Vi Xử Lý và Cấu Trúc Máy Tính chương 01 pot

Lịch sử phát triển của MT Khoảng 500 năm trước Công nguyên người Babylon đã Khoảng 500 năm trước Công nguyên, người Babylon đã chế tạo được máy tính đầu tiên có tên là Abacus Nă 1643

Trang 1

Ệ Ử Ề Ô

ĐH CNKT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG K5

Giảng viên: Kiều Xuân Thực Khoa Điện tử

Đại học công nghiệp Hà Nội

THÔNG TIN CHUNG MÔN HỌC

Giảng viên:

Họ tên: KIỀU XUÂN THỰC

Email: thuckx@yahoo.com ; VP: Tầng 12-A1

Mục tiêu môn học:

Biểu diễn thông tin trong máy tính

Cấu trúc & hoạt động của máy tính dựa trên vi xử lý

Bộ vi xử lý 8086: cấu trúc và nguyên lý hoạt động ý g y ý g

Lập trình hợp ngữ (assembly) cho vi xử lý họ 80x86

Bộ nhớ & ghép nối bộ nhớ với vi xử lý

Và / dữ liệ

Vào/ra dữ liệu

Ngắt và xử lý ngắt của 8086

¾ Phân tích/Thiết kế được các hệ thống đo

THÔNG TIN MÔN HỌC

Giáo trình và tài liệu tham khảo:

1 Ngô Diên Tập (Chủ biên), “Giáo trình Vi xử lý và cấu trúc g ( ) ý MT”, NXB Giáo dục, 2007.

2 Barry B Brey “The Intel microprocessor 8086/8088 80186

2 Barry B Brey, The Intel microprocessor 8086/8088, 80186

/80188, 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium Pro – Architecture, Programming and Interfacing”, Practice Hall,

4thedition 1997

4thedition, 1997.

3 M.M Mano, C R Kime, “Logic and computer design g p g fundamentals”, Practice Hall, 2004.

HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Faculty of Electronic Engineering 3

Phần mềm cần thiết:

8086 emulator

Proteus

Đánh giá:

Đánh giá quá trình (kiểm tra, thí nghiệm, chuyên cần, thi giữa kỳ): hệ số 1

Thi kết thúc HP (project + vấn đáp): hệ số 2

Trang 2

YÊU CẦU ĐỐI VỚI SINH VIÊN

1 Đọc kỹ bài trong giáo trình trước khi đến

lớp

2 Làm các bài tập cuối mỗi chương và đọc

tài liệu tham khảo theo yêu cầu

3 Hiểu bài tại lớp

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Q

Nội dung:

1 Lịch sử phát triển của máy tính

2 Thông tin & biểu diễn thông tin trong MT

3 Kiến trúc MT điển hình

4 Các thiết bị ngoại vi thông dụng

HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Faculty of Electronic Engineering

1 Lịch sử phát triển của MT

Khoảng 500 năm trước Công nguyên người Babylon đã

Khoảng 500 năm trước Công nguyên, người Babylon đã chế tạo được máy tính đầu tiên có tên là Abacus

Nă 1643 Bl i P l hế t MT t bởi á bá h

Năm 1643, Blaise Pascal chế tạo MT tạo bởi các bánh răng, trong đó số răng của bánh nọ gấp 10 lần số răng của bánh kia, nguyên lý này sau được sử dụng để chế tạo các đồng hồ đo quãng đường của motor đồng hồ đo điện/nước…

Trang 3

Thế hệ máy tính cơ điện - điện tử:

Năm 1889 Herman Holerith phát minh ra card đục lỗ dùng để lưu trữ

Năm 1889, Herman Holerith phát minh ra card đục lỗ dùng để lưu trữ

dữ liệu, sau đó ông chế tạo MT cơ khí được điều khiển bởi một motor

điện, nó có thể thực hiện được các phép đếm, sắp xếp và so sánh

thông tin lưu trong card đục lỗ

Năm 1942, Konrad Zure chế tạo ra máy tính điện tử Z3 dùng cho không

quân Đức

Năm 1943, Alan Turing phát minh ra hệ thống MT điện tử có tên là

C ll đ thiết kế từ á đè điệ tử hâ khô đâ là ột á

Collossus được thiết kế từ các đèn điện tử chân không, đây là một máy

tính chuyên dụng thực hiện theo một chương trình cố định để giải mã

các bí mật quân sự của Đức quốc xã

Máy tính điện tử đa dụng đầu tiên – hệ MT lập trình đượcMáy tính điện tử đa dụng đầu tiên hệ MT lập trình được được phát− được phát

triển bởi Đại học Pennsylvania có tên là ENIAC (Electronics Numerical

Integrator And Calculator) Đây là một MT lớn chứa hơn 17000 đèn

điện tử, nặng 30 tấn và có thể thực hiện được 100.000 thao tác /s

ENIAC đ lậ t ì h bằ á h ối l i h điệ bởi á ô hâ

ENIAC được lập trình bằng cách nối lại mạch điện bởi các công nhân

9

Năm 1948, transistor được phát minh, đến năm 1958, Jack

Kilb hát i h h tổ hợ ơ ở để hát t iể á IC

Kilby phát minh ra mạch tổ hợp – cơ sở để phát triển các IC

số

Năm 1971, Marcian T.Hoff một kỹ sư của Intel đã thiết kế ra

bộ VXL 4004 – mở đầu cho thời kỳ sử dụng VXL trong máy

tính 4004 là bộ VXL 4 bit, bên trong nó gồm 2300 transistor,

có thể quản lý được bộ nhớ có 4096 (4K) ô nhớ 4 bit, tập lệnh

của 4004 gồm 45 lệnh khác nhau, nó được chế tạo theo công

hệ MOS FET kê h P ó tố độ ử lý là 50KIPS (Kil

nghệ MOS-FET kênh P có tốc độ xử lý là 50KIPS (Kilo

Instruction Per Second – nghìn lệnh/giây) 4004 được dùng để

thiết kế các hệ thống video game, MT bỏ túi, hệ thống điều

khiển nhỏ dùng VXL ể ỏ dù g

Trên cơ sở 4004, hãng Intel sản xuất bộ VXL 4040, đây cũng

là bộ VXL 4 bit nhưng có tốc độ cao hơn 4004

Sau năm 1971, Intel sản xuất bộ VXL 8 bit tên là 8008: quản lý được 16KB bộ nhớ, tập lệnh gồm 48 lệnh

ầ

Năm 1973, hãng Intel giới thiệu bộ VXL 8 bit hiện đại đầu tiên có tên là

8080, tốc độ xử lý là 500KIPS, quản lý được 64KB bộ nhớ Năm 1977, Intel phát triển bộ vi xử lý 8085 (tương thích với Z80 của hãng Zilog) là

bộ VXL 8 bit đa dụng nhanh hơn 8080

Năm 1978, Intel giới thiệu bộ VXL16 bit tên là 8086 có tốc độ xử lý là 2,5MIPS (Millions Instruction Per Second – triệu lệnh/giây) và có thể quản lý được 1MB bộ nhớ Bộ vi xử lý 80286 cũng là bộ VXL16 bit

ể nhưng nó có thể quản lý được tới 16MB bộ nhớ

Năm 1986, Intel giới thiệu VXL 32 bit có tên là 80386 có thể quản lý được 4GB bộ nhớ Năm 1989, Intel giới thiệu bộ VXL 80486 có thể thực hiện được 50MIPS Năm 1993 Intel giới thiệu 80586 (còn gọi là thực hiện được 50MIPS Năm 1993, Intel giới thiệu 80586 (còn gọi là Pentium) có thể thực hiện được 110MIPS và có thể thực hiện được đồng thời một lúc hai lệnh (hai lệnh độc lập nhau) vì bên trong có tới hai

bộ xử lý số nguyên (công nghệ superscalar)

Năm 2003, Intel đã xuất xưởng VXL Pentium IV có tốc độ 3,06MHz với kiến trúc đa luồng (HT − hyper threading − đa luồng – 01 VXL vật lý

t ơng đ ơng nh 02 VXL logic) để nâng cao hiệ s ất sử d ng các tương đương như 02 VXL logic) để nâng cao hiệu suất sử dụng các khối chức năng bên trong VXL

Việc tăng tần số làm việc của các VXL để tăng tốc độ làm việc của máy tính cũng đã đến mức tới hạn nên các hãng sản xuất đã chuyển từ tính cũng đã đến mức tới hạn nên các hãng sản xuất đã chuyển từ hướng tăng tần số làm việc sang thiết kế các bộ VXL nhiều lõi/ nhân, mỗi bộ VXL lúc này thực chất là nhiều bộ VXL (multi core – nhiều lõi) đóng vỏ chung trong một vi mạch

Đầu năm 2006, Intel đã xuất xưởng bộ VXL 64 bit hai nhân, gọi tắt là duo (viết tắt của dual core – hai lõi)

Các bộ vi xử lý bốn nhân (quad core) được SX: core i5, i7

Trang 4

2 Thông tin & biểu diễn thông tin trong MT

CÁC HỆ ĐẾM:

Hệ thập phân: dùng các số trong phạm vi từ 0

đến 9 để biểu diễn các giá trị.

Vd: 5934 = 5.103+ 9.102 + 3.101+ 4.100

Hệ nhị phân: chỉ sử dụng 2 số là 0 và 1 để biểu

diễn các giá trị số.

Vd: 101011 = 1 25+ 0 24+ 1 23+ 0 22+ 1 21+ 1 20 = 43 trong

Vd: 101011 1.2 + 0.2 + 1.2 + 0.2 + 1.2 + 1.2 43 trong

hệ thập phân

Hệ thập lục phân: hệ đếm cơ số 16 sử dụng các

số từ 0 đến 9 và các chữ cái từ A đến F để biểu

diễn các số

Bảng 1.2 Tương quan giữa hệ thập phân và hệ thập lục phân

Hệ thập phân Hệ thập lục phân Hệ thập phân Hệ thập lục phân

Vd: FA9h = 15.162+ 10.161+ 9.160 = 409 trong hệ thập phân

CHUYỂN ĐỔI HỆ ĐẾM

Hệ 2 sang hệ 10 (bnbn 1 b1b0)B = bn × 2n + bn 1 × 2n-1 + + b1 × 21+ b0 × 20

(bnbn-1….b1b0)B bn × 2 + bn-1 × 2 + … + b1 × 2 + b0 × 2

Hệ 10 sang hệ 2

Số nguyên: Lấy số cần chuyển chia cho 2 và ghi nhớ phần

dư, tiếp theo lấy thương của phép chia trước đó chia cho 2 và ghi nhớ phần dư cứ tiếp tục cho đến khi thương bằng 0 Kết quả của phép chuyển đổi chính là dãy các số dư lấy theo thứ tự đả

đảo ngược

Số thực:

• Phần nguyên: như chuyển số nguyêng y y g y

• Phần thập phân: nhân 2, ghi nhớ phần nguyên, tiếp theo lấy phần thập phân nhân 2 và ghi nhớ phần nguyên… Kết quả của phép chuyển đổi chính là dãy các số phần nguyên của

các phép nhân

15

Trang 5

Hệ 16 sang hệ 10: như 2 sang 10

Hệ 10 hệ 16 hư 10 2

Hệ 10 sang hệ 16: như 10 sang 2

Hệ 2 hệ 16 hó 4 bi ừ ái

Hệ 2 sang hệ 16: nhóm 4 bit từ trái qua

phải, đổi từng nhóm một sang hệ 16.

Hệ 16 hệ 2 tá h ỗi ố từ t ái

Hệ 16 sang hệ 2: tách mỗi số từ trái qua

phải để đổi thành từng nhóm 4 bit

Các phép toán số học với số hệ nhị phân

0 + 0 0 0 + 1 1

1 + 0 = 1 1 + 1 = 0 nhớ 1

Phé ừ

0 × 0 = 0 0 × 1 = 0

1 × 0 = 0 1 × 1 = 1

CÁC MÃ THÔNG DỤNG

Mã BCD: để mã hoá các chữ số từ 0 đến 9 trong vi xử

lý, PLC,… ý, ,

Mã ASCII: American Standard Code for Internationnal

Interchange

Bảng mã ASCII tiêu chuẩn sử dụng 7 bit để mã hoá các ký tự

Bảng mã ASCII tiêu chuẩn sử dụng 7 bit để mã hoá các ký tự thông dụng, như vậy bảng này sẽ có 128 ký tự ứng với mã từ 0 đến 127

Bảng mã ASCII mở rộng bổ sung thêm 128 ký tự đặc biệt với mãg ộ g g ý ự ặ ệ

từ 128 đến 255

VD: mã ASCII của ‘A’ là 65 (01000001), của ‘a’ là 97 (01100001)

Mã Unicode: Hiệp hội Unicode ệp ộ xuất bản phiên bản đầu p tiên của chuẩn Unicode năm 1991 , và vẫn liên tục hoàn thiện chuẩn (hiện nay đã đến phiên bản 4.0)

3 Kiến trúc MT điển hình

Trang 6

Bộ vi xử lý

Bộ VXL (microprocessor) hay còn được gọi là CPU

(Central Processing Unit − đơn vị xử lý trung tâm) là

một vi mạch số với mức độ tích hợp cực lớn (VLSI)

bên trong nó bao gồm nhiều khối chức năng khác

nhau như đơn vị số nguyên để thao tác tính toán với ị g y

các số nguyên, đơn vị xử lý dấu phảy động để thực

hiện các phép tính với số thực…

Khi hoạt động VXL đọc mã lệnh (mã lệnh được ghi

Khi hoạt động, VXL đọc mã lệnh (mã lệnh được ghi

dưới dạng chuỗi các bit 0, 1) từ bộ nhớ, đưa vào trong

VXL để giải mã thành các vi lệnh - là những xung điều

khiển để điều khiển hoạt động của các đơn vị chức

năng bên trong VXL

Các thông số quan trọng của một bộ vi xử lý:

Tần số làm việc: là tần số xung nhịp (clock) cung cấp cho VXL, tần số này quyết định đến tốc độ làm việc của VXL.

Độ ộng b s dữ liệ m là số đường dâ dùng để

Độ rộng bus dữ liệu m: là số đường dây dùng để truyền dữ liệu ký hiệu từ D0 đến Dm-1 Các giá trị của m: 4, 8, 16, 32 và 64.

Độ rộng bus địa chỉ n: quyết định đến dung lượng

bộ nhớ cực đại mà vi xử lý có thể quản lý được

Một bộ VXL có n đường địa chỉ từ A0 đến An-1 có

thể quản lý được 2n ô nhớ (mỗi ô nhớ thường là một byte) Các giá trị của n: 16, 20 và 32.

Bộ nhớ

Bộ nhớ (bộ nhớ trong, bộ nhớ chính) tạo từ các vi mạch nhớ ROM và RAM là nơi chứa các chương trình ạ g cần thực thi

ROM (Read Only Memory – bộ nhớ chỉ đọc), nội dung bên trong của ROM không bị mất khi mất nguồn nuôi ROM dùng để chứa các chương trình điều khiển hệ thống: chương trình khởi động máy, các chương trình điều khiển trao đổi tin như bàn phím màn hình

điều khiển trao đổi tin như bàn phím, màn hình,…

RAM (Random Access Memory – bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên) là bộ nhớ có thể ghi/đọc được, nội dung thông

ti hi t bộ hớ RAM ẽ bị ất khi ất ồ

tin ghi trong bộ nhớ RAM sẽ bị mất khi mất nguồn cung cấp

RAM được dùng để lưu trữ mã lệnh, toán hạng và kết

Trang 7

Mạch ghép nối vào/ra

Mạch ghép nối vào/ra: tạo ra khả năng giao tiếp giữa

hệ VXLvới thế giới bên ngoài Các thiết bị vào/ra (hay

còn gọi là thiết bị ngoại vi) bao gồm các thiết bị vào

(bàn phím, chuột, máy quét…), thiết bị ra (màn hình,

máy in, máy vẽ…), các thiết bị lưu trữ (còn gọi là bộ y y ) ( g

nhớ ngoài) dùng để lưu thông tin với khối lượng lớn

như ổ đĩa cứng, ổ đĩa CD, ổ đĩa DVD…

Mạch ghép nối vào/ra có thể là một vi mạch cỡ nhỏ

như 8255 để ghép nối song song, 8251 để ghép nối nối

tiếp…

Trong máy tính hiện nay mạch ghép nối vào/ra là

những VLSI gọi là chipset, VD: chipset 848P cho phép

ghép nối giữa VXL với cổng đồ hoạ tốc độ cao AGP 8x,

ới ổ đĩ ứ kiể SATA ới hệ thố â th h 5 1

với ổ đĩa cứng kiểu SATA, với hệ thống âm thanh 5.1,

với các thiết bị vào/ra qua cổng USB 2.0…

25

Bus hệ thống

Bus hệ thống: tập hợp các đường dây dùng để liên lạc

giữa các khối chức năng trong hệ thống

Dựa vào chức năng của các đường dây người ta chia

chúng làm 3 nhóm:

Bus dữ liệu: các đường dây mang số liệu mà VXL đang

trao đổi với bộ nhớ hoặc thiết bị vào/ra

Bus địa chỉ mang thông tin về địa chỉ của ô nhớ hay một

thiết bị vào/ra mà VXL đang trao đổi tin Thông tin về

địa chỉ là do VXL phát ra để chọn ra một ô nhớ hoặc một

thiết bị vào/ra mà nó cần trao đổi tin

Bus điều khiển: các đường dây mang các tín hiệu điều khiển

hoạt động hoặc phản ánh trạng thái của các khối như /RD (read

- đọc bộ nhớ hoặc thiết bị vào), /WR (write - ghi dữ liệu vào bộ

nhớ hoặc xuất dữ liệu ra thiết bị ra), INT (interrupt – ngắt VXL

nhớ hoặc xuất dữ liệu ra thiết bị ra), INT (interrupt ngắt VXL

4 Các thiết bị ngoại vi thông dụng

BÀN PHÍM

CHUỘT

MÀN HÌNH

MÁY IN

Trang 8

Trả lời các câu hỏi & làm các BT cuối

chương 1 của Giáo trình

chương 1 của Giáo trình.

Đọc Chapter 10 từ 10 1 đến 10 7 Tài

Đọc Chapter 10, từ 10.1 đến 10.7 – Tài

liệu tham khảo số 3.

Đọc trước Chương 2 của Giáo trình.

Định dạng
Số trang	8
Dung lượng	1 MB