Slide vi xử lý chọn lọc

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

Tài liệu tham khảo

 1 Sách “Kỹ thuật Vi xử lý” , tác giả Văn Thế Minh, NXB Giáo dục, năm 2000

 2 Sách “Cấu trúc và lập trình họ vi điều khiển 8051”, tác giả Nguyễn Tăng Cường & Phan Quốc Thắng, NXB khoa học kĩ thuật, năm 2004

 3 Sách “Thiết kế hệ thống với họ 8051”, tác giả Tống Văn

On, NXB Phương Đông, năm 2007

 4 Sách “Lập trình hợp ngữ Assembly và máy tính IBM PC”, biên dịch Quách Tuấn Ngọc, NXB Giáo dục, năm 1998

 5 Sách “The Intel Microprocessor 8086/8088, 80186/80188,

80286, 80386, 80486, Pentium and Pentium Pro Processor Architecture, Programming and Interfacing”, tác giả Barry B Brey, NXB Prentice – Hall International, năm 2009

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: Tổng quan về bộ vi điều khiển 8051

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

Bộ vi xử lý Intel 4004

 Intel bắt đầu phát triển vi xử lý từ năm 1969 theo dự án của nhà sản xuất máy tính Nhật Busicom

 Kỹ sư Ted Hoff của Intel đã hình thành ý tưởng về một thiết

bị logic đa mục đích hoạt động hiệu quả

 Ngày 15/11/1971, Intel giới thiệu bộ vi xử lý 4004 ra thị trường thế giới với giá 200 USD

 Intel 4004 có 4bit dữ liệu và 12 bit địa chỉ

Các bộ vi xử lý Intel từ 1978 - 1982

 Intel 8086 - 8088 (1978)

 Bộ vi xử lý 8088 đã được trang bị cho chiếc máy tính cá nhân thương mại đầu tiên IBM PC Thành công này đã đưa Intel vào bảng xếp hạng 500 doanh nghiệp hàng đầu thế

giới của Fortune

 8088 có tốc độ 5 MHz, 8 MHz và 10 MHz với 29.000 bóng bán dẫn

 8086 mạnh hơn 8088 (giống nhau về cấu trúc)

 80186/80188

 8086 có tốc độ 5 MHz, 8 MHz và 10 MHz với 29.000 bóng bán dẫn

Các bộ vi xử lý 8 bit ban đầu

Các bộ vi xử lý Intel từ 1985 – 1989

 Intel 386 (1985)

 Chip Intel 386 có 275.000 bóng bán dẫn, nhiều gấp 100 lần

so với bộ xử lý 4004 ban đầu

 Chip 32 bit và có khả năng xử lý đa nhiệm

Các bộ vi xử lý Intel khác

 Pentium (1993)

 Pentium cho phép máy tính dễ dàng tích hợp những dữ liệu

"thế giới thực" như giọng nói, âm thanh, ký tự viết tay và ảnh đồ họa

 Pentium có tốc độ 60 MHz và 66 MHz với 3,1 triệu bóng bán dẫn

 Pentium II (1997)

 Pentium II tích hợp Intel MMX - công nghệ được thiết kế đặc biệt để xử lý dữ liệu video, audio và đồ họa một cách hiệu quả

 Pentium II có tốc độ 200 MHz, 233 MHz, 266 MHz và 300

Các bộ vi xử lý Intel khác (tiếp)

 Pentium III (1999)

 Pentium III có 70 lệnh xử lý mới giúp tăng cường hiệu suất hoạt động của các ứng dụng ảnh, 3-D, audio, video và nhận dạng giọng nói

 Pentium III có tốc độ từ 650 MHz đến 1,2 GHz với 9,5 triệu bóng bán dẫn

 Pentium IV (2000)

 Pentium IV có tốc độ 1,3 GHz, 1,4 GHz, 1,5 GHz, 1,7 GHz

và 1,8 GHz với 42 triệu bóng bán dẫn

 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

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

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.

 VÝ dô : Mét m¸y tÝnh dïng bé xö lý Pentium IV2 GHz Ta cã f0 = 2GHz = 2.10

9 Hz

 T = 1/f = 1/(2.109 ) = 0,5ns

Vi xử lý của tương lai

 Các bộ vi xử lý quang học

 Các bộ vi xử lý sinh học

1.2 Tổng quan hệ vi xử lý

Bộ xử lý trung tâm (CPU)

Bộ nhớ (Memory)

ROM-RAM

Phối ghép vào ra

I/O

Output Device Input Device

Inside Register Outside Register

Data Bus

Address Bus Control Bus

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

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 vật lý Bộ cảm biến

tín hiệu (sensor)

Tín hiệu điện liên tục Bộ chuyển đổi

tương tự - số (ADC)

Tín hiệu số

Máy tính

Bộ chuyển đổi

số - tương tự (DAC)

Tín hiệu điện liên tục

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

Lưu trữ của các bộ xử lý điển hình

 Intel 80x86 và các loại Pentium:

2.2.3 Biểu diễn số nguyên

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 ia 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 =255 Giải:

Các ví dụ (tiếp)

 M = 0001 0010

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

Biểu diễn được các giá trị từ 0 đến 255

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

Biểu diễn số nguyên có dấu bằng mã bù hai

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

Biểu diễn số nguyên dương







2 0

2

n i

i i

a A

Dạng tổng quát của số dương A:

0an-2 … a2 a1 a0

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:

1an-2 … a2 a1 a0

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

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

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)

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

Biểu diễn kỹ tự theo mã:

Bộ mã ASCII (American Standard Code For Information Interchange)

Bộ mã Unicode

Các ký tự hiển thị chuẩn (tiếp)

Column bits(B7B6B5)

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 trước

FF Form Feed (Sang đầu trang) : Ký tự điều con trỏ sang

đầu một trang mới (Ctrl +)

CR Carriage Return (Về đầu dòng) : Ký tự điều con trỏ về

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

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 tập tin

GS Group Separator (Ký hiệu phân cách nhóm): Đánh

dấu ranh giới giữa các nhóm tin (tập hợp các bản ghi)

RS Record Separator (Ký hiệu phân cách bản ghi): Đánh

dấu ranh giới giữa các bản ghi

US Unit Separator (Ký hiệu phân cách đơn vị): Đánh

dấu phân cách giữa các phần của bản ghi

Mã các ký tự điều khiển khác

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

DC4 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 lỗiESC Escape (Thoát): Ký tự dùng để cung cấp mã mở rộng bằng cách kết hợp với các ký tự sau đó

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

Các ký tự mở rộng được định nghĩa bởi

Nhà chế tạo máy tính Người 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

Decimal Packed Unpacked

Bộ vi xử lý 8086/8088

 Bộ vi xử lý 8086/8088 là một bộ vi xử lý phổ biến một thời của hãng Intel và được ứng dụng rộng rãi

 Cho đến ngày nay, các bộ vi xử lý hiện đại vẫn có tính kế thừa về phần cứng và tập lệnh của bộ vi

xử lý này

 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

 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

Chu trình thi hành lệnh

Nhận lệnh (Fetch Instruction - FI)

Giải mã lệnh (Decode Instruction - DI)

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

Thực hiện lệnh (Execute Instruction - EI)

Ghi toán hạng (Write Operand - WO)

 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: