Tìm hiểu kỹ thuật vi xử lý 80386

Vi xử lý 80386
Nội dung chính:
Lịch sử phát triển họ vi xử lý iX86
Vi xử lý 80386
Cấu trúc khối
Các chế độ vận hành của vi xử lý 80386
Hệ thống vào ra
Quản lý bộ nhớ
Cấu trúc lệnh
Công nghệ mới
Kết luận
Tài liệu tham khảo
I. Lịch sử phát triển họ 80386
VXL 16bit
80186(iAPX 186)sử dụng chủ yếu trong những ứng dụng nhúng,bộ điều khiển thiết bị đầu cuối
80286(286) là vi xử lý đầu tiên của Intel có thể chạy được tất cả các ứng dụng viết cho các VXL trước đó. Có hai chế độ hoạt động là:chế độ thực và chế độ bảo vệ


VXL 32bit :
Intel 386 gồm các họ 386DX,386SX,376LX là một bước nhảy vọt so với các VXL trước đó. Có khả năng xử lý đa nhiệm,có thể chạy nhiều chương trình khác nhau cùng một thời điểm
Intel 486 gồm các phiên bản 486DX,486SX,486SL. Những phiên bản này có bộ nhớ sơ cấp,có thiết kế pipeline.
I.Vi xử lý 80386
1.Cấu trúc khối
Đóng vỏ và các chân chức năng:
Các chip 80386 đóng vỏ gốm PGA (ceramic pin grind package) 132 pin với công nghệ CHMOS III.
386SX có cấu trúc bên trong giống như 386DX nhưng chỉ có bit địa chỉ là 24bit và bus dữ liệu là 16bit. 386SX phù hợp với thiết bị nhớ và ngoại vi 8bit và 16bit. 386LX cũng được dùng trong nhiều loại IBM PC/XT
80386 dùng điện thế Vss,Vcc=5.0V tiêu thụ dòng trung bình 550mA-phiên bản tần số 25MHZ,500mA-phiên bản tần số 25MHZ,600mA-phiên bản 20MHZ…
Các chân tín hiệu :
80386 có 20 chân tín hiệu :A31-A3; D31-D0;BE#-BE0;m/IO#; W/R#;ADS#(address data strobe);RESET….
Các thanh ghi
Thanh ghi của 80386 đều là thanh ghi 32bit,một số thanh ghi có thể chia thành 16bit hoặc 8bit
Với 32bit địa chỉ không gian địa chỉ của CPU 80386 là 4GB. CPU 80386 có 64K cửa vào/ra 8bit,16bit,32bit
CPU 80386 có thể hoạt động với bộ đồng xử lý toán học
Tập các thanh ghi
Thanh ghi đa dụng và thanh ghi con trỏ: được mở rộng thành thanh ghi 32bit :EAX,EBX, ESP…tuy nhiên vẫn có thể sử dụng thanh ghi 8bit hoặc 16bit
Các thanh ghi đoạn: vẫn giữ nguyên chiều dài 16bit,nhưng có thêm hai thanh ghi đoạn FS và GS, được dùng giống như thanh ghi ES.
Thanh ghi trạng thái SR và thanh ghi đếm chương trình :cũng được nâng lên 32bit
Gồm 16bit thấp như trong 80286 và 16bit cao
Các thanh ghi gỡ rối (DR0-DR7) và kiểm tra (TR0-TR1)
Thanh ghi quản lý bộ nhớ:thanh ghi GDTR,LDTR,IDTR,TR,có chức năng giống như trong 80286 chỉ khác ở chỗ: địa chỉ cơ sở 32bit và giá trị giới hạn là 20bit
Thanh ghi điều khiển:thanh ghi CR0,CR1,CR2,CR3
2.Các chế độ vận hành của bộ xử lý 80386
CPU-80386 có thể vận hành theo một trong 3 chế độ: chế độ thực,chế độ bảo vệ,chế độ ảo
chế độ thực: không gian địa chỉ của 80386 bị giới hạn ở mức 220=1MB giống như không gian địa chỉ của 8086. Thanh ghi cờ cho chế độ này chỉ là 16bit.Khi khởi động,80386 làm việc ở chế độ thực. Mục đích chính của chế độ này là khởi đầu cho 80386 chuẩn bị cho chế độ bảo vệ

chế độ bảo vệ (còn gọi là chế độ đa nhiệm):cho phép bộ VXL 80386 dùng hết chế độ địa chỉ của nó và cho phép vận hành nó vận hành dưới một hệ điều hành đa nhiệm
chế độ ảo: cho phép thiết lập một kiểu vận hành đa nhiệm dùng trong đó các chương trình dùng trong chế độ thực có thể chạy song song với các tiến trình khác.
Cơ chế phân trang trong 80386
Cơ chế phân trang cho phép bất kỳ một địa chỉ tuyến tính nào(được tạo ra trong chương trình) được đặt trong một trang nhớ vật lý.Một trang nhớ tuyến tính là trang được địa chỉ bằng các giá trị selection và offset trong chế độ thực và chế độ ảo. Một trang nhớ tồn tại trong bộ nhớ vật lý,có dung lượng 4kbyte.
Thư mục trang(page directory): thư mục trang chiếm một vùng nhớ gồm 1024 bảng chuyển đổi trang PTT. Mỗi PTT chuyển đổi một địa chỉ logic thành một địa chỉ vật lý

Để sử dụng chế độ này phải có một phần mềm đặc biệt như Quaterdeck Office System DESQiew hoặc Microsoft Windows.
Bảng trang(page table):bảng trang chứa 1024 địa chỉ vật lý được truy nhập để chuyển đổi địa chỉ tuyến tính thành địa chỉ vật lý
Cơ chế phân trang cho phép bộ nhớ vật lý được gán cho bất kỳ địa chỉ tuyến tính nào
3. Hệ thống vào ra
Hệ thống vào ra (I/O system) của 80386 dựa trên nguyên tắc chung đã dùng chung cho các loại 8086/8088,có 64KB khác nhau của không gian vào/ra. Địa chỉ cổng vào ra xuất hiện trên bus địa chỉ A15-A2 với các tín hiệu BE3#-BE0# để chọn một byte,một từ,từ kép của dữ liệu vào ra
Điểm khác: 80386 sử dụng hệ thống vào ra 32bit và chia thành 4 băng.
Các vùng vào/ra được đánh số từ 0000h-FFFFh. Bộ đồng xử lý toán học 80387 sử dụng vùng vào/ra 800000F8h-800000FFh để kết nối giữa 80387 và 80386
4.quản lý bộ nhớ
Không gian nhớ:bộ nhớ vật lý của 80386DX tối đa là 4GB. Không gian địa chỉ ảo có thể đến 64TB và sắp xếp thành các không gian nhớ vật lý dung lượng 4GB nhờ MMU.MMU bên trong 80386 tương tự như MMU bên trong 80286,nhưng ngoài đơn vị phân đoạn(segmentation unit)của 80386 có thêm đơn vị phân trang(paging unit)
Với độ rộng dữ liệu 32bit,có thể tổ chức truy nhập trực tiếp bộ nhớ theo từng byte,từ và từ kép trong một chu trình nhớ,trong khi đó 8088 phải cần tới 4 chu trình nhớ và 80286 cần tới 2 chu trình nhớ. Các byte trong hệ thống máy tính 80386 được đánh địa chỉ bằng 8 chữ số hệ 16(hex) từ 00000000h-FFFFFFFFh
Phương pháp kỹ thuật kết nối các bộ nhớ tốc độ thấp với 80386.
kỹ thuật nhớ xem kẽ: nhằm mục đích kéo dài thời gian truy cập bộ nhớ mà không cần phải đưa vào các trạng thái chờ đợi trong chu kỳ bus. bộ nhớ xen kẽ chia thành hai phần một phần có các địa chỉ 32bit 0000000h-000003h,000008h-00000Bh...phần còn lại có các địa chỉ 000004h-000007h,00000Ch-00000Fh... trong khi vi xử lý truy cập tới vùng nhớ 000000h-000007h,thì logic điều khiển xen kẽ (interleave logic) tạo ra tín hiệu định thời (address strobe) địa chỉ (ADS#) cho vùng nhớ 000004h-000007h.
Quá trình này liên tục do vi xử lý đưa ra các địa chỉ các vùng nhớ liên tiếp nhau. Thời gian truy nhập bộ nhớ nhờ kỹ thuật xen kẽ tăng từ 78ns đến 145.5ns với nhịp đồng hồ hệ thống là 16MHz.
Kỹ thuật đường ống: kỹ thuật đường ống trong 80386 cho phép bộ nhớ có thêm một chu kỳ nhịp phụ để truy cập dữ liệu . nhịp phụ mở rộng thời gian truy cập từ 50ns cho đên 81ns của 80386 16 MHz. Kỹ thuật đường ống là một đặc điểm nhằm giảm thời gian truy cập bộ nhớ cần thiết áp dụng cho các hệ thống tốc độ chậm


Đánh địa chỉ ô nhớ:
80386 sử dụng các thanh ghi mô tả (Descriptors) tương tự như ở 80286. Trong cả 80286 và 80386, mỗi một thanh ghi mô tả có độ dài 8 byte chứa thông tin về vị trí của đoạn cần truy nhập. Thanh ghi chọn (Selector) của 80386 được sử dụng như là một chỉ số (Index) để trỏ tới thanh ghi mô tả nằm trong bảng mô tả (Desciptor table).
Sự khác nhau chính giữa 80286 và 80386 là 80386 có thêm các đoạn FS và GS, vì thế nó có thêm các thanh ghi mô tả cho các đoạn này. Ngoài ra, các thanh ghi mô tả của 80386 sử dụng địa chỉ cơ sở (Base) 32 bit và giá trị giới hạn đoạn (Limit) 20 bit thay cho địa chỉ cơ sở 24-bit và giá trị Limit 16-bit của các thanh ghi mô tả trong 80286. Như vậy 80386 đánh địa chỉ tới 4GB nhớ và phân bộ nhớ thành các đoạn kích thước tới 1MB.
Thanh ghi mô tả của 80386 cũng bao gồm: địa chỉ cơ sở đoạn (Base address), giới hạn đoạn (Limit) và quyền truy cập tới đoạn (Access Rightss). Giá trị thanh ghi chọn là mã 13-bit, nó xác định một trong 8192 thanh ghi mô tả trong bảng mô tả đoạn.
Giá trị thanh ghi chọn có bit TI và 2 bit RPL. Nếu TI = 0 thì chọn bảng GDT, nếu TI = 1 thì chọn bảng LDT. Ngoài GDT và LDT, còn có bảng mô tả ngắt (IDT) hay các cổng
80386 có 3 loại bảng mô tả : GDT, LDT và IDT và để quản lý chúng có các thanh ghi GDTR, LDTR, và IDTR. Những thanh ghi này được nạp giá trị nhờ các lệnh tương ứng: LGDT, LLDT, LIDT.
Các thanh ghi mô tả có hai dạng: Thanh ghi mô tả đoạn (Segment Descriptor) và thanh ghi mô tả hệ thống (System Descriptor). Thanh ghi mô tả đoạn xác định các đoạn dữ liệu, đoạn ngăn xếp và đoạn mã. Còn thanh ghi mô tả hệ thống chứa thông tin về các bảng , các nhiệm vụ, và các cổng (gates) của hệ thống
Còn thanh ghi mô tả hệ thống chứa thông tin về các bảng , các nhiệm vụ, và các cổng (gates) của hệ thống
Thanh ghi mô tả hệ thống của 80386 được sử dụng khi 80386 ở trong chế độ bảo vệ.Giá trị 4 bit của Type trong byte Access Rights trong thanh ghi mô tả hệ thống cho ta 16 tổ hợp có ý nghĩa.
5.Cấu trúc lệnh
80386 có tập lệnh lớn và phức tạp,là loại VXL kiến trúc CISC( Complex Instructions Set Computer ).
Khuôn dạng lệnh :
mã lệnh (2 bytes);mod r/m byte(1 byte); s-i-b byte(1 byte);(1,2,4 hoặc 0byte)
Trong đó: mod r/m byte : 2 bit chế độ (mod) và 3 bit r/m(thanh ghi/bộ nhớ) tạo ra 5 bit dùng để chỉ ra chế độ địa chỉ cho các toán hạng của lệnh
s-i-b byte : 2 bit cho ss ( trong chế độ địa chỉ chỉ số )
3 bit cho index( thanh ghi chỉ số )
3 bit cho base ( thanh ghi cơ sở )
add disp ( address displacement ): địa chỉ dịch chuyển, có thể có hoặc không
imm ( immediate data ):dữ liệu tức thì ( trong chế độ địa chỉ tức thì )_có thể có hoặc không

III.Công nghệ mới :
80386 là VXL đầu tiên sử dụng thanh ghi 32 bit, cho phép tăng không gian nhớ lên đến 4GB với 4 băng nhớ, không gian địa chỉ ảo có thể lên tới 64TB. Ngoài ra, 80386 còn có 1 số thanh ghi đặc biệt mà các VXL trước đó không có: đó là thanh ghi gỡ rối ( DR0=>DR4 ) và kiểm tra (TR0=>TR7 ); các thanh ghi điều khiển (CR0=>CR4 ).80386 có chế độ 8086 ảo cho phép chuyển đổi dễ dàng giữa 2 chế độ thực 8086 và chế độ bảo vệ.( Đây là điểm rất khác biệt so với 80286 )

80386 có tốc độ vượt trội mà không có loại DRAM nào thời vào điểm đó tương thích được, do đó 80386 đã sử dụng phương pháp “nhớ trung gian tốc độ nhanh” ( caching ) mà các thế hệ trước chưa có.

IV.Kết luận :
80386 là một bộ vi xử lý 32 bit do hãng Intel đưa ra vào tháng 10 năm 1985 và được dùng trong các máy tính IBM và tương thích; chẳng hạn như PS/ 2 Model 80. Intel 80386 đại diện cho bước tiến có tính cách mạng so với tiền thân của nó.
Chip 80386 là bộ vi xử lý hoàn toàn 32 bit, có nghĩa là nó có các thanh ghi 32 bit, truyền thông tin mỗi lần 32 bit trên bus dữ liệu và có thể dùng 32 bit để định địa chỉ,giao tiếp này gọi là giao tiếp cục bộ (local bus).