Thực Hiện Lệnh - Kiến Trúc Thanh Ghi Của CPU

Chương IV Chương trình và thực hiện chương trình

3. Kiến trúc thanh ghi của CPU

4.5. Thực hiện lệnh

Sau chu kỳ đọc lệnh, chu kỳ thực hê lệnh sẽ tiếp theo và gồm các bước sau:

7. Giải mã lệnh

8. Tạo địa chỉ toán hạng

Insstruction Fetch Instruction Decode Generate Operand Address Operrand Fetch Execute Write Back IF ID GOA OF EX WB 9. Nhập toán hạng 10. Thực hiện xử lý lệnh 11. Lưu kết quả 4.6. Bộ giải mã lệnh (ID)

Để giải mã lệnh, CPU sử dụng khối giải mã lệnh (Instruction Decoder – ID).

Khối giải mã lệnh nhận các bit từ thanh ghi lệnh IR và thực hiện các thao tác sau

 Nạp phần địa chỉ của toán hạng trong lệnh vào thanh ghi địa chỉ bộ nhớ (MAR).

Đến đây CPU biết cần thực hiện: (1) Phép toán số học hay logic nào?

(2) Đọc và nạp toán hạng của phép toán từ ô nhớ có địa chỉ đã nạp trong thanh ghi địa chỉ bộ nhớ (MAR).

4.7. Giải mã lệnh

Quá trình giải mã lệnh như sau:

Bộ giải mã lệnh nhận mã lệnh từ thanh ghi lệnh IR và sử dụng các vi mạch để thực hiện giải mã. Trước hết, phần mã lệnh sẽ cho biết "công việc" mà CPU cần giải quyết bằng cách xác định công việc theo một sơ đồ như ở hình AAAA (trang 24). Sau đó bộ giải mã lệnh gửi tín hiệu về phép toán cần thực hiện cho Đơn vị số học và logic thông qua Đơn vị điều khiển CU.

Ví dụ khi nhận các bit 0001 bộ giải mã lệnh thực hiện các phép so sánh cần thiết và nhận biết đó là thao tác nạp (LOAD) dữ liệu từ bộ nhớ vào thanh ghi gộp ACC. Tín hiệu này sẽ được truyền tới Đơn vị số học và logic. Tương tự, khi nhận các bit 0011, bộ giải mã lệnh sẽ giải mã thành phép cộng (ADD) và gửi tín hiệu yêu cầu thực hiện phép cộng tới Đơn vị số học và logic.

4.8. Nhập toán hạng, xử lý và lưu dữ liệu

Trong các bước còn lại, đơn vị điều khiển CU gửi tín hiệu đã giải mã của mã lệnh cho Đơn vị số học và logic, đồng thời gửi tín hiệu RD yêu cầu đọc dữ liệu từ bộ nhớ tại địa chỉ đã nạp trong thanh ghi địa chỉ bộ nhớ (MAR).

Dữ liệu được đọc cũng sẽ được gửi về Đơn vị số học và logic, Đơn vị số học và logic thực hiện các thao tác xử lý dữ liệu cần thiết và lưu kết quả trong thanh ghi gộp.

Tóm lại, một chu kỳ lệnh bao gồm các bước sau đây:

(1) Tính địa chỉ lệnh: Xác định địa chỉ của lệnh sẽ được thực thi. Thông thường điều này được thực hiện bằng cách cộng 1 vào địa chỉ của lệnh trước. Tuy nhiên, tùy thuộc vào độ dài của lệnh và tổ chức từ trong bộ nhớ thì có thể cộng một hằng số khác. Trong trường hợp lệnh vừa được thực thi là lệnh rẽ nhánh thì địa chỉ lệnh được cho (tuỳ theo các định địa chỉ) bởi phần địa chỉ của lệnh trước đó.

Nguyễn Trung Đồng – Tel 0983 410 866

(2) Đọc lệnh: Bước này đọc lệnh từ ô nhớ có địa chỉ đã được xác định

ở bước 1 vào CPU.

Nhận lệnh IF Giải mã lệnh ID Tạo Địa chỉ và nhận toán hạng GOA&OF Xử lý EX Lưu kết quả WR

(3) Giải mã lệnh: Giải mã phần mã lệnh trong lệnh để xác định loại tác

vụ sẽ được thực hiện và xác định địa chỉ các toán hạng sẽ được sử dụng.

(4) Tạo địa chỉ toán hạng: Nếu hoạt động thực hiện lệnh liên quan đến

toán hạng trong bộ nhớ thì xác định địa chỉ của toán hạng đó.

(5) Nạp toán hạng: Đọc toán hạng từ thanh ghi hoặc từ ô nhớ đãđược

xác định từ bộ nhớ vào thanh ghi đệm bộ nhớ.

(6) Xử lý dữ liệu: Thực hiện hoạt động xử lý dữ liệu được xác định

trong lệnh.

(7) Lưu kết quả: Lưu kết quả vào thanh ghi chứa (Acc) hoặc vào 1 vị

trí nhớ đã được xác định trong bộ nhớ hay các thiết bị khác.

Sơ đồ sau đây minh họa các trạng thái của một chu kỳ lệnh căn bản:

Nhận lệnh IF Giải mã lệnh ID Tạo Địa chỉ và nhận toán hạng GOA&OF Xử lý EX Lưu kết quả WR Tính toán và nạp địa chỉ lệnh Nhận lệnh ở địa chỉ nói trên Giải mã mã lệnh và toán hạng Tạo địa chỉ của toán hạng Nạp toán hạng. Xử lý dữ liệu. Lưu kết quả xử lý. Thời gian

Tóm gọn, ta thấy có năm bước cơ bản để CPU thực hiện được một lệnh.

Sau năm bước trên, CPU quay lại bước 1 để thực hiện tác vụ nhận lệnh tiếp theo.

Lưu ý rằng các lệnh của một số máy tính cho phép sử dụng nhiều toán hạng, do đó có thể có nhiều trạng thái Tạo địa chỉ toán hạng và Nạp toán

hạng trước khi xử lý dữ liệu.

Để minh họa, ta hãy khảo sát ví dụ thực hiện đoạn chương trình sau đây, được đặt tại địa chỉ 300H

Giả sử nội dung ô nhớ có địa chỉ là (940H) là 0302H, nội dung ô nhớ có địa chỉ (941H) là 0022H Giả sử rằng con trỏ lệnh bắt đầu tại vị trí 300H.

Để thực hiện, các lệnh sẽ được đọc tuần tự từ vị trí 300H, 301H, v.v.

Đoạn chương trình này thực hiện việc cộng các nội dung các ô nhớ trong bộ nhớ tại các địa chỉ 940H và 941H.

Tại chu kỳ đọc lệnh thứ nhất, thanh đếm chương trình PC chứa nội dung là 300H, đó là địa chỉ của lệnh đầu tiên. Địa chỉ này được nạp vào thanh ghi địa chỉ bộ nhớ MAR. Nội dung ô nhớ có địa chỉ 300H được đọc và nạp vào thanh ghi đệm bộ nhớ và sau đó được đưa vào thanh ghi lệnh. Nội dung thanh đếm chương trình PC tự động tăng lên 1 để có nội dung là 301H. Thanh ghi gộp có nội dung 0000H.

Trong chu kỳ thực thi lệnh đầu tiên, lệnh được giải mã và xác định rằng cần thực hiện thao tác nhận dữ liệu (LOAD) từ địa chỉ 940H. Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ MAR được nạp nội dung 940H. Nội dung 0302H tại địa chỉ này của bộ nhớ được nạp vào thanh ghi đệm MBR và sau đó được nạp vào thanh ghi gộp Acc.

LOAD @940H;Lấy nội dung ô nhớ có địa chỉ là 940H

nạp vào Acc

ADD @941H; Cộng nội dung thanh ghi gộp Acc với nội

dung ô nhớ có địa chỉ là 941H, kết quả đặt tại thanh ghi Acc

300H 301H

940H 941H

Nguyễn Trung Đồng – Tel 0983 410 866

Trong chu kỳ đọc lệnh thứ hai, vì con trỏ lệnh đang có nội dung 301H, nội dung này được nạp vào thanh ghi địa chỉ bộ nhớ MAR. Nội dung của ô nhớ có địa chỉ 301H sau đó được nạp vào thanh ghi đệm bộ nhớ (MBR) và thanh ghi lệnh. Con trỏ lệnh tăng lên 1 để có nội dung 302H. Thanh ghi gộp có nội dung 0302H.

Trong chu kỳ thực thi lệnh thứ hai, lệnh được giải mã và xác định rằng cần thực hiện thao tác cộng dữ liệu (ADD) từ địa chỉ 941H vào nội dung của thanh ghi gộp ACC. Con trỏ lệnh chứa nội dung 302H, thanh ghi địa chỉ bộ nhớ được nạp nội dung 941H. Nội dung 0022H tại địa chỉ 941H của bộ nhớ được nạp vào thanh ghi đệm. Nội dung này được chuyển tới bộ số học và logic để cộng với nội dung của thanh ghi gộp, thành 0342H. Kết quả cuối cùng được lưu ở thanh ghi gộp.

Ghi chú

Trong quá trình thực thi chương trình, CPU tuần tự giải mã các lệnh và thực hiện những thao tác được yêu cầu. Trong phần trên chúng ta đã minh họa quá trình thực hiện lệnh với sự truyền dữ liệu từ bộ nhớ vào thanh ghi lệnh trong CPU. Ngoài bộ nhớ, CPU còn có thể trao đổi dữ liệu với các thiết bị nhập và xuất. Nói chung, những thao tác yêu cầu CPU thực hiện được chia làm bốn dạng

Trao đổi dữ liệu giữa CPU và bộ nhớ: Dữ liệu được truyền từ

CPU đến bộ nhớ hoặc ngược lại.

Trao đổi dữ liệu giữa CPU và thiết bị nhập/xuất: Dữ liệu có thể truyền ra ngoài hoặc từ ngoài vào bằng cách truyền giữa CPU và các mô-đun nhập/xuất.

Xử lý dữ liệu: CPU thực hiện các tính toán số học và logic trên dữ liệu.

Điều khiển: Một lệnh có thể xác định trật tự các lệnh sẽ được

thực thi có thay đổi hay không. Ví dụ, CPU có thể đọc lệnh tại địa chỉ 149, lệnh lưu ở địa chỉ này có thể cho biết thêm thông tin là lệnh tiếp theo sẽ được đọc tại địa chỉ 182. CPU ghi nhớ thông tin này bằng cách nạp địa chỉ 182 vào con trỏ lệnh. Nhờ đó chu kỳ đọc tiếp theo sẽ được thực hiện tại địa chỉ 182 chứ không phải tại địa chỉ tiếp theo là 150.

5. Ngắt và cơ chế ngắt (Interupt)

Trong thực tế, tốc độ xử lý dữ liệu của CPU cao hơn rất nhiều so với “sự chế biến dữ liệu” của các thiết bị I/O. Vì vậy cần tạo ra một cơ chế vào/ra hợp lý để tăng hiệu suất làm việc của CPU. Ngắt trong hệ thống máy tính nhằm mục đích giải quyết sự bất hợp lý do CPU phải chờ đợi thiết bị ngoại vi. Thiết bị ngoại vi chỉ yêu cầu CPU phục vụ việc nhận hay chuyển giao dữ liệu khi bản thân nó đã sẵn sàng. Để thực hiện tốt yêu cầu này, cơ chế phục vụ ngắt là hợp lý nhất.

Ngắt nghĩa là yêu cầu CPU tạm thời dừng công việc hiện tại để trao

đổi hay xử lý dữ liệu không thuộc tuần tự của chương trình đang thực hiện.

Ngắt là một hiện tượng xuất hiện ngẫu nhiên về phương diện thời điểm nhưng được dự đoán trước.

Ngắt là hiện tượng thiết bị có yêu cầu ngắt gửi một tín hiệu báo với CPU rằng một sự kiện đã xẩy ra, yêu cầu CPU phải xử lý. Quá trình đang được CPU xử lý sẽ bị tạm thời dừng lại để thực hiện một thao tác khác phục vụ sự kiện có yêu cầu. Khi thao tác này kết thúc, quá trình xử lý vừa bị tạm dừng sẽ được tiếp tục ngay tại nơi nó đã bị tạm dừng. Bản thân sự kiện thông thường là yêu cầu phục vụ của thiết bị ngoại vi đối với CPU.

Trong thực tế, ngắt được sử dụng chủ yếu khi các thiết bị ngoại vi (thường rất chậm so với tốc độ xử lý của CPU) cần trao đổi thông tin, dữ liệu với CPU.

Khi cần trao đổi thông tin, dữ liệu, thiết bị ngoại vi gửi tín hiệu yêu cầu ngắt (Interrupt Request) tới CPU. CPU sẽ thực hiện nốt lệnh hiện tại và trả lời bằng tín hiệu nhận biết yêu cầu ngắt (INTA). Chương trình chính lúc này bị tạm dừng (ngắt) và CPU chuyển sang thực hiện chương trình con phục vụ ngắt, tức là chương trình con trao đổi thông tin, dữ liệu với thiết bị ngoại vi yêu cầu ngắt. Sau khi xong công việc phục vụ ngắt, CPU quay về thực hiện tiếp chương trình chính kể từ lệnh tiếp theo sau khi bị ngắt.

Các tín hiệu yêu cầu phục vụ ngắt từ một thiết bị ngoại vi bất kỳ được gửi tới chân nhận yêu cầu ngắt của CPU thông qua một khối điều khiển ngắt. Tuỳ theo người lập trình mà yêu cầu ngắt đó có được chuyển tới CPU hay không. Trong trường hợp yêu cầu ngắt được gửi tới CPU, xử lý của CPU gồm các bước sau:

Nguyễn Trung Đồng – Tel 0983 410 866

2. Phát tín hiệu nhận biết yêu cầu ngắt gửi cho thiết bị yêu cầu phục

vụ ngắt qua chân INTA

3. Cất các cờ trạng thái hiện tại vào ngăn xếp

4. Xoá các cờ IF (Interrupt Flag) và cờ TF (Trap Flag)

5. Cất địa chỉ lệnh tiếp theo trong tuần tự chương trình đang thực hiện vào vùng nhớ ngăn xếp

6. Lấy địa chỉ của chương trình con phục vụ ngắt trong bảng vector

ngắt theo số hiệu ngắt do thiết bị điều khiển ngắt gửi tới

7. Thực hiện chương trình con phục vụ ngắt.

Ngắt là sự kiện CPU bị tạm dừng việc thực hiện quá trình chính và chuyển sang thực hiện quá trình phục vụ ngắt. Ngắt cứng được sử dụng trong phương pháp vào/ra dữ liệu, trong đó thiết bị vào/ra (thiết bị vật lý: bàn phím, máy in, đồng hồ nhịp thời gian v.v.) chủ động khởi động quá trình vào/ra. Quá trình phục vụ ngắt cứng được kích thích bằng một tín hiệu vật lý từ bên ngoài.

5.1. Phân loại ngắt

Thuật ngữ “ngắt” xuất phát từ kỹ thuật ngắt cứng. Khi nói đến ngắt cứng, ngắt mềm hoặc ngắt logic (ngoại lệ) là hàm ý nói đến các chương trình con phục vụ hoạt động của hệ thống máy tính và nói đến cách kích hoạt các chương trình con này. Tất cả các chương trình phục vụ ngắt đều có chung đặc điểm: Chuyển sang phục vụ ngắt Trở về chtrình chính Yêu cầu ngắt xuất hiện i+1 2 1 3 i N Chương trình chính Chtrình con phục vụ ngắt

Thứ nhất là hầu hết các chương trình con phục vụ ngắt đã được viết sẵn (là các chương trình của hệ điều hành) và được phép sử dụng; thứ hai là địa chỉ của các chương trình con này phải được đặt ở một vùng xác định là

Bảng véc tơ ngắt, nằm trong bộ nhớ chính. Các chương trình con phục vụ

ngắt cứng thường được dùng để điều khiển quá trình vào/ra với các thiết bị vào-ra chuẩn ở mức vật lý. Các chương trình con phục vụ ngắt cứng được kích hoạt bởi các tín hiệu vật lý IRQ (Interrupt Request) đến từ thiết bị vào- ra. Các chương trình con phục vụ ngắt mềm là các chương trình hệ thống thực hiện các thao tác vào-ra cơ bản ở mức logic và các hoạt động khác của

hệ thống. Các chương trình con phục vụ ngắt mềm được kích hoạt bởi lệnh

INT trong tập lệnh của CPU. Các chương trình con phục vụ ngắt logic cũng

phục vụ cho hoạt động của hệ thống, nhưng chúng chỉ được kích hoạt khi CPU thực hiện lệnh và do phát sinh một ngoại lệ nào đó.

5.2. Bảng véc tơ ngắt

Bảng véc tơ ngắt là bảng chứa địa chỉ của các chương trình con phục vụ ngắt, do chương trình Hệ điều hành quy định. Bảng này có 256 ô, các ô được đánh số thứ tự lần lượt từ 00H, 01H, .. , 08H, .. , 0FH, 10H, .. , FFH. Số thứ tự của từng ô trong bảng được gọi là số hiệu ngắt, và được gán cho các yêu cầu ngắt đã được dự đoán trước. Chương trình con phục vụ các yêu cầu ngắt này được nạp sẵn trong bộ nhớ tại những địa chỉ xác định. Mỗi ô chứa địa chỉ logic của một chương trình con phục vụ ngắt xác định, các địa

chỉ này còn được gọi là véc tơ ngắt. Có thể tham khảo bảng vector của một

số ngắt sau Các loại ngắt Ngắt logic Ngắt mềm Ngắt cứng Ngắt DOS Ngắt

Nguyễn Trung Đồng – Tel 0983 410 866

Nội dung của ô

nhớ TT. Số

Số ngắt Chức năng của chương trình Địa chỉ đoạn

00H 00H Xử lý chia cho 0

Địa chỉ offset Địa chỉ đoạn

01H 01H Thực hiện gỡ rối (debug) Địa chỉ offset Địa chỉ đoạn 08H 08H Đồng hồ hệ thống Địa chỉ offset Địa chỉ đoạn 09H 09H Phục vụ bàn phím Địa chỉ offset Địa chỉ đoạn

21H 21H Thực hiện các dịch vụ của hệ điều hành Địa chỉ offset

Địa chỉ đoạn

FFH FFH Dự phòng

Địa chỉ offset

5.2. Cơ chế gọi chương trình con

Một trong những chức năng chính của máy tính (của đơn vị xử lý trung tâm CPU) là thực hiện chương trình, trong đó có việc thực hiện chương trình con. Chương trình con là một modul mã lệnh (modul chương trình) độc lập có thể được gọi (kích hoạt) từ chương trình chính và việc này có thể được thực hiện nhiều lần, xuất phát từ các vị trí khác nhau trong chương trình chính.

Việc thực hiện chương trình con xảy ra khi CPU thực hiện lệnh CALL (lệnh gọi chương trình con). Để thực hiện chương trình con thì bộ đếm chương trình (con trỏ lệnh) PC phải trỏ đến (phải chứa địa chỉ) ô nhớ đầu tiên của chương trình con đó. Sau khi thực hiện xong chương trình con, CPU cần trở về chương trình chính tại nơi vừa gọi chương trình con này. Việc này được thực hiện khi CPU gặp lệnh RET. Vùng nhớ ngăn xếp là nơi được sử dụng để chứa địa chỉ trở về chương trình chính khi CPU gọi chương trình con.

Đơn vị xử lý trung tâm thực hiện chương trình con khi gặp lệnh CALL (gọi chương trình con ):

CALL xxxx

trong đó xxxx là địa chỉ của chương trình con.