Bài giảng Kỹ thuật vi xử lý

143 trang phuongnguyen 3580

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kỹ thuật vi xử lý", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_ky_thuat_vi_xu_ly.pdf

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật vi xử lý

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG PHẠM HOÀNG DUY HOÀNG XUÂN DẬU BÀI GIẢNG KỸ THUẬT VI XỬ LÝ HÀ NỘI 2013
LỜI NÓI ĐẦU Các bộ vi xử lý ngày càng được sử dụng phổ biến trong công nghiệp và trong đời sống hàng này, như trong các hệ thống tính toán, các hệ thống thông tin liên lạc và các hệ thống điều khiển Bài giảng môn học Kỹ thuật vi xử lý tập trung giới thiệu bộ vi xử lý Intel 8086 và các ghép nối tiêu biểu để tạo nên hệ vi xử lý. Hệ vi xử lý dựa trên bộ vi xử lý Intel 8086 tương đối đơn giản, dễ hiểu và bổ ích cho việc tìm hiểu cũng như phát triển các hệ vi xử lý phức tạp. Bài giảng được cấu trúc thành 7 chương, với các nội dung như sau: Chương 1 giới thiệu các khái niệm tổng quan về vi xử lý, hệ vi xử lý và các bộ phận căn bản cấu thành hệ vi xử lý nói chung. Chương này cũng tóm tắt quá trình phát triển và phân loại các bộ vi xử lý đến nay. Chương 2 trình bày chi tiết về vi xử lý Intel 8086 bao gồm sơ đồ khối và cách tổ chức bộ nhớ. Ngoài ra, chương này giới thiệu tập lệnh x86 và quá trình thực hiện lệnh. Chương 3 cung cấp các kiến thức căn bản để lập trình với vi xử lý 8086 bằng cách giới thiệu các cấu trúc chương trình và các cấu trúc rẽ nhánh và lặp tiêu biểu kết hợp với các ví dụ. Chương 4 tập trung giới thiệu các phương pháp ghép nối vi xử lý 8086 với các thiết bị khác để tạo thành hệ vi xử lý căn bản. Chương này trình bày chu trình đọc/ghi của vi xử lý 8086. Đây là cơ sở để tiến hành ghép nối dữ liệu với các thiết bị khác như bộ nhớ hay các thiết bị vào/ra khác. Chương này giới thiệu cơ chế truyền thông nối tiếp và phương pháp ghép nối với vi xử lý 8086. Chương 5 cung cấp các kiến thức căn bản về các phương pháp trao đổi dữ liệu với các thiết bị ghép nối với hệ vi xử lý nói chung bao gồm vào/ra thăm dò (lập trình), vào/ra sử dụng ngắt và vào/ra trực tiếp bộ nhớ. Trong ba phương pháp, vào/ra trực tiếp bộ nhớ cho phép trao đổi khối lượng dữ liệu lớn với tốc độ cao và cần có vi mạch hỗ trợ đặc biệt. Chương này cũng giới thiệu vi mạch trợ giúp cho các phương pháp vào ra như vi mạch điều khiển ngắt, vi mạch điều khiển vào ra trực tiếp bộ nhớ. Chương 6 trình bày sơ bộ các khái niệm về các hệ vi điều khiển (hay hệ vi xử lý trên một vi mạch). Chương này còn cung cấp các thông tin căn bản về hệ vi điều khiển Intel 8051 và một số ứng dụng. Chương 7, chương cuối cùng, giới thiệu một số bộ vi xử lý tiên tiến của Sun Microsystems và Intel dựa trên kiến trúc IA-32 và IA-64, và một số công nghệ mới được giới thiệu trong các bộ vi xử lý tiên tiến. 1
Tài liệu được biên soạn dựa trên cuốn “Kỹ thuật Vi xử lý” của tác giả Văn Thế Minh, các tài liệu tham khảo khác, và dựa trên trao đổi kinh nghiệm giảng dạy với các đồng nghiệp và phản hồi của sinh viên tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Tài liệu có thể được dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên đại học, cao đẳng ngành công nghệ thông tin. Trong quá trình biên soạn, dù đã có nhiều cố gắng song không tránh khỏi thiếu sót, nhóm tác giả mong nhận được các góp ý cho các thiếu sót cũng như ý kiến cập nhật và hoàn thiện nội dung của tài liệu. Hà nội, 2013 Nhóm tác giả 2
MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 MỤC LỤC 3 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VI XỬ LÝ VÀ HỆ VI XỬ LÝ 7 1. GIỚI THIỆU VỀ VI XỬ LÍ 7 2. HỆ VI XỬ LÍ 7 3. CÁC ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC CỦA VI XỬ LÍ 10 3.1 Cấu trúc căn bản 10 3.1.1 Các thanh ghi 10 3.1.2 Đơn vị xử lý số học và lô-gíc ALU 11 3.1.3 Đơn vị điều khiển CU 11 3.1.4 Kiến trúc RISC và CISC 12 4. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ PHÂN LOẠI CÁC BỘ VI XỬ LÍ 13 4.1 Giai đoạn 1971-1973 13 4.2 Giai đoạn 1974-1977 14 4.3 Giai đoạn 1978-1982 14 4.4 Giai đoạn 1983-1999 14 4.5 Giai đoạn 2000-2006 15 4.6 Giai đoạn 2007-nay 16 Chương 2. BỘ XỬ LÝ INTEL 8086 17 1. CẤU TRÚC BÊN TRONG CỦA 8086 17 1.1 Sơ đồ khối 17 1.1.1 Đơn vị giao tiếp bus BIU và đơn vị thực thi EU 17 1.1.2 Các thanh ghi 18 1.2 Phân đoạn bộ nhớ của 8086 20 2. BỘ ĐỒNG XỬ LÍ TOÁN HỌC 8087 22 3. TẬP LỆNH CỦA 8086 23 3.1 Khái niệm lệnh, mã hoá lệnh và quá trình thực hiện lệnh 23 3.2 Các chế độ địa chỉ của 8086 24 3.2.1 Chế độ địa chỉ thanh ghi 25 3.2.2 Chế độ địa chỉ tức thì 25 3
MỤC LỤC 3.2.3 Chế độ địa chỉ trực tiếp 25 3.2.4 Chế độ gián tiếp qua thanh ghi 25 3.2.5 Chế độ địa chỉ tương đối cơ sở 26 3.2.6 Chế độ địa chỉ tương đối chỉ số 26 3.2.7 Chế độ địa chỉ tương đối chỉ số cơ sở 27 3.2.8 Phương pháp bỏ ngầm định thanh ghi đoạn 27 3.3 Tập lệnh của 8086 27 3.3.1 Các lệnh trao đổi dữ liệu 28 3.3.2 Các lệnh tính toán số học và lô gíc 29 3.3.3 Điều khiển, rẽ nhánh và lặp 33 3.3.4 Điều khiển vi xử lý 34 4. NGẮT VÀ XỬ LÍ NGẮT TRONG 8086 34 4.1 Sự cần thiết phải ngắt CPU 34 4.2 Các loại ngắt trong hệ 8086 35 4.3 Đáp ứng của CPU khi có yêu cầu ngắt 36 4.4 Xử lý ưu tiên khi ngắt 37 Chương 3. LẬP TRÌNH HỢP NGỮ VỚI 8086 39 1. GIỚI THIỆU KHUNG CỦA CHƯƠNG TRÌNH HỢP NGỮ 39 1.1 Cú pháp của chương trình hợp ngữ 39 1.2 Dữ liệu cho chương trình 40 1.2.1 Biến và hằng 40 1.2.2 Khung của một chương trình hợp ngữ 43 2. CÁCH TẠO VÀ CHẠY CHƯƠNG TRÌNH HỢP NGỮ 50 3. CÁC CẤU TRÚC LẬP TRÌNH CƠ BẢN 51 3.1 Cấu trúc tuần tự 52 3.2 Cấu trúc IF - THEN 52 3.3 Cấu trúc IF - THEN - ELSE 53 3.4 Cấu trúc CASE 53 3.5 Cấu trúc lặp FOR - DO 54 3.6 Cấu trúc lặp WHILE - DO 55 3.7 Cấu trúc lặp REPEAT - UNTIL 56 4. MỘT SỐ VÍ DỤ 57 4.1 Ví dụ 1 58 4.2 Ví dụ 2 59 4
MỤC LỤC 4.3 Ví dụ 3 60 4.4 Ví dụ 4 62 4.5 Ví dụ 5 63 Chương 4. PHỐI GHÉP VI XỬ LÍ VỚI BỘ NHỚ VÀ CÁC THIẾT BỊ VÀO/RA 64 1. CÁC TÍN HIỆU CỦA VI XỬ LÍ VÀ CÁC MẠCH PHỤ TRỢ 64 1.1 Các tín hiệu của 8086 64 1.2 Phân kênh để tách thông tin và việc đệm cho các bus 68 1.3 Mạch tạo xung nhịp 8284 69 1.4 Mạch điều khiển bus 8288 71 1.5 Biểu đồ thời gian của các lệnh ghi/đọc 72 2. PHỐI GHÉP VI XỬ LÍ VỚI BỘ NHỚ 74 2.1 Giới thiệu bộ nhớ 74 2.2 Giải mã địa chỉ cho bộ nhớ 76 2.2.1 Giới thiệu 76 2.2.2 Thực hiện mạch giải mã bằng các mạch lô-gíc đơn giản 77 2.2.3 Thực hiện bộ giải mã dùng mạch giải mã tích hợp 78 2.2.4 Thực hiện bộ giải mã dùng PROM 80 3. PHỐI GHÉP VI XỬ LÍ VỚI THIẾT BỊ VÀO RA 81 3.1 Giới thiệu về thiết bị vào/ra 81 3.2 Giải mã địa chỉ thiết bị vào ra 82 3.2.1 Giới thiệu 82 3.2.2 Các mạch cổng đơn giản 83 4. GIỚI THIỆU MỘT SỐ VI MẠCH HỖ TRỢ VÀO RA 85 4.1 Ghép nối song song dùng 8255A 85 4.1.1 Giới thiệu 85 4.1.2 Lập trình 8255A 89 4.2 Truyền thông nối tiếp 90 4.2.1 Mạch USART 8251A 92 Chương 5. CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀO RA DỮ LIỆU 98 1. GIỚI THIỆU 98 2. VÀO/RA BẰNG PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ 99 3. VÀO/RA BẰNG NGẮT 100 3.1 Giới thiệu 100 5
MỤC LỤC 3.2 Bộ xử lý ngắt ưu tiên PIC 8259A 100 3.2.1 Các khối chức năng chính của 8259A 100 3.2.2 Các tín hiệu của 8259A 101 3.2.3 Lập trình cho PIC 8259A 102 4. VÀO/RA BẰNG TRUY NHẬP TRỰC TIẾP BỘ NHỚ 110 4.1 Khái niệm về phương pháp truy nhập trực tiếp vào bộ nhớ 110 4.2 Các phương pháp trao đổi dữ liệu 112 4.2.1 Trao đổi cả một mảng dữ liệu 112 4.2.2 Treo CPU để trao đổi từng byte 113 4.2.3 Tận dụng thời gian CPU không dùng bus để trao đổi dữ liệu 113 4.3 Bộ điều khiển truy nhập trực tiếp bộ nhớ Intel 8237A 113 4.3.1 Giới thiệu 113 4.3.2 Các tín hiệu của 8237A 114 4.3.3 Các thanh ghi bên trong của DMAC 8237A 116 4.3.4 Các lệnh đặc biệt cho DMAC 8237A 120 4.3.5 Lập trình cho các thanh ghi địa chỉ và thanh ghi số đếm 121 Chương 6. CÁC BỘ VI ĐIỀU KHIỂN 124 1. GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC HỆ NHÚNG 124 1.1 Giới thiệu 124 1.2 Các kiểu vi điều khiển 124 2. HỌ VI ĐIỀU KHIỂN Intel 8051 125 2.1 Sơ đồ khối 126 2.2 Các thanh ghi 128 2.3 Tập lệnh 129 3. GIỚI THIỆU MỘT SỐ ỨNG DỤNG TIÊU BIỂU CỦA VI ĐIỀU KHIỂN 129 3.1 Chuyển đổi số tương tự (D/A) 129 3.2 Chuyến đổi tương tự số (A/D) 131 Chương 7. GIỚI THIỆU MỘT SỐ VI XỬ LÍ TIÊN TIẾN 133 1. CÁC VI XỬ LÍ TIÊN TIẾN DỰA TRÊN KIẾN TRÚC INTEL IA-32 133 1.1 Giới thiệu IA-32 133 1.2 Các vi xử lý hỗ trợ IA-32 135 2. CÁC VI XỬ LÍ TIÊN TIẾN DỰA TRÊN KIẾN TRÚC INTEL IA-64 136 3. CÁC VI XỬ LÍ TIÊN TIẾN CỦA SUN MICROSYSTEMS 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO 141 6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VI XỬ LÍ VÀ HỆ VI XỬ LÍ Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VI XỬ LÝ VÀ HỆ VI XỬ LÝ 1. GIỚI THIỆU VỀ VI XỬ LÍ Một máy tính thông thường bao gồm các khối chức năng cơ bản, như khối xử lí trung tâm (CPU - Central Processing Unit), bộ nhớ trong và khối phối ghép với thiết bị ngoại vi (I/O - Input/Output). Tuỳ theo quy mô, độ phức tạp và hiệu năng của các khối chức năng kể trên mà người ta chia các máy tính điện tử đã và đang sử dụng ra thành các loại sau: Máy tính lớn (Mainframe) là loại máy tính được thiết kế để giải các bài toán lớn với tốc độ cao. Máy tính này thường làm việc với số liệu từ 64 bít hoặc lớn hơn nữa và được trang bị nhiều bộ xử lý tốc độ cao và bộ nhớ rất lớn. Chính vì vậy máy tính cũng lớn về kích thước vật lý. Chúng thường được dùng để tính toán điều khiển các hệ thống thiết bị dùng trong quân sự hoặc trong các chương trình nghiên cứu vũ trụ, để xử lý các thông tin trong ngành ngân hàng, ngành khí tượng, các công ty tài chính, chứng khoán, bảo hiểm Máy tính con (Minicomputer) là một dạng thu nhỏ về kích thước cũng như về tính năng của máy tính lớn. Nó ra đời nhằm thoả mãn các nhu cầu sử dụng máy tính cho các ứng dụng vừa phải mà nếu dùng máy tính lớn vào đó thì sẽ gây lãng phí. Máy tính con thường được dùng cho các tính toán khoa học kỹ thuật, gia công dữ liệu quy mô nhỏ hay để điều khiển các quy trình công nghệ. Máy vi tính (Microcomputer) là loại máy tính rất thông dụng hiện nay. Một máy vi tính có thể là một bộ vi điều khiển (Microcontroller), một máy tính trong một vi mạch (one-chip microcomputer), và một hệ vi xử lí có khả năng làm việc với số liệu có độ dài 1 bít, 4 bít, 8 bít, 16 bít hoặc lớn hơn. Hiện nay, một số loại máy vi tính có năng lực xử lý tương đương với máy tính con, có thể làm việc với số liệu có độ dài từ là 32 bít và 64 bít. Ranh giới để phân chia giữa máy vi tính và máy tính con chính vì thế ngày càng không rõ nét. Các bộ vi xử lý hiện có tên thị trường thường được xếp theo các họ phụ thuộc vào các nhà sản xuất và chúng rất đa dạng về chủng loại. Các nhà sản xuất vi xử lý nổi tiếng có thể kể tới là hãng Intel với các vi xử lý họ x86, Core, Core i; Motorola với vi xử lý họ 680xx; Sun Microsystems với họ vi xử lý SPARC và AMD với các vi xử lý Althlon và Phenom. Tính đến thời điểm hiện nay các chương trình viết cho tập lệnh x86 và tương thích của Intel chiếm tỷ lệ áp đảo trong môi trường máy vi tính. 2. HỆ VI XỬ LÍ Bộ vi xử lý là một thành phần rất cơ bản, không thiếu được để tạo nên máy vi tính. Tuy nhiên, trong thực tế bộ vi xử lý còn phải có thể kết hợp thêm với các bộ phận điện tử khác như bộ nhớ và bộ phối ghép vào/ra để tạo nên một hệ vi xử lý (Microprocessing system) hoàn chỉnh. Cần lưu ý rằng, để chỉ một hệ thống có cấu trúc như trên, thuật ngữ “hệ vi xử lý” mang 7
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VI XỬ LÍ VÀ HỆ VI XỬ LÍ ý nghĩa tổng quát hơn so với thuật ngữ “máy vi tính”, vì máy vi tính chỉ là một dạng cụ thể của hệ vi xử lý. Hình 1-1 giới thiệu sơ đồ khối tổng quát của một hệ vi xử lý. Bus dữ liệu Bus điều khiển Bộ xử lý trung Bộ nhớ tâm Phối ghép vào/ra (ROM-RAM) (I/O) Thiết bị vào (CPU) Thiết bị ra Thanh ghi Thanh ghi Thanh ghi trong ngoài ngoài Bus địa chỉ Hình 1-1. Sơ đồ khối của hệ vi xử lý Trong sơ đồ Hình 1-1, ta thấy rõ các khối chức năng chính của hệ vi xử lý gồm: Khối xử lý trung tâm (CPU); Bộ nhớ bán dẫn (ROM-RAM); Khối phối ghép với các thiết bị ngoại vi (I/O Interface); Các bus truyền thông tin địa chỉ, dữ liệu và điều khiển. Ba khối chức năng CPU, Bộ nhớ và Khối phối ghép liên hệ với nhau thông qua tập các đường dây để truyền tín hiệu gọi chung là Bus hệ thống (System bus). Bus hệ thống bao gồm 3 bus thành phần bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển tương ứng để truyền dẫn các tín hiệu địa chỉ, dữ liệu và điều khiển. CPU đóng vai trò chủ đạo trong hệ vi xử lý. Đây là một mạch vi điện tử có mật độ tích hợp rất cao và có khả năng lập trình được. Khi hoạt động, CPU đọc mã lệnh được ghi dưới dạng các bít 0 và bít 1 từ bộ nhớ, sau đó sẽ giải mã các lệnh này thành các dãy xung điều khiển ứng với các thao tác trong lệnh để điều khiển các khối khác thực hiện từng bước các 8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VI XỬ LÍ VÀ HỆ VI XỬ LÍ thao tác đó. Để làm được việc này bên trong CPU có một thanh ghi dùng để chứa địa chỉ của lệnh tiếp theo được thực hiện, gọi là thanh ghi con trỏ lệnh (Instruction Pointer, IP) hoặc bộ đếm chương trình (Program Counter, PC), một số thanh ghi đa năng để lưu trữ địa chỉ dữ liệu tạm thời và bộ tính toán số học và lô-gíc (Arithmetic Logic Unit ALU) để thao tác với dữ liệu. Ngoài ra, CPU còn có bộ điều khiển (Control Unit, CU) để giải mã lệnh và từ đó tạo ra các xung điều khiển cho toàn hệ vi xử lý. Bộ nhớ bán dẫn hay còn gọi là bộ nhớ trong (Internal memory) là một bộ phận khác rất quan trọng của hệ vi xử lý. Bộ nhớ trong thường gồm bộ nhớ ROM và bộ nhớ RAM. Bộ nhớ ROM dùng để lưu chương trình điều khiển hoạt động của toàn hệ thống để khi bật điện thì CPU có thể lấy lệnh từ đây để khởi động hệ thống. Một phần của chương trình điều khiển hệ thống, các chương trình ứng dụng, dữ liệu cùng các kết quả của chương trình thường được đặt trong RAM. Các dữ liệu và chương trình cần lưu trữ lâu dài hoặc có dung lượng lớn sẽ được lưu ở bộ nhớ ngoài. Khối phối ghép vào/ra (I/O Interface) tạo ra khả năng giao tiếp giữa hệ vi xử lý với thế giới bên ngoài. Các thiết bị ngoại vi như bàn phím, chuột, màn hình, máy in, các bộ chuyển đổi số/tương tự (D/A Converter, DAC) và chuyển đổi tương tự/số (A/D Converter, ADC), các ổ đĩa,. . . đều giao tiếp với bộ vi xử lý thông qua bộ phận này. Bộ phận phối ghép cụ thể giữa bus hệ thống với thế giới bên ngoài thường được gọi là cổng (Port). Như vậy ta sẽ có các cổng vào để lấy thông tin từ ngoài vào và các cổng ra để đưa thông tin từ trong ra. Tùy theo nhu cầu cụ thể của công việc, các mạch cổng này có thể được xây dựng từ các mạch lôgic đơn giản hoặc từ các vi mạch chuyên dụng lập trình được. Bus địa chỉ (Address bus) trong hệ thống bus thường có 8, 16, 20, 24, 32 hay 64 đường dây song song chuyển tải thông tin của các bít địa chỉ. Khi đọc/ghi bộ nhớ, CPU sẽ đưa ra trên bus này địa chỉ của ô nhớ liên quan. Khả năng phân biệt địa chỉ (số lượng địa chỉ cho ô nhớ mà CPU có quản lý được) phụ thuộc vào số bít của bus địa chỉ. Ví dụ nếu một CPU có số đường dây địa chỉ là N=16 thì nó có khả năng địa chỉ hóa được 2N = 65536 =64 kilô ô nhớ khác nhau (1K= 210 =1024). Khi đọc/ghi với cổng vào/ra CPU cũng đưa ra trên bus địa chỉ các bít địa chỉ tương ứng của cổng. Trên sơ đồ khối ta dễ nhận ra tính một chiều của bus địa chỉ qua một chiều của mũi tên. Chỉ có CPU mới có khả năng đưa ra địa chỉ lên bus địa chỉ. Bus dữ liệu (data bus) thường có 8, 16, 32, 64 (hoặc hơn) đường dây tùy theo các bộ vi xử lý cụ thể. Số lượng đường dây của bus dữ liệu quyết định số bít dữ liệu mà CPU có khả năng xử lý cùng một lúc. Chiều mũi tên trên bus dữ liệu chỉ ra rằng đây là bus 2 chiều, nghĩa là dữ liệu có thể truyền đi từ CPU (dữ liệu ra) hoặc truyền đến CPU (dữ liệu vào). Các phần tử có đầu ra nối thẳng với bus dữ liệu đều phải được trang bị đầu ra 3 tạng thái để có thể ghép vào được và hoạt động bình thường với bus này. Bus điều khiển (control bus) thường gồm hàng chục đường dây tín hiệu khác nhau. Mỗi tín hiệu điều khiển có một chiều nhất định vì khi hoạt động CPU đưa tín hiệu điều khiển tới các khối khác trong hệ. Đồng thời, CPU cũng nhận tín hiệu điều khiển từ các khối đó để phối hợp hoạt động của toàn hệ. Các tín hiệu này trên hình vẽ được thể hiện bởi các đường có mũi tên 2 chiều, điều đó không phải là để chỉ tính hai chiều của một tín hiệu mà là tính hai chiều của cả một nhóm các tín hiệu. 9
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VI XỬ LÍ VÀ HỆ VI XỬ LÍ Có thể nói hoạt động của hệ vi xử lý trên cũng có thể coi như là quá trình trao đổi dữ liệu giữa các thanh ghi bên trong và thanh ghi ngoài thông qua bus hệ thống. Về mặt chức năng, mỗi khối trong hệ thống trên tương đương với các thanh ghi trong (nằm trong CPU) hoặc các thanh ghi ngoài (nằm rải rác trong bộ nhớ ROM, bộ nhớ RAM và trong khối phối ghép vào/ra). Hoạt động của toàn hệ thực chất là sự phối hợp hoạt động của các thanh ghi trong và ngoài nói trên để thực hiện sự biến đổi dữ liệu hoặc sự trao đổi dữ liệu theo các yêu cầu đã định trước. 3. CÁC ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC CỦA VI XỬ LÍ 3.1 Cấu trúc căn bản Như đã trình bày trong phần trên, vi xử lý chính là đơn vị xử lý trung tâm CPU của máy vi tính. Như vậy sức mạnh xử lý của máy vi tính được quyết định bởi năng lực của vi xử lý. Trên nguyên tắc, vi xử lý có thể được chia thành các đơn vị chức năng chính như trên Hình 1-2. 3.1.1 Các thanh ghi Số lượng, kích cỡ và kiểu của các thanh ghi thay đổi từ vi xử lý này sang vi xử lý khác. Tuy nhiên, các thanh ghi này thực hiện các thao tác tương tự nhau. Cấu trúc các thanh ghi đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế kiến trúc của vi xử lý. Đồng thời, cấu trúc thanh ghi với một loại vi xử lý cụ thể cho biết mức độ thuận lợi và dễ dùng khi lập trình cho vi xử lý đó. Dưới đây là các thanh ghi cơ bản nhất: i. Thanh ghi lệnh: lưu mã lệnh đang thực hiện. Sau khi nạp mã lệnh từ bộ nhớ, vi xử lý lưu mã lệnh trong thanh ghi lệnh. Giá trị trong thanh ghi này luôn được vi xử lý giải mã để xác định lệnh. Kích cỡ từ (word) của vi xử lý quyết định kích cỡ của thanh ghi này. Ví dụ, vi xử lý 32 bít thì sẽ có thanh ghi lệnh 32 bít. ii. Bộ đếm chương trình: chứa địa chỉ của lệnh hay mã thực thi (op-code) tiếp theo được thực hiện. Thanh ghi này có đặc điểm sau: 1. Khi một chương trình được nạp vào bộ nhớ, địa chỉ ô nhớ chứa lệnh đầu tiên của chương trình được nạp vào thanh ghi này. 2. Để thực hiện lệnh, vi xử lý nạp nội dung của bộ đếm chương trình vào bus địa chỉ và đọc ô nhớ ở địa chỉ đó. Giá trị của bộ đếm chương trình tự động tăng theo bộ lô-gíc trong của vi xử lý. Như vậy, vi xử lý thực hiện các lệnh tuần tự trừ phi chương trình có các lệnh làm thay đổi trật tự thực hiện. 3. Kích cỡ của bộ đếm chương trình phụ thuộc vào kích cỡ của bus địa chỉ. 4. Có một số lệnh (như các lệnh nhảy) làm thay đổi nội dung của bộ đếm chương trình so với trình tự thông thường. Khi đó, giá trị của thanh ghi được xác định thông qua địa chỉ được chỉ định trong các lệnh này. 10
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VI XỬ LÍ VÀ HỆ VI XỬ LÍ Các thanh ghi Đơn vị số học và lô-gíc ALU Thanh ghi lệnh u ệ li Thanh ghi địa chỉ ữ d Thanh ghi tạm Bus Đơn vị điều khiển CU Hình 1-2. Sơ đồ khối chức năng vi xử lý iii. Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ: chứa địa chỉ của dữ liệu. Vi xử lý sử dụng địa chỉ này như là các con trỏ trực tiếp tới bộ nhớ. Nội dung của ô nhớ có địa chỉ này chính là dữ liệu đang được trao đổi và xử lý. iv. Thanh ghi tổng: còn được gọi là thanh ghi tích lũy (accumulator). Thanh ghi này có kích thước 8, 16, 32 hoặc 64 bít và thường dùng thể lưu kết quả tính toán của đơn vị xử lý số học và lô-gíc ALU. Thanh ghi này còn được dùng để trao đổi dữ liệu với các thiết bị vào/ra. 3.1.2 Đơn vị xử lý số học và lô-gíc ALU ALU thực hiện tất cả các thao tác xử lý dữ liệu bên trong vi xử lý như là các phép toán lô-gíc, số học. Kích cỡ ALU tương ứng với kích cỡ từ của vi xử lý. Vi xử lý 32 bít sẽ có ALU 32 bít. ALU chứa nhiều khối chức năng thực hiện các thao tác trên các dữ liệu. Một vài chức năng tiêu biểu của ALU: 1. Thực hiện các phép toán số học số nguyên và các phép toán lô-gíc; 2. Tính số bù một của dữ liệu; 3. Dịch hoặc quay trái phải các thanh ghi dùng chung. 3.1.3 Đơn vị điều khiển CU Chức năng chính của đơn vị điều khiển CU là đọc và giải mã các lệnh của chương trình từ bộ nhớ. Để thực hiện lệnh, CU kích hoạt khối phù hợp trong ALU căn cứ vào mã lệnh (op- code) trong thanh ghi lệnh. Mã lệnh xác định các thao tác để CU thực thi. CU thông dịch nội dung của thanh ghi lệnh và sau đó sinh ra một chuỗi các tín hiệu điều khiển tương ứng với 11
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VI XỬ LÍ VÀ HỆ VI XỬ LÍ lệnh nhận được. Các tín hiệu điều khiển này kích hoạt các khối chức năng phù hợp bên trong ALU thực hiện lệnh. CU sinh ra các tín hiệu điều khiển và chuyển tới các thành phần khác của vi xử lý qua bus điều khiển. Ngoài ra, CU cũng đáp ứng lại các tín hiệu điều khiển trên bus điều khiển do các bộ phận khác gửi tới. Các tín hiệu này thay đổi theo từng loại vi xử lý. Một số tín hiệu điều khiển tiêu biểu như khởi động lại RESET, đọc ghi (R/W), tín hiệu ngắt (INT/IRQ), 3.1.3.a Thực hiện chương trình Để chạy chương trình, vi xử lý thường lặp lại các bước sau để hoàn thành việc thực hiện từng lệnh: 1. Nạp (Fetch). Vi xử lý nạp (đọc) lệnh từ bộ nhớ chính vào thanh ghi lệnh. 2. Giải mã (Decode). Vi xử lý giải mã hay dịch lệnh nhờ đơn vị điều khiển CU. CU nhập nội dung của thanh ghi lệnh và giải mã để xác định kiểu lệnh và các vi thao tác của lệnh. 3. Thực hiện (Execute). Vi xử lý thực hiện lệnh. Để hoàn thành nhiệm vụ, CU sinh ra một chuỗi các tín hiệu điều khiển tương ứng với lệnh và chuyển tới các đơn vị chức năng của ALU để thực hiện. 4. Lưu kết quả (Write back). Vi xử lý lưu kết quả thực hiện lệnh (nếu có) vào các thanh ghi. Quá trình trên được lặp đi lặp lại cho đến câu lệnh cuối cùng của chương trình. Trong các vi xử lý tiên tiến quá trình thực hiện lệnh được cải tiến cho phép nhiều lệnh được thực hiện xen kẽ với nhau. Tức là, câu lệnh kế tiếp sẽ được thực hiện mà không cần chờ câu lệnh hiện thời kết thúc. Kỹ thuật trên được gọi là kỹ thuật xử lý xen kẽ các dòng lệnh, hay kỹ thuật đường ống (pipeline). Việc thực hiện xen kẽ các lệnh cho phép nâng cao tốc độ thực hiện của vi xử lý và làm giảm thời gian chạy chương trình. 3.1.4 Kiến trúc RISC và CISC Có hai kiểu kiến trúc vi xử lý: kiến trúc với tập lệnh rút gọn (Reduced Instruction Set Computer-RISC) và kiến trúc với tập lệnh phức tạp (Complex Instruction Set Computer- CISC). Vi xử lý RISC nhấn mạnh tính đơn giản và hiệu quả. Các thiết kế RISC khởi đầu với tập lệnh thiết yếu và vừa đủ. RISC tăng tốc độ xử lý bằng cách giảm số chu kỳ đồng hồ trên một lệnh. Mục đích của RISC là tăng tốc độ hiệu dụng bằng cách chuyển việc thực hiện các thao tác không thường xuyên vào phần mềm còn các thao tác phổ biến do phần cứng thực hiện. Như vậy làm tăng hiệu năng của máy tính. Các đặc trưng căn bản của vi xử lý kiểu RISC: 1. Thiết kế vi xử lý RISC sử dụng điều khiển cứng (hardwared control), không hoặc rất ít sử dụng vi mã. Tất cả các lệnh RISC có định dạng cố định vì vậy việc sử dụng vi mã không cần thiết. 2. Vi xử lý RISC xử lý hầu hết các lệnh trong một chu kỳ. 12
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VI XỬ LÍ VÀ HỆ VI XỬ LÍ 3. Tập lệnh của vi xử lý RISC chủ yếu sử dụng các lệnh với thanh ghi, và các lệnh nạp và lưu. Tất cả các lệnh số học và lô-gíc sử dụng thanh ghi, còn các lệnh nạp và lưu dùng để truy nhập bộ nhớ. 4. Các lệnh có một số ít định dạng cố định và ít chế độ địa chỉ. 5. Vi xử lý RISC có một số thanh ghi dùng chung. 6. Vi xử lý RISC có thể xử lý một vài lệnh đồng thời và thường áp dụng kỹ thuật đường ống (pipeline). Vi xử lý RISC thường phù hợp với các ứng dụng điều khiển hay nhúng (Embeded systems). Vi xử lý hay bộ điều khiển nhúng thường được nhúng trong hệ thống chủ và để điều khiển hệ thống chủ. Ứng dụng điều khiển tiêu biểu cho ứng dụng nhúng là hệ thống tự động hóa văn phòng như máy in lazer, máy in đa chức năng. Vi xử lý RISC cũng rất phù hợp với các ứng dụng như xử lý ảnh, rô-bốt và đồ họa nhờ có mức tiêu thụ điện thấp, thực thi nhanh chóng. Khác với vi xử lý RISC, vi xử lý CISC bao gồm số lượng lớn các lệnh và nhiều chế độ địa chỉ, trong đó lệnh và chế độ địa chỉ rất ít được sử dụng. Ngược lại với RISC chỉ có các lệnh nạp và lưu thao tác với bộ nhớ, hầu hết các lệnh của vi xử lý CISC đều có thể truy nhập bộ nhớ. Do tập lệnh phức tạp, CISC cần đơn vị điều khiển phức tạp và vi chương trình. Trong khi đó, RISC sử dụng bộ điều khiển kết nối cứng nên nhanh hơn. Kiến trúc CISC khó triển khai kỹ thuật đường ống. Ưu điểm của CISC là các chương trình phức tạp có thể chỉ cần vài lệnh với vài chu trình nạp còn RISC cần một số lượng lớn các lệnh để thực hiện cùng nhiệm vụ. Tuy nhiên, RISC có thể cải thiện hiệu năng đáng kể nhờ xung nhịp nhanh hơn, kỹ thuật đường ống hiệu quả và tối ưu hóa quá trình biên dịch. Hiện nay, các vi xử lý CISC sử dụng phương pháp lai, với các lệnh đơn giản CISC sử dụng cách tiếp cận của RISC để thực thi xen kẽ (kỹ thuật đường ống) với các câu lệnh phức tạp sử dụng các vi chương trình để đảm bảo tính tương thích. 4. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ PHÂN LOẠI CÁC BỘ VI XỬ LÍ Phần này giới thiệu quá trính phát triển của các bộ vi xử lý qua các giai đoạn từ năm 1971 tập chung chủ yếu vào các sản phẩm của hãng Intel do đây là một trong những hãng sản xuất vi xử lý hàng đầu, đồng thời cũng là hãng triển khai nhiều công nghệ mới giúp nâng cao hiệu năng của vi xử lý, đặc biệt trong lĩnh vực máy vi tính. 4.1 Giai đoạn 1971-1973 Năm 1971, trong khi phát triển các vi mạch dùng cho máy tính cầm tay, Intel đã cho ra đời bộ vi xử lý đầu tiên là 4004 (4 bít). Đặc điểm chung của các vi xử lý thế hệ này là: Độ dài từ thường là 4 bít (cũng có thể dài hơn). Công nghệ chế tạo PMOS với đặc điểm mật độ phần tử nhỏ, tốc độ thấp, giá thành rẻ và có khả năng đưa ra dòng tải nhỏ. 13
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VI XỬ LÍ VÀ HỆ VI XỬ LÍ Tốc độ thực hiện lệnh: 10-16s/lệnh với tần số đồng hồ fclk = 0, 1- 0, 8 MHz. Tập lệnh đơn giản phải cần nhiều mạch phụ trợ mới tạo nên một hệ vi xử lý hoàn chỉnh. 4.2 Giai đoạn 1974-1977 Các bộ vi xử lý đại diện trong thế hệ này là các vi xử lý 8 bít 6502 của MOS Technology, 6800 và 6809 của Motorola, 8080 và 8085 của Intel và đặc biệt là bộ vi xử lý Z80 của Zilog. Các bộ vi xử lý này có tập lệnh phong phú hơn và thường có khả năng phân biệt địa chỉ bộ nhớ 16 bít với dung lượng đến 64KB. Có một số bộ vi xử lý còn có khả năng phân biệt được 256 địa chỉ cho các thiết bị ngoại vi (họ Intel và Zilog). Chúng đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Tất cả các bộ vi xử lý thời kì này đều được sản xuất bằng công nghệ NMOS (với mật độ linh kiện trên một đơn vị diện tích cao hơn so với công nghệ PMOS) hoặc CMOS (tiết kiệm điện năng tiêu thụ) cho phép đạt được tốc độ từ 1-8 s/lệnh với tần số đồng hồ fclk = 1-5 MHz. 4.3 Giai đoạn 1978-1982 Các bộ vi xử lý trong thế hệ này có đại diện là các bộ vi xử lý 16 bít 8086/80186/80286 của Intel hoặc 86000/86010 của Motorola. Ưu điểm hơn hẳn so với các bộ vi xử lý 8 bít thế hệ trước là các bộ vi xử lý 16 bít có tập lệnh đa dạng với các lệnh nhân, lệnh chia và các lệnh thao tác với chuỗi kí tự. Khả năng phân biệt địa chỉ cho bộ nhớ hoặc cho thiết bị ngoại vi của các vi xử lý thế hệ này cũng lớn hơn (từ 1MB đến 16 MB cho bộ nhớ và tới 64K địa chỉ cho thiết bị ngoại vi đối với họ Intel). Đây là các bộ vi xử lý được dùng trong các máy IBM PC, PC/XT, PC/AT và các máy Macintosh của Apple. Phần lớn các bộ vi xử lý trong thế hệ này đều được sản xuất bằng công nghệ HMOS và cho phép đạt được tốc độ từ 0, 1-1s/lệnh với tần số đồng hồ fclk = 5-10 MHz. 4.4 Giai đoạn 1983-1999 Các bộ vi xử lý đại diện trong thế hệ này là các vi xử lý 32 bít 80386/80486 và 64 bít Pentium của Intel, gồm có Pentium Pro với thiết kế bộ nhớ đệm tích hợp trên cùng vi mạch xử lý, Pentium MMX với các mở rộng cho đa phương tiện, Pentium II, Pentium III. Hãng Motorola cũng đưa ra các vi xử lý 32 bít 68020/68030/68040 và các vi xử lí 64 bít 68060/64. Đặc điểm của các bộ vi xử lý có số lượng transistor rất lớn (từ vài 3 triệu đến trên 50 triệu transistor. Phần lớn các bộ vi xử lí mới thực hiện nhiều hơn 1 lệnh trong một chu kỳ và tích hợp đơn vị xử lí dấu phẩy động FPU (Floating-Point Unit). Chúng có các thanh ghi dùng chung 16-32 bít. Nhiều loại có phân biệt các tệp thanh nghi 32 bít (register file) cho đơn vị nguyên IU (Interger unit) và tệp thanh ghi 32 bít cho FPU. Chúng có bộ nhớ đệm bên trong mức 1 với dung lượng lên tới 64 KB. Đa số bộ nhớ đệm mức 1 được phân đôi: dùng cho lệnh (Instruction cache-ICache) và dùng cho dữ liệu (Data cache-DCache). Các bộ vi xử lí công nghệ cao hiện nay (Advanced microprocessors) đã thoả mãn các yêu cầu chế tạo các máy tính lớn và các siêu máy tính. Các vi xử lí thời này có bus địa chỉ đều là 32 bít (phân biệt 4 GB bộ nhớ) và có khả năng làm việc với bộ nhớ ảo. Người ta cũng áp dụng các cơ chế hoặc các cấu trúc đã được sử dụng trong các máy tính lớn vào các bộ vi xử lí: cơ chế xử lý xen kẽ liên tục 14
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VI XỬ LÍ VÀ HỆ VI XỬ LÍ dòng mã lệnh (pipeline), bộ nhớ đệm (cache), bộ nhớ ảo. Các bộ vi xử lý này đều có bộ quản lý bộ nhớ (MMU). Chính nhờ các cải tiến đó mà các bộ vi xử lý thế hệ này có khả năng cạnh tranh được với các máy tính con (Minicomputer) trong rất nhiều lĩnh vực ứng dụng. Phần lớn các bộ vi xử lý thế hệ này đều được sản xuất bằng công nghệ HCMOS. Bên cạnh các bộ vi xử lý vạn năng truyền thống thường được sử dụng để xây dựng các máy tính với tập lệnh phức tạp (Complex instruction set computer, CISC) đã đề cập ở trên, trong thời gian này cũng xuất hiện các bộ vi xử lý cải tiến dùng để xây dựng các máy tính với tập lệnh rút gọn (Reduced instruction set computer, RISC) với nhiều tính năng có thể so sánh với các máy tính lớn ở các thế hệ trước. Đó là các bộ vi xử lý Alpha của Digital, PowerPC của tổ hợp hãng Apple- Motorola- IBM Sự ra đời của các vi xử lý loại RISC chính là sự bắt đầu cho một thế hệ khác trong lịch sử phát triển của các thế hệ vi xử lý. 4.5 Giai đoạn 2000-2006 Các vi xử lý Intel trong thời gian này thể hiện quan điểm nâng cao hiệu năng của bộ vi xử lý và hệ thống máy tính bằng việc nâng cao xung nhịp. Phiên bản Intel Pentium 4 đã tăng xung hịp từ 1,5 GHz năm 2000 tới 3GHz vào năm 2002. Vi kiến trúc tiêu biểu cho các vi xử lý này là Netburst với khả năng nâng cao xung nhịp gấp 4 lần xung nhịp của hệ thống. Ngoài ra, Intel giới thiệu công nghệ siêu phân luồng tăng hiệu năng cho hệ thống đa nhiệm và đa luồng. Công nghệ siêu phân luồng cho phép thực hiện 2 luồng ảo song song trên 1 bộ vi xử lý vật lý. Việc nâng cao xung nhịp nhanh chóng đẩy các bộ vi xử lý tới ngưỡng vật lý về điện và nhiệt năng tỏa ra. Thực tế cho thấy đây không phải là phương pháp hiệu quả để tăng hiệu năng của hệ thống. Hãng AMD, một trong những đối thủ cạnh tranh trực tiếp của Intel, nhấn mạnh việc tăng hiệu năng qua việc nâng cao tốc độ thực hiện các lệnh trong một chu kỳ máy. AMD là một trong những hãng đầu tiên tích hợp nhiều bộ giải mã và bộ điều khiển bộ nhớ vào bên trong đơn vị xử lý trung tâm CPU, và tăng kích thước bộ nhớ đệm mức 1 lên tới 128KB. Các bộ vi xử lý Athlon 64, Opteron là bộ vi xử lý tiêu biểu của AMD, có tốc độ xung nhịp thấp hơn như hiệu năng thì không hề thua kém các vi xử lý có xung nhịp cao hơn của Intel. Đặc biệt về mức tiêu thụ điện và mức tỏa nhiệt thì vi xử lý của AMD tốt hơn hẳn vi xử lý của Intel nhờ có các công nghệ kiểm soát tiêu thụ điện. Trong giai đoạn này cũng chứng kiến sự bùng nổ về việc phát triển bộ vi xử lý cho các máy tính xách tay. Yêu cầu rất quan trọng với thiết bị này là hiệu năng xử lý đủ mạnh nhưng mức tiêu thụ điện phải đủ thấp để máy tính có thể hoạt động lâu dài bằng pin. Các bộ vi xử lý di động của Intel Pentium Mobile đã triển khai các giải pháp dung hòa hai yêu cầu trên bằng các nâng cao khả năng xử lý lệnh trên 1 chu kỳ xung nhịp, nâng cao bộ nhớ đệm mức 2 lên 1MB, điều khiển xung nhịp vi xử lý (Speedstep) theo yêu cầu của ứng dụng. Bộ vi xử lý di động đầu tiên hoạt động ở tần số 1,6GHz có thể giảm xung nhịp xuống tới 200MHz khi rỗi, có hiệu năng tương đương với Pentium 4 ở tần số trên 2GHz. Một sự kiện quan trọng trong giai đoạn này là sự ra đời của các bộ vi xử lý 2 nhân cho các máy vi tính. Các hệ thống đa xử lý trước kia chỉ có trong môi trường máy chủ hoặc máy trạm hiệu năng cao. Năm 2005 Intel đưa ra vi xử lý đa nhân đầu tiên Pentium D với hai nhân 15
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VI XỬ LÍ VÀ HỆ VI XỬ LÍ vi xử lý riêng biệt trên cùng một vi mạch. Ngay sau đó, AMD cũng đưa ra vi xử lý đa nhân của mình Athlon×2. Thực tế cho thấy thiết kế vi xử lý 2 nhân của AMD mang lại hiệu năng tốt hơn so với vi xử lý 2 nhân của Intel. 4.6 Giai đoạn 2007-nay Giai đoạn này tiếp tục chứng kiến sự gia tăng số nhân bên trong bộ vi xử lý giữa các hãng sản xuất vi xử lý như Intel và AMD. Ngoài ra các yêu cầu về tiêu thụ điện và tỏa nhiệt của bộ vi xử lý cũng được quan tâm hơn. Intel giới thiệu vi kiến trúc nhân (Core micro- architecture) thay thế vi kiến trúc Netburst và đưa ra bộ vi xử lý hai nhân thế hệ 2 mới Core-2. Bộ vi xử lý này khắc phục các điểm yếu của thế hệ trước đó, đặc biệt về tương quan giữa hiệu năng và mức tiêu thụ điện. Năm 2006 chứng kiến sự kiện mới Intel đưa ra các bộ vi xử lý với bốn nhân cho môi trường máy chủ Intel Xeon Quadcore 5355 và máy vi tính Intel Core-2 Extreme QX6700. Việc kết hợp với công nghệ siêu phân luồng trong các bộ vi xử lý Core i5, i7 của Intel cho phép nâng số vi xử lý lô-gíc lên tới 8 cho các các chương trình ứng dụng. Bên cạnh các bộ vi xử lý cho máy PC và máy chủ, các hãng sản xuất vi xử lý cũng phát triển các dòng vi xử lý nhúng cho các thiết bị tính toán cá nhân. Ưu thế của các vi xử lý nhúng so với vi xử lý kể trên là mức tiêu thụ điện năng, năng lực xử lý và chi phí. Intel cung cấp các vi xử lý nhúng Atom có khả năng xử lý bằng một nửa Pentium M ở cùng xung nhịp với mức tiêu thụ điện rất thấp, khoảng 3W. Ngoài vi xử lý Intel Atom, trên thị trường còn có các vi xử lý dựa trên thiết kế của hãng ARM Holdings do các hãng nVidia, Samsung sản xuất, VIA Nano của hãng VIA, 16
CHƯƠNG 2. BÔ XỬ LÍ INTEL 8086/8088 Chương 2. BỘ XỬ LÝ INTEL 8086 1. CẤU TRÚC BÊN TRONG CỦA 8086 Intel 8086 là bộ vi xử lý 16 bít đầu tiên của Intel và là vi xử lý đầu tiên hỗ trợ tập lệnh x86. Vi xử lý được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, nhất là trong các máy IBM PC/XT. Các bộ vi xử lý thuộc họ này vẫn được sử dụng rộng rãi trong một thời gian dài do tính kế thừa của các sản phẩm trong họ x86. Các chương trình viết cho 8086 vẫn có thể chạy trên các hệ thống tiên tiến sau này. 1.1 Sơ đồ khối Hình 2-1. Sơ đồ khối 8086 Trong sơ đồ khối cho như trên Hình 2-1, vi xử lý 8086 có hai khối chính BIU và EU. Về chi tiết, vi xử lý này bao gồm các đơn vị điều khiển, số học và lô-gíc, hàng đợi lệnh và tập các thanh ghi. Chi tiết các khối và đơn vị chức năng này được trình bày trong phần tiếp sau. 1.1.1 Đơn vị giao tiếp bus BIU và đơn vị thực thi EU Theo sơ đồ khối trên Hình 2-1, CPU 8086 có 2 khối chính: Đơn vị giao tiếp BIU (Bus Interface Unit) và đơn vị thực hiện EU (Execution Unit). Việc chia CPU ra thành 2 phần làm 17
CHƯƠNG 2. BÔ XỬ LÍ INTEL 8086 việc đồng thời có liên hệ với nhau qua đệm lệnh làm tăng đáng kể tốc độ xử lý của CPU. Các bus bên trong CPU có nhiệm vụ chuyển tải tín hiệu giữa các khối. Hệ thống bus trong của CPU gồm bus dữ liệu 16 bít của ALU, bus điều khiển của EU và bus trong của BIU. Các bộ đệm được sử dụng để kết nối giữa bus trong CPU với bus ngoài (bus hệ thống) nhằm nâng cao tính tương thích cho phối ghép. BIU đưa ra địa chỉ, đọc mã lệnh từ bộ nhớ, đọc/ghi dữ liệu với bộ nhớ, hoặc cổng vào ra. Nói cách khác BIU chịu trách nhiệm đưa địa chỉ ra bus và trao đổi dữ liệu với bus. Mã lệnh đọc từ bộ bộ nhớ được BIU nạp vào bộ đệm lệnh (còn được gọi là hàng đợi lệnh) với dung lượng 6 byte, hoạt động theo nguyên tắc FIFO dùng để chứa các mã lệnh chờ EU xử lý. EU bao gồm một đơn vị điều khiển, khối này có bộ giải mã lệnh. Mã lệnh từ bộ đệm lệnh được đưa đến đầu vào của bộ giải mã, nơi lệnh được giải mã kiểu và sinh các vi thao tác. Các thông tin thu được từ đầu ra của bộ giải mã sẽ được đưa đến mạch tạo xung điều khiển, kết quả là ta thu được các dãy xung khác nhau trên kênh điều khiển (tuỳ theo mã lệnh) để điều khiển hoạt động của các bộ phận bên trong và bên ngoài CPU. Ngoài ra, EU còn có khối số học và lôgic (Arithmetic and Logic Unit - ALU) dùng để thực hiện các thao tác khác nhau với các toán hạng của lệnh. Tóm lại, EU sẽ cung cấp thông tin về địa chỉ cho BIU để khối này đọc lệnh và dữ liệu, còn bản thân EU thì giải mã lệnh và thực hiện lệnh. 1.1.2 Các thanh ghi 1.1.2.a Các thanh ghi đoạn Bộ vi xử lý 8086 chia bộ nhớ cấp cho một chương trình máy tính thành các đoạn (Segment) theo nội dung chúng lưu trữ, như đoạn chứa mã lệnh, đoạn chứa dữ liệu, Để quản lý các đoạn nhớ, bộ vi xử lý 8086 sử dụng các thanh ghi 16 bít lưu địa chỉ bắt đầu của các đoạn nhớ và chúng được gọi là các thanh ghi đoạn (Segment Registers). Có 4 thanh ghi đoạn, gồm: Thanh ghi đoạn mã CS (Code-Segment) Thanh ghi đoạn dữ liệu DS (Data Segment) Thanh ghi đoạn ngăn xếp SS (Stack Segment) Thanh ghi đoạn dữ liệu phụ ES (Extra Segment). Bốn thanh ghi đoạn lưu địa chỉ bắt đầu của bốn đoạn nhớ cùng tên, gồm đoạn mã CS, đoạn dữ liệu DS, đoạn ngăn xếp SS và đoạn mở rộng ES. Dung lượng lớn nhất của mỗi đoạn nhớ này là 64 KByte. Tại một thời điểm nhất định bộ vi xử lý chỉ làm việc với một trong bốn đoạn nhớ kể trên. Ngoài địa chỉ bắt đầu của đoạn lưu trong thanh ghi đoạn, vi xử lý 8086 sử dụng thêm một thanh ghi khác lưu địa chỉ của ô nhớ cần truy nhập trong đoạn. Thanh ghi này gọi là thanh ghi lệch (offset register). Chi tiết về dạng địa chỉ ô nhớ được trình bày ở mục 1.2. 1.1.2.b Các thanh ghi đa năng Trong khối EU có bốn thanh ghi đa năng 16 bít, gồm AX, BX, CX, DX. Mỗi thanh ghi đa năng có thể được dùng cho nhiều mục đích khác nhau, nhưng mỗi thanh ghi cũng được 18
CHƯƠNG 2. BÔ XỬ LÍ INTEL 8086/8088 gán một chức năng chuyên biệt riêng. Chính vì vậy chúng được gán những tên có ý nghĩa. Cụ thể: AX (Accumulator): thanh ghi tích lũy. Các kết quả của các thao tác thường được chứa ở AX (kết quả của phép nhân, chia). BX (Base): thanh ghi cơ sở, thường dùng để chứa địa chỉ cơ sở của một dãy các ô nhớ. CX (Count): thanh đếm. CX thường được dùng để chứa số lần lặp trong trường hợp các lệnh LOOP (lặp). DX (Data): thanh ghi dữ liệu. DX tham gia các thao tác của phép nhân hoặc chia các số 16 bít. DX thường dùng để chứa địa chỉ của các cổng trong các lệnh vào/ ra dữ liệu. Một điều đặc biệt là mỗi thanh ghi đa năng có thể sử dụng như một thanh ghi 16 bít hoặc tách ra thành 2 thanh ghi 8 bít độc lập. AX có thể tách thành 2 thanh ghi 8 bít, gồm AH và AL, với H chỉ 8 bít phần cao, L chỉ 8 bít phần thấp. Tương tự BX, CX, DX có thể tách thành BH và BL, CH và CL, DH và DL tương ứng. 1.1.2.c Các thanh ghi con trỏ và chỉ số Trong vi xử lý 8086 còn có ba thanh ghi con trỏ và hai thanh ghi chỉ số 16 bít, gồm: IP: con trỏ lệnh (Instruction Pointer). IP luôn trỏ vào lệnh tiếp theo sẽ được thực hiện nằm trong đoạn mã CS. Địa chỉ đầy đủ của lệnh tiếp theo có dạng CS:IP và được xác định như trình bày trong phần 1.2. BP: con trỏ cơ sở (Base Pointer). BP luôn trỏ vào một dữ liệu nằm trong đoạn ngăn xếp SS. Địa chỉ đầy đủ của một phần tử trong đoạn ngăn xếp có dạng SS:BP và được xác định như trình bày trong phần 1.2. SP: con trỏ ngăn xếp (Stack Pointer). SP luôn trỏ vào đỉnh hiện thời của ngăn xếp nằm trong đoạn ngăn xếp SS. Địa chỉ đỉnh ngăn xếp có dạng SS:SP và được xác định như trình bày trong phần 1.2. SI: chỉ số gốc hay nguồn (Source Index). SI chỉ vào dữ liệu trong đoạn dữ liệu DS mà địa chỉ cụ thể đầy đủ có dạng DS:SI và được xác định như trình bày trong phần 1.2. DI: chỉ số đích (Destination Index). DI chỉ vào dữ liệu trong đoạn dữ liệu DS (hoặc ES) mà địa chỉ cụ thể đầy đủ có dạng DS:DI (hoặc ES:DI) và được xác định như trình bày trong phần 1.2. Riêng trong các lệnh thao tác với dữ liệu kiểu chuỗi thì cặp ES:DI luôn ứng với địa chỉ của phần tử thuộc chuỗi đích còn cặp DS:SI ứng với địa chỉ của phần tử thuộc chuỗi gốc. 1.1.2.d Thanh ghi cờ FR (flag register) Đây là thanh ghi khá đặc biệt trong CPU, mỗi bít của nó được dùng để phản ánh một trạng thái nhất định của kết quả phép toán do ALU thực hiện hoặc một trạng thái hoạt động của EU. Dựa vào các cờ này, người lập trình có thể có các lệnh thích hợp tiếp theo cho bộ vi 19
CHƯƠNG 2. BÔ XỬ LÍ INTEL 8086 xử lý (các lệnh nhảy có điều kiện). Thanh ghi cờ gồm 16 bít nhưng người ta chỉ dùng hết 9 bít của nó để làm các bít cờ như Hình 2-2. Hình 2-2. Thanh ghi cờ U là các bít không sử dụng. C hoặc CF (Carry Flag): cờ nhớ. CF = 1 khi có nhớ hoặc mượn từ bít có nghĩa lớn nhất MSB (Most Significant Bit). P hoặc PF (Parity Flag): cờ chẵn lẻ. PF phản ánh tính chẵn lẻ của tổng số bít 1 có trong kết quả. Cờ PF =1 khi tổng số bít 1 trong kết quả là lẻ (odd parity) và PF =0 khi tổng số bít 1 trong kết quả là chẵn (even parity). A hoặc AF (Auxiliary Carry Flag): cờ nhớ phụ rất có ý nghĩa khi ta làm việc với các số BCD (Binary Coded Decimal). AF = 1 khi có nhớ hoặc mượn từ một số BCD thấp (4 bít thấp) sang một số BCD cao (4 bít cao). Z hoặc ZF (Zero Flag): cờ rỗng. ZF =1 khi kết quả = 0 và ZF =0 khi kết quả  0. S hoặc SF (sign flag): cờ dấu. SF = 1 khi kết quả âm và SF = 0 khi kết quả không âm. O hoặc OF (Overflow Flag): cò tràn. OF = 1 khi kết quả là một số bù 2 vượt qua ngoài giới hạn biểu diễn dành cho nó. Trên đây là 6 bít cờ trạng thái phản ánh các trạng thái khác nhau của kết sau một thao tác nào đó, trong đó 5 bít cờ đầu thuộc byte thấp của thanh cờ là các cờ giống như của bộ vi xử lý 8 bít 8085 của Intel. Chúng được lập hoặc xoá tuỳ theo các điều kiện cụ thể sau các thao tác của ALU. Ngoài ra, bộ vi xử lý 8086 còn có các cờ điều khiển sau đây (các cờ này được lập hoặc xoá bằng các lệnh riêng): T hoặc TF (Trap Flag): cờ bẫy. TF = 1 thì CPU làm việc ở chế độ chạy từng lệnh (chế độ này dùng khi cần tìm lỗi trong một chương trình). I hoặc IF (Interrupt Enable Flag): cờ cho phép ngắt. IF = 1 thì CPU cho phép các yêu cầu ngắt (che được) và IF = 0 thì CPU cấm các yêu cầu ngắt. D hoặc DF (Direction Flag): cờ hướng. DF = 1 khi CPU làm việc với chuỗi ký tự theo thứ tự từ phải sang trái, hoặc giảm địa chỉ (vì vậy D chính là cờ lùi) và DF = 0 khi CPU làm việc với chuỗi ký tự theo thứ tự từ trái sang phải, hoặc tăng địa chỉ . 1.2 Phân đoạn bộ nhớ của 8086 Do vi xử lý 8086 sử dụng 20 bít địa chỉ để quản lý bộ nhớ trong, như vậy nó có khả năng phân biệt ra được 220 = 1.048.576 = 1M ô nhớ hay 1Mbyte, vì các bộ nhớ thường tổ 20
CHƯƠNG 2. BÔ XỬ LÍ INTEL 8086/8088 chức theo byte. Vi xử lí chia không gian 1Mbyte bộ nhớ thành các vùng khác nhau theo nội dung mà chúng lưu trữ, gồm các vùng nhớ để: Chứa mã chương trình. Chứa dữ liệu và kết quả của chương trình. Tạo một vùng nhớ đặc biệt gọi là ngăn xếp (stack) dùng vào việc quản lý các thông số của bộ vi xử lý khi gọi thự hiện các chương trình con hoặc trở về từ chương trình con. Như đã trình bày trong phần trước, bộ vi xử lý 8086 chia bộ nhớ cấp cho chương trình thành 4 đoạn (đoạn mã CS, đoạn dữ liệu DS, đoạn ngăn xếp SS và đoạn dữ liệu phụ ES) và sử dụng 4 thanh ghi đoạn 16 bít (Segment Registers) cùng tên tương ứng để lưu địa chỉ bắt đầu mỗi đoạn. Dung lượng lớn nhất của mỗi đoạn nhớ này là 64 KByte và tại một thời điểm nhất định bộ vi xử lý chỉ làm việc được với một bốn đoạn nhớ 64 KByte này. Việc thay đổi giá trị của các thanh ghi đoạn làm cho các đoạn có thể dịch chuyển linh hoạt trong phạm vi không gian 1 Mbyte. Vì vậy các đoạn này có thể nằm cách nhau khi thông tin cần lưu đòi hỏi dung lượng đủ 64 KByte hoặc cũng có thể nằm trùm nhau do có những đoạn không cần dùng hết đoạn dài 64 KByte và vì vậy những đoạn khác có thể bắt đầu nối tiếp ngay sau đó. Điều này cũng cho phép ta truy nhập vào bất kỳ đoạn nhớ (64 KByte) nào nằm trong toàn bộ không gian 1 MByte. Nội dung các thanh ghi đoạn sẽ xác định địa chỉ của ô nhớ nằm ở đầu đoạn và địa chỉ này được gọi là địa chỉ cơ sở. Địa chỉ của các ô nhớ khác nằm trong đoạn tính được bằng cách cộng thêm vào địa chỉ cơ sở một giá trị gọi là địa chỉ lệch hay độ lệch (Offset), do nó ứng với khoảng lệch địa chỉ của một ô nhớ cụ thể nào đó so với ô đầu đoạn. Độ lệch này được xác định bởi các thanh ghi 16 bít khác đóng vai trò thanh ghi lệch (Offset register). Cụ thể, để xác định địa chỉ vật lý 20 bít của một ô nhớ nào đó trong một đoạn bất kỳ. CPU 8086 phải dùng đến 2 thanh ghi 16 bít: một thanh ghi để chứa địa chỉ cơ sở, còn thanh kia chứa độ lệch. Từ nội dung của cặp thanh ghi đó tạo ra địa chỉ vật lý theo công thức sau: Địa chỉ vật lý = Thanh_ghi_đọan × 10H (16 hệ 10) + Thanh_ghi_lệch Việc dùng 2 thanh ghi để ghi nhớ thông tin về địa chỉ thực chất để tạo ra một loại địa chỉ gọi là địa chỉ logic và được ký hiệu như sau: Thanh_ghi_đoạn: Thanh_ghi_lệch hay segment: offset Địa chỉ kiểu segment: offset là logic vì nó tồn tại dưới dạng giá trị của các thanh ghi cụ thể bên trông CPU và khi cần thiết truy cập ô nhớ nào đó thì nó phải được đổi ra địa chỉ vật lý sau đó được đưa lên bus địa chỉ. Việc chuyển đổi này do một bộ tạo địa chỉ thực hiện (phần tử  trên Hình 2-1). Ví dụ: cặp CS:IP sẽ chỉ ra địa chỉ của lệnh sắp thực hiện trong đoạn mã. Tại một thời điểm nào đó ta có CS = F000H và IP = FFF0H thì Địa chỉ vật lý = F000H x10H + FFF0H = F0000H + FFF0H = FFFF0H 21
CHƯƠNG 2. BÔ XỬ LÍ INTEL 8086 Do cách tổ chức như vậy nên dẫn đến tính đa trị của các thanh ghi đoạn và thanh ghi lệch trong địa chỉ logic ứng với một địa chỉ vật lý. Từ một địa chỉ vật lý ta có thể tạo ra các giá trị khác nhau của thanh ghi đoạn và thanh ghi lệch. Ví dụ: Địa chỉ vật lý 12345H có thể được tạo ra từ các giá trị: Thanh ghi đoạn Thanh ghi lệch 1000H 2345H 1200H 0345H 1004H 2305H 2. BỘ ĐỒNG XỬ LÍ TOÁN HỌC 8087 Như được trình bày trong phần trước, vi xử lý 8086 không có các thao tác với số thực. Để làm việc này, hệ vi xử lý cần có các bộ đồng xử lý toán học 80x87 hỗ trợ CPU trong việc tính toán các biểu thức số dấu chấm động như cộng, trừ, nhân, chia, căn thức, logarit, Chúng cho phép xử lý các phép toán loại này nhanh hơn nhiều so với 8086. 8087 gồm một đơn vị điều khiển (CU – Control Unit) dùng để điều khiển bus và một đơn vị số học (NU – Numerical Unit) để thực hiện các phép toán dấu chấm động trong các mạch tính lũy thừa (exponent module) và mạch tính phần định trị (mantissa module). Khác với 8086, thay vì dùng các thanh ghi rời rạc là một ngăn xếp thanh ghi. Hình 2-3. Sơ đồ khối 8087 Đơn vị điều khiển nhận và giải mã lệnh, đọc và ghi các toán hạng, chạy các lệnh điều khiển riêng của 8087. Do đó, CU có thể đồng bộ với CPU trong khi NU đang thực hiện các công việc tính toán. CU bao gồm bộ điều khiển bus, bộ đệm dữ liệu và hàng lệnh. 22
CHƯƠNG 2. BÔ XỬ LÍ INTEL 8086/8088 Ngăn xếp thanh ghi có tất cả 8 thanh ghi từ R0 - R7, mỗi thanh ghi dài 80 bít trong đó bít 79 là bít dấu, bít 64 - 78 dùng cho số mũ và phần còn lại là phần định trị. Dữ liệu truyền giữa các thanh ghi này được thực hiện rất nhanh do 8087 có độ rộng bus dữ liệu là 84 bít và không cần phải biến đổi định dạng. Ngay sau khi khởi động lại PC, bộ đồng xử lý kiểm tra xem nó có được nối với PC hay không bằng các đường BHE /S7. Bộ đồng xử lý 8087 sẽ điều chỉnh độ dài của hàng lệnh cho phù hợp với CPU. 3. TẬP LỆNH CỦA 8086 3.1 Khái niệm lệnh, mã hoá lệnh và quá trình thực hiện lệnh Lệnh của bộ vi xử lý được ghi bằng các ký tự dưới dạng gợi nhớ (mnemonic) để người sử dụng để nhận biết. Đối với bản thân bộ vi xử lý thì lệnh được mã hoá dưới dạng các số 0 và 1 (còn gọi là mã máy) vì đó là dạng biểu diễn thông tin duy nhất mà máy hiểu được. Do lệnh được cho dưới dạng mã nên sau khi nhận lệnh, bộ vi xử lý phải thực hiện việc giải mã lệnh rồi sau đó mới thực hiện lênh. Một lệnh có thể có độ dài một vài byte tuỳ theo thiết kế bộ vi xử lý. Số lượng các bít n dùng để mã hóa lệnh (opcode) cho biết số lượng tối đa các lệnh (2n) có trong bộ vi xử lý. Với 1 byte bộ vi xử lý có thể mã hoá được tối đa 256 lệnh. Trong thực tế việc mã hoá lệnh cho bộ vi xử lý là rất phức tạp và bị chi phối bởi nhiều yếu tố khác. Đối với bộ vi xử lý 8086 một lệnh có thể có độ dài từ 1 đến 6 byte. Ta sẽ chỉ lấy trường hợp lệnh MOV để giải thích cách mã hóa lệnh nói chung của 8086. Lệnh MOV đích, gốc dùng để chuyển dữ liệu giữa thanh ghi và ô nhớ. Chỉ nguyên với các thanh ghi của 8086, nếu ta lần lượt đặt các thanh ghi vào các vị trí toán hạng đích và toán hạng gốc ta thấy đã phải cần tới rất nhiều mã lệnh khác nhau để mã hoá tổ hợp các này. Hình vẽ trên biểu diễn dạng thức các byte dùng để mã hoá lệnh MOV. Như vậy để mã hoá lệnh MOV cần ít nhất là 2 byte, trong đó 6 bít của byte đầu dùng để chứa mã lệnh. Đối với các lệnh MOV, bít W dùng để chỉ ra rằng 1 byte (W = 0) hoặc 1 từ (W = 1) sẽ được chuyển. Trong các thao tác chuyển dữ liệu, một toán hạng luôn bắt buộc phải là thanh ghi. Bộ vi xử lý dùng 2 hoặc 3 bít (phần REG) để mã hoá các thanh ghi trong CPU như sau: 23
CHƯƠNG 2. BÔ XỬ LÍ INTEL 8086 Bít D dùng để chỉ hướng đi của dữ liệu. D = 1 thì dữ liệu đi đến thanh ghi cho bởi các bít REG, D = 0 thì dữ liệu đi ra khỏi thanh ghi cho bởi các bít REG. 2 bít MOD (chế độ) cùng với 3 bít R/M (thanh ghi/bộ nhớ) tạo ra 5 bít dùng để chỉ ra chế độ địa chỉ cho các toán hạng của lệnh. Bảng dưới đây cho ta thấy cách mã hoá các chế độ địa chỉ (cách tìm ra các toán hạng bằng các bít này). Ghi chú: addr8, addr16 tương ứng với địa chỉ 8 và 16 bít Các giá trị cho trong các cột 2, 3, 4 (ứng với MOD =00, 01, 10) là các địa chỉ hiệu dụng (EA – Effective address) sẽ được cộng với DS để tạo ra địa chỉ vật lý (riêng BP phải được cộng với SS). 3.2 Các chế độ địa chỉ của 8086 Chế độ địa chỉ (addressing mode) là cách để CPU tìm thấy toán hạng cho các lệnh của nó khi hoạt động. Một bộ vi xử lý có thể có nhiều chế độ địa chỉ. Các chế độ địa chỉ này được xác định ngay từ khi chế tạo ra bộ bi xử lý và sau này không thể thay đổi được. Bộ vi xử lý 8086 và cả họ 80x86 nói chung có 7 chế độ địa chỉ sau: 1. Chế độ địa chỉ thanh ghi (register addressing mode). 2. Chế độ địa chỉ tức thì (immediate addressing mode). 3. Chế độ địa chỉ trực tiếp (direct addressing mode). 4. Chế độ địa chỉ gián tiếp qua thanh ghi (register indirect addressing mode). 5. Chế độ địa chỉ tương đối cơ sở (based indexed relative addressing mode). 24
CHƯƠNG 2. BÔ XỬ LÍ INTEL 8086/8088 6. Chế độ địa chỉ tương đối chỉ số (indexed relative addressing mode). 7. Chế độ địa chỉ tương đối chỉ số cơ sở (based indexed relative addressing mode). 3.2.1 Chế độ địa chỉ thanh ghi Trong chế độ địa chỉ này, người ta dùng các thanh ghi bên trong CPU như là các toán hạng để chứa dữ liệu cần thao tác. Vì vậy khi thực hiện lệnh có thể đạt tốc độ truy nhập cao hơn so với các lệnh có truy nhập đên bộ nhớ. Ví dụ 2-1 MOV BX, DX ; chuyển nội dung DX vào BX MOV DS, AX ; chuyển nội dung AX vào DS ADD AL, DL ; cộng nội dung AL và DL rồi lưu vào AL 3.2.2 Chế độ địa chỉ tức thì Trong chế độ địa chỉ này, toán hạng đích là một thanh ghi hay một ô nhớ, còn toán hạng nguồn là một hằng số và vị trí của toán hạng này ở ngay sau mã lệnh. Chế độ địa chỉ này có thể được dùng để nạp dữ liệu cần thao tác vào bất kỳ thanh ghi nào (ngoại trừ các thanh ghi đoạn và thanh cờ) hoặc vào bất kỳ ô nhớ nào trong đoạn dữ liệu DS. Ví dụ 2-2 MOV CL, 100 ; chuyển 100 vào CL MOV AX, 0FF0H ; chuyển 0FF0H vào AX để rồi MOV DS, AX ; đưa vào DS (vì không thể chuyển hằng trực tiếp vào thanh ghi đoạn) MOV [BX], 10 ; Nạp 10 vào ô nhớ có địa chỉ DS:BX. 3.2.3 Chế độ địa chỉ trực tiếp Trong chế độ địa chỉ này một hằng là địa chỉ lệnh của ô nhớ làm một toán hạng, còn toán hạng kia chỉ có thể là thanh ghi mà không được là ô nhớ. Nếu so sánh với chế độ địa chỉ tức thì ta thấy ở đây ngay sau mã lệnh không phải là toán hạng mà là địa chỉ lệch của toán hạng. Ví dụ 2-3 MOV AL, [1234H] ;chuyển nội dung ô nhớ DS:1234 vào AL. MOV [4320H], CX ;chuyển CX vào 2 ô nhớ liên tiếp DS:4320 và DS:4321 3.2.4 Chế độ gián tiếp qua thanh ghi Trong chế độ địa chỉ này một toán hạng là một thanh ghi được sử dụng để chứa địa chỉ lệch của ô nhớ chứa dữ liệu, còn toán hạng kia chỉ có thể là thanh ghi mà không được là ô nhớ (8086 không cho phép tham chiếu bộ nhớ 2 lần đối với một lệnh). Ví dụ 2-4 25
CHƯƠNG 2. BÔ XỬ LÍ INTEL 8086 MOV AL, [BX] ; chuyển nội dung ô nhớ có địa chỉ DS:BX vào AL. MOV [SI], CL ; chuyển CL vào ô nhớ có địa chỉ DS:SI. MOV [DI], AX ; chuyển AX vào 2 ô nhớ liên tiếp tại DS:DI và DS: [DI + 1]. 3.2.5 Chế độ địa chỉ tương đối cơ sở Trong chế độ địa chỉ này các thanh ghi cơ sở như BX hoặc BP và hằng số biểu diễn giá trị dịch chuyển (displacement value) được dùng để tính địa chỉ hiệu dụng của một toán hạng trong vùng nhớ DS hoặc SS. Sự có mặt của các giá trị dịch chuyển xác định tính tương đối của địa chỉ so với địa chỉ cơ sở. Ví dụ 2-5 MOV CX, [BX] +10 ; chuyển nội dung 2 ô nhớ liên tiếp có địa chỉ DS: [BX + 10] ; và DS: [BX+10] vào CX. MOV CX, [BX+10] ; một cách viết khác của lệnh trên. MOV CX, 10 [BX] ; một cách viết khác của lệnh đầu. MOV AL, [BP] +5 ; chuyển nội dung ô nhớ SS: [BP+5] vào AL. ADD AL, Table [BX] ; cộng AL với ô nhớ do BX chỉ ra trong bảng Table ; (bảng này nằm trong DS), kết quả lưu vào AL. Trong ví dụ trên: 10 và 5 là các giá trị cụ thể cho biết mức dịch chuyển của các toán hạng. Table là tên mảng biểu diễn kiểu dịch chuyển của mảng (phần tử đầu tiên) so với địa chỉ đầu của đoạn dữ liệu DS. [BX+10] hoặc [BP+5] gọi là địa chỉ hiệu dụng (effective address – EA, theo cách gọi của Intel). DS: [BX+10] hoặc SS: [BP+5] là logic của ô nhớ tương ứng với một địa chỉ vật lý. Theo cách định nghĩa này thì địa chỉ hiệu dụng (EA) của một phần tử thứ BX nào đó (kể từ 0) trong mảng Table [BX] thuộc đoạn DS là EA = Table+BX và của phần tử đầu tiên là EA = Table. 3.2.6 Chế độ địa chỉ tương đối chỉ số Trong chế độ địa chỉ này các thanh ghi chỉ số như SI hoặc DI và hằng số biểu diễn giá trị dịch chuyển (displacement value) được dùng để tính địa chỉ hiệu dụng của một toán hạng trong vùng nhớ DS hoặc ES (trong các lệnh chuyễn chuỗi các byte hoặc từ). Ví dụ 2-6 MOV CX, [SI] +10 ; chuyển nội dung 2 ô nhớ liên tiếp có địa chỉ DS: [SI + 10] ; và DS: [SI+10] vào CX. MOV CX, [SI+10] ; một cách viết khác của lệnh trên. MOV CX, 10 [SI] ; một cách viết khác của lệnh đầu. MOV AL, [DI] +5 ; chuyển nội dung ô nhớ DS: [DI+5] vào AL. 26
CHƯƠNG 2. BÔ XỬ LÍ INTEL 8086/8088 3.2.7 Chế độ địa chỉ tương đối chỉ số cơ sở Kết hợp hai chế độ địa chỉ tương đối chỉ số và tương đối cơ sở ta có chế độ địa chỉ tương đối chỉ số cơ sở. Trong chế độ địa chỉ này ta dùng cả thanh ghi cơ sở lẫn thanh ghi chỉ số và một hằng biểu diễn sự dịch chuyển của địa chỉ để tính địa chỉ của toán hạng. Ta có thể thấy chế độ địa chỉ này rất phù hợp cho việc địa chỉ hoá các mảng hai chiều. Ví dụ 2-7 MOV AX, [ BX ] [SI ]+8 ;chuyển 2 ô nhớ liên tiếp có địa chỉ ; DS:[BX+SI+8] và DS:[BX+SI+9] vào AX MOV AX, [BX+SI+8] ; một cách viết khác của lệnh trên MOV CL, [BP+DI+5] ; chuyển ô nhớ SS:[BP+DI+5] vào CL. 3.2.8 Phương pháp bỏ ngầm định thanh ghi đoạn Như trong các phần trước đã đề cập, các thanh ghi đoạn và thanh ghi lệch được ngầm định đi kèm với nhau từng cặp dùng để địa chỉ hoá các toán hạng trong các vùng nhớ khác nhau. Bảng 2-1 chỉ ra các cặp đôi ngầm định của các thanh ghi đoạn và thanh ghi lệch thường dùng. Vì tính ngầm định này nên trong các lệnh ta chỉ cần viết các thanh ghi lệch là đủ cơ sở để tính ra được địa chỉ của toán hạng. Tuy nhiên, ngoài các tổ hợp ngầm định đã nêu, 8086 còn cho phép ta làm việc với các tổ hợp khác của các thanh ghi đoạn và thanh ghi lệch. Muốn loại bỏ các tổ hợp ngầm định nói trên, trong khi viết lệnh phải ghi rõ thanh ghi đoạn sẽ dùng để tính địa chỉ. Bảng 2-1. Các cặp thanh ghi đoạn và thanh ghi lệch ngầm định Thanh ghi đoạn CS DS ES SS Thanh ghi lệch IP SI, DI, BX DI SP, BP Ví dụ: Nếu muốn thay đổi, không lấy toán hạng trong đoạn dữ liệu DS, mà lại lấy toán hạng trong đoạn dữ liệu phụ ES để đưa vào AL, thì phải viết lại lệnh trên thành: MOV AL, ES:[BX] Trong đó ta đã dùng ES: để loại bỏ thanh ghi đoạn ngầm định DS và để chỉ rõ thanh ghi đoạn mới dùng trong lệnh này bây giờ là ES. 3.3 Tập lệnh của 8086 Bộ xử lý 8086 có tập lệnh gồm 111 lệnh, chiều dài của lệnh từ 1 byte đến vài byte. Tập lệnh 8086 hỗ trợ các nhóm thao tác căn bản như dưới đây. 27
CHƯƠNG 2. BÔ XỬ LÍ INTEL 8086 3.3.1 Các lệnh trao đổi dữ liệu Các câu lệnh trong nhóm trao đổi dữ liệu cho phép trao đổi dữ liệu giữa thanh ghi và ô nhớ hay giữa thiết bị vào/ra với ô nhớ hoặc thanh ghi. Kích cỡ dữ liệu cho phép với các câu lệnh này là byte (8 bít) hoặc word (16 bít). Như vậy các câu lệnh trao đổi dữ liệu giúp nạp dữ liệu cần thiết cho các thao tác tính toán của vi xử lý. Ngoài ra, các lệnh này cho phép lưu các kết quả tính toán ra bộ nhớ hoặc các thiết bị ngoại vi. Bảng 2-2. Các lệnh trao đổi dữ liệu Mã gợi nhớ Chức năng MOV Di chuyển byte hay word giữa thanh ghi và ô nhớ IN, OUT Đọc, ghi một byte hay word giữa cổng và thanh ghi LEA Nạp địa chỉ hiệu dụng PUSH, POP Nạp vào, lấy ra một word trong ngăn xếp. XCHG Hoán đổi byte hay word 3.3.1.a MOV – Chuyển 1 byte hay word Viết lệnh: MOV Đích, Gốc. Mô tả: Đích  Gốc Trong đó toán hạng đích và gốc có thể tìm được theo các chế độ địa chỉ khác nhau nhưng phải có cùng độ dài và không được phép đồng thời là 2 ô nhớ hoặc 2 thanh ghi đoạn. Lệnh này không tác động đến các cờ. Ví dụ: MOV AL, 74H ; AL  74 MOV CL, BL ; CL  BL MOV DL, [SI] ; DL  [DS:SI] MOV AL, Table [BX] ; AL [DS:[Table+BX]] 3.3.1.b LEA - Nạp địa chỉ hiệu dụng vào thanh ghi Viết lệnh: LEA Đích, Gốc Trong đó: + Đích thường là một trong các thanh ghi: BX, CX, DX, BP, SI, DI. + Gốc là tên biến trong đoạn DS được chỉ rõ trong lệnh hoặc ô nhớ cụ thể. Mô tả: Đích  Địa chỉ lệch của Gốc, hoặc Đích  Địa chỉ hiệu dụng của Gốc Đây là lệnh để tính địa chỉ lệch của biến hoặc địa chỉ của ô nhớ chọn làm gốc rồi nạp vào thanh ghi đã chọn. 28
CHƯƠNG 2. BÔ XỬ LÍ INTEL 8086/8088 Lệnh này không tác động đến các cờ. Ví dụ: LEA DX, MSG ; nạp địa chỉ lệch của biến MSG vào DX. LEA CX, [BX] [DI] ; nạp vào CX địa chỉ hiệu dụng ; do BX và DI chỉ ra: EA = BX+DI 3.3.1.c IN- Đọc dữ liệu từ cổng vào thanh ghi ACC. Viết lệnh: IN ACC, Port Mô tả: ACC <- [Port] Trong đó [Port] là dữ liệu đọc được từ cổng có địa chỉ là Port. Port là địa chỉ 8 bít của cổng, nó có thể có các giá trị trong khoảng 00H FFH. Như vậy có thể có các khả năng sau: +Nếu ACC là AL thì dữ liệu 8 bít được đưa vào từ cổng Port. +Nếu ACC là AX thì dữ liệu 16 bít được đưa vào từ cổng Port và cổng Port+1. Địa chỉ cổng có thể được lưu trong thanh ghi DX. Cách này địa chỉ cổng hoá mềm dẻo hơn. Lúc này địa chỉ cổng nằm trong dải 0000H. . FFFFH và câu lệnh có dạng: IN ACC, DX Trong đó DX phải được gắn từ trước giá trị ứng với địa chỉ cổng. Lệnh này không tác động đến các cờ. 3.3.1.d OUT - Ghi dữ liệu từ Acc ra cổng Viết lệnh: OUT Port, Acc Mô tả: Acc [port] Trong đó [port] là dữ liệu được ghi ra cổng có địa chỉ là Port. Port là địa chỉ 8 bít của cổng, nó có thể có các giá trị trong khoảng 00H. . . FFH. Như vậy ta có thể có các khả năng sau: + Nếu Acc là AL thì dữ liệu 8 bít được đưa ra cổng port. + Nếu Acc là AX thì dữ liệu 16 bít được đưa ra cổng port và cổng port +1. Có một cách khác để biểu diễn địa chỉ cổng 16 bít là thông qua thanh ghi DX theo dạng: OUT DX, Acc Trong đó DX phải được gán từ trước giá trị ứng với địa chỉ cổng. Lệnh này không tác động đến các cờ. 3.3.2 Các lệnh tính toán số học và lô gíc Đây là các nhóm lệnh thực hiện các tính toán chủ yếu của vi xử lý 8086. Bảng 2-3. Các lệnh số học và lô gíc Mã gợi nhớ Chức năng NOT Phép Đảo (bù một) byte hay word 29
CHƯƠNG 2. BÔ XỬ LÍ INTEL 8086 AND Phép Và byte hoặc word OR Phép Hoặc byte hoặc word XOR Phép Hoặc loại trừ byte hoặc word SHL, SHR Dịch trái, dịch phải lôgíc byte hay word. Số bước 1 hoặc do CL xác định SAL, SAR Dịch trái, dịch phải số học byte hay word. Số bước 1 hoặc do CL xác định ROL, ROR Quay trái, quay phải byte hay word. Số bước 1 hoặc do CL xác định ADD, SUB Cộng trừ byte hoặc word ADC, SBB Cộng trừ byte hoặc word có nhớ INC, DEC Tăng, giảm NEG Đảo byte hoặc word (bù 2) CMP So sánh hai byte hoặc word MUL, DIV Nhân, chia byte hoặc word không dấu IMUL, IDIV Nhân chia byte hoặc word có dấu 3.3.2.a ADD-Cộng 2 toán hạng Viết lệnh: ADD Đích, Gốc. Mô tả: Đích  Đích + Gốc. Trong đó toán hạng đích và gốc có thể tìm được theo các chế độ địa chỉ khác nhau, nhưng phải chứa dữ liệu có cùng độ dài và không được phép đồng thời là 2 ô nhớ và cũng không được là thanh ghi đoạn. Cập nhật: AF, CF, PF, SF, ZF Ví dụ: ADD AX, BX ; AX  AX + BX 3.3.2.b SUB-Trừ 2 toán hạng Viết lệnh: SUB Đích, Gốc. Mô tả: Đích  Đích - Gốc. Trong đó toán hạng đích và gốc có thể tìm được theo các chế độ địa chỉ khác nhau, nhưng phải chứa dữ liệu có cùng độ dài và không được phép đồng thời là 2 ô nhớ và cũng không được là thanh ghi đoạn. Cập nhật: AF, CF, PF, SF, ZF Ví dụ: SUB AX, BX ; AX  AX - BX 30
CHƯƠNG 2. BÔ XỬ LÍ INTEL 8086/8088 3.3.2.c MUL - Nhân số không dấu Viết lệnh: MUL Gốc Trong đó toán hạng Gốc là số nhân và có thể tìm được theo các chế độ địa chỉ khác nhau. Mô tả: tuỳ theo độ dài của toán hạng Gốc ta có 2 trường hợp tổ chức phép nhân, toán hạng số nhân và nơi chứa kết quả: Nếu Gốc là số 8 bít: AL Gốc, số bị nhân phải là số 8 bít để trong AL. sau khi nhân: AX  tích, Nếu Gốc là số 16 bít: AX Gốc, số bị nhân phải là số 16 bít để trong AX. sau khi nhân: DXAX  tích. Nếu byte cao (hoặc 16 bít cao) của 16 (hoặc 32) bít kết quả chứa 0 thì CF=OF=0 Như vậy các cờ CF và OF cho biết có thể bỏ đi bao nhiêu số 0 trong kết quả. Ví dụ: Nếu cần nhân một số 8 bít với một số 16 bít, số 16 bít đặt tại Gốc và số 8 bít ở AL. Số 8 bít này ở AL cần phải được mở rộng sang AH bằng cách gán AH=0 để làm cho số bị nhân nằm trong AX. Sau cùng chỉ việc dùng lệnh MUL Gốc và kết quả có trong cặp DXAX. Cập nhật: CF, OF. Không xác định: AF, PF, SF, ZF. Ví dụ: Tính 10 x 30 MOV AL, 10 ; AL  10 MOV BL, 30 ; BL  30 MUL BL ; AX  AL x BL = 10 x 30 = 300 3.3.2.d DIV – Chia nguyên 2 số không có dấu Viết lệnh: DIV Gốc Trong đó toán hạng Gốc là số chia và có thể tìm được theo các chế độ địa chỉ khác nhau. Mô tả: tuỳ theo độ dài của toán hạng gốc ta có 2 trường hợp bố trí phép chia, toán hạng số bị chia và nơi lưu kết quả: Nếu Gốc là số 8 bít: AX : Gốc. Số bị chia phải là số không dấu 16 bít để trong AX. Kết quả: thương lưu trong AL và phần dư lưu trong AH. Nếu Gốc là số 16 bít: DXAX : Gốc. Số bị chia phải là số không dấu 32 bít để trong cặp thanh ghi DXAX. Kết quả: thương lưu trong AX và phần dư lưu trong DX. 31
CHƯƠNG 2. BÔ XỬ LÍ INTEL 8086 Nếu Gốc = 0 hoặc thương thu được lớn hơn FFH hoặc FFFFH (tuỳ theo độ dài của toán hạng Gốc) thì 8086 thực hiện lệnh ngắt INT 0. Không xác định: AF, CF, OF, PF, SF, ZF. Ví dụ: Tính 300 : 10 MOV AX, 300 ; AX  10 MOV BL, 10 ; BL  30 DIV BL ; AX : BL, AL  30, AH  0 3.3.2.e CMP- So sánh 2 byte hay 2 word Viết lệnh: CMP Đích, Gốc. Mô tả: Đích – Gốc. Trong đó toán hạng đích và gốc có thể tìm được theo các chế độ địa chỉ khác nhau. Nhưng phải chứa dữ liệu có cùng độ dài và không được phép đồng thời là 2 ô nhớ. Lệnh này chỉ tạo các cờ, không lưu kết quả so sánh, sau khi so sánh các toán hạng không bị thay đổi. Lệnh này thường được dùng để tạo cờ cho các lệnh nhảy có điều kiện (nhảy theo cờ). Các cờ chính theo quan hệ đích và gốc khi so sánh 2 số không dấu: CF ZF SF Đích = Gốc 0 1 0 Đích > Gốc 0 0 0 Đích < Gốc 1 0 1 Cập nhật: AF, CF, OF, PF, SF, ZF. 3.3.2.f AND - Phép và 2 toán hạng Viết lệnh: AND Đích, Gốc Mô tả: Đích - Đích, Gốc. Trong đó toán hạng đích và gốc có thể tìm được theo các chế độ địa chỉ khác nhau. Nhưng phải chứa dữ liệu cùng độ dài và không được phép đồng thời là 2 ô nhớ và cũng không được là thanh ghi đoạn. Phép AND thường dùng để che đi/giữ lại một vài bít nào đó của một toán hạng bằng cách nhân logic toán hạng đó với toán hạng tức là có các bít 0/1 ở các chỗ cần che đi/giữ nguyên tương ứng (toán hạng lúc này còn được gọi là mặt nạ). Xoá: CF, OF. Cập nhật: PF, SF, ZF, PF chỉ có nghĩa khi toán hạng là 8 bít. Không xác định: AF. Ví dụ: AND AL, BL ; nhân AL với BL theo từng bít, kết quả lưu vào AL. AND BL, 0FH ; xóa 4 bít cao của BL. 32
CHƯƠNG 2. BÔ XỬ LÍ INTEL 8086/8088 3.3.3 Điều khiển, rẽ nhánh và lặp Các câu lệnh thuộc nhóm này cho phép thay đổi trật tự thực hiện các câu lệnh bên trong chương trình. Bảng 2-4. Các lệnh rẽ nhánh và lặp tiêu biểu Mã gợi nhớ Chức năng JMP Nhảy không điều kiện JA (JNBE) Nhảy nếu lớn hơn JAE (JNB) Nhảy nếu lớn hơn hoặc bằng JB (JNAE) Nhảy nếu bé hơn JBE (JNA) Nhảy nếu bé hơn hoặc bằng JE (JZ) Nhảy nêu bằng JC, JNC Nhảy nếu cờ nhớ đặt, xóa JO, JNO Nhảy nếu cờ tràn đặt, xóa JS, JNS Nhảy nếu cờ dấu đặt, xóa LOOP Lặp không điều kiện, số lần lặp do CX xác định LOOPE (LOOPZ) Lặp nếu bằng (cờ không) hoặc số lần lặp do CX xác định LOOPNE (LOOPNZ) Lặp nếu không bằng (cờ không xóa) hoặc số lần lặp do CX xác định CALL, RET Gọi hàm, trở về từ hàm INT Gọi ngắt mềm IRET Quay trở về từ đoạn chương trình ngắt 3.3.3.a JMP - Nhảy (vô điều kiện) đến một đích nào đó Lệnh này khiến cho bộ vi xử lý 8086 bắt đầu thực hiện một lệnh mới tại địa chỉ được chỉ định trong lệnh. Lệnh này phân biệt nhảy xa và nhảy gần theo vị trí của câu lệnh mới. Tuỳ thuộc vào độ dài của bước nhảy chúng ta phân biệt các kiểu lệnh nhảy ngắn, nhảy gần và nhảy xa với độ dài lệnh khác nhau. Lệnh nhảy ngắn là lệnh nhảy tương đối đến nhãn shortlabel. Nơi đến phải nằm trong phạm vi từ -128 đến +127 so với vị trí của lệnh nhảy. Toán hạng nguồn trong lệnh chỉ là byte độ dời để cộng thêm vào thanh ghi IP. Byte độ dời này được mở rộng dấu trước khi cộng vào thanh ghi IP. - Ví dụ : JMP SHORT 18h JMP 0F008h JMP DWORD PTR [3000h] 33
CHƯƠNG 2. BÔ XỬ LÍ INTEL 8086 Lệnh nhảy gần tương tự lệnh nhảy ngắn, nhưng khoảng nhảy phải nằm trong phạm vi từ -32768 đến +32767 so với vị trí của lệnh nhảy. Lệnh nhảy xa là lệnh nhảy đến vị trí bất kỳ được biểu diễn bằng địa chỉ đầy đủ của ô nhớ theo dạng địa chỉ đoạn:địa chỉ lệch. Lệnh này không tác động đến các cờ. 3.3.3.b LOOP -Lặp lại đoạn chương trình do nhãn chỉ ra cho đến khi CX=0 Viết lệnh: LOOP NHAN Lệnh này dùng để lặp lại đoạn chương trình (gồm các lệnh nằm trong khoảng từ nhãn NHAN đến hết lệnh LOOP NHAN) cho đến khi số lần lặp CX=0. Điều này có nghĩa là trước khi vào vòng lặp số lần lặp mong muốn phải được nạp vào thanh ghi CX và sau mỗi lần thực hiện lệnh LOOP NHAN thì đồng thời CX tự động giảm đi một (CX CX-1). Lệnh này không tác động đến các cờ. 3.3.4 Điều khiển vi xử lý Các câu lệnh này tác động lên thanh ghi cờ là thay đổi trạng thái hoạt động của vi xử lý. Bảng 2-5. Các lệnh điều khiển vi xử lý tiêu biểu Mã gợi nhớ Chức năng STC, CLC Lập, xóa cờ nhớ STD, CLD Lập, xóa cờ hướng STI, CLI Lập, xóa cờ cho phép ngắt PUSHF, POPF Nạp vào, lấy ra thanh ghi cờ tới/từ ngăn xếp NOP Không làm gì cả WAIT Chờ tín hiệu TEST HLT Treo vi xử lý 4. NGẮT VÀ XỬ LÍ NGẮT TRONG 8086 4.1 Sự cần thiết phải ngắt CPU Ngắt là việc tạm dừng việc chương trình đang chạy để CPU có thể chạy một chương trình khác nhằm xử lý một yêu cầu do bên ngoài đưa tới CPU như yêu cầu vào/ra hoặc do chính yêu cầu của bên trong CPU như lỗi trong khi tính toán. Trong cách tổ chức trao đổi dữ liệu thông qua việc thăm dò trạng thái sẵn sàng của thiết bị ngoại vi, trước khi tiến hành bất kỳ một cuộc trao đổi dữ liệu nào CPU phải dành toàn bộ thời gian vào việc xác định trạng thái sẵn sàng làm việc của thiết bị ngoại vi. Để tận dụng khả năng của CPU để làm thêm được nhiều công việc khác nữa, chỉ khi nào có yêu cầu trao đổi dữ 34
CHƯƠNG 2. BÔ XỬ LÍ INTEL 8086/8088 liệu thì mới yêu cầu CPU tạm dừng công việc hiện tại để phục vụ việc trao đổi dữ liệu. Sau khi hoàn thành việc trao đổi dữliệu thì CPU lại phải quay về để làm tiếp công việc hiện đang bị gián đoạn. Trong các tín hiệu của CPU 8086 có tín hiệu cho các yêu cầu ngắt che được INTR và không che được NMI, chính các tín hiệu này sẽ được sử dụng vào việc đưa các yêu cầu ngắt từ bên ngoài đến CPU. 4.2 Các loại ngắt trong hệ 8086 Trong hệ vi xử lý 8086 có thể xếp các nguyên nhân gây ra ngắt CPU vào 3 nhóm như sau: Nhóm các ngắt cứng: đó là các yêu cầu ngắt CPU do các tín hiệu đến từ các chân INTR và NMI. Ngắt cứng INTR là yêu cầu ngắt che được. Các lệnh CLI và STI có ảnh hưởng trực tiếp tới trạng thái của cờ IF trong bộ vi xử lý, tức là ảnh hưởng tới việc CPU có nhận biết yêu cầu ngắt tại chân tín hiệu này hay không. Yêu cầu ngắt tại chân INTR có thể có kiểu ngắt N nằm trong khoảng 0-FFH. Kiểu ngắt này phải được đưa vào bus dữ liệu để CPU có thể đọc được khi có xung trong chu kỳ trả lời chấp nhận ngắt. Các ngắt NMI là các ngắt không che được, tức là không chịu ảnh hưởng của cờ ngắt. Nhóm các ngắt mềm: khi CPU thực hiện các lệnh ngắt dạng INT N, trong đó N là số hiệu (kiểu) ngắt nằm trong khoảng 00-FFH (0-255). Nhóm các hiện tượng ngoại lệ: đó là các ngắt do các lỗi nảy sinh trong quá trình hoạt động của CPU như phép chia cho 0, xảy ra tràn khi tính toán. Yêu cầu ngắt sẽ được CPU kiểm tra thường xuyên tại chu kỳ đồng hồ cuối cùng của mỗi lệnh. Bảng 2-6 trình bày một cách đơn giản để đưa được số hiệu ngắt N vào bus dữ liệu trong khi cũng tạo ra yêu cầu ngắt đưa vào chân INTR của bộ vi xử lý 8086. Giả thiết trong một thời điểm nhất định chỉ có một yêu cầu ngắt IRi được tác động và sẽ có xung yêu cầu ngắt đến CPU. Tín hiệu IRi được đồng thời đưa qua mạch khuếch đại đệm để tạo ra số hiệu ngắt tương ứng, số hiệu ngắt này sẽ được CPU đọc vào khi nó đưa ra tín hiệu trả lời. Bảng 2-6 Quan hệ giữa IRi và số hiệu ngắt N tương ứng. IR6 IR5 IR4 IR3 IR2 IR1 IR0 N 1 1 1 1 1 1 0 FEH (254) 1 1 1 1 1 0 1 FDH (253) 1 1 1 1 0 1 1 FBH (251) 1 1 1 0 1 1 1 F7H (247) 35
CHƯƠNG 2. BÔ XỬ LÍ INTEL 8086 1 1 0 1 1 1 1 EFH (239) 1 0 1 1 1 1 1 DFH (223) 0 1 1 1 1 1 1 BFH (191) 4.3 Đáp ứng của CPU khi có yêu cầu ngắt Khi có yêu cầu ngắt kiểu N gửi đến CPU và nếu yêu cầu đó được phép, CPU thực hiện các công việc sau: 1. SP  SP-2, [SP]  FR, trong đó [SP] là ô nhớ do SP chỉ ra. (chỉ ra đỉnh mới của ngắn xếp, cất thanh ghi cờ vào đỉnh ngăn xếp) 2. IF  0, TF  0. (cấm các ngắt khác tác động vào CPU, cho CPU chạy ở chế độ bình thường) 3. SP  SP-2, [SP]  CS. (chỉ ra đỉnh mới của ngăn xếp, cất phần địa chỉ đoạn của địa chỉ trở về vào đỉnh ngăn xếp) 4. SP  SP-2, [SP]  IP (chỉ ra đỉnh mới của ngăn xếp, cất phần địa chỉ lệch của địa chỉ trờ về vào đỉnh ngăn xếp) 5. [N*4] IP, [N*4+2] CS (lấy lệnh tại địa chỉ mới của chương trình con phục vụ ngắt kiểu N tương ứng trong bảng vectơ ngắt) 6. Tại cuối chương trình phục vụ ngắt, khi gặp lệnh IRET [SP] IP, SP  SP+2 [SP] CS, SP  SP+2 [SP] FR, SP  SP+2 (bộ vi xử lý quay lại chương trình chính tại địa chỉ trở về và với giá trị cũ của thanh ghi cờ được lấy ra từ ngăn xếp). Về mặt cấu trúc chương trình, khi có ngắt xảy ra thì chương trình chính tạm dừng việc thực hiện và lưu các thanh ghi cần thiết như thanh ghi cờ vào ngăn xếp. Sau đó con trỏ lệnh của CPU sẽ được trỏ tới đoạn mã của chương trình con phục vụ ngắt. Khi chương trình con phục vụ ngắt kết thúc, CPU khôi phục lại trạng thái các thanh ghi của chương trình chính và đặt con trỏ lệnh về vị trí bị ngừng khi phục vụ ngắt. Dưới đây là danh sách một số kiểu ngắt đặc biệt được xếp vào đầu dãy ngắt mềm INT N như sau: + INT 0: Ngắt mềm do phép chia cho số 0 gây ra, + INT1: Ngắt mềm để chạy từng lệnh ứng với trường hợp cờ TF=1, + INT2: Ngắt cứng do tín hiệu tích cực tại chân NMI gây ra, 36
CHƯƠNG 2. BÔ XỬ LÍ INTEL 8086/8088 + INT3: Ngắt mềm để đặt điểm dừng của chương trình tại một địc chỉ nào đó + IN T4: (Hoặc lệnh INTO): ngắt mềm ứng với trường hợp cờ tràn OF=1. Các kiểu ngắt khác còn lại thì được dành cho nhà sản xuất và cho người sử dụng định nghĩa: + INT 5-INT 1FH; dành riêng cho Intel trong các bộ vi xử lý cao cấp khác, + INT 20H-INT FFH: dành cho người sử dụng. Các kiểu ngắt N trong INT N đều tương ứng với các địa chỉ xác định của chương trình con phục vụ ngắt mà ta có thể tra được trong bảng các vectơ ngắt. Intel quy định bảng này nằm trong RAM bắt đầu từ địa chỉ 00000H và dài 1 KB (vi xử lý 8086 có tất cả 256 kiểu ngắt, mỗi kiểu ngắt ứng với 1 vectơ ngắt, 1 vectơ ngắt cần 4 byte để chứa địa chỉ đầy đủ cho CS:IP của chương trình con phục vụ ngắt). Bảng 2-7. Bảng vectơ ngắt của 8086 tại 1KB RAM đầu tiên 03FEH-03FFH CS của chương trình con phục vụ ngắt INT FFH 03FCH-03FDH IP của chương trình con phục vụ ngắt INT FFH 0082H-0083H CS của chương trình con phục vụ ngắt INT 20H 0080H-0081H IP của chương trình con phục vụ ngắt INT 20H 000AH-000BH CS của chương trình con phục vụ ngắt INT 2 0008H-0009H IP của chương trình con phục vụ ngắt INT 2 0006H-0007H CS của chương trình con phục vụ ngắt INT 1 0004H-0005H IP của chương trình con phục vụ ngắt INT 1 0002H-0003H CS của chương trình con phục vụ ngắt INT 0 0000H-0001H IP của chương trình con phục vụ ngắt INT 0 4.4 Xử lý ưu tiên khi ngắt Có một vấn đề rất thực tế đặt ra là nếu tại cùng một thời điểm có nhiều yêu cầu ngắt thuộc các loại ngắt khác nhau cùng đòi hỏi CPU phục vụ thì CPU sẽ phải có cơ chế để xử lý các yêu cầu ngắt này. Cơ chế phổ biến là chia các ngắt theo mức ưu tiên. CPU 8086 có khả 37
CHƯƠNG 2. BÔ XỬ LÍ INTEL 8086 năng phân biệt các mức ưu tiên khác nhau cho các loại ngắt (theo thứ tự từ cao xuống thấp) như sau: + ngắt trong: INT 0 (phép chia cho 0), INT N, . . . cao nhất + ngắt không che được NMI + ngắt che được INTR + ngắt để chạy từng lệng INT 1 . . . thấp nhất Theo thứ tự ưu tiên ngầm định trong việc xử lý ngắt của CPU 8086 thì INT 0 có mức ưu tiên cao hơn INTR, vì vậy đầu tiên CPU sẽ thực hiện chương trình phục vụ ngắt INT 0 để đáp ứng với lỗi đặc biệt cho phép chia cho 0 gây ra và cờ IF bị xóa về 0. Yêu cầu ngắt INTR sẽ tự động bị cấm cho tới khi chương trình phục vụ ngắt INT 0 được hoàn tất và trở về nhờ IRET, cờ IF cũ được trả lại. Tiếp theo đó CPU sẽ đáp ứng yêu cầu ngắt INTR bằng cách thực hiện chương trình phục vụ ngắt dành cho INTR. 38
CHƯƠNG 3. LẬP TRÌNH HỢP NGỮ VỚI 8086 Chương 3. LẬP TRÌNH HỢP NGỮ VỚI 8086 1. GIỚI THIỆU KHUNG CỦA CHƯƠNG TRÌNH HỢP NGỮ 1.1 Cú pháp của chương trình hợp ngữ Một chương trình hợp ngữ bao gồm các dòng lệnh, một dòng lệnh có thể là một lệnh thật dưới dạng ký hiệu (symbolic), mà đôi khi còn được gọi là dạng gợi nhớ (mnemonic) của bộ vi xử lý, hoặc một hướng dẫn cho chương trình dịch (assembler directive). Lệnh gợi nhớ sẽ được dịch ra mã máy còn hướng dẫn cho chương trình dịch thì không được dịch vì nó chỉ có tác dụng chỉ dẫn riêng thực hiện công việc. Các dòng lệnh này có thể được viết bằng chữ hoa hoặc chữ thường và chúng sẽ được coi là tương đương vì đối với dòng lệnh chương trình dịch không phân biệt chữ hoa và chữ thường. Một dòng lệnh của chương trình hợp ngữ có thể có những trường sau (không nhất thiết phải có đủ hết tất cả các trường): Tên Mã lệnh Các toán dạng Chú giải Một ví dụ dòng lệnh gợi nhớ: TIEP: MOV AH, [BX] [SI] ; nạp vào AH ô nhớ có địa chỉ DS:[BX+SI] Trong ví dụ trên, tại trường tên ta có nhãn TIEP, tại trường mã lệnh ta có lệnh MOV, tại trường toán hạng ta có các thanh ghi AH, BX và SI và phần chú giải gồm có dòng: ; nạp vào AH ô nhớ có địa chỉ DS:[BX+SI] Một ví dụ khác là các dòng lệnh với các hướng dẫn cho chương trình dịch: MAIN PROC và MAIN ENDP Trong ví dụ này, ở trường tên ta có tên thủ tục là MAIN, ở trường mã lệnh ta có các lệnh giả PROC và ENDP. Đây là các lệnh giả dùng để bắt đầu và kết thúc một thủ tục có tên là MAIN. a) Trường tên Trường tên chứa các nhãn, tên biến hoặc tên thủ tục. Các tên và nhãn này sẽ được chương trình dịch gán bằng các địa chỉ cụ thể của ô nhớ. Tên và nhẵn có thể có độ dài 1. . 31 ký tự, không được chứa dấu cách và phải bắt đầu bằng một ký tự. Các ký tự đặc biệt khác có thể dùng trong tên là ?. @_$%. Nếu dấu chấm ('. ') được dùng thì nó phải được đặt ở vị trí đầu tiên của tên. Một nhãn phải kết thúc bằng dấu hai chấm (:). b) Trường mã lệnh Trong trường mã lệnh nói chung sẽ có các lệnh thật hoặc lệnh giả. Đối với các lệnh thật thì trường này chứa các mã lệnh gợi nhớ. Mã lệnh này sẽ được chương trình dịch dịch ra mã 39
CHƯƠNG 3. LẬP TRÌNH HỢP NGỮ VỚI 8086 máy. Đối với các hướng dẫn chương trình dịch thì trường này chứa các lệnh giả và sẽ không được dịch ra mã máy. c) Trường toán hạng Đối với một lệnh thì trường này chứa các toán hạng của lệnh. Tùy theo từng loại lệnh mà ta có thể có 0, 1 hoặc 2 toán hạng trong một lệnh. Trong trường hợp các lệnh với 1 toán hạng thông thường ta có toán hạng là đích hoặc gốc, còn trong trường hợp lệnh với 2 toán hạng thì ta có 1 toán hạng là đích và 1 toán hạng là gốc. Đối với hướng dẫn chương trình dịch thì trường này chứa các thông tin khác nhau liên quan đến các lệnh giả của hướng dẫn. d) Trường chú giải Lời giải thích ở trường chú giải phải được bắt đầu bằng dấu chấm phẩy (;). Trường chú giải này được dành riêng cho người lập trình để ghi các lời giải thích cho các lệnh của chương trình với mục đích giúp cho người đọc chương trình dễ hiểu các thao tác của chương trình hơn. Thông thường lời chú giải cần phải mang đủ thông tin để giải thích về thao tác của lệnh trong hoàn cảnh cụ thể và như thế thì mới có ích cho người đọc. 1.2 Dữ liệu cho chương trình Dữ liệu của một chương trình hợp ngữ là rất đa dạng. Các dữ liệu có thể được cho dưới dạng số hệ hai, hệ mười, hệ mười sáu hoặc dưới dạng ký tự. Khi cung cấp số liệu cho chương trình, số cho ở hệ nào phải được kèm đuôi của hệ đó (trừ hệ mười thì không cần vì là trường hợp ngầm định của assembler). Riêng đối với số hệ mười sáu, nếu số bắt đầu bằng các chữ (a. f hoặc A. . F) thì ta phải thêm 0 ở trước để chương trình dịch có thể hiểu được đó là một số hệ mười sáu chứ không phải là một tên hoặc một nhãn. Ví dụ các số viết đúng: 0011B ; Số hệ hai. 1234 ; Số hệ mười 0ABBAH ; Số hệ mười sáu 1EF1H ; Số hệ mười sáu. Nếu dữ liệu là ký tự hoặc chuỗi ký tự thì chúng phải được đóng trong cặp dấu nháy đơn hoặc kép, thí dụ 'A' hay "abcd". Chương trình dịch sẽ dịch ký tự ra mã ASCII tương ứng của nó. Vì vậy trong khi cung cấp dữ liệu kiểu ký tự cho chương trình ta có thể dùng bản thân ký tự được đóng trong dấu nháy hoặc mã ASCII của nó. Ví dụ, ta có thể sử dụng liệu ký tự là "0" hoặc mã ASCII tương ứng là 30H, ta có thể dùng '$' hoặc 26H hoặc 34. . . 1.2.1 Biến và hằng Biến trong chương trình hợp ngữ có vai trò tương tự như biến ở ngôn ngữ bậc cao. Một biến phải được định nghĩa kích thước là kiểu byte hay kiểu từ và sẽ được chương trình dịch gán cho một địa chỉ nhất định trong bộ nhớ. Để định nghĩa các kiểu biến khác nhau ta thường dùng các lệnh giả sau: 40
CHƯƠNG 3. LẬP TRÌNH HỢP NGỮ VỚI 8086 DB (define byte) : định nghĩa biến kiểu byte DW (define word) : định nghĩa biến kiểu từ DD (define double word) : định nghĩa biến kiểu từ kép a) Biến byte Biến kiểu byte sẽ chiếm 1 byte trong bộ nhớ. Hướng dẫn chương trình dịch để định nghĩa biến kiểu byte có dạng tổng quát như sau: Tên DB giá_ trị_khởi_đầu Ví dụ: B1 DB 4 Ví dụ trên định nghĩa biến byte có tên là B1 và dành 1 byte trong bộ nhớ cho nó để chứa giá trị khởi đầu bằng 4. Nếu trong lệnh trên ta dùng dấu ? thay vào vị trí của số 4 thì biến B1 sẽ được dành chỗ trong bộ nhớ nhưng không được gán giá trị khởi đầu. Cụ thể dòng lệnh giả: B2 DB ? chỉ định nghĩa 1 biến byte có tên là B2 và dành cho nó một byte trong bộ nhớ. Một trường hợp đặc biệt của biến byte là biến ký tự. Ta có thể có định nghĩa biến ký tự như sau: C1 DB ' $' C2 DB 34 b) Biến từ Biến từ cũng được định nghĩa theo cách giống như biến byte. Hướng dẫn chương trình dịch để định nghĩa biến từ có dạng như sau: Tên DW giá_ trị_khởi_đầu Ví dụ: W1 DW 40 Ví dụ trên định nghĩa biến từ có tên là W1 và dành 2 byte trong bộ nhớ cho nó để chứa giá trị khởi đầu bằng 40. Chúng ta cũng có thể sử dụng dấu ? chỉ để định nghĩa và dành 2 byte trong bộ nhớ cho biến từ W2 mà không gán giá trị đầu cho nó bằng dòng lệnh sau: W2 DW ? c) Biến mảng Biến mảng là biến hình thành từ một dãy liên tiếp các phần tử cùng loại byte hoặc từ. Khi định nghĩa biến mảng ta gán tên cho một dãy liên tiếp các byte hay từ trong bộ nhớ cùng với các giá trị ban đầu tương ứng. Ví dụ: M1 DB 4, 5, 6, 7, 8, 9 41
CHƯƠNG 3. LẬP TRÌNH HỢP NGỮ VỚI 8086 Ví dụ trên định nghĩa biến mảng có tên là M1 gồm 6 byte và dành chỗ cho nó trong bộ nhớ từ địa chỉ ứng với M1 để chứa các giá trị khởi đầu bằng 4, 5, 6, 7, 8, 9. Phần tử đầu tiên của mảng là 4 và có địa chỉ trùng với địa chỉ của M1, phần tử thứ hai là 5 và có địa chỉ M1+1. . . Khi chúng ta muốn khởi đầu các phần tử của mảng với cùng một giá trị chúng ta có thể dùng thêm toán tử DUP trong lệnh. Ví dụ: M2 DB 100 DUP (0) M3 DB 100 DUP (?) Ví dụ trên định nghĩa một biến mảng tên là M2 gồm 100 byte, dành chỗ trong bộ nhớ cho nó để chứa 100 giá trị khởi đầu bằng 0 và biến mảng khác tên là M3 gồm 100 byte, dành sẵn chỗ cho nó trong bộ nhớ để chứa 100 giá trị nhưng chưa được khởi đầu. Toán tử DUP có thể lồng nhau để định nghĩa ra 1 mảng. Ví dụ: dòng lệnh M4 DB 4, 3, 2, 2 DUP(1, 2 DUP(5), 6) Sẽ định nghĩa ra một mảng M4 tương đương với lệnh sau: M4 DB 4, 3, 2, 1, 5, 5, 6, 1, 5, 5, 6 Một điều cần chú ý nữa là đối với các bộ vi xử lý của Intel, nếu ta có một từ để trong bộ nhớ thì byte thấp của nó sẽ được để ở ô nhớ có địa chỉ thấp, byte cao sẽ được để ở ô nhớ có địa chỉ cao. Cách lưu giữ số liệu kiểu này cũng còn có thể thấy ở các máy VAX của Digital hoặc của một số hãng khác và thường gọi là 'quy ước đầu bé' (little endian, byte thấp được cất tại địa chỉ thấp). Cũng nên nói thêm ở đây là các bộ vi xử lý của Motorola lại có cách cất số liệu theo thứ tự ngược lại hay còn được gọi là 'quy ước đầu to' (big endian byte cao được cất tại địa chỉ thấp). Ví dụ: Sau khi định nghĩa biến từ có tên là WORDA như sau: WORDA DW 0FFEEH Thì ở trong bộ nhớ thấp (EEH) sẽ được để tại địa chỉ WORDA còn byte cao (FFH) sẽ được để tại địa chỉ tiếp theo, tức là tại WORDA+1. d) Biến kiểu xâu kí tự Biến kiểu xâu kí tự là một trường hợp đặc biệt của biến mảng, trong đó các phần tử của mảng là các kí tự. Một xâu kí tự có thể được định nghĩa bằng các kí tự hoặc bằng mã ASCII của các kí tự đó. Các ví dụ sau đều là các lệnh đúng và đều định nghĩa cùng một xâu kí tự nhưng gắn nó cho các tên khác nhau: STR1 DB 'string' STR2 DB 73h, 74h, 72h, 69h, 6Eh, 67h STR3 DB 73h, 74h, 'x' 'i', 6Eh, 67h 42
CHƯƠNG 3. LẬP TRÌNH HỢP NGỮ VỚI 8086 e) Hằng có tên Các hằng trong chương trình hợp ngữ thường được gán tên để làm cho chương trình trở nên dễ đọc hơn. Hằng có thể là kiểu số hay kiểu ký tự. Việc gán tên cho hằng được thực hiện nhờ lệnh giả EQU như sau: CR EQU 0Dh ;CR là carriage return LF EQU 0Ah ;LF là line feed Trong ví dụ trên lệnh giả EQU gán giá trị số 13 (mã ASCII của kí tự trở về đầu dòng) cho tên CR và 10 (mã ASCII của ký tựu thêm dòng mới) cho tên LF. Hằng cũng có thể là một chuỗi ký tự. Trong ví dụ dưới đây, sau khi đã gán một chuỗi ký tự cho một tên: CHAO EQU 'Hello' ta có thể sử dụng hằng này để định nghĩa một biến mảng khác. MSG DB CHAO, '$' Vì lệnh giả EQU không dành chỗ của bộ nhớ cho tên của hằng nên ta có thể đặt nó khá tự do tại những chỗ thích hợp bên trong chương trình. Tuy nhiên trong thực tế người ta thường đặt các định nghĩa này trong đoạn dữ liệu. 1.2.2 Khung của một chương trình hợp ngữ Một chương trình mã máy trong bộ nhớ thường bao gồm các vùng nhớ khác nhau để chứa mã lệnh, chứa dữ liệu của chương trình và một vùng nhớ khác được dùng làm ngăn xếp phục vụ hoạt động của chương trình. Chương trình viết bằng hợp ngữ cũng phải có cấu trúc tương tự để khi được dịch nó sẽ tạo ra mã tương ứng với chương trình mã máy nói trên. Để tạo ra sườn của một chương trình hợp ngữ chúng ta sẽ sử dụng cách định nghĩa đơn giản đối với mô hình bộ nhớ dành cho chương trình và đối với các thanh ghi đoạn. 1.2.2.a Khai báo quy mô sử dụng bộ nhớ Kích thước của bộ nhớ dành cho đoạn mã và đoạn dữ liệu trong một chương trình được xác định nhờ hướng dẫn chương trình dịch MODEL như sau (hướng dẫn này phải được đặt trước các hướng dẫn khác trong chương trình hợp ngữ, nhưng sau hướng dẫn về loại CPU): . MODEL Kiểu_ kích_thước_bộ_nhớ Có nhiều Kiểu_ kích_thước_bộ_nhớ cho các chương trình với đòi hỏi dung lượng bộ nhớ khác nhau. Đối với ta thông thường các ứng dụng đòi hỏi mã chương trình dài nhất cũng chỉ cần chứa trong một đoạn (64KB), dữ liệu cho chương trình nhiều nhất cũng chỉ cần chứa trong một đoạn, thích hợp nhất nên chọn Kiểu_ kích_thước_bộ_nhớ là Small (nhỏ) hoặc nếu như tất cả mã và dữ liệu có thể gói trọn được trong một đoạn thì có thể chọn Tiny (hẹp): .Model Small hoặc .Model Tiny 43
CHƯƠNG 3. LẬP TRÌNH HỢP NGỮ VỚI 8086 Ngoài Kiểu_ kích_thước_bộ_nhớ nhỏ hoặc hẹp nói trên, tuỳ theo nhu cầu cụ thể MASM còn cho phép sử dụng các Kiểu_ kích_thước_bộ_nhớ khác như liệt kê trong Bảng 3-1. Bảng 3-1. Các kiểu kích thước bộ nhớ cho chương trình hợp ngữ Kiểu kích thước Mô tả Tiny (Hẹp) Mã lệnh và dữ liệu gói gọn trong một đoạn. Mã lệnh gói gọn trong một đoạn, dữ liệu nằm trong một Small (Nhỏ) đoạn. Mã lệnh không gói gọn trong một đoạn, dữ liệu nằm trong Medium (Trung bình) một đoạn. Mã lệnh không gói gọn trong một đoạn, dữ liệu không gói Compact(Gọn) gọn trong một đoạn. Mã lệnh không gói gọn trong một đoạn, dữ liệu không gói Large (lớn) gọn trong một đoạn, không có mảng nào lớn hơn 64KB. Mã lệnh không gói gọn trong một đoạn, dữ liệu không gói Huge (Đồ sộ) gọn trong một đoạn, các mảng có thể lớn hơn 64KB. 1.2.2.b Khai báo đoạn ngăn xếp Việc khai báo đoạn ngăn xếp là để dành ra một vùng nhớ đủ lớn dùng làm ngăn xếp phục vụ cho hoạt động của chương trình khi có chương trình con. Việc khai báo được thực hiện nhờ hướng dẫn chương trình dịch như sau. .Stack Kích_thước Kích_thước sẽ quyết định số byte dành cho ngăn xếp. Nếu ta không khai Kích_thước thì chương trình dịch sẽ tự động gán cho Kích_thước giá trị 1 KB, đây là kích thước ngăn xếp quá lớn đối với một ứng dụng thông thường. Trong thực tế các bài toán của ta thông thường với 100-256 byte là đủ để làm ngăn xếp và ta có thể khai báo kích thước như sau: .Stack 100 1.2.2.c Khai báo đoạn dữ liệu Đoạn dữ liệu chứa toàn bộ các định nghĩa cho các biến của chương trình. Các hằng cũng nên được định nghĩa ở đây để đảm bảo tính hệ thống mặc dù ta có thể để chúng ở trong chương trình như đã nói ở phần trên. Việc khai báo đoạn dữ liệu được thực hiện nhờ hướng dẫn chương trình dịch DATA, việc khai báo và hằng được thực hiện tiếp ngay sau đó bằng các lệnh thích hợp. Điều này được minh hoạ trong ví dụ sau: .Data 44
CHƯƠNG 3. LẬP TRÌNH HỢP NGỮ VỚI 8086 MSG DB 'helo!$' CR DB 13 LF EQU 10 1.2.2.d Khai báo đoạn mã Đoạn mã chứa mã lệnh của chương trình. Việc khai báo đoạn mã được thực hiện nhờ hướng dẫn chương trình dịch. CODE như sau: .CODE Bên trong đoạn mã, các dòng lệnh phải được tổ chức một cách hợp lý, đúng ngữ pháp dưới dạng một chương trình chính (CTC) và nếu cần thiết thì kèm theo các chương trình con (ctc). Các chương trình con sẽ được gọi ra bằng các lệnh CALL có mặt bên trong chương trình chính. Một thủ tục được định nghĩa nhờ các lệnh giả PROC và ENDP. Lệnh giả PROC để bắt đầu một thủ tục còn lệnh giả ENDP được dùng để kết thúc nó. Như vậy một chương trình chính có thể được định nghĩa bằng các lệnh giả PROC và ENDP theo mẫu sau: Tên_CTC Proc ; Các lệnh của thân chương trình chính CALL Tên_ ctc; gọi ctc Tên_CTC Endp Giống như chương trình chính, các chương trình con cũng được định nghĩa dưới dạng một thủ tục nhờ các lệnh giả PROC và ENDP theo mẫu sau: Tên_ctc Proc ; các lệnh thân chương trình con RET Tên_ctc Endp Trong các chương trình nói trên, ngoài các lệnh giả có tính nghi thức bắt buộc ta cần chú ý đến sự bố trí của lệnh gọi (CALL) trong chương trình chính và lệnh về (RET) trong chương trình con. 1.2.2.e Khung của chương trình hợp ngữ để dịch ra chương trình .EXE Từ các khai báo các đoạn của chương trình đã nói ở trên ta có thể xây dựng một khung tổng quát cho các chương trình hợp ngữ với kiểu kích thước bộ nhớ nhỏ. Sau đây là một khung cho chương trình hợp ngữ để rồi sau khi được dịch (assembled), nối (linked) trên máy IBM PC sẽ tạo ra một tệp chương trình chạy được ngay (executable) với đuôi .EXE. . Model small . Stack 100 . Data ; các định nghĩa cho biến và hằng để tại đây 45
CHƯƠNG 3. LẬP TRÌNH HỢP NGỮ VỚI 8086 . Code MAIN Proc ; Khởi đầu cho DS MOV AX, @Data MOV DS, AX ; Các lệnh của chương trình chính để tại đây ; Trở về DOS dùng hàm 4CH của INT 21H MOV AH, 4CH INT 21 H MAIN Endp ; các chương trình con (nếu có) để tại đây END MAIN Trong khung chương trình trên, tại dòng cuối cùng của chương trình ta dùng hướng dẫn chương trình dịch END và tiếp theo là MAIN để kết thúc toàn bộ chương trình. Ta có nhận xét rằng MAIN là tên của chương trình chính nhưng quan trọng hơn và về thực chất thì nó là nơi bắt đầu các lệnh của chương trình trong đoạn mã. Khi một chương .EXE được nạp vào bộ nhớ, hệ điều hành DOS sẽ tạo ra một mảng gồm 256 byte của cái gọi là đoạn mào đầu chương trình (Program Segment Prefix - PSP) dùng để chứa các thông tin liên quan đến chương trình và các thanh ghi DS và ES. Do vậy DS và ES không chứa giá trị địa chỉ của các đoạn dữ liệu cho chương trình. Để chương trình có thể chạy đúng phải có các lệnh sau để khởi đầu cho thanh ghi DS (hoặc ES nếu cần): MOV AX, @Data MOV DS, AX Trong đó @Data là tên của đoạn dữ liệu. @Data định nghĩa bởi hướng dẫn chương trình dịch sẽ dịch tên @Data thành giá trị số là địa chỉ bắt đầu của đoạn dữ liệu. Ta phải dùng thanh ghi AX làm trung gian cho việc khởi đầu DS như trên là do bộ vi xử lý 8086, vì những lí do kỹ thuật, không cho phép chuyển giá trị số (chế độ địa chỉ tức thì) vào các thanh ghi đoạn. Thanh ghi AX cũng có thể được thay thế bằng các thanh ghi khác. Sau đây là ví dụ của một chương trình hợp ngữ được viết để dịch ra chương trình với đuôi .EXE. khi cho chạy, chương trình này sẽ hiện lên màn hình lời chào 'Hello' nằm giữa hai dòng trống cách đều các dòng mang dấu nhắc của DOS. Ví dụ 3-1. Chương trình Hello.EXE . Model Small . Stack 100 . Data CRLF DB 13, 10, ' $ ' MSG DB ' Hello!$ ' . Code MAIN Proc ; khởi đầu thanh ghi DS 46
CHƯƠNG 3. LẬP TRÌNH HỢP NGỮ VỚI 8086 MOV AX, @Data MOV DS, AX ; về đầu dòng mới dùng hàm 9 của INT 21H MOV AH, 9 LEA DX, CRLF INT 21H ; hiện thị lời chào dùng hàm 9 của INT 21H MOV AH, 9 LEA DX, MSG INT 21H ; về đầu dòng mới dùng hàm 9 của INT 21H MOV AH, 9 LEA DX, CFLF INT 21H ; trở về DOS dùng hàm 9 của INT 21H MOV AH, 4CH INT 21H MAIN Endp END MAIN Trong ví dụ trên chúng ta đã sử dụng các dịch vụ có sẵn (các hàm 9 và 4CH) của ngắt INT 21H của DOS trên máy IBM PC để hiện thị xâu ký tự và trở về DOS một cách thuận lợi. 1.2.2.f Khung của chương trình hợp ngữ để dịch ra chương trình .COM Trên máy tính IBM PC ngoài tệp chương trình với đuôi .EXE, có thể dịch chương trình hợp ngữ có kết cấu thích hợp ra một loại tệp chương trình chạy được kiểu khác với đuôi .COM. Đây là một dạng chương trình ngắn gọn và đơn giản hơn nhiều so với tệp chương trình đuôi .EXE. Trong đó các đoạn mã, đoạn dữ liệu và đoạn ngăn xếp được gộp lại trong một đoạn duy nhất là đoạn mã. Với việc tạo ra tệp này còn tiết kiệm được cả không gian nhớ khi phải lưu trữ trên ổ đĩa. Để có thể dịch được ra chương trình đuôi .COM thì chương trình nguồn hợp ngữ phải được kết cấu sao cho thích hợp. Sau đây là khung của một chương trình hợp ngữ để dịch được ra tệp chương trình đuôi .COM. Ví dụ 3-2. Khung chương trình .COM . Model Tiny . Code ORG 100h START: JMP CONTINUE ; các định nghĩa cho biến và hằng để tại đây CONTINUE: 47
CHƯƠNG 3. LẬP TRÌNH HỢP NGỮ VỚI 8086 MAIN Proc ; các lệnh của chương trình chính để tại đây INT 20H ; Trở về DOS MAIN Endp ; các chương trình con (nếu có) để tại đây END START So sánh với khung cho chương trình .EXE, ta thấy trong khung cho chương trình .COM không có khai báo đoạn ngăn xếp và đoạn dữ liệu, còn khai báo quy mô sử dụng nhớ là kiểu Tiny. Ở ngay đầu đoạn mã là lệnh giả ORG (origin: điểm xuất phát) và lệnh JMP (nhảy). Lệnh giả ORH 100H dùng để gán địa chỉ bắt đầu cho chương trình tại 100H trong đoạn mã, chừa lại vùng nhớ với dung lượng 256 byte (từ địa chỉ 0 đến địa chỉ 255) cho đoạn mào đầu chương trình (PSP). Lệnh JMP sau nhãn START dùng để nhảy qua phần bộ nhớ dành cho việc định nghĩa và khai báo dữ liệu (về nguyên tắc, dữ liệu có thể được đặt ở đầu hoặc ở cuối đoạn mã, nhưng ở đây ta đặt nó ở đầu đoạn mã để có thể áp dụng các định nghĩa đơn giản đã nói). Đích của lệnh nhảy là phần đầu của chương trình chính. Hình 3-1 biểu diễn việc một chương trình kiểu .COM được nạp vào và sắp xếp trong một đoạn mã của bộ nhớ ra sao. Trong Hình 3-1, một chương trình .COM cũng được nạp vào bộ nhớ sau vùng PSP như chương trình đuôi .EXE. Ngăn xếp cho chương trình .COM được xếp đặt tại cuối đoạn mã, đỉnh của ngăn xếp lúc ban đầu là ô nhớ có địa chỉ là FFFEH. Trong trường hợp chương trình kiểu .COM này chúng ta sẽ bị các hạn chế: Dung lượng nhớ cực đại của một đoạn là 64KB, tức là ta phải luôn chắc chắn được rằng các chương trình ứng dụng phải có số lượng byte của mã máy và dữ liệu cho chương trình không lớn lắm. Chương trình cũng chỉ được phép sử dụng ngăn xếp một cách hạn chế (nếu không có thể làm cho đỉnh ngăn xếp trong khi hoạt động dâng lên nhiều về phía địa chỉ thấp của đoạn). Tóm lại phải chắc chắn không thể xảy ra hiện tượng trùm vào nhau của các thông tin tại vùng mã lệnh hoặc dữ liệu. Khi kết thúc chương trình kiểu .COM, để trở về DOS cần dùng ngắt INT 20H của DOS để làm cho chương trình gọn hơn. Tất nhiên cũng có thể dùng hàm 4CH của ngắt INT 21H như đã dùng trong chương trình để dịch ra tệp .EXE. Để kết thúc toàn bộ chương trình, dùng hướng dẫn chương chính dịch END đi kèm theo nhãn START tương ứng với địa chỉ lệnh đầu tiên của chương trình trong đoạn mã. Địa chỉ lệch 48
CHƯƠNG 3. LẬP TRÌNH HỢP NGỮ VỚI 8086 0000H Đoạn đầu chương trình (PSP) 0100H JMP CONTINUE  IP Dữ liệu nằm tại đây CONTINUE: (chiều tiến của mã & dữ liệu)   (chiều tiến của ngăn xếp) FFFEH  SP Hình 3-1. Tệp chương trình .COM trong bộ nhớ Sau đây là ví dụ của một chương trình hợp ngữ để dịch ra tệp chương trình chạy được với đuôi .COM. Ví dụ 3-3. Chương trình Hello.COM . Model Tiny . Code ORG 100H START: IMP CONTINUE CRLF DB 13, 10, '$' MSG DB !Hello! $' CONTINUE: MAIN Proc ; về đầu dòng mới dùng hàm 9 của INT 21H MOV AH, 9 LEA DX, CRLF INT 21H ; hiện thị lời chào MOV AH, 9 LEA DX, CRLF INT 21H ; trở về DOS INT 20H 49
CHƯƠNG 3. LẬP TRÌNH HỢP NGỮ VỚI 8086 MAIN Endp END START Trong Ví dụ 3-3 ta không cần đến các thao tác khởi đầu cho thanh ghi DS, như ta đã phải làm trong Ví dụ 3-1, vì trong chương trình .COM không có đoạn dữ liệu nằm riêng rẽ. Stack Chương Chương trình trình SS CS DS 100h ES 100h PSP PSP .COM .EXE Hình 3-2. Môđun chương trình. COM và. EXE trong bộ nhớ. Hình 3-2 biểu diễn cấu trúc của các chương trình .COM và .EXE khi chúng được tải vào trong bộ nhớ. 2. CÁCH TẠO VÀ CHẠY CHƯƠNG TRÌNH HỢP NGỮ Như đã nói trong phần trước, máy IBM PC là phương tiện lý tưởng để chúng ta tạo ra và thử nghiệm các chương trình hợp ngữ 8086. Các bước bao gồm: 1. Dùng các phần mềm soạn thảo văn bản để tạo ra một tệp văn bản chương trình gốc bằng hợp ngữ. Tệp này phải được gán đuôi .ASM. 2. Dùng chương trình dịch MASM để dịch tệp .ASM ra mã máy dưới dạng tệp .OBJ. Nếu trong bước này nếu trong chương trình có lỗi cú pháp thì phải quay lại bước 1 để sửa lại chương trình gốc. 3. Dùng chương trình LINK để nối một hay nhiều tệp OBJ lại với nhau thành một tệp chương trình chạy được với đuôi .EXE. 4. Nếu chương trình gốc viết ra là để dịch ra kiểu .COM thì ta phải dùng chương trình EXE2BIN (đọc là EXEtoBIN) của DOS để dịch tiếp tệp .EXE ra tệp chương trình chạy được với đuôi .COM. 5. Cho chạy chương trình vừa dịch 50
CHƯƠNG 3. LẬP TRÌNH HỢP NGỮ VỚI 8086 Tạo ra tệp văn bản của chương trình *.asm Dùng MASM để dịch ra mã máy *.obj Dùng LINK để nối tệp. obj lạithành *.exe s Dịch được ra.com? Dùng EXE2BIN để dịch *.exe thành *.com Cho chạy chương trình Hình 3-3. Các bước để tạo ra và chạy chương trình hợp ngữ 3. CÁC CẤU TRÚC LẬP TRÌNH CƠ BẢN Trong khi thực hiện các khối chức năng thành phần của chương trình, thông thường người ta sử dụng các cấu trúc lập trình cơ bản để thực hiện các nhiệm vụ của khối đó. Điều này làm cho các chương trình viết ra trở thành có cấu trúc với các ưu điểm chính là dễ phát triển, dễ hiệu chỉnh hoặc cải tiến và dễ lập tài liệu. Các cấu trúc lập trình cơ bản bao gồm: + Cấu trúc tuần tự. + Cấu trúc lựa chọn (IF-THEN-ELSE) và + Cấu trúc lặp (WHILE - DO). Thay đổi các cấu trúc này có thể tạo thêm 4 cấu trúc khác cũng rất có tác dụng trong khi viết chương trình: + cấu trúc chọn kiểu IF-THEN + cấu trúc chọn kiểu CASE, + cấu trúc lặp kiểu REPEAT-UNTIL và + cấu trúc lặp kiểu FOR-DO. 51
CHƯƠNG 3. LẬP TRÌNH HỢP NGỮ VỚI 8086 Đặc điểm chung của tất cả các cấu trúc lập trình cơ bản là tính cấu trúc chỉ có một lối vào cấu trúc và một lối ra để ra khỏi cấu trúc đó. 3.1 Cấu trúc tuần tự Cấu trúc tuấn tự là một cấu trúc thông dụng và đơn giản nhất. Trong cấu trúc này các lệnh được sắp xếp tuần tự, lệnh này kế tiếp lệnh kia. Sau khi thực hiện xong lệnh cuối cùng của cấu trúc thì công việc phải làm cũng được hoàn tất. Ngữ pháp: Lệnh 1 Lệnh 2 Lệnh n Bài tập 3-1 Các thanh ghi CX và BX chứa các giá trị của biến c và b. Hãy tính giá trị của biểu thức a = 2 (c+b) và chứa kết quả trong thanh ghi AX. Giải Ta có thể thực hiện công việc trên bằng mẫu chương trình sau: XOR AX, AX ;tổng tại AX lúc đầu là 0. ADD AX, BX ;cộng thêm BX. ADD AX, CX ;cộng thêm CX. SHL AX, l ;nhân đôi kết quả trong AX. RA: ;lối ra của cấu trúc. 3.2 Cấu trúc IF - THEN IF Điều kiện THEN công việc. Từ ngữ pháp của cấu trúc IF-THEN ta thấy nếu thoả mãn Điều kiện thì Công việc được thực hiện nếu không Công việc sẽ bị bỏ qua. Điều này tương đương với việc dùng lệnh nhảy có điều kiện để bỏ qua một thao tác náo đó trong chương trình hợp ngữ. Điều kiện Điều kiện S S Đ ai Đ ai úng úng Công việc Công việc 1 Công việc 2 52 Hình 3-6.Cấu trúc IF-THEN Hình 3-5 Cấu trúc IF-THEN-ELSE Hình 3-6
CHƯƠNG 3. LẬP TRÌNH HỢP NGỮ VỚI 8086 Bài tập 3-2. Gán cho BX giá trị tuyệt đối của AX. Giải Để thực hiện phép gán BX  AX ta có thể dùng các lệnh sau: CMP AX, 0 ; AX 0?. JNS DG ; đúng. MOV CL, l ; sai, cho CL  1 rồi JMP RA ; đi ra. DG: XOR CL, CL ; cho CL  0. RA: ; lối ra của cấu trúc. 3.4 Cấu trúc CASE CASE Biểuthức Giátrị1: Côngviệc1 Giátrị2: Côngviệc2 . . . GiátrịN: CôngviệcN END CASE 53
CHƯƠNG 3. LẬP TRÌNH HỢP NGỮ VỚI 8086 Biểuthức Giátrị1 Giátrị2 GiátrịN Côngviệc1 Côngviệc2 CôngviệcN Hình 3-7. Cấu trúc lệnh CASE Từ ngữ pháp của cấu trúc ta thấy nếu Biểuthức có Giátrị1 thì Côngviệc1 được thực hiện. Nếu Biểuthức có Giátrị2 thì Côngviệc2 được thực hiện và cứ tiếp tục cho đến CôngviệcN. Điều này tương đương với việc dùng các lệnh nhảy có điều kiện và nhảy không điều kiện để nhảy các nhãn nào đó trong chương trình hợp ngữ. Cấu trúc CASE có thể thực hiện bằng các cấu trúc lựa chọn lồng nhau. Bài tập 3-4. Dùng CX để biểu hiện các giá trị khác nhau của AX theo quy tắc sau: AX 0 thì CX =1 Giải Ta có thể thực hiện các công việc trên bằng mẫu chương trình sau: CMP AX, 0 ; Kiểm tra dấu của AX. JL AM ; AX 0. AM: MOV CX, -1 JMP RA DUONG: MOV CX, 1 JMP RA KHONG: XOR CX, CX RA: ; lối ra của cấu trúc. 3.5 Cấu trúc lặp FOR - DO FOR Số lần lặp DO Công việc Từ ngữ pháp cuả cấu trúc FOR - DO ta thấy ở đây Công_việc được thực hiện lặp đi lặp lại tất cả Số lần lặp lại. Điều này hoàn toàn tương đương với việc dùng lệnh LOOP trong hợp 54
CHƯƠNG 3. LẬP TRÌNH HỢP NGỮ VỚI 8086 ngữ để lặp lại CX lần một Công việc nào đó, trước đó ta phải gán Số lần lặp cho thanh ghi CX. Khởi đầu bộ đếm Công việc Giảm bộ đếm đi 1 sai Bộ đếm=0 đúng Hình 3-8. Cấu trúc lặp FOR - DO. Bài tập 3-5 Hiển thị một dòng kí tự '$' trên màn hình. Giải Một dòng màn hình trên máy IBM PC chứa được nhiều nhất là 80 kí tự. Ta sẽ sử dụng hàm 2 của ngắt 21H để hiển thị 1 kí tự. Ta phải lặp lại công việc này 80 lần bằng lệnh LOOP. Muốn dùng lệnh này, ngay từ đầu ta phải nạp vào thanh ghi CX số lần hiển thị, nội dung của CX được tự động giảm đi 1 do tác động của lệnh LOOP. Sau đây là đoạn chương trình thực hiện các công việc trên: MOV CX, 80 ; số lần hiện thị trong CX MOV AH, 2 ; AH chứa số hiệu hàm hiện thị, MOV DL, '$' ; DL chứa kí tự cần hiện thị, HIEN: INT 21H ; hiện thị LOOP HIEN ; cả một dòng kí tự. RA: ; lối ra của cấu trúc. 3.6 Cấu trúc lặp WHILE - DO WHILE Điều kiện DO Công việc 55