Slide kỹ thuật vi xử lý

Lịch sử phát triển của máy tính Phát minh ra máy tính là một thành tựu vĩ đại trong lịch sử tiến hóa của loài người  Trong những năm đầu của thế kỷ 20 việc chạy đua vũ trang, đối đầu q

KỸ THUẬT VI XỬ LÝ

Microprocesor Technology

Khoa: Điện Tử

Trường Đại Học Kinh Tế Kỹ Thuật Công Nghiệp

GV: ThS Giáp Văn Dương

Mobile: 0988066622

Email: gvduong@uneti.edu.vn

1

Web: http://www.khoadientu.uneti.edu.vn/

Tài liệu tham khảo

 Bài giảng Kỹ thuật Vi xử lý - Đại Học KTKT Công Nghiệp

 Vi xử lý – TG Văn Thế Minh NXB Giáo dục

 The Intel Microprocessor 8086/8088, 80186/80188, 80286, 80386, 80486, Pentium and Pentium Pro Processor - Architecture, Programming and Interfacing

TG Barry B Brey NXB Prentice – Hall International

 Cẩm nang lập trình hệ thống TG Michael Tischer NXB Giáo dục

 Lập trình hợp ngữ Assembly và máy tính IBM PC Biên dịch Quách tuấn Ngọc NXB Giáo dục

Nội dung giáo trình

 Chương 1: Giới thiệu chung về vi xử lý và máy tính

 Chương 2: Biểu diễn thông tin trong hệ thống

 Chương 3: Kiến trúc phần mềm của bộ vi xử lý 8088/8086

 Chương 4: Lập trình hợp ngữ trên IBM-PC

 Chương 5: Bộ vi xử lý 8088 và ghép nối với bộ nhớ

 Chương 6: Ghép nối vào ra của 8088

 Chương 7: Ngắt và xử lý ngắt trong 8088

 Chương 8 : Vào ra điều khiển bằng DMAC

 Chương 9 : Giới thiệu về các bộ vi xử lý hiện đại

3

Kỹ Thuật Vi Xử Lý

Chương 1

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VI XỬ LÝ VÀ MÁY TÍNH

Giảng viên: ThS Giáp Văn Dương Tổ: Điện Tử

Khoa: Điện Tử Đại Học Kinh Tế Kỹ Thuật Công Nghiệp

1.1 Lịch sử phát triển của máy tính

 Phát minh ra máy tính là một thành tựu vĩ đại trong lịch sử tiến hóa của loài người

 Trong những năm đầu của thế kỷ 20 việc chạy đua vũ trang, đối đầu quân sự là một nguyên nhân thúc đẩy khoa học kỹ thuật phát triển

 Lịch sử phát triển của máy tính được bắt đầu từ sự phát triển của các thế hệ máy tính

lớn trong những năm 50 của thế kỷ 20 (VD máy tính 4381 của IBM)

 Từ những năm 70 của thế kỷ 20 với sự phát triển của công nghệ bán dẫn đã mở ra khả năng thu nhỏ vi mạch  thu nhỏ máy tính

 Sự hình thành và phát triển của máy tính cá nhân đi song song với sự hình thành và phát triển của các loại bộ vi xử lý

5

Lịch sử phát triển của bộ vi xử lý

 Quá trình phát triển của bộ vi xử lý song song với quá trình phát triển của các hệ thống máy tính

 Có nhiều hãng sản xuất vi xử lý lớn (Intel, motorola, ziglog, )

 Các bộ vi xử lý phải được sản xuất theo một chuẩn thống nhất

Các bộ vi xử lý 8 bit ban đầu

 Tháng 8/2001, Pentium IV đạt mốc 2 GHz Đến tháng 11/2002, chip này được trang

bị công nghệ siêu phân luồng và có tốc độ 3,06 GHz, sau tăng lên 3,2 GHz vào năm

2003 và 3,4 GHz trong tháng 6/2004

Chip lõi kép

 Tháng 4/2005, Intel giới thiệu nền tảng sử dụng bộ vi xử lý lõi kép đầu tiên gồm chip Pentium Extreme Edition 840, xung nhịp 3,2 GHz, và chipset 955X Express, kết hợp với công nghệ siêu phân luồng

 Tháng 5/2005, chip Intel Pentium D lõi kép ra đời cùng chipset 945 Express

 Tháng 5/2006, Intel công bố nhãn hiệu Core 2 Duo

 Tháng 7/2006: Intel giới thiệu 10 thiết bị xử lý Intel Core 2 Duo và Core Extreme

 Các bộ vi xử lý Core 2 Duo có 291 triệu bóng bán dẫn

15

Pentium Overdriver(P24T) 32 4G + 16K Cache

PentiumPro Processor 64 4G + 16K L1 Cache

+ 256K L2 Cache

17

Biểu đồ tốc độ của các bộ vi xử lý Intel

Luật moore

 Gordon Moore - Người đồng sáng lậpIntel

 Số transistor trên chip sẽ tăng gấp đôi sau khoảng 18 tháng

 Giá thành của chip hầu như không thay đổi

 Mật độ cao hơn, do vậy đường dẫn ngắn hơn

 Kích thước nhỏ hơn dẫn tới độ phức tạp tăng

 Điện năng tiêu thụ ít hơn

 Hệ thống có ít các chip liên kết với nhau, do đó tăng độ tin cậy

19

Tốc độ của bộ vi xử lý

- Bộ vi xử lý (Microprocessor) là CPU được chế tạo trên 1 chip

- Tốc độ của bộ vi xử lý:

+ Số lệnh thực hiện trong 1 giây

(MIPS- Milions of Instruction Per Second)

+ Khó đánh giá được chính xác

- Tốc độ của bộ xử lý được đánh giá gián tiếp thông qua tần số xung nhịp (Clock) được mạch ngoài cung cấp cho bộ vi xử lý

Vi xử lý của tương lai

23

1.2 Tổng quan hệ vi xử lý

Bộ xử lý trung

tâm (CPU)

Bộ nhớ (Memory)

Inside Register Outside Register

Data Bus

Address Bus Control Bus

CHƯƠNG 2

BIỂU DIỄN THÔNG TIN TRONG HỆ THỐNG

Giảng viên: ThS Giáp Văn Dương

Đại Học Kinh Tế Kỹ Thuật Công Nghiệp

KỸ THUẬT VI XỬ LÝ

25

2.1 Hệ đếm

Hệ thập phân (Decimal System)  Con người sử dụng

Hệ nhị phân (Binary System)  Máy tính sử dụng

Hệ mười sáu (Hexa)  Dùng để viết gọn lại một dãy số nhị phân

Chữ số nhị phân gọi là bit (binary digit)

Bit là đơn vị thông tin nhỏ nhất

Dùng n bit có thể biểu diễn được 2n giá trị khác nhau:

Dạng tổng quát của số nhị phân

2

n

i i

Chuyển đổi số nguyên thập phân sang nhị phân

Phương pháp 1: Chia dần cho 2 rồi lấy phần dư

Phương pháp 2: Phân tích thành tổng các số 2i  nhanh hơn đối với những số nhỏ và sát cận 2n

Phương pháp chia dần cho 2

Chuyển đổi số lẻ thập phân sang nhị phân

Chuyển đổi số lẻ thập phân sang nhị phân (tiếp)

Chuyển đổi số lẻ thập phân sang nhị phân (tiếp)

2.1.3 Hệ mười sáu (Hexa)

Cơ số 16

16 ký tự: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F

Dùng để viết gọn lại số nhị phân: Cứ một nhóm 4-bit sẽ được thay bằng

một chữ số Hexa

Quan hệ giữa số nhị phân và số Hexa

2.2 Biểu diễn số nguyên

2.2.1 Nguyên tắc chung về mã hóa dữ liệu

+ Mọi dữ liệu đưa vào máy tính đều phải được mã hóa thành số nhị phân

+ Các loại dữ liệu:

Dữ liệu nhân tạo: Do con người quy ước

Dữ liệu tự nhiên: Tồn tại khách quan với con người

Mã hoá dữ liệu nhân tạo

41

Dữ liệu số nguyên: mã hóa theo tiêu chuẩn quy ước

Dữ liệu số thực: Mã hóa bằng số dấu phẩy động

Dữ liệu ký tự: Mã hóa theo bộ mã ký tự

Mã hoá và tái tạo tín hiệu vật lý

Tín hiệu điện liên

Độ dài dữ liệu

43

Độ dài từ dữ liệu là số bít được sử dụng để mã hóa loại dữ liệu tương ứng

Thường là bội của 8-bit:

Ví dụ: 8, 16, 32, 64 bit

2.2.2 Thứ tự lưu trữ các byte của dữ liệu

Bộ nhớ chính thường được tổ chức theo byte

Độ dài từ dữ liệu có thể chiếm từ 1 đến nhiều byte

 Cần phải biết thứ tự lưu trữ các byte trong bộ nhớ chính với các dữ liệu nhiều byte

Ví dụ lưu trữ dữ liệu 32-bit

0001 1010 0010 1011 0011 1100 0100 1101

1A 2B 3C 4D

4D 3C 2B

1A

300 301

303 302

411

410

412 413

45

Lưu trữ của các bộ xử lý điển hình

 Intel 80x86 và các loại Pentium:

2.2.3 Biểu diễn số nguyên

47

Có hai loại số nguyên:

Số nguyên không dấu (Unsigned Integer)

Số nguyên có dấu (Signed Integer)

2.2.3.1 Biểu diễn số nguyên không dấu

2

n i

i i

a A

Nguyên tắc tổng quát: Dùng n bit biểu diễn số nguyên không dấu A:

Giá trị của A được tính như sau:

Dải biểu diễn số nguyên không dấu

Dải biểu diễn của A: Từ 0 đến 2n - 1

Các ví dụ

A = 41 ; B = 150 ; C =255Giải:

Các ví dụ (tiếp)

 M = 0001 0010

 N = 1011 1001Xác định giá trị của chúng?

Biểu diễn được các giá trị từ 0 đến 255

Trục số học máy tính:

Với n = 16 bit, 32 bit, 64 bit

 n = 16 bit: Dải biểu diễn từ 0 đến 65535 (216 - 1)

 n = 32 bit: Dải biểu diễn từ 0 đến 232 - 1

 n = 64 bit: Dải biểu diễn từ 0 đến 264 - 1

2.2.3.2 Biểu diễn số nguyên có dấu

55

Số bù một và số bù hai:

Giả sử A là một số nhị phân, ta có:

Số bù một của A nhận được bằng cách đảo giá trị các bit của A

(Số bù hai của A)= (Số bù một của A) + 1

Biểu diễn số nguyên có dấu bằng mã bù hai

Nguyên tắc tổng quát: Dùng n bit biểu diễn số nguyên có dấu A:

A = a n-1 a n-2 … a 2 a 1 a 0

Với A là số dương: bit an-1 =0, các bit còn lại biểu diễn độ lớn như số không dấu.Với A là số âm: Được biểu diễn bằng số bù hai của số dương tương ứng, vì vậy bit an-1 = 1

Biểu diễn số nguyên dương

i i

a A

57

Dạng tổng quát của số dương A:

0a n-2 … a 2 a 1 a 0

Giá trị của số dương A:

Dải biểu diễn cho số dương: 0 đến 2n-1 - 1

Biểu diễn số nguyên âm

i

i i

A

Dạng tổng quát của số âm A:

1a n-2 … a 2 a 1 a 0

Giá trị của số âm A:

Dải biểu diễn cho số âm: -1 đến -2n-1

N bit(-2n-1 ÷2n-1 - 1)

Dạng tổng quát của số nguyên có dấu

2 1

Giá trị của số âm A:

Dải biểu diễn: -2n-1 ÷2n-1 - 1

2.2.4 Các phép toán số học với số nguyên

Nguyên tắc thực hiện phép toán với số nguyên

61

Với phép cộng số nguyên không dấu

Nếu không có nhớ ra khỏi bit msb thì kết quả nhận được luôn luôn đúng:

Cout=0

Nếu có nhớ ra khỏi bit cao nhất thì kết quả nhận được là sai: Cout=1 (Hiện tượng tràn số)

Hiện tượng tràn số xảy ra khi tổng lớn hơn 2n -1

Nếu xuất hiện hiện tượng tràn số thì ta tăng số lượng các bit lên (tăng n) Ví

dụ từ 8 lên 16 bit

Nguyên tắc thực hiện phép toán với số nguyên (tiếp)

Với phép cộng số nguyên có dấu

Biểu diễn số nguyên có dấu dưới dạng mã bù 2 của số không dấu trong thanh ghi n bit

Thực hiện phép cộng hai số có dấu

Chú ý hiện tượng tràn số

Nếu xuất hiện hiện tượng tràn số thì ta tăng số lượng các bit lên (tăng n) Ví

dụ từ 8 lên 16 bit

2.3 Biểu diễn số thực

63

2.3.1 Biểu diễn số dấu phẩy tĩnh

Sử dụng thanh ghi n bit

R= S b-1 … b-(n-2) b-(n-1)

S= 0 (+)

S = 1 (-)

R = (b-1.2-1+ + bn-1.2-(n-1))

2.3.2 Biểu diễn số dấu phẩy động

Biểu diễn bằng các bit nhị phân

Số dấu phảy động chính tắc là số dấu phảy động mà trong phần định trị đằng trước dấu phảy là 0, đằng sau dấu phảy là một số có ý nghĩa khác 0

Biểu diễn theo chuẩn IBM 360 (32 bit)

Biểu diễn theo chuẩn IEEE (32 bit)

67

Cơ số ngầm định là 2

Bit 0: S là bit dấu (S=1 Số âm, S=0 Số dương)

Bit 1 đến 8 biểu diễn: Mũ + 128 (không biểu diễn dấu)

Bit 9 đến 31 biểu diễn định trị chính tắc

Do cơ số ngầm định là 2, như vậy ở dạng chính tắc đằng sau dấu phẩy luôn là

1 Do vậy số 1 này ta không biểu diễn mà chỉ biểu diễn các số từ sau số 1 này trở đi

2.4 Biểu diễn ký tự

69

Biểu diễn kỹ tự theo mã:

Bộ mã ASCII (American Standard Code For Information Interchange)

Bộ mã Unicode

2.4.1 Bộ mã ASCII

Bộ mã ASCII (American Standard Code For Information Interchange) thiết kế

Bộ mã 8 bit có thể mã hóa được 256 ký tự Các ký tự có mã lần lượt từ 00H đến FFH

Trong đó:

128 ký tự chuẩn có mã 00H đến 7FH

128 ký tự mở rộng có mã 80H đến FFH

Các ký tự hiển thị chuẩn (tiếp)

Column bits(B7B6B5)

Chữ B tra bảng sẽ là 1000010B tương ứng với 42H

Các ký tự điều khiển 00H đến 1FH

Mã các ký tự điều khiển định dạng (màn hình, máy in )

BS Back Space (Lùi lại một vị trí): Ký tự điều khiển con trỏ lùi lại một vị trí

HT Horizontal Tab (Tab ngang) : Ký tự điều khiển con trỏ dịch ngang một

khoảng đã định trước

LF Line Feed (Xuống một dòng): Ký tự điều con trỏ xuống một dòng mới

VT Vertical Tab (Tab đứng) : Ký tự điều con trỏ chuyển qua một số dòng đã định

Mã các ký tự điều khiển truyền tin

SOH Start Of Heading (Bắt đầu tiêu đề): Ký tự đánh dấu bắt đầu phần thông báo tiêu đề

STX Start Of Text (Bắt đầu văn bản): Ký tự đánh dấu bắt đầu khối dữ liệu văn bản và cũng chính là phần

thông báo kết thúc tiêu đề ETX End Of Text (Kết thúc văn bản): Ký tự đánh dấu kết thúc khối dữ liệu văn bản được bắt đầu bằng

STX EOT End Of Transmission (bắt đầu truyền): Thông báo cho bên thu biết kết thúc truyền tin

ENQ Enquiry (Hỏi): Tín hiệu yêu cầu đáp ứng từ một máy ở xa

ACK Acknowledge (Xác nhận): Ký tự phát ra từ phía thu báo cho phía phát biết dữ liệu đã nhận thành

công NAK Negative Acknowledge (Báo phủ nhận): Tín hiệu phát ra từ phía thu báo cho phía phát tín hiệu

không nhận được thành công SYN Synchronous (Đồng bộ): Đồng bộ hóa quá trình truyền và nhận dữ liệu

ETB End Of Transmission Block (Kết thúc khối truyền): Chỉ ra kết thúc khối dữ liệu được truyền

75

Các ký tự điều khiển (tiếp)

Mã các ký tự điều khiển phân cách thông tin

FS File Separator (Ký hiệu phân cách tập tin): Đánh dấu ranh giới giữa các

Mã các ký tự điều khiển khác

NUL NULL (Ký tự rỗng): Được sử dụng để truyền khaongr trống khi không có dữ liệu

BEL BELL (Chuông): Phát ra một tiếng chuông

SO Shift Out (Dịch ra): Chỉ ra rằng các mã tiếp theo sẽ nằm ra ngoài ký tự chuẩn cho đến khi gặp SI

SI Shift In (Dịch vào): Chỉ ra rằng các mã tiếp theo sẽ nằm trong ký tự chuẩn

DLE Data Link Escape (Thoát liên kết dữ liệu): Thông báo sẽ thay đổi ý nghĩa của một hay nhiều kỹ tự liên tiếp sau đóDC1D

C4 Device Control (Điều khiển thiết bị): Tín hiệu điều khiển bị phụ trợ

CAN Cancel (Hủy bỏ): Thông báo một số kỹ tự nằm trước nó cần phải bỏ qua

EM End Of Medium (Kết thúc phương tiện) : Chỉ ra ký tự ngay trước nó là ký tự cuối cùng có tác dụng với phương tiện vật lýSUB Substitude (Thay thế): Được xác định là sẽ thay thế cho ký tự nào đó bị lỗi

ESC Escape (Thoát): Ký tự dùng để cung cấp mã mở rộng bằng cách kết hợp với các ký tự sau đó

DLE Delete (Xóa): Xóa ký tự không mong muốn

77

Các ký tự mở rộng có mã từ 80H đến FFH

Các ký tự mở rộng được định nghĩa bởi

Nhà chế tạo máy tínhNgười phát triển phần mềm

Ví dụ:

Bộ mã ký tự mở rộng của IBM  IBM-PC

Bộ mã ký tự mở rộng của Apple  Macintosh

Có thể thay đổi các ký tự mở rộng để mã hóa cho các ký tự riêng của tiếng Việt Ví dụ mã TCVN3, BK

2.5 Mã BCD

 Binary Coded Decimal

 Dùng 4 bit để mã hóa từng chữ số thập phân

Ví dụ: Số 26 được lưu trữ như sau

BCD gói (Packed BCD): Hai số BCD được lưu trữ trong 1 byte

Ví dụ: Số 26 được lưu trữ như sau

Packed BCD & Unpacked BCD

CH ƯƠNG 3

KI ẾN TRÚC PHẦN MỀM CỦA BỘ VI XỬ LÝ 8086/8088

Giảng viên: ThS Giáp Văn Dương

Đại Học Kinh Tế Kỹ Thuật Công Nghiệp

KỸ THUẬT VI XỬ LÝ

85

 Kiến trúc khá đơn giản và nguyên gốc

 Có tập lệnh dễ tiếp nhận đối với các sinh viên và người đọc bắt đầu nghiên cứu về bộ vi xử lý

3.1 Sơ đồ cấu trúc của 8086/8088

3.1 Sơ đồ cấu trúc của 8086/8088 (tiếp)

 CU (Control Unit): Đơn vị điều khiển

 EU (Execution Unit): Đơn vị thừa hành

 BIU (Bus Interface Unit): Khối giao diện bus

 ALU (Arithmetic and Logic Unit): Đơn vị số học và lôgic

 FR (Flag Register): Thanh ghi cờ

Hoạt động của vi xử lý

 Ban đầu vi xử lý sẽ hoạt động ở chế độ chờ đợi các lệnh đầu vào

 Khi có lệnh điều khiển ở đầu vào bộ giải mã lệnh sẽ thực hiện giải mã các lệnh đầu vào để đưa vào bộ đệm lệnh

 Vi xử lý sẽ căn cứ vào mã lệnh đã được giải mã di chuyển con trỏ lệnh đến địa chỉ của lệnh và thực hiện lệnh

 CU điều khiển các thành phần khác bên trong bộ vi xử lý thực hiện lệnh bao gồm: Nhận lệnh, giải mã lệnh, nhận địa chỉ toán hạng, nhận dữ liệu, thi hành lệnh và lưu trữ kết quả

 Một lệnh có thể thực hiện trong một hay nhiều chu kỳ máy

89

Chu trình thi hành lệnh

Tính địa chỉ toán hạng (Calculate Operand Address - COA)

 Chu trình lệnh được phân chia theo các công đoạn và được thực hiện gối lên nhau

 Ví dụ có 6 công đoạn thực hiện lệnh sau:

Biểu đồ thời gian quá trình thi hành lệnh

 Các bộ vi xử lý cổ điển thi hành lệnh theo các chu trình sau

Biểu đồ thời gian của đường ống lệnh (Pipeline)

 Đặc điểm: Trong một chu kỳ máy thực hiện nhiều thao tác khác nhau của quá trình thi hành các lệnh khác nhau Do vậy tốc độ xử lý tăng lên nhiều lần

Các xung đột của đường ống lệnh

 Xung đột cấu trúc do nhiều công đoạn dùng chung một tài nguyên

 Xung đột dữ liệu : Lệnh sau sử dụng kết quả của lệnh trước

 Xung đột điều khiển : Do rẽ nhánh gây ra

93

3.2.1 Các thanh ghi của 8088/8086

3.2.1.1 Thanh ghi đa năng

3.2.1.1 Thanh ghi đa năng (tiếp)

 AX(Accumulator): Thanh ghi tích luỹ có nhiệm vụ lưu trữ các dữ liệu, thông tin chung mà sau khi ALU thực hiện phép toán

 BX(Basic): Lưu trữ các địa chỉ cơ sở của một bảng Bảng này được sử dụng trong câu lệnh XLAL

 CX(Counter): Cho phép ALU theo dõi các thông tin về vòng lặp, điều khiển được các vòng lặp

 DX(Data): Thanh ghi dữ liệu chung hỗ trợ cho vi xử lý tăng tốc độ xử lý

3.2.2.2 Các thanh ghi con trỏ

BP

IP BIU

97

3.2.2.2 Các thanh ghi con trỏ (tiếp)

 Kết hợp với thanh ghi đoạn để xác định địa chỉ của 1 byte hay một bit nào đó, trong địa chỉ bộ nhớ 64KB

 IP(Instruction Pointer): Con trỏ lệnh xác định vị trí độ lệch của đoạn mã lệnh trong bộ nhớ Kết hợp với thanh ghi CS để tạo ra địa chỉ bộ nhớ CS:IP

 SP(Stack Pointer): Thanh ghi con trỏ ngăn xếp dùng để xác định nơi lưu trữ địa chỉ, dữ liệu cần cho công việc lưu trữ để xử lý sau về sau SP thường xuyên trỏ vào đỉnh của ngăn xếp Địa chỉ đoạn:Độ lệch cụ thể của dữ liệu tại đỉnh ngăn xếp là: SS:SP

 BP(Basic Pointer): Luôn trỏ vào một dữ liệu nào đó nằm trong đoạn ngăn xếp, kết hợp với thanh ghi đoạn SS để xác định ra địa chỉ tuyệt đối của lệnh