Vi xử lý, hay CPU (Central Processing Unit), là trái tim của mọi hệ thống máy tính, đảm nhiệm xử lý và thực hiện các lệnh từ phần mềm. Kiến trúc của một vi xử lý thường bao gồm các thành phần chính như Arithmetic Logic Unit (ALU) để thực hiện các phép toán số học và logic, Control Unit để điều khiển quá trình thực hiện lệnh, bộ nhớ cache để tăng tốc độ truy cập dữ liệu, và bộ đa nhiệm để xử lý nhiều công việc cùng một lúc. Vi xử lý thường được sản xuất với các công nghệ tiên tiến như FinFET để giảm tiêu thụ năng lượng và tăng hiệu suất. Tần số xung cao và số lõi xử lý nhiều đều là yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của một vi xử lý. Ngoài ra, hỗ trợ các bộ lưu trữ và giao tiếp với các thành phần khác trên bo mạch chủ là những tính năng quan trọng của vi xử lý. Điều này giúp đảm bảo tính tương thích và hiệu suất chung của hệ thống máy tính.
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ ***** GIÁO TRÌNH BÀI GIẢNG (Phương pháp đào tạo theo tín chỉ) TÊN HỌC PHẦN: KỸ THUẬT VI XỬ LÝ Mã học phần: ELE1317 PT IT (03 tín chỉ) Biên soạn TS VŨ HỮU TIẾN LƯU HÀNH NỘI BỘ Hà Nội, 11/2014 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, kỹ thuật điện tử có tiến vƣợt bậc, đặc biệt kỹ thuật chế tạo mạch vi điện tử Sự phát triển nhanh chóng kỹ thuật vi điện tử mà đặc trƣng kỹ thuật vi xử lý tạo bƣớc ngoặt quan trọng phát triển khoa học tính tốn xử lý thơng tin Nhờ mà vi xử lý đƣợc sử dụng rộng rãi không lĩnh vực máy tính điện tử mà cịn nhiều hệ thống điều khiển khác Để đáp ứng nhu cầu tìm hiểu kỹ thuật vi xử lý lập trình cho vi xử lý, giảng “Kỹ thuật vi xử lý” đƣợc biên soạn nhằm giới thiệu khái niệm vi xử lý nói chung, vi xử lý ARM cách lập trình hợp ngữ ARM nói riêng Bên cạnh đó, giảng giới thiệu vi điều khiển 8051 Đây vi điều khiển đơn giản bản, giúp sinh viên có đƣợc kiến thức tảng để tiếp cận vi điều khiển phức tạp Với nội dung trên, giảng đƣợc chia làm chƣơng nhƣ sau: IT Chƣơng Tổng quan vi xử lý Chƣơng Bộ vi xử lý ARM Chƣơng Lập trình hợp ngữ ARM PT Chƣơng Vi điều khiển 8051 Chƣơng Bộ đếm/định thời UART 8051 Chƣơng Lập trình ngắt 8051 Trong q trình biên soạn khơng tránh khỏi sơ suất, tác giả mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp độc giả để hồn thiện nội dung giảng Xin trân trọng cảm ơn! Chủ biên TS Vũ Hữu Tiến MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH SÁCH CÁC BẢNG CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ VI XỬ LÝ 10 1.1 Giới thiệu chung 10 1.2 Hệ vi xử lý 10 1.3 Các thành phần CPU 12 1.4 Kiến trúc CISC RISC 14 1.5 Tóm tắt lịch sử vi xử lý 15 CHƢƠNG BỘ VI XỬ LÝ ARM 17 2.1 Tổng quan vi xử lý ARM 17 Lịch sử phát triển vi xử lý ARM 17 2.1.2 Đặc điểm kiến trúc VT4 18 2.1.3 Đặc điểm kiến trúc V5 19 2.1.4 Đặc điểm kiến trúc V6 19 2.1.5 Đặc điểm kiến trúc V7 20 PT 2.2 IT 2.1.1 Kiến trúc thành phần bên ARM7 20 2.2.1 Kiến trúc tổng quát ARM 20 2.2.2 Sơ đồ chân ARM7 22 2.3 Chu trình liệu 24 2.3.1 Chu trình liệu chung ARM: 24 2.3.2 Dòng chảy lệnh tác vụ: 26 2.3.3 Dòng chảy lệnh tác vụ: 26 2.3.4 Dòng chảy lệnh tác vụ: 27 2.3.5 Dòng chảy lệnh tác vụ: 27 2.4 Các ghi 27 2.4.1 Con trỏ ngăn xếp, SP – R13 29 2.4.2 Thanh ghi kết nối 29 2.4.3 Thanh ghi đếm chƣơng trình 29 2.4.4 Thanh ghi trạng thái chƣơng trình - CPSR 29 2.5 Các chế độ hoạt động 30 2.6 Hệ thống ngắt 31 2.6.1 Chế độ ngoại lệ (Exception) 31 2.6.2 Ngắt mềm (Software Interrupt) 34 CHƢƠNG LẬP TRÌNH HỢP NGỮ ARM 35 3.1 Tổng quan tập lệnh ARM 35 3.2 Cấu trúc chung chƣơng trình 35 3.3 Biên dịch chạy chƣơng trình hợp ngữ cho ARM 36 3.4 Định dạng ô nhớ ARM 37 3.5 Các lệnh xử lý liệu 38 Lệnh di chuyển liệu ghi 39 3.5.2 Lệnh số học 39 3.5.3 Toán hạng đƣợc dịch quay 39 3.5.4 Lệnh logic 41 3.5.5 Lệnh so sánh 42 3.5.6 Lệnh nhân 43 IT 3.5.1 3.5.6.1 Lệnh nhân 32 bit 43 3.5.6.2 Lệnh nhân 64 bit 43 Các lệnh điều khiển chƣơng trình 43 3.7 Các lệnh trao đổi liệu ghi nhớ 44 PT 3.6 3.7.1 Trao đổi liệu ô nhớ ghi 44 3.7.2 Chế độ địa 45 3.7.3 Trao đổi liệu nhiều ô nhớ nhiều ghi 47 3.7.4 Trao đổi liệu ngăn xếp nhiều ghi 49 3.7.4.1 Hoạt động ngăn xếp 49 3.7.4.2 Trao đổi liệu ngăn xếp ghi 49 3.7.4.3 Hốn chuyển liệu nhớ ghi 50 3.8 Các lệnh dẫn chƣơng trình 51 3.9 Lập trình với ngắt mềm 52 3.10 Lập trình chế độ Thumb 54 3.10.1 Tập ghi Thumb 54 3.10.2 Chuyển từ chế độ ARM sang Thumb ngƣợc lại 55 3.10.3 Các lệnh chế độ Thumb 56 3.10.3.1 Đặc điểm tập lệnh Thumb 56 3.10.3.2 Các lệnh chế độ Thumb 56 CHƢƠNG VI ĐIỀU KHIỂN 8051 58 4.1 Tổng quan họ vi điều khiển 8051 58 4.2 Cấu trúc tổng quát vi điều khiển 58 4.3 Sơ đồ chức chân tín hiệu VĐK8051 60 4.4 Tổ chức nhớ 62 4.4.1 Tổ chức nhớ RAM nội 62 4.4.2 Các ghi chức đặc biệt 64 4.4.3 Truy xuất nhớ 69 4.5 Các chế độ định địa VĐK 8051 70 Định địa ghi 70 4.5.2 Định địa tức thời 71 4.5.3 Định địa trực tiếp 71 4.5.4 Định địa gián tiếp 71 4.5.5 Định địa chỉ số 72 4.6 IT 4.5.1 Khung chƣơng trình hợp ngữ 8051 72 Khuôn dạng chƣơng trình hợp ngữ 72 4.6.2 Biên dịch chƣơng trình 73 4.6.3 Cấu trúc chƣơng trình hợp ngữ 74 4.7 PT 4.6.1 Tập lệnh vi điều khiển 8051 74 4.7.1 Nhóm lệnh chuyển số liệu 74 4.7.2 Nhóm lệnh số học 75 4.7.3 Nhóm lệnh logic 77 4.7.4 Nhóm lệnh rẽ nhánh 80 4.7.5 Nhóm lệnh xử lý bit 86 CHƢƠNG BỘ ĐẾM/ĐỊNH THỜI VÀ UART TRONG 8051 88 5.1 Giới thiệu 88 5.2 Nguyên lý hoạt động định thời 89 5.3 Các ghi dùng cho đếm/định thời 90 5.3.1 Các ghi Timer 90 5.3.2 Các ghi Timer 90 Thanh ghi chế độ định thời (TMOD) 90 5.3.3 5.3.3.1 Các chế độ định thời 91 5.3.3.2 Nguồn đồng hồ cho định thời 91 5.3.3.3 Bit cổng GATE 92 Thanh ghi điều khiển định thời (TCON) 92 5.3.4 5.4 Các chế độ định thời 93 5.4.1 Chế độ định thời 93 5.4.2 Chế độ định thời 93 5.4.3 Chế độ định thời 94 5.4.4 Chế độ định thời 94 5.5 Lập trình cho đếm/định thời 94 Lập trình chế độ 94 5.5.2 Lập trình chế độ 95 5.5.3 Lập trình chế độ 95 5.5.4 Lập trình đếm 97 Tốc độ baud cho cổng nối tiếp 97 Thanh ghi điều khiển chế độ hoạt động cổng nối tiếp 98 5.6.1 PT 5.6 IT 5.5.1 5.6.1.1 Thanh ghi SBUF 98 5.6.1.2 Thanh ghi điều khiển nối tiếp SCON 98 5.6.1.3 Khởi động truy xuất ghi 99 CHƢƠNG LẬP TRÌNH NGẮT TRONG 8051 102 6.1 Các ngắt 8051 102 6.2 Lập trình ngắt định thời 103 6.3 Lập trình ngắt phần cứng bên ngồi 106 6.4 Ngắt theo mức 106 6.4.1 Lấy mẫu ngắt theo mức 107 6.4.2 Ngắt theo sƣờn 108 6.4.3 Lấy mẫu ngắt theo sƣờn 109 6.5 Lập trình ngắt truyền thơng nối tiếp 110 6.6 Các mức ƣu tiên ngắt 8051 111 6.6.1 Các mức ƣu tiên mặc định 111 6.6.2 Thiết lập mức ƣu tiên ngắt với ghi IP 111 PT IT TÀI LIỆU THAM KHẢO 113 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1 Sơ đồ khối hệ vi xử lý 11 Hình Cấu trúc tổng quát CPU 13 Hình Các mốc lịch sử đời vi xử lý ARM 18 Hình 2 Sơ đồ khối kiến trúc vi xử lý ARM 21 Hình Sơ đồ chân tín hiệu ARM 23 Hình Chu trình liệu chung ARM 25 Hình Sơ đồ dòng chảy tác vụ 26 Hình Sơ đồ dịng chảy tác vụ 26 Hình Tổ chức ghi ARM7 28 Hình Thanh ghi bit, 16 bit 32 bit 28 Hình Thanh ghi trạng thái chƣơng trình 29 Hình 10 Thanh ghi trạng thái chƣơng trình 30 Hình 11 Chuyển từ chế độ User sang chế độ FIQ 33 PT IT Hình Định dạng Big - endian 37 Hình Định dạng Little - endian 37 Hình 3 Mơ tả lệnh LSL 40 Hình Mô tả lệnh ROR 40 Hình Mô tả lệnh RRX 41 Hình Chế độ Pre-index 46 Hình Chế độ Auto-index 46 Hình Chế độ Post-index 47 Hình Hoạt động trỏ SP 50 Hình 10 Mơ tả lệnh SWP 50 Hình 11 Căn chỉnh ô nhớ 52 Hình 12 Ánh xạ ghi Thumb sang ghi ARM 55 Hình Cấu trúc vi điều khiển 8051 59 Hình Sơ đồ chân vi mạch 8051 61 Hình Tổ chức bên RAM nội 8051 63 Hình 4 Chức ghi A 64 Hình Thanh ghi trạng thái chƣơng trình 64 Hình Dữ liệu có dấu 65 Hình Thanh ghi PCON 68 Hình Hoán chuyển chức cổng P0 69 Hình Truy xuất nhớ chƣơng trình ngồi 69 Hình 10 Truy xuất nhớ liệu 70 Hình 11 Các bit ghi 70 Hình 12 Mã lệnh ACALL 81 Hình 13 Mã lệnh lệnh LCALL 81 Hình 14 Mã lệnh lệnh SJMP 82 Hình 15 Mã lệnh lệnh AJMP 82 Hình 16 Mã lệnh lệnh LJMP 83 Hình Cấu tạo đếm/định thời 88 Hình Thanh ghi Timer0 90 Hình Thanh ghi Timer1 90 Hình Thanh ghi TMOD 90 Hình 5 Nguồn đồng hồ cho định thời 91 Hình Chức bit GATE 92 Hình Chế độ 93 Hình Chế độ 93 Hình Chế độ 94 Hình 10 Thanh ghi SCON 98 PT IT Hình Thanh ghi cho phép ngắt 103 Hình Ngắt định thời TF0 TF1 104 Hình Thời gian tối thiểu dành cho ngắt mức thấp 108 Hình Thời gian xung tối thiểu để phát ngắt theo sƣờn với XTAL = 11.0592MHz 109 Hình Thanh ghi ƣu tiên ngắt IP 111 DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng Các chế độ hoạt động ARM 30 Bảng 2 Chế độ ngoại lệ ARM 31 Bảng Thứ tự ƣu tiên ngoại lệ 33 Bảng Các điều kiện kèm với lệnh 38 Bảng Một số số hiệu ngắt thông dụng 53 Bảng 3 Các lệnh chế độ Thumb 57 Bảng Chức chân Port 60 IT Bảng Các bit ghi TMOD 91 Bảng Các chế độ định thời 91 Bảng Các bit ghi TCON 93 Bảng Bảng tốc độ baud 98 Bảng 5 Các chế độ truyền nối tiếp 99 PT Bảng Bảng vector ngắt 102