Chương 2 - Máy tính trong hệ thống vi xử lý ppsx

Để nắm bắt được tính liên tục vμ tính kế thừa của sự phát triển nμy, trước khi giới thiệu về các bộ vi xử lý ta để ra một chút thời gian để giới thiệu sơ qua về các loại máy tính nói chu

Chương 2

Bộ vi xử lý có mặt trong các máy vi tính lμ sự phát triển tiếp theo của bộ xử lý trung tâm được dùng như lμ một bộ phận chủ chốt trong các máy tính của các thế hệ trước Để nắm bắt được tính liên tục vμ tính kế thừa của sự phát triển nμy, trước khi giới thiệu về các bộ vi xử lý ta để ra một chút thời gian để giới thiệu sơ qua về các loại máy tính nói chung

1 Từ máy tính lớn đến máy vi tính

Như ta đã biết về kiến trúc của máy tính nói chung, một máy tính (computer) thông thường bao gồm các khối chức năng cơ bản như: khối xử lý trung tâm (CPU, central processing unit), bộ nhớ (M, memory) vμ khối phối ghép với thiết bị ngoại vi (I/O, input/output) Tuỳ theo quy mô phức tạp của các khối chức năng kể trên mμ người ta phân các máy tính điện tử đã vμ đang được sử dụng ra thμnh các loại sau:

1.1 Máy tính lớn

Máy tính lớn (mainframe) lμ loại máy tính được thiết kế để giải các bμi toán

lớn với tốc độ rất nhanh Nó thường lμm việc với số liệu với độ dμi từ 64 bit hoặc hơn nữa vμ được trang bị bộ nhớ rất lớn Chính vì vậy máy tính lớn cũng lớn về kích thước

sự hoặc các hệ thống máy móc của chương trình nghiên cứu vũ trụ, để xử lý các thông tin trong ngμnh ngân hμng, ngμnh khí tượng, các công ty bảo hiểm Tiêu biểu cho loại máy tính nμy lμ máy IBM 4381, Honeywell DSP8 Loại máy mạnh nhất trong số

các máy lớn được gọi lμ supercomputer (như loại máy Y-MP/832 của Cray)

1.2 Máy tính con

Máy tính con (minicomputer) lμ một dạng thu nhỏ về kích thước cũng như về

tính năng của máy tính lớn Nó ra đời nhằm thoả mãn các nhu cầu sử dụng máy tính cho các ứng dụng vừa phải mμ nếu dùng máy to vμo đó thì sẽ gây ra lãng phí Do vậy máy tính con thường lμm việc với các dữ liệu có độ dμi từ lμ 32 bit với tốc độ chậm hơn

vμ khả năng của bộ nhớ hạn chế hơn Máy tính con thường dùng cho các tính toán khoa học kỹ thuật, gia công dữ liệu qui mô nhỏ hay để điều khiển quá trình công nghệ Tiêu biểu cho nhóm nμy lμ các máy VAX 6360 của Digital Equipment Corporation vμ MV/8000II của Data General

1.3 Máy vi tính

Máy vi tính (microcomputer) lμ loại máy tính rất thông dụng hiện nay Một

máy vi tính có thể lμ một bộ vi điều khiển (microcontroller), một máy vi tính trong một vỏ vi mạch (one-chip microcomputer) hoặc một hệ vi xử lý có khả năng lμm việc với số liệu có độ dμi 1 bit, 4 bit, 8 bit, 16 bit Hiện nay một số máy vi tính có thể có tính năng so sánh được với máy tính con, lμm việc với số liệu có độ dμi từ lμ 32 bit (thậm chí lμ 64 bit) Ranh giới phân chia giữa máy vi tính vμ máy tính con chính vì thế ngμy cμng không rõ nét Một đặc điểm tiêu biểu dễ nhận biết của các loại máy vi tính lμ chúng đều sử dụng các bộ xử lý trung tâm (CPU) được chế tạo bằng công nghệ mạch vi điện tử với mức độ tổ hợp lớn, mạch VLSI (very large scale of integration) mμ

người ta quen gọi lμ các bộ vi xử lý (microprocessor, μP)

Các bộ vi xử lý hiện có trên thị trường thường được xếp theo các họ phụ thuộc vμo các nhμ sản xuất vμ chúng rất đa dạng về chủng loại Nổi bật nhất trong các họ vi

xử lý đó lμ 2 họ của 2 nhμ sản xuất hμng đầu rất nổi tiếng trong lĩnh vực nμy, đó lμ họ

vi xử lý 80x86 của Intel vμ họ vi xử lý 680xx của Motorola

Trong các chương sau chúng ta sẽ quan tâm chủ yếu đến các bộ vi xử lý, các mạch phụ trợ vμ các hệ thống xây dựng trên cơ sở linh kiện của Intel, tuy thế sau đây

ta cũng sẽ giới thiệu lướt qua về lịch sử phát triển vμ các đặc điểm chung nhất của các thế hệ vi xử lý từ trước đến nay Cuối cùng ta sẽ đưa ra các bảng tổng kết, trong

đó nêu ra các thông số chính của các bộ vi xử lý thế hệ gần đây nhất của 2 nhμ cung cấp nổi tiếng lμ Intel vμ Motorola

2 Sự phát triển của các bộ vi xử lý

2.1 Thế hệ 1 (1971 - 1973)

Năm 1971, trong khi phát triển các vi mạch dùng cho máy tính cầm tay, Intel

đã cho ra đời bộ vi xử lý đầu tiên lμ 4004 (4 bit số liệu, 12 bit địa chỉ) Sau đó Intel vμ các nhμ sản xuất khác cũng lần lượt cho ra đời các bộ vi xử lý khác: 4040 (4 bit) vμ

8008 (8 bit) của Intel, PPS-4 (4 bit) của Rockwell International, IPM-16 (16 bit) của National Semiconductor

Đặc điểm chung của các vi xử lý thế hệ nμy lμ:

• Độ dμi từ thường lμ 4 bit (cũng có thể dμi hơn),

• Công nghệ chế tạo PMOS với đặc điểm mật độ phần tử nhỏ, tốc độ thấp, giá

rẻ vμ chỉ có khả năng đưa ra dòng tải nhỏ,

• Tốc độ thực hiện lệnh: 10- 60 μs/lệnh với tần số đồng hồ fclk = 0,1 - 0,8 MHz,

• Tập lệnh đơn giản vμ phải cần nhiều vi mạch phụ trợ mới tạo nên một hệ vi

xử lý hoμn chỉnh

2.2 Thế hệ 2 (1974 - 1977)

Các bộ vi xử lý đại diện trong thế hệ nμy lμ các vi xử lý 8 bit 6502 của MOS Technology, 6800 vμ 6809 của Motorola, 8080 vμ 8085 của Intel vμ đặc biệt lμ bộ vi xử

lý Z80 của Zilog Các bộ vi xử lý nμy có tập lệnh phong phú hơn vμ thường có khả năng phân biệt địa chỉ bộ nhớ với dung lượng đến 64KB Có một số bộ vi xử lý còn có khả năng phân biệt được 256 địa chỉ cho các thiết bị ngoại vi (họ Intel vμ Zilog) Chúng đã được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp vμ nhất lμ để tạo ra các máy tính 8 bit nổi tiếng một thời như Apple II vμ Commodore 64 Tất cả các bộ vi xử lý thời kỳ nμy đều được sản xuất bằng công nghệ NMOS (với mật độ phần tử trên một

đơn vị diện tích cao hơn so với công nghệ PMOS) hoặc CMOS (tiết kiệm điện năng tiêu thụ) cho phép đạt được tốc độ từ 1-8 μs/lệnh với tần số đồng hồ fclk = 1-5 MHz

2.3 Thế hệ 3 (1978 - 1982)

Các bộ vi xử lý trong thế hệ nμy có đại diện lμ các bộ vi xử lý 16 bit 8086/80186/80286 của Intel hoặc 68000/68010 của Motorola Một điều tiến bộ hơn hẳn so với các bộ vi xử lý 8 bit thế hệ trước lμ các bộ vi xử lý 16 bit có tập lệnh đa dạng với các lệnh nhân, lệnh chia vμ các lệnh thao tác với chuỗi ký tự Khả năng phân biệt địa chỉ cho bộ nhớ hoặc cho thiết bị ngoại vi của các vi xử lý thế hệ nμy cũng lớn hơn (từ 1 MB đến 16 MB cho bộ nhớ vμ tới 64 K địa chỉ cho thiết bị ngoại vi

đối với họ Intel) Đây lμ các bộ vi xử lý được dùng trong các máy IBM PC, PC/XT,

đều được sản xuất bằng công nghệ HMOS vμ cho phép đạt được tốc độ từ 0,1-1 μs/lệnh với tần số đồng hồ fclk = 5-10 MHz

Trong thời kỳ nμy cũng xuất hiện các máy vi tính 8 bit trong một vỏ như 8048/49 vμ 6805R2 (mạch nμy còn có thêm cả ADC 12 bit cho 4 kênh đầu vμo tương tự) hoặc các bộ vi điều khiển 1 bit trong 1 vỏ như MC 14500B vμ 4 bit trong 1 vỏ như

MC 141000

2.4 Thế hệ 4 (1983 - ?)

Các bộ vi xử lý đại diện trong thế hệ nμy lμ các vi xử lý 32 bit 80386/80486 vμ

64 bit Pentium của Intel, các vi xử lý 32 bit 68020/68030/68040/68060 của Motorola

Đặc điểm của các bộ vi xử lý thế hệ nμy lμ bus địa chỉ đều lμ 32 bit (phân biệt 4 GB bộ

nhớ) vμ có khả năng lμm 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 vμo các bộ vi xử lý: cơ chế xử lý

xen kẽ liên tục dòng mã lệnh (pipeline), bộ nhớ cache (bộ nhớ ẩn), bộ nhớ ảo Các bộ vi

xử lý nμy đều có bộ quản lý bộ nhớ (MMU) vμ nhiều khi cả các bộ đồng xử lý toán học

ở bên trong Chính nhờ các cải tiến đó mμ các bộ vi xử lý thế hệ nμy có khả năng cạnh tranh được với các máy tính nhỏ trong rất nhiều lĩnh vực ứng dụng Phần lớn các bộ

vi xử lý thế hệ nμy đều được sản xuất bằng công nghệ HCMOS

Một số thông số chính của các bộ vi xử lý của Intel vμ Motorola được cho trong bảng 2.1 vμ 2.2

Bảng 2.1.a Các bộ vi xử lý 16 bit của Intel

8086 8088 80286

Có bộ quản lý bộ nhớ ở bên

trong

không không có

B¶ng 2.1.b C¸c bé vi xö lý 32 bit cña Intel

386DX 386SX 486DX 486SX 486DX2 Pentium

82385 ®.khiÓn

Bªn ngoμi, do

82385 ®.khiÓn

I/Dcache 8KB

I/Dcache 8KB

I/Dcache 8KB

Icache 8KB Dcache 8KB

Cã bé qu¶n lý vμ b¶o vÖ

bé nhí ë bªn trong

Ghi chó I/DCache: bé nhí cache (Èn) chung cho lÖnh vμ d÷ liÖu

ICache: bé nhí cache cho lÖnh DCache: bé nhí cache cho d÷ liÖu

B¶ng 2.2 C¸c bé vi xö lý 16/32 bit cña Motorola

68000 68010 68020 68030 68040 68060

Dcache 256B

Icache 4KB Dcache4KB

Icache 8KB Dcache 8KB

Cã bé qu¶n lý bé nhë

(MMU) á bªn trong

68851 lμm

Ghi chó ICache: bé nhí cache cho lÖnh DCache: bé nhí cache cho d÷ liÖu

Bên cạnh các bộ vi xử lý vạn năng truyền thống thường được dùng để xây

dựng các máy tính với tập lệnh đầy đủ (complex instruction set computer, CISC) đã

nói ở trên, trong thời gian nμy cũng 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 các thế hệ trước Đó lμ các bộ vi

xử lý Alpha của Digital, PowerPC của tổ hợp các hãng Apple-Motorola-IBM Có lẽ hãy còn sớm, nhưng cũng đã có khá nhiều biểu hiện để có thể nói được rằng sự ra đời của các vi xử lý loại RISC chính lμ sự bắt đầu cho một thế hệ khác trong lịch sử phát triển của các bộ vi xử lý

3 Giới thiệu sơ lược cấu trúc vμ hoạt động của hệ vi xử lý

Trên đây ta đã thấy bộ vi xử lý lμ một thμnh phần rất cơ bản không thiếu

được để tạo nên máy vi tính Trong thực tế bộ vi xử lý còn phải kết hợp thêm với các

bộ phận điện tử khác như bộ nhớ vμ các bộ phối ghép vμo/ra để tạo nên một hệ vi xử

lý hoμn chỉnh Cần lưu ý rằng để chỉ một hệ thống có cấu trúc như trên, thuật ngữ

"hệ vi xử lý" mang ý nghĩa tổng quát hơn so với thuật ngữ "máy vi tính", vì máy vi tính chỉ lμ một trong những ứng dụng cụ thể của hệ vi xử lý

Hình 2.1 giới thiệu sơ đồ khối tổng quát của một hệ vi xử lý

Bus điều khiển Bus dữ liệu

Bus địa chỉ

Bộ xử lý

trung tâm

(CPU)

Bộ nhớ (Memory) ROM-RAM

Phối ghép vμo/ra (I/O)

Thiết bị vμo Thiết bị ra

μi

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ vi xử lý với các thanh ghi trong vμ ngoμi

Trong sơ đồ nμy ta thấy rõ các khối chức năng chính của hệ vi xử lý gồm:

+ Khối xử lý trung tâm (central processing unit, CPU),

+ Bộ nhớ bán dẫn(memory, M),

+ Khối phối ghép với các thiết bị ngoại vi (input/output, I/O),

+ Các bus truyền thông tin

Ba khối chức năng đầu liên hệ với nhau thông qua tập các đường dây để

truyền tín hiệu gọi chung lμ bus hệ thống Bus hệ thống bao gồm 3 bus thμnh phần

ứng với các tín hiệu địa chỉ, dữ liệu vμ điều khiển ta có bus địa chỉ, bus dữ liệu vμ bus

điều khiển

CPU đóng vai trò chủ đạo trong hệ vi xử lý Đây lμ một mạch vi điện tử có độ

tích hợp rất cao Khi hoạt động, nó đọc mã lệnh được ghi dưới dạng các bit 0 vμ bit 1

từ bộ nhớ, sau đó nó sẽ giải mã các lệnh nμy thμnh dãy các xung điều khiển ứng với các thao tác trong lệnh để điều khiển các khối khác thực hiện từng bước các thao tác

đó Để lμm được việc nμy bên trong CPU có thanh ghi dùng để chứa địa chỉ của lệnh

sắp thực hiện gọi lμ thanh ghi con trỏ lệnh (instruction pointer, IP) hoặc bộ đếm

chương trình (program counter, PC), một số thanh ghi đa năng khác cùng bộ tính toán số học vμ lôgic (ALU) để thao tác với dữ liệu Ngoμi ra ở đây còn có các hệ thống

mạch điện tử rất phức tạp để giải mã lệnh vμ từ đó tạo ra các xung điều khiển cho

toμn hệ

Bộ nhớ bán dẫn hay còn gọi lμ bộ nhớ trong lμ một bộ phận khác rất quan

trọng của hệ vi xử lý Tại đây (trong ROM) ta có thể chứa chương trình điều khiển hoạt động của toμn hệ để khi bật điện thì CPU có thể lấy lệnh từ đây mμ khởi đầu hệ thống Một phần của chương trình điều khiển hệ thống, các chương trình ứng dụng, dữ liệu cùng các kết quả của chương trình thường được để trong RAM Các dữ liệu vμ chương trình muốn lưu trữ lâu dμi sẽ được để ở bộ nhớ ngoμi

Khối phối ghép vμo/ra (I/O) tạo ra khả năng giao tiếp giữa hệ vi xử lý với

thế giới bên ngoμi Các thiết bị ngoại vi như bμn phím, chuột, mμn hình, máy in, chuyển đổi số/tương tự (D/A converter, DAC) vμ chuyển đổi tương tự/số (A/D converter, ADC), ổ đĩa từ đều liên hệ với hệ vi xử lý qua bộ phận nμy Bộ phận phối

ghép cụ thể giữa bus hệ thống với thế giới bên ngoμi thường được gọi lμ cổng Như vậy

ta sẽ có các cổng vμo để lấy thông tin từ ngoμi vμo vμ các cổng ra để đưa thông tin từ

trong hệ ra ngoμi Tuỳ theo nhu cầu cụ thể của công việc, các mạch cổng nμy có thể

được xây dựng từ các mạch lôgic đơn giản hoặc từ các vi mạch chuyên dụng lập trình

được

Bus địa chỉ thường có từ 16, 20, 24 đến 32 đường dây song song chuyển tải

thông tin của các bit địa chỉ Khi đọc/ghi bộ nhớ CPU sẽ đưa ra trên bus nμy địa chỉ

của ô nhớ liên quan Khả năng phân biệt địa chỉ (số lượng địa chỉ cho ô nhớ mμ CPU

có khả năng phân biệt được) phụ thuộc vμo số bit của bus địa chỉ Ví dụ nếu một CPU

có số đường dây địa chỉ lμ N =16 thì nó có khả năng địa chỉ hoá được 2N

= 65536=64 Kilô ô nhớ khác nhau (1K = 210 = 1024) Khi đọc/ghi với cổng vμo/ra CPU cũng đưa ra

một chiều của bus địa chỉ qua chiều của mũi tên Chỉ có CPU mới có khả năng đưa ra

địa chỉ trên bus địa chỉ (sau nμy ta sẽ thấy còn mạch DMAC, mạch điều khiển trao

đổi dữ liệu trực tiếp giữa bộ nhớ - thiết bị ngoại vi cũng có khả năng nμy)

Bus dữ liệu thường có từ 8, 16, 20, 24, 32 đến 64 đường dây tuỳ theo các bộ vi

xử lý cụ thể Số lượng đường dây nμy quyết định số bit dữ liệu mμ CPU có khả năng

xử lý cùng một lúc Chiều mũi tên trên bus số liệu chỉ ra rằng đây lμ bus 2 chiều, nghĩa lμ dữ liệu có thể được truyền đi từ CPU (dữ liệu ra) hoặc truyền đến CPU (dữ

liệu vμo) Các phần tử có đầu ra nối thẳng với bus dữ liệu đều phải được trang bị đầu

ra 3 trạng thái để có thể ghép vμo được vμ hoạt động bình thường với bus nμy

Bus điều khiển thường gồm hμng chục đường dây tín hiệu khác nhau Mỗi tín

hiệu điều khiển có một chiều nhất định.Vì khi hoạt động CPU đưa tín hiệu điều

khiển tới các khối khác trong hệ, đồng thời nó cũng nhận các tín hiệu điều khiển từ các khối đó để phối hợp hoạt động của toμn hệ nên các tín hiệu nμy trên trên hình vẽ

được thể hiện bởi các đường có mũi tên theo 2 chiều, điều đó không phải lμ để chỉ tính

2 chiều của một tín hiệu mμ lμ tính 2 chiều của cả nhóm tín hiệu

Hoạt động của hệ thống vi xử lý trên cũng có thể được nhìn theo một cách khác Trong khi hoạt động vμ tại một thời điểm nhất định, về mặt chức năng mỗi khối

trong hệ thống trên tương đương với các thanh ghi trong (nằm trong CPU) hoặc các

thanh ghi ngoμi (nằm rải rác trong bộ nhớ ROM, bộ nhớ RAM vμ trong khối phối

ghép I/O) Hoạt động của toμn hệ thực chất lμ sự phối hợp hoạt động của các thanh

ghi trong vμ ngoμi nói trên để thực hiện sự biến đổi dữ liệu hoặc sự trao đổi dữ liệu

theo các yêu cầu đã định trước