Bài giảng Chương 2: Vi xử lý và hệ thống vi xử lý

Bài giảng Kỹ thuật Vi xử lý Ngành Điện tử-Viễn thông Đại học Bách khoa Đà Nẵngcủa Hồ Viết Việt, Bộ môn KTMT, Khoa ĐTVTTài liệu tham khảo[1] Văn Thế Minh, Kỹ thuật vi xử lý, NXB Giáo dục, 1997[2] Đỗ Xuân Tiến, Kỹ thuật vi xử lý và Lập trình Assembly cho hệ vi xử lý, NXB Khoa học & kỹ thuật, 2001[3] Barry B. Brey, The Intel Microprocessors 8086/8088, 80186/80188, 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium Pro Processor, Pentium II, Pentium III, Pentium 4 Architecture, Programming, and Interfacing, 6th Edition, Prentice Hall, 2003Chương 2 Vi xử lý và Hệ thống vi xử lý2.1 Bộ vi xử lý	- Bộ vi xử lý (Microprocessor) là gì?	- Các thành phần của bộ vi xử lý	- Ứng dụng của bộ vi xử lý2.2 Các họ vi xử lý	- Họ x86 của Intel- Luật Moore	- Họ 68x của Motorola2.3 Hệ thống vi xử lý	- Bộ nhớ	- Các cổng I/O	- Bus hệ thống: D-Bus, A-Bus, C-Bus	- Thiết kế hệ thống vi xử lý?2.1 Bộ vi xử lýMột bộ vi xử lý là một mạch tích hợp chứa hàng ngàn, thậm chí hàng triệu transistor (LSI, VLSI) được kết nối với nhauCác transistor ấy cùng nhau làm việc để lưu trữ và xử lý dữ liệu cho phép bộ vi xử lý có thể thực hiện rất nhiều chức năng hữu íchChức năng cụ thể của một bộ vi xử lý được xác định bằng phần mềm (có thể lập trình được)Bộ vi xử lýBộ vi xử lý đầu tiên của Intel,4004, được giới thiệu vào năm 1971.4004 chứa 2300 transistor.Bộ vi xử lý Pentium 4 hiện nay chứa 55 triệu transistor.Bộ vi xử lý thường được sử dụng trong các máy vi tính (microcomputer) với vai trò là CPU. Ngoài ra, chúng còn có mặt ở nhiều thiết bị khác.Các thành phần của bộ vi xử lýALU và Control UnitALUThực hiện các phép toán logic (AND, OR, XOR, NOT) và các phép toán số học (cộng, trừ, nhân, chia) Thực hiện việc chuyển dữ liệuViệc thực hiện lệnh thực sự diễn ra ở ALUControl UnitCó trách nhiệm liên quan đến việc tìm và thực hiện các lệnh bằng cách cung cấp các tín hiệu điều khiển và định thời cho ALU và các mạch khác biết phải làm gì và làm khi nào. Các thanh ghi (Registers)Thanh ghi là nơi mà bộ vi xử lý có thể lưu trữ được một số nhị phân (Kích cỡ của thanh ghi tính bằng bit)Bộ vi xử lý dùng các thanh ghi để lưu trữ dữ liệu tạm thời trong quá trình thực hiện chương trìnhCác thanh ghi có thể được truy cập bằng các câu lệnh ngôn ngữ máy thường được gọi là các thanh ghi người sử dụng có thể nhìn thấy được (có thể truy cập được)Các thanh ghi điều khiển và các thanh ghi trạng thái được CU dùng để điều khiển việc thực hiện chương trình. Đa số các thanh ghi này người sử dụng không thể nhìn thấy được2.2 Các họ vi xử lýHiện nay, có rất nhiều nhà sản xuất ra các chip vi xử lý:Intel, AMD, Motorola, Cyrix Thông thường, một họ vi xử lý là các chip vi xử lý được sản xuất bởi một nhà sản xuất nào đó.Trong phạm vi một họ vi xử lý, theo thời gian và theo công nghệ chế tạo có các đời (thế hệ) vi xử lý khác nhau phân biệt theo Độ dài Từ của chúng (bit) và tốc độ (Hz).Độ dài Từ (Word Length) của một chip vi xử lý là kích cỡ tối đa của các toán hạng nhị phân mà nó có thể thực hiện các phép toán trên đó.Tốc độ của họ vi xử lý x86 của Intel Họ vi xử lý x86 của Intel 	Model 	 Năm sản xuất	Số lượng Transistor4004	1971	2,300	8008	1972	2,500	8080	1974	5,000	8086	1978	29,000	80286	1982	120,000	80386™ processor	1985	275,000	80486™ DX processor	1989	1,180,000Pentium® processor	1993	3,100,000Pentium II processor	1997	7,500,000Pentium III processor	1999	24,000,000Pentium 4 processor	2000	55,000,000Họ vi xử lý x86 của Intel 70’sHọ vi xử lý x86 của Intel 80’s Họ vi xử lý x86 của Intel 90’s2.3 Hệ thống vi xử lýLuật Moore Dr. Gordon E. Moore, Chairman Emeritus of Intel Corporation, dự đoán rằng Cứ một năm rưỡi thì số lượng transistor được tích hợp trên chip vi xử lý tăng gấp đôi2.3 Hệ thống vi xử lý MicroprocessorMEMORYI/O PortsData BusControl Lines (Control Bus)Address BusSơ đồ khối chức năng của một hệ thống vi xử lýHệ thống vi xử lý Gồm 3 khối chức năng: Vi xử lý, Bộ nhớ, Các cổng I/OBộ nhớ được thực hiện bằng các chip nhớ bán dẫn ROM hoặc RWM, là nơi lưu trữ chương trình và dữ liệu. Đối với vi xử lý, bộ nhớ là một tập hợp các ô nhớ phân biệt theo địa chỉ của chúng.Các cổng I/O được thực hiện bằng các chip MSI hoặc LSI, là phần mạch giao tiếp giữa vi xử lý với các thiết bị I/O. Bộ vi xử lý cũng phân biệt các cổng I/O theo địa chỉ của chúng.Hệ thống vi xử lý 3 khối chức năng: Vi xử lý, Bộ nhớ, Các cổng I/O của một hệ thống vi xử lý trao đổi tín hiệu với nhau thông qua Bus hệ thống.Bus hệ thống là một tập hợp các đường truyền dẫn dùng chung, bao gồm: Bus địa chỉ (A-Bus), Bus dữ liệu (D-Bus) và Bus điều khiển (C-Bus)Các tín hiệu địa chỉ di chuyển trên A-Bus theo hướng từ vi xử lý đến Bộ nhớ và các cổng I/O. Số lượng đường truyền dẫn của A-Bus (gọi là Độ rộng của A-Bus) tính bằng bit, phản ánh khả năng quản lý bộ nhớ của chip vi xử lý.Hệ thống vi xử lý Các tín hiệu dữ liệu di chuyển trên D-Bus theo cả 2 hướng từ vi xử lý đến Bộ nhớ và các cổng I/O và ngược lại (mỗi lúc một hướng). Số lượng đường truyền dẫn của D-Bus (gọi là Độ rộng của D-Bus) tính bằng bit, phản ánh một phần tốc độ trao đổi dữ liệu của chip vi xử lý với các khối chức năng khác.Đa số các tín hiệu trên C-Bus là các tín hiệu điều khiển riêng lẽ, có tín hiệu xuất phát từ vi xử lý, có tín hiệu đi vào vi xử lý. Vi xử lý sử dụng các tín hiệu này để điều khiển hoạt động và nhận biết trạng thái của các khối chức năng khác.Thiết kế bộ nhớ cho hệ thống vi xử lý: Ghép nối các chip nhớ bán dẫn sẵn có với bus hệ thống sao cho khi bộ vi xử lý truy cập bộ nhớ thì không xảy ra xung đột giữa các chip nhớ với nhau và không xung đột với các chip dùng làm cổng I/OThiết kế các cổng I/O cho hệ thống vi xử lý: Ghép nối các chip MSI hoặc LSI thường dùng làm cổng I/O với bus hệ thống sao cho khi bộ vi xử lý truy cập các thiết bị I/O thì không xảy ra xung đột giữa các chip đó với nhau và không xung đột với các chip dùng làm bộ nhớThiết kế phần cứng của hệ thống vi xử lý Thiết kế phần mềm của hệ thống vi xử lý Viết chương trình điều khiển hoạt động của hệ thống phần cứng theo chức năng mong muốn (thường dùng ngôn ngữ Assembly của chip vi xử lý dùng trong hệ thống)Dịch chương trình đã viết sang ngôn ngữ máy sử dụng các chương trình dịch thích hợpNạp chương trình ngôn ngữ máy vào bộ nhớ của hệ thống vi xử lýKiểm tra hoạt động của hệ thống và thực hiện các hiệu chỉnh nếu cần thiếtCó thể nhờ sự trợ giúp của các chương trình mô phỏng trên máy tínhTóm tắt chương 2 Vi xử lý là một chip LSI, VLSI thường dùng làm CPU trong các máy vi tínhChức năng cụ thể của một chip vi xử lý do phần mềm quyết định.Bộ nhớ là một tập hợp các ô nhớ phân biệt với nhau theo địa chỉROM lưu trữ chương trìnhRWM lưu trữ dữ liệuCác cổng I/O là các mạch giao tiếp giữa vi xử lý và các thiết bị bên ngoài, phân biệt với nhau theo địa chỉBus hệ thống: A-Bus, D-Bus, C-BusĐộ rộng của A-Bus phản ánh khả năng quản lý bộ nhớ của vi xử lýĐộ rộng của D-Bus phản ánh một phần tốc độ trao đổi dữ liệuThiết kế hệ thống vi xử lý: Phần cứng và Phần mềmPhân biệt vi xử lý với vi điều khiển