lại khi bị mất điện một thời gian ngắn Một số

bộ nguồn thông minh tắt hẳn máy khi mất điện Để khởi động lại ngườidùng ngắt công tắc khoảng 15s sau đó bật máy trở lại

Bộ nguồn thông minh còn cho phép phần mềm quản lýnó.Tín hiệu ngắt điện (Power off) đến từ bản mạch chính khiến bộnguồn tự ngắt điện.Bộ nguồn này có một dây 5V đợi (5V Standby) đểcung cấp cho một số vi mạch của bản mạch chính khi đã tắt hệthống(Turn off)

Bản mạch chính chuẩn AT hay Baby AT có 2 ổ cắm sáu chân

để nối với bộ nguồn.Nhược điểm của 2 ổ cắm này là chúng hoàn toàngiống nhau,tráo nhầm 2 ổ cắm này sẽ làm cháy bản mạch.Khi cắm 2 ổcắm này ta chú ý 4 dây đen nằm chính giữa

Bộ nguồn trong hộp máy chính là nơi cung cấp năng lượng chohầu như toàn bộ máy Bộ nguồn được thiết kế gồm có:

-Bộ biến thế tự ngẫu

-Bộ chuyển điện AC-DC(nắn điện)

-Quạt giải nhiệt

2.2 Nguồn cấp điện cho máy tính xách tay:

Năm 1996 nguồn cho máy tính xách tay là pin Nickel

-Cadimium(niCad).Những kim loại này có nhiều nhược điểm vừa độc hại vừa it điện lại phải xả hết điện trước khi nạp.Ngày nay pin loaii nàyhầu như biến mất

Loại pin NIMH (Nickel-Metal Hybrid ) đỡ ảnh hưởng môi trườnghơn và cho điện lượng cao hơn Năm 1998 xuất hiện loại pin Li-ion (lithium-Ion),có thời gian làm việc lâu hơn nhẹ hơn và không cần xả hết điện trước khi nạp

Năm 1999 trên thị trường xuất hiện loại pin mới Li-polymer Pin này có mật độ điện tích cao hơn rất nhiều so với Li -ion.Thay vì dùng điện môi là chất lỏng như các loại pin khác thì Li- polymer dùng điện môi dạng rắn hay ghép giữa các điên cực

Công nghê ZINC-AIR (Kẽm -không khí ) cũng là một công nghệ

có thể cạnh tranh với pin Li-Polymer.Pin này có tỷ lệ năng lượng /khối cao hơn các loại pin khác ,nhưng có nhược điểm là có kích thước lớn

3 Cấu trúc bản mạch chính

Đa số các bản mạch chính hiện đại tối thiểu phải có các bộ phận chủ yếu sau:

-Bộ Vi xử lý CPU( Central Processing Unit)

-ROM BIOS(Flash Rom)

-Đế cắm/Khe cắm

-Các phương thức truy nhập các vi mạch ngoại vi trên BMCBản mạch chính chứa đựng những linh kiện điện tử và nhữngchi tiết quan trọng nhất của một máy tính cá nhân như bộ vi xử lýCPU,hệ thống bus,các vi mạch hỗ trợ…Bản mạch chính là nơi lưu trữcác đường nối giữa các vi mạch, đặc biệt là hệ thống bú.Vì vậy,bảnmạch chính càc thoả mãn các điều kiện về cấu trcs và đặc tính điệnkhắt khe như: gọn,nhỏ ,và ổn định với nhiễu từ bên ngoài Cũng như

nhiều loại máy điện , điện tử khác bản mạch chính và vỏ máy tính phảituân thủ theo các quy định quốc gia về an toàn điện ,an toàn nhiễu từ(đặc biệt do dải tần số làm việc của 0máy tính nằm trong dải tần songviba nên rất dễ gây nghiễu cho các thiết bị khác

Bản mạch chính được sản xuất bằng công nghệ mạch in Printed Circuit Board) do số chân nối của vi mạch ngày càng nhiều(Pentium có 273 chân ,Pentium III có 370 chân ,loại Pentium mới nhất

(PCB-có 775 chân )nên số lượng dây dẫn trên bản mạch ngày càng lớnkhiến diện tích bản mạch cũng tăng theo.Số chân nối và độ phức tạpgia tăng khiến việc thiết kế bản mạch thêm khó khăn Để giải quyếtvấn đề này ,người ta dùng mạch in nhiều lớp (Multi-Layer_PCB) chomáy tính hiện đại.Bản mạch chính được sản xuất theo lối xếp chồng(Sandwich) tương tự công nghệ chế tạo vi mạch ,nhờ đó bản mạch cónhiều lớp dây dẫn giảm đáng kể diện tích bề mặt.Các hãng sản xuất vimạch có công nghệ chế tạo hướng dẫn xắp xếp dây dẫn cho mỗi vimạch của họ Các công nghệ góp phần làm giảm nhẹ chi phí thiết kếbản mạch chính Bản mạch chính hiện đại có 4 ->6 lớp dây dẫn Mộtcông nghệ nữa góp phần thu nhỏ kích thước bản mạch chính là côngnghệ dán chi tiết SMT.Công nghệ này cho phép dán trực tiếp vi mạchclên bản mạch chính.Giảm bớt công đoạn khoan bản mạch và giảmđáng kể kích thước vỏ vi mạch

Miêu tả cấu trúc của một bản mạch 4lớp mọi lớp tín hiệu cần

có điện trở từ 60 ohm đến 90ohm.Chiều dày của bản mạch chính 4 lớp

là 1,5 mm

Nếu bản mạch phức tạp ta cần nhiều lớp hơn nữa Để tránh

vuông góc với nhau Công nghệ bản mạch nhiều tầng cùng với các vimạch tổng hợp (chipset) góp phần giảm nhẹ tối thiểu chi tiết trên bảnmạch chính và bản thân kích thước bản mạch chính Điều này cónhiều lợi điểm khi cần thiết kế những máy tính gọn nhẹ(Xách tay hoặc

bỏ túi) nhưng có nhược điểm về quản lý nhiệt.Kích thước máy càngnhỏ trong khi tần số làm việc cao dẫn đến nhiệt độ của máy khi làmviệc ngày càng cao Quản lý nhịêt độ làm việc của bộ vi xử lý nói riêng

và của máy tính nói chung là một vấn đề nan giải hiện khi thiết kế mộtmáy tính cá nhân

Bản mạch chính của máy tính cá nhân cổ điển tuân theo chuẩnkích thước 12 inch.Các bản mạch chính trong máy tính hiện đại tuântheo một trong các chuẩn sau:

*Chuẩn BAT(Baby AT) : giảm kích thước của bản mạch chínhxuống còn 22,9 cm chiều rộng và 25,4 cm chiều dài Ổ cắm vi xử lýnằm ở phía trước máy,các card cắm mở rộng sẽ nằm phía trên bộ xửlý.Bản mạch chính BAT cần có bộ hạ thế để cung cấp nguồn 3,3 V cho

vi xử lý

*Chuẩn ATX ra đời năm 1996 rộng 30,5 cm và dài 24,4

cm Loại mini ATX rộng 28,5 và dài 20,8 cm.Chuẩn này đặt ổ cắm vi

xử lý bên trái khe cắm bus mở rộng ATX quy định giao diện nguồnmới cho phép máy tắt và mở nguồn bằng phần mềm Điện thế 3,3Vđến trực tiếp từ bộ nguồn.Giao diện nối tiếp ,song song ,bàn phím vàchuột được gắn trực tiếp trên bo mạch chính

*Micro ATX Là chuẩn mới của Intel Dài và rộng 24,4 cm.Vị trícác ổ cắm giao diện giống như ATX khiến bản mạch Micro ATX có thể

lắp trong vỏ máy ATX.Micro ATX chỉ có 4 khe cắm mở rộng thay vì 7khe như ATX.

*Chuẩn LPX là một kiểu BAT đặc biệt Chuẩn này dùng trongmáy “Slim Line”và có bus mở rộng nằm trên card cắm “Riser”

*Chuẩn NLX của Intel ra đời năm 1997 rộng 22,4 cm dài33cm.Khe cắm mở rộng ,bộ nguồn ổ cắm ngoại vi đều nằm trong Cardcắm “Riser” ,Cắm tại một bên máy.Bản mạch chính Nlx có khe cắmcard điêù hợp hiển thị tăng tốc AGP

Bản mạch chính các máy tính hiện đại đều thiết kế theo nhữngnguyên tắc sau:

-Linh kiện hay được thay đổi (RAM,Bộ xử lý,card điều hợp hiểnthị) được cắm vào các khe và ổ cắm trên bản mạch chính

-Linh kiện không hay dùng (card SCSI ,card mạng) không đượccấy lên bản mạch chính

Vi xử lý Đồng xử lý L1 Cahe

CPU Internal bus (64 bit)

Điều khiển Ram Cache

L2 Cache

In/Out PCI bus (32bit)

Điều khiển Hiển thị

ISA,PCI Slot

Hình 1.

1.3.1 Vi xử lý

Trái tim của bản mạch chính là bộ vi xử lý Cho đến ngày nay,bộ

vi xử lý được coi là sản phẩm nhân tạo phát triển nhanh nhất và có vaitrò quan trọng nhất của lịch sử loài người

Pentium là tên họ vi mạch có từ 8086.Cấu trúc Pentium là mộtbước phát triển mới từ Intel 486.Pentium có 3,3 triệu transistor ,busbên trong rộng 64 bit bus bên ngoài là 32 bit,làm việc với điện thế 3,3

V ,có 8 Kbyte bộ đệm cache sơ cấp L1

Pentium Pro xuất hiên năm 1995 có 5,5 triệu transistor,có thêm

bộ đệm thứ cấp L2 Cấu trúc của Pentium Pro tối ưu hóa cho xử lý 32bit

Pentium MMX xuất hiện năm 1997,là một vi xử lý mới của Inteltăng sức mạnh cho xử lý video và âm thanh

Pentium II xuất hiện năm 1997 phối hợp khả năng DIB (dualindependent bus) của Pentium Pro) với khả năng MMX trên PentiumMMX trên một vi mạch duy nhất

Pentium III là thế hệ vi xử lý mới của Intel sau Pentium II,xuấthiên trên thị trường năm 1999.Pentium III có cấu trúc không thay đổi gì

so với Pentium II nhưng có thêm 70 lệnh mới dùng để tăng sức mạnhcho vi xử lý

3.1 ROM BIOS:

Bất cứ bản mạch chủ nào cũng có một vi mạch Rom (Readonly memory) nhỏ.Vi mạch này chứa đựng chương trình hệ điều

hành cơ sơ vào ra của bo mạch chính BIOS(Báic Input/OutputSýtem).Những chương trình này cần thiết để khởi động máy và càiđặt chế độ làm việc cơ sở cho các thiết bị ngoại vi.Ta thường gặpFlash Bíos trên bản mạch một máy tínhhiện đại.Flash Bios dungEEPROM và có khả năng được nạp lại,nội dung BIOS của máy tính

có htể được thay thế dễ dàng để tương thích với các linh kiện vàcard cắm mới Bios gồm nhiều chương trình và hàm.Phần đầu củachương trình BIOS kiểm tra hệ thống máy tính,quá trình này đượcgọi là Post nếu các card cắm thông minh có khả năng “cắm là chạy”thì giai đoạn này chính là lúc máy tính truy nhập tham số của cáccard.BIOS cũng cho phép truy nhập chương trình BIOS-Setup đểngười sử dụng tự chỉnh tham số các thiết bị ngoại vi

Sau khi các bước kiểm tra không báo lỗi ,BIOS sẽ tìm cáchkhởi động máy và nạp hệ điều hành từ ổ cứng

Nếu không được ,nó sẽ tìm cách đọc ổ CD và sau đó sẽ tìm đọc ổ đĩa mềm.Thứ tự tìm Hệ điều hành này có rthể thay dổi bằng chương trình BIOS SETUP.Các Hệ điêu hành hiện đại 32 Bit không cần đến hàm của BIOS.

modul-Khe cắm bộ nhớ cache :trên mọi bản mạch chính đêu có bộđệm cache hay khe cắm dành cho nó.Bản mạch chính cho PentiumPro và Pentium II và Pentium III.

Bản mạch chính có một hoặc nhiều ổ hay khe cắm dành cho bộ vi

xử lý.Bản mạch hay gạp nhất trong máy tính cá nhân rẻ tiền có một

ổ cắm bộ vi xử lý.Máy chủ hay Workstation có thể có nhiều hơn 2

bộ vi xử lý Vi xử lý thế hệ Pentium II và một số vi xử lý thế hệPentium III được giữ trong khe cắm loại 1.Các đời Pentium IVđược giữ trong đế cắm hình vuông Các khe cắm vuông có tênchung là khe cắm ZIF.Ổ cắm này được định vị các chân vi mạchbằng một một cần kéo bên cạnh đế.Chân vi mạch được siêt chặtvào vị trí làm việc.Ổ cắm này giúp lắp vi mạch an toàn,không cầntác dụng lực,tránh nguy cơ chân vi mạch bị gãy hoặc uốn cong

3.2.1 Khe cắm bộ nhớ :

Phần lớn bản mạch chính ngày nay có từ 2 đến 8 khe cắmcho thanh bộ nhớ.Có 2 loại ckhe cắm phổ biến là SIMM vàDIMM Khe cắm bộ nhớ trên bản mạch chính được đánh số từ thấplên cao.Phần lớn các bản mạch chính cho Pentium đòi hỏi phai cắmSIMM theo đôi ,DIMM có thể được cắm riêng rẽ.Vi mạch Chipsettrên bản mạch chính quy định số thanh cắm tối đa bộ nhớ

Từ năm 2000 công nghệ RAMBUS và khe cắm RIMM(rambus inline memory modul) ra đời.Bộ nhớ rambus cho phép truynhập dữ liệu với tần số tối đa 800 Mhz.Tần số nay có thể tăng đến1,6 Ghz trong tương lai

3.2.2 Khe cắm bộ nhớ đệm Cache:

Mọi bản mạch chính cho Intel 486 hay họ Pentium đều cấy

bộ đệm bộ đệm cache thứ cấp hay có một khe cắm dành cho

nó Cache thường có kích thước 128 Kb hay 512 Kb.Cac bộ đệmcache kích thước 1MB hay 2 MB cũng bắt đầu xuât hiện trên thịtrường.Bản mạch chính cho Pentium Pro hay Pentium II và một sốchip Pentium III không cần bộ đệm cache thứ cấp vì nó được cấytrực tiếp trong vi mạch (Pentium Pro) hoặc cấy lai (Hybride)trongtrong card vi mạch (Pentium II.,III)

3.2.3 Khe cắm bus mở rộng :

Mọi bản mạch chính đều có một hoặc nhiều Bus mở rộng Nhữngkhe cắm này cho phép mở rộng hệ thống máy tính.Các loai khe cắmbus mở rộng trong máy tính cá nhân:

Khe cắm ISA(Industry Standard Architecture):có trong máy tínhloại cũ là bus chuẩn cổ nhất và chậm nhất Khe cắm này dành cho cáccard cắm không đòi hỏi tốc độ cao

VD:Card âm thanh cắm khe ISA không đòi hỏi tốc độ cao

như là card Yamaha 719

Theo quy định PC99,khe cắm ISA sẽ biến mất khỏi máy vi tínhsau năm 1999

Khe cắm PCI(Peripheral Component Interconnect) xuất hiệntrên bản mạch chính từ khi có Intelk 486 trên thị trươngf.Khe cắm nàythương có màu trắng ngắn hơn khe ISA,có từ2 dến 7 khe PCI.PCI làbus cao tốc thường được dung cho card điều hợp hiển thị ,card điềukhiển ổ cứng ,card mạng

Khe cắm AGP(Arcelerated Graphics Port) không thực sự là mộtbus mở rộng Bản mạch chính chỉ có một khe cắm AGP duy nhất đượcdành cho card điều hợp hiển thị cực nhanh Vi xử lý của card điều hợphiển thị được phép truy nhập trực tiếp bộ nhứ hệ thống thong qua giaodiện AGP Khe cắm này có hình dạng tương tự PCI,điểm khác duynhất là nó thường có màu nâu và nằm xa vỏ máy hơn khe cắm PCI.

Khe cắm VESA hay VLB(VESA Local Bus) còn gọi là bus cụcbộ,có mặt trên các bản mạch chính loại cũ dành cho Vi xử lý 486.Busnày ngày nay hầu như không có mặt trên máy tính mà nhường chỗcho PCI.Khe cắm VLB có hình dạng giống như ISA nhưng có thêm 2khe cắm bổ sung ở phía sau

Một số bản mạch chính có cấu trúc ghép cho phép ghép ISAtrên PCI.Khe cắm ISA và PCI thường được thiết kế gần nhau

3.2.4 Ổ cắm nguồn:

Bản mạch chính có ổ cắm cho nguồn điện chuẩn thiết kế chobản mạch mới ATX dùng một ổ cắm nguồn 20 chân duy nhất ;Các loạibản mạch nguồn khác đều dùng một đôi ổ cắm 6 chân

Ổ cắm nguồn bản mạch thường nằm phía sau bên phải bảnmạch chính,gần bộ nguồn

Máy tính đời mới dùng chuẩn ATX,LPX hay NTX dùng ổ cắmmini DIN 6 chân dành riêng cho bàn phím và chuột PS/2.

Các bản mạch chính hiện đại thường có một vi mạch tổnghợp Super I/O điều khiển giao diện song song ,giao diện tuần tự,giaodiện bàn phím và giao diện chuột

3.2.6 Ổ cắm giao diện ngoại vi:

Ổ cắm giao diện ngoại vi được nối bản mạch chính của máytính với các thiết bị ngoại vi cắm ngoài hoặc cắm trong.Bản mạchchính chuẩn ÃT không những chỉ có ổ cắm bàn phím và chuột mà còn

có cả ổ cắm giao diện ssong và tuần tự ở nagy phía sau máy.Những ổcắm Sub-D 25-29 chân không nằm trực tiếp trên bản mạch chính.Giaodiện song song và tuần tự trên bản mạch chính có dạng đầu cắmHeader được nối với 2 loại ổ cắm này thong qua một một cápriêng Những giao diện sau thường có mặt trên bản mạch chính:

-Hai đầu cắm giao diện tuần tự có 9 hoặc 10 chân(chỉ có 9chân được dùng )

-Một đầu cắm giao diện sông song 26 chân

-Một đầu cắm chuột PS/2 5 chân )nếu ổ cắm không có sẵn trênbản mạch chính

-Hai đầu cắm bus tuần tự đa năng USB Ổ cắm này có thểđược lắp thêm

-Một đầu cắm giao diện hồng ngoại IR (Infrared) 4 hoặc 5 châncho phép nối với cổng giao diện không dây.Cổng này thường gặptrong máy tinhds xách tay

-Hai đầu cắm giao diện ổ đĩa cứng IDE/ATA (sơ cấp thứ cấp )

40 chân

-Một đầu cắm giao diện ổ cắm ổ đĩa mềm 34 chân

-Một số máy tính cá nhân có đầu cắm hoặc ổ cắm SCSI trựctiếp trên bản mạch chính Đầu cắm này có thể có 50 đến 68 chân tùytheo 2 loại SCSI được cài đặt

Vai trò của máy vi tính trong nửa cuối thế kỷ hai mươi được chứng minh bởi đà phát triển chức năng theo hàm mũ của của vi xử lý và mức độ thâm nhập của nó trong xã hội Máy tính đã thay đổi hòan tòan công nghệ, thay đổi hình thức buôn bán và thậm chí thay đổi cấu trúc xã hội lòai người

2.1 Cấu trúc vi xử lý Pentium

2.1.1 Đặc điểm chung của Pentium

Pentium được đưa vào thị trường năm 1993 (0,6 m, 4 lớp dây dẫn, kỹ thuật chế tạo Meta BICMOS) Năm 1995 xuất hiện thế hệ Pentium Pro dùng kỹ thuật siêu tỷ lệ ba đường (three - way

superscalar) Khái niệm "siêu tỷ lệ ba đường" có nghĩa là bộ vi xử lý cókhả năng giải mã, gửi đi và tiến hành song song ba lệnh trong một chu

kỳ đồng hồ Để làm được việc này, Pentium Pro dùng một siêu đường ống (super pipeline) với 12 giai đoạn (stage) Hình 4.1 cho thấy sơ đồ khối của bộ vi xử lý với đường ống được chia ra làm bốn đơn vị, đơn

vị lấy và giải mã, đơn vị lui về, và bộ góp lệnh Mã lệnh và dữ liệu được đưa tới những đơn vị trên qua đơn vị giao diện bus Để nạp liên tục mã lệnh và dữ liệu lên đơn vị thực hiện, bộ vi xử lý có hai bộ nhớ đệm :

 Bộ nhớ đệm cache mức 1 gồm 16 Kbyte cho mã lệnh và 16 Kbyte cho dữ liệu (Pentium Pro, Pentium II Pentium III) được nốitrực tiếp với đường ống

 Bộ nhớ đệm cache mức 2 gồm 256 Kbyte (Pentium Pro) hay 512Kbyte (Pentium III) SRAM được nối với bộ vi xử lý qua bus 64 bitvới vận tốc của bộ vi xử lý

Đặc điểm nổi bật của bộ vi xử lý Pentium Pro là phương thức "thực hiện lệnh động ngoại lệ" (out - of - order dynamic execution) Thực hiện lệnh động dùng 3 phương pháp

 Phỏng đóan nhánh sâu (deep branch prediction)

 Phân tích dòng dữ liệu động (dynamic data flow analysis)

 Thực hiện tiên đoán (speenlative execution)

Chương II: Vi xử lý 32 BIT

Bus hệ thống

Bus cache

Hình 2.1 Sơ đồ khối lượng của bộ vi xử lý Pentium Pro

và hệ thống giao diện với tiểu hệ bộ nhớ (cache)

Phỏng đóan nhanh (branch prediction) là phương pháp thường

thấy trong máy lớn (mainframe) và các bộ vi xử lý cao tốc Phươngpháp này cho phép bộ vi xử lý giải mã cả ở phía sau các nhánh rẽ(lệnh nhảy chẳng hạn) khiến đường ống lệnh luôn luôn đầy Trong bộ

vi xử lý Pentium Pro, đơn vị lấy và giải mã (feteh/decode unit) có thuậttoát tối ưu hóa việc đóan nhanh để đóan trước hướng đi của dòng lệnhqua nhiều tầng lớp rẽ nhánh, gọi hàm và quay trở lại

Phân tích dòng dữ liệu động (dynamic data flow analysis) cho

phép bộ vi xử lý phân tích dòng chuyển động dữ liệu trong thời gianthực để xác định thanh ghi tương ứng để thực hiện lệnh ngoại lệ Đơn

L2 Cahce

Đơn vị giao diện bus

Cache L1cho mã lệnh Cache L1 cho dữ liệu

Đơn vị lấy

và giải mã

Đơn vị gửi

và tiến hành

Đơn vi lui vê Các thanh

ghi của cấu trúc Intel

Bộ góp lệnh

một lúc và thực hiện chúng theo một thứ tự để tối ưu hóa đơn vị thựchiện đa phần Phương pháp thực hiện ngoại lệ khiến đơn vị thực hiệnphảo làm việc liên tục.

Thực hiện tiên đoán (speculative execution) là khả năng của bộ

vi xử lý có thể thực hiện lệnh trước cả con trỏ lệnh nhưng vẫn giữđược kết quả như theo thứ tự lệnh ban đầu Để có thể tiến hành tiênđóan được, bộ vi xử lý Pentium Pro tách riêng việc gửi và thực hiệnlệnh khỏi kết quả Đơn vị gửi và thực hiện lệnh phân tích dòng dữ liệu

để thực hiện mọi lệnh có mặt trong bộ góp lệnh và lưu giữ kết quảtrong các thanh ghi tạm Sau đó đơn vị lui về (retirement unit) tìm trong

bộ góp lệnh những lệnh đầy đủ mà không phụ thuộc vào dữ liệu haynhánh chưa kết thúc Nếu những lệnh đầy đủ được tìm thấy, đơn vị lui

về đưa kết quả của những lệnh này vào bộ nhớ hay thanh ghi (8 thanhghi của bộ vi xử lý và 8 thanh ghi của đơn vị dấu chấm động) theo thứ

tự mà chúng phải có cất những lệnh này từ bộ góp lệnh

Bằng ba phương pháp : phỏng đóan nhanh sâu, phân tích dòng

dữ liệu động và thực hiện tiên đóan, phương thức thực hiện độngngoại tệ đã xóa bỏ được dòng lệnh tuyến tính giữa giai đọan lấy lệnh

và giai đọan thực hiện lệnh truyền thống Phương thức thực hiện độngngoại tệ cho phép giải mã sâu đến từng nhánh chương trình để giữađường ống lệnh luôn đầy Phương thức này cho phép cả sáu đơn vịthực hiện đều hoạt động với công suất tối đa Cuối cùng nó đưa kếtquả theo thứ tự ban đầu để đảm bảo sự thông suốt trong chương trình

2.1.2 Cấu trúc Pentium

Hình 4.2 cho thấy cấu trúc khối của bộ vi xử lý Pentium

 Tiểu hệ bộ nhớ : bus hệ thống, bộ đệm cache 1.2, đơn vị giao

diện bus, bộ đệm mã lệnh cache L1, bộ đệm dữ liệu cache L1,đơn vị giao diện bộ nhớ và bộ đệm tái đặc bộ nhớ

 Đơn vị lấy và giải mã lệnh : đơn vị lấy lệnh, bộ đệm đích rẽ, bộ

giải mã lệnh, bộ vi mã lệnh (microcode sequencer), và bảngthanh ghi giả

 Bộ góp lệnh hay bộ xếp thứ tự.

 Đơn vị gửi và thực hiện lệnh : trạm dự trữ, hai đơn vị số

nguyên, hai đơn vị dấu chấm động, hai đơn vị tạo địa chỉ

 Đơn vị lui về : đơn vị lui về và các thanh ghi lui về.

Tiểu hệ bộ nhớ

Tiểu hệ bộ nhớ (memory subsystem) gồm bộ nhớ chính, bộ nhớđệm cache mức 1 (cache L1) và bộ nhớ đệm mức 2 (cache L2) Đơn

vị giao diện bus truy nhập bộ nhớ chính qua hệ thống bus bên ngòai

Hệ thống bus 64 bit này định hướng theo loại truyền, có nghĩa là truynhập bus được xử lý theo hai chế độ riêng rẽ : yêu cầu và trả lời Đơn

vị giaodiện bus truy nhập bộ nhớ đệm mức 2 (1.2cache) qua buscache 64 bit Bus này cũng định hướng theo loại truyền và chạy với tốc

độ của đồng hồ hệ thống trong Truy nhập bộ nhớ đệm mức 1 (L1cache) cũng qua bus bên trong với tốc độ của đồng hồ hệ thống Bộnhớ đệm có thể nạp và lấy trong một chu kỳ Sự kết hợp giữa bộ nhớchính và bộ nhớ đệm được đảm bảo qua biên bản MESI (modified,exclusive, shared, invalid)

Yêu cầu truy nhập bộ nhớ của đơn vị thực hiện được chuyểnqua đơn vị giao diện bộ nhớ đã tái đặt bộ nhớ (memory reorder buffer).Nhưng đơn vị này được thiết kế để truy nhập bộ nhớ được trôi chảyqua các loại bộ nhớ Nếu bộ nhớ bị tắc, bộ nhớ đệm dữ liệu mức 1 (L1data cache) tự động báo lỗi đến bọ đệm mức 2 (L2 cache) Và sau đó,nếu cần thiết, đơn vị giao diện bus báo lỗi cho bộ nhớ chính Yêu cầutruy nhập bộ nhớ đến bộ nhớ đệm mức đi qua bộ đệm tái đặt bộ nhó,

Bộ đệm tái đặt bộ nhớ làm việc như một trạm sắp xếp và gửi dữ liệu.Đơn vị này theo dõi mọi yêu cầu của bộ nhớ và có khả năng tái đặtmột yêu cầu bộ nhớ để tránh tắc nghẽn

Đơn vị lấy và giải mã lệnh

Đơn vị lấy và giải mã lệnh (fetch/decode unit) đọc một loạt mãlệnh từ bộ nhớ đệm mã lệnh L1 và giải mã chúng thành một dãy vilệnh (micro - operation hay "micro - ops) Dãy microp-op (luôn theo thứ

tự của dãy mã lệnh) được gửi đến bộ góp lệnh (instruction pool) Đơn

vị lấy lệnh quét một dòng dài 32 bytle trong một nhịp đồng hồ từ bộđệm mã lệnh Đơn vị này đánh dấu phần đầu và cuối của mã lệnh vàđưa 16 byte đã được chỉnh đốn đến bộ giải mã lệnh Đơn vị lấy lệnhtính con trỏ của lệnh theo giá trị đưa đến từ bộ đệm đích của rẽ nhánh(branch target buffer), theo giá trị trạng thái ngắt, ngoại lệ(exception/interrupt status) và theo chỉ số đóan rẽ nhánh sai (branch -misprediction indication) từ đơn vị số nguyên

Phần quan trọng nhất của quá trình trên là dự đóan rẽ nhánh(branch prediction) do bộ đệm đích rẽ nhánh thực hiện Theo thuật

của bộ lùi lại Trong giới hạn này, những phép nhảy rẽ nhánh, phép gọitiểu trình và phép quay lại (return) phải được dự đóan chính xác đểđơn vị gửi thực hiện (dispatch/execute) hoạt động đúng quy cách.

Hình 2.2 Sơ đồ khối của cấu trúc bộ vi xử lý Intel Pentium Pro

Bộ giải mã gồm ba bộ giải mã con làm việc song song, hai bộgiải mã lệnh đơn giản và một bộ giải mã lệnh phức tạp Mỗi bộ giải mã

nguồn lôgic và một đích lôgic) Vi lệnh là những lệnh sơ đẳng được 6

bộ thực hiện của bộ vi xử lý thực hiện song song

Nhiều mã lệnh được chuyển trực tiếp thành một vi lệnh duy nhấtqua bộ giải mã lệnh đơn giản Một số mã lệnh khác được chuyểnthành một hay bốn vi lệnh Bộ giải mã cũng giữ trách nhiệm giải mãphần đầu lệnh (intruction prefix) và lệnh quay vòng (looping).Bộ giải

mã lệnh có thể tạo ra đến 6 vi lệnh trong một chu kỳ đồng hồ (2 từ bộgiải mã lệnh đơn giản và 4 từ bộ giải mã lệnh phức tạp)

Những thanh ghi của cấu trúc vi xử lý Intel có thể gây tắc nghẽn

vì đặc tính phụ thuộc vào thanh ghi của nhiều lệnh Để giải quyết vấn

đề này phụ thuộc ,bộ vi xử lý có 40 thanh ghi nội bộ đa chứcnăng Những thanh ghi này có thể xử lý được cả số nguyên lẫn dấuchấm động Để xác định một thanh ghi nội bộ ,vi lệnh được gửi từ đơn

vị giải mã lệnh đến thanh ghi giả (register alias table unit).Bảng nàyquy chiếu thanh ghi logic của vi xử lý sang những thanh ghi vật lý nội

bộ (thanh ghi giả).Trong giai đoạn cuối cùng của quá trình giải mã ,bộxếp đặt (allocator)trong đơn vị bảng thanh ghi giả cộng thêm các bittrạng thái và cờ vào vi lệnh để chuẩn bị chúng cho tiến hành ngoại

lệ Sau đó những vi lệnh này Sau đó những vi lệnh này được đưa vào

bộ góp lệnh (intruction pool)

Bộ góp lệnh (bộ đệm xếp thứ tự)

Trước khi đi vào bộ góp lệnh (còn gọi là bộ đệm xépp thứ tự ),vilệnh đi theo thứ tự như thứ tự lệnh được truyền đến bộ giải mã Bộđệm xếp thứ tự là một ma trận nhớ định vị ,xắp xếp thành 40 thanh ghi

vi lệnh Bộ đệm này chứa vi lệnh đợi dược xử lý và cả vi lệnh đã đượcthực hiện nhưng vẫn chưa nhận trạng thái máy (machine state).Đơn vịgửi thực hiện có thể thực hiện lệnh từ bộ góp lệnh theo một thứ tự bất

kỳ

Đơn vị gửi và thực hiện lệnh là một đơn vị xử lý lệnh ngoại

lệ Đơn vị này có thể xếp đặt và xử lý vi lệnh tùy theo sự phụ thuộc vào

dữ liệu và tài nguyên cho phép ,sau đó nó lưu giữ kết quả tạm thờicủa phép xử lý suy đoán trên

Trạm dự trữ xếp đặt và lấy vi lệnh từ bộ góp lệnh Trạm này liêntục quét bộ góp lệnh để tìm vi lệnh và đã sẵn sàng xử lý ,sau đó nó gửichúng đến đơn vị thực hiện lệnh.Kết quả của vi lệnh được đưa về bộgóp lệnh và được lưu trữ cùng với vi lệnh khi nó được phép lui về.Quátrình xếp đặt và gửi lệnh này theo phương pháp vi lệnh được gửi đếnđơn vị thi hành tuân thủ nghiêm ngặt dòng dữ liệu và tài nguyên còntrống mà không theo thứ tự của lệnh.Nếu có nhiều hơn hai lệnh đếncùng lúc ,chúng được thực hiện theo thứ tự FIFO(first in first out)vàotrước ra trước.

Hai đơn vị số nguyên,hai đơn vị dấu chấm động và một đơn vịgiao diện bộ nhớ xử lý việc thực hiện lệnh.Năm đơn vị này cho phépxếp đặt 5 vi lệnh trong một nhịp đồng hồ duy nhất Hai đơn vị sốnguyên làm việc song song Một đơn vị số nguyên dành riêng để xử lý

vi lệnh rẽ nhánh Đơn vị này có khả năng phát hiện việc suy đoán rẽnhánh sai và phát tín hiệu đến bộ đệm đích rẽ nhánh để khởi động lạiđường ống Quá trình này được xử lý như sau:

 Bộ giải mã lệnh đánh dấu từng vi lệnh riêng rẽ nhánh với

cả hai địa chỉ rẽ nhánh đích (Đích suy đoán và đích đi qua)

 Khi đơn vị số nguyên thực hiện vi lệnh rẽ nhánh ,nó nhậnbiét được đích nào được sử dụng.Nếu đích suy đoán được

sử dụng thì đích này dùng dùng được và quá trình thựchiện tiến hành theo như suy đoán

 Nếu đích suy đoán không được sử dụng,một bộ xử lý nhảytrong đơn vị số nguyên thay đổi trạng thái các vi lệnh đitheo hướng rẽ nhánh để xóa chúng khỏi bộ góp lệnh.Bộgóp lệnh sau đó lại đưa lại đích rẽ nhánh đến bộ đệm đích

rẽ nhánh Bộ đệm đích rẽ nhánh khởi động lại đường ống

từ địa chỉ đích mới

Đơn vị giao diện bộ nhớ đảm nhiệm việc và lưu trữ vi lệnh.Truynhập nạp chỉ cần xác định địa chỉ bộ nhớ địa chỉ này có thể mã hóavào một vi lệnh.Truy nhập dữ liệu cần cả địa chỉ dữ liệu cần lưu ,vì thế

nó phải mã hóa vào 2 vi lệnh.Phần lưu trữ lưu trữ của đơn vị giao diện

bộ nhớ có 2 cổng làm việc song song :một cho địa chỉ một cho dữ liệu

thể xử lý nạp và lưu trữ Đơn vị giao diện bộ nhớ có thể xử lý nạp vàlưu trữ cùng trong một nhịp đồng hồ

Đơn vị lui về (retirement unit) có trách nhiệm trao trạng thái máy(machine state) cho kết quả của vi lệnh và xóa chúng khỏi bộ góplệnh.Đơn vị lui về liên tục kiểm tra trạng thái vi lệnh trong bộ góp lệnh

để tìm ra các vi lệnh đã thực hiện và không còn phụ thuộc các vi lệnhkhác trong bộ góp lệnh.Nếu tìm ra nó cho toàn bộ các vi lệnh lui vềtheo thứ tự ban đầu

Đơn vi jlui về có thể xử lý 3 vi lệnh trong một chu kỳ đồng hồ Khilui vi lệnh về,nó ghi kết quả lên tệp thanh ghi lui về (retirement registerfile) hay ghi vào bộ nhớ.Tệp thanh ghi lui về chứa các thanh ghi cơ sởcủa họ vi xử lý Intel (8 thanh ghi đa chức năng ,8 thanh ghi dấu chấmđộng ).Sau khi kết quả được nhận thành trạng thái máy,vi lệnh đượcxóa khỏi bộ góp lệnh

2.2Cấu trúc hệ thống vi xử lý Pentium

2.2.1Tài nguyên hệ thống :

Bảng mô tả toàn cục và mô tả hệ thống:

Khi bộ vi xử lý làm việc ,truy nhập bộ nhớ cần đi qua bảng mô

tả toàn cục GDT(Global descriptor table),hoặc bảng mô tả cục bộ LDT(local descriptor table).Những bảng này có các bộ mô tả đoạn.Một bộ

mô tả đoạn cung cấp địa chỉ cơ sở đoạn ,quyền truy nhập và dạngđoạn.Mỗi bộ mô tả đoạn đều có một bộ chọn đoạn trỏ về nó.Bộ chọnchứa địa chỉ đoạn ,1 bit cờ xác định đoạn toàn cục hay cục bộ và 2 bitmức ưu tiên(quyền truy nhập)

Để truy nhập một byte trong đoạn ,bộ xử lý cần xác định bộchọn đoạn và đị chỉ lệch của byte trong đoạn cần truy nhập.Đườngtruy nhập một đoạn bao giờ cũng qua GDT hoặc LDT.Địa chỉ tuyếntính của GDT ,LDT được lưu giữ trong các thanh ghi GDTR,LDTR

Đoạn hệ thống bộ mô tả đoạn và cổng:

Ngoài đoạn mã dữ liệu và ngăn xếp được dùng để tiến hành một

chương trình Bộ vi xử lý còn có hai đoạn hệ thống:đoạn trạng thái

nhiệm vụ TSS(task state segment)và bảng mô tả cục bộ LDT,bảng mô

tả toàn cục GDT không được coi là đoạn vì nó không được truy nhậpbởi bộ chọn đoạn và bộ mô tả đoạn.Mỗi đoạn hệ thống trên đều có bộ

mo tả đoạn tương ứng Ngoài ra bộ xử lý còn có những bộ mô tả đặc

biệt gọi là cổng Các cổng cho phép chương trình được chuyển mức

ưu tiên Ví dụ một chương trình ở mức thấp muốn gọi một tiểu trìnhmức ưu tiên cao hơn ,nó cần trao cho bộ xử lý bộ chọn cổng Bộ xử lýkiểm tra quyền truy nhập của cổng và tiểu trình cần gọi Khi được phéptruy nhập ,bộ xử lý lấy bộ chọn đoạn và địa chỉ lệch của tiểu trình cầngọi từ cổng Nếu chương trình cần đổi mức ưu tiên bộ xử lý cũngchuyển ngăn xếp cho mức ưu tiên mới Cổng cũng cho phép chuyểnđoạn mã 16 và 32 bit.

Đoạn trạng thái nhiệm vụ và cổng nhiệm vụ:

Đoạn trạng thái nhiệm vụ TSS (task state segment)ghi lại trangthái của môi trường tiến hành nhiệm vụ.TSS bao gồm trạng thái cácthanh ghi đa chức năng ,các thanh ghi đoạn,thanh ghi cờEFLAGS,thanh ghi con trỏ lệnh EIP,các bộ chọn đoạn,các con trỏngăn xếp và bao đoạn ngăn xếp TSS cũng chứa cả bộ chọn đoạn củaLDT liên quan đến nhiệm vụ đang chạy và địa chỉ cơ sở của bảngtrang

Mỗi chương trình chạy trong chế độ bảo vệ được gọi là nhiệm vụ.Khi chuyển nhiệm vụ bộ xử lý tiến hành các bước sau :

1.Lưu trữ trạng thái của nhiệm vụ hiện tại vào TSS hiện tại.2.Nạp bộ chọn đoạn trạng thái nhiệm vụ mới vào thanh ghinhiệm vụ

3.Truy nhập TSS mới qua bộ mô tả đoạn nằm trong bảng mô

tả toàn cục GDT

4.Nạp trạng thái nhiệm vụ mới từ TSS vào các thanh ghi đachức năng ,thanh ghi đoạn ,LDTR,thanh ghi điều khiển CR3(địachỉ cơ sở bảng trang,thanh ghi cờ EFLAGS,thanh ghi con trỏlệnh EIP

5.Chạy nhiệm vụ mới:Bộ xử lý có thể truy nhập nhiệm vụ quacổng nhiệm vụ Cổng nhiệm vụ (task gate) tương tự cổng gọi(call gate),điểm khác biệt duy nhất là cổng nhiệm vụ truy nhậpvào trạng thái nhiệm vụ TSS,còn cổng gọi truy nhập vào đoạnmã

Xử lý ngăt và ngoại lệ

Ngắt từ bên ngoài ,ngắt phần mềm và ngoại lệ đều được xử lýqua bảng bộ mô tả ngắt IDT (Interupt descriptor table).IDT là bộ sưutập các bộ mô tả cổng vào các tiểu trình xử lý ngắt và ngoại lệ Tưong

tự như bảng bộ mô tả toàn cục GDT,bảng bộ mô tả ngắt IDT không

IDTR.Bộ mô tả cổng trong IDT có thể mô tả cổng ngắt ,cổng bẫy hoặcnhiệm vụ Để truy nhập một tiểu trình xử lý ngắt hoặc ngoại lệ ,bộ xử lýtrước hêt cần nạp vector ngắt (số ngắt đứng sau lệnh INT).Vector ngắtnày đến từ vi xử lý ,bộ điều khiển ngắt bên ngoài hay từ phầnmềm Vector ngắt là chỉ số trỏ đến một bộ mô tả cổng nằm trongIDT Nếu là cổng ngắt hay cổng bẫy thì cáh gọi chương trình xử lýngắt giống với cách gọi qua cổng gọi.Nếu là cổng nhiệm vụ ,chươngtrình xử lý được gọi lên bằng cách chuyển sang nhiệm vụ mới.

Quản lý bộ nhớ:

Bộ vi xử lý có khả năng quản lý bộ nhớ trực tiếp bằng cách địnhđịa chỉ vật hay định địa chỉ ảo (phân trang).Khi dùng phân trang ,cácđoạn mã ,dữ liệu ,ngăn xếp ,hệ thống ,GDTvà IDT đều được phântrang,chỉ có trang vừa mới được truy nhập là nằm trong bộ nhớ vật lý

Vị trí của trang (khung trang) được xác định qua 2 dạng hệ thốngcấu trúc

 Các thanh ghi điều khiển CRO,CR2,CR3,CR4 chứa nhiều

cờ và dữ liệu để kiểm tra hoạt động của bộ vi xử lý tại mức

hệ thống

 Thanh ghi DEBUG cho phép đặt điểm ngắt dùng khi debugchương trình hay phần mềm hệ thống