Giáo trình Vi xử lý (Nghề Điện tử công nghiệp CĐTC)

Do đó, người ta sử dụng hệ nhị phân để biểu diễn các giá trị trong hệ thống số.. Một số trong hệ nhị phân được biểu diễn theo số mũ của 2.. Hệ thập lục phân Hexadecimal Number System: -

(Ban hành kèm theo Quyết định Số: /QĐ-TCĐNĐT ngày 13 tháng 7 năm 2017

của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Nghề Đồng Tháp)

Đồng Tháp, năm 2017

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo

Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm

LỜI GIỚI THI U

Để thực hiện biên soạn giáo trình đào tạo nghề Điện tử công nghiệp ở trình độ Cao Đẳng Nghề và Trung Cấp Nghề, giáo trình Vi xử lý là một trong những giáo trình môn học đào tạo chuyên ngành được biên soạn theo nội dung chương trình khung được Bộ Lao động Thương binh Xã hội và Tổng cục Dạy Nghề phê duyệt Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức và kỹ năng chặt chẽ với nhau, logíc

Khi biên soạn, nhóm biên soạn đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới có liên quan đến nội dung chương trình đào tạo và phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết và thực hành được biên soạn gắn với nhu cầu thực

tế trong sản xuất đồng thời có tính thực tiễn cao

Nội dung giáo trình được biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo

120 giờ gồm có:

Bài 24-01: Tổng quan về các hệ vi xử lý

Bài 24-02: Các đơn vi vi xử lý trung tâm

Bài 24-03: Bộ nhớ trong của hệ vi xử lý

Bài 24-04: Thiết bị vào ra của hệ vi xử

Trong quá trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu cũng như khoa học

và công nghệ phát triển có thể điều chỉnh thời gian và bổ sung những kiên thức mới cho phù hợp Trong giáo trình, chúng tôi có đề ra nội dung thực tập của từng bài để người học cũng cố và áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ năng Tuy nhiên, tuy theo điều kiện cơ sở vật chất và trang thiết bị, các trường có thề sử dụng cho phù hợp

Tuy nhiên, tùy theo điều kiện cơ sở vật chất và trang thiết bị, các trường có thề sử dụng cho phù hợp Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng được mục tiêu đào tạo nhưng không tránh được những khiếm khuyết Rất mong nhận được đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hoàn thiện hơn Các ý kiến đóng góp xin gửi về Trường Cao đẳng nghề Đồng Tháp

Đồng Tháp, ngày tháng năm 2017 Tham gia biên soạn

MỤC LỤC

TRANG

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN 1

LỜI GIỚI THIỆU 3

MỤC LỤC 4

Bài 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ VI XỬ LÝ 8

1 Các hệ đếm: 8

1.1 Hệ thập phân (Decimal Number System): 9

1.2 Hệ nhị phân (Binary Number System): 9

1.3 Hệ thập lục phân (Hexadecimal Number System): 11

1.4 Mã BCD (Binary Coded Decimal): 12

1.5 Mã hiển thị Led 7 thanh (7-segment display): 12

2 Chuyển đổi lẫn nhau giữa các hệ đếm: 14

2.1 Hệ nhị phân và hệ thập phân: 14

2.2 Hệ nhị phân và hệ hex: 15

3 Mã hóa thông tin: 15

3.1 Mã hóa các thông tin không số: 15

3.2 Xét trường hợp biểu diễn số: 20

3.3 Biểu diễn dữ liệu số trong máy tính: 23

3.4 Biểu diễn vật lý của thông tin trong máy tính: 24

4 Các phép toán số học đối với số hệ nhị phân: 24

4.1 Phép cộng và phép trừ: 24

4.2 Số bù hai: 26

4.3 Phép nhân và phép chia: 28

5 Cấu trúc của hệ vi xử lý và máy vi tính: 36

5.1 Lịch sử phát triển các trung tâm vi xử lý: 36

5.2 Cấu trúc cơ bản của hệ vi xử lý: 39

5.3 Từ hệ Vi xử lý đến máy vi tính PC: 45

Bài 2: CÁC ĐƠN VI VI XỬ LÝ TRUNG TÂM 48

1 Trung tâm vi xử lý P 8085: 48

1.1 Các nhóm tín hiệu trong µ8085: 50

1.2 Khái niệm và bản chất vật lý của các bus trong hệ vi xử lý: 52

1.3.Các mạch 3 trạng thái, mạch chốt và mạch khuyếch đại BUS 2 chiều: 53

1.4 Biểu đồ Timing thực hiện lệnh của CPU µP8085: 58

1.5 Ngắt (lnterrupt): 62

1.6 Truy nhập trực tiếp bộ nhớ (Direct Memory Access - DMA): 63

1.7 Vi chương trình (Microprogram) và tập lệnh của µP8085: 64

1.8 Vài nét về lập trình cho 8085: 88

2 Các trung tâm vi xử lý họ 80x86: 90

2.1 Mô tả chân của P 8086 và các tín hiệu: 90

2.2 Cấu trúc Trung tâm Vi xử lý họ 80x86: 93

2.3 Hệ thống thanh ghi trong các µP80x86: 95

2.4 Các chế độ làm việc MIN/MAX: 101

2.5 Phương thưc quản lý bộ nhớ, các mode địa chỉ: 101

2.6 Phương thức đánh địa chỉ thiết bị ngoại vi: 106

2.7 Các mạch multiplexer, decoder, PLA: 107

2.8 Sơ lược về lập trình hợp ngữ: 110

3 Cấu trúc và tính năng của một số chíp vi xử lý hiện đại: 110

3.1 Cấu trúc chip Vi xử lý Pentium: 145

3.2 Cấu trúc RISC, CISC: 148

3.3 Quản lý bộ nhớ: 151

3.4 Bộ nhớ cache: 152

Bài 3: BỘ NHỚ TRONG CỦA HỆ VI XỬ LÝ 155

1 Bộ nhớ trong hệ vi xử lý: 155

1.1 Phần tử nhớ, vi mạch nhớ, từ nhớ và dung lượng bộ nhớ: 156

1.2 Vài nét về bộ nhớ trong của hệ vi xử lý và máy tính: 158

1.3 Phân loại các chip nhớ ROM, RAM : 161

2 Tổ chức bộ nhớ cho hệ vi xử lý: 163

2.1 Tổ chức bộ nhớ vật lý: 163

2.2 Thiết kế vỉ nhớ cho hệ vi xử lý: 165

Bài 4: THIẾT BỊ VÀO RA CỦA HỆ VI XỬ LÝ 169

1 Bàn phím HEX (keyboard): 169

2.Ghép nối bàn phím với hệ vi xử lý: 174

2.1 Hệ thống bàn phím của máy vi tính: 175

2.2 Quá trình truyền dữ liệu từ bàn phím cho CPU: 176

3.Mạch điều khiển và lập trình chỉ thị 7-segment: 179

4 Màn hình (Monitor): 181

4.1 Màn hình ống tia âm cực CRT (Cathode Ray Tube): 181

4.2 Ghép nối màn hình với hệ Vi xử lý: 183

4.3 Bộ điều khiển màn hình CRTC: 185

MÔ ĐUN VI XỬ LÝ

Mã mô đun: MĐ 24

 Vị trí tính chất, ý nghĩa và vai trò của mô đun:

- Vị trí của mô đun: Mô đun được bố trí dạy cuối chương trình sau

khi học xong các môn học cơ bản như linh kiện điện tử, đo lường điện tử,

kỹ thuật xung - số, điện tử công suất

- Tính chất của mô đun: Là mô đun bắt buộc

- Ý nghĩa của mô đun: sau khi học xong mô đun Vi xử lý, người học phải biết lập trình một số ứng dụng từ đơn giản đến phức tạp và xử lý được các kết nối máy tính với thiết bị ngoại vi

- Vai trò của mô đun: Giáo trình mô đun “Vi xử lý” nhằm cung cấp cho người học những kiến thức về lập trình và giao tiếp với máy tính bằng

số

Lý thuyết Hành Thực

Kiểm tra MĐ24-01 Tổng quan về các hệ vi xử lý 10 4 5 1

2 Chuyển đổi lẫn nhau giữa các

BÀI 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC H VI XỬ LÝ

Mã bài: MĐ24-01

Giới thiệu

Khoa học kỹ thuật đang ngày càng phát triển rất mạnh mẽ, các công nghệ mới thuộc các lĩnh vực khác nhau nhờ đó đã ra đời nhằm đáp ứng nhu

cầu của xã hội và kỹ thuật Vi xử lý cũng nằm trong số đó Hiện nay kỹ thuật

Vi xử lý đã được giảng dạy rộng rãi ở các trường Đại học và Cao đẳng trong

cả nước, tuy nhiên lĩnh vực mới này (Vi xử lý) vẫn đang còn rất mới mẻ, và

những ứng dụng của nó vẫn chưa được khai thác triệt để trong các hệ thống

điều khiển, đo lường và điều chỉnh của các dây chuyền công nghiệp

Mục tiêu:

- Trình bày được một số hệ đếm, và các mã thường dùng trong hệ vi

xử lý

- Tính toán, chuyển đổi được các phép toán nhị phân

- Trình bày được cách biểu diễn thông tin trong các hệ vi xử lý

- Rèn luyện tính tư duy, tác phong trong công nghiệp

1 Các hệ đếm:

Mục tiêu: Trình bày được một số hệ đếm, và các mã thường dùng trong hệ

vi xử lý

 Nguyên lý của việc viết số

- Một số được viết bằng cách đặt kề nhau các ký hiệu, được chọn trong

một tập hợp xác định Mỗi ký hiệu trong một số được gọi là số mã (số hạng,

digital)

Ví d ụ: Trong hệ thống thập phân (cơ số 10) tập hợp này gồm 10 ký

hiệu rất quen thuộc, đó là các con số từ 0 đến 9:

S10= {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}

- Khi một số gồm nhiều số mã được viết, giá trị của các số mã tùy thuộc

vị trí của nó trong số đó Giá trị này được gọi là trọng số của số mã

- Trong triển khai, số mũ của đa thức chỉ vị trí của một ký hiệu trong

một số với quy ước vị trí của hàng đơn vị là 0, các vị trí liên tiếp về phía trái

là 1, 2, 3, Nếu có phần lẻ, vị trí đầu tiên sau dấu phẩy là -1, các vị trí liên

tiếp về phía phải là -2, -3, Ta thấy, số 9 đầu tiên (sau số 1) có trọng số là

900 trong khi số 9 thứ hai chỉ là 90

- Với 2 ký hiệu giống nhau trong hệ 10, ký hiệu đứng trước có trọng số

gấp 10 lần ký hiệu đứng ngay sau nó Điều này hoàn toàn đúng cho các hệ khác Ví dụ, đối với hệ nhị phân ( cơ số 2) thì tỉ lệ này là 2

- Có rất nhiều hệ thống số được sử dụng trong kỹ thuật số, các hệ đếm thông dụng nhất là: hệ thập phân (decimal number system), nhị phân (binary number system), thập lục phân (hexadecimal number system)…

1.1 Hệ thập phân (Decimal Number System):

- Đây là hệ đếm mà chúng ta sử dụng hàng ngày Hệ đếm này sử dụng mười chữ số ‘0’ ’9’để biểu diễn các số hệ 10 Chữ số ‘0’ biểu diễn số 0, chữ

số ‘1’ biểu diễn số 1,… Khi đếm đến 10 thì hết số nên phải thêm 1 sang hàng bên trái để thành ‘10’ (mười) rồi lại tiếp tục đếm ‘11’, ‘12’, ‘13’, Một số hệ

10 có giá trị bằng tổng giá trị của từng chữ số nhân với trọng số tương ứng của chữ số Trọng số của chữ số thứ i là 10i

Tổng quát hóa cho hệ đếm cơ số a bất kỳ (a ≥ 2, a ∈ N):

- Sử dụng a chữ số để biểu diễn các số hệ a Chữ số có giá trị nhỏ nhất

là ‘0’, chữ số có giá trị lớn nhất tùy thuộc vào từng hệ đếm nhưng có giá trị là a-1

- Giá trị (lượng) của một số hệ a bằng tổng giá trị của từng chữ số nhân với trọng số tương ứng của chữ số Trọng số của chứ số thứ i là ai

Ví d ụ: Số 5346,72 biểu diễn như sau:

5346,72 = 5.103 + 3.102 + 4.10 + 6 + 7.10-1 + 2.10-2

- Tuy nhiên, trong các mạch điện tử, việc lưu trữ và phân biệt 10

mức điện áp khác nhau rất khó khăn nhưng việc phân biệt hai mức điện áp thì lại dễ dàng Do đó, người ta sử dụng hệ nhị phân để biểu diễn các giá trị trong hệ thống số Trong số thập phân thì:

 Số tận cùng bên trái là số có giá trị lớn nhất MSD ( Most Significant

Digit)

 Số tận cùng bên phải là số có giá trị nhỏ nhất LSD ( Least Significant

Digit)

1.2 Hệ nhị phân (Binary Number System):

- Hệ nhị phân gồm có 2 chữ số: 0 và 1, ký số nhị phân gọi là bit (binary

digit) Cơ số hệ nhị phân hay gọi là cơ số 2 Một số nhị phân (binary digit)

thường được gọi là bit Một chuỗi gồm 4 bit nhị phân gọi là nibble, chuỗi 8

bit gọi là byte, chuỗi 16 bit gọi là word và chuỗi 32 bit gọi là double

word Bit tận cùng bên trái là bit có giá trị lớn nhất MSB ( Most Significant bit), bit tận cùng bên phải là bit có giá trị nhỏ nhất LSB ( Least Significant bit) Một số trong hệ nhị phân được biểu diễn theo số mũ của 2 Ta thường dùng chữ B cuối chuỗi bit để xác định đó là số nhị phân

- Các linh kiện điện tử cấu tạo nên máy tính chỉ có hai trạng thái: có

điện và không có điện Hai trạng thái này có thể được biểu diễn bằng 1 và

0 Chính vì lý do này mà h ệ đếm cơ số 2 là hệ đếm duy nhất được dùng trong máy tính.

- Trong kỹ thuật máy tính, mỗi chữ số nhị phân được gọi là một bit (viết tắt của từ tiếng anh binary digit) Một cụm 4 bit tạo thành một nible,

cụm 8 bit tạo thành 1 byte, cụm 16 bit tạo thành 1 từ (word), cụm 32 bit

tạo thành một từ kép (double word) Bit đầu tiên bên trái trong các số nhị phân gọi là bit có trọng số lớn nhất (Most Significant Bit, MSB), còn bit

tận cùng bên phải gọi là bit có trọng số nhỏ nhất (Least Significant Bit, LSB) Vị trí của các bit trong nibble, byte, word, double word như sau:

MSB dấu phẩy nhị phân LSB

1100,1102 = 1x 23 +1x22 + 0x21 + 0x20 + 1x2-1 + 1x2-2 + 0x2-3

Cách đếm số nhị phân: ta dùng một số nhị phân 4 bit trình bày như bảng sau:

 Với số nhị phân 4 bit như trên có 24 =16 trạng thái khác nhau và số thập phân tương ứng lớn nhất là:24 – 1 =15 Vậy với một số nhị phân n bit thì:

+ Số thập phân tương ứng lớn nhất 2n -1

+ Số trạng thái 2n

1.3 Hệ thập lục phân (Hexadecimal Number System):

- Nếu dùng hệ nhị phân thì sẽ cần một số lượng lớn các bit để biểu diễn Trong thực tế để viết kết quả biểu diễn các số cho gọn lại người ta tìm cách nhóm 4 số hệ hai (1 nibble) thành một số hệ mười sáu Khác với hệ BCD

hệ 16 dùng hết các tổ hợp có thể của 4 bit để biểu diễn các giá trị số Để làm được điều này người ta sử dụng các chữ số sẵn có của hệ mười (0 9) để biểu diễn các giá trị số ứng với 0 9 và dùng thêm các chữ cái A F để biểu diễn các giá trị còn lại ứng với 10 15 Để phân biệt một số hệ mười sáu với các

số hệ khác ta kèm thêm chữ H ở cuối Ta cũng dễ nhận thấy rằng số mười chỉ

là một bộ phận của hệ mười sáu

A biểu diễn cho 10

B biểu diễn cho 11

C biểu diễn cho 12

D biểu diễn cho 13

E biểu diễn cho 14

F biểu diễn cho 15

- Khi đếm đến 16 vì không còn chữ số nên phải thêm 1 sang bên trái

để tạo thành ‘10’,… Giá trị của một số hệ 16 bằng tổng các tích giữa giá trị của từng chữ số nhân với trọng số của nó Trọng số của chữ số thứ i trong một số hệ 16 là 16i: S16={0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F }

Ví d ụ 1: Để biểu diễn số 255 ta cần đến 8 bit viết như sau:

255 = 111111112

Ví dụ 2: 2AE4H = 2x163

+ Ax162 + Ex161 + 4x160 = 10980D

1.4 Mã BCD (Binary Coded Decimal):

 Trong thực tế, đối với một số ứng dụng như đếm tần, đo điện áp, … ngõ ra ở dạng số thập phân, ta dùng mã BCD Mã BCD dùng 4 bit nhị phân

để mã hóa cho một số thập phân 0 9 Như vậy, các số hex A F không tồn tại

trong mã BCD Vì tầm quan trọng của các số BCD nên các bộ vi xử lý thường

có các lệnh thao tác với chúng

Ví d ụ: Số thập phân 5 2 9

Số BCD 0101 0010 1001

1.5 Mã hi ển thị Led 7 thanh (7-segment display):

- Đối với các ứng dụng dùng hiển thị số liệu ra Led 7 đoạn, ta dùng

mã hiển thị Led 7 đoạn (bảng 1.1)

B

C D

2 Chuyển đổi lẫn nhau giữa các hệ đếm:

Mục tiêu: Tính toán, chuyển đổi qua lại giữa các hệ đếm

2.1 Hệ nhị phân và hệ thập phân:

 Chuyển số nhị phân thành số thập phân:

Để chuyển một số nhị phân thành một số thập phân, ta chỉ cần nhân các chữ

số của số nhị phân với giá trị thập phân của nó và cộng tất cả các giá trị lại

Ví d ụ: 1011.11 = 1x23 + 0x22 + 1x21 + 1x20 + 1x2-1 + 1x2-2 = 11.75

 Chuyển số thập phân thành số nhị phân:

Để chuyển một số thập phân thành số nhị phân, ta dùng 2 phương pháp sau:

- Phương pháp 1: Ta lấy số thập phân cần chuyển trừ đi 2i trong đó

2i là số lớn nhất nhỏ hơn hay bằng số thập phân cần chuyển Sau đó, ta lại

lấy kết quả này và thực hiện tương tự cho đến 20 thì dừng Trong quá trình

thực hiện, ta sẽ ghi lại các giá trị 0 hay 1 cho các bit tùy theo trường hợp

số thập phân nhỏ hơn 2i (0) hay lớn hơn 2i (1)

Ví d ụ: Xét số 21 thì số 2i lớn nhất là 24

24 23 22 21 20

21= 24 +03 + 22 + 01 + 20 = 16 + 0 + 0 + 4 + 1

- Phương pháp 2: Lấy số cần chuyển chia cho 2, ta nhớ lại số dư

và lấy tiếp thương của kết quả trên chia cho 2 và thực hiện tương tự cho đến khi thương cuối cùng bằng 0 Kết quả chuyển đổi sẽ là chuỗi các bit là các

số dư lấy theo thứ tự ngược lại

Để thực hiện chuyển các số thập phân nhỏ hơn 1 sang các số nhị phân, ta làm như sau: lấy số cần chuyển nhân với 2, giữ lại phần nguyên và

lại lấy phần lẻ nhân với 2 Quá trình tiếp tục cho đến khi phần lẻ bằng 0 thì

dừng Kết quả chuyển đổi là chuỗi các bit là giá trị các phần nguyên

 Cách chuyển nhị phân sang hex

Phương pháp: các bit nhị phân được nhóm 4 bit từ LSB, mỗi nhóm 4 bit

được chuyển sang số hex tương ứng (bảng 1.1) Nếu số bit không đủ thì cộng thêm bit 0 vào MSB

Ví Dụ: 11101001102 = 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 = 3A616

3 A 6

3 Mã hóa thông tin:

Mục tiêu: Hiểu cách mã hóa thông tin trong hệ vi xữ lý

 Khái niệm về mã hóa

Mã hóa thông tin là quy ước về cách biểu diễn thông tin trong máy tính Trong máy tính người ta dùng mã nhị phân (số nhị phân) có độ dài (số bit) cố định để biểu diễn thông tin Với độ dài từ mã là n ta có thể biểu diễn

được 2n trạng thái khác nhau

3.1 Mã hóa các thông tin không số:

3.1.1 Mã hóa chữ và dữ liệu kiểu văn bản:

Đơn vị cơ sở của dữ liệu văn bản là chữ Chữ ở đây được hiểu theo nghĩa rộng, không chỉ là các chữ cái Latinh mà kể cả chữ số, các dấu chính tả, các dấu toán học, các kí hiệu để trình bày Mặt khác không phải dân tộc nào cũng dùng chữ Latinh nên đối với một số dân tộc có thể có những chữ riêng Chúng

ta dùng thuật ngữ ký tự (character) với ý nghĩa là một ký hiệu dùng trong văn

bản

Nếu dùng một vùng nhớ k bit để mã hóa một chữ thì chỉ có thể biểu diễn tối đa được 2k

ký tự vì chỉ có thể tạo được đúng 2k các mã nhị phân khác nhau Điều này giải thích tại sao người Mỹ chỉ cần 7 bitđể mã hóa cho các chữ của họ; để có thêm các mặt chữ Châu Âu, chữ Hy Lạp hay người Nhật phải dùng các mã 16 bit

Các văn bản được hình dung như một chuỗi ký tự Nội dung một cuốn sách, một bài thơ được đưa vào máy tính là những ví dụ cụ thể về thông tin văn bản Hầu hết các máy tính và môi trường lập trình hiện nay đều sử dụng một byte để mã hóa một chữ

Về nguyên tắc có thể mã hóa giá trị sai hay không bởi bit0, giá trị đúng hay không bởi bit1 Tuy nhiên ít khi người ta sử dụng tới mức bitvì cơ chế địa chỉ hóa thường ít nhất ở mức byte Khi đó người ta vẫn dùng một byte để mã hóa các giá trị logic

“và”, cộng logic hoặc hay phủ định logic “không”

Về nguyên tắc có thể mã hóa giá trị sai hay không bởi bit0, giá trị đúng hay có bởi bit1 Tuy nhiên ít khi người ta sử dụng tới mức bitvì cơ chế địa chỉ hóa thường ít nhất ở mức byte Khi đó người ta vẫn dùng một byte để mã hóa các giá trị logic

3.1.3 Hình ảnh:

Hình 1.1. Ảnh bitmap Hình ảnh cũng có thể xử lý bằng máy tính Khác với hình ảnh thông thường, hình ảnh trong máy tính được mã hóa dưới dạng nhị phân Có rất nhiều kiểu mã hóa ảnh trong đó hai kiểu thông dụng nhất là Ảnh bitmap (nghĩa là bản đồ các bit) thể hiện ảnh như một lưới điểm Như vậy mỗi điểm

sẽ phải nằm trong một hàng và một cột nào đó trong lưới, ngoài ra màu của

điểm cũng được mã hóa

Các ảnh khí tượng do các vệ tinh chụp gửi về, ảnh phong cảnh, chân dung đều có thể thể hiện theo kiểu này Ta cũng có thể đưa một ảnh bất kỳ vào máy dưới dạng bitmap bằng máy quét ảnh (scanner), máy quay video số (digital video camera) hay máy chụp ảnh số (digita camera) Nói chung dữ

liệu ảnh này là dữ liệu lớn Vì vậy, người ta thường sử dụng các kỹ thuật nén ảnh trước khi đưa vào máy lưu trữ và khôi phục ảnh khi trình bày Có rất nhiều chuẩn ảnh khác nhau, chủ yếu khác nhau ở cách tổ chức để nén được ảnh mà vẫn giữ được chất lượng và thể hiện được các hiệu ứng ảnh Còn lúc

hiển thị để xem thì ảnh sẽ được khôi phục dưới dạng bitmap Ảnh thể hiện theo từng điểm còn gọi là ảnh raster

Kiểu thứ 2 thể hiện ảnh theo cách vẽ Kiểu này chỉ phù hợp với các ảnh

có thành phần l các điểm rời rạc, các đường hoặc hình thể hiện bằng các đường biên như bản vẽ kiến trúc các bản vẽ kỹ thuật, bản đồ Cách lưu trữ là

lưu thông tin về các thành phần của ảnh Đối với một đoạn thẳng thì chỉ lưu

tọa độ các đầu mút, đối với một hình tròn thì chỉ lưu tọa độ tâm và bán kính

Vì thế các ảnh này thường gọn gàng và dễ phóng to thu nhỏ (vì chỉ dùng các phép biến đổi toạ độ) Các ảnh kiểu này gọi là ảnh vector

3.1.4 Âm thanh:

Âm thanh cũng có thể được xử lý bằng máy tính Cũng có nhiều phương pháp mã hóa âm thanh Cách đơn giản nhất là mã hóa bằng cách xấp xỉ dao động sóng âm bằng một chuỗi các byte thể hiện biên độ dao dộng tương ứng theo từng khoảng thời gian bằng nhau Dĩ nhiên các đơn vị thời gian này cần

phải đủ nhỏ để không làm nghèo âm thanh Đơn vị thời gian này gọi là chu kỳ

lấy mẫu Hình vẽ dưới đây minh hoạ cách lưu trữ xấp xỉ sóng âm, theo đó sẽ

lưu lại dãy các giá trị sau (xem hình 1.2)

Hình 1.2 Số hóa âm thanh

- Khi phát, một mạch điện sẽ khôi phục lại sóng âm với một sai lệch

chấp nhận được

- Một cách khác là phân tích dao động âm thanh thành tổng các dao động điều hòa (các dao động hình sin với tần số và biên độ khác nhau) và chỉ

lưu lại các đặc trưng về tần số và biên độ

- Còn có nhiều cách mã hóa âm thanh dựa theo những nguyên lý nén dữ

liệu rất hiệu quả Việc số hóa âm thanh cũng được thực hiện nhờ các thiết bị chuyên dụng Xử lý âm thanh trên máy tính gồm những việc sau:

+ Thu và mã hóa âm thanh

+ Biên tập (sửa chữa, ghép, cắt)

+ Phân tích (tìm các đặc trưng để nhận dạng tiếng nói) Một số máy tính đã có thể nghe được các lệnh đơn giản Các máy điện thoại di động hiện nay đã có khả năng nhận dạng tiếng nói

+ Tổng hợp tiếng nói Ở mức độ đơn giản máy tính có thể đọc văn bản

thành lời

3.2 Xét tr ường hợp biểu diễn số:

- Nếu dùng 1 byte (8 bit) để biểu diễn các số nguyên không dấu (số tự nhiên) thì ta có thể biểu diễn được 2n = 28 = 256 số từ 0 đến 255

ta có số âm, số âm có nhiều cách biểu diễn nhưng hay dùng nhất là kiểu số

bù hai Với kiểu số bù hai số âm nhỏ nhất là 1000 0000 = -128 (ta sẽ nói cách tìm số -128 sau)

 Cách tìm số bù hai biểu diễn một số âm như sau:

- Đổi trị tuyệt đối của số âm ra mã nhị phân (với độ dài từ mã cố định,

ví dụ 8, 16, 32)

- Tìm số bù một của số nhị phân bằng cách đảo các bit: 0 thành 1, 1 thành 0

- Cộng số bù một với 1 ta sẽ được số bù hai

Ví dụ: Biểu diễn số -128 trong dạng số bù hai 8 bit

12810 = 1000 00002 Bù một = 0111 1111

+ 1

Bù hai = 1000 0000

Ngược lại, từ một số nhị phân hãy tìm số nguyên mà nó biểu diễn (giả

sử số nhị phân biểu diễn số nguyên có dấu) Khi đó ta làm như sau:

- Xét bit MSB Nếu MSB = 0 thì chỉ cần đổi số nhị phân sang hệ

mười Nếu MSB = 1 thì chuyển sang bước tiếp theo

- Tìm số bù một

- Lấy số bù một cộng với 1 để được số bù hai

- Đổi số nhị phân bù hai sang hệ mười

Ví dụ: Cho số nhị phân 1101 1001, số này biểu diễn một số nguyên

có dấu, hãy tìm số nguyên đó

Bit MSB = 1 => Số biểu diễn là số âm

Số bù một = 0010 0110

Số bù hai = 0010 0111

Số nguyên cần tìm là -39

3.2.1 Mã ASCII:

- Thông tin, dữ liệu xung quanh chúng ta có rất nhiều loại như văn

bản, số liệu, âm thanh, hình ảnh,…Muốn đưa các loại thông tin này vào máy tính chúng ta phải dùng mã nhị phân để biểu diễn Trong thực tế thông tin được truyền đi, được lưu giữ trong các bộ nhớ máy tính hoặc để hiển thị trên màn hình đều ở dưới dạng ký tự và tuân theo một loại mã được dùng

rộng rãi trên thế giới gọi là mã ASCII (American Standard Code for Information Interchange, mã chuẩn của Mỹ dùng để trao đổi thông tin)

Việc dùng các ký tự để mã hóa thông tin theo bảng mã ASCII cho phép các máy tính và các bộ phận của một máy tính có thể trao đổi thông tin với nhau

- Các từ mã trong bảng mã ASCII có độ dài 1 byte (8 bit) Bảng mã ASCII được chia thành 2 nửa: nửa đầu có mã từ 0 đến 127 gọi là bảng mã ASCII tiêu chuẩn, nửa sau có mã từ 128 đến 255 gọi là bảng mã ASCII

mở rộng Hầu hết các nước trên thế giới có bảng mã ASCII tiêu chuẩn

giống nhau Bảng mã ASCII mở rộng thường khác nhau và dùng để chứa bộ

ký tự của riêng từng nước

- Trong bảng mã ASCII tiêu chuẩn người ta chỉ dùng hết 7 bit (từ bit

0 đến bit 6) để mã hóa các ký tự, còn 1 bit MSB có thể cho liên tục bằng 0,

hoặc bằng 1, hoặc có thể dùng để chứa bit parity phục vụ việc phát hiện lỗi khi truyền

Khi xem xét bảng mã ASCII tiêu chuẩn ta có thể rút ra mấy nhận xét sau:

 Hai cột đầu (cột 0 và cột 1) của bảng mã dùng cho các ký tự điều khiển

 Các ký tự số nằm ở cột 3 Mã của ký tự ‘0’ là 30H, của ký tự ‘9’ là 39H Giữa giá trị số và mã ASCII của số đó có khoảng cách là 30H

 Các chữ cái hoa nằm ở cột 4 và 5, các chữ cái thường nằm ở cột 6

và 7 Khoảng cách giữa chữ thường và chữ hoa cùng tên là 20H

B ảng 1.2 BẢNG MÃ ASCII TIÊU CHUẨN

t 11

u 11

v 11

3

w 11

x 12

y 12

z 12

7

{ 12

8

| 12

} 12

~ 12

1

<DEL> 12

7

3.2.2 Quan h ệ giữa mã ASCII và số BCD:

Khi lưu trữ, hiển thị hoặc truyền giữa các thiết bị các giá trị số 0 9 thực chất ta làm việc với mã ASCII của các số đó, tức là các số 30H 39H Ta thấy trong một byte biểu diễn các giá trị số 0 9 có 4 bit thấp ứng với mã BCD của chính số đó, còn 4 bit cao luôn luôn là mã BCD của số 3 Nếu ta thay 4 bit cao trong mã ASCII của một số bằng 0000B thì ta thu được số BCD không gói của số đó

3.3 Biểu diễn dữ liệu số trong máy tính:

Dữ liệu để đạt được hiệu quả cao khi xử lý, lưu trữ và truyền thông tin điều cần thiết là phải tìm cách tổ chức và biểu diễn (thể hiện) thông tin trong máy tính điện tử một cách hợp lý Như đã biết, dữ liệu là hình thức biểu diễn thông tin Vậy đối với máy tính dữ liệu chính là các thông tin đã được mã hóa dưới dạng nhị phân Dữ liệu - thông tin được máy tính xử lý

có thể có các dạng khác nhau

Hình 1.3. Phân loại các dạng dữ liệu cơ bản

Máy tính có thể tính toán trên các số, có thể xử lý thông tin chữ hay thông tin logic, có thể xử lý những thông tin đa phương tiện (multimedia)

như âm thanh và hình ảnh Máy tính còn có thể xử lý tri thức (knowledge) Thông tin về một đối tượng có thể rất phức tạp và có thể được thể hiện bằng nhiều dữ liệu có kiểu khác nhau Ví dụ thông tin về một cán bộ có thể

có tên, nơi sinh là văn bản; ngày sinh, lương là số; ảnh chân dung là ảnh

Để lưu trữ trong máy tính điện tử cả dữ liệu số, phi số và tri thức đều được mã hóa bằng các mã nhị phân Theo nghĩa đó mọi dữ liệu dù là bản chất có khác nhau nhưng đều được số hóa

Sự phân biệt theo sơ đồ trên nặng về ý nghĩa sử dụng hơn là cách biểu diễn Dưới đây ta sẽ trình bày chi tiết hơn các lớp dữ liệu Trong trường hợp biểu diễn thông tin không quá phức tạp ta sẽ trình bày một chút về cách biểu diễn

3.4 Biểu diễn vật lý của thông tin trong máy tính:

Đối với bộ nhớ trong, các thông tin sau khi mã hóa dưới dạng nhị phân được đưa vào bộ nhớ theo quy ước Mỗi ngăn của ô nhớ sẽ lưu giữ một trong hai trạng thái được quy ước là một trong hai bit 0 hoặc 1

Nếu dùng chiều của từ thông để mã hóa thì không thể phân biệt được các bitgiống nhau đứng liền nhau Thông thường các bitđược ghi theo kiểu điều tần Các bit được thể hiện qua các kiểu biến thiên của từ trường chứ không phải chiều của từ thông một vùng nhiễm từ trên đĩa Thực ra cách ghi trên đĩa từ khá phức tạp vì người ta không những chỉ ghi dữ liệu mà còn có các thông tin về địa chỉ và các thông tin đồng bộ giúp cho việc đọc thông tin được chính xác

4 Các phép toán số học đối với số hệ nhị phân:

Mục tiêu: Tính toán, chuyển đổi được các phép toán nhị phân

IN

Vào

D B

S = A ⊕ B ⊕ BIN

BOUT = AB + (A ⊕ B)

sẵn Vấn đề đặt ra đối với số hệ hai là ta phải có cách biểu diễn số âm một cách thích hợp sao cho ta có thể ứng dụng được tính chất nói trên Có rất nhiều cách mã hóa các số hệ hai để biểu diễn số âm nhưng trong thực tế hay

dùng nhất là dùng cách mã hóa kiểu số bù hai

Bảng 1.4 chỉ ra cách tạo ra các số hệ hai có dấu và số bù hai trong sự tương quan với số hệ hai

Bảng 1.4 Biểu diễn các số theo hệ hai, hệ hai có dấu và mã bù hai

Số 8 bit số hệ mười số hệ mười theo số hệ mười tính

hệ hai tương đương mã hệ hai có dấu theo mã

bù hai

0000 0000 0 + 0 + 0

0000 0001 1 + 1 + 1

0000 0010 2 + 2 + 2

1111 1101 125 -125 - 3

1111 1110 126 -126 - 2

1111 1111 255 -127 - 1

 Quan sát kỹ bảng này chúng ta có thể rút ra các nhận xét sau:

- Nếu ta dùng 8 bit để biểu diễn số thì ta thu được 256 tổ hợp có giá trị

từ 0 đến 255 (tương ứng 00 FF H), tức là chỉ biểu diễn được số dương

- Với tổ hợp trên nếu ta muốn biểu diễn số có dấu theo kiểu dấu và độ lớn (sign and magnitude) ta phải mất 1 bit để dành cho dấu và 7 bit còn lại để định giá trị Với cách làm này ta có khả năng biểu diễn cả số âm và số dương nằm trong khoảng -127 -0, +0 +127 (chú ý 2 giá trị 0 khác nhau)

- Số bù hai được tạo ra theo cách gần giống như kiếu dấu và độ lớn nhưng nó dùng cả 8 bit để biểu diễn giá trị của số được mã hóa Mã bù hai dài

8 bit có khả năng biểu diễn các số âm và dương trong khoảng -128 0 +127 Một số dương có mã bù hai giống như hệ mã hai thông thường

- Một số biểu diễn theo hệ hai sẽ có các giá trị khác nhau nếu hiểu đó là

mã để biểu diễn số theo kiểu hệ hai có dấu hoặc kiểu số bù hai Nói khác đi, một cụm các số 0 và 1 sẽ được cảm nhận khác nhau khi nó biểu diễn giá trị số theo các mã khác nhau Cho dù có được biểu diễn bằng số hệ hai có dấu hay

số bù hai thì các số âm đều có bit b7 = 1, còn các số dương có bit b7 = 0

- Bây giờ ta nói cụ thể cách tính số bù hai của một số nào đó Về mặt toán học thì số bù hai của một số chính là số đối của nó Như vậy một số dương sẽ có số bù hai là một số âm cùng giá trị tuyệt đối và ngược lại

 Quy tắc: Muốn tìm số bù hai của một số A ta làm theo các bước sau:

 Biểu diễn số A theo mã bù hai của nó

 Tìm số bù một (bù logic) của số đó (bằng cách đảo bit)

 Cộng 1 vào số bù một ở trên để nhận được số bù hai của số A

Ghi chú: Khi có một số âm được biểu diễn theo mã bù hai nếu muốn tính giá trị tuyệt đối của nó ta cũng áp dụng quy tắc này (áp dụng bước 2 và bước 3)

- 88 - 0101 1000 →+ 1010 1000

Số 88 = 0101 1000 → số bù 1 là 1010 0111 → số bù 2: 1010 1000

Kết quả phép cộng số bù 2 là 1111 0101 có MSB = 1 nên là số âm Số

bù 1 là 0000 1010 → số bù 2: 0000 1011 Kết quả này chính là 11 nên phép trừ sẽ cho kết quả là –11

Ta thấy, để thực hiện chuyển số bù 2 thành số có dấu thì cần thực hiện:

Ví dụ 3: 12 - 13 = ?

12 0000 1100 (-13) 1111 0011 tổng 1111 1111 (tức -1) Đây là một số âm (bit b7=1) với giá trị tuyệt đối là 1 (tra theo bảng 1.4) Mặt khác ta cũng có thể tìm được giá trị tuyệt đối của kết quả bằng cách

tìm số bù hai của nó:

Mã bù hai của kết quả trên 1111 1111

Số bù 1 của kết quả trên 0000 0000

Cộng - để tìm giá trị tuyệt đối 0000 0001

4.3 Phép nhân và phép chia:

4.3.1 Phép nhân:

Phép nhân các số nhị phân cũng tương tự như đối với các số thập phân Chú ý rằng đối với phép nhân nếu nhân 2 số 4 bit sẽ có kết quả là số 8 bit, 2 số 8 bit sẽ có kết quả là số 16 bit, …

 Cần lưu ý:

0 x 0 = 0 ; 0 x 1 = 0 ; 1 x 1 = 1

 Đối với máy tính, phép nhân được thực hiện bằng phương p háp

cộng và dịch phải (add-and-right-shift):

- Thành phần đầu tiên của tổng sẽ chính là số bị nhân nếu như LSB

của số nhân là 1 Ngược lại, nếu LSB của số nhân bằng 0 thì thành phần này bằng 0

- Mỗi thành phần thứ i kế tiếp sẽ được tính tương tự với điều kiện là

phải dịch trái số bị nhân i bit

- Kết quả cần tìm chính là tổng các thành phần nói trên

4.3.2 Phép chia:

Phép chia các số nhị phân cũng tương tự như đối với các số thập phân

Tương tự như đối với phép nhân, ta có thể dùng phép trừ và phép dịch trái cho đến khi không thể thực hiện phép trừ được nữa Tuy nhiên, để thuận tiện cho tính toán, thay vì dùng phép trừ đối với số chia, ta sẽ thực hiện phép

cộng đối với số bù 2 của số chia

+ Đổi số chia ra số bù 2 của nó

+ Lấy số bị chia cộng với số bù 2 của số chia

+ Nếu kết quả này có bit dấu = 0 thì bit tương ứng của thương = 1 + Nếu kết quả này có bit dấu = 1 thì bit tương ứng của thương = 0 và

ta phải khôi phục lại giá trị của số bị chia bằng cách cộng kết quả này với số chia

- Dịch trái kết quả thu được và thực hiện tiếp tục như trên cho đến khi

kết quả là 0 hay nhỏ hơn số chia

4.3.3 Sơ lược các phép toán logic:

4.3.3.1 S ơ lược các cổng đệm (buffer) và các cổng logic (logic gate):

Hình 1.4 Cổng đệm và các cổng Logic

4.3.3.2 Thiết bị logic lập trình được:

Thay vì sử dụng các cổng logic rời rạc, ta có thể dùng các thiết bị logic lập trình được (programmable logic device) như PLA (Programmable Logic Array), PAL (Programmable Array Logic) hay PROM (Programmable Read Only Memory) để liên kết các thiết bị LSI (Large Scale Intergration)

 PLA (hay FPLA – Field PLA):

Dùng ma trận cổng AND và OR để lập trình bằng cách phá huỷ các cầu chì FPLA rất linh động nhưng lại khó lập trình

Hình 1.5.Sơ đồ PLA

 PAL: ma trận OR đã cố định sẵn và ta chỉ lập trình trên ma trận AND

Hình 1.6 Sơ đồ PAL

 PROM: ma trận AND cố định sẵn và ta chỉ lập trình trên ma trận OR

Hình 1.7 Sơ đồ PROM

 Chốt (latch): Chốt là thiết bị số lưu trữ lại giá trị số tại ngõ ra của nó

Hình 1.8 Chốt (Latch)

 Flipflop:

Hình 1.9 Flipflop CLR: clear; PR: Preset; CLK: Clock

- Nếu xuất hiện cạnh lên của tín hiệu CLK thì ngõ ra Q sẽ có giá trị theo

Hình 1.10 Thanh ghi

 Khối số học-logic (ALU)

Hình 1.13 Khối số học Các phép AND, OR và XOR đơn giản

5 Cấu trúc của hệ vi xử lý và máy vi tính:

Mục tiêu:biết được lịch sử phát triển của các trung tâm vi sử lý

5.1 Lịch sử phát triển các trung tâm vi xử lý:

- Bộ vi xử lý là thành phần rất cơ bản không thể thiếu được để tạo nên máy vi tính và các hệ vi xử lý Trước khi tìm hiểu cấu trúc của một hệ vi xử

lý ta lướt qua về lịch sử phát triển của các bộ vi xử lý

- Vi xử lý được chế tạo từ các tranzito tích hợp trên một vi mạch tích hợp đơn Xuất hiện lần đầu tiên vào những năm đầu của thập kỷ 70 của thế kỷ

20 Sử dụng mã BCD trên nền 4 bit Các vi xử lý 4 bit và 8 bit được sử dụng trong các thiết bị đầu cuối, máy in, các hệ thống tự động Đến giữa những năm 1970 thì lần đầu tiên các vi xử lý 8 bit với 16 bit địa chỉ được sử dụng như máy tính đa mục đích

- Các hãng sản xuất vi xử lý đầu tiên ở thời điểm này là Intel, Texas Instruments và Garrett AiResearch với ba dịng chip tương ứng: Intel 4004, TMS 1000 và Central Air Data Computer Đây là những vi xử lý 4 bit

- Sau sự ra đời của các vi xử lý 4 bit thì các hãng cho ra đời các dịng 8 bit, 12 bit, 16 bit, 32 bit, 64 bit

5.1.1 Th ế hệ 1 (1971 - 1973):

Năm 1971, hãng Intel đã cho ra đời bộ vi xử lý đầu tiên là 4004 (4 bit

số liệu, 12 bit địa chỉ) Sau đó Intel và các hãng khác lần lượt cho ra đời các bộ vi xử lý khác: 4040 (4 bit) và 8008 (8 bit) của Intel,PPS-4 (4 bit) của Rockwell International,IPM-16 (16 bit) của NationalSemiconductor

Đặc điểm chung của các bộ vi xử lý thế hệ này là:

+ Độ dài từ thường là 4 bit (có thể dài hơn)

+ Công nghệ chế tạo PMOS có mật độ tích hợp nhỏ

Các bộ vi xử lý đại diện cho thế hệ này là các bộ vi xử lý 8 bit 8080

và 8085 của Intel, 6800 và 6809 của Motorola và Z80 của Zilog

Đặc điểm:

+ Độ dài từ là 8 bit, đồng thời tập lệnh phong phú hơn thế hệ trước + Công nghệ chế tạo: NMOS (có mật độ tích hợp cao hơn PMOS)

hoặc CMOS

+ Tốc độ thực hiện lệnh: 1-8 μs/lệnh với tần số đồng hồ fclk = 1-5 MHz

5.1.3 Th ế hệ 3 (1978 - 1982):

Các bộ vi xử lý đại diện cho thế hệ này là các bộ vi xử lý 16 bit 8086,

80186, 80286 của Intel, 68000 và 68010 của Motorola

 Tập lệnh đa dạng với các lệnh nhân, lệnh chia và các lệnh thao tác với chuỗi ký tự

5.1.4 Th ế hệ 4 (1983):

- Các bộ vi xử lý đại diện cho thế hệ này là các bộ vi xử lý 32 bit

80386, 80486 và 64 bit Pentium của Intel, các bộ vi xử lý 32 bit 68020,

68030, 68040, 68060 của Motorola

- Đặc điểm của các bộ vi xử lý thế hệ này là bus địa chỉ đều là 32 bit (có khả năng đánh địa chỉ cho bộ nhớ tới 4 GB) và có khả năng làm việc

với bộ nhớ ảo Người ta cũng áp dụng các cơ chế hoặc các cấu trúc đã được

sử dụng trong các máy tính lớn vào các bộ vi xử lý: cơ chế xử lý xen kẽ liên tục dạng mã lệnh (pipeline), bộ nhớ cache (bộ nhớ ẩn), bộ nhớ ảo Các

bộ vi xử lý thế hệ này đều có bộ quản lý bộ nhớ (MMU) và nhiều khi cả bộ đồng xử lý toán học ở bên trong Phần lớn các bộ vi xử lý thế hệ này đều sản

xuất bằng công nghệ HCMOS

- Bên cạnh các bộ vi xử lý vạn năng truyền thống thường được sử

dụng để xây dựng các máy tính với tập lệnh đầy đủ (Complex Instruction Set Computer, CISC) mà chúng ta đã nói ở trên, trong thời gian này cũng đã

xuất hiện các bộ vi xử lý cải tiến dùng để xây dựng các máy tính với tập

lệnh rút gọn (Reduced Instruction Set Computer, RISC) với nhiều tính năng có thể so sánh với các máy tính lớn ở thế hệ trước Đó là các bộ vi xử

lý Alpha của hãng Digital, PowerPC của ba hãng Apple-Motorola-IBM

Dưới đây là một số thông số chính của các bộ vi xử lý Intel

Các b ộ vi xử lý 16 bit của Intel

Số tranzitor 275.000 275.000 1,2 triệu 1,18 triệu 1,2 triệu 3,1 triệu

Bộ nhớ Cache Bên

ngoài, do

82385 đ.khiển

Bên ngoài, do82385 đ.khiển

Bus số liệu 32 bit 16 bit 32 bit 32 bit 32 bit 64 bit

Bus địa chỉ 32 bit 24 bit 32 bit 32 bit 32 bit 32

80387SX bên trong 80487SX bên trong bên trong

5.2 C ấu trúc cơ bản của hệ vi xử lý:

5.2.1 Cấu trúc của một vi xử lý co bản:

Một vi xử lý về cơ bản gồm có 3 khối chức năng: đơn vị thực thi (Execution), bộ điều khiển tuần tự (Sequencer) và bus giao tiếp

- Đơn vị thực thi: Xử lý các lệnh số học và logic Các toán hạng liên

quan có mặt ở các thanh ghi dữ liệu hoặc địa chỉ hoặc từ bus nội