Giáo trình Vi xử lý với mục tiêu giúp các bạn có thể trình bày được về hệ đếm và mã hóa trong máy tính, tương tác giữa máy tính và vi xử lý, các bộ vi xử lý intel đang được ứng dụng; Giải thích được nguyên lý làm việc các hệ điều khiển ứng dụng vi xử lý. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung phần 1 giáo trình!
UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH ĐỒNG THÁP TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ ĐỒNG THÁP GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN: VI XỬ LÝ NG NH NGHỀ: ĐI N TỬ CƠNG NGHI P TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG, TRUNG CẤP (Ban hành kèm theo Quyết định Số: /QĐ-TCĐNĐT ngày 13 tháng năm 2017 Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Nghề Đồng Tháp) Đồng Tháp, năm 2017 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THI U Để thực biên soạn giáo trình đào tạo nghề Điện tử cơng nghiệp trình độ Cao Đẳng Nghề Trung Cấp Nghề, giáo trình Vi xử lý giáo trình mơn học đào tạo chun ngành biên soạn theo nội dung chương trình khung Bộ Lao động Thương binh Xã hội Tổng cục Dạy Nghề phê duyệt Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức kỹ chặt chẽ với nhau, logíc Khi biên soạn, nhóm biên soạn cố gắng cập nhật kiến thức có liên quan đến nội dung chương trình đào tạo phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết thực hành biên soạn gắn với nhu cầu thực tế sản xuất đồng thời có tính thực tiễn cao Nội dung giáo trình biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo 120 gồm có: Bài 24-01: Tổng quan hệ vi xử lý Bài 24-02: Các đơn vi vi xử lý trung tâm Bài 24-03: Bộ nhớ hệ vi xử lý Bài 24-04: Thiết bị vào hệ vi xử Trong trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu khoa học công nghệ phát triển điều chỉnh thời gian bổ sung kiên thức cho phù hợp Trong giáo trình, chúng tơi có đề nội dung thực tập để người học cố áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ Tuy nhiên, theo điều kiện sở vật chất trang thiết bị, trường có thề sử dụng cho phù hợp Tuy nhiên, tùy theo điều kiện sở vật chất trang thiết bị, trường có thề sử dụng cho phù hợp Mặc dù cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng mục tiêu đào tạo không tránh khiếm khuyết Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy, giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn hiệu chỉnh hồn thiện Các ý kiến đóng góp xin gửi Trường Cao đẳng nghề Đồng Tháp Đồng Tháp, ngày tháng năm 2017 Tham gia biên soạn MỤC LỤC TRANG TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC Bài 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ VI XỬ LÝ Các hệ đếm: 1.1 Hệ thập phân (Decimal Number System): 1.2 Hệ nhị phân (Binary Number System): 1.3 Hệ thập lục phân (Hexadecimal Number System): 11 1.4 Mã BCD (Binary Coded Decimal): 12 1.5 Mã hiển thị Led (7-segment display): 12 Chuyển đổi lẫn hệ đếm: 14 2.1 Hệ nhị phân hệ thập phân: 14 2.2 Hệ nhị phân hệ hex: 15 Mã hóa thơng tin: 15 3.1 Mã hóa thơng tin khơng số: 15 3.2 Xét trường hợp biểu diễn số: 20 3.3 Biểu diễn liệu số máy tính: 23 3.4 Biểu diễn vật lý thơng tin máy tính: 24 Các phép toán số học số hệ nhị phân: 24 4.1 Phép cộng phép trừ: 24 4.2 Số bù hai: 26 4.3 Phép nhân phép chia: 28 Cấu trúc hệ vi xử lý máy vi tính: 36 5.1 Lịch sử phát triển trung tâm vi xử lý: 36 5.2 Cấu trúc hệ vi xử lý: 39 5.3 Từ hệ Vi xử lý đến máy vi tính PC: 45 Bài 2: CÁC ĐƠN VI VI XỬ LÝ TRUNG TÂM 48 Trung tâm vi xử lý P 8085: 48 1.1 Các nhóm tín hiệu µ8085: 50 1.2 Khái niệm chất vật lý bus hệ vi xử lý: 52 1.3.Các mạch trạng thái, mạch chốt mạch khuyếch đại BUS chiều: 53 1.4 Biểu đồ Timing thực lệnh CPU µP8085: 58 1.5 Ngắt (lnterrupt): 62 1.6 Truy nhập trực tiếp nhớ (Direct Memory Access - DMA): 63 1.7 Vi chương trình (Microprogram) tập lệnh µP8085: 64 1.8 Vài nét lập trình cho 8085: 88 Các trung tâm vi xử lý họ 80x86: 90 2.1 Mô tả chân P 8086 tín hiệu: 90 2.2 Cấu trúc Trung tâm Vi xử lý họ 80x86: 93 2.3 Hệ thống ghi µP80x86: 95 2.4 Các chế độ làm việc MIN/MAX: 101 2.5 Phương thưc quản lý nhớ, mode địa chỉ: 101 2.6 Phương thức đánh địa thiết bị ngoại vi: 106 2.7 Các mạch multiplexer, decoder, PLA: 107 2.8 Sơ lược lập trình hợp ngữ: 110 Cấu trúc tính số chíp vi xử lý đại: 110 3.1 Cấu trúc chip Vi xử lý Pentium: 145 3.2 Cấu trúc RISC, CISC: 148 3.3 Quản lý nhớ: 151 3.4 Bộ nhớ cache: 152 Bài 3: BỘ NHỚ TRONG CỦA HỆ VI XỬ LÝ 155 Bộ nhớ hệ vi xử lý: 155 1.1 Phần tử nhớ, vi mạch nhớ, từ nhớ dung lượng nhớ: 156 1.2 Vài nét nhớ hệ vi xử lý máy tính: 158 1.3 Phân loại chip nhớ ROM, RAM : 161 Tổ chức nhớ cho hệ vi xử lý: 163 2.1 Tổ chức nhớ vật lý: 163 2.2 Thiết kế vỉ nhớ cho hệ vi xử lý: 165 Bài 4: THIẾT BỊ VÀO RA CỦA HỆ VI XỬ LÝ 169 Bàn phím HEX (keyboard): 169 Ghép nối bàn phím với hệ vi xử lý: 174 2.1 Hệ thống bàn phím máy vi tính: 175 2.2 Quá trình truyền liệu từ bàn phím cho CPU: 176 Mạch điều khiển lập trình thị 7-segment: 179 Màn hình (Monitor): 181 4.1 Màn hình ống tia âm cực CRT (Cathode Ray Tube): 181 4.2 Ghép nối hình với hệ Vi xử lý: 183 4.3 Bộ điều khiển hình CRTC: 185 MÔ ĐUN VI XỬ LÝ Mã mơ đun: MĐ 24 Vị trí tính chất, ý nghĩa vai trị mơ đun: - Vị trí mơ đun: Mơ đun bố trí dạy cuối chương trình sau học xong mơn học linh kiện điện tử, đo lường điện tử, kỹ thuật xung - số, điện tử công suất - Tính chất mơ đun: Là mơ đun bắt buộc - Ý nghĩa mô đun: sau học xong mô đun Vi xử lý, người học phải biết lập trình số ứng dụng từ đơn giản đến phức tạp xử lý kết nối máy tính với thiết bị ngoại vi - Vai trị mơ đun: Giáo trình mơ đun “Vi xử lý” nhằm cung cấp cho người học kiến thức lập trình giao tiếp với máy tính vi xử lý Mục tiêu mô đun: - Về kiến thức: + Trình bày hệ đếm mã hóa máy tính, tương tác máy tính vi xử lý, vi xử lý intel ứng dụng + Giải thích nguyên lý làm việc hệ điều khiển ứng dụng vi xử lý - Về kỹ năng: + Lập trình hợp ngữ số tập cách thành thạo + Xử lý số dạng kết nối máy tính với vi xử lý thiết bị ngoại vi + Phát triển hệ điều khiển sở khối trung tâm vi xử lý - Về thái độ: Rèn luyện tính tỷ mỉ, xác an tồn vệ sinh cơng nghiệp Thời gian Mã MĐ24-01 Tên mô đun Tổng Lý Thực Kiểm số thuyết Hành tra Tổng quan hệ vi xử lý 10 Các hệ đếm 1,2 0,8 MĐ24-02 Chuyển đổi lẫn hệ đếm Mã hóa thơng tin Các phép tính hệ đếm nhị phân Cấu trúc hệ vi xử lý máy vi tính Các đơn vi vi xử lý trung tâm 0,5 0,5 3 0,8 1,7 0,5 0,5 40 10 29 0,5 1 Trung tâm vi xử lý P 8085 15 11 Các trung tâm vi xử lý họ 80x86 15 11 10 30 15 23 12 15 11 40 10 28 12 8 1,5 5,5 12 2,5 8,5 120 30 85 Cấu trúc tính số chíp vi xử lý đại MĐ24-03 Bộ nhớ hệ vi xử lý Bộ nhớ hệ vi xử lý Tổ chức nhớ cho hệ vi xử lý MĐ24-04 Thiết bị vào hệ vi xử Bàn phím HEX (keyboard) Ghép nối bàn phím với hệ vi xử lý Mạch điều khiển lập trình thị Tổng cộng Màn hình BÀI TỔNG QUAN VỀ CÁC H VI XỬ LÝ Mã bài: MĐ24-01 Giới thiệu Khoa học kỹ thuật ngày phát triển mạnh mẽ, công nghệ thuộc lĩnh vực khác nhờ đời nhằm đáp ứng nhu cầu xã hội kỹ thuật Vi xử lý nằm số Hiện kỹ thuật Vi xử lý giảng dạy rộng rãi trường Đại học Cao đẳng nước, nhiên lĩnh vực (Vi xử lý) mẻ, ứng dụng chưa khai thác triệt để hệ thống điều khiển, đo lường điều chỉnh dây chuyền công nghiệp Mục tiêu: - Trình bày số hệ đếm, mã thường dùng hệ vi xử lý - Tính tốn, chuyển đổi phép tốn nhị phân - Trình bày cách biểu diễn thơng tin hệ vi xử lý - Rèn luyện tính tư duy, tác phong công nghiệp Các hệ đếm: Mục tiêu: Trình bày số hệ đếm, mã thường dùng hệ vi xử lý Nguyên lý việc viết số - Một số viết cách đặt kề ký hiệu, chọn tập hợp xác định Mỗi ký hiệu số gọi số mã (số hạng, digital) Ví dụ: Trong hệ thống thập phân (cơ số 10) tập hợp gồm 10 ký hiệu quen thuộc, số từ đến 9: S10= {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9} - Khi số gồm nhiều số mã viết, giá trị số mã tùy thuộc vị trí số Giá trị gọi trọng số số mã - Trong triển khai, số mũ đa thức vị trí ký hiệu số với quy ước vị trí hàng đơn vị 0, vị trí liên tiếp phía trái 1, 2, 3, Nếu có phần lẻ, vị trí sau dấu phẩy -1, vị trí liên tiếp phía phải -2, -3, Ta thấy, số (sau số 1) có trọng số 900 số thứ hai 90 - Với ký hiệu giống hệ 10, ký hiệu đứng trước có trọng số gấp 10 lần ký hiệu đứng sau Điều hồn tồn cho hệ khác Ví dụ, hệ nhị phân ( số 2) tỉ lệ - Có nhiều hệ thống số sử dụng kỹ thuật số, hệ đếm thông dụng là: hệ thập phân (decimal number system), nhị phân (binary number system), thập lục phân (hexadecimal number system)… 1.1 Hệ thập phân (Decimal Number System): - Đây hệ đếm mà sử dụng hàng ngày Hệ đếm sử dụng mười chữ số ‘0’ ’9’để biểu diễn số hệ 10 Chữ số ‘0’ biểu diễn số 0, chữ số ‘1’ biểu diễn số 1,… Khi đếm đến 10 hết số nên phải thêm sang hàng bên trái để thành ‘10’ (mười) lại tiếp tục đếm ‘11’, ‘12’, ‘13’, Một số hệ 10 có giá trị tổng giá trị chữ số nhân với trọng số tương ứng chữ số Trọng số chữ số thứ i 10i Ví dụ: 12345,67 = 1x104+ 2x103 + 3x102 + 4x101 + 5x100 + 6x10-1 + 7x10-2 - Khi làm việc với nhiều hệ đếm số hệ 10 có thêm chữ D cuối để số hệ 10 Ví dụ: 12,25D Tổng qt hóa cho hệ đếm số a (a ≥ 2, a ∈ N): - Sử dụng a chữ số để biểu diễn số hệ a Chữ số có giá trị nhỏ ‘0’, chữ số có giá trị lớn tùy thuộc vào hệ đếm có giá trị a-1 - Giá trị (lượng) số hệ a tổng giá trị chữ số nhân với trọng số tương ứng chữ số Trọng số số thứ i Ví dụ: Số 5346,72 biểu diễn sau: -1 -2 5346,72 = 5.10 + 3.10 + 4.10 + + 7.10 + 2.10 - Tuy nhiên, mạch điện tử, việc lưu trữ phân biệt 10 mức điện áp khác khó khăn việc phân biệt hai mức điện áp lại dễ dàng Do đó, người ta sử dụng hệ nhị phân để biểu diễn giá trị hệ thống số Trong số thập phân thì: Số tận bên trái số có giá trị lớn MSD ( Most Significant Digit) Số tận bên phải số có giá trị nhỏ LSD ( Least Significant Digit) 1.2 Hệ nhị phân (Binary Number System): - Hệ nhị phân gồm có chữ số: 1, ký số nhị phân gọi bit (binary digit) Cơ số hệ nhị phân hay gọi số Một số nhị phân (binary digit) 140 ; TINH CL=CL*10+AL SUB AL,'0' PUSH AX XOR AH,AH MOV AL,CL ;| MOV DL,10 ;| CL=CL*10 MUL DL ;| MOV CL,AL ;| POP AX ADD CL,AL ; CL=CL+AL (0 9) JMP WAIT_FOR_KEY EXIT: MOV AX,0 MOV DL,2 MOV AL,CL MUL DL ENTER CALL PRINT_DEC8AL MOV AH, INT 16H RET ; PRINT_DEC8AL PROC CMP AL, JNE PRINT_DEC8AL_R PUSH AX MOV AL, '0' MOV AH, 0EH INT 10H POP AX RET PRINT_ DEC8AL_R: PUSHA MOV AH, 141 CMP AX, JE PN_DONE MOV DL, 10 DIV DL CALL PRINT_DEC8AL_R MOV AL, AH ADD AL, 30H MOV AH, 0EH INT 10H JMP PN_DONE PN_DONE: POPA RET ENDP ; MSG DB "XIN MOI NHAP VAO SO BIT:", 0DH,0AH DB "N=$" END Ví dụ Nhập chuỗi ký tự chuyển chữ thường thành chữ hoa MODEL SMALL STACK 100H DATA M1 DB 81 DB ? DB 81 DUP(?) M2 DB 'CHUOI DA DOI:$' CODE MAIN PROC MOV AX,@DATA MOV DS,AX ; KHOI DONG THANH GHI DS MOV ES,AX LEA DX,M1 MOV AH,0AH ; NHAP CHUOI 142 INT 21H LEA SI,M1 ADD SI,2 MOV DI,SI NEXT: LODSB ; LAY KY TU CMP AL,0DH ; NEU LA KY TU ENTER THI KET THUC JE QUIT CMP AL,'A' ; NEU KY TU NHAP KHONG PHAI LA KY ;TU THUONG TU ‘A’TOI ‘Z’ THI BO QUA JB CONT CMP AL,'Z' JA CONT SUB AL,20H; CHUYEN KY TU THUONG THANH KY TU HOA STOSB ; LUU KY TU DEC DI ; NEU LA KY TU THUONG THI DUNG LENH ;STOSB NEN DI TANG LEN TA PHAI GIAM DI CONT: INC DI ; JMP NEXT QUIT: MOV AL,'$' STOSB MOV AX,02H ; XOA MAN HINH INT 10H LEA DX,M2 MOV AH,09H INT 21H LEA DX,M1+ MOV AH,09H INT 21H MOV AH,4CH INT 21H MAIN ENDP END MAIN 143 Cấu trúc tính số chíp vi xử lý đại: Mục tiêu: Trình bày cấu trúc tính đơn vị vi xử lý đại - Trải qua thập kỷ phát triển, công nghệ chế tạo chip Vi xử lý có bước tiến vũ bão Đã xuất nhiều kiểu cấu trúc chip Vi xử lý CISC (Complete Instruction-set Computer), RISC (Reduced InstructionSet Computer), xử lý scalar hay superscalar, Vi xử lý VLIW (Very Long Instruction Word), Vi xử lý Superpipelined, Vi xử lý Vector, Vi xử lý biểu tượng (Symbolic µP), nhằm đáp ứng nhu cầu tạo nên máy tính cực mạnh, siêu máy tính, mainfram phục vụ cơng việc tính tốn lớn hay tạo máy tính xử lý song song - Đối với họ x86, có trung tâm i486 với cấu trúc RISC, tập lệnh rút gọn với tốc độ xử lý tăng nhanh đáng kể Đó trung tâm xử lý 32 bits thực Không gian địa vật lý không gian nhớ ảo quản lý 32 bits địa chỉ, lên đến 4Gbytes Ngoài ra, đồng xử lý tốn tích hợp tạo nên sức mạnh đáng kể Các trung tâm sử dụng để tạo nên máy tính xử lý song song với cấu trúc đại khả tính tốn lớn cho phép giải toán phức tạp - Năm 1992, chip xử lý Pentium MMX đời, cấu trúc có tới hai đường ống song song (superscalar), hai khối số học logic (ALU) cho phép thi hành hai lệnh máy chu kỳ BUS nội Pentium MMX BUS 64 bits 128 bits, tốc độ trao đổi liệu với nhớ nâng cao đáng kể Đặc biệt, chip Pentium có vùng nhớ gọi vùng đệm đích rẽ nhánh BTB (Branch Target Buffer) 256 lệnh rẽ nhánh Pentium tích hợp đồng xử tốn học (Mathematical Coprocessor) với hiệu suất cao nhờ giải thuật nhạnh Dù loại Vi xử lý CISC, Pentium ứng dụng giống loại Vi xử lý RISC tốc độ cao: xử lý đường ống, cấu trúc superscalar dự đoán rẽ nhánh - Năm 1999, chip Pentium PIII đời với cấu trúc có thêm 70 lệnh cho truyền thông đa phương tiện, tốc độ xung nhịp vượt qua ngưỡng GHZ Tiếp theo chip Pentium PIV với tốc độ cao hẳn cấu trúc đa phân luồng - IBM cho biết họ áp dụng phương pháp sản xuất nhằm cho phép thiết bị xử lý dành cho máy chủ - Theo thông tin từ Giám đốc kỹ thuật IBM, họ không thu nhỏ 144 kích cỡ bóng bán dẫn (transistor) mà cịn thay đổi phương thức hoạt động silicon đặt lớp cách điện phía lớp silicon gồm khoảng 500 nguyên tử - Những cải tiến khiến Power6, sản xuất theo cơng nghệ 65 tìm mắt năm 2007, đạt xung nhịp tới 4-5 GHZ IBM khắng định Power6 cạnh tranh trực tiếp với sản phẩm đôi thủ thư lntel, AMD Sun Microsystems - Ngay lntel giới thiệu công nghệ 90nm năm 2003, người ta nhận thấy gây tình trạng thất thóat lượng nghiêm trọng phương pháp sản xuất trước đó, khiến chip tỏa nhiệt chúng không chạy hết công suất Một biện pháp khắc phục tích hợp lõi xử lý chip đơn giảm xung nhịp hoạt động để tăng khả vận hành tránh rắc rối nhiệt độ cao Ngược lại, Power6 xây dựng đề hoạt động xung nhịp cao chưa thấy tiêu thụ điện hiệu - Hiện nay, lntel nghiên cứu hai kỹ thuật sản xuất thiết kế nhằm giảm lượng điện tiêu thụ bảng mạch hệ thống Phương pháp thứ cung cấp nguồn điện áp cho CPU nhớ đệm (cache) cách thứ hai tích hợp điều hịa điện áp transistor - Thứ tư, 21/6/2006, 10:04 GMT+7, IBM Phát triển chia 500 GHZ "Big Blue" Công ty Georgia Tech chế tạo chip có xung nhịp cao 100 lần so với kỷ lục thiết bị xử lý máy tính trước đó, với điều kiện phải hoạt động nhiệt độ nghe phi thực tế - 268,50OC - Ở nhiệt độ phòng, chip đạt tốc độ 350GHZ, tương đương 350 tỷ vòng/giây, nhanh nhiều so với thiết bị xử lý máy tính thời điểm (dao động từ 1,8 GHZ đến 3,8 GHZ) - Đây phần dự án khám phá tốc độ tối đa chip silicongermani (SiGe) SiGe giống công nghệ chip silicon khác tăng cường nguyên tố germani để nâng hiệu suất giảm lượng điện tiêu thụ Trên lý thuyết, SiGe mở rộng tốc độ lên terahertz (THZ), tức nghìn tỷ vịng giây - Tuy nhiên thêm thành phần germani đồng nghĩa với chi phí sản xuất wafer tăng cao, SiGe kén chọn thị trường IBM bán hàng trăm triệu chip từ năm 1998, chưa thể địch so với số hàng tỷ chip silicon năm nhờ sản lượng điện thoại di động 145 - Chip SiGe hiệu suất lớn ứng dụng hệ thống phòng thủ, phương tiện khám phá vũ trụ thiết bị cảm ứng từ xa 3.1 Cấu trúc chip Vi xử lý Pentium: Pentium loại đơn vị xử lý trung tâm 32 bit loại đơn vị xử lý trung tâm sử dụng kỹ thuật ILP (lnstruction Level Pararellism), kỹ thuật xử lý lệnh song song Kỹ thuật đường ống kỹ thuật xử lý lệnh song song ILP Một lệnh thường xử lý qua năm giai đoạn: Nhập lệnh (FI Fetch the Instruction) Giải mã lệnh (DI Decode the Instruction) Tạo địa toán hạng (GOA Generate Operand Address) Nhập toán hạng (FO Fetch Operands) Thực lệnh (EI Execute Instruction) Với kỹ thuật xử lý lệnh thông thường, đơn vị xử lý trung tâm phải thực xong tất giai đoạn thực lệnh, thường sau chu kỳ máy, chuyển sang nhập thực lệnh Dễ tăng tốc độ xử lý lệnh mà không thiết phải tăng tần số nhịp máy, người ta sử dụng kỹ thuật khác kỹ thuật xử lý lệnh kiểu đường ống (Pipeline) kỹ thuật xử lý lệnh song song (ILP) - Kỹ thuật xử lý lệnh kiểu đường ống (Pipeline) Kỹ thuật xử lý lệnh kiểu đường ống sử dụng đơn vị xử lý trung tâm từ đời đơn vị xứ lý trung tâm Intel 8086 Chu kỳ máy Hình 2.32 Chu kỳ máy 146 - Đường ống tương tự dây chuyền sản xuất nhiều công đoạn Ở dây chuyền sản xuất, công đoạn thực thao tác sản xuất Sản phẩm chuyển hình thành dần sau cơng đoạn sản xuất, hồn thành cơng đoạn cuối Trong kỹ thuật xử lý lệnh theo kiểu đường ống, việc thực lệnh thực qua thao tác, thao tác thực giai đoạn, giai đoạn tiếp sau giai đoạn kia, thực xong lệnh Với đường ống 5-giai đoạn, chu kỳ máy có liệu thuộc giai đoạn xử lý gửi vào đường ống thao tác thực đồng thời, nhờ mà sau chu kỳ máy lại có lệnh hồn thành lệnh nhập Kỹ thuật đường ống với đường ống 5-giai đoạn cho phép tăng tốc độ thực lệnh lên gấp lần - Kỹ thuật ILP (xử lý lệnh song song) Kỹ thuật ILP kỹ thuật thiết kế đơn vị xử lý trung tâm chương trình dịch nhằm làm tăng tốc độ thao tác máy (như ghi-đọc nhớ) thực phép tính Trong kỹ thuật ILP có kỹ thuật superscalar, chu kỳ máy nhiều lệnh nhập thực đồng thời nhiều đường ống khác - Pentium loại đơn vị xử lý trung tâm thiết kế theo kỹ thuật superscalar, hai lệnh nhập giải mã đồng thời Pentium có hai đường ống thực lệnh song song U V Quá trình thực lệnh mơ tả hình 2.34 Chu kỳ máy: Hình 2.33 Chu kỳ máy 147 Hình 2.34 Cấu trúc trung tâm Vi xử Pentium - Pentium đơn vị xử lý trung tâm loại 32bit đơn vị xử lý trung tâm loại CISC (Complex Instruction Set Computer) với đặc điểm: hệ lệnh phức tạp, nhiều kiểu xác định địa chỉ, nhiều khn dạng lệnh nhiều kích thước lệnh khác - Pentium có BUS địa 32 bit, BUS liệu ngồi 64 bit Pentium có hai cache Kbyte độc lập: cache Kbyte cổng dành cho liệu cache Kbyte chứa lệnh Pentium có hai đường ống thực lệnh song song U V, đơn vị số học-logic ALU Pentium có đường ống riêng thực lệnh dấu phẩy động đồng xử lý dấu phẩy động FPU tích hợp chip Pentium có ghi sau: Các ghi hệ thống: - Các ghi điều khiển 32 bit: CR0, CR1, CR2, CR3 - Các ghi hệ thống quản lý nhớ: GDTR: Thanh ghi bảng mơ tả tồn cục (Global Descriptor Table Register) 148 LDTR: Thanh ghi bảng mô tả cục (Local Descriptor Table Register) IDTR: Thanh ghi bảng mô tả ngắt (Interrupt Descriptor Table Register) TR: Thanh ghi nhiệm vụ (Task Register) - Các ghi đoạn 16 bit (hình 2.35) Hình 2.35 Các ghi cấu trúc bên Vi xử lý Pentium 3.2 Cấu trúc RISC, CISC: RISC: (Reduced Instruction-set Computer) CISC: (Complete Instruction-set Computer) Hình 2.36 Cấu trúcRISC, CISC co máy tính 149 - Cách đơn giản để khảo sát ưu nhược điểm kiến trúc IUSC so sánh việc thực phép toán loại kiến trúc CISC trước Giả sử ta phải thực lệnh nhân hai toán hạng lưu giữ nhớ - Hình 2.36 mơ tả tổ chức máy tính Bộ nhớ tạo từ ô nhớ từ 1: (hàng 1: cột 1) đến 6:4 (hàng 6: cột 4) Khối thực lệnh có nhiệm vụ thực lệnh tính tốn x (nhân), : (chia), + (cộng) - (trừ) Tất nhiên, khối thực tính tốn làm việc với liệu (toán hạng) chứa sẵn ghi A, B, C, D, E F Giả sử ta phải tìm tích số, số thứ chứa ô 2:3 số thứ hai ô 5:2, kết lưu lại vào ô 2:3 Bây ta tiếp cận cách giải vấn đề hai loại CPU, CISC RISC - Trên CPU CISC: ưu tiên hàng đầu loại CPU hồn thiện cơng việc với lệnh Điều thực nhờ vào việc xây dựng phần cứng CPU có khả hiệu thực chuỗi tác nghiệp Trong trường hợp cụ thể này, CISC có lệnh xác định nhất, tạm gọi MULT, mà thực hiện, lệnh nạp hai giá trị toán hạng vào ghi sau thực phép nhân ghi kết vào ghi tương ứng Như công việc thể lệnh sau: MULT 2:3,5:2 - Lệnh MULT lệnh hoàn thiện (complex) Lệnh làm việc trực tiếp băng nhớ máy tính, khơng cần người lập trình phải dùng lệnh gọi hay nạp nội dung, ghi nội dung vào ô nhớ Lệnh gần với ngôn ngữ bậc cao Giả sử ta gọi "a" giá trị toán hạng nhớ 2:3 "b" giá trị tốn hạng nhớ 5:2, lệnh tương ứng ngôn ngữ C "a = a * b” ưu điểm lớn hệ thống CISC chương trình dịch phải làm việc dịch chương trình, hay lệnh ngơn ngữ bậc cao sang ngơn ngữ máy Vì độ dài mã lệnh nhỏ, nên hệ thống cần RAM để ghi nhớ lệnh Dĩ nhiên, việc thiết kế cấu trúc loại CISC đặc biệt phải tích hợp lệnh hoàn thiện phần cứng - Trên CPU RISC: CPU loại RISC sử dụng lệnh (lnstruction) thực chu kỳ xung nhịp Như lệnh 150 MULT mô tả phần chia thành lệnh nhỏ “LOAD” chuyển liệu (tốn hạng) từ nhớ vào ghi; “PROD" thực phép nhân hai toán hạng lưu giữ ghi, lệnh "STORE" thực việc chuyển kết tính tốn ghi vào nhớ - Để thực phép nhân hai toán hạng, người lập trình phải mã hóa thành lệnh sau: LOAD A, 2:3 LOAD B, 5:2 PROD A, B STORE 2:3, A - Có thể thấy với cấu trúc RISC, khơng thuận lợi cho hồn thành phép tốn nhân hai số phải viết nhiều dịng lệnh hơn, cần nhiều RAM đế lưu giữ lệnh mức assembly Chương trình dịch phải thiện nhiều việc để chuyển đổi lệnh ngôn ngữ bậc cao sang mã máy Thế nhưng, chiến lược RISC mang đến nhiều thuận lợi quan trọng Vì lệnh cần chu kỳ xung nhịp để thực hiện, tồn chương trình cần số chu kỳ xung nhịp thực lệnh MULT hệ thống CISC Nhưng kiến trúc RISC với hệ lệnh rút gọn cần linh kiện khơng gian cho mạch tích hợp, bỏ qua ghi đa Hơn nữa, lệnh thực thi chu kỳ xung nhịp nên việc tổ chức đường ống đơn giản nhiều - Việc tách lệnh "LOAD" lệnh "STORE" đơn giản hóa đáng kể khối lượng công việc CPU phải thực Sau thực lệnh MULT cấu trúc CISC, CPU tự động xóa nội dung ghi Nếu tốn hạng cịn tiếp tục sử dụng cho lệnh tiếp theo, CPU phải nạp lại Ở cấu trúc RISC, nội dung toán hạng giữ lại giá trị nạp vào - Cuối cùng, để so sánh cách toàn diện hơn, công thức sau dùng để đánh giá khả tính tốn, xử lý loại CPU: - CISC cố gắng giảm số lệnh chương trình, hy sinh số chu lệnh RISC theo chiến lược ngược lại - Chỉ chip họ x86 trung thành với kiến trúc CISC, dĩ nhiên 151 khơng thơng dụng lý khác: Trước hết phát triển vũ bão cơng nghệ tích hợp mạch, cơng nghệ sản xuất linh kiện điện tử Sự giảm giá đến mức khó hiểu nhớ RAM làm đảo lộn cách nhìn nhận nhược điểm CPU theo kiến trúc RISC Giá lMbyte RAM năm 1977 khoảng 5.000USD, đến năm 1994 khoảng 6USD, cịn đến năm 2005 khoảng 0,2 USD Cơng nghệ chương trình dịch (compiler technology) trở nên hồn thiện nên CPU loại RISC với nhớ RAM dung lượng lớn công nghệ phần mềm trở thành lý tưởng nhiều hãng sản xuất máy tính 3.3 Quản lý nhớ: - Địa (address) phương thức để “xác định vị trí (location)” nhớ "khơng gian địa chỉ” (address space) - Địa thể số nguyên nhị phân không dấu lưu giữ ghi chuyên dụng ghi đa với kỹ thuật hoàn thiện Địa giải mã phần cứng để truy xuất đến vị trí nhớ khối nhớ vật lý Ví dụ: Bộ nhớ RAM ROM hay nguồn nhớ đồ hóa (memory mapped resource) - Hình 2.35 biểu diễn cách nhìn tổng quát địa chỉ, khơng gian địa vị trí nhớ kiến trúc máy tính 32 bit Có thể thấy địa trỏ (pointer), số nguyên nhị phân tham chiếu đến đối tượng hay vị trí chiếu đến đối tượng hay vị trí nhớ (ơ nhớ) Dĩ nhiên, để tạo trỏ, kỹ thuật phân đoạn (segment), sử dụng độ lệch (offset) giá trị dịch chuyển (displacement) sử dụng tạo nhờ đơn vị giao diện BUS (BIU) CPU - Không gian địa tập tất địa chỉ, hình dung hàm riêng tham chiếu đến ô nhớ Thông thường, địa (zero) 2N- 1, N độ rộng BUS địa (l6, 20, 24, 32 64) Khơng gian khơng xác với kiến trúc phân đoạn Trong hệ thống đại, phần lớn không gian địa trữ nhờ kiến trúc 152 hệ điều hành, tạm thời không đồ hóa Những vấn đề liên quan, tìm thấy tài liệu không gian nhớ ảo không gian nhớ vật lý 3.4 Bộ nhớ cache: - Cache chế nhớ tốc độ cao đặc biệt Cache sử dụng vùng nhớ trữ nhớ với chip nhớ tốc độ cao Có hai loại nhớ cache sử dụng chung máy PC, memory cachtng disk caching Hình 2.37: Cache - Memory cache gọi nhớ cache hay RAM cache, sử dụng RAM anh (SRAM) tốc độ cao Rất hiệu nhiều chương trình truy nhập liệu lệnh thông qua vùng nhớ Bằng cách lưu giữ liệu lệnh cache, tốc độ truy nhập nhớ nâng cao Cũng có loại memory cache tích hợp trực tiếp CPU CPU 80486 (8KB), Pentium 16KB Chúng gọi cache nội (internal cache), hay cache mức (Li) Các PC cịn hỗ trợ cache ngồi (External cache), gọi cache L2, nhớ dùng trung gian CPU nhớ DRAM - Disk cache làm việc giống nguyên lý cache nhớ, thay sử dụng RAM, cache sử dụng DRAM nhớ Phần lớn liệu truy xuất từ cache data lưu giữ vùng nhớ đệm Mỗi chương trình truy xuất data, thơng thường kiểm tra xem, liệu lưu vào vùng cache địa hay chưa Cache đóng vai trị quan trọng việc nâng cao tốc độ truy xuất, truy xuất byte liệu RAM nói nhanh gấp ngàn lần truy xuất byte liệu từ ổ 153 đĩa Khi liệu tìm thấy nhớ cache, tức cache hit, hiệu suất cache đánh giá hit rate Hầu hết hệ thống cache sử dụng kỹ thuật smart caching, có nghĩa hệ thống ln ghi nhận số loại liệu thường sử dụng Chiến lược xác định thông tin lưu giữ vào nhớ cache vấn đề đặc biệt quan tâm khoa học máy tính Bài tập Bài Sơ đồ khối vi xử lý dùng để A Diễn tả chi tiết cổng logic Flip Flop dùng để thiết kế nên vi xử lý B Diễn tả mạch logic vi xử lý kết nối với thiết bị IO nhớ bên C Dùng để trình bày khối logic có chức xử lý liệu để giải vấn đề D Cả câu Đáp số: D Bài Hầu hết phép toán logic số học vi xử lý thực nội dung ô nhớ nội dung ghi với: A Nội dung ghi Accumulator B Nội dung ghi Program Counter C Nội dung ghi địa D Thanh ghi lệnh Đáp số: A Bài 3: Phân tích đoạn chương trình sau đây: MOV AL, AH MOV CX, 50 LAP: INC AL COMP AL, 0FH LOOPNE LAP Gợi ý: đoạn chương trình lặp, chương trình kết thúc AL = 0FH hay CX = 154 Bài 4: Hãy viết chương trình in chuỗi ký tự “lap trinh 8086” Gợi ý: xem ví dụ trang 124 Bài 5: Hãy viết chương trình nhập chuỗi ký tự chuyển chữ thường thành chữ hoa Gợi ý: xem ví dụ trang 126 YÊU CẦU ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP BÀI 2: Nội dung: + Về kiến thức: trình bày chức lệnh đả học + Về kỹ năng: Lập trình mơt số đơn giản + Về thái độ: Rèn luyện tính tỷ mỉ, xác, an tồn vệ sinh cơng nghiệp Phương pháp: + Về kiến thức: Được đánh giá phương pháp viết, trắc nghiệm + Về kỹ năng: Được đánh giá phương pháp thực hành + Về thái độ: Rèn luyện tính tỷ mỉ, xác, an tồn vệ sinh công nghiệp ... 0000 11 111 10 00 01 011 0000 2 0 010 11 011 01 3 0 011 11 110 11 4 010 0 011 0 011 5 010 1 10 110 11 6 011 0 10 111 11 7 011 1 11 10000 8 10 00 11 111 11 9 10 01 111 0 011 10 A 10 10 11 111 01 A 10 11 0 011 111 B 11 00 00 011 01. .. 00 01 +1 +1 0000 0 010 +2 +2 011 1 11 01 125 + 12 5 + 12 5 011 1 11 10 12 6 +12 6 +12 6 011 1 11 11 127 +12 7 +12 7 10 00 0000 12 8 -0 - 12 8 10 00 00 01 129 -1 - 12 7 10 00 0 010 13 0 -2 - 12 6 27 11 11 110 1... bước bước 3) Vídụ 1: 77 010 0 11 01 010 0 11 01 - 88 - 010 1 10 00 → + 10 10 10 00 - 11 11 11 010 1 Số 88 = 010 1 10 00 → số bù 10 10 011 1 → số bù 2: 10 10 10 00 28 Kết phép cộng số bù 11 11 010 1 có MSB = nên số