báo cáo bài tập lơn môn kiến trúc máy tínhPHÂN TÍCH KIẾN TRÚC và NGUYÊN lý làm VIỆC của bộ VI xử lý 64 BIT của INTEL

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA :KHOA HỌC MÁY TÍNH
*
* *
BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN KIẾN TRÚC
MÁY TÍNH
ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH KIẾN TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC
CỦA BỘ VI XỬ LÝ 64 BIT CỦA INTEL

Nhóm thực hiện: Nhóm 4
Lớp: ĐH KHMT1 – K6
Thành viên trong nhóm:
1. Lê Văn Hiệu
2. Trần Trung Hiếu
3. Nguyễn Duy Hồi
4. Đào Nguyên Hiếu
Hà Nội, Năm 2012
2
Mục lục
Chương 1:Tổng quan về bộ VXL của Intel 4
1.1.Khái niệm 4
1.2.Lịch sử ra đời của bộ VXL 5
1.3.Cấu trúc phần cứng của bộ VXL 7
1.4.Nguyên lý hoạt động của bộ VXL 10
1.5.Lập trình cho một VXL 14
Chương 2:Bộ vi xử lý 64 bit của Intel và các thế hệ bộ VXL 17
2.1.Tổng quan về bộ vi xử lý 64 bit của Intel 17
2.2.Kiến trúc bộ vi xử lý 64 bit 18
2.3.64 bit dữ liệu mô hình 22
2.4.64 bit điều hành hệ thống thời gian 24
2.5.Itanium (Merced):2001 27

2.6.Itanium 2:2002-2010 28
2.7.Itanium 9300(Tkwila):2010 30
2.8.P4 Prescott (năm 2004) 30
2.9.Pentium D (năm 2005) 31
2.10.Pentium Extreme Edition (năm 2005) 31
2.11.Intel Core 2 Duo 32
Chương 3:Nguyên lý làm việc của bộ vi xử lý 64 bit của Intel 33
3.1.Sơ đồ khối 33
3.2.Nguyên lý làm việc của bộ nhớ Cache L1 34
3.3.Cách tổ chức và nguyên lý làm việc của bộ nhớ Cache L2 36
3.4.Tổ chức Cache nhớ L3 38
3.5. Độ rộng Bus dữ liệu và Bus địa chỉ (Data Bus và Add Bus) 39
3.6. Tốc độ sử lý và tốc độ Bus của CPU 39
3.7.Nguyên lý làm việc của các thanh ghi 41
3.8.Khối xử lý trung tâm ALU 42
3.9.Quy trình xử lý thông tin 43
3.10.Con trỏ ngăn xếp SP(Stack) 44
3
3.11.Khối điều khiển CU 45
Danh mục bảng
Bảng 1:Mô hình dữ liệu 64 bit 22
Danh mục hình
Hình 1.1:Cấu trúc CPU 4
Hình 2.5: Bộ vi xử lý Itanium 27
Hình 2.6: Bộ xử lý Itanium tháng 2 năm 2003 28
Hình 2.9: Kiến trúc Pentium D ( năm 2005 ) 31
Hình 2.11: Kiến trúc Intel core
TM
duo 32
Hình 3.1: Sơ đồ khối của bộ vi xử lý 33

Hình 3.2: Bộ nhớ Cache L1 34
Hình 3.3: Cách bản đồ hóa trực tiếp các làm việc của Cache L2 36
Hình 3.6: Minh họa về tốc độ xử lý (speed CPU) và tốc độ Bus (FSB) của CPU 40
Hình 3.8: Bộ tính toán ALU 42
Hình 3.9: Quy trình xử lý thông tin 43
Hình 3.10: Con trỏ ngăn xếp SP 44
Hình 3.11: Khối điều khiển CU 45
Tài liệu tham khảo 47
4
Chương 1:Tổng quan về bộ VXL của Intel
1.1.Khái niệm
CPU viết tắt của chữ Central Processing Unit (tiếng Anh), tạm dịch là đơn vị xử lí
trung tâm. CPU có thể được xem như não bộ, một trong những phần tử cốt lõi nhất
của máy vi tính. Nhiệm vụ chính của CPU là xử lý các chương trình vi tính và dữ
kiện. CPU có nhiều kiểu dáng khác nhau. Ở hình thức đơn giản nhất, CPU là một
con chip với vài chục chân. Phức tạp hơn, CPU được ráp sẵn trong các bộ mạch với
hàng trăm con chip khác. CPU là một mạch xử lý dữ liệu theo chương trình được
thiết lập trước. Nó là một mạch tích hợp phức tạp gồm hàng triệu transistor.
Hình 1.1. Cấu trúc CPU
- “vi xử lý” là thuật ngữ chung dùng để đề cập đến kỹ thuật ứng dụng các công nghệ
vi điện tử, công nghệ tích hợp và khả năng xử lý theo chương trình vào các lĩnh vực
khác nhau. Vào những giai đoạn đầu trong quá trình phát triển của công nghệ vi xử
lý, các chip (hay các vi xử lý) được chế tạo chỉ tích hợp những phần cứng thiết yếu
như CPU cùng các mạch giao tiếp giữa CPU và các phần cứng khác. Trong giai
đoạn này, các phần cứng khác (kể cả bộ nhớ) thường không được tích hợp trên chip
mà phải ghép nối thêm bên ngoài. Các phần cứng này được gọi là các ngoại vi
(Peripherals). Về sau, nhờ sự phát triển vượt bậc của công nghệ tích hợp, các ngoại
vi cũng được tích hợp vào bên trong IC và người ta gọi các vi xử lý đã được tích hợp
thêm các ngoại vi là các “vi điều khiển”. Việc tích hợp thêm các ngoại vi vào trong
cùng một IC với CPU tạo ra nhiều lợi ích như làm giảm thiểu các ghép nối bên

5
ngoài, giảm thiểu số lượng linh kiện điện tử phụ, giảm chi phí cho thiết kế hệ thống,
đơn giản hóa việc thiết kế, nâng cao hiệu suất và tính linh hoạt.
1.2.Lịch sử ra đời của bộ VXL
Bộ vi xử lý là một trong nhữngthành tựu khoa học kỹ thuật vĩ đại trong thế kỷ XX
của nhân loại. Nó được sảnxuất dựa trên công nghệ mạch tích hợp và thành phần cơ
bản trong bộ vi xử lý là transistor (hay bóng bán dẫn) nên lịch sử của nó gắn liền
vớilịch sử ra đời của transistor và sự phát triển của công nghệ mạch tích hợp.
Vùng Santa Clara ở miền Nam vịnhSan Francisco (bang Canifornia, Mỹ) trồng rất
nhiều mận, trước kia được gọi làthung lũng mận khô. Từ thâp niên 60, những vườn
mận ngày càng ít đi và SantaClata đã được đổi tên là Silicon Valley (thung lũng
Silicon). Hiện nay,transistor, mạch tích hợp, bộ vi xử lý của Silicon Vallley đã xuất
hiện trêntoàn thế giới. Tập đoàn điện thoại AT & T (American Telephone
&Telegraph) đã đầu tư xây dựng một số phòng thí nghiệm tại Marray Hill (bang
NewJersey). Các phòng thí nghiệm này tập trung một đội ngũ các nhà khoa học
giỏi,chú trọng ngiên cứu, cải tiến những sản phẩm do tập đoàn AT & T sản xuất.Vào
ngày 23 tháng 12 năm 1947, ba nhà khoa học Wiliam Shockley, John
Pardeen,Walter Brattian đã mời giám đốc các trung tâm nghiên cứu đến để giới thiệu
mộtbộ khuếch đại rất lạ. Ba nhà khoa học này đang nghiên cứu về các chất bán dẫn
-những tinh thể có một đặc điểm vật lý rất quan trọng: chỉ cho dòng điện lưuthông
theo một chiều duy nhất. Đây là một loại vật liệu lý tưởng để biến dòngđiện xoay
chiều thành dòng điện một chiều. Từ loại vật liệu này, họ sẽ chế tạobộ chuyển mạch
cho các tổng đài điện thoại của AT & T. Còn bộ khuếch đạikhác, trong đó có một
mẩu germanium nhỏ đựng trên ba chân bằng thép, gọi là transistor.Transistor nhỏ
hơn đèn chân không 50 lần, tiết kiệm năng lượng hơn, không cầnnhiều linh liện (do
đó ít hỏng hóc) và gần như không nóng lên. Ba nhà khoa họctrên đã nhận được giải
Nobel vật lý năm 1956.
Nhưng nhà khoa học WiliamShockley lại không nhìn thấy tương lai tươi sáng nơi
tập đoàn AT & T. Năm1955, Shockley đã bỏ AT & T đến thành lập phố nhỏ Palo
Alto ở miền Nam SanFranasco để thành lập Shockley Semiconductors, chiêu tập rất

nhiều nhàkhoa học nổi tiếng thời ấy. Nhưng dưới quyền chỉ đạo của Shockley, các
nhà khoahọc trẻ rất khó phát triển. Năm 1957, cuộc xung đột bùng nổ: tám nhà khoa
học(đứng đầu là Bob Noyce 27 tuổi - tiến sĩ khoa học thuộc viện công
nghệMassachusetts) quyết định 'ly khaí, thành lập một bộ phận nghiên cứuchất bán
dẫn trong tập đoàn Fairchild Camera and Instrument ở MountainWiew. Theo quan
điểm của họ, người chính được khâm phục chính là nhà vật lý họcngười Anh
6
Dummer. Ngay từ năm 1952, Dummer đã dự định chế tạo một mô hình cáclinh kiện
điện tử, bao gồm nhiều lớp vật lý cách điện, dẫn xuất, điều chỉnh vàkhuyếch đại âm
thanh tốt. Cũng trong thập niên 50, một nhà nghiên cứu tên làJack Kilby làm việc
cho Texas Instrument ở Dalas đã bỏ việc đến California.Năm 1958, Jack Kilby giới
thiệu một mẫu Silicium nhỏ mang nhiều transistor, nhưng nhà khoa học Bob Noyce
đã chế tạo một loại sản phẩm tương tự, được gọi làmạch tích hợp (IC - Integrated
Circuit). Sản phẩm này bao gồm nhiềutransistor trên mặt phẳng cực nhỏ (vài mm2),
có thể lưu trữ thôngtin, thay đổi dữ liệu, thực hiện được các phép tính đại số: đó là
'con rệp'.
Sản phẩm mới của Bob Noyce đã làmcho thế giới điện tử bàng hoàng. Cho đến thời
gian ấy, máy tính bao gồm hàngnghìn transistor được liên kết với nhau bằng dây
điện. Như thế, muốn lắp ráp,phải cần nhiều giờ lao động hơn, mà máy tính vẫn có
thể hỏng hóc vì nhiệt vàchấn động âm thanh. Trong khi đó, 'con rệp' lại không dùng
dây điện,chi tiết transistor nhỏ lên khối lượng thiết giảm. Lúc đó, chỉ có một trở
ngạiduy nhất: mạch tích hợp đầu tiên bao gồm hàng chục transistor đắt tiền (giáhàng
nghìn đôla), rất khó bán trên thị trường.
Những người cứu sống mạch tíchhợp lại chính là nhà du hành vũ trụ Yuri Gararin và
tổng thống Mỹ John Kennedy.Tổng thống Mỹ là người đã tuyên bố đưa con người
lên mặt trăng. Kế hoạch thámhiểm mặt trăng bắt đầu và như thế, phải trang bị cho
tàu không gian những máytính cực nhỏ, tối tân chống nhiệt và thay đổi của khí hậu.
Mạch tích hợp đãthoả mãn được những yêu cầu trên. Dù mạch tích hợp đắt tiền
nhưng cơ quan hàngkhông vũ trụ Mỹ và lầu 5 góc vẫn duyệt chi kinh phí. Còn 'con
rệp'được sản xuất hàng loạt lên giá thành ngày càng hạ. Ở Mountain Wiew, tám nhà

khoa học trẻ của tập đoàn Fairchild ngày càng giàu sụ.Dù vậy, năm 1968, hai nhà
khoa học Gordon Moore và Bob Noyce quyết định nghỉviệc, thành lập công ty Intel
(IntegratedElectronics). Theo quan điểmcủa họ, tính sáng tạo của kỹ sư điện tửphát
triển rất mạnh khi họ còn trẻ. Do đó, họ chỉ tuyển dụng các nhà khoahọc trẻ, phần
lớn dưới 30 tuổi. Người thứ 12 gia nhập Intel tên là Marcian TedHoff, sinh tại
Rochester (bang New York), tiến sĩ thuộc trường đại họcStandford. Mới 31 tuổi
nhưng Hoff đã có rất nhiều bằng sáng chế.
Đến năm 1969 đã có 200 người làmviệc cho Intel. Các văn phòng tại Moutain View
trở nên quá chật hẹp, nên Inteldời địa điểm nghiên cứu đến Silicon Valley. Cùng
thời gian ấy, công ty Busicomcủa Nhật Bản dự định liên kết với Intel sản xuất mạch
in của một loại máy tínhmới. Bob Noyce chỉ định Hoff làm việc với các kỹ sư Nhật.
7
Buổi làm việc của haibên chỉ kéo dài một ngày. Đêm hôm ấy, Hoff đi nghỉ ở Tahiti
và suy nghĩ rằng,theo dự án của Busicom, máy tính sẽ rất đắt tiền và rất phức tạp.
Thế là vàingày sau, Hoff đề xuất với Busicom phương pháp sản xuất máy tính bằng
cách tậphợp các mạch tích hợp có những chức năng cơ bản của máy tính. Trên một
diệntích có mỗi cạnh 0,5 cm là 2000 transistor mang nhiều chức năng: bộ phần xử
lýtrung tâm, mạch bộ nhớ ROM (Read Only Memory) chứa chương trình cho sẵn để
tínhtoán, một bộ nhớ RAM (Random Access Memory) - bộ nhớ có thể đọc, xoá và
viếtthông tin, chứa dữ liệu cho người sử dụng nạp vào để xử lý. Đây quả là sángkiến
thiên tài: một máy điện toán trên một 'con rệp' duy nhất. Chỉcòn thiếu màn hình và
bàn phím. Sau này, Hoff đã gọi sản phẩm mới ấy là bộvi xử lý. Hợp đồng giữa Ted
Hoff và Busicom được kí kết, dành độc quyềnkhai thác cho Busicom. Hai kỹ sư điện
tử khác tên là Mazor và Frederico Faggincùng tham gia xây dựng dự án bộ vi xử ký.
Vào tháng 1 năm 1971, bộ vi xử lí đầutiên được ra đời, mang số hiệu 4004. Tháng
11 năm 1971, tạp chí Tin tức điện tửcông bố chính thức sản phẩm 4004. Trong thời
gian ấy, Intel mua lại bản quyềnbộ vi xử lí của Busicom.
Sau này, Ted Hoff phát biểu:'Khi làm việc về dự án bộ vi xử lí, tôi chỉ nghĩ đến việc
sáng chế mộtmáy tính chữ chưa ý thức được sức phát triển của sản phẩm ấy trong
tương lai'.Riêng đối với Bob Noyce, ông đã nảy ra ý tưởng sẽ ứng dụng bộ vi xử lí

vào mộtvài lĩnh vực hoạt động có tính chất phổ cập dễ sinh lợi. Còn Gordon Moore
đãphát biểu trong thập niên 60 câu nói nổi tiếng sau này được gọi là định luậtMoore:
'Cứ sau 18 tháng, tốc độ và sức mạnh của bộ tích hợp lại được tăng gấp đôi'. Năm
1971, bộ vixử lí 4004 có 2300 transistor. Năm 1993, bộ vi xử lí Pentium của Intel có
3,1triệu transistor. Tháng 8 năm 1999, Pentium III của Intel có 21 triệutransistor
chạy ở tốc độ 600 MHz. Tháng 3 năm 2000 tốc độ của bộ vi xử lí đạttới mức kỉ lục:
1 GHz !
Nhưng chưa dừng lại ở đó, gần đâynhất là Pentium IV 'kinh hoàng' với tốc độ 2 GHz
được Intel giớithiệu vào tháng 8/2001.
Hiện nay ba nhà khoa học đoạtgiải Nobel: Wiliam Shockley, John Pardeen, Walter
Brattain đã qua đời. JohnPardeen còn đoạt giải Nobel vật lý vào năm 1972 (lần thứ
2). Bob Noyce cũng đãqua đời vào năm 1990. Còn Gordon Moore và Ted Hoff vẫn
tiếp tục chỉ đạo Intel ởSilicon Valley, xây dựng Intel trở thành tập đoàn sản xuất bộ
vi xử lí hàng đầuthế giới.
1.3.Cấu trúc phần cứng của bộ VXL
Về cơ bản kiến trúc của một vi xử lý gồm những phần cứng sau: - Đơn vị xử lý
trung tâm CPU (Central Processing Unit). - Các bộ nhớ (Memories). - Các cổng
8
vào/ra song song (Parallel I/O Ports). - Các cổng vào/ra nối tiếp (Serial I/O Ports). -
Các bộ đếm/bộ định thời (Timers).
Ngoài ra với mỗi loại vi điều khiển cụ thể còn có thể có thêm một số phần cứng khác
như bộ biến đổi tương tự-số ADC, bộ biến đổi số-tương tự DAC, các mạch điều chế
dạng sóng WG, điều chế độ rộng xung PWM…
Bộ não của mỗi vi xử lý chính là CPU, các phần cứng khác chỉ là các cơ quan chấp
hành dưới quyền của CPU. Mỗi cơ quan này đều có một cơ chế hoạt động nhất định
mà CPU phải tuân theo khi giao tiếp với chúng. Để có thể giao tiếp và điều khiển
các cơ quan chấp hành (các ngoại vi), CPU sử dụng 03 loại tín hiệu cơ bản là tín
hiệu địa chỉ (Address), tín hiệu dữ liệu (Data) và tín hiệu điều khiển (Control). Về
mặt vật lý thì các tín hiệu này là các đường nhỏ dẫn điện nối từ CPU đến các ngoại
vi hoặc thậm chí là giữa các ngoại vi với nhau. Tập hợp các đường tín hiệu có cùng

chức năng gọi là các bus. Như vậy ta có các bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều
khiển. Có thể mô tả sơ bộ cấu trúc phần cứng của một vi xử lý theo hình sau:
Sau đây là mô tả sơ bộ về các phần cứng bên trong một vi xử lý.
1. Đơn vị xử lý trung tâm CPU: CPU có cấu tạo gồm có đơn vị xử lý số học và lôgic
(ALU), các thanh ghi, các khối lôgic và các mạch giao tiếp. Chức năng của CPU là
tiến hành các thao tác tính toán xử lý, đưa ra các tín hiệu địa chỉ, dữ liệu và điều
khiển nhằm thực hiện một nhiệm vụ nào đó do người lập trình đưa ra thông qua các
lệnh (Instructions).
2. Bộ nhớ: Nhìn chung có hai loại bộ nhớ là bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu.
Bộ nhớ chương trình dùng để chứa mã chương trình hướng dẫn CPU thực hiện một
nhiệm vụ nào đó. Thông thường thì bộ nhớ chương trình là các loại bộ nhớ “không
bay hơi” (non-volatile), nghĩa là không bị mất nội dung chứa bên trong khi ngừng
cung cấp nguồn nuôi. Có thể kể ra một số bộ nhớ thuộc loại này như: ROM, PROM,
EPROM, EEPROM, Flash. Bộ nhớ dữ liệu là bộ nhớ dùng để chứa dữ liệu (bao gồm
các tham số, các biến tạm thời…). Tuỳ thuộc loại dữ liệu mà bộ nhớ loại này có thể
là loại “không bay hơi” hoặc “bay hơi” (mất dữ liệu khi cắt nguồn nuôi). Loại “bay
hơi” thường thấy là các bộ nhớ SRAM.
3. Cổng vào/ra song song: Đây là các đường tín hiệu được nối với một số chân của
IC dùng để giao tiếp với thế giới bên ngoài IC. Giao tiếp ở đây là đưa điện áp ra
hoặc đọc vào giá trị điện áp tại chân cổng. Các giá trị điện áp đưa ra hay đọc vào chỉ
có thể đwocj biểu diễn bởi một trong hai giá trị lôgic (0 hoặc 1). Trong kỹ thuật vi
xử lý, người ta thường dùng quy ước lôgic dương: giá trị lôgic 0 ứng với mức điện
9
áp thấp xấp xỉ 0VDC, giá trị lôgic 1 ứng với mức điện áp cao xấp xỉ +5VDC. Tùy
loại vi xử lý mà “khoảng xấp xỉ” đó là khác nhau nhưng nhìn chung là tương thích
với mức lôgic TTL. Mỗi cổng vào/ra song song thường gồm 08 đường vào/ra khác
nhau và gọi là các cổng 08 bit. Các đường tín hiệu vào/ra của các cổng và thuộc
cùng một cổng là độc lập với nhau. Điều đó có nghĩa là ta có thể đưa ra hay đọc vào
các giá trị lôgic khác nhau đối với từng chân cổng (từng đường tín hiệu vào/ra). Một
điều cần chú ý nữa đối với các cổng vào/ra đó là chúng có thể được tích hợp thêm

(nói đúng hơn là kiêm thêm) các chức năng đặc biệt liên quan đến các ngoại vi khác.
4. Cổng vào/ra nối tiếp: Khác với cổng song song, với cổng nối tiếp các bit dữ liệu
được truyền lần lượt trên cùng một đường tín hiệu thay vì truyền cùng một lúc trên
các đường tín hiệu khác nhau. Thông thường thì việc truyền dữ liệu bằng cổng nối
tiếp phải tuân theo một cơ chế, một giao thức hay một nguyên tắc nhất định. Có thể
kể ra một số giao thức như SPI, I2C, SCI… Cổng nối tiếp có 02 kiểu truyền dữ liệu
chính: - Truyền đồng bộ (synchronous): thiết bị truyền và thiết bị nhận đều dùng
chung một xung nhịp (clock). - Truyền dị bộ (asynchronous): thiết bị truyền và thiết
bị nhận sử dụng hai nguồn xung nhịp riêng. Tuy nhiên hai nguồn xung nhịp này
không được khác nhau quá nhiều.
Xung nhịp là yếu tố không thể thiếu trong truyền dữ liệu nối tiếp và nó có vaitrò xác
định giá trị của bit dữ liệu (hay nói đúng hơn là xác định thời điểm đọc mức lôgic
trên đường truyền dữ liệu).
Cổng nối tiếp có thể có một trong các tính năng sau: Đơn công: thiết bị chỉ có thể
hoặc truyền hoặc nhận dữ liệu. Bán song công: thiết bị có thể truyền và nhận dữ liệu
nhưng tại một thời điểm chỉ có thể làm một trong hai việc đó. Song công: thiết bị có
thể truyền và nhận dữ liệu đồng thời.
5. Bộ đếm/Bộ định thời: Đây là các ngoại vi được thiết kế để thực hiện một nhiệm
vụ đơn giản: đếm các xung nhịp. Mỗi khi có thêm một xung nhịp tại đầu vào đếm thì
giá trị của bộ đếm sẽ được tăng lên 01 đơn vị (trong chế độ đếm tiến/đếm lên) hay
giảm đi 01 đơn vị (trong chế độ đếm lùi/đếm xuống).
Xung nhịp đưa vào đếm có thể là một trong hai loại: Xung nhịp bên trong IC. Đó là
xung nhịp được tạo ra nhờ kết hợp mạch dao động bên trong IC và các linh kiện phụ
bên ngoài nối với IC. Ta có thể ví đó là “nhịp tim” để toàn bộ các phần cứng bên
trong vi xử lý (bao gồm cả CPU và các ngoại vi) có thể hoạt động được. Trong
trường hợp sử dụng xung nhịp loại này, người ta gọi là các bộ định thời (timers). Do
xung nhịp bên loại này thường đều đặn nên ta có thể dùng để đếm thời gian một
cách khá chính xác. Xung nhịp bên ngoài IC. Đó là các tín hiệu lôgic thay đổi liên
10
tục giữa 02 mức 0-1 và không nhất thiết phải là đều đặn. Trong trường hợp này

người ta gọi là các bộ đếm (counters). Ứng dụng phổ biến của các bộ đếm là đếm
các sự kiện bên ngoài như đếm các sản phầm chạy trên băng chuyền, đếm xe ra/vào
kho bãi…
Một khái niệm quan trọng cần phải nói đến là sự kiện “tràn” (overflow). Nó được
hiểu là sự kiện bộ đếm đếm vượt quá giá trị tối đa mà nó có thể biểu diễn và quay
trở về giá trị 0. Với bộ đếm 8 bit, giá trị tối đa là 255 và là 65535 với bộ đếm 16 bit.
Ngoài các phần cứng nêu trên còn phải kể đến một khối lôgic khác là khối giao tiếp
bus. Khối này có chức năng ghép nối giữa các bus bên trong chip và các chân đưa ra
ngoài chip. Mục đích của việc đưa các tín hiệu địa chỉ, dữ liệu và điều khiển ra ngoài
là nhằm mở rộng khả năng phối ghép thêm của vi xử lý với các ngoại vi khác (chủ
yếu là các bộ nhớ ngoài) ngoài các ngoại vi được tích hợp trên IC. Thông thường thì
số lượng các đường tín hiệu là giữ nguyên khi đưa ra ngoài chip, tuy nhiên trong
một số trường hợp số lượng các đường tín hiệu có thể nhỏ hơn số lượng thực bên
trong (ví dụ như trường hợp của vi xử lý 8088, bus dữ liệu bên trong là 16 bit nhưng
đưa ra ngoài chỉ có 8 bit). Khi đưa ra ngoài, các tín hiệu địa chỉ và dữ liệu có thể
được ghép với nhau (cùng sử dụng chung một số chân nào đó) hoặc được tách riêng
(tín hiệu địa chỉ dùng một số chân, tín hiệu dữ liệu dùng một số chân khác). Người
ta thường “dồn kênh” (multiplex), tức là ghép chức năng, giữa bus địa chỉ và bus dữ
liệu để giảm thiểu số chân cần thiết. Trong trường hợp này, tín hiệu địa chỉ sẽ xuất
hiện trước, sau đó là tín hiệu dữ liệu trên cùng một tập hợp các đường tín hiệu. Để
tách được 2 loại tín hiệu đó thì nhà sản xuất cung cấp cho người sử dụng một đường
tín hiệu điều khiển có tên là tín hiệu chốt địa chỉ (thường ký hiệu là ALE). Tín hiệu
này sẽ tích cực khi tín hiệu địa chỉ xuất hiện và không tích cực khi tín hiệu dữ liệu
xuất hiện trên bus. Các IC thích hợp với việc tách tín hiệu địa chỉ và dữ liệu là các
IC thuộc họ 74xx373/374 hoặc 74xx573/574.
1.4.Nguyên lý hoạt động của bộ VXL
Trước hết, nói qua về một khái niệm rất hay được nhắc tới trong kỹ thuật vi xử lý –
“không gian địa chỉ”. Nó được hiểu là số lượng địa chỉ mà CPU có thể phân biệt
được. Trong một bộ nhớ có rất nhiều ô nhớ và CPU thường phải truy nhập (ghi hoặc
đọc) đến từng ô nhớ cụ thể, do đó CPU tất nhiên phải phân biệt được các ô nhớ riêng

rẽ với nhau. Mỗi ô nhớ cần phải có một địa chỉ gắn với nó. Địa chỉ này chỉ dành
riêng cho ô nhớ đó, không trùng với địa chỉ của một ô nhớ nào khác, khi truy nhập
tới địa chỉ đó tức là truy nhập đến ô nhớ đó. Ngoài ô nhớ, trong vi xử lý còn có một
số phần cứng khác cũng cần có một địa chỉ dành riêng cho nó như các thanh ghi điều
khiển, các thanh ghi dữ liệu… Thường thì hầu như tất cả những phần cứng cần được
11
truy nhập hay tác động đến đều phải được gắn với một hay nhiều địa chỉ. Lấy ví dụ,
để có thể giao tiếp và điều khiển một bộ đếm (timer/counter), CPU cần phải tác động
đến các thanh ghi quy định chế độ hoạt động, thanh ghi chứa số đếm của bộ đếm đó.
Các thanh ghi này đều có địa chỉ gán riêng cho chúng và nhờ các địa chỉ đó mà CPU
có thể ghi/đọc giá trị của các thanh ghi, qua đó tác động lên bộ đếm.
Vi xử lý hoạt động theo một số nguyên tắc cơ bản sau: - Các thao tác tính toán xử lý
sẽ được vi xử lý, hay nói đúng hơn là CPU, thực hiện theo các chỉ dẫn (chính là các
lệnh) đặt trong bộ nhớ chương trình. Đương nhiên trong bộ nhớ chương trình không
có những chỉ dẫn kiểu như “hãy đưa điện áp +5VDC ra chân cổng A!” hay “dừng
cái bộ đếm đó lại, đừng cho nó đếm thêm một xung nhịp nào nữa!” hay “hãy tạm
thời chờ ở đây cho đến khi nào điện áp tại chân B có giá trị lôgic bằng 0!”. Đó là
ngôn ngữ của con người, các vi xử lý không nghe được và đương nhiên không hiểu
được những câu đó, chúng chỉ có thể nhận biết được hai và chỉ hai giá trị lôgic trái
ngược nhau mà thôi. Hai giá trị lôgic trái ngược nhau có thể là đen-trắng, không-có,
cao-thấp… Điều đó không quan trọng, cái quan trọng là về mặt vật lý (điện học),
nhờ một cơ chế nào đó mà khi đọc nội dung của bộ nhớ hay đọc giá trị lôgic của một
cổng vào ra, vi xử lý có thể phân biệt được khi nào giá trị đọc được là giá trị lôgic
thứ nhất và khi nào thì không phải thế. Theo truyền thống người ta quy định chung
rằng các giá trị lôgic đó là 0 và 1. Biểu thị các giá trị lôgic đó theo quy ước lôgic
dương là điện áp cao (xấp xỉ +5VDC) cho giá trị 1 và điện áp thấp (xấp xỉ 0VDC)
cho giá trị 0. Như vậy, thay vì nói với vi xử lý rằng “hãy đưa ra giá trị lôgic 1 tại
chân cổng A!”, người ta mã hoá câu nói đó thành một chuỗi các bit lôgic 0-1 (ví dụ
00001010 chẳng hạn) rồi đặt trong bộ nhớ chương trình của IC. CPU khi cấp nguồn
nuôi sẽ đọc và tất nhiên nó hiểu cái chuỗi 0-1 đó có nghĩa là gì và nó sẽ thực hiện

theo ý nghĩa của lệnh nó dịch ra từ chuỗi 0-1 đó. Vậy tại sao nó hiểu được? Xin trả
lời là bạn lại lan man rồi đấy! Nó hiểu được đơn giản vì người ta chế tạo ra đã như
thế rồi. Hãy biết chấp nhận như vậy vào lúc này! - Việc thực hiện các lệnh sẽ diễn ra
tuần tự (lệnh ở địa chỉ thấp hơn được thực hiện trước) bắt đầu từ địa chỉ reset. Địa
chỉ reset là địa chỉ của bộ nhớ chương trình mà tại đó, sau khi được cấp nguồn nuôi,
CPU sẽ bắt đầu đọc và thực hiện theo chỉ dẫn được mã hóa đặt tại đó. Mỗi loại vi xử
lý có một địa chỉ reset riêng (thường là từ 0000H) do nhà sản xuất quy định. - Các
lệnh được thực hiện tuần tự là nhờ có thanh ghi “bộ đếm chương trình”(PC). Thanh
ghi này chứa địa chỉ của ô nhớ chứa mã của lệnh tiếp theo sẽ được thực hiện. Khi
CPU tìm nạp được mã của lệnh n, thanh ghi PC sẽ tự độngtăng lên 1 đơn vị để trỏ
vào ô nhớ chứa mã của lệnh (n+1). - CPU thực hiện một lệnh theo các bước nhỏ.
Thường thì các bước đó bao gồm: tìm nạp mã lệnh (fetch-tức là truy cập bộ nhớ
chương trình, đọc lấy giá trị tại ô nhớ có địa chỉ trỏ bởi thanh ghi PC, lưu vào một
12
thanh ghi chuyên dùng chứa mã lệnh trong CPU), giải mã lệnh (decode-giải mã giá
trị đã lấy được và đang đặt trong thanh ghi chứa mã lệnh trong CPU), cuối cùng là
thực hiện lệnh (execute-thực hiện chỉ dẫn được giải mã ra từ mã lệnh đọc được).
Những vi xử lý đầu tiên được thiết kế với phương thức thực hiện lệnh một cách
thuần “tuần tự”, nghĩa là thực hiện tuần tự 3 bước đối với lệnh thứ n rồi mới thực
hiện 3 bước tiếp theo của lệnh thứ (n+1).
Sau này, các vi xử lý được thiết kế với CPU được module hóa thành từng phần riêng
biệt có hoạt động khá độc lập với nhau, do đó mà cấu trúc xử lý đường ống
(pipeline) ra đời. Với cấu trúc này, các bước nhỏ trong việc thực hiện các lệnh sẽ
được gối lên nhau, trong khi một phần cứng của CPU thực hiện bước 3 (thực hiện
lệnh) của lệnh n thì một phần cứng khác của CPU thực hiện việc giải mã lệnh tiếp
theo (lệnh thứ n+1), và đồng thời một phần cứng khác nữa trong CPU tìm nạp mã
của lệnh thứ (n+2).
Với cấu trúc xử lý đường ống, tốc độ xử lý của CPU đã được nâng cao rõ rệt và tất
cả những vi xử lý ngày nay đều được thiết kế với CPU theo cấu trúc xử lý này. -
Ngăn xếp(Stack): Là một đoạn bộ nhớ (thường đặt trong RAM) dùng để chứa địa

chỉ trở về của trong các trường hợp chương trình con hoặc chương trình phục vụ
ngắt được gọi. Ngoài ra ngăn xếp còn dùng để lưu các dữ liệu tạm thời. Ngăn xếp
hoạt động theo cơ chế “vào sau ra trước” (LIFO-Last In First Out). Thanh ghi con
trỏ ngăn xếp (SP-Stack Pointer) là thanh ghi có nội dung là địa chỉ của ô nhớ trên
cùng của ngăn xếp. Giá trị của SP được tăng giảm một cách tự động. Ngăn xếp là
phần cứng vô cùng quan trọng trong vi xử lý, nó tham gia vào các thao tác rẽ nhánh
(trừ thao tác nhảy) của chương trình. Người lập trình phải hết sức cẩn thận khi gán
giá trị khởi tạo cho SP để tránh sự cố tràn ngăn xếp hoặc ngăn xếp trùng với các
vùng nhớ lưu dữ liệu khác. Khi xảy ra một trong các sự cố trên, sẽ không có cách
nào kiểm soát được hoạt động của vi xử lý và có thể gây thiệt hại lớn đối với hệ
thống. Giống như một trò chơi, khi bạn tham gia và vì một lý do nào đó phạm vào
một trong hai lỗi đó, tất cả những gì bạn sẽ nhận được trên màn hình là dòng chữ
“GAME OVER”!
- Vậy thế nào là địa chỉ trở về? Như đã nói ở trên, vi xử lý thực hiện các lệnh một
cách tuần tự: lệnh 1, lệnh 2,…, lệnh n, lệnh n+1…Tuy nhiên đôi khi nó gặp phải một
lệnh gọi chương trình con và do đó phải chuyển sang thực hiện chương trình con đó.
Đoạn mã lệnh của chương trình con thường nằm ở một nơi khác trong bộ nhớ
chương trình, tức là có địa chỉ không liên tiếp với lệnh gọi chương trình con. Nhắc
lại rằng thanh ghi PC lúc này đang chứa địa chỉ của lệnh tiếp sau lệnh gọi chương
13
trình con. CPU chỉ biết thực hiện những gì có tại địa chỉ chứa trong PC, do vậy mà
PC cần phải được nạp giá trị mới là địa chỉ của mã lệnh đầu tiên của chương trình
con. Việc nạp giá trị mới cho PC được thực hiện một cách tự động khi bạn gọi một
chương trình con, ngoài ra địa chỉ của lệnh tiếp sau lệnh gọi chương trình con trong
chương trình chính cũng được tự động lưu lại để sau khi thực hiện xong chương
trình con, CPU sẽ có thể quay lại thực hiện tiếp chương trình chính một cách đúng
chỗ, tuần tự như không có chuyện gì xảy ra. Nơi lưu giữ một cách tự động địa chỉ
trở về (địa chỉ của lệnh tiếp sau lệnh gọi chương trình con) ấy chính là ngăn xếp.
Người ta thực hiện việc chia chương trình chính thành các chương trình con (là các
đoạn chương trình thực hiện một nhiệm vụ cụ thể) để dễ dàng cho việc lập trình và

dò lỗi. Bạn sẽ dần có được kỹ năng chia nhỏ chương trình chính thành các chương
trình con một cách hợp lý trong quá trình lập trình cho vi xử lý.
- Ngăn xếp cũng có vai trò tương tự như đối với ngắt. Vậy ngắt là gì? Đó là những
yêu cầu do các ngoại vi (là các phần cứng tích hợp trên IC hoặc các tác động từ bên
ngoài) gửi tới CPU nhằm đòi hỏi những đáp ứng nhất định. Mục đích của việc thiết
kế cơ chế ngắt trong vi xử lý là nhằm tiết kiệm thời gian cho CPU. Trong hầu hết
các trường hợp, vi xử lý cần phải thực hiện nhiều nhiệm vụ trong thời gian rất ngắn
và liên tục. Để có thể đáp ứng kịp thời với các sự kiện cần xử lý, CPU có thể tiến
hành thăm dò polling) liên tục các sự kiện để xem khi nào chúng xảy ra thì xử lý,
đáp ứng lại. Tuy nhiên nếu làm vậy thì lãng phí rất nhiều thời gian của CPU trong
khi còn có rất nhiều nhiệm vụ khác đang chờ được thực hiện, ngoài ra CPU không
thể thăm dò nhiều sự kiện cùng một lúc được. Người ta tạo ra ngắt để CPU không
phải thăm dò liên tục một hay nhiều sự kiện đó. Bằng cách ghép các sự kiện cần đáp
ứng với các cơ chế ngắt khác nhau, khi một sự kiện nào đó xảy ra, phần cứng phụ
trách ngắt tích hợp trên CPU sẽ tự động báo cho CPU biết rằng sự kiện đã xảy ra.
CPU sẽ dừng công việc đang làm lại (nhưng phải thực hiện xong lệnh đang được
thực hiện, dù mới chỉ ở giai đoạn tìm nạp mã lệnh), và chuyển sang đáp ứng bằng
cách thực hiện chương trình phục vụ ngắt tương ứng. Đáp ứng xong, tức là xử lý
xong sự kiện gây ra ngắt, CPU sẽ tiếp tục quay lại làm tiếp công việc đang dang dở
(đương nhiên là nhờ hoạt động của ngăn xếp). Nói đến ngắt không thể không nói
đến mức ưu tiên của các loại ngắt khác nhau. Có 02 loại mức ưu tiên ngắt cơ bản là
ưu tiên giữa các ngắt xảy ra đồng thời (ngắt A và ngắt B xảy ra đồng thời cùng một
lúc) và ưu tiên giữa các ngắt xảy ra khác thời điểm (đang thực hiện chương trình
phục vụ ngắt A thì lại xảy ra ngắt B). Trong cả hai trường hợp, ngắt có mức ưu tiên
cao hơn sẽ luôn được phục vụ ngay lập tức. Tùy loại vi xử lý mà mức ưu tiên có thể
thay đổi được linh hoạt hoặc cố định. - Khác với chương trình con, thời điểm thực
hiện chương trình phục vụ ngắt trong hầu hết các trường hợp là nằm ngoài sự kiểm
14
soát của người lập trình do ngắt có thể xảy ra bất kỳ thời điểm nào, khi CPU đang
thực hiện bất kỳ một lệnh nào trong chương trình chính. Vì thế cơ chế hoạt động một

cách tự động của ngăn xếp là không thể thiếu trong một vi xử lý. Cũng vì thế mà cần
phải xem xét kỹ lưỡng việc sử dụng các tài nguyên (thanh ghi, ô nhớ, biến, thậm chí
là các ngoại vi) của các chương trình phục vụ ngắt để tránh tranh chấp với chương
trình chính. Thông thường thì khi vào đầu chương trình phục vụ ngắt, người ta lưu
lại những tài nguyên dùng chung đó trước khi thay đổi chúng. Kết thúc chương trình
phục vụ ngắt, các tài nguyên sẽ được khôi phục lại giá trị của chúng trước khi trở về
chương trình chính. Thực hiện các thao tác lưu trữ và khôi phục này đương nhiên
liên quan đến ngăn xếp, chỉ có điều không phải thực hiện một cách tự động bởi CPU
mà phải do người lập trình chủ động thực hiện bằng các lệnh. Người lập trình phải
quyết định cất những gì và lấy ra những gì! Cũng phải chú ý đến cơ chế hoạt động
“vào sau ra trước” của ngăn xếp và cất đi bao nhiêu thì phải lấy ra bấy nhiêu. Nếu
không bạn sẽ phạm phải một lỗi tương tự như tràn ngăn xếp và chỉ có Chúa mới biết
được chuyện gì sẽ xảy ra khi địa chỉ trở về không được nạp đúng vào thanh ghi PC.
Một trong những tài nguyên hay bị thay đổi khi thực hiện chương trình phục vụ ngắt
là các cờ trạng thái của CPU. Đó là các bit thể hiện trạng thái hiện thời của CPU và
của kết quả thực hiện các lệnh. Các cờ này thường được ghép với nhau thành một
thanh ghi và được gọi là thanh ghi trạng thái
1.5.Lập trình cho một VXL
Sau khi thiết kế xong phần cứng, bạn phải tiến hành lập trình cho vi xử lý để hoàn
thiện sản phẩm của mình. Vi xử lý có thể được lập trình bằng ngôn ngữ bậc cao hay
ngôn ngữ bậc thấp. Ngôn ngữ bậc thấp là ngôn ngữ được thiết kế riêng cho từng loại
vi xử lý và thường được gọi là hợp ngữ (Assembly). Ngôn ngữ bậc cao là các ngôn
ngữ gần với ngôn ngữ của con người và giống nhau cho nhiều loại vi xử lý. Mỗi loại
ngôn ngữ đều có ưu và nhược điểm riêng. Với những người mới bắt đầu nghiên cứu
về kỹ thuật vi xử lý, theo kinh nghiệm của riêng bản thân, tôi cho rằng nên bắt đầu
với ngôn ngữ bậc thấp. Có một số điểm đáng lưu ý khi bạn lập trình cho một vi xử
lý. Đó là: - Trước tiên bạn phải hiểu rõ được các chế độ địa chỉ của vi xử lý đó. Chế
độ địa chỉ chính là cách chỉ ra toán hạng nằm ở đâu. Toán hạng là các tham số, các
hằng số, các ô nhớ, các thanh ghi, các bit, các cờ…hay nói chung là các đối tượng
tham gia vào việc thực hiện lệnh. Thông thường thì một toán hạng (ví dụ như một

thanh ghi) có thể được trỏ đến bằng một vài chế độ địa chỉ khác nhau. Mỗi chế độ
địa chỉ có thế mạnh riêng của nó và tùy từng trường hợp mà ta nên chọn chế độ thích
hợp khi lập trình. - Sau đó bạn phải nắm bắt được tập lệnh (Instruction Set) của vi
xử lý đó. Tập lệnh là tất cả những lệnh mà vi xử lý có thể hiểu được, có thể thực
15
hiện được. Mỗi lệnh đều được mã hóa (hay được quy ước) bởi một chuỗi các bit 0
và 1. Các vi xử lý khác nhau thì có tập lệnh khác nhau do nhà sản xuất chip cung
cấp. –
Trước khi bắt đầu viết các lệnh cụ thể, bạn nên viết lưu đồ thuật toán thực hiện các
nhiệm vụ cụ thể. Lưu đồ thuật toán là sơ đồ diễn giải trình tự thực hiện các nhiệm vụ
một cách lôgic và liền mạch. Viết lưu đồ thuật toán ngay cả cho các chương trình hết
sức đơn giản là một thói quen rất tốt ngay cả khi bạn đã là một cao thủ trong lập
trình vi xử lý. Chỉ cần mất chút thời gian thực hiện công việc này, bạn sẽ có được cái
nhìn vừa bao quát vừa chi tiết đối với chương trình mình định viết, nhờ đó mà bạn
lập trình nhanh hơn, hiệu quả hơn và dễ dàng phát hiện ra lỗi về thuật toán xử lý nếu
chương trình chạy không như ý muốn. Đối với bản thân tôi mà nói, tôi cho rằng viết
các dòng lệnh cho một vi xử lý không phải là khó, ngược lại nó rất dễ, cái khó là bạn
phải biết được mình phải viết những gì hay nói đúng hơn là phải tìm ra một lưu đồ
thuật toán đúng đắn. Khi đã tìm ra con đường đi đúng và hiệu quả, tất cả những gì
còn lại phải làm là thể hiện các thao tác xử lý đó bằng cách lệnh của vi xử lý - một
công việc mà bất cứ ai nắm rõ tập lệnh của vi xử lý đó đều có thể làm tốt. Khi lưu đồ
thuật toán bạn lập ra là đúng, nếu sau khi lập trình mà vi xử lý hoạt động không như
mong muốn thì lỗi chỉ có thể là do bạn chưa thể hiện bằng các dòng lệnh một cách
đúng đắn những gì đã lập ra mà thôi. Dần dần, kinh nghiệm tích lũy được sẽ chỉ cho
bạn cách thể hiện đúng một lưu đồ bất kỳ thậm chí ngay ở lần đầu tiên và theo như
cách chúng tôi vẫn nói đùa trong chuyên môn, trình độ lập trình của bạn đã đạt đến
cấp độ “plug and play”! - Chương trình sẽ được viết trong một file mã nguồn
(thường có đuôi là ASM). - Phần mềm trên máy tính có tên là “Trình biên dịch”
(Compiler) sẽ dịch file mã nguồn sang một file có đuôi là OBJ. File này chứa thông
tin cần thiết để có thể chuyển đổi sang file có đuôi HEX hay file có đuôi BIN (là các

file chứa mã chương trình đã được chuyển sang dạng Hexa hay Binary) để có thể
nạp vào trong bộ nhớ chương trình của vi xử lý. - Trong khi lập trình, hãy đặc biệt
lưu ý đến các tình huống rẽ nhánh của chương trình. Các tình huống đó bao gồm các
lệnh nhảy vô điều kiện, các lệnh nhảy có điều kiện, các lệnh gọi chương trình con,
các tình huống xảy ra ngắt và đương nhiên phải chú ý đến các phần cứng liên quan
như ngăn xếp hay các cờ trạng thái. - Với mỗi loại vi xử lý/vi điều khiển lại có nhiều
hãng cung cấp các phần mềm trên máy tính dùng để soạn thảo và biên dịch. Các
phần mềm này có các từ khóa khác nhau mà người lập trình phải tuân thủ khi sử
dụng. Từ khóa là các ký hiệu được thể hiện bằng các ký tự, được viết trong file mã
nguồn nhưng nó không phải là lệnh của vi xử lý, đương nhiên không được dịch ra
16
mã máy, đó chỉ là các chỉ dẫn cho phần mềm trên máy tính thực hiện biên dịch các
file mã nguồn sang mã máy một cách chính xác.
17
CHƯƠNG 2: Bộ vi xử lý 64 bit của Intel và các thế hệ VXL
2.1.Tổng quan về bộ vi xử lý 64 bit của Intel
Hầu hết các CPU được thiết kế để các nội dung của một sổ đăng ký số nguyên
duy nhất có thể lưu trữ các địa chỉ (địa điểm) của datum bất kỳ trong bộ nhớ
ảo của máy tính . Vì vậy, tổng số địa chỉ trong bộ nhớ ảo - tổng số tiền của dữ
liệu máy tính có thể giữ khu vực làm việc của nó - được xác định bởi chiều
rộng của các đăng ký. Bắt đầu từ những năm 1960 với IBM System/360 (mà
là một ngoại lệ, ở chỗ nó sử dụng thứ tự thấp 24 bit của một từ cho các địa chỉ,
kết quả trong 16 MB [16 × 1024
2
byte] kích thước không gian địa chỉ), sau đó
( giữa nhiều người khác) tháng mười hai VAXmáy tính mini trong năm 1970,
và sau đó với Intel 80386 vào giữa những năm 1980, một sự đồng thuận trên
thực tế phát triển là 32 bit là một kích thước đăng ký thuận tiện. A 32-bit địa
chỉ đăng ký có nghĩa là 2
32

địa chỉ, hoặc 4 GB bộ nhớ RAM , có thể được
tham chiếu. Đồng thời những kiến trúc này đã được nghĩ ra, 4 GB bộ nhớ là
vượt xa số lượng tiêu biểu (4 MB) trong cài đặt này được coi là đủ "khoảng
không" để giải quyết. 4,29 tỷ địa chỉ đã được coi là một kích thước thích hợp
để làm việc với một lý do quan trọng khác: 4,29 tỷ số nguyên là đủ để giao tài
liệu tham khảo duy nhất cho hầu hết các thực thể trong các ứng dụng như cơ
sở dữ liệu .
Một số siêu máy tính kiến trúc của những năm 1970 và 1980 sử dụng sổ
đăng ký lên đến 64 bit rộng. Trong giữa những năm 1980, Intel i860 phát triển
đã bắt đầu lên đến đỉnh điểm (quá muộn phát hành năm 1989 cho Windows
NT). Tuy nhiên, 32 bit vẫn là chỉ tiêu cho đến đầu những năm 1990, khi giảm
liên tục trong chi phí của bộ nhớ để cài đặt với số lượng tiếp cận RAM 4 GB,
và việc sử dụng không gian bộ nhớ ảo trên 4 GB trần đã trở thành mong muốn
xử lý một số loại của các vấn đề. Trong phản ứng, MIPS và DEC phát triển
kiến trúc bộ vi xử lý 64-bit, ban đầu cho máy trạm vàmáy chủ máy cao
18
cấp . Đến giữa những năm 1990, hệ thống máy tính HAL , Sun
Microsystems , IBM , Silicon Graphics , và Hewlett Packard đã phát triển kiến
trúc 64-bit cho máy trạm và hệ thống máy chủ. Một ngoại lệ đáng chú ý xu
hướng này là máy tính lớn của IBM, mà sau đó được sử dụng 32-bit dữ liệu và
kích cỡ địa chỉ 31-bit, các máy tính lớn của IBM đã không bao gồm bộ vi xử
lý 64-bit cho đến năm 2000. Trong những năm 1990, bộ vi xử lý 64-bit một số
chi phí thấp đã được sử dụng trong ngành điện tử tiêu dùng và các ứng dụng
nhúng. Đáng chú ý, Nintendo 64 vàPlayStation 2 có bộ vi xử lý 64-bit trước
khi giới thiệu của họ trong máy tính cá nhân. Máy in cao cấp và thiết bị mạng,
cũng như máy tính công nghiệp, cũng được sử dụng bộ vi xử lý 64-bit, chẳng
hạn như các thiết bị hiệu ứng lượng tử R5000 . Tính toán 64-bit bắt đầu trôi
dạt xuống máy tính để bàn máy tính cá nhân từ năm 2003 trở đi, khi một số
mô hình trong các dòng Macintosh của Applechuyển sang bộ xử lý PowerPC
970 (gọi là "G5" của Apple), và AMD đã phát hành 64-bit đầu tiên của nó x86

64 bộ vi xử lý.Các vi xử lý Pentium thuộc thế hệ thứ vi xử lý 32-bit, tức là
chúng có độ rộng bus dữ liệu ngoài là 32-bit tạo môi trường phát triển phầm
mềm 32-bit.Đến nay môi trường tính toán 64-bit đang trở thành xu thế thay
thế dần môi trường tính toán 32-bit.Từ năm 2000 một thế hệ vi xử lý mới có
cấu trúc 64-bit đã ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu này.Đó là các vi xử lý IA-64
và EM-64T của INTEL.Hãng AMD cũng có các vi xử lý 64-bit như Opteron
và Arthlon 64 dựa trên kiến trúc x86-64.Các bộ xử lý này có các tệp lớn hơn,
hệ điều hành quản lý dung lượng bộ nhớ và đĩa cứng lớn hơn, nhờ đó phần
mềm có thể chạy nhanh hơn so với môi trường 32-bit.Cấu trúc vi xử lý IA-64 (
INTEL Architecture) là một ví dụ được thiết kế với bú địa chỉ 64-bit, cho phép
định địa chỉ không gian bộ nhớ tuyến tính lên đến 16 exabyte ( 2
64
=16x2
60
byte).Bus dữ liệu rộng 64-bit cho phép truy xuất 8 byte một nhịp đồng hồ.Bộ
tính dấu chấm động cũng có độ chính xác rất cao.Như truyền thống, vi xử lý
IA-64 cũng có tập lệnh tương thích với các vi xử lý thế hệ trước.Nó cũng tiếp
thu và phát triển các khả năng như dự đoán rã nhánh, suy đoán, tiên đoán IA-
19
64 có nhiều đến 128 thanh ghi đa năng 64-bit dùng cho các phép tính số
nguyên và phép tính còn một tệp các thanh ghi 64-bit khác như thanh ghi 82
bit cho các phép tính dấu chấm dộng.Ngoài ra thanh ghi ứng dụng các cấu trúc
IA-32 và IA-64,vv…
Vi xử lý IA-64 vẫn cho phép các mã lệnh của vi xử lý 32-bit ch’ạy trên nền hê
điều hành 64 bit mới.Do đó nó có 2 môi trường hệ điều hành cơ bản:
-Môi trường làm IA-32, dùng cho các hệ điều hành thế hệ trước như
Windows 98, NT…
-Môi trường IA-64, dùng cho các hệ điều hành mới 64bit.
Với các đặc điểm như trên, IA-64 có thể hoạt động trong các chế độ:
-Chế độ thực 32bit trong môi trường 64 bit ( do hệ điều hành quyết định).

-Chế độ bảo vệ 32 bit trong môi trường 64 bit ( do hệ điều hành quyết
định).
-Chế độ ảo 32 bit trong môi trường 64 bit ( do hệ điều hành quyết định).
-Các ứng dụng 64 bit trên hệ điều hành 64 bit.
Tuy các bộ vi xử lý 64 bit đã thực hiện trên thị trường một thời gian
nưng việc chấp nhận chúng diễn ra khác chaamk chủ yếu do thiếu phần
mềm chạy trên nền 64 bit dể cả hệ điều hành.Tuy nhiên nền tảng 64-bit
đang có được lực đẩy nhờ cố gắng kết hợp của cả các công ty phần cứng ,
phần mềm.Hãng Microsoft cũng đã cho ra mắt phiên bản 64-bit của
Windows gọi là Windows XP Professional x64 Edition và Windows
Server 2003 x64 Edition với ưu điểm so với Windows 32-bit về tốc độ xử
lý và khả năng quản lý bộ nhớ lớn hơn.
20
2.2 Kiến trúc bộ vi xử lý 64 bit
Kiến trúc bộ vi xử lý 64-bit mà bộ vi xử lý hiện đang được sản xuất (tính
đến tháng 1 năm 2011 ) bao gồm:
-Phần mở rộng 64-bit được tạo ra bởi bộ xử lý AMD của x86 Intel kiến
trúc (sau này được cấp phép của Intel), thường được gọi là " x86-64 ","
AMD64 ", hoặc" x64 ":
-AMD AMD64 phần mở rộng (được sử dụng trong xử lý Athlon
64 , Opteron , Sempron , Turion 64 , Phenom , Athlon II và Phenom II bộ
xử lý).
-Của Intel Intel 64 phần mở rộng (được sử dụng trong mới
hơn Celeron , Pentium , và bộ vi xử lý Xeon , Intel Core 2/i3/i5/i7 bộ vi
xử lý, và trong một số bộ vi xử lý Atom ).
-VIA Technologies , 64-bit mở rộng, được sử dụng trong VIA Nano bộ vi
xử lý.
-Các phiên bản 64-bit của kiến trúc điện :
-Power7 bộ xử lý POWER6 và IBM
-IBM PowerPC 970 bộ xử lý

-Cell Broadband Engine được sử dụng trong PlayStation 3 , được thiết kế
bởi IBM, Toshiba và Sony , kết hợp một bộ xử lý kiến trúc 64-bit Power
với bảy hay tám Synergistic Processing Elements.
-IBM " Xenon "bộ vi xử lý được sử dụng trong Microsoft Xbox 360 bao
gồm 64-bit PowerPC lõi.
21
-Kiến trúc SPARC V9:
-UltraSPARC bộ vi xử lý của Sun
-SPARC64 bộ vi xử lý của Fujitsu
-Z của IBM / Kiến Trúc , một phiên bản 64-bit của ESA/390 kiến trúc,
được sử dụng trong IBM eServer zSeries và System z máy tính lớn
-Kiến trúc IA-64 của Intel (được sử dụng trong Itanium bộ vi xử lý)
-MIPS64 kiến trúc MIPS Technologies
Hầu hết các kiến trúc bộ vi xử lý 64-bit được bắt nguồn từ kiến trúc bộ vi
xử lý 32-bit có thể thực thi mã cho phiên bản 32-bit của kiến trúc nguyên
bản mà không có bất kỳ hình phạt hiệu suất.Hình thức hỗ trợ thường
được gọi là vòm hỗ trợ hai hoặc nhiều hơn nói chung đa vòm hỗ trợ. Intel
đã rộng rãi tài liệu các tập lệnh và kiến trúc Itanium ,và báo chí kỹ thuật
đã cung cấp tổng quan.Kiến trúc đã được đổi tên nhiều lần trong lịch sử
của nó. HP ban đầu được gọi là PA-WideWord. Intel sau này gọi là IA-
64, sau đó xử lý Kiến trúc Itanium (IPA),trước khi giải quyết trên Kiến
trúc Intel Itanium, nhưng nó vẫn còn được gọi là IA-64.
Nó là một kiến trúc 64-bit đăng ký giàu một cách rõ ràng song song. Từ
cơ sở dữ liệu là 64 bit, byte địa chỉ. Địa chỉ hợp lý không gian là
2
64
byte. Kiến trúc thực hiện sự thuyết pháp , đầu cơ , và dự đoán rẽ
nhánh . Nó sử dụng một phần cứng thay đổi tên đăng ký cơ chế chứ
không phải là cửa sổ đăng ký đơn giản cho việc đi qua tham số. Các cơ
chế tương tự cũng được sử dụng để cho phép thực hiện song song của các

vòng. Đầu cơ, dự đoán, sự thuyết pháp, và đổi tên là dưới sự kiểm soát
của trình biên dịch: mỗi từ lệnh bao gồm các bit thêm cho điều này. Cách
tiếp cận này là đặc tính phân biệt của kiến trúc.
Kiến trúc thực hiện 128 số nguyên đăng ký , 128 điểm nổi đăng ký, 64-bit
vị, và tám chi nhánh đăng ký. Sổ đăng ký dấu chấm động 82 bit dài để
bảo vệ độ chính xác cho kết quả trung gian.
22
2.3.64 Bit dữ liệu mô hình
Trong chương trình 32-bit, con trỏ và các kiểu dữ liệu như số nguyên
thường có cùng độ dài;. này là không nhất thiết phải đúng sự thật trên
máy 64-bit.Trộn các loại dữ liệu trong các ngôn ngữ lập trình như C và
con cháu như C + + và Objective-C do đó có thể hoạt động trên 32-bit
triển khai thực hiện nhưng không phải trên 64-bit triển khai.
Trong nhiều môi trường lập trình C và C có nguồn gốc từ ngôn ngữ trên
máy 64-bit, "int" biến vẫn còn rộng 32 bit, nhưng số nguyên dài và con
trỏ là 64 bit rộng. Chúng được mô tả là có 1 LP64 mô hình dữ liệu . Một
lựa chọn khác là dữ liệu ILP64 mô hình trong đó cả ba kiểu dữ liệu rộng
64 bit, và thậm chí SILP64 nơi "ngắn" số nguyên 64 bit rộng.Tuy nhiên,
trong nhiều trường hợp các sửa đổi cần thiết là tương đối nhỏ và đơn
giản, và nhiều chương trình bằng văn bản cũng có thể chỉ đơn giản được
biên dịch lại cho các môi trường mới mà không thay đổi. Một lựa chọn
khác là mô hình LLP64, trong đó duy trì khả năng tương thích với mã 32-
bit bằng cách để lại cả int và dài 32-bit. "LL" dùng để chỉ "dài dài số
nguyên" loại, đó là ít nhất 64 bit trên tất cả các nền tảng, bao gồm cả môi
trường 32-bit.
Bảng 1: Mô hình dữ liệu 64 bit
Mô hình
dữ liệu
ngắn (số
nguyên)

int
dài (số
nguyên)
lâu
dài
con trỏ
/ size_t
Hệ điều hành mẫu
LLP64 /
IL32P64
16 32 32 64 64 Windows (X64/IA-64)
LP64 /
I32LP64
16 32 64 64 64 Hầu hết các hệ
thống Unix và Unix giống
như , ví dụ
23
như Solaris , Linux , và Mac
OS X , z / OS
ILP64 16 64 64 64 64
HAL hệ thống máy
tính cổng của Solaris
để SPARC64
SILP64 64 64 64 64 64 Unicos
Nhiều trình biên dịch 64-bit ngày nay sử dụng mô hình LP64 (bao gồm
Solaris, AIX , HP-UX , Linux, Mac OS X , FreeBSD , và IBM z / OS
trình biên dịch bản địa). Microsoft Visual C + +, trình biên dịch sử dụng
mô hình LLP64. Những bất lợi của mô hình LP64 là lưu trữ dài vào một
tràn may int. Mặt khác, đúc một con trỏ đến một thời gian dài sẽ làm
việc. Trong mô hình LLP, ngược lại là đúng sự thật. Đây không phải là

vấn đề có ảnh hưởng đến đầy đủ mã phù hợp tiêu chuẩn, nhưng mã
thường được viết với giả định ngầm về độ rộng của các kiểu nguyên.
Lưu ý rằng một mô hình lập trình là một sự lựa chọn thực hiện trên một
cơ sở cho mỗi trình biên dịch, và một số có thể cùng tồn tại trên cùng một
hệ điều hành. Tuy nhiên, mô hình lập trình được lựa chọn là mô hình
chính cho các API hệ điều hành thường chiếm ưu thế.
Xem xét khác là mô hình dữ liệu được sử dụng cho trình điều
khiển . Trình điều khiển phần lớn các mã hệ điều hành trong các hệ thống
điều hành hiện đại nhất (mặc dù nhiều người có thể được nạp khi hệ
thống điều hành đang chạy). Nhiều lái xe sử dụng con trỏ mạnh để thao
tác dữ liệu, và trong một số trường hợp có tải con trỏ của một kích thước
nhất định vào các phần cứng hỗ trợ DMA . Ví dụ, 1 trình điều khiển cho
1 thiết bị PCI 32-bit yêu cầu các thiết bị dữ liệu DMA vào các khu vực
trên bộ nhớ 1 máy 64-bit của không đáp ứng yêu cầu từ hệ điều hành để
tải dữ liệu từ thiết bị bộ nhớ cao hơn các rào cản gigabyte 4 , bởi vì các
24
con trỏ cho những địa chỉ không phù hợp với các DMA đăng ký của thiết
bị. Vấn đề này được giải quyết bằng cách có hệ điều hành các hạn chế bộ
nhớ của thiết bị vào tài khoản khi tạo yêu cầu trình điều khiển cho DMA,
hoặc bằng cách sử dụng một IOMMU .
2.4. 64 Bit điều hành hệ thống thời gian
1985: UNICOS Cray phát hành , 64-bit đầu tiên thực hiện các hệ
thống Unix điều hành.
1993: Tháng mười hai phát hành 64-bit Tháng Mười Hai OSF / 1
AXP Unix như hệ điều hành (sau này đổi tên Tru64 UNIX) cho hệ thống
của mình dựa trên kiến trúc Alpha .
1994: Hỗ trợ cho các bộ xử lý MIPS R8000 được thêm vào bởi Silicon
Graphics IRIX hệ thống hoạt động trong 6,0 phát hành.
1995: OpenVMS Tháng Mười Hai phiên bản 7.0, phiên bản 64-bit đầy đủ
đầu tiên của OpenVMS cho Alpha. Linux 64-bit đầu tiên phân phối cho

kiến trúc Alpha được phát hành.
1996: Hỗ trợ cho các bộ xử lý MIPS R4000 được thêm vào bởi Silicon
Graphics IRIX hệ thống điều hành trong phiên bản 6.2.
1998: Sun phát hành Solaris 7 , với đầy đủ 64-bit UltraSPARC hỗ trợ.
2000: IBM phát hành z / OS , hệ điều hành 64-bit xuống từ MVS , mới
64-bit máy tính lớn zSeries , Linux 64-bit trên zSeries sau việc phát hành
CPU gần như ngay lập tức.
2001: Microsoft phát hành Windows XP 64-Bit Edition cho kiến trúc
của Itanium 64 IA, mặc dù nó đã có thể chạy các ứng dụng 32-bit thông
qua một lớp thực hiện.
25