Bài giảng vi xử lý chương 1 giới thiệu vi xử lý

Sơ đồ khối của hệ VXL P Microprocessor: Vi xử lý CPU Central Processing Unit: Đơn vị xử lý trung tâm Address bus: Bus địa chỉ Data bus: Bus dữ liệu Control bus: Bus điều khiển RAM Random

Đại Học Giao Thông Vận Tải Tp.HCM

Giảng viên: TS NGUYỄN HỮU CHÂN THÀNH

Chương 1: Giới thiệu Vi Xử Lý

Khoa Điện – Điện Tử Viễn Thông

Học phần: Vi Xử Lý

Chương 1 bao gồm 6 nội dung:

I Tổng quan về hệ thống VXL

1 Quá trình phát triển của máy vi tính

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 chip microcomputer).

2 Ứng dụng của VXL

Examples: Personal Computer (PC)

2 Ứng dụng của VXL

Examples: Refrigerator

2 Ứng dụng của VXL

Examples: Car Door

2 Ứng dụng của VXL

Examples: Derbot Autonomous Guided Vehicle

3 Sơ đồ khối của hệ VXL

3 Sơ đồ khối của hệ VXL

P (Microprocessor): Vi xử lý

CPU (Central Processing Unit): Đơn vị xử lý trung tâm

Address bus: Bus địa 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

Peripheral Devices: Thiết bị ngoại vi

3 Sơ đồ khối của hệ VXL

Một hệ vi xử lý gồm có các thành phần chính sau:

- 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

3 Sơ đồ khối của hệ VXL

- Khối giao tiếp nhập/xuất (Input/Output - I/O): tạo ra khả năng giao tiếp giữa hệ vi xử lý với các thiết bị ngoại vi như bàn phím, chuột … (thiết bị nhập), màn hình, máy in, loa … (thiết bị xuất), các ổ đĩa… (thiết bị 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 địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều

khiển.

Một hệ vi xử lý gồm có các thành phần chính sau:

3 Sơ đồ khối của hệ VXL

NOTE:

1 Mọi nguồn thông tin vào CPU, nếu không

là bộ nhớ thì là thiết bị đầu vào.

2 Mọi đích đến của thông tin từ CPU, nếu

không là bộ nhớ thì là thiết bị đầu ra.

Phối ghép (giao tiếp) vào/ra (I/O).

4 CPU đọc thông tin từ bộ nhớ và ghi thông tin vào

bộ nhớ.

5 Các thiết bị đầu vào đưa thông tin từ bên ngoài

vào hệ vi xử lý.

3 Sơ đồ khối của hệ VXL

NOTE:

6 Các thiết bị đầu ra đưa thông tin từ CPU đến các đối tượng bên ngoài.

7 Thông tin không chạy trực tiếp từ bộ nhớ

đến các phối ghép vào/ra (I/O) và ngược lại,

trước tiên thông tin phải đi qua CPU.

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 trong hệ thống VXL

1 BUS địa chỉ (Address Bus)

 Có chức năng chuyển tải các thông tin về địa

chỉ

 Khi đọc/ghi bộ nhớ hay thiết bị I/O, P sẽ đưa

ra các bit địa chỉ trên bus địa chỉ để chọn chính xác một ngăn nhớ (word) hay một thiết bị I/O

cụ thể nào đó sẽ được giao tiếp với nó.

1 BUS địa chỉ (Address Bus)

 Số lượng địa chỉ mà P có thể quản lý phụ thuộc vào

số bit (số đường dây) của bus địa chỉ (16, 20, 24, 32

1 BUS địa chỉ (Address Bus)

Đệm bus địa chỉ

Do tất cả các thiết bị ngoại vi và bộ nhớ đều được nối

với bus địa chỉ nên về mặt điện có thể vượt quá tính

chịu tải (fan-out) của vi xử lý Trong trường hợp các

mạch nối vào bus địa chỉ tiêu thụ dòng điện lớn hơn

khả năng chịu tải của vi xử lý thì hệ thống sẽ không

hoạt động hay hoạt động không ổn định Để giải

quyết vấn đề này ta sử dụng các bộ đệm trung gian

được gọi là bộ đệm địa chỉ.

1 BUS địa chỉ (Address Bus)

Ví dụ: Đệm địa

chỉ cho CPU có

bus địa chỉ

16-bit:

2 BUS dữ liệu

 Có chức năng chuyển tải các thông tin về

dữ liệu đến/đi từ P.

 Số lượng đường dây của bus này quyết

định số bit dữ liệu mà P có khả năng xử

lý cùng một lúc (8, 16, 32, 64 … bit).

2 BUS dữ liệu

 Bus dữ liệu là loại bus hai chiều.

 Tuy nhiên tại một thời điểm nhất định thì dữ liệu chỉ được truyền theo một

hướng duy nhất

2 BUS dữ liệu (Data Bus)

hoặc phối ghép vào/ra (I/O)

Bus dữ liệu

CP U

Bộ nhớ hoặc phối ghép vào/ra (I/O)

Bus dữ liệu

2 BUS dữ liệu (Data Bus)

Điều khiển hướng

3 BUS điều khiển (Control Bus)

( …), mỗi tín hiệu điều khiển có một

chiều nhất định Khi hoạt động, P 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.

3 BUS điều khiển (Control Bus)

 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

3 BUS điều khiển (Control Bus)

Cĩ 6 loại truyền thơng tiêu biểu mà bus điều khiển phải xác đinh bằng tín hiệu điện:

 Đọc từ bộ nhớ

 Ghi vào bộ nhớ

 Đọc từ phối ghép đầu vào (Input)

 Ghi vào phối ghép đầu ra (Output)

 Nhận biết yêu cầu ngắt (Interrupt acknowledge)

III VXL

MicroProcessor

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

MicroProcessor

Khối 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 địa 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 địa chỉ của lệnh kế tiếp sẽ được thực thi Nội dung của bộ đếm chương trình được đặt lên bus địa chỉ để tìm

và nhận lệnh mong muốn Như vậy, 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 dịch (diễn dịch) các lệnh được nhận vào

CPU

Có thể xem bộ giải mã lệnh như một từ điển lưu trữ nghĩa của mỗi lệnh

và các bước mà P cần thực hiện đối với mỗi lệnh được nhận vào

Giống như từ điển nếu có càng nhiều trang thì có thể định nghĩa được nhiều từ hơn, một P có thể hiểu càng nhiều lệnh hơn nếu có bộ giải

mã lệnh càng lớn

Khối 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.

MicroProcessor

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 P Các thanh ghi thường được dùng để lưu trữ các thông tin tạm thời Mỗi thanh ghi có một địa chỉ để truy xuất tới nó

Các thanh ghi được nối với nhau hoặc đến các phần tử khác của P 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 P

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)

Thông tin có thể là giá trị cần được xử lý hay địa chỉ chứa giá trị cần được xử lý nhận từ bộ nhớ (hay I/O) 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 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.

MicroProcessor

- 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 địa chỉ.

Tìm nạp lệnh từ bộ nhớ

MicroProcessor

Việc tìm nạp lệnh từ bộ nhớ là một trong các thao tác cơ bản nhất

mà P thực hiện, gồm các bước như sau:

-Nội dung của PC được đặt lên bus địa 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 bị tìm nạp lệnh kế từ bộ nhớ

IV Bộ nhớ

Các đơn vị đo lường bộ nhớ

Bội số:

Kilo = 10^3Mega = 10^6Giga = 10^9Tera = 10^12Peta = 10^15exa = 10^18Zetta = 10^21Yotta = 10^24

Đơn vị:

Bit: đơn vị nhỏ nhấtNipple = 4 bit

Byte = 8 bitWord = 16 bitLong word = 32 bit

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, đĩa mềm, đĩa cứng…

Thông thường bộ nhớ lưu trữ được xem như là thiết bị I/O

1 Phân loại

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 bị mất đi khi mất nguồn cung cấp.

-ROM được ghi bằng thiết bị chuyên dụng.

- ROM thường được dùng để chứa các chương trình và dữ liệu cố định

(chương trình khởi động, dữ liệu tra bảng …)

1 Phân loại

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

1 Phân loại

Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên – RAM (Random Access

Memory)

- 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 rĩ hết) nếu không có biện pháp duy trì thích hợp Do đó

cần có quá trình làm tươi (refresh) định kì để phục hồi nội

1 Phân loại

Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên – RAM (Random

Access Memory)

- Có hai loại RAM chính:

+ RAM tĩnh – 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

- 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 địa 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

Data Output: Dữ liệu ra

Data Input: Dữ liệu vào

Address: Địa chỉ

Write: Ghi

2 Cấu trúc bên trong tiêu biểu

Các tín hiệu tiêu biểu trên một chip nhớ:

+ (Chip Select): tín hiệu chọn chip (cho phép chip).

+ (Output Enable): tín hiệu cho phép xuất dữ liệu (nhận

3 Truy xuất bộ nhớ

Các quy ước

trên giản đồ

thời gian:

3 Truy xuất bộ nhớ

Truy xuất ROM

Giới thiệu EPROM 2764: Đây là IC

nhớ 28 chân 8K (8192 x 8) với 13

đường địa 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

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 11D1 12D2 13D3 15D4 16D5 17D6 18D7 19

3 CPU đợi 1 khoảng thời gian ngắn gọi là thời gian truy cập để vi

mạch nhớ giải mã địa chỉ và xuất dữ liệu ra đường dữ liệu CPU xuất xung nhịp nạp dữ liệu vào thanh ghi bên trong

4 Tín hiệu chọn chip được đặt ở mức khơng tích cực và xĩa dữ liệu từ ROM vào CPU

A0 – A12 Đường địa chỉ D0 – D7 Đường dữ liệu /CE Chọn chip /OE Cho phép xuất /PGM Lập trình

3 Truy xuất bộ nhớ

Truy xuất RAM

Giới thiệu SRAM 6264: Đây là IC

nhớ cho phép đọc ghi tùy ý, 28

chân 8K (8192 x 8) với 13 đường

địa chỉ và 8 đường dữ liệu.

Quy trình đọc RAM:

tương tự như đọc dữ liệu từ ROM.

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

CS 26

WE 27

OE 22

D0 11D1 12D2 13D3 15D4 16D5 17D6 18D7 19

6264

A0 – A12 Đường địa chỉ D0 – D7 Đường dữ liệu /CE Chọn chip /OE Cho phép xuất /WE Cho phép ghi

3 Truy xuất bộ nhớ

Quy trình ghi RAM:

1 Các đường địa chỉ được kết nối với RAM xác định ngăn nhớ nào trong RAM

sẽ được kết nối.

2 Dữ liệu cần ghi vào RAM được xuất đến các đường dữ liệu vào của RAM.

3 Hệ thống phải đợi một khoảng thời gian nhỏ Trong khoảng thời gian này RAM sẽ giải mã địa chỉ và chọn ngăn nhớ mang địa chỉ nhận được Khoảng thời gian này gọi là thời gian ghi vào RAM.

4 Đường dẫn R/W sẽ được đặt ở mức logic tương ứng với thao tác ghi vào

RAM Tín hiệu này cho phép dữ liệu được ghi vào RAM

5 Chú ý rằng ở đây ta nói về các đường dẫn dữ liệu ra từ RAM và các đường dẫn dữ liệu vào RAM Trong thực tế vì rằng trong một khoảng khắc nhất định thì ta chỉ thực hiện một thao tác là đọc hoặc ghi, nên cả hai loại đường dẫn trên được thực hiện bằng một đường dẫn hai chiều chung.

3 Truy xuất bộ nhớ

Quy trình ghi RAM:

Địa chỉ từ CPU đến RAM

Read/Write

Bus dữ liệu

Dữ liệu xuất ra RAM ổn định

4 Giải mã địa chỉ cho bộ nhớ

Trong một hệ thống vi xử lý, bộ nhớ có thể được tạo thành

từ nhiều chip nhớ Các chip này đều dùng chung bus dữ liệu

để trao đổi với P Do đó để tránh xung đột trên bus, cần

phải giải mã địa chỉ để tại mỗi thời điểm chỉ cho phép một chip có thể kết nối với bus dữ liệu để trao đổi với P.

4 Giải mã địa chỉ cho bộ nhớ

Kết nối mạch giải mã địa chỉ tổng quát:

4 Giải mã địa chỉ cho bộ nhớ

Quan hệ giữa giải mã địa chỉ và bảng bộ nhớ:

4 Giải mã địa chỉ cho bộ nhớ

Ví dụ: P có 16 đường địa chỉ (A15 A0) có thể quản lý 216 = 26.210

Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 G1

+5V A15

V Nhập xuất

1 Phân loại

- Theo chiều trao đổi dữ liệu:

+ Thiết bị xuất + Thiết bị nhập + Thiết bị nhập/xuất

- Theo dạng truyền dữ liệu:

+ Nối tiếp: đồng bộ và bất đồng bộ (thêm bit start, stop).

2 Cấu trúc tiêu biểu của port I/O

-Các port nhập (I) và xuất (O) giao tiếp P với các thiết bị ngoài

không thể nối trực tiếp đến các bus

-Về cơ bản, một port xuất chỉ là một thanh ghi Khi P ghi ra địa chỉ

được gán cho port, port sẽ chứa dữ liệu có từ bus dữ liệu Như vậy nó cung cấp ngõ ra có chốt cho các thiết bị ngoài

- Một port nhập thông thường là một bộ đệm 3 trạng thái Khi P đọc vào từ địa chỉ được gán cho port, bộ đệm 3 trạng thái sẽ đưa dữ liệu từ các ngõ nhập ngoài vào bus dữ liệu rồi P đọc dữ liệu từ bus

2 Cấu trúc tiêu biểu của port I/O

PORT xuất:

2 Cấu trúc tiêu biểu của port I/O

PORT nhập:

3 Giải mã địa chỉ cho I/O

a I/O trực tiếp (Định địa chỉ

I/O theo kiểu trực tiếp)

- Các địa chỉ thiết bị I/O tách

khỏi các địa chỉ bộ nhớ.

- P cung cấp hai đường điều

khiển đọc và ghi riêng cho

I/O: và

tương tự như giải mã địa chỉ

cho bộ nhớ.

3 Giải mã địa chỉ cho I/O

Ví dụ: Giải mã địa chỉ cho I/O

3 Giải mã địa chỉ cho I/O

Khi P cần trao đổi dữ liệu với một thiết bị I/O nào đó, nó phát tín hiệu địa chỉ của thiết bị lên bus địa chỉ Một số

trong các tín hiệu địa chỉ này được đặt vào mạch giải mã chọn thiết bị Mạch giải mã này sẽ kích hoạt chỉ một tín

hiệu chọn chip tương ứng với thiết bị được chọn, do đó

chỉ có bộ đệm dữ liệu của thiết bị này được nối với bus dữ liệu để trao đổi với P Trong quá trình này, tín hiệu điều khiển đọc hay ghi cũng được phát trên bus điều khiển để