Tổng quan về vi xử lý (microprocessor)

Tổng ổ quan vềề vi xử lý (microprocessor) Electrical Engineering Tổng quan • 33.11 Lịch sử phát triển • 3.2 Kiến trúc hệ Vi xử lý • 3.3 Thành phần hệ Vi xử lý – 3.3.1 Bus – 3.3.2 3 Rom – 3.3.3 Ram Electrical Engineering CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3.1.1 Định nghĩa • Mạch vi xử lý vi mạch cỡ cực lớn (VLSI), xử lý liệu theo h ộ thuật h ậ toán xác đị định h • Cấu tạo – Phần cứng (phần vi mạch điện tử) – Phần mềm (phần tập lệnh gắn chặt với phần cứng) • Vi xử lý 4bit, bit, 16 bit, 32 bit, 64 bit Electrical Engineering 3.1.2 Phân biệt loại máy tính • Mainframe: dùng sử lý khối lượng thông tin phức tạp, tốc độ cao, IBM 4381, Honeywell DSP8, Crây, kết hợp nhiều hệ VXL lại • Máy tính (minicomputer), xử lý liệu dung lượng nhỏ hơn(VAX 6360 DEC) • Máy vi tính xử dụng hệ vi xử lý Electrical Engineering CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3.1.3 Lịch sử phát triển Electrical Engineering 3.1.3 Máy tính Việt nam • Máy tính Việt nam đời (VT81,VT82) (VT81 VT82) • Trương Trọng Thi, Micral – http://www.pcworld.com.vn/pcworld/magazine asp?t=mzdetail&atcl_id=5f5e5c585d5a5f Electrical Engineering CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3.1.3 Lịch sử phát triển (tiếp) • Hệ DSP ( g (Digital Signal Processing) – Texax Instruments (TMS 320 ) • Atmel phát triển ARM • Motorola – Freescale phát triển ColdFire Electrical Engineering 3.2 Các thành phần hệ thống VXL Electrical Engineering CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3.2.1 Các kiến trúc thông dụng Vi xử lý • Kiến trúc Von Neumann (1903-1957) CPU sử dụng chung đường bus cho đọc/ghi liệu từ nhớ từ chương trình • Hai q trình tương tác với lệnh với liệu khơng thể thực lúc • Bộ lọc Von Neumann thỏa đáng quan tâm đến việc thực nhiệm vụ tự • Hầu hết vi xử lý sử dụng thiết kế Von Neumann Electrical Engineering 3.2.1 Cấu trúc Von Neumann • Kiến trúc Von Newmann Electrical Engineering 10 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3.2.1 Kiến trúc Havard • Kiến trúc Harvard ợ nghiên g cứu Harvard Howard Aiken (1900-1973) • Đường bus liệu chương trình cung cấp độc lập • Hầu hết xử lý DSP sử dụng kiến trúc bus này AVR Atmel Atmel, dsPIC RIST 11 Electrical Engineering 3.2.2 Cấu trúc Harvard Electrical Engineering 12 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3.2.2 Kiến trúc SHARC • Kiến trúc SHARC – Super Harvard Architecture sử dụng Analog Devices chip ADSP-2106, 2111 • Tương tự kiến trúc Harvard thêm kết nối CPU nhỡ chương trình • Điều Điề cho h phép đọc đ liệu liệ hằ nhanh h h chóng mà khơng phải copy liệu chương trình vào nhớ RAM trước 13 Electrical Engineering 3.2.2 Cấu trúc SHARC Electrical Engineering 14 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3.3 Đặc tính chung • Số bít: bit, bit bit, bit 16 bit, bit 32 bit • Số chân tín hiệu: – – – – 12, 16, 28, 40 chân cho VXL bit 68 chân VXL 32 bit 168 chân VXL 64 bit Tương ứng với chân khả kiểm soát nhớ 2^n 15 Electrical Engineering 3.3.1 Đặc tính chung • Tần số xung nhịp (1MH – 3.2 GHZ) • Tính ứng dụng: – Loại độc lập (one chip) – Mạch VXL đa Electrical Engineering 16 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3.3.2 Cấu trúc chung hệ thống vi xử lý Bµn pphÝm Address Bus VXL 8051 ROM RAM Mạch giao tiếp 8255 Khối hiển thị LED Data Bus Control Bus 17 Electrical Engineering 3.3.1 Các phần hệ VXL • Bộ vi xử lý (processor) • Bộ nhớ (memory) • Ghép nối (I/O, interface) Electrical Engineering 18 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3.3.2 Processor • Thực chương trình lưu nhớ theo thứ tự • Tập hợp lệnh gồm – Chuyển liệu (MOV) – Phép p toán logic g – Lệnh điều kiện rẽ nhánh 19 Electrical Engineering 3.3.2 Tập hợp ghi Electrical Engineering 20 10 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3.3.2 Thanh ghi • Cho phép lưu trữ giá trị tạm thời • Các ghi 8bit, 16 bit, 32bit tùy loại CPU • Thanh ghi PC, Accumulator 21 Electrical Engineering 3.3.2 Memory • Tập hợp nhiều ghi để lưu trữ liệu dạng nhị phân • ROM, RAM • Mỗi ghi nhớ có địa Electrical Engineering 22 11 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3.3.2 Interface (I/0) • Thanh ghi để ghép nối với thiết bị bên ngồi • Có thể ghi nhớ nằm vị trí đặc biệt RAM • Ví dụ, 8051, SFR 91, serial • Ví dụ vi mạch ghép nơí 8255 23 Electrical Engineering 3.3.3 Tổ chức cổng (output) Electrical Engineering 24 24 12 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Tổ chức cổng vào (input) 25 Electrical Engineering 3.3.2 IC 8282 – Tích hợp mạch trạng thái chốt liệu D0 – D7: đường liệu vào Q0 – Q7: đường liệu STB: chốt tín hiệu STB = 1: cho phép đưa liệu STB = 1->0: chốt liệu đầu /OE: Cho phép é xuất ấ tín í hiệu ệ Electrical Engineering 26 13 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3.3.2 Tổ chức cổng vào - Ax: Địa thiết bị (Tín hiệ sau giải hiệu iải mãã đị địa chỉ) hỉ) - IO/M: Tín hiệu chọn thiết bị: IO/M = chọn cổng vào IO/M = chọn nhớ - /RD: Lệnh thao tác đọc thiết bị 27 Electrical Engineering Giản đồ xung Address Bus Ax = IO/M = Control Bus RD = Data Bus Electrical Engineering Data từ bên 28 14 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3.3.3 BUS • Bus tập dây dẫn nối song song với (bên VXL bên ngoài) đề truyền thông tin ti – Bus Địa – Bus Dữ liệu – Bus Điều khiển • Trong VXL, ghi, ALU, thiết bị ngoại vi ghépp nối với thơng g g qqua đường g BUS • Bus điều khiển Mạch thời gian điều khiển đảm bảo loại tín hiệu sử dụng đường BUS thời điểm xác định (RD/WD) 29 Electrical Engineering 3.3.3 Bus địa chỉ/dữ liệu • Bộ nhớ thiết bị ngoại vi nhận dạng CPU thông qua bus địa – Địa cho thiết bị – CPU đặt địa lên đường bus mạch giải mã (decoder) nhiệm vụ tìm thiết bị tương ứng • Trong mạch vi xử lý bit, 8bit BUS chứa liệu 16 bít BUS chứa địa – Bus liệu cho phép truyền nhận liệu từ thiết bị • Ghép nối để mở rộng dung lượng nhớ (ROM, RAM), mở rộng số cổng vào • Tối đa 16 bít địa chỉ, 65536 byte Electrical Engineering 30 15 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3.3.4 Bộ nhớ • Định nghĩa: Là thiết ế bị dùng đểể lưu trữ thơng tin gồm chương trình liệu • Phân loại: – Bộ nhớ chính: nhớ hoạt động, yêu cầu tốc độ cao cao Chế tạo dạng nhớ bán dẫn dẫn VD: RAM – Bộ nhớ phụ: yêu cầu cao dung lượng lưu trữ thời gian lưu trữ VD: ROM, HDD… 31 Electrical Engineering 3.3.4 Tổ chức nhớ: Bộ nhớ tạo thành từ ô nhớ xếp cạnh mặt logic logic Các tham số nhớ gồm: – Vị trí (logic) nhớ: địa ô nhớ, bus địa truyền hệ – Nội dung ô nhớ: liệu chứa ô nhớ, d bbus liệu liệ ttruyền ề t hệ hệ Thơ Thơng thường, th nhớ có độ lớn 8bit (1byte) – Quản lý nhớ phương pháp địa hóa nhớ Electrical Engineering 32 16 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3.3.4 Các phương pháp địa hóa nhớ – Phương pháp địa tuyệt đối: • Địa nhớ khoảng cách so với địa gốc • Địa gốc thường xác định • Ứng dụng cho loại nhớ dung lượng nhỏ 33 Electrical Engineering 3.3.4 Phương pháp địa đoạn • Chia toàn bộ nhớ thành nhiều vùng (segment), vùng có địa xác đinh • Địa ô nhớ nhớ xác định bởi: – Địa segment chứa nhớ – Địa offset ô nhớ segment Electrical Engineering 34 17 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3.3.4 Phương pháp địa đoạn (tiếp) – Các thiết bị lưu trữ địa nhớ có kích thước nhỏ hỏ • Ví dụ: 8085A địa hóa nhớ 16bit -> Dùng ghi 8bit, ghi chứa địa segment, chứa địa offset • Quản lý nhớ có dung lượng lớn – Khơng gian nhớ: tồn địa địa hóa nhớ • Nếu bus địa có n bit khơng gian nhớ 2n địa 35 Electrical Engineering 3.3.4 Bản đồ nhớ: – cho thấy nhớ hay thiết bị có kết nối với bus địa đặt đâu không gian nhớ – Ví dụ: Electrical Engineering 36 36 18 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3.3.5 Thiết bị nhớ • Đối với Vi xử lý lý, loại nhớ : – ROM (Read only memory) – RAM (Random access memory), (read and write memory) Electrical Engineering 37 3.3.5 EPROM (Erasable PROM) • ROM lập trình nhiều lần • One-time programmable (OTP) EPROM • EEPROM - electrically erasable PROMs – Giáo tiếp sử dụng I2C 2401 2402 2401,2402 • Flash EPROMs Electrical Engineering 38 19 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3.3.5 ROM • Thiết kế công nghệ NMOS CMOS NMOS, • Dung lượng thường 2Kbyte – 64Kbyte • Dữ liệu lưu trữ dạng ma trận • Khơng bị ảnh hưởng việc • điện • 2716, 2732, , 27256 39 Electrical Engineering 3.3.5 2716 Electrical Engineering 40 20 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3.3.5 Đọc nhớ • Ví trí đọc đưa vào bus địa • Lệnh READ gửi tới nhớ • Dữ liệu truyền từ nhớ lên Bus liệu 41 Electrical Engineering PARAMETER Tcyc TCE Tacc Toff TAH TAS Tp Cycle time /CE pulse width /CE access time i Output turn-off delay Address & CS hold time to /CE Address & CS setup time to /CE /CE precharge time Electrical Engineering max units ns 400 ns 250 ns 250 ns 75 ns 100 ns ns 150 42 21 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3.3.6 RAM • Static RAM – Battery-backed CMOS SRAM • Dynamic RAM 43 Electrical Engineering 3.3.6 Static RAM Electrical Engineering • Mỗi bít liệu lưu trữ cặp flip-flop • Cấu trúc đơn giản • Ghi xóa tín hiệu điện • Dữ liệu mất điện • Tiêu thụ lượng lớn có điện • Kích thước lớn dung lượng lớn • 6216, 6232, 62256 44 22 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3.3.6 RAM 62256 45 Electrical Engineering 3.3.6 Dynamic Ram • Dữ liệu ghi tụ • Dữ liệu phải refresh 2ms -> phải có điều khiển refresh • Dung lượng lớn • Cấu trúc ma trận ậ • tổn hao điện Electrical Engineering 46 23 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3.3.6 Ví dụ 64 Kbit RAM Electrical Engineering 47 24 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt