Để lập trình tốt Assembly việc đầu tiên tìm hiểu cấu trúc chip vi xử lý, vi điều khiển mình muốn làm việc xem nó haotj động như thế nào. Ngôn ngữ Assembly đòi hỏi phải bám theo cấu trúc chip, cấu trúc taaoj lệnh riêng cho từng con chip. Do đó khi làm việc với Assembly người học sẽ hiểu rõ hơn cấu trúc chip cũng như bản chất của hệ thống.

Bài viết này giới thiệu cấu trúc chip vi xử lý 80x86 của máy tính IBM.

¯BIU và EU

Theo sơ đồ khối trên hình 1.1 ta thấy bên trong CPU 8086 có 2 khối chính: khối phối ghép ( bus interface unit, BIU ) vàkhối thực hiện lệnh ( execution unit, EU ). Việc chia CPU ra thành 2 phần làm 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 của các khối khác. Trong số các bus đó có bus dữ liệu 16 bit của ALU, bus các tín hiệu điều khiển ở EU và bus trong của hệ thống ở BIU. Trước khi đi ra bus ngoài hoặc đi vào bus trong của bộ vi xử lý, các tín hiệu truyền trên bus thường được cho đi qua các bộ đệm để nâng cao tính tương thích cho nối ghép hoặc nâng cao phối ghép.

BIU đưa ra địa chỉ, đọc mã lệnh từ bộ nhớ, đọc/ghi dữ liệu từ vào cổng hoặc bộ nhớ. Nói cách khác BIU chịu trách nhiệm đưa địa chỉ ra bus và trao đổi dữ liệu với bus.

Trong EU ta thấy có một khối điều khiển  ( control unit, CU ). Chính tại bên trong khối điều khiển này có mạch giải mã lệnh. Mã lệnh đọc vào từ bộ nhớ được đưa đến đầu vào của bộ giải mã, các thông tin thu được từ đầu ra của nó sẽ được đưa đến mạch tạo xung điều khiển, kết quả là tu thu được các dãy xung khác nhau ( tuỳ theo mã lệnh ) để điều khiển hoạt động của các bộ phận bên trong và bên ngoài CPU. Trong khối EU còn có khối số học và lôgic ( arithmetic anh logic unit. ALU ) dùng để thực hiện các thao tác khác nhau với các toán hạng của lệnh. Tóm lại, khi CPU hoạt động EU sẽ cung cấp thông tin về địa chỉ cho BIU để khối này đọc lệnh và dữ liệu, còn bản thân nó thì đọc lệnh và giải mã lệnh

Trong BIU còn có một bộ nhớ đệm lệnh  với dung lượng 4 byte dùng để chứa các mã lệnh đọc được nằm sẵn để chờ EU xử lý ( trong tài liệu của Intel bộ đệm lệnh này còn được gọi là hàng đợi lệnh ). Đây là một cấu trúc mới được cấy vào bộ vi xử lý 8086x88 do việc Intel đưa cơ chế xử lý xen kẻ liên tục, dòng mã lệnh ( instruction pipelining ) vào ứng dụng trong các bộ vi xử lý thế hệ mới. Pipeline là một cơ chế đã được ứng dụng từ những năm 60 từ các máy lớn. Nhân đây ta sẽ giới thiệu sơ qua một chút về cơ chế này.

Trong các bộ vi xử lý ở các thế hệ trước (như ở 8085 chẳng hạn), thông thường hoạt động của CPU gồm 3 giai đoạn: đọc mã lệnh (opcode fetch), giải mã lệnh (decode) và thực hiện lệnh (execution). Trong một thời điểm nhất định, CPU thế hệ này chỉ có thể thực hiện một trong ba công việc nói trên và vì vậy tuỳ theo từng giai đoạn sẽ có những bộ phận nhất định của CPU ở trạng thái nhàn rỗi. Chẳng hạn, khi CPU giải mã lệnh hoặc khi nó đang thực hiện những lệnh không liên quan đến bus (thao tác nội bộ) thì các bus không được dùng vào việc gì dẫn đến tình trạng lãng phí khả năng của chúng . Trong khi đó từ bộ vi xử lý 8086/88, Intel sử dụng cơ chế xử lý xen kẻ liên tục dòng mã lệnh thì CPU được chia thành 2 khối và có sự phân chia công việc cho từng khối: việc đọc mã lệnh là do khối BIU thực hiện, việc giải mã lệnh và thực hiện lệnh là do khối EU đảm nhiệm. Các khối chức năng này có khả năng làm việc đồng thời và các bus sẽ liên tục sử dụng: trong khi EU lấy mã lệnh từ bộ đệm 4 byte để giải mã hoặc thực hiện các thao tác nội bộ thì BIU vẫn có thể đọc mã lệnh từ bộ nhớ chính rồi đặt chúng vào bộ nhớ đệm lệnh đã nói. Bộ đệm lệnh này làm việc theo kiểu “ vào trước – ra trước “  (first in-first out, FIFO), nghĩa là byte nào được cất vào đệm trước sẽ được lấy ra xử lý trước. Nếu có sự vào/ra liên tục của dòng mã lệnh trong bộ đệm này thì có nghĩa là có sự phối hợp hoạt động hiệu quả giữa hai khối EU và BIU theo cơ chế xử lý xen kẻ liên tục dòng mã lệnh để làm tăng tốc độ xử lý tổng thể. Kỹ thuật xử lý xen kẻ liên tục dòng mã lệnh sẽ không còn tác dụng tăng tốc độ xử lý chung của CPU nữa nếu như trong đệm lệnh có chứa các mã lệnh của các lệnh CALL (lệnh gọi chương trình con) hoăc JMP (nhảy), bởi vì lúc các lệnh này nội dung của bộ đệm sẽ bị xoá và thay thế vào đó là nội dung mới được nạp bởi các mã lệnh mới do lệnh nhảy hoặc gọi quyết định. Việc này tiêu tốn nhiều thời gian hơn so với trường hợp trong đệm chỉ có mã lệnh của các lệnh tuần tự.

Trong bộ vi xử lý 8086 ta còn thắy có các thanh ghi 16 bit nằm trong cả hai khối BIU và EU, ngoài ra cũng có một số thanh ghi 8 hoặc 16 bit tại EU. Ta sẽ lần lượt giới thiệu các thanh ghi nói trên cùng chức năng chính của chúng.

*Các thanh ghi đoạn

Khối BIU đưa ra trên bus địa chỉ 20 bit địa chỉ, như vậy 8086 có khả năng phân biệt ra được 220 = 1.048.576 = 1M ô nhớ hay 1Mbyte, vì các bộ nhớ nói chung tổ chức theo byte. Nói cách khác: không gian địa chỉ của 8086 là 1Mbyte. Trong không gian 1Mbyte bộ nhớ cần được chia thành các vùng khác nhau (điều này rất có lợi khi làm việc ở chế độ nhiều người sử dụng hoặc đa nhiệm) dành riêng để:

•        Chứa mã chương trình.
•        Chứa dữ liệu và kết quả không gian của chương trình.
• Tạo ra 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 chương trình con hoặc trở về từ chương trình con.

Trong thực tế bộ vi xử lý 8086 có các thanh ghi 16 bit liên quan đến địa chỉ đầu của các vùng (các đoạn) kể trên và chúng được gọi là các thanh ghi đoạn (Segment Registers). Đó là thanh ghi đoạn mã CS (Code-Segment), thanh ghi đoạn dữ liệu DS  Data sement). Thanh ghi đoạn ngăn xếp SS (Stack segment) và thanh ghi đoạn dữ liệu phụ ES (Extra segment). Các thanh ghi đoạn 16 bit này chỉ ra địa chỉ đầu của bốn đoạn trong bộ nhớ, 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 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 trong chúng 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 Kbyte.

 Nội dung các thanh ghi đoạn sẽ xác định địa chỉ của ô nhớ nằm ở đầu đoạn. Địa chỉ này còn 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 (effset), gọi như thế vì nó ứng với khoảng lệch của toạ độ một ô nhớ cụ thể nào đó so với ô đầu đoạn. Độ lệch này được xác định bởi các thanh ghi 16 bit khác đóng vai trò thanh ghi lệch (Offset register) mà ta sẽ nói đến sau. Cụ thể, để xác định địa chỉ vật lý 20 bit của một ô nhớ nào đó trong một đoạn bất kỳ. CPU 8086 phải dùng đến 2 thanh ghi 16 bit (một thanh ghi để chứa địa chỉ cơ sở, còn thanh kia chứa độ lệch ) và từ nội dung của cặp thanh ghi đó tạo ra địa chỉ vật lý theo công thức sau:

Địachỉvậtlý=Thanhghiđoan x 16+Thanhghilệch

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:

Thanhghiđoạn: Thanhghilệch   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 ghi cần thiết truy cập ô nhớ nào đó thì nó phải được đổi ra địa chỉ vật lý để rồi được đưa lên bus địa chỉ. Việc chuyển đổi này do một bộ tạo địa chỉ thực hiện (phần tử   trên hình 3.1).

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 = F00H và IP = FFF0H thì

CS:IP~F000Hx16 + FFF0H = F0000H + FFF0H = FFFF0H

Địa chỉ FFFF0H chính là địa chỉ khởi động của 8086 dấu ~ ở đây là để chỉ sự tương ứng. Địa chỉ các ô nhớ thuộc các đoạn khác cũng có thể tính được theo cách tương tự như vậy. Từ nay khi cần nói đến đến địa chỉ của một ô nhớ ta có thể sử dụng cả địa chỉ logic lẫn địa chỉ vật lý vì bao giờ cũng tồn tại sự tương ứng giữa hai loại địa chỉ này (thông qua bộ tạo địa chỉ).

Trước khi nói đến các thanh ghi khác ta nói thêm chút ít về tính đa trị của các thanh ghi đoạn và thanh ghi lệch trong địa chỉ logic ứng với một địa chỉ vật lý. Điều này cũng nói lên tính linh hoạt của cơ chế segment offset trong việc định địa chỉ của 8086/ 88. Nhìn vào giá trị cuối cùng của địa chỉ vật lý ta thấy có thể tạo ra địa chỉ đó từ nhiều 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

         0300H                                                  E345H

            …                                                            …

*Các thanh ghi đa năng

Trong khối EU có bốn thanh ghi đa năng 16 bit AX, BX, CX, DX. Điều đặc biệt là khi cần chứa các dữ liệu 8 bit thì mỗi thanh ghi có thể tách ra thành hai thanh ghi 8 bit cao và thấp để làm việc độc lập, đó là các tập thanh ghi AH và AL, BH và BL, CH và CL, DH và DL (trong đó H chỉ phần cao, L chỉ phần thấp). Mỗi thanh ghi có thể dùng một cách vạn năng để chứa các tập dữ liệu khác nhau nhưng cũng có công việc đặc biệt nhất định chỉ thao tác với một vài thanh ghi nào đó và chính vì vậy các thanh ghi thường được gn cho những cái tên đặc biệt rất có ý nghĩa.

Cụ thể:

• AX (accumulator, acc): thanh chứa. Các kết qủa của các thao tác thường được chứa ở đây (kết quả của phép nhân, chia). Nếu kết quả là 8 bit thì thanh ghi AL được coi là acc.
• BX (base): thanh ghi cơ sở thường chứa địa chỉ cơ sở của một bảng dùng trong lệnh XLAT.
• CX (count): bộ đếm. CX thường được dùng để chứa số lần lặp trong trường hợp các lệnh LOOP (lặp), còn  CL thường cho ta số lần dịch hoặc quay trong các lệnh dịch hoặc quay thanh ghi.
• DX (data): thanh ghi dữ liệu DX cùng BX tham gia các thao tác của phép nhân hoặc chia các số 16 bit. DX thường dùng để chứa địa chỉ của các cổng trong các lệnh vào/ ra dữ liệu trực tiếp.

*Các thanh ghi con trỏ và chỉ số:

Trong 8086 còn có ba thanh ghi con trỏ và hai thanh ghi chỉ số 16 bit. Các thanh ghi này (trừ IP) đều có thể được dùng như các thanh ghi đa năng, nhưng ứng dụng chính của mỗi thanh ghi là chúng được ngầm định như là thanh ghi lệch cho các đoạn tương ứng. Cụ thể:

• 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 này ứng với CS:IP và được xác định theo cách đã nói ở trên.
• 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 ứng với SS:BP và được xác định theo cách đã nói ở trên.
• 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 ứng với SS:SP và được xác định theo cách đã nói ở trên.
• 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 ứng với DS:SI và được xác định theo cách đã nói ở trên.
• DI: chỉ số đích (destination index). DI chỉ vào dữ liệu trong đoạn dữ liệu DS mà địa chỉ cụ thể đầy đủ ứng với DS:DI và được xác định theo cách đã nói ở trên.

Riêng trong các lệnh thao tác với dữ liệu kiểu chuổi 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.

*Thanh ghi cờ FR (flag register)

Đây là thanh ghi khá đặc biệt trong CPU, mỗi bit 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 xử lý (các lệnh nhảy có điều kiện). Thanh ghi cờ gồm 16 bit nhưng người ta chỉ dùng hết 9 bit của nó để làm các bit cờ (hình 3.3).

Các cờ cụ thể

• C hoặc CF (carry flag): cờ nhớ. CF = 1 khi có nhớ hoặc muợn từ MSSP.
• P hoặc PF (parity flag): cờ parity. PF phản ánh tính chẵn lẻ (parity) của tổng số bit 1 có trong kết quả. Cờ PF =1 khi tổng số bit trong kết quả là chẵn (even parity, parity chẵn). Ở đây ta tạm dùng parity dạng nguyên gốc để tránh sự lủng củng khi phải dịch cụm từ “ even parity “ thành tính chẵn lẻ chẵn hoặc “ odd party “  thành tính chẵn lẻ lẻ.
• A hoặc AF (auxilialyry carry flag): cờ nhớ phụ rất có ý nghĩa khi ta làm việc với các số BCD.AF = 1 khi có nhớ hoặc muợn từ một số BCD thấp (4 bit thấp) sang một số BCD cao (4 bit cao).
• Z hoặc ZF (zero flag): cờ rỗng. ZF =1 khi kết quả = 0.
• S hoặc SF  (sign flag): cờ dấu. SF = 1 khi kết quả âm.
• O hoặc OF (over flow 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 bit cờ trạng thái phản ánh các trạng thái khác nhau của kết sau một thao tác nào đó, trong đó 5 bit cờ đầu thuộc byte thấp của thanh cờ là các cờ giống như của bộ vi xử lý 8 bit 8085 của Intel. Chúng được lặp 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 bẩy. 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) được tác động.
• D hoặc DF (direction flag): cờ hướng. DF = 1 khi CPU làm việc với chuổi ký tự theo thứ tự từ phải sang trái ( vì vậy D chính là cờ lùi )

Ý nghĩa của các cờ đã khá rõ ràng. Riêng cờ tràn cần phải làm rõ hơn để ta hiểu được bản chất và cơ chế làm việc của nó. Cờ tràn thường được dùng đến khi ta làm việc với số bù 2 có dấu. Để cho việc giải thích được đơn giản, đầu tiên giả thiết ta làm việc với số bù 2 dài 8 bit, kết quả để ở AL (xem hình 3.4). Gọi C67 là cờ nhớ từ bit 6 (B6) lên bit 7 (B7), trong đó B7 là MSB và cũng chính là bit dấu (SF) của AL. Ta có thể chứng minh được rằng quan hệ giữa cờ OF với các cờ CF và C67 tuân theo phương trình sau:

OF = CF   C67.

Nghĩa là khi thực hiện các phép toán với số bù 2 có dấu, hiện tượng tràn sẽ xảy ra (cờ OF = 1) nếu có nhớ từ MSB (tức là SF) sang CF nhưng lại không có nhớ vào chính nó (SF) hoặc ngược lại. Điều này có thể tổng quát hoá cho các trường hợp làm việc với số bù 2 có dấu với độ dài 16/32 bit.