Nguyên tắc làm việc của Intel 80x86

Khối tạo địa chỉ AUđộ địa chỉ các chương trình sẽ sử dụng các loại địa chỉ logic khác nhau, AU có nhiệm vụ chuyển các địa chỉ logic quản lý trong chương trình phần mềm thành địa chỉ vậ

Nguyên tắc làm việc

của Intel 80x86

Phạm Thế Duy (ptduy@yahoo.com)

Sơ đồ khối

EXECUTION UNIT (EU)

ADDRESS UNIT (AU)

INSTRUCTION UNIT (IU)

INSTRUCTION DECODER

3 DECODER INSTRUCTION QUEUE

ADDRESS LATCH AND DRIVER PREFETCH

PROCESSOR EXTENTION INTERFACE

BUS CONTROL

DATA TRANSCEIVERS

6 BYTE PREFETCH QUEUE

BUS UNIT (BU)

PHYSICAL ADDRESS ADDER

SEGMENT BASE

SEGMENT SIZE

SEGMENT LIMIT CHECK

OFFSET

ADDER

REGISTER LIMIT CHECK

CONTROLALU

Khối tạo địa chỉ (AU)

độ địa chỉ các chương trình sẽ sử dụng các loại địa chỉ logic khác nhau, AU có nhiệm vụ chuyển các địa chỉ logic quản lý trong chương trình phần mềm thành địa chỉ vật lý, cung cấp tới BU để giao tiếp với bên ngoài

và vào ra, còn địa chỉ logic là các giá trị được chương trình quản lý sử dụng để tạo ra địa chỉ vật lý, đó chính

là các địa chỉ đoạn (segment) và địa chỉ độ dời (offset).

Khối giao tiếp BUS (BU)

 BU cung cấp các tín hiệu địa chỉ, dữ liệu và điều khiển để truy cập các bộ nhớ và vào ra Khối này cũng cho phép giao tiếp với bộ đồng xử lý hoặc các bộ vi xử lý khác.

 Chức năng quan trọng nhất của BU là tự động kích hoạt quá trình lấy lệnh từ bộ nhớ bằng bộ tiền truy cập lệnh (Prefetch) BU còn có chức năng cho phép quá trình lấy lệnh từ bộ nhớ thực hiện song song với các quá trình khác nhớ hàng đợi lệnh 6 byte (Prefetch queue)

 Các địa chỉ mà AU tạo ra cung cấp tới các bộ cài (Address Latch) và sẽ được định thời cung cấp ra bên ngoài tại các thời điểm thích hợp Dữ liệu truyền với CPU sẽ được chuyển qua các cổng đệm hai chiều (Data Transceivers).

Khối giải mã lệnh (IU)

lệnh đã lấy trước đó giải mã và chuyển tới hàng đợi lệnh đã giải mã (Decoded Instruction queue) để

EU thực hiện.

có thể mã hoá ngắn nhất có thể, IU sẽ tạo ra các tín hiệu điều khiển cần thiết từ các mã lệnh này

nhớ của hệ thống sẽ yêu cầu ít hơn, thời gian lấy lệnh sẽ được giảm ngắn.

Khối thực hiện lệnh (EU)

 EU thực hiện các lệnh xử lý dữ liệu mà IU đã giải mã, nó giao tiếp dữ liệu với bên ngoài thông qua BU.

 Các khối chức năng của EU bao gồm:

- Bộ điều khiển (Control) thực hiện việc điều khiển việc thực hiện các lệnh trong EU.

- ALU là khối thực hiện các phép toán số học logic, cấu trúc của ALU thông thường có hai ngõ vào nhận hai toán hạng và một ngõ ra cung cấp kết quả

 Các thanh ghi sử dụng làm nơi lưu trữ dữ liệu, sử dụng trong các phép tính, và các giá trị địa chỉ cho phép EU lấy các toán hạng từ bên ngoài.

Các thanh ghi của 80286

CX, DX, DI, SI, BP, SP.

SS.

Các thanh ghi đa năng (16bit)

Các thanh ghi đa năng

MOV AL,[BX] ; chép nội dung ô nhớ BX giữ địa chỉ.

MOV AH,[BX+03] ; chép nội dung ô nhớ có địa chỉ [BX+3] vào AH.

MOV CH,[BX+DI+9]

LOOP N ;trừ CX đi 1, chuyển tới nhãn N khi CX ≠0.

16 bit Làm thanh ghi giữ địa chỉ cổng vào ra.

OUT DX,BL ; chuyển BL ra cổng có địa chỉ DX

Các thanh ghi đa năng (tiếp)

 DI (Destination Index): thanh ghi chỉ số đích – giữ địa chỉ đích dữ liệu trong các lệnh về chuỗi Làm thanh ghi địa chỉ.

MOV AH,[DI] ; chuyển nội dung ô nhớ có địa chỉ chứa trong DI vào AH.

MOV BH,[DI+7] ; Chuyển nội dung ô nhớ [DI+7] vào thanh ghi BH

MOVSB ; Chuyển nội dung [SI] vào địa chỉ [DI]

liệu trong các lệnh về chuỗi Làm thanh ghi địa chỉ.

 Một số lệnh tác động tới vùng nhớ ngăn xếp như:

push, pop, call, ret, và nhiều lệnh khác nữa.

 Ngăn xếp là nơi tốt nhất để lưu trữ các giá trị tạm thời vào bộ nhớ.

Chứa dữ liệu vào ngăn xếp

Từ ‘stack-ngăn xếp’ được sử dụng là do cách lưu trữ và lấy lại

dữ liệu trong vùng nhớ ngăn xếp cũng giống như việc sử dụng một ngăn xếp trong thực tế.

Có thể thực hiện ngăn xếp bằng các hộp Để tạo thành ngăn xếp trước hết đặt hộp A, sau đó tới B và cuối cùng là C.

B

A B C

Chú ý rằng chúng ta chỉ có thể lấy được hộp xếp vào ngăn xếp cuối cùng (Đỉnh ngăn xếp - Top of Stack – TOS) Như vậy trình tự phục hồi lại dữ liệu theo trình tự ngược lại khi xếp vào ngăn xếp (C tới B và cuối cùng là A).

Chứa dữ liệu vào ngăn xếp

bằng lệnh PUSH

 Thanh ghi con trỏ ngăn xếp SP (Stack Pointer) được sử dụng để truy cập ngăn xếp SP luôn trỏ tới giá trị cuối cùng được cất vào ngăn xếp.

 Lệnh PUSH chứa dữ liệu vào đỉnh ngăn xếp.

PUSH AX ; SP= SP-1, M[SP]  AX

 Lệnh “PUSH AX” tương ứng với:

SUB SP, 1 ; giảm SP đi 1

MOV [SP], AX ; ghi giá trị của AX vào đỉnh ngăn xếp

 Các lệnh truy cập ngăn xếp có thể thực hiện với 16 hoặc

32 bit.

Quan sát hoạt động lệnh

Nhiều lệnh PUSH liên tiếp

Địa chỉ thấp

 SP

Sau các lệnh PUSH

PUSH AX PUSH BX PUSH CX

Địa chỉ cao

Đọc dữ liệu trong ngăn xếp bằng lệnh POP

Lệnh POP phục hồi một giá trị từ ngăn xếp:

POP AX ; AX  M[SP] , SP= SP+1

Lệnh “pop AX” tương đương với các lệnh:

mov AX, [SP] ; đọc giá trị từ đỉnh ngăn xếp add sp, 1 ; tăng SP lên 1.

Hoạt động của lệnh POP

Địa chỉ thấp

Địa chỉ cao

 SP Trước POP AX

FF65 23AB

Hoạt động nhiều lệnh POP liên tiếp

FF65 23AB 357F D21B 38AC 23F4

Ngăn xếp Overflow,

 Việc này gọi là tràn trên ngăn xếp (OVERFLOW).

 Nếu lấy dữ liệu ra khỏi ngăn xếp nhiều hơn các giá trị đã cất vào ngăn xếp, con trỏ ngăn xếp có thể tăng lớn hơn giá trị điểm khởi động ngăn xếp Điều này được gọi là tràn dưới (UNDERFLOW).

 Để ngăn xếp được sử dụng tốt cần phải lấy dữ liệu ra khỏi ngăn xếp bằng đúng số dữ liệu đã cất vào ngăn xếp.

Tổng kết về ngăn xếp

 Là nơi chứa dữ liệu tạm thời.

 Đoạn và con trỏ ngăn xếp SS:SP

 Push và Pop (LIFO-Last In First Out)

 SP : Giữ địa chỉ đỉnh ngăn xếp

 Sau lệnh PUSH con trỏ SP sẽ giảm.

Các thanh ghi đoạn

Chế độ địa chỉ thực:

Physical address = Segment * 10H +offset

Phân đoạn bộ nhớ

CS ES SS DS

Data Segment

Stack Segment

Extra Segment

Code Segment

System Memory

00000h FFFFFh

Thanh ghi cờ

*

A

*ZST

DOPL

 Cờ nhớ CF (Carry Flag).

CF=1 khi cộng tràn, trừ mượn.

 Cờ chẵn lẻ PF (Parity Flag).

PF = 1 khi số bit 1 là một số chẵn.

 Cờ dấu SF ( Sign Flag).

SF =1 khi kết quả có bit cao nhất là 1

 Cờ tràn OF (Overflow Flag)

OF = 1 khi tràn bit 1 từ MSB-1 qua MSB.

 Cờ ZERO ZF (Zero Flag).

ZF = 1 khi kết quả bằng 0.

 Cờ nhớ phụ AF (Auxiliary Carry Flag ).

AF=1 khi tràn bit 1 từ D3 qua D4.

Các cờ điều khiển trong

thanh ghi cờ.

 Cờ định hướng DF (Direction Flag).

Xác định hướng địa chỉ của các lệnh xử lý chuỗi

 Cờ ngắt IF : (Interrupt Flag).

IF=1 cho phép ngắt.

 Cờ bẫy TF: (Trap Flag).

Sử dụng chạy từng bước để sửa sai chương trình.

 Cờ nhiệm vụ lồng nhau NT (Nested Tast).

Cho phép tiến triển hoặc chuyển nhiệm vụ.

 Cờ chỉ thị mức đặc quyền vào ra (IOPL).

Chỉ thị mức đặc quyền của nhiệm vụ đang thực hiện.

Các thanh ghi đặc biệt.

 Thanh ghi con trỏ lệnh: (IP - Instruction Pointer).

CALL giá trị hiện hành sẽ được cất vào đỉnh ngăn xếp trước khi nạp giá trị mới Lệnh RET phục hồi giá trị của IP).

nhiệm vụ

lý toán học.

xử lý toán học đang làm việc.

lập 80286 chuyển qua hoạc động ở chế độ bảo vệ Khi đã thiết lập, chỉ khi RESET bit này mới được xoá.

MP

Nguyên tắc làm việc của 80286

Kết nối BUS hệ thống

WR RD

WE OE

S1 S0

ADDRESS BUS

I/O MEMORY

Sơ đồ kết nối BUS hệ thống tiêu biểu

1 3

1 4

1 7

1 8 1

1 1

2 5 6 9

1 3

1 4

1 7

1 8 1

1 1

2 5 6 9

1 3

1 4

1 7

1 8 1

1 1

2 5 6 9

1 9 1

1 7

1 6 5 4

1 9 1

Các mạch đệm cài BUS

74LS373

Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7

D0D1D2D3D4D5D6D7OELE

HOẠT ĐỘNG CỦA VI XỬ LÝ

 Chu kỳ máy - Machine cycle

 Lấy lệnh - Fetch, Giải mã lệnh - decode, Thực hiện lệnh - execute

 Định thời vi xử lý - Processor timing

 Chu kỳ BUS - Bus cycles

 Đọc bộ nhớ/vào ra - Memory / IO read

 Ghi bộ nhớ/ vào ra - Memory / IO write

Thực hiện việc lưu trữ dữ liệu

;Giả sử khi bắt đầu chương trình.

Bộ vi xử lý sẽ hoạt động như thế nào? How does the P works?

Increment Program Counter (CS:IP) by 1

Execute (if necessary)

A19 A0 :

D7 D0 :

CX BX AX

34CD AB12

1AB3 2000

0000 0023 3F1C FCA1

SP

DX

1243 CS

SI

1000

0005 IP

5678 DI

Inst Queue

CS:IP

23 00000

00001

10000 10001 10002 10003 10004 10005 10006 10007 10008

95

: :

45 98 27 39 42 88 07 F4 8A

: :

20020 20021 20022 20023

FFFFD FFFFE FFFFF

29 12 7D 13

19 25 36

: :

: :

: :

: : A19

A0 :

D7 D0 :

RD

WR

FETCH

A19 A0 :

D7 D0 :

CX BX AX

34CD AB12

1AB3 2000

0000 0023 3F1C FCA1

SP

DX

1243 CS

SI

1000

0005 IP

5678 DI

Inst Queue

1000:0005

23 00000

00001

10000 10001 10002 10003 10004 10005 10006 10007 10008

95

: :

45 98 27 39 42 88 07 F4 8A

: :

20020 20021 20022 20023

FFFFD FFFFE FFFFF

29 12 7D 13

19 25 36

: :

: :

: :

: : A19

A0 :

D7 D0 :

RD

WR

FETCH

A19 A0 :

D7 D0 :

CX BX AX

34CD AB12

1AB3 2000

0000 0023 3F1C FCA1

SP

DX

1243 CS

SI

1000

0005 IP

5678 DI

Inst Queue

10005

23 00000

00001

10000 10001 10002 10003 10004 10005 10006 10007 10008

95

: :

45 98 27 39 42 88 07 F4 8A

: :

20020 20021 20022 20023

FFFFD FFFFE FFFFF

29 12 7D 13

19 25 36

: :

: :

: :

: : A19

A0 :

D7 D0 :

RD

WR

FETCH

A19 A0 :

D7 D0 :

CX BX AX

34CD AB12

1AB3 2000

0000 0023 3F1C FCA1

SP

DX

1243 CS

SI

1000

0005 IP

5678 DI

Inst Queue

10005

LOW

23 00000

00001

10000 10001 10002 10003 10004 10005 10006 10007 10008

95

: :

45 98 27 39 42 88 07 F4 8A

: :

20020 20021 20022 20023

FFFFD FFFFE FFFFF

29 12 7D 13

19 25 36

: :

: :

: :

: : A19

A0 :

D7 D0 :

RD

WR

HIGH

FETCH

A19 A0 :

D7 D0 :

CX BX AX

34CD AB12

1AB3 2000

0000 0023 3F1C FCA1

SP

DX

1243 CS

SI

1000

0005 IP

5678 DI

00001

10000 10001 10002 10003 10004 10005 10006 10007 10008

95

: :

45 98 27 39 42 88 07 F4 8A

: :

20020 20021 20022 20023

FFFFD FFFFE FFFFF

29 12 7D 13

19 25 36

: :

: :

: :

: : A19

A0 :

D7 D0 :

RD

WR

HIGH

FETCH

A19 A0 :

D7 D0 :

CX BX AX

34CD AB12

1AB3 2000

0000 0023 3F1C FCA1

SP

DX

1243 CS

SI

1000

0005 IP

5678 DI

00001

10000 10001 10002 10003 10004 10005 10006 10007 10008

95

: :

45 98 27 39 42 88 07 F4 8A

: :

20020 20021 20022 20023

FFFFD FFFFE FFFFF

29 12 7D 13

19 25 36

: :

: :

: :

: : A19

A0 :

D7 D0 :

RD

WR

HIGH

FETCH

A19 A0 :

D7 D0 :

CX BX AX

34CD AB12

1AB3 2000

0000 0023 3F1C FCA1

SP

DX

1243 CS

SI

1000

0005+1 IP

5678 DI

Inst Queue

00001

10000 10001 10002 10003 10004 10005 10006 10007 10008

95

: :

45 98 27 39 42 88 07 F4 8A

: :

20020 20021 20022 20023

FFFFD FFFFE FFFFF

29 12 7D 13

19 25 36

: :

: :

: :

: : A19

A0 :

D7 D0 :

RD

WR

INC PC

A19 A0 :

D7 D0 :

CX BX AX

34CD AB12

1AB3 2000

0000 0023 3F1C FCA1

SP

DX

1243 CS

SI

1000

0006 IP

5678 DI

Inst Queue

00001

10000 10001 10002 10003 10004 10005 10006 10007 10008

95

: :

45 98 27 39 42 88 07 F4 8A

: :

20020 20021 20022 20023

FFFFD FFFFE FFFFF

29 12 7D 13

19 25 36

: :

: :

: :

: : A19

A0 :

D7 D0 :

RD

WR

INC PC

A19 A0 :

D7 D0 :

CX BX AX

34CD AB12

1AB3 2000

0000 0023 3F1C FCA1

SP

DX

1243 CS

SI

1000

0006 IP

5678 DI

Inst Queue

00001

10000 10001 10002 10003 10004 10005 10006 10007 10008

95

: :

45 98 27 39 42 88 07 F4 8A

: :

20020 20021 20022 20023

FFFFD FFFFE FFFFF

29 12 7D 13

19 25 36

: :

: :

: :

: : A19

A0 :

D7 D0 :

RD

WR

DECODE

mov [bx], ?

A19 A0 :

D7 D0 :

CX BX AX

34CD AB12

1AB3 2000

0000 0023 3F1C FCA1

SP

DX

1243 CS

SI

1000

0006 IP

5678 DI

Inst Queue

88

CS:IP

23 00000

00001

10000 10001 10002 10003 10004 10005 10006 10007 10008

95

: :

45 98 27 39 42 88 07 F4 8A

: :

20020 20021 20022 20023

FFFFD FFFFE FFFFF

29 12 7D 13

19 25 36

: :

: :

: :

: : A19

A0 :

D7 D0 :

RD

WR

FETCH

A19 A0 :

D7 D0 :

CX BX AX

34CD AB12

1AB3 2000

0000 0023 3F1C FCA1

SP

DX

1243 CS

SI

1000

0006 IP

5678 DI

Inst Queue

88

1000:0006

23 00000

00001

10000 10001 10002 10003 10004 10005 10006 10007 10008

95

: :

45 98 27 39 42 88 07 F4 8A

: :

20020 20021 20022 20023

FFFFD FFFFE FFFFF

29 12 7D 13

19 25 36

: :

: :

: :

: : A19

A0 :

D7 D0 :

RD

WR

FETCH

A19 A0 :

D7 D0 :

CX BX AX

34CD AB12

1AB3 2000

0000 0023 3F1C FCA1

SP

DX

1243 CS

SI

1000

0006 IP

5678 DI

Inst Queue

88

10006

23 00000

00001

10000 10001 10002 10003 10004 10005 10006 10007 10008

95

: :

45 98 27 39 42 88 07 F4 8A

: :

20020 20021 20022 20023

FFFFD FFFFE FFFFF

29 12 7D 13

19 25 36

: :

: :

: :

: : A19

A0 :

D7 D0 :

RD

WR

FETCH

A19 A0 :

D7 D0 :

CX BX AX

34CD AB12

1AB3 2000

0000 0023 3F1C FCA1

SP

DX

1243 CS

SI

1000

0006 IP

5678 DI

00001

10000 10001 10002 10003 10004 10005 10006 10007 10008

95

: :

45 98 27 39 42 88 07 F4 8A

: :

20020 20021 20022 20023

FFFFD FFFFE FFFFF

29 12 7D 13

19 25 36

: :

: :

: :

: : A19

A0 :

D7 D0 :

RD

WR

HIGH

FETCH

A19 A0 :

D7 D0 :

CX BX AX

34CD AB12

1AB3 2000

0000 0023 3F1C FCA1

SP

DX

1243 CS

SI

1000

0006 IP

5678 DI

00001

10000 10001 10002 10003 10004 10005 10006 10007 10008

95

: :

45 98 27 39 42 88 07 F4 8A

: :

20020 20021 20022 20023

FFFFD FFFFE FFFFF

29 12 7D 13

19 25 36

: :

: :

: :

: : A19

A0 :

D7 D0 :

RD

WR

HIGH

FETCH

A19 A0 :

D7 D0 :

CX BX AX

34CD AB12

1AB3 2000

0000 0023 3F1C FCA1

SP

DX

1243 CS

SI

1000

0006 IP

5678 DI

Inst Queue 8807

10006

07

LOW

23 00000

00001

10000 10001 10002 10003 10004 10005 10006 10007 10008

95

: :

45 98 27 39 42 88 07 F4 8A

: :

20020 20021 20022 20023

FFFFD FFFFE FFFFF

29 12 7D 13

19 25 36

: :

: :

: :

: : A19

A0 :

D7 D0 :

RD

WR

HIGH

FETCH

A19 A0 :

D7 D0 :

CX BX AX

34CD AB12

1AB3 2000

0000 0023 3F1C FCA1

SP

DX

1243 CS

SI

1000

0006+1 IP

5678 DI

Inst Queue

00001

10000 10001 10002 10003 10004 10005 10006 10007 10008

95

: :

45 98 27 39 42 88 07 F4 8A

: :

20020 20021 20022 20023

FFFFD FFFFE FFFFF

29 12 7D 13

19 25 36

: :

: :

: :

: : A19

A0 :

D7 D0 :

RD

WR

INC PC

A19 A0 :

D7 D0 :

CX BX AX

34CD AB12

1AB3 2000

0000 0023 3F1C FCA1

SP

DX

1243 CS

SI

1000

0007 IP

5678 DI

Inst Queue

00001

10000 10001 10002 10003 10004 10005 10006 10007 10008

95

: :

45 98 27 39 42 88 07 F4 8A

: :

20020 20021 20022 20023

FFFFD FFFFE FFFFF

29 12 7D 13

19 25 36

: :

: :

: :

: : A19

A0 :

D7 D0 :

RD

WR

INC PC

A19 A0 :

D7 D0 :

CX BX AX

34CD AB12

1AB3 2000

0000 0023 3F1C FCA1

SP

DX

1243 CS

SI

1000

0007 IP

5678 DI

Inst Queue

00001

10000 10001 10002 10003 10004 10005 10006 10007 10008

95

: :

45 98 27 39 42 88 07 F4 8A

: :

20020 20021 20022 20023

FFFFD FFFFE FFFFF

29 12 7D 13

19 25 36

: :

: :

: :

: : A19

A0 :

D7 D0 :

RD

WR

DECODE

mov [bx], al

A19 A0 :

D7 D0 :

CX BX AX

34CD AB12

1AB3 2000

0000 0023 3F1C FCA1

SP

DX

1243 CS

SI

1000

0007 IP

5678 DI

Inst Queue 8807

DS:BX

23 00000

00001

10000 10001 10002 10003 10004 10005 10006 10007 10008

95

: :

45 98 27 39 42 88 07 F4 8A

: :

20020 20021 20022 20023

FFFFD FFFFE FFFFF

29 12 7D 13

19 25 36

: :

: :

: :

: : A19

A0 :

D7 D0 :

RD

WR

EXECUTE

mov [bx], al

A19 A0 :

D7 D0 :

CX BX AX

34CD AB12

1AB3 2000

0000 0023 3F1C FCA1

SP

DX

1243 CS

SI

1000

0007 IP

5678 DI

Inst Queue 8807

2000:0023

23 00000

00001

10000 10001 10002 10003 10004 10005 10006 10007 10008

95

: :

45 98 27 39 42 88 07 F4 8A

: :

20020 20021 20022 20023

FFFFD FFFFE FFFFF

29 12 7D 13

19 25 36

: :

: :

: :

: : A19

A0 :

D7 D0 :

RD

WR

EXECUTE

mov [bx], al

A19 A0 :

D7 D0 :

CX BX AX

34CD AB12

1AB3 2000

0000 0023 3F1C FCA1

SP

DX

1243 CS

SI

1000

0007 IP

5678 DI

Inst Queue 8807

20023

23 00000

00001

10000 10001 10002 10003 10004 10005 10006 10007 10008

95

: :

45 98 27 39 42 88 07 F4 8A

: :

20020 20021 20022 20023

FFFFD FFFFE FFFFF

29 12 7D 13

19 25 36

: :

: :

: :

: : A19

A0 :

D7 D0 :

RD

WR

EXECUTE

mov [bx], al