Độ dài của từ dữ liệu nói lên tốc độ làm việc và khả năng truy xuất bộ nhớ của Vi xử lý.. Nếu Vi xử lý có chiều dài từ dữ liệu lớn thì tốc độ xử lý công việc nhanh và khả năng truy xuất
Trang 1Chương 2: Các đặc điểm bên trong
của Vi xử lý
a Chiều dài từ dữ liệu:
Đặc điểm quan trọng nhất của Vi xử lý là chiều dài từ dữ liệu Vi xử lý đầu tiên có chiều dài từ dữ liệu là 4 bit, các Vi xử lý sau này có chiều dài từ dữ liệu là 8 bit, 16 bit,
32 bit và 64 bit Độ dài của từ dữ liệu nói lên tốc độ làm việc và khả năng truy xuất bộ nhớ của Vi xử lý Nếu Vi xử lý có chiều dài từ dữ liệu lớn thì tốc độ xử lý công việc nhanh và khả năng truy xuất bộ nhớ lớn, được dùng trong các công việc xử lý dữ liệu, điều khiển phức tạp Nếu Vi xử lý có chiều dài từ dữ liệu nhỏ hơn thì sẽ có tốc độ xử lý công việc chậm hơn và khả năng truy xuất bộ nhớ cũng bị hạn chế hơn, được dùng trong các công việc điều khiển và xử lý đơn giản Các Vi xử lý 8 bit như: 8080A, 8085A của Intel; MC6800, MC6802 của Motorola; Z80
Các Vi xử lý 16 bit như 8086, 8088 của Intel; MC68000 của Motorola; Z8000 của Zilog;
b Độ dài từ địa chỉ:
Dung lượng bộ nhớ mà Vi xử lý có thể truy xuất là một phần trong cấu trúc của Vi xử lý Để truy xuất được bộ nhớ thì
Vi xử lý phải biết được địa chỉ của từng ô nhớ cụ thể, địa chỉ của
ô nhớ được xác định bằng từ địa chỉ Độ dài của từ địa chỉ cho biết số lượng ô nhớ mà Vi xử lý có thể liên hệ trực tiếp, độ dài của các thanh ghi rất cần thiết cho việc định địa chỉ cũng phải có khả năng tương ứng
Trang 2c Tốc độ làm việc:
Tần số xung clock cung cấp cho Vi xử lý làm việc quyết định tốc độ làm việc của Vi xử lý, tốc độ này được cho bởi nhà chế tạo Tốc độ xung clock càng cao thì Vi xử lý làm việc với tốc độ càng lớn và khả năng xử lý lệnh càng nhanh
d Các thanh ghi:
Trong cấu trúc củaVi xử lý, các thanh ghi giữ một vai trò quan trọng, chúng được dùng để xử lý dữ liệu Có nhiều loại thanh ghi trong Vi xử lý với các chức năng khác nhau, số lượng thanh ghi đóng vai trò rất quan trọng đối với Vi xử lý và người lập trình Nếu Vi xử lý có số lượng thanh ghi càng nhiều thì người lập trình có thể viết các chương trình điều khiển Vi xử lý đơn giản hơn bởi việc sử dụng các thanh ghi được linh động và
đa dạng, điều này làm tăng tốc độ và khả năng xử lý chương trình của Vi xử lý
e Tập lệnh:
Bất kì một Vi xử lý nào muốn hoạt động được thì phải có tập lệnh Do cấu tạo phần cứng khác nhau nên mỗi Vi xử lý có tập lệnh khác nhau Tập lệnh của Vi xử lý là một trong những yếu tố cơ bản để đánh giá tốc độ làm việc của Vi xử lý Nếu Vi xử lý có nhiều mạch điện logic bên trong để thực hiện thì số lượng lệnh điều khiển của Vi xử lý càng nhiều, khi đó Vi xử lý càng lớn và độ phức tạp càng lớn Tập lệnh của Vi xử lý càng nhiều thì rất có ích cho người lập trình khi viết chương trình điều khiển cho Vi xử lý
Trang 33 Vi xử lý 8 bit:
Mỗi loại Vi xử lý sẽ có cấu trúc khác nhau nhưng thường có các khối chính như sau:
- Khối đơn vị số học/logic (ALU - Arithmetic Logic Unit).
- Các thanh ghi (Registers)
- Khối điều khiển logic (Control Logic)
Chức năng và nguyên lý hoạt động của các khối như sau:
a Khối Đơn vị số học-logic (ALU - Arithmetic Logic Unit):
Đây là khối quan trọng nhất của Vi xử lý, khối này chứa các mạch điện logic có chức năng chính là làm thay đổi dữ liệu ALU có hai ngõ vào là IN, đó chính là các ngõ vào dữ liệu cho ALU xử lý và một ngõ ra OUT là ngõ ra kết quả dữ liệu đã được ALU xử lý Dữ liệu trước khi đưa vào ALU được chứa ở thanh ghi đệm là TEMP1 và TEMP2 Thông thường, ALU luôn lấy dữ liệu từ một thanh ghi đặc biệt có tên gọi là Bộ tích lũy (Accumulator) Ngõ ra OUT cho phép ALU có thể gởi dữ liệu đã được xử lý lên bus dữ liệu bên trong Vi xử lý, do đó thiết bị nào kết nối với bus đều có thể nhận dữ liệu này, thường thì ALU gởi dữ liệu đã được xử lý tới Bộ tích lũy Khối ALU có thể thực hiện các phép tính và xử lý sau:
Shift right Shift left Increment Decrement
Complement
Memory Address Register High | Low
Accumulator (A)
Status Register
Register B Register C
16 bit Address Bus External input & output
control lines
Trang 4Sơ đồ khối của một Vi xử lý 8 bit.
b Các thanh ghi (Registers):
Các thanh ghi cơ bản luôn có trong một Vi xử lý là A, PC,
SP, F, các thanh ghi thông dụng là B, C, D, E, thanh ghi lệnh, thanh ghi địa chỉ
Trang 5Thanh ghi A (Accumulator): hay bộ tích lũy, đây là thanh ghi quan trọng của Vi xử lý, nó có chức năng là lưu trữ dữ liệu khi tính toán Hầu hết các phép tính logic và số học đều diễn ra giữa thanh ghi này và ALU Nó có chức năng quan trọng khác là truyền dữ liệu từ ô nhớ hay từ các thanh ghi bên trong ra các thiết bị ngoại vi
Thanh ghi PC (Program Counter): hay bộ đếm chương trình, là thanh ghi cơ bản của Vi xử lý Chức năng của thanh ghi PC là quản lý lệnh đang thực hiện và lệnh sẽ được thực hiện tiếp theo Trước khi Vi xử lý thực hiện một chương trình thì thanh ghi PC phải được nạp một con số, đó chính là địa chỉ của ô nhớ chứa lệnh đầu tiên của chương trình Sau thực hiện việc đón lệnh từ bộ nhớ, Vi xử lý sẽ tự động tăng nội dung PC để chuẩn bị đón lệnh kế, PC chỉ tăng khi Vi xử lý bắt đầu thực hiện lệnh đón trước đó
Thanh ghi trạng thái (Status Register): còn được gọi là thanh ghi cờ (Flag Register), dùng để lưu trữ kết quả của một số lệnh kiểm tra có ảnh hưởng đến thanh ghi này Các bit thường có trong thanh ghi cờ là:
- Bit Carry “C”: khi kết quả tràn thì C = 1, ngược lại C = 0
- Bit Zero “Z” : kết quả bằng 0 thì Z = 1, ngược lại Z = 0
- Bit Negative “N”: khi bit MSB của thanh ghi là 1 thì N =
1, ngược lại N = 0
- Bit Intermediate Carry “I”: giống như bit Carry nhưng chỉ có tác dụng với phép cộng hay trừ trên 4 bit thấp
- Bit Interupt Flag “IF”: IF = 1 khi người lập trình cho phép ngắt, ngược lại IF = 0
Trang 6- Bit Overflow “O”: O = 1 khi bit Carry của phép toán cộng với bit dấu của dữ liệu
- Bit Parity “P”: P = 1 khi kết quả phép toán là số chẵn, ngược lại P = 0
Thanh ghi con trỏ ngăn xếp SP (Stack Pointer): chức năng của thanh ghi con trỏ ngăn xếp là quản lý bộ nhớ ngăn xếp khi có dữ liệu được lưu trữ tạm thời vào ngăn xếp Cũng giống như
PC, SP cũng tự động chỉ đến ô nhớ kế Các dữ liệu chứa trong ngăn xếp được tổ chức theo nguyên tắc vào sau ra trước (LIFO:
Last In First Out) Trong hầu hết các Vi xử lý, SP tự giảm sau
khi thực hiện lệnh cất giữ dữ liệu vào ngăn xếp và ngược lại SP sẽ tự tăng lên để chỉ đến ô nhớ tiếp theo trong ngăn xếp sau khi
Vi xử lý thực hiện lệnh lấy dữ liệu ra khỏi ngăn xếp Vì thế giá trị cho SP khi thiết lập thường là địa chỉ cuối cùng của bộ nhớ Quá trình này do người lập trình thiết lập được gọi là khởi tạo con trỏ ngăn xếp Nếu không được khởi tạo, con trỏ ngăn xếp sẽ chỉ đến một ô nhớ ngẫu nhiên Khi đó dữ liệu cất vào ngăn xếp có thể ghi đè lên dữ liệu khác làm chương trình xử lý sai
Thanh ghi địa chỉ (Address Register): khi Vi xử lý cần truy xuất bộ nhớ, thanh ghi địa chỉ phải tạo ra đúng địa chỉ mà Vi xử lý mong muốn Ngõ ra của thanh ghi địa chỉ được đặt lên bus địa chỉ, bus địa chỉ dùng để lựa chọn một ô nhớ hay một port I/O cần truy xuất
Thanh ghi lệnh (Instruction Register): dùng để chứa lệnh Vi xử lý đang thực hiện Thanh ghi này do Vi xử lý sử dụng, người lập trình không sử dụng
Thanh ghi chứa dữ liệu tạm thời (Temporary Register): dùng để ALU thực hiện các phép toán xử lý dữ liệu, người lập trình không sử dụng thanh ghi này