Đang tải... (xem toàn văn)
Phân tích kiến trúc và nguyên lý làm việc của bộ vi xử lý 32 bits của intel
INTEL © 2013 BÀI TẬP LỚN PHÂN TÍCH KIẾN TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA BỘ VI XỬ LÍ 32 BIT CỦA KHOA HỌC MÁY TÍNH – K7 - HaUI Phân tích kiến trúc nguyên lý làm việc vi xử lý 32 bits Intel KIẾN TRÚC MÁY TÍNH PHÂN TÍCH KIẾN TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA BỘ VXL 32 BIT CỦA INTEL Lớp: KHMT1-K7 Khoa: Công Nghệ Thông Tin Trường: ĐH Công Nghiệp HN Phân tích kiến trúc nguyên lý làm việc vi xử lý 32 bits Intel LỜI NÓI ĐẦU Từ thủa xa xưa, người biết dùng cục đá, khúc để tính toán Sau đến công cụ tính toán cổ xưa bàn tính gảy Nhưng thời đại khoa học kỹ thuật phát triển , nhu cầu tính toán ngày cao người, công cụ thô sơ không đáp ứng nữa, cồn cụ tính toán sử dụng điện đời với trăm transistor, giải số phép tính đơn giản Từ đó, máy tính tiếp tục phát triển với tốc độ ngày nhanh nhỏ nhiều sử dụng vi mạch tích hợp, gọi vi xử lý Bộ Vi Xử Lý , viết tắt CPU (tiếng anh Central Processing Unit, có nghĩa là Đơn vị xử lý trung tâm) Có nhiều loại CPU, nhiều hãng sản xuất khác với nhiều mục đích sử dụng Sau nói đến vi xử lý 32 bit Intel Trong sách có sử dụng một số thuật ngữ được viết lại nhiều lần, xin được phép viết tắt VXL (Vi xử lý), BVXL (Bô vi xử lý) Bài viết nhóm gồm thành viên: Đào Văn Hải, Hoàng Đình Giáp, Đồng Phú Hảo, Lê Thị Thu Hằng, Nghiêm Xuân Hải thực thời gian dài, tránh khiếm khuyết Rất mong Thầy giáo bạn thông cảm cho ý kiến nhận xét, phê bình Chúng em chân thành cảm ơn! Phân tích kiến trúc nguyên lý làm việc vi xử lý 32 bits Intel PHẦN TÓM TẮT LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VXL INTEL Intel đời chip vi xử lý vào năm 1971, họ lại định chọn mốc thời gian 1978 để làm sinh nhật cho dòng Vi xử lý (VXL) máy tính thời điểm tên tuổi chip Intel 8088 giới biết đến CPU của Intel có cả 32 bit lẫn 64 bit, cuốn sách này sẽ chỉ nhắc đến CPU 32 bit - 1971 : Intel bắt đầu phát triển vi xử lý từ năm 1969 theo dự án nhà sản xuất máy tính Nhật Busicom Kế hoạch ban đầu Busicom xây dựng 12 chip có khả tùy biến Nhưng kỹ sư Ted Hoff Intel hình thành ý tưởng thiết bị logic đa mục đích hoạt động hiệu Ban đầu, Busicom nắm giữ quyền liên quan tới vi xử lý trả cho Intel 60.000 USD Nhận thấy tiềm "bộ não" này, Intel định trả lại số tiền để đổi lấy quyền thiết kế chip Ngày 15/11/71, họ giới thiệu 4004 thị trường giới với giá 200 USD 4004 có tốc độ 108 KHz với 2.300 bóng bán dẫn - 1972 : Phiên 8008 mạnh gấp đôi 4004 Mark-8 máy tính dành cho người sử dụng gia đình - hệ thống mà theo tiêu chuẩn ngày khó xây dựng, bảo trì vận hành - 1974 : 8080 trở thành não máy tính cá nhân mang tên Altair, đặt theo tên địa danh hạ cánh phi hành đoàn Starship loạt phim truyền hình Star Trek tiếng Giá Altair lúc 395 USD hàng chục ngàn máy bán hết vài tháng đầu - 1978 : 8086-8088 bán chủ yếu cho IBM để tạo nên dòng PC IBM tiếng Sự thành công chip 8088 đưa Intel vào hàng Fortune 500 tạp chí Fortune bình bầu công ty thành công thập niên 70 (Business Triumphs of the Seventies) -1982 : Intel286, tên đầy đủ Intel 80286, chip Intel tương thích ngược với tất phần mềm trước đó, giúp tiếp tục trì mạnh dòng vi xử lý Intel Trong năm, giới có khoảng 15 triệu PC 286 bán 8088 có tốc độ MHz, MHz 10 MHz với 29.000 bóng bán dẫn - 1985 : Intel386 trang bị 275.000 transistor (gấp 100 lần so với 4004), dùng giao tiếp 32-bit có khả xử lý đồng thời nhiều tác vụ (multi tasking) Tốc độ 16 MHz, 20 MHz, 25 MHz 33 MHz - 1989 : Intel486 DX đã giúp người dùng quên giao diện dòng lệnh chuyển sang giao diện đồ họa tương tác chuột máy tính Lần có thêm đồng xử lý toán học, nhận bớt phần xử lý phép toán phức tạp cho CPU nhằm tăng hiệu hệ thống Tốc độ 25 MHz, 33 MHz 50 MHz với 1,2 triệu bóng bán dẫn - 1993 : Intel Pentium cho phép máy tính xử lý nhiều dạng liệu thực tế giọng nói, âm thanh, chữ viết hình ảnh Pentium có tốc độ 60 MHz 66 MHz với 3,1 triệu bóng bán dẫn Phân tích kiến trúc nguyên lý làm việc vi xử lý 32 bits Intel - 1995 : Intel Pentium Pro thiết kế cho máy chủ trạm ứng dụng 32-bit, giúp nâng cao tốc độ tính toán cho ngành khoa học, khí thiết kế máy tính Pentium Pro trang bị đệm thứ cấp tốc độ cao tích hợp tới 5,5 triệu transistor - 1997 : Pentium II tích hợp 7,5 triệu transistor trang bị thêm công nghệ MMX để xử lý liệu video, âm hình ảnh hiệu Với chip này, người sử dụng chụp, chỉnh sửa chia sẻ ảnh số với bạn bè người thân qua Internet, biên tập thêm nội dung text, nhạc chuyển đổi cảnh phim Pentium II có tốc độ 200 MHz, 233 MHz, 266 MHz 300 MHz với 7,5 triệu bóng bán dẫn - 1998 : Intel Pentium Xeon thiết kế nằm đáp ứng yêu cầu dòng máy chủ cao cấp tầm trung chuyên cung cấp dịch vụ Internet, lưu trữ liệu, tạo nội dung kĩ thuật số, thiết kế tự động Sử dụng Xeon, hệ thống kết hợp VXL với - 1999 : Intel Celeron thiết kế riêng cho thị trường bình dân với tiêu chí đạt hiệu cao nhất, mức giá hợp lý, tối ưu hóa cho trò chơi phần mềm giáo dục Cũng năm, Intel Pentium III đời, có thêm 70 lệnh (Internet Streaming SIMD Extension) giúp tối ưu hiệu ứng xử lý ảnh, 3D, âm trực tuyến, video nhận dạng giọng nói BVXL tích hợp 9,5 triệu transistor sản xuất dựa công nghệ 0,25 micro mét, có tốc độ từ 650 MHz đến 1,2 GHz Intel Pentium III Xeon mở rộng thị trường sang máy chủ, máy trạm chạy ứng dụng thương mại điện tử ứng dụng cấp doanh nghiệp lớn - 2000 : Pentium IV tạo phim mang tính chuyên nghiệp, liên kết thời gian thực video thoại, chồng hình đồ họa 3D, nhanh chóng mã hóa nhạc chạy ứng dụng đa phương tiện Tích hợp 42 triệu transistor, sản xuất theo công nghệ 0,18 micromet, đạt tần số 1,5Ghz - 2003 : Intel Pentium M kết hợp chipset Intel 855 card mạng Intel Pro/Wireless 2100 tạo tảng cho công nghệ di động Centrino nhằm nâng cao tính di động hiệu cho máy tính môi trường mạng LAN không dây Công nghệ Centrino giúp kéo dài thời gian thiết bị hoạt động với pin giúp mỏng, nhẹ hóa máy tính xách tay 6/2003 , Intel giới thiệu BVXL Mobile Pentium IV với mục tiêu mang sức mạnh công nghệ dòng Pentium IV cho máy PC vào máy tính xách tay, giúp giảm giá thành sản phẩm, tăng sức mạnh xử lý lại không hỗ trợ tính di động Pentium M Từ năm 2005 trở đi, Intel bắt đầu sản xuất chip lõi kép Phân tích kiến trúc nguyên lý làm việc vi xử lý 32 bits Intel PHẦN VI XỬ LÝ 32 BIT CỦA INTEL I Một số Vi xử lý 32bit tiêu biểu Intel: Intel 386 gồm họ 386DX, 386SX 386SL Intel386DX vi xử lý 32 bit Intel giới thiệu vào năm 1985, dùng máy tính IBM PC tương thích Intel386 bước nhảy vọt so với vi xử lý trước Đây vi xử lý 32 bit có khả xử lý đa nhiệm 386 sử dụng ghi 32 bit, truyền 32 bit liệu lúc bus liệu dùng 32 bit để xác định địa Hoạt động chế độ: chế độ thực(real mode) chế độ bảo vệ (protect mode) Bộ xử lý Intel 386 SX năm 1985 486DX sử dụng công nghệ µm, 1,2 triệu transistor, nhớ mở rộng 4GB; gồm phiên 25 MHz, 35 MHz 50 MHz (0,8 µm) 486SX (năm 1991) dùng dòng máy tính cấp thấp, có thiết kế giống hệ 486DX không tích hợp đồng xử lý toán học 486DX sử dụng công nghệ µm (1,2 triệu transistor) 0,8 µm (0,9 triệu transistor), nhớ mở rộng 4GB; gồm phiên 16, 20, 25, 33 MHz Bộ xử lý Intel 486 SX năm 1991 Phân tích kiến trúc nguyên lý làm việc vi xử lý 32 bits Intel Pentium MMX, phiên cải tiến Pentium với công nghệ MMX Intel phát triển để đáp ứng nhu cầu ứng dụng đa phương tiện truyền thông MMX kết hợp với SIMD (Single Instruction Multiple Data) cho phép xử lý nhiều liệu lệnh, làm tăng khả xử lý tác vụ đồ họa, đa phương tiện Bộ xử lý Intel MMX SX năm 1996 Pentium II: Pentium II đầu tiên, tên mã Klamath, sản xuất công nghệ 0,35 µm, có 7,5 triệu transistor, bus hệ thống 66 MHz, gồm phiên 233,266, 300MHz Pentium II, tên mã Deschutes, sử dụng công nghệ 0,25 µm, 7,5 triệu transistor, gồm phiên 333MHz (bus hệ thống 66MHz), 350, 400, 450 MHz (bus hệ thống 100MHz) Celeron (năm 1998) “rút gọn” từ kiến trúc Vi xử lý Pentium II, dành cho dòng máy cấp thấp Phiên đầu tiên, tên mã Covington nhớ đệm L2 nên tốc độ xử lý chậm, không gây ấn tượng với người dùng Phiên sau, tên mã Mendocino, khắc phục khuyết điểm với nhớ đệm L2 128KB - Xuất năm 1997 - Kiểu đóng gói : Kiểu gắn khe Slot1 Slot2, chíp hàn cố định vỉ nằm nghiêng - Tốc độ xử lý : gồm phiên 233MHz, 266, 300, 333, 350, 400 450MHz - Tốc độ FSB : 66MHz , 100MHz - Cache từ 512KB trở xuống CPU Pentium II hàn vỉ cắm vào khe Slot1 Phân tích kiến trúc nguyên lý làm việc vi xử lý 32 bits Intel Pentium III: Pentium III (năm 1999) gồm tên mã Katmai, Coppermine Tualatin Coppermine có nhớ đệm L2 – 256 KB tích hợp bên nhằm tăng tốc độ xử lý Đế cắm socket 370 FC-PGA (Flip-chip pin grid array), có tốc độ 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850 MHz (bus 100MHz), 533, 600, 667, 733, 800, 866, 933, 1000, 1100 1133 MHz (bus 133MHz) Tualatin có nhớ đệm L1 32KB, L2 256 KB 512 KB tích hợp bên BXL, socket 370 FC-PGA (Flip-chip pin Grid Array), bus hệ thống 133 MHz Có tốc độ 1133,1200, 1266, 1333, 2900 MHz Celeron Coppermine (năm 2000) “rút gọn” từ kiến trúc vi xử lý Pentium III Coppermine, có nhớ đệm L1 32KB, L2 256 KB tích hợp bên vi xử lý, socket 370 FC-PGA, Có tốc độ 533, 566, 600, 633, 667, 700, 733, 766, 800 MHz (bus 66 MHz), 850, 900, 950, 1000, 1100, 1200, 1300 MHz (bus 1000 MHz) Celeron Tualatin (năm 2000) “rút gọn” từ kiến trúc vi xử lý Pentium III Tualatin, có nhớ đệm L1 32KB, L2 256 KB tích hợp, socket 370 FC-PGA, bus hệ thống 100 MHz, gồm tốc độ 1,0, 1,1, 1,2, 1,3 GHz - Xuất năm 1999 - Kiểu đóng gói: Soket 370 - Tốc độ xử lý: có tốc độ 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850 MHz (bus 100MHz), 533, 600, 667, 733, 800, 866, 933, 1000, 1100 1133 MHz (bus 133MHz) - Tốc độ bus FSB: 100MHz , 133MHz - Cache từ 512KB trở xuống CPU Pentium Soket 370 Pentium IV: Intel Pentium (P4) vi xử lý giới thiệu vào tháng 11 năm 2000 Pentium IV sử dụng vi kiến trúc NetBurst có thiết kế hoàn toàn so với vi xử lý cũ (Pentium II, Pentium III Celeron sử dụng vi kiến trúc P6) Pentium (tên mã Willamette) xuất cuối năm 2000, có bus hệ thống (system bus) 400 MHz, nhớ đệm tích hợp L2- 256 KB, socket 423 478 P4 Willamette có số tốc độ 1,3, 1,4, 1,5, 1,6, 1,7,1,8, 1,9, 2,0 GHz Phân tích kiến trúc nguyên lý làm việc vi xử lý 32 bits Intel Socket 423 xuất khoảng thời gian ngắn, từ tháng11 năm 2000 đến tháng năm 2001 bị thay socket 478 Xung thực (FSB) Pentium 100 MHz với công nghệ Quad Data Rate cho phép BXL truyền bit liệu chu kỳ, nên bus hệ thống vi xử lý 400 MHz CPU Pentium Willamette P4 Northwood Xuất vào tháng năm 2002, có nhớ cache L2 512 KB, socket 478 Northwood có dòng gồm Northwood A (system bus 400 MHz), tốc độ 1,6, 1,8, 2,0, 2,2, 2,4, 2,5, 2,6 2,8 GHz Northwood B (system bus 533 MHz), tốc độ 2,26, 2,4, 2,53, 2,66, 2,8 3,06 GHz (riêng 3,06 GHz có hỗ trợ công nghệ siêu phân luồng Hyper Threading – HT) Northwood C (system bus 800 MHz, tất hỗ trợ HT), gồm 2,4, 2,6, 2,8, 3,0, 3,2, 3,4 GHz P4 Prescott (năm 2004) Là vi xử lý Intel sản xuất theo công nghệ 90 nm, có nhớ đệm tích hợp L2 P4 Prescott gấp đôi so với P4 Northwood (1MB so với 512 KB) Ngoài tập lệnh MMX, SSE, SSE2, Prescott bổ sung tập lệnh SSE3 giúp ứng dụng xử lý video game chạy nhanh Đây giai đoạn “giao thời” socket 478 – 775LGA, system bus 533 MHz – 800 MHz CPU P4 Northwood SX năm 2002 CPU P4 Prescott SX năm 2004 Prescott A (FSB 533 MHz) có tốc độ 2,26, 2,4, 2,66, 2,8 (socket 478), Prescott 505 (2,66 GHz), 505J (2,66 GHz), 506 (2,66 GHz), 511 (2,8GHz), 515 (2,93GHz), 515J (2,93 GHz), 516 (2,93 GHz), 519J (3,06 GHz), 519K (3,06 GHz) sử dụng socket 775LGA Phân tích kiến trúc nguyên lý làm việc vi xử lý 32 bits Intel Prescott E, F (năm 2004) có nhớ đệm L2 MB (các phiên sau mở rộng MB), bus hệ thống 800 MHz Ngoài tập lệnh MMX, SSE, SSE2, SSE3 tích hợp, Prescott E, F hỗ trợ công nghệ siêu phân luồng, số phiên sau có hỗ trợ tính toán 64 bit Dòng sử dụng socket 478 gồm Pentium HT 2.8E (2,8 GHz), 3.0E (3,0 GHz), 3.2E (3,2 GHz), 3.4E (3,4 GHz) Dòng sử dụng socket 775LGA gồm Pentium HT 3.2F, 3.4F, 3.6F, 3.8F với tốc độ tương ứng từ 3,2 GHz đến 3,8 GHz, Pentium HT 517, 520, 520J, 521, 524, 530, 530J, 531, 540, 540J, 541, 550, 550J, 551, 560, 560J, 561, 570J, 571 với tốc độ từ 2,8 GHz đến 3,8 GHz Celeron: Vi xử lý Celeron thiết kế với mục tiêu dung hòa công nghệ giá cả, đáp ứng yêu cầu phổ thông truy cập Internet, Email, chat, xử lý ứng dụng văn phòng Điểm khác biệt Celeron Petium công nghệ chế tạo số lượng Transistor đơn vị Celeron Willamette 128 (2002), “rút gọn” từ P4 Willamette, có nhớ đệm L2 128 KB, bus hệ thống 400 MHz, socket 478 Celeron Willamette 128 hỗ trợ tập lệnh MMX, SSE, SSE2 Một số vi xử lý thuộc dòng Celeron 1.7 (1,7 GHz) Celeron 1.8 (1,8 GHz) Celeron NorthWood 128, “rút gọn” từ P4 Northwood, có nhớ đệm tích hợp L2 128 KB, bus hệ thống 400 MHz, socket 478 Celeron NorthWood 128 hỗ trợ tập lệnh MMX, SSE, SSE2, gồm Celeron 1.8A, 2.0, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8 tương ứng với tốc độ từ 1,8 GHz đến 2,8 GHz Celeron D (Presscott 256), xây dựng từ tảng P4 Prescott, có nhớ đệm tích hợp L2 256 KB (gấp đôi dòng Celeron NorthWood), bus hệ thống 533 MHz, socket 478 775LGA Ngoài tập lệnh MMX, SSE, SSE2, Celeron D hỗ trợ tập lệnh SSE3, số phiên sau có hỗ trợ tính toán 64 bit Celeron D gồm 310, 315, 320, 325, 325J, 326, 330, 330J, 331, 335, 335J, 336, 340, 340J, 341, 345, 345J, 346, 350, 351, 355 với tốc độ tương ứng từ 2,13 GHz đến 3,33 GHz Pentium Extreme Edition Pentium Extreme Edition (P4EE) xuất vào tháng năm 2003, vi xử lý Intel “ưu ái” dành cho game thủ người dùng cao cấp P4EE xây dựng từ BXL Xeon dành cho máy chủ trạm làm việc Ngoài công nghệ HT “đình đám” thời giờ, điểm bật P4EE bổ sung nhớ đệm L3- MB Phiên P4 EE (nhân Gallatin) sản xuất công nghệ 0,13 µm, nhớ đệm L2 512 KB, L3- MB, bus hệ thống 800 MHz, sử dụng socket 478 775LGA, gồm P4 EE 3.2 (3,2 GHz), P4 EE 3.4 (3,4 GHz) 10 Phân tích kiến trúc nguyên lý làm việc vi xử lý 32 bits Intel f Khối chức đặc biệt: Gồm : - Khối xử lý đồ hoạ - Khối xử lý tín hiệu : có khả tính toán, tính chập, hàm tương quan - Khối xử lý ảnh: có phép tính tương tự xử lý tín hiệu hai chiều - Tính toán vectơ, ma trận g Thanh ghi: Thanh ghi thực chất nhớ bán dẫn có tốc độ truy nhập cực cao( mức CPU) có dung lượng nhỏ Tập ghi nằm CPU Mỗi ghi đơn vị lưu trữ liệu có chức riêng biệt thiếu CPU Thanh ghi 80386 ghi 32 bit, số ghi có thề chia thành 16 bit bit Với 32 bit địa không gian địa CPU 386 GB CPU 386 có 64K cửa vào / bit , 16 bit, 32 bit CPU hoạt động với đồng xử lý toán học Tập ghi: Thanh ghi đa dụng ghi trỏ : mở rộng thành ghi 32 bit : EAX, EBX,ESP… nhiên sử dụng ghi bit 16 bit Chúng có trách nhiệm lưu trữ nội dung sau: Tham số phép toán logic số học Tham số phép tính địa Con trỏ nhớ Tuy vậy, tất ghi dùng để lưu trữ tham số kết trỏ Cần lưu ý dùng ghi ESP ghi dùng cho trỏ ngăn xếp không phép dùng cho mục đích khác Một số lệnh cần ghi định để lưu trữ tham số ví dụ lệnh chuỗi dùng ghi ECX,ESI, EDI Khi sử dụng nhớ mô hình phân đoạn , số cặp ghi ngầm định để lưu địa lôgic( vi dụ DS:EBX) Ngoài ra, ghi có nhiệm vụ đặc biệt liệt kê sau: EAX : ghi kết phép toán EBX : ghi trỏ mà địa đoạn nẳm DS ECX : ghi số đếm cho phép toán chuỗi quay vòng EDX : ghi địa cổng cứng ESI : ghi trỏ địa nằm ES trỏ nguồn phép toán chuỗi EDI : ghi trỏ mà địa đoạn nằm ES trỏ đích phép toán chuỗi ESP : ghi trỏ ngăn xếp mà địa đoạn nằm SS Các ghi đa chức Các ghi đa liệu địa 14 Phân tích kiến trúc nguyên lý làm việc vi xử lý 32 bits Intel 31 AX BX CX DX SI DI BP SP 16 15 EAX EBX ECX EDX ESI EDI EBP ESP Hình cho thấy, 16 bit cuối ghi đa chức dùng ghi hệ 8086, 80286 Người lập trình sử dụng qua tên ghi AX, BX,CX,DX,BP,SP,SI,DL Hai byte cuối EAX, EBX,ECX,EDX,được gọi AH, BH, CH, DH(bit cao) AL, BL, CL, DL(bit thấp) Các ghi đoạn : giữ nguyên chiều dài 16 bit có hai ghi đoạn FS GS dùng giống ghi ES Các ghi đoạn (CS,DS,SS,ES,FS,GS) lưu trữ chọn đoạn 16 bit Một chọn đoạn trỏ đặc biệt đến mô tả đoạn nơi lưu trữ địa đặc tính đoạn Để truy nhập đoạn nhớ chọn đoạn phải nằm ghi đoạn tương ứng Khi viết chương trình ứng dụng người lập trình chọn đoạn qua lệnh định hướng hợp ngữ Hợp ngữ dùng lệnh định hướng hợp ngữ hay dụng cụ lập trình để tạo nên đoạn gía trị tương ứng chọn đoạn mô tả đoạn Cách sử dụng ghi đoạn phụ thuộc vào mô hình nhớ mà hệ thống điều hành sử dụng Nếu sử dụng mô hình nhớ phẳng ( không phân đoạn ), ghi đoạn lưu trữ chọn đoạn trỏ lên đoạn chồng lên Mỗi đoạn địa số không gian địa tuyến tính Thông thường có hai đoạn chồng lên nhau: đoạn cho mã lệnh, đoạn cho liệu ngăn xếp Thanh ghi CS trỏ đến đoạn mã lệnh ghi đoạn khác trỏ đến đoạn liệu Các ghi đoạn: 15 CS code SS stack DS data ES data FS data GS data Các ghi đoạn mô hình nhớ phẳng 15 Phân tích kiến trúc nguyên lý làm việc vi xử lý 32 bits Intel Nếu sử dụng mô hình nhớ phân đoạn, ghi đoạn chứa chọn đoạn trỏ tới đoạn khác không gian địa tuyến tính Chương trình truy nhập đồng thời đoạn khác Mỗi ghi liên hệ trực tiếp với ba loại nhớ : mã lệnh, liệu ngăn xếp ví dụ : ghi CS chứa chọn đoạn mã lệnh Bộ xử lý lấy lệnh từ đoạn mã lệnh địa đoạn CS trỏ lệnh EIP Thanh ghi EIP chứa địa tuyến tính tới cần thực đoạn mã lệnh Chương trình ứng dụng bên thay đổi ghi CS Chỉ phép lệnh điều khiển chương trình bên vi xử lý thay đổi giá trị CS( gọi tiểu trình, phục vụ ngắt thay đổi nhiệm vụ Đoạn mã lệnh Đoạn liệu Đoạn ngăn xếp CS DS SS ES Đoạn liệu FS GS Đoạn liệu Đoạn liệu Cách sử dụng ghi đoạn mô hình nhớ phân đoạn Các ghi DS , ES, FS, GS chứa chọn đoạn trỏ đến mô tả đoạn liệu Bốn đoạn liệu riêng rẽ đảm bảo an toàn truy nhập an toàn vào dạng cấu trúc liệu khác Thanh ghi SS chứa chọn đoạn ngăn xếp Khác với ghi CS ghi SS ghi từ bên chương trình ứng dụng Điều cho phép chương trình dùng nhiều ngăn xếp khác Bốn ghi đoạn CS, DS, SS, ES, có từ đời 8086 Hai ghi FS GS bắt đầu xuất 80386 Thanh ghi trạng thái SR ghi đếm chương trình : nâng lên 32 bit gồm 16 bit thấp 286 16 bit cao Thanh ghi trạng thái để quản lý trạng thái hệ thống chứa thông tin trạng thái CPU Có hai thông tin trạng thái : Trạng thái Trạng thái Gồm có ghi cờ Mỗi bit cờ phản ánh trạng thái làm việc CPU Cờ trạng thái (bit 0,2,4,6,7,11) ghi EFLAGS dùng để ghi lại trạng thái kết lệnh số học : ADD, SUB, MUL,DIV IF( interrupt flag): cờ ngắt: IF=1 CPU cho phép ngắt ngược lại IF=0 CPU cấm ngắt CF( carry flag) : cờ nhớ : kết phép tính có nhớ CF=1 SF(Sign flag) :cờ dấu : kết phép tính số âm SF=1 OF(overflow flag): cờ tràn: kết số bù vượt giới hạn biểu diễn dành cho OF=1 Cờ đánh dấu trạng thái tràn phép toán số học có dấu 16 Phân tích kiến trúc nguyên lý làm việc vi xử lý 32 bits Intel PF(parity flag) cờ chẵn lẻ: đặt số byte thấp kết số chẵn AF( adjust flag) cờ chỉnh: đặt phép toán gây nhớ mượn bít kết Cờ sử dụng phép toán số học với mã BCD ZF(zero flag ) cờ không: đặt kết Trong cờ có cờ CF gây trực tiếp lệnh STC,CLC,CMC Những lệnh thay đổi bit BT, BTS,BTR,BTC Có thể chuyển bít định cờ CF Các cờ trạng thái dành cho phép toán số học có kết ba dạng liệu khác nhau: số nguyên có dấu, số nguyên không dấu, số nguyên BCD Nếu kết số nguyên không dấu cờ CF đánh dấu trạng thái nhớ mượn Nếu kết số BCD cờ AF đánh dấu nhớ mượn Cờ SF ghi lại dấu số nguyên có dấu Cờ ZF đánh dấu trạng thái số nguyên có dấu Cờ CF dùng để cộng thêm hay trừ dùng lệnh ADC(cộng với số nhớ) hay lệnh SBB( trừ với số mượn ) để tiến hành phép toán số học xác Các lệnh nhảy có điều kiện Jcc, đặt byte có điều kiện SETcc quay vòng có điều kiện LOOPcc dịch chuyển có điều kiện CMOVcc ( cc mã điều kiện ) dùng hay nhiều cờ trạng thái để rẽ nhánh đặt byte hay quay vòng Các ghi gỡ rối (DR0-DR7) kiểm tra (TR0-TR1): Bộ vi xử lý có nhiều lệnh dùng để kiểm tra quyền truy nhập chọn đoạn mô tả đoạn Những lệnh lặp lại việc kiểm tra quyền truy nhập mà vi xử lý tiến hành tự động Chúng cho phép hệ điều hành chương trình mức ưu tiên ngăn không cho ngoại lệ xảy ra: - ARPL: chỉnh mức ưu tiên yêu cầu RPL chọn đoạn cho thích hợp với mức ưu tiên chương trình dùng đoạn - LAR: chứng nhận khả truy nhập vào đoạn nạp quyền truy nhập từ mô tả đoạn ghi đa chức Chương trình ứng dụng sau kiểm tra quyền truy nhập đoạn trực tiếp từ ghi đa chức - LSL: chứng nhận khả truy nhập vào đoạn kích thước đoạn từ mô tả đoạn ghi đa chức Chương trình ứng dụng sau so sánh kích thước đoạn với địa lệch để bíêt địa có nằm bên đoạn hay không - VERR VERW: kiểm tra khả ghi lên hay đọc từ đoạn nhớ Thanh ghi quản lý nhớ : ghi GDTR,LDTR,IDTR,TR có chức giống 286 khác chỗ: địa sở 32 bit giá trị giới hạn 20 bit Bốn ghi dùng để xác định vị trí bảng quản lý nhớ Để truy nhập lập trình ghi người ta cần có lệnh chuyên dùng - Thanh ghi bảng mô tả toàn cục GDTR: 17 Phân tích kiến trúc nguyên lý làm việc vi xử lý 32 bits Intel Thanh ghi bảng cục mô tả toàn cục GDTR lưu trữ 32 bít địa sở 16 bit kích thước bảng mô tả toàn cục Địa sở địa tuyến tính (vật lý ) byte bảng Kích thước cho biết số byte tối đa lưu trữ bảng Để nạp ghi lên GDTR ta dùng lệnh LGDT lệnh SGDT Khi khởi động vi xử lý địa sở đặt giới hạn đặt FFFFh chương trình khởi động BIOS cần nạp giá trị vào GDTR - Thanh ghi bảng mô tả cục LDTR: Thanh ghi bảng mô tả cục LDTR lưu trữ 32 bit địa sở , 16 bit kích thước tham số mô tả cho bảng mô tả cục LDT Để nạp ghi lên GDTR ta dùng lệnh LLDT lệnh SLDT Đoạn nhớ chứa LDT phải có mô tả đoạn tương ứng nằm bảng mô tả toàn cục GDT Khi lệnh LLDT nạp chọn đoạn vào LDTR, địa sở kích thước tham số mô tả tự động nạp lên LDTR Khi cần chuyển nhiệm vụ, chọn đoạn đoạn mô tả LDT nhiệm vụ tự động nạp vào ghi LDTR Tương tự GDTR , địa sở kích thước LDTR đặt FFFF h khởi động máy Thanh ghi bảng mô tả ngắt IDTR: Thanh ghi bảng mô tả ngắt IDTR chứa 32 bit địa sở 16 bit kích thước bảng mô tả ngắt IDT Để nạp ghi lên IDTR ta dùng lệnh LIDT SIDT Thanh ghi nhiệm vụ TR: Thanh ghi nhiệm vụ TR chứa cho nhiệm vụ chạy 16 bit chọn đoạn, 32 bit địa sở, 16 bit kích thước tham số mô tả cho đoạn trạng thái nhiệm vụ TSS Địa sở địa byte TSS Lệnh LTR STR đọc ghi tên phần chọn đoạn ghi nhiệm vụ Khi lệnh LTR nạp chọn đoạn vào ghi nhiệm vụ, phần khác ghi nhiệm vụ tự động nạp lên từ mô tả đoạn trạng thái nhiệm vụ TSS Trạng thái ghi TR khởi động tương tự ghi hệ thống khác Thanh ghi điều khiển: ghi CR0, CR1, CR2,CR3,CR4 xác định chế độ làm việc vi xử lý đặc điểm nhiệm vụ chạy - CR0 chứa cờ đièu khiển hệ thống,các cờ điều khiển chế độ làm việc trạng thái vi xử lý - CR1 dự trữ - CR2: chứa địa gây lỗi trang ( page – fault ) - CR3: chứa địa sở thư mục trang hai cờ PCD – PWT Thanh ghi gọi ghi sở thư mục trang PDPR( page directory base register ).Chỉ có 20 bit cao địa sở ghi CR3, 12 bit thấp mặc định địa danh mục trang phải phân theo đơn vị nhỏ trang (4 KB, 12 bit).Cờ PCD PWT kiểm tra trình lưu trữ danh mục trang đệm bên Khi sử dụng địa vật lý mở rộng ( physical address extension ), ghi CR3 chứa địa sở bảng trỏ thư mục trang ( page directory – pointer table) - CR4 : chứa nhóm cờ cho phép mở rộng cấu trúc vi xử lý Lệnh MOV cho phép đọc nội dung ghi điều khiển từ chương trình chạy mức ưu tiên Chỉ chương trình có mức ưu tiên 18 Phân tích kiến trúc nguyên lý làm việc vi xử lý 32 bits Intel phép ghi lên ghi này.Nội dung cờ ghi điều khiển liệt kê sau đây: - Cờ phân trang PG Paging (bit 31 CR0) cho phép phân trang đặt lên Khi phân trang bị cấm ( PG=0) địa tuyến tính coi địa vật lý Cờ PG ý nghĩa cờ PE( bit CR0) không đặt Đặt cờ PG=1 mà PE=0 gây ngoại lệ #GP(general protection exception) - Cờ cấm đệm CD cache disable( bit 30 CR0) Xoá cờ CD NW cho phép đệm toàn nhớ vật lý Cờ CD=1 ngăn vi xử lý truy nhập đệm - Cờ cấm ghi xuyên NW not write- through( bit 29 CR0) Xoá cờ NW CD cho phép ghi lại hay ghi xuyên - Cờ khuôn chỉnh vị AM alignment mask ( bit 18 CR0) AM = cho phép kiểm tra tự động chỉnh vị Tự động chỉnh vị xảy AM = 1, AC ghi EFLAGS =1, mức ưu tiên CPL = vi xử lý hoạt động trong chế độ : bảo vệ 8086 ảo - Cờ bảo vệ viết WP write protect( bit 16 CR0) WP=1 cấm chương trình mức quản lý ghi vào trang đọc mức người sử dụng Cờ cho phép cài đặt phương pháp copy on write thường dùng hệ điều hành UNIX - Cờ lỗi số học NE numeric error( bit CR0) NE= cho phép báo lỗi đơn vị dấu chấm động FPU theo phương pháp NE=0 báo lỗi theo phương pháp máy tính cá nhân Nếu NE=0 chân IGNE# vi xử lý kích , lỗi FPU bị bỏ qua Nếu NE=0 chân IGNE# không bị kích , lỗi FPU không che xuất khiến vi xử lý đưa tín hiệu chân FERR# Tín hiệu báo ngắt dừng thực lệnh trước thực lệnh số học hay lệnh WAIT/FWAIT Chân FERR# tương ứng với chân ERROR# đồng xử lý 287, 387 DX nối với điều khiển ngắt bên - Cờ loại mở rộng ET( bit CR0) dùng để ghi nhận tồn đồng xử lý toán học - Cờ chuyển nhiệm vụ TS ( bit CR0) cho phép làm chậm lưu trữ trạng thái FPU đến FPU nhiệm vụ truy nhập Bộ vi xử lý đặt cờ lên chuyển trạng thái kiểm tra dịch lệnh số học Nếu TS =1 ngoại lệ thiết bị #NM xuất trước thực lệnh số học Nếu cờ TS =1 MP =1( bit CR0) ngoại lệ xuất trước thực lệnh WAIT/FWAIT Bộ vi xử lý không tự động lưu trữ trạng thái FPU đặt TS lên gây lên ngoại lệ #NM Chương trình xử lý ngoại lệ #NM dùng để xoá cờ TS lưu trữ trạng thái FPU Như vậy, nhiệm vụ không dùng đến lệnh số học nội dung FPU không lưu trữ - Cờ mô EM( bit CR0) EM =1 cho biết nhớ đơn vị xử lý toán học Nếu EM =1 lệnh số học gây ngoại lệ thiết bị #NM Nếu vi xử lý có đơn vị đồng xử lý mà dùng phần mềm mô - Cờ quan sát đồng xử lý MP( bit CR0) kiểm tra tương quan lệnh WAIT cờ TS Nếu MP =1, TS =1 lệnh WAIT gây nên ngoại lệ #NM Nếu MP=0 lệnh WAIT bỏ qua cờ TS - Cờ cho phép bảo vệ PE ( bit CR0) cho phép chế độ bảo vệ PE=1 Bộ vi xử lý hoạt động chế độ thực PE=0 Cờ không trực tiếp cho phép phân trang Để phân trang cờ PE PG cần đặt lên 19 Phân tích kiến trúc nguyên lý làm việc vi xử lý 32 bits Intel - Cờ cấm đệm mức trang PCD ( bít CRE3) kiểm tra đệm thư mục trang thời Khi PCD =1 thư mục trang không đệm Cờ quản lý nhớ đệm bên vi xử lý Bộ vi xử lý bỏ qua cờ phân trang không sử dụng - Cờ PWT (bit CR3) kiểm tra phương pháp ghi xuyên hay ghi lại thư mục trang Nếu PWT =1 phương pháp ghi xuyên dùng Cờ quản lý nhớ đệm bên vi xử lý Bộ vi xử lý bỏ qua cờ phân trang không sử dụng - Cờ ngắt ảo chế độ bảo vệ PVI ( bit CR4) PVI =1 cho phép dùng phần cứng cho cờ ngắt ảo chế độ bảo vệ - Cờ cấm đánh dấu thời gian TSD( bit CR4) TSD =1 hạn chế lệnh RDTSC chạy mức ưu tiên TSD =0 cho phép lệnh chạy ưu tiên - Cờ mở rộng debugDE (bit3 CR4) DE =1gây ngoại lệ mã lệnh vô danh #UD Nếu DE =1 vi xử lý so sánh ghi DR4 DR5 để đảm bảo tương thích với vi xử lý hệ trước - Cờ mở rộng kích thước trang PSE (bit CR4) PSE =1 cho phép phân trang theo không gian địa vật lý 36 bit Nếu PAE =0 vi xử lý phân trang không gian 32 bit - Cờ cho phép kiểm tra máy MCE( bit CR4) MCE =1 cho phép ngoại lệ kiểm tra máy Các cờ VME, PVI, TSD, DE, PSE, PAE, MCE, PGE, PCE ghi điều khiển CR4 đến phụ thuộc vào dạng vi xử lý Sự tồn chúng kiểm tra lệnh CPUID trước sử dụng Các chế độ vận hành: a Chế độ thực : chế độ thực vi xử lí không gian địa bị giới hạn mức 220= 1MB giống không gian địa 8086 địa Intel 32bit có 32 đường dây Thanh ghi cờ cho chế độ 16 bit Khi khởi động , VXL Intel 32bit làm việc chế độ thực Mục đích chế độ khởi đầu cho VXL chuẩn bị cho chế độ bảo vệ Môi trường thực lệnh vi xử lý chế độ chép môi trường vi xử lý 8086 Đối với chương trình 8086, vi xử lý coi vi mạch 8086 tốc độ nhanh Những đặc điểm chế độ là: - Bộ vi xử lý dùng không gian địa vật lý 1Mbyte Không gian chia làm nhiều đoạn, đoạn dài 64 kbyte Địa sở đoạn nằm chọn đoạn hay ghi đoạn16 bit Giá trị nhân với 16 cộng với địa lệch để tính địa vật lý 20 bit - Mọi tham số 8086 dài hay 16 bit - Chương trình dùng ghi đa chức 16 bit AX, BX,CX,DX,SP, BP, SI, DI - Có ghi đoạn: CS, DS, SS, ES CS chứa chọn đoạn mã lệnh DS ES chứa chọn đoạn liệu SS chứa chọn đoạn ngăn xếp - Con trỏ lệnh 16 bit IP ánh xạ vào 16 bit thấp EIP - Thanh ghi cờ 16 bitFLAGS ánh xạ vào 16 bit thấp FLAGS - Mọi mã lệnh 8086 dùng 20 Phân tích kiến trúc nguyên lý làm việc vi xử lý 32 bits Intel Một ngăn xếp có chiều rộng 16 bit dành cho tiểu trình, ngắt ngoại lệ Ngăn xếp nằm đoạn ngăn xếp mà ghi SS trỏ tới Con trỏ ngăn xếp SP chứa địa lệch nằm đoạn ngăn xếp Ngăn xếp nở xuống ( hướng địa lệch thấp hơn) Thanh ghi trỏ sở BS chứa địa lệch đoạn ngăn xếp BS dùng để trỏ đến danh sách tham số Khi lệnh CALL thực hiện, vi xử lý đưa trỏ lệnh nội dung ghi đoạn mã lệnh CS vào ngăn xếp Khi quay lại từ lệnh RET, giá trị phục hồi từ ngăn xểp trở lại ghi tương ứng Khi xuất ngắt hay ngoại lệ vi xử lý đưa nội dung EIP, CS EFLAGS vào ngăn xếp phục hồi chúng sau quay lại từ chương trình xử lý ngắt với lệnh IRET - Bộ vi xử lý dùng bảng vectơ ngắt để lưu trữ địa chương trình xử lý ngắt địa dài byte, thay mô tả byte bảng mô tả ngắt chế độ bảo vệ Số ngắt xác định vị trí vecto ngắt bảng, vectơ trỏ đến chương trình xử lý ngắt tương ứng - Đơn vị dấu chấm trượt FPU hoạt động dùng cho lệnh FPU chế độ địa thực Các điểm sau bổ sung thêm vào chế độ địa thực vi xử lý 32 bit Nếu chương trình cần có tương thích ngược, đặc điểm không dùng để lập trình: - Thêm hai ghi đoạn FS GS - Nhiều lệnh bổ sung vào cấu trúc vi xử lý sau chạy chế độ địa thực Những lệnh cho phép truy nhập ghi đa chức 32 bit b Chế độ bảo vệ: (còn gọi chế độ đa nhiệm) chế độ bảo vệ đưa vào vi xử lí 80286 Chế độ cho phép vi xử lí Intel 32bit dùng hết không gian địa 232=4096 MB cho phép vận hành hệ điều hành đa nhiệm Trong hệ điều hành đa nhiệm, nhiều tiến trình chạy đòng thời bảo vệ chống lại thâm nhập trái phép vào vùng ô nhớ bị cấm Bộ vi xử lý quản lý nhớ chế độ bảo vệ theo hai phương pháp chính: phân đoạn phân trang - Phân đoạn chia nhớ thành phần riêng biệt dành cho mã lệnh, liệu ngăn xếp Như vậy, nhiều chương trình chạy lúc mà không ảnh hưởng lẫn Phương pháp cho phép thiết kế nhiều hệ điều hành khác cho vi xử lý Intel : từ mô hình phẳng( dùng phân đoạn để bảo vệ chương trình) đến mô hình đa đoạn (dùng phân đoạn để đảm bảo môi trường an toàn cho nhiều nhiệm vụ) - Mô hình phẳng sở Là mô hình nhớ đơn giản hệ thống Mô hình cho phép hệ điều hành chương trình truy nhập không gian địa liên tục không phân đoạn Để thiết kế mô hình nhớ phẳng với cấu trúc Intel vi xử lý cần hai mô tả đoạn Hai đoạn ánh xạ trực tiếp lên toàn không gian địa tuyến tính Điều có nghĩa hai đoạn có địa sở có kích thước 21 Phân tích kiến trúc nguyên lý làm việc vi xử lý 32 bits Intel - - - Gbyte Bằng cách đặt kích thước đoạn lên Gbyte vi xử lý tránh xuất ngoại lệ tràn đoạn Mô hình phẳng bảo vệ Tương tự mô hình phẳng sở điểm khác biệt kích thước đoạn đặt kích thước nhớ vật lý tồn Ngoại lệ lỗi bảo vệ xuất vi xử lý truy nhập vùng nhớ vật lý Có thể làm mô hình phức tạp để tăng khả bảo vệ Mô hình bảo vệ phương pháp phân trang đơn giản bảo vệ hệ điều hành trước chương trình ứng dụng Nếu dùng cấu trúc phân trang cho chương trình ứng dụng, mô hình bảo vệ chương trình ứng dụng với Các mô hình tương tự hay dùng hệ điều hành chức thông dụng Mô hình đa đoạn Sử dụng chức phương pháp phân đoạn để bảo vệ cấu trúc liệu, mã lệnh, chương trình, nhiệm vụ Trong mô hình chương trình phân cho mô tả đoạn riêng đoạn nhớ riêng Chương trình dùng riêng đoạn nhớ hay chia sẻ với chương trình khác Phần cứng kiểm tra việc truy nhập vào đoạn hay môi trường thực chương trình Truy nhập nhớ kiểm tra xem có vượt giới hạn đoạn không hay vi phạm quyền truy nhập không Phân trang phân đoạn Phân trang đựơc dùng cho mô hình phân đoạn Bộ vi xử lý chia không gian địa tuyến tính thành trang Các trang không gian địa tuyến tính ánh xạ đến không gian địa vật lý Phựơng pháp phân trang bảo vệ theo trang Khả dùng hay thay cho khả bảo vệ theo đoạn Phân trang sử dụng nhớ ảo chia thành nhiều trang, phần chương trình chạy nạp vào nhớ vật lý cần thiết Phân trang dùng để tách biệt nhiệm vụ chạy thời điểm Cho phép địa tuyến tính tạo chương trình đặt trạng thái nhớ vật lý Một trang nhớ tuyến tính trang định địa giá trị selection offset chế độ thực chế độ ảo trang nhớ tồn nhớ vật lý có dung lượng kbyte Thư mục trang chiếm vùng nhớ gồm 1024 bảng chuyển đổi trang PTT Mỗi PTT chuyển đổi địa logic thành địa vật lý Để sử dụng chế độ phải có phần mềm đặc biệt Quaterdeck Office Sytem DéQiew Microsoft Windows Bảng trang chứa 1024 địa tuyến tính thành địa vật lý Cơ chế phân trang cho phép nhớ vật lý gán cho địa tuyến tính Khi làm việc chế độ bảo vệ, cấu trúc Intel cho phép không gian địa tuyến tính ánh xạ trực tiếp lên nhớ vật lý lớn ( chẳng hạn Gbyte RAM) hay gián tiếp lên nhớ nhỏ đĩa cứng ( dùng phân trang) Cách thứ hai gọi nhớ ảo Khi nhiều chương trình chạy đồng thời chương trình chiếm giữ đoạn riêng 22 Phân tích kiến trúc nguyên lý làm việc vi xử lý 32 bits Intel Khi dùng phân trang, vi xử lý chia không gian địa tuyến tính thành nhiều trang có kích thước cố định ( thường Gbyte) trang ánh xạ vào nhớ hay đĩa cứng Khi chương trình yêu cầu truy nhập địa lôgic, vi xử lý dịch địa lôgic địa tuyến tính Sau dùng phương phân trang, vi xử lý biên dịch địa tuyến tính sang địa vật lý tương ứng Nếu trang chứa địa tuyến tính không tồn nhớ vật lý, vi xử lý gây ngoại lệ lỗi trang #PF Chương trình xử lý ngoại lệ nạp trang cần truy nhập vào từ đĩa cứng nhớ vật lý ( nạp trang khác từ nhớ vật lý lên đĩa cứng để lấy chỗ ) Sau trang cần truy nhập có nhớ vật lý lệnh return từ chương trình xử lý ngoại lệ khiến vi xử lý thực lại lệnh gây ngoại lệ #PF Thông tin mà vi xử lý dùng để ánh xạ địa tuyến tính vào không gian địa vật lý ( để tạo ngoại lệ lỗi trang)được lưu trữ danh mục trang bảng trang Danh mục trang bảng trang nằm nhớ vật lý Phân trang khác với phân đoạn chỗ dùng trang có kích thước cố định kích thước đoạn thường lớn kích thước liệu hay mã lệnh bên chúng Nếu dùng phân trang nội dung cấu trúc liệu nằm phần nhớ phần đĩa cứng Để giảm tối thiểu số chu kì bus dành cho biên dịch địa chỉ, giá trị danh mục trang bảng trang lưu trữ đệm gọi đệm biên dịch TLB Chu kỳ bus dùng tới địa trang không nằm TLB Trong chế độ bảo vệ, ghi đoạn không xem địa bắt đàu đoạn mà ghi chọn ( selector ) gán ưu tiên khác cho tiến trình Phần cốt lõi hệ điều hành có ưu tiên cao người sử dụng có ưu tiên thấp Chế độ bảo vệ vi xử lý cho phép chương trình ứng dụng truy nhập hệ điều hành theo phương thức chặt chẽ đảm bảo Quá trình kiểm tra quyền truy nhập tiến hành song song với trình biên dịch địa nên không làm giảm tốc độ xử lý c Chế độ ảo: Chế độ cho phép thiết lập kiểu vận hành đa nhiệm chương trình dùng chế độ thực, chạy song song với tiến trình khác Hoàn toàn tương thích với chế độ ảo 8086 Chế độ 8086 ảo chạy chế độ bảo vệ Khi hệ điều hành chuyển nhiệm vụ sang chế độ 8086 ảo, vi xử lý mô hoàn toàn vi xử lý 8086 Điểm khác chế độ địa ảo chế độ địa thực 8086 chế độ mô 8086 dùng đến số dịch vụ chế độ bảo vệ( ngắt chế độ bảo vệ, xử lý ngoại lệ phân trang) Tương tự chế độ địa thực chương trình hợp dịch hay biên dịch 8086 chạy chế độ 8086 ảo Dùng khả đa nhiệm vi xử lý, nhiều chương trình 8086 ảo chạy song song với Bộ vi xử lý vào chế độ 8086 ảo cờ máy ảo VM ghi FELAGS đặt lên cờ phép đặt lên vi xử lý chuyển sang nhiệm vụ bảo vệ hay quay chế độ 8086 ảo qua lệnh IRET Hệ điều hành đổi trực tiếp giá trị ghi cờ nằm đoạn trạng thái nhiệm vụ TSS sau chương trình xử lý ngắt ngoại lệ Bộ vi xử lý kiểm tra cờ VM ba trường hợp: - Khi nạp ghi đoạn để kiểm tra có phải biên dịch địa theo phương pháp 8086 không - Khi giải mã lệnh để kiểm tra xem lệnh có thích hợp với chế độ 8086 không - Khi giải mã lệnh để kiểm tra xem lệnh có thích hợp với chế độ 8086 không 23 Phân tích kiến trúc nguyên lý làm việc vi xử lý 32 bits Intel - Khi kiểm tra lệnh ưu tiên, truy nhập trang ( chế độ địa ảo hoạt động mức ưu tiên số 3) Hệ thống vào ra: a Hệ thống vào ra(I/O system) VXL Intel 32bit dựa nguyên tắc chung dùng chung cho loại 8086/8088 có 64 kb khác không gian vào/ Địa cổng vào xuất bus địa A15-A2 với tín hiệu BE3#-BE0# để chọn byte, môt từ , kép liệu vào b Điểm khác : VXL Intel 32bit sử dụng hệ thống vào 32 bit chia thành băng c Các vùng vào/ra đánh số từ 0000h-FFFFh Quản lý nhớ: Không gian nhớ: nhớ vật lý VXL Intel 32bit tối đa GB Không gian địa ảo đến 64TB xếp thành không gian nhớ vật lý dung lượng GB nhờ MMU MMU bên VXL Intel 32bit tương tự MMU bên 80286 80386 đơn vị phân đoạn VXL Intel 32bit có thêm đơn vị phân trang Với độ rộng liệu 32 bit tổ chức truy nhập trực tiếp nhớ theo byte, từ từ kép chu trình nhớ, 8088 phải cần tới chu trình nhớ 80286 cần tới chu trình nhớ Các byte hệ thống máy tính VXL Intel 32bit đánh địa chữ số hệ 16 từ 00000000hFFFFFFFFh Phương pháp kỹ thuật kết nối nhớ tốc độ thấp với 8038 Kỹ thuật nhớ xen kẽ : nhằm mục đích kéo dài thời gian truy cập nhớ mà không cần phải đưa vào trạng thái chờ đợi chu kỳ bus Bộ nhớ xen kẽ chia thành hai phần phần có địa 32 bit 00000000h-00000003h, 000008-00000B… phần lại có địa 000004h-000007h, 00000C00000F…trong vi xử lý truy cập tới vùng nhớ 000000-000007h logic điều khiển xen kẽ tạo tín hiệu định thời địa cho vùng nhớ 000004h000007h Quá trình liên tục vi xử lý đưa địa vùng nhớ liên tiếp Thời gian truy nhập nhớ nhờ kỹ thuật xen kẽ tăng từ 78ns đến 145.5ns với nhịp đồng hồ hệ thống 16Mhz kỹ thuật đường ống đặc điểm nhằm giảm thời gian cho hệ thống tốc độ chậm Đánh địa ô nhớ VXL Intel 32bit sử dụng ghi mô tả tương tự 80286 Trong 80286 VXL Intel 32bit ghi mô tả có độ dài byte chứa thông tin vị trí đoạn cần truy nhập Thanh ghi chọn VXL Intel 32bit sử dụng số để trỏ tới ghi mô tả nằm bảng mô tả - Sự khác 80286 Intel 32bit Intel 32bit có thêm ghi đoạn FS CS có thêm ghi mô tả cho đoạn Ngoài ra, ghi mô tả VXL Intel 32bit sử dụng địa sở 32 bit giá trị giới hạn đoạn cho địa sở 24 bit giá trị Limit 16bit ghi mô tả 80286 Như vậy, VXL Intel 32bit đánh địa tới 4GB nhớ phân nhớ thành đoạn kích thước tới MB - Thanh ghi mô tả VXL Intel 32bit bao gồm : địa sở đoạn giới hạn đoạn 24 Phân tích kiến trúc nguyên lý làm việc vi xử lý 32 bits Intel quyền truy cập tới đoạn Giá trị ghi chọn mã 13 bit xác định 8192 ghi mô tả bảng mô tả đoạn Giá trị ghi chọn có bit TI bit RPL Nếu TI=0 chọn bảng GDT TI=1 chọn bảng LDT Ngoài GDT LDT, có bảng mô tả ngắt hay cổng VXL Intel 32bit có loại bảng mô tả: GDT, LDT, IDT để quản lý chúng có ghi GDTR, LDTR, IDTR Những ghi nạp giá trị nhờ lệnh tương ứng:LGDT, LLDT, LIDT Các ghi mô tả có hai dạng: ghi mô tả đoạn ghi mô tả hệ thống Thanh ghi mô tả đoạn xác định đoạn liệu, đoạn ngăn xếp đoạn mã Còn ghi mô tả hệ thống chứa thông tin bảng, nhiệm vụ cổng hệ thống Còn ghi mô tả hệ thống chứa thông tin bảng nhiệm vụ cổng hệ thống Thanh ghi mô tả hệ thống Intel 32bit sử dụng Intel 32bit chế độ bảo vệ Giá trị bit Type Access Rights ghi mô tả hệ thống cho ta 16 tổ hợp có ý nghĩa Kiến trúc tập lệnh: VXL Intel 32bit có tập lệnh lớn phức tạp loại VXL kiến trúc CISC( complex Instructions Set Computer) Mod Ss index base Add disp imm Mã lệnh (2 bytes); mod r/m byte ( byte); s-i-b byte(1byte);(1,2,4 byte) Trong đó: mod r/m byte : bit chế độ ( mod) bit r/m ( ghi/bộ nhớ) tạo bit dùng để chế độ địa cho toàn hạng lệnh s-i-b-byte: bit cho ss( chế độ địa số) bit cho index( ghi số) bit cho base ( ghi sở) Add disp ( address displacement): địa dịch chuyển có không Imm (immediate data): liệu tức ( chế độ địa tức thì) có không Một số đặc điểm kiến trúc CISC sử lý lệnh lớn lệnh nhiều lệnh thực tính toán có mức phù hợp cao Đặc điểm phù hợp với nghiên cứu năm 70, nhiều lệnh phức hợp tạo CPU mà người lập trình hay biên dịch không sử dụng đến Kinh phí lớn cho việc gắn số lượng lớn lệnh vào CPU cộng với công việc 60% transitor chip giải mã lệnh sử dụng Đó số điểm hạn chế kiến trúc CISC Bộ xử lý CISC lệnh 1.2 chí byte Kích thước thay đổi đặc điểm làm cho công việc giải mã lệnh khó khăn nhiều Dữ liệu sử lý nhớ Và để khắc phục hạn chế CISC đời với kế thừa điểm tốt CISC thay đổi số đặc điểm để phù hợp với công nghệ ngày Công nghệ mới: VXL Intel 32bit sử dụng ghi 32 bit cho phép tăng không gian nhớ lên đến GB với băng nhớ, không gian địa ảo lên tới 64 GB Tiêu biểu 25 Phân tích kiến trúc nguyên lý làm việc vi xử lý 32 bits Intel dòng VXL 80386 Ngoài ra, VXL Intel 32bit có số ghi đặc biệt mà VXL trước không có: ghi gỡ rối ( DR0-DR4) kiểm tra (TR0-TR4) ghi điều khiển (CR0- CR4) VXL Intel 32bit có chế độ 8086 ảo cho phép chuyển đổi dễ dàng chế độ thực 8086 chế độ bảo vệ điểm khác biệt so với 80286 VXL Intel 32bit có tốc độ vượt trội mà loại DRAM vào thời điểm tương thích được, VXL Intel 32bit sử dụng phương pháp nhớ trung gian tốc độ nhanh mà hệ trước chưa có Sau thành công vi xử lý 80386 hàng loạt vi xử lý đại đời khắc phục nhược điểm kế thừa ưu điểm bổ sung thêm số phần so với vi xử lý 80386 ví dụ vi xử lý Intel: 80486, pentium I, pentium II, pentium III, pentium pro… vi xử lý hẳn vi xử lý 80386 tốc độ truy nhập khả xử lý lưu liệu câc ghi Hiện giới nói đến chip điện tử người ta nghĩ đến tập đoàn Intel Không dừng lại chip 80386 Intel thể sức mạnh việc cho đời vi xử lý 80486 với tính vượt trội so với 80386 diện đồng xử lý dấu chấm động, điều khiển nhớ K nhớ ( cache) truy nhập nhanh chip đơn Thêm vào 80486 nhanh 80386 từ đến lần thích hợp với hệ thống đa xử lý Với tốc độ xử lý 35 MHZ phiên có tốc độ 33 MHZ 50 MHZ , Chip 80486 SX đươc sản xuất vào năm 1991 phiên giá thành thấp 80486 có nhiều nét giống 80486 DX đồng xử lý dấu chấm động Năm 1992, 80486 tăng cường tốc độ phiên DX2, DZ4 ta có số điển hình sau: 40MHZ DX2 cho PC có tốc độ bus cao 16 MHZ 20 MHZ 50 MHZ DX2 cho PC có tốc độ bus cao 25 MHZ 66 MHZ DX2 cho PC có tốc độ bus cao 33 MHz 100 MHz DX4 cho PC có tốc độ bus cao 100 MHz Tháng 10 năm 1992 Intel công bố chip Pentium hay gọi chip 80586 chíp xuất thị trường vào tháng năm 1993 Pentium hoàn toàn tương thích với chip trước 80386 80486 có nhiều đặc trưng khác biệt Pentium có khả thực hai chương trình lúc gọi công nghệ siệu bo hướng công nghệ có khả kết hợp với có tập thị thu nhỏ RIC Pentium tương thích 100% với phần mềm 80386 80486 có thời gian thực thi nhanh nhiều, Intel phát triển nhiều trình biên dịch đẻ tận dụng khả mạnh mẽ chip Pentium 32 bit địa 64 bit liệu có ghi 32 bit bên Pentium có hai nhớ truy cập nhanh (cache) bên có K kèm theo điều khiển cache Pentium có tốc độ bus cao vượt trội loại khác trước 75/100/120/133/150 Mhz Pentium có nhiều hệ, hệ có tốc độ 60.66 Mhz, tích hơp khoảng 3.3 triệu transitor chip Pentium hệ thứ hai có phiên 75/100/120/133/150/166/200 Mhz, tích hợp 3.3 transistor chip (các tốc độ bus board mẹ nhân với hệ số, thường 1.5,2,2.5,3) hệ thứ có loại như: pentium MMX công bố vào tháng năm 1997 có phiên 26 Phân tích kiến trúc nguyên lý làm việc vi xử lý 32 bits Intel 166/200/233 với 4.5 triệu transistor chip Công nghệ MMX Intel sử dụng để đáp ứng nhu cầu truyền thông đa phương tiện Pentium MMX có thêm 57 thị để quản lý liệu video, âm đồ hoạ Tháng năm 1997, Intel bắt đầu công bố chip pentium II có loại tốc độ bus 233/266/300 Mhz với tích hợp 7.5 triệu transistor chip Pentium chip có bus cache tích hợp 64 bit, bus liệu bên 64 bit có tốc độ rộng bên 300 bit Một thời gian ngắn sau đó, pentium III đời với phiên có tốc độ bus 300/500/800 Mhz Hiện máy tính đời dùng chip Intel pentium IV, hỗ trợ Hyper Threading Technology( HT Technologi) Đây tiến lớn sản phẩm Intel Bộ vi xử lý Pentium IV thiết kế tăng cường hiệu công việc hỗ trợ mạng cá nhân ứng dụng Internet, xử lý ảnh , ứng dụng 3D, game… dòng sản phẩm CPU Pentium IV Extreme Edition có tốc độ 3.2Ghz Pentium IV có tốc độ 3.20; 2.80; 2.60; 2.40 có bus hệ thống 800MHz 3.20; 2.80; 2.66; 2.53; 2.40 Bus 400MHz có loại 2.60; 2.50; 2.40 Chúng tích hợp cache L3 dugn lượng MB có CPU Pentium IV Extreme Edition tốc độ 3.20 GHz,các loại khác không tích hợp nhớ cache dung lượng 512 KB có Pentium IV tốc độ từ 2.40 đén 3.20 GHz bao gồm 3.20; 2.80; 2.60 GHz với bus hẹ thống 800 MHz Việc ứng dụng công nghệ HT Technology nói đaz giúp cho người sử dụng Pentium IV triển khai nhiều ứng dụng mạnh mà đạt hiệu suất làm việc tối đa.Người sử dụng sử dụng nhiều chương trình, xử l ý thông tin lúc mà không sợ bị treo hệ thống.Sự phát triển tập đoàn Intel đI với phát triển công nghiệp máy tính.Từ CPU bit có CPU 64 bit với vô số tính ưu việt tốc độ, độ bền, độ tiết kiệm điện với xu giá ngày phải chắn Internet vô số dự định phát triển tương lai để đưa đén cho vi xử lý mạnh mẽ nhất, đáp ứng nhu cầu xử lý thông tin ngày cao toàn giới 27 Phân tích kiến trúc nguyên lý làm việc vi xử lý 32 bits Intel THỰC HIỆN Lớp: KHMT1-K7 Khoa: Công Nghệ Thông Tin Trường: ĐH Công Nghiệp HN Nhóm: thành viên • Đào Văn Hải • Hoàng Đình Giáp • Đồng Phú Hảo • Lê Thị Thu Hằng • Nghiêm Xuân Hải 28 [...].. .Phân tích kiến trúc và nguyên lý làm vi c của bộ vi xử lý 32 bits của Intel II Cấu trúc và nguyên lý làm vi c của VLX Intel 32 bit: 1 Đặc điểm: Các bộ vi xử lý 32bit của intel là một bước nhảy vọt trong lĩnh vực thiết kết chip điện tử Đặc điểm lớn nhất của dòng vi xử lý 32bit là nó có khả năng xử lý đa nhiệm, giúp cho máy vi tính có thể chạy được nhiều chương trình cùng một lúc 2 Cấu trúc khối:... PE=1 Bộ vi xử lý hoạt động trong chế độ thực khi PE=0 Cờ này không trực tiếp cho phép phân trang Để phân trang cờ PE và PG đều cần được đặt lên 1 19 Phân tích kiến trúc và nguyên lý làm vi c của bộ vi xử lý 32 bits của Intel - Cờ cấm đệm mức trang PCD ( bít 4 của CRE3) kiểm tra đệm của thư mục trang hiện thời Khi PCD =1 thư mục trang không được đệm Cờ này chỉ quản lý bộ nhớ đệm bên trong bộ vi xử lý Bộ. .. hay bốn vi lệnh Bộ giải mã cũng chịu trách nhiệm giải mã phần đầu lệnh và lệnh quay vòng Bộ giải mã lệnh có thể tạo ra đến 6 vi lệnh trong một chu kỳ đồng hồ (2 từ hai bộ giải mã lệnh đơn giản và 4 từ bộ giải mã lệnh phức tạp) 13 Phân tích kiến trúc và nguyên lý làm vi c của bộ vi xử lý 32 bits của Intel f Khối các chức năng đặc biệt: Gồm : - Khối xử lý đồ hoạ - Khối xử lý tín hiệu : những bộ có khả... trị giới hạn đoạn cho địa chỉ cơ sở 24 bit và giá trị Limit 16bit của các thanh ghi mô tả trong 80286 Như vậy, VXL Intel 32bit đánh địa chỉ tới 4GB nhớ và phân bộ nhớ thành các đoạn kích thước tới 1 MB - Thanh ghi mô tả của VXL Intel 32bit cũng bao gồm : địa chỉ cơ sở đoạn giới hạn đoạn và 24 Phân tích kiến trúc và nguyên lý làm vi c của bộ vi xử lý 32 bits của Intel quyền truy cập tới đoạn Giá trị thanh... CS chứa bộ chọn đoạn mã lệnh DS và ES chứa bộ chọn đoạn dữ liệu SS chứa bộ chọn đoạn ngăn xếp - Con trỏ lệnh 16 bit IP được ánh xạ vào 16 bit thấp của EIP - Thanh ghi cờ 16 bitFLAGS được ánh xạ vào 16 bit thấp của FLAGS - Mọi mã lệnh của 8086 đều dùng được 20 Phân tích kiến trúc và nguyên lý làm vi c của bộ vi xử lý 32 bits của Intel Một ngăn xếp có chiều rộng 16 bit dành cho tiểu trình, ngắt và ngoại... trong địa chỉ vật lý Vị trí của trang ( hay còn gọi là khung trang được xác định qua hai dạng cấu trúc hệ thống : • Một thư mục trang • Nhiều bảng trang 12 Phân tích kiến trúc và nguyên lý làm vi c của bộ vi xử lý 32 bits của Intel Cả hai cấu trúc đều nằm trong bộ nhớ vật lý Dữ liệu lưu trữ trong thư mục trang bao gồm địa chỉ cơ sở của bảng trang, quyền truy nhập và thông tin quản lý bộ nhớ Dữ liệu lưu... 8086 không 23 Phân tích kiến trúc và nguyên lý làm vi c của bộ vi xử lý 32 bits của Intel - Khi kiểm tra các lệnh được ưu tiên, khi truy nhập trang ( chế độ địa chỉ ảo chỉ hoạt động trên mức ưu tiên số 3) 4 Hệ thống vào ra: a Hệ thống vào ra(I/O system) của VXL Intel 32bit dựa trên nguyên tắc chung đã dùng chung cho các loại 8086/8088 có 64 kb khác nhau của không gian vào/ ra Địa chỉ cổng vào ra xuất... và nguyên lý làm vi c của bộ vi xử lý 32 bits của Intel - - - Gbyte Bằng cách đặt kích thước đoạn lên 4 Gbyte bộ vi xử lý tránh được sự xuất hiện của ngoại lệ tràn đoạn Mô hình phẳng bảo vệ Tương tự mô hình phẳng cơ sở điểm khác biệt duy nhất là kích thước đoạn được đặt đúng bằng kích thước bộ nhớ vật lý đang tồn tại Ngoại lệ lỗi bảo vệ xuất hiện khi bộ vi xử lý truy nhập ra ngoài vùng bộ nhớ vật lý. .. bit với vô số các tính năng ưu vi t về tốc độ, độ bền, độ tiết kiệm điện và với xu thế giá cả ngày càng phải chăng chắc chắn Internet còn vô số dự định phát triển trong tương lai để đưa đén cho chúng ta những bộ vi xử lý mạnh mẽ nhất, đáp ứng nhu cầu xử lý thông tin ngày càng cao của toàn thế giới 27 Phân tích kiến trúc và nguyên lý làm vi c của bộ vi xử lý 32 bits của Intel THỰC HIỆN Lớp: KHMT1-K7... cục GDTR: 17 Phân tích kiến trúc và nguyên lý làm vi c của bộ vi xử lý 32 bits của Intel Thanh ghi bảng cục bộ mô tả toàn cục GDTR lưu trữ 32 bít địa chỉ cơ sở và 16 bit kích thước của bảng mô tả toàn cục Địa chỉ cơ sở là địa chỉ tuyến tính (vật lý ) của byte đầu tiên trong bảng Kích thước cho biết số byte tối đa có thể lưu trữ được trong bảng Để nạp và ghi lên GDTR ta dùng lệnh LGDT và lệnh SGDT Khi .. .Phân tích kiến trúc nguyên lý làm vi c vi xử lý 32 bits Intel KIẾN TRÚC MÁY TÍNH PHÂN TÍCH KIẾN TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VI C CỦA BỘ VXL 32 BIT CỦA INTEL Lớp: KHMT1-K7 Khoa:... trở đi, Intel bắt đầu sản xuất chip lõi kép Phân tích kiến trúc nguyên lý làm vi c vi xử lý 32 bits Intel PHẦN VI XỬ LÝ 32 BIT CỦA INTEL I Một số Vi xử lý 32bit tiêu biểu Intel: Intel 386... GHz), P4 EE 3.4 (3,4 GHz) 10 Phân tích kiến trúc nguyên lý làm vi c vi xử lý 32 bits Intel II Cấu trúc nguyên lý làm vi c VLX Intel 32 bit: Đặc điểm: Các vi xử lý 32bit intel bước nhảy vọt lĩnh vực