Đang tải... (xem toàn văn)
Là loại máy tính được thiết kế để giải các bài toán lớn với tốc độ rất nhanh -Nó làm việc với số liệu có độ dài từ 64 bit hoặc hơn và được trang bị bộ nhớ rất lớn, vì vậy kích thước lớn. -Chúng thường được dùng để điều khiển các hệ thống thiết bị dùng trong quân sự hoặc các hệ thống máy móc của chương trình nghiên cứu vũ trụ, để xử lý thông tin trong ngành ngân hàng, vv… Ví dụ : IBM 4381, Honeywell DSP8 Loại mạnh nhất trong các máy tính lớn gọi là siêu máy tính (supercomputer). Ví dụ : Y-MP/832 của Gray.
Bài giảng VI XỬ LÝ Chương 1: Giới thiệu vi xử lý http://www.ebook.edu.vn 1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VI XỬ LÝ I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VI XỬ LÝ 1. Quá trình phát triển của máy vi tính (tham khảo [LQĐ-p.7 ÷ 9]) - Máy vi tính bao gồm những máy tính dùng bộ vi xử lý (họ Intel, Motorola, AMD…) làm cốt lõi, các vi điều khiển (microcontroller) hay máy vi tính trong một vi mạch (one-chip microcomputer). 2. Ứng dụng của vi xử lý (tham khảo [LQĐ-p.9]) 3. Sơ đồ khối của hệ vi xử lý Sơ đồ khối tiêu biểu của hệ vi xử lý: (hệ thống vi xử lý có kiến trúc 3-bus) [LQĐ-p.11] Một hệ vi xử lý gồm có các thành phần chính sau: - μ P (microprocessor hay còn gọi là CPU): đọc mã lệnh từ bộ nhớ (được ghi dưới dạng các bit 0 và 1), sau đó giải mã và thực thi lệnh. - Bộ nhớ (Memory): chứa các chương trình điều khiển hoạt động của toàn hệ và các dữ liệu, kết quả trung gian. (Có hai loại bộ nhớ: RAM (Random Access Memory) là loại bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên và ROM (Read-Only Memory) là loại bộ nhớ chỉ đọc). μP (Microprocessor): Vi xử lý CPU (Central Processing Unit): Đơn vò xử lý trung tâm Address bus: Bus đòa chỉ Data bus: Bus dữ liệu Control bus: Bus điều khiển RAM (Random Access Memory): Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên ROM (Read-Only Memory): Bộ nhớ chỉ đọc I/O Interface: Khối giao tiếp nhập/xuất Peri pheral Devices: Thiết bò ngoại vi μP (CPU) Data bus Control bus RAM ROM I/O Interface Address bus Input Devices Memory Hình 1.1 Output Devices Peripheral Devices Bài giảng VI XỬ LÝ Chương 1: Giới thiệu vi xử lý http://www.ebook.edu.vn 2 - Khối giao tiếp nhập/xuất (Input/Output - I/O): tạo ra khả năng giao tiếp giữa hệ vi xử lý với các thiết bò ngoại vi như bàn phím, chuột … (thiết bò nhập), màn hình, máy in, loa … (thiết bò xuất), các ổ đóa… (thiết bò xuất/nhập) - Bus: ba khối chức năng trên liên hệ với nhau thông qua một tập các đường dây để truyền thông tin gọi là bus. Trong hệ thống vi xử lý thường bao gồm 3 loại bus: bus đòa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển. Mọi nguồn thơng tin vào CPU, nếu khơng là bộ nhớ thì là thiết bị đầu vào. Mọi đích đến của thơng tin từ CPU, nếu khơng là bộ nhớ thì là thiết bị đầu ra. Tổng kết lại các điểm quan trọng từ sơ đồ 1.1: 1. Hệ vi xử lý có 3 khối chính: ♦ Bộ nhớ ♦ CPU ♦ Phối ghép (giao tiếp) vào/ra (I/O) 2. CPU đọc thơng tin từ bộ nhớ và ghi thơng tin vào bộ nhớ 3. Các thiết bị đầu vào đưa thơng tin từ bên ngồi vào hệ vi xử lý 4. Các thiết bị đầu ra đưa thơng tin từ CPU đến các đối tượng bên ngồi 5. Thơng tin khơng chạy trực tiếp từ bộ nhớ đến các phối ghép vào/ra (I/O) và ngược lại, trước tiên thơng tin phải đi qua CPU Có thể thấy rằng vi xử lý chỉ trao đổi thơng tin với bộ nhớ và các phối ghép vào/ra I/O. Dù hệ thống sau này có phức tạp như thế nào hoặc chương trình có dài đến đâu thì vi xử lý chỉ làm những việc sau: 1. Đọc từ bộ nhớ 2. Ghi vào bộ nhớ 3. Đọc từ các đầu vào 4. Ghi vào các đầu ra 5. Thực hiện các lệnh nội bộ như lệnh cộng (ADD), lệnh trừ (SUB) … II. CÁC LOẠI BUS 1. Bus đòa chỉ - Có chức năng chuyển tải các thông tin về đòa chỉ. - Khi đọc/ghi bộ nhớ hay thiết bò I/O, μP sẽ đưa ra các bit đòa chỉ trên bus đòa chỉ để chọn chính xác một ngăn nhớ (word) hay một thiết bò I/O cụ thể nào đó sẽ được giao tiếp với nó. - Số lượng đòa chỉ mà μP có thể quản lý phụ thuộc vào số bit (số đường dây) của bus đòa chỉ (16, 20, 24, 32 … bit). Ví dụ: Một μP có số đường dây của bus đòa chỉ là N = 16 → có khả năng quản lý: 2 N = 2 16 = 2 6 .2 10 = 64.2 10 = 64 K = 65356 đòa chỉ. - Bus đòa chỉ là loại bus một chiều (xuất phát từ μ P). ¾ Đệm bus đòa chỉ [LQĐ – p.60+61] Do tất cả các thiết bò ngoại vi và bộ nhớ đều được nối với bus đòa chỉ nên về mặt điện có thể vượt quá tính chòu tải (fan-out) của vi xử lý. Trong trường hợp các mạch nối vào bus đòa chỉ tiêu thụ dòng điện lớn hơn khả năng chòu tải của vi xử lý thì hệ thống sẽ không hoạt động hay hoạt động không ổn đònh. Để giải quyết vấn đề này ta sử dụng các bộ đệm trung gian được gọi là bộ đệm đòa chỉ. Bài giảng VI XỬ LÝ Chương 1: Giới thiệu vi xử lý http://www.ebook.edu.vn 3 Ví dụ: Đệm đòa chỉ cho CPU có bus đòa chỉ 16-bit: Hình 1.2 2. Bus dữ liệu - Có chức năng chuyển tải các thông tin về dữ liệu đến/từ μP. - Số lượng đường dây của bus này quyết đònh số bit dữ liệu mà μP có khả năng xử lý cùng một lúc (8, 16, 32, 64 … bit). - Bus dữ liệu là loại bus hai chiều. Tuy nhiên tại một thời điểm nhất đònh thì dữ liệu chỉ được truyền theo một hướng duy nhất. Hình 1.3 Dữ liệu di chuyển 2 chiều trên bus dữ liệu Lưu ý: Hoạt động của bus đòa chỉ và bus dữ liệu hoàn toàn độc lập với nhau (hình 1.4). Hình 1.4 ¾ Đệm bus dữ liệu [LQĐ – p.62] Tương tự như bus đòa chỉ, bus dữ liệu cũng cần được đệm để tăng fan-out khi cần thiết. Lưu ý là cần dùng kỹ thuật đệm 2 chiều (hình 1.5) (IC 74LS245). CPU Bộ nhớ hoặc phối ghép vào/ra (I/O) Bus dữ liệu CPU Bộ nhớ hoặc phối ghép vào/ra (I/O) Bus dữ liệu a) Đọc - Read b) Ghi - Write Bài giảng VI XỬ LÝ Chương 1: Giới thiệu vi xử lý http://www.ebook.edu.vn 4 Hình 1.5 Kỹ thuật đệm 2 chiều sử dụng thêm một tín hiệu điều khiển, tín hiệu này sẽ quy định chiều dữ liệu sẽ được đệm. A B BD0 đi vào hệ thống D0 đến CPU Điều khiển hướng 3. Bus điều khiển - Gồm nhiều đường dây tín hiệu khác nhau ( RD,WR …), mỗi tín hiệu điều khiển có một chiều nhất đònh. Khi hoạt động, μP có thể đưa tín hiệu điều khiển đến các khối khác nhau trong hệ, đồng thời nó cũng có thể nhận các tín hiệu từ các khối khác để phối hợp hoạt động của toàn hệ. Lưu ý: Bus điều khiển ở khối I/O vẽ dạng 2 chiều để chỉ tính 2 chiều của cả nhóm tín hiệu, chứ không phải của mỗi tín hiệu. - Có 6 loại truyền thông tiêu biểu mà bus điều khiển phải xác đinh bằng tín hiệu điện: [LQĐ – p.63] 1. Đọc từ bộ nhớ 2. Ghi vào bộ nhớ 3. Đọc từ phối ghép đầu vào (Input) 4. Ghi vào phối ghép đầu ra (Output) 5. Nhận biết u cầu ngắt (Interrupt acknowledge) 6. Nhận biết u cầu treo (Hold acknowledge, phục vụ DMA) Giải thích về truyền thông trong cấu trúc 3-bus dựa vào sơ đồ khối hình 1.1: đọc và ghi. III. VI XỬ LÝ (μP – MICROPROCESSOR) Sơ đồ khối của một μP được cho trên hình 1.6. Có ba khối chức năng chính: khối thực thi (Execution Unit), khối điều khiển tuần tự (Sequencer) và khối giao tiếp bus (Bus Interface). - Bộ điều khiển tuần tự (Sequencer): nhận lệnh từ bộ nhớ, sau đó giải mã lệnh và truyền lệnh đã giải mã đến khối thực thi. + Bộ đếm chương trình: là một thanh ghi lưu giữ đòa chỉ của lệnh kế tiếp sẽ được thực thi. Mỗi khi một lệnh được thực thi, bộ đếm chương trình sẽ được tăng lên 1 để chỉ ra đòa chỉ của lệnh kế tiếp sẽ được thực thi. Nội dung của bộ đếm chương trình được đặt lên bus đòa chỉ để tìm và nhận lệnh mong muốn. Như vậy, μ P thực hiện các lệnh của chương trình một cách tuần tự, trừ khi gặp các lệnh chuyển điều khiển (lệnh nhảy, gọi chương trình con …) làm thay đổi nội dung PC. Trong một số vi xử lý, bộ đếm chương trình còn được gọi là con trỏ lệnh IP (Instruction Pointer). + Bộ giải mã lệnh: thông dòch (diễn dòch) các lệnh được nhận vào μP. Bài giảng VI XỬ LÝ Chương 1: Giới thiệu vi xử lý http://www.ebook.edu.vn 5 Có thể xem bộ giải mã lệnh như một từ điển lưu trữ nghóa của mỗi lệnh và các bước mà μ P cần thực hiện đối với mỗi lệnh được nhận vào. Giống như từ điển nếu có càng nhiều trang thì có thể đònh nghóa được nhiều từ hơn, một μ P có thể hiểu càng nhiều lệnh hơn nếu có bộ giải mã lệnh càng lớn. - Thanh ghi lệnh IR: lưu giữ mã nhò phân của lệnh đang được thực thi. - Khối thực thi (Execution Unit): thực thi và ghi kết quả câu lệnh. Các toán hạng (operand) liên quan có mặt ở các thanh ghi (registers) hoặc có từ bus nội (internal bus). + ALU (Arithmetic Logic Unit): là một mạch điện tử có khả năng thực hiện các phép toán số học (+, -, *, / …) và logic (AND, OR, NOT, XOR…). + Thanh ghi (Register): là một bộ nhớ cực nhanh, có dung lượng hạn chế nằm bên trong μP. Các thanh ghi thường được dùng để lưu trữ các thông tin tạm thời. Mỗi thanh ghi có một đòa chỉ để truy xuất tới nó. Các thanh ghi được nối với nhau hoặc đến các phần tử Execution Unit: Khối thực thi Control Unit: Khối điều khiển Registers: Các thanh ghi ALU (Arithmetic & Logic Unit): Khối logic - số học Sequencer: Bộ điều khiển tuần tự Instruction Register: Thanh ghi lệnh Instruction Decoder: Bộ giải mã lệnh Program Counter: Bộ đếm chương trình Internal bus: Bus nội Bus interface: Giao tiếp bus Data bus driver: Bộ điều khiển bus dữ liệu Control bus driver: Bộ điều khiển bus điều khiển Address bus driver: Bộ điều khiển bus đòa chỉ Address bus Data bus Control bus Registers (data, address) ALU Address bus driver Data bus driver Control bus driver Program Counter Internal bus Bus Interface Execution Unit Sequencer Hình 1.6 Control Unit Instruction Decoder Instruction Register Bài giảng VI XỬ LÝ Chương 1: Giới thiệu vi xử lý http://www.ebook.edu.vn 6 khác của μP hay nối với bus ngoài nhờ bus nội. Độ rộng của các thanh ghi có thể là 8- bit, 16-bit, 32-bit hay 64-bit tùy thuộc vào loại μP. Thông tin có thể là 2 giá trò cần được xử lý hay đòa chỉ chứa giá trò cần được xử lý nhận từ bộ nhớ (hay I/O). μ P có càng nhiều thanh ghi và độ rộng càng lớn thì càng tốt vì lúc này chương trình không phải thực hiện nhiều phép truyền thông tin giữa μ P và bộ nhớ do có thể truy xuất trực tiếp từ thanh ghi, từ đó làm giảm thời gian truy xuất cũng như độ dài lệnh. + Khối điều khiển: tạo ra các tín hiệu điều khiển hoạt động của các bộ phận bên trong và bên ngoài μP (tùy theo mã lệnh). - Giao tiếp bus (Bus Interface): gồm ba bộ điều khiển bus để giao tiếp với bus bên ngoài tương ứng: bus dữ liệu, bus điều khiển và bus đòa chỉ. Việc tìm nạp lệnh từ bộ nhớ là một trong các thao tác cơ bản nhất mà μ P thực hiện, gồm các bước như sau: - Nội dung của PC được đặt lên bus đòa chỉ. - Tín hiệu điều khiển READ được xác lập (chuyển sang trạng thái tích cực). - Mã lệnh được đọc từ bộ nhớ và đưa lên bus dữ liệu. - Mã lệnh được chốt vào thanh ghi lệnh IR bên trong. - PC được tăng lên để chuẩn bò tìm nạp lệnh kế từ bộ nhớ. Hình 1.7 minh họa luồng thông tin cho việc tìm nạp lệnh. Hình 1.7 IV. BỘ NHỚ (MEMORY) ¾ Nhắc lại các đơn vò bit, nibble, byte, word [HTM – p.29] − 1 nibble = 4 bit − 1 byte = 8 bit − Word là một nhóm gồm nhiều byte. Theo qui ước 1 word = 2 byte và 1 word dài = 4 byte (theo thế hệ vi xử lý 16-bit, 32-bit …) Bài giảng VI XỬ LÝ Chương 1: Giới thiệu vi xử lý http://www.ebook.edu.vn 7 1. Phân loại Bộ nhớ thường được chia làm hai loại: bộ nhớ cơ bản (hay bộ nhớ chính – main memory) và bộ nhớ lưu trữ (storage memory). - Bộ nhớ chính: ROM và RAM. - Bộ nhớ lưu trữ: băng từ, đóa mềm, đóa cứng… Thông thường bộ nhớ lưu trữ được xem như là thiết bò I/O. a. Bộ nhớ chỉ đọc – ROM (Read-Only Memory) - Là bộ nhớ chỉ đọc, không thể sửa đổi thông tin trong các hoạt động thông thường. - Thông tin ghi trong ROM sẽ không bò mất đi khi mất nguồn cung cấp. - ROM được ghi bằng thiết bò chuyên dụng. - ROM thường được dùng để chứa các chương trình và dữ liệu cố đònh (chương trình khởi động, dữ liệu tra bảng …) - Các loại ROM: + ROM: thông tin được ghi lúc chế tạo. + PROM (Programable ROM): là ROM trắng, chỉ cho phép ghi thông tin một lần duy nhất. + EPROM (Erasable ROM): có thể ghi và xóa thông tin nhiều lần. Loại này được xóa bằng cách rọi tia cực tím vào cửa sổ thủy tinh trên bề mặt. + EEPROM (Electrically EPROM): còn gọi là ROM điện, có thể ghi và xóa thông tin bằng xung điện. + Flash ROM: tương tự EEPROM. b. Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên – RAM (Random Access Memory) - Cho phép đọc/ghi thông tin bất kỳ lúc nào trong quá trình làm việc mà không cần thiết bò đặc biệt. - Thông tin trong RAM sẽ bò mất khi mất nguồn cung cấp. - Có hai loại RAM chính: + RAM động – DRAM (Dynamic RAM): có cấu tạo từ các transistor MOSFET và tụ điện (1 phần tử nhớ), lưu trữ thông tin bằng điện tích trong tụ nên thông tin có thể mất đi (rò ró hết) nếu không có biện pháp duy trì thích hợp. Do đó cần có quá trình làm tươi (refresh) đònh kì để phục hồi nội dung của các ô nhớ trước khi nó mất đi (rò ró hết). DRAM có thể tích hợp với dung lượng lớn. + RAM tónh – SRAM (Static RAM): cấu tạo từ những Flipflop (FF) (1 phần tử nhớ), mỗi FF lưu trữ một bit thông tin nên SRAM không cần quá trình làm tươi để duy trì nội dung. Tuy nhiên, nó khó tích hợp với dung lượng lớn. 2. Cấu trúc bên trong tiêu biểu của bộ nhớ - Bộ nhớ gồm các phần tử nhớ hay ô nhớ (memory cell) được tổ chức dưới dạng ma trận. Mỗi ô nhớ chứa một bit thông tin. - Mảng nhớ được phân chia thành một chuỗi các ngăn nhớ hay từ nhớ (word). - Mỗi ngăn nhớ đều có một đòa chỉ duy nhất. - Một ngăn nhớ có thể có 4-bit, 8-bit, 16-bit … - Ký hiệu: số ngăn nhớ x độ rộng mỗi ngăn nhớ Ví dụ: bộ nhớ 1024 x 8 bao gồm 2 10 ngăn nhớ, mỗi ngăn nhớ có 8-bit. - Cấu trúc bên trong tiêu biểu của bộ nhớ: Bài giảng VI XỬ LÝ Chương 1: Giới thiệu vi xử lý http://www.ebook.edu.vn 8 - Các tín hiệu tiêu biểu trên một chip nhớ: + CS (Chip Select): tín hiệu chọn chip (cho phép chip). + OE (Output Enable): tín hiệu cho phép xuất dữ liệu (nhận xung kích RD từ μ P). + WE (Write Enable): tín hiệu cho phép ghi dữ liệu (nhận xung kích WR từ μ P). + Address: các tín hiệu đòa chỉ (từ bus đòa chỉ) để chọn ngăn nhớ cần thao tác. + Data: các tín hiệu dữ liệu đọc ra (data output) hay ghi vào (data input), được nối với bus dữ liệu. 3. Truy xuất bộ nhớ * Các quy ước trên giản đồ thời gian: Hình 1.9 Hình 1.8 Memory array Write Row address decoder … Column address decoder … EN Three State driver Data Output Data Input Data OE )RD( WE )WR( CS Address Memory cell Memory array: Mảng ô nhớ Row address decoder: Bộ giải mã đòa chỉ hàng Column address decoder: Bộ giải mã đòa chỉ cột Memory cell: Ô nhớ Three state driver: Bộ điều khiển ngõ ra 3 trạng thái Data Output: Dữ liệu ra Data Input: Dữ liệu vào Address: Đòa chỉ Write: Ghi Bài giảng VI XỬ LÝ Chương 1: Giới thiệu vi xử lý http://www.ebook.edu.vn 9 Bài giảng VI XỬ LÝ Chương 1: Giới thiệu vi xử lý http://www.ebook.edu.vn 10 a. Truy xuất ROM Giới thiệu EPROM 2764: Đây là IC nhớ 28 chân 8K (8192 x 8) với 13 đường đòa chỉ và 8 đường dữ liệu. Chú ý rằng chân /PGM không được điều khiển bởi vi xử lý, chỉ dùng cho bộ nạp dữ liệu vào ROM. Điện áp VPP chỉ sử dụng khi nạp ROM, còn điện áp VCC = 5V là điện áp hoạt động của ROM. Quy trình đọc ROM: 1. Xác đònh đòa chỉ của ngăn nhớ cần truy xuất. CPU sẽ đưa đòa chỉ này lên bus đòa chỉ đến ROM. 2. Kích hoạt tín hiệu chọn chip cho phép dữ liệu được xuất ra bus dữ liệu. 3. CPU đợi 1 khoảng thời gian ngắn gọi là thời gian truy cập để vi mạch nhớ giải mã đòa chỉ và xuất dữ liệu ra đường dữ liệu. CPU xuất xung nhòp nạp dữ liệu vào thanh ghi bên trong. 4. Tín hiệu chọn chip được đặt ở mức không tích cực và xóa dữ liệu từ ROM vào CPU. Hình 1.10 b. Truy xuất RAM Giới thiệu RAM 6264 Đây là IC nhớ cho phép đọc ghi tùy ý, 28 chân 8K (8192 x 8) với 13 đường đòa chỉ và 8 đường dữ liệu. Quy trình đọc RAM: tương tự như đọc dữ liệu từ ROM. A0 – A12 Đường đòa chỉ D0 – D7 Đường dữ liệu /CE Chọn chip /OE Cho phép xuất /PGM Lập trình A0 10 A1 9 A2 8 A3 7 A4 6 A5 5 A6 4 A7 3 A8 25 A9 24 A10 21 A11 23 A12 2 CE 20 OE 22 PGM 27 VPP 1 D0 11 D1 12 D2 13 D3 15 D4 16 D5 17 D6 18 D7 19 2764
