Bài giảng kỹ thuật vi xử lý

Quá trình phát triển của máy vi tính Máy tính IBM PC được khởi đầu từ một công trình của một phòng thí nghiệm tại Atlanta - Mỹ, trong đó hãng IBM đã không sử dụng bộ xử lý của bản hãng m

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN KHOA KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ -  - BÀI GIẢNG Kỹ thuật Vi xử lý Biên soạn: GVC ThS Nguyễn Đình Luyện Bộ mơn: Điện tử - Viễn thơng Tài liệu lưu hành nội Nguyễn Đình Luyện Bài giảng Kỹ thuật Vi Xử Lý Khoa Kỹ thuật & Công nghệ - Đại học Quy Nhơn CHƯƠNG I CÊu tróc hệ máy tính B vi x lý cú mặt máy vi tính phát triển vi xử lý trung tâm dùng phận chủ chốt máy tính hệ trước Để nắm bắt tính liên tục tính kế thừa phát triển này, trước giới thiệu vi xử lý ta điểm lại lịch sử phát triển ca cỏc loi mỏy tớnh 1.1 Lịch sử phát triĨn m¸y tÝnh Khi nãi vỊ ngn gèc xa x­a máy tính điện tử, người ta thường nhắc đến bàn tính gẩy tay người phát minh vào khoảng 3000 năm trước công nguyên thành phố Babilon Sau này, với phát triển văn minh nhân loại, người đà phát minh hàng loạt phương tiện công cụ tính toán khác Tuy mÃi thể kỷ thứ 17, người thực chế tạo thành công máy tính học thực phép tính cộng trừ Người có công đầu chế tạo máy tính nhà bác học người Pháp Blase Pascal (1623-1662) Chiếc máy ông chế tạo lúc 19 tuổi Tên ông sau đặt cho ngôn ngữ lập trình có cấu trúc tiếng - Ngôn ngữ Pascal Nền móng lý thuyết quan trọng đặt tiền đề cho việc xây dựng máy tính điện tử sau công trình nhà toán học Geogre Boole "Phân tích toán học phép logic-số" phát minh vào năm 1847 Điều thú vị phát minh ứng dụng suốt kỷ 19 song lại sở quan trọng cho hàng loạt ứng dụng cho thiết bị gần 100 năm sau Phương pháp lôgic toán học ông sau đà trở thành ngành khoa học có tên gọi Logic Bool hay Đại số Bool Năm 1930 máy tính tương tự nhà bác học người Mỹ Vanevar Bush xây dựng đến năm 1944 giáo sư Howard Aiken hÃng IBM - hÃng hàng đầu sản xuất máy tính giới hoàn thiện Song năm khai sinh máy tính điện tử đại giới ghi nhận năm 1946 Trung tâm nghiên cứu đường đạn Trường đại học Pensylvania Mỹ Người có ý tưởng xây dựng máy tính điện tử John Mauchley học trò ông J Presper Eckert Năm 1943 hai ông đà thuyết phục quân đội Mỹ cấp tiền cho việc thiết kế chế tạo máy tính điện tử Máy tÝnh Nguyễn Đình Luyện Bài giảng Kỹ thuật Vi Xử Lý Khoa Kỹ thuật & Công nghệ - Đại học Quy Nhn có tên gọi ENIAC - Electronic Numerical Integrater Analizer and Computer - thiết bị tổng hợp phân tích tính toán kỹ thuật điện tử số Máy tính ENIAC có 18.000 bóng đèn điện tử, 1500 rơ le, nặng 30 tấn, tiêu thụ 174 KW điện chiếm trọn gian phòng rộng 200 m2 Về cấu trúc, máy có 20 ghi, ghi chứa số thập phân 10 chữ số Máy tính Unisys từ công ty máy tính Eckert-Mauchley Sau hệ máy tính điện tử ENIAC này, nhiều nhà khoa học đà lao vào xây dựng, thiết kế máy tính điện tử theo ý tưởng mình, có John von Neumann Ông thiên tài đặc biệt, nhà vËt lý häc, to¸n häc nỉi tiÕng thÕ giíi ng­êi Đức, ông nói nhiều ngoại ngữ, có khả trích dẫn nguyên văn từ trí nhớ đoạn sách mà ông đà đọc từ nhiều năm trước Khi xây dựng máy tính ông đà đề xuất ý tưởng chương trình máy tính biểu diễn dạng số đặt vào nhớ máy tính bên cạnh liệu Cũng ông đề nghị sử dụng số nhị phân thay cho số thập phân máy tính ENIAC Máy tính xây dựng nguyên lý ông đề xuất gọi máy von Neumann sở quan trọng cho hầu hết máy tính điện tử số sau cho dù đà nửa kỷ đà trôi qua Ngày máy vi tính đà chiếm lĩnh thị trường rộng lớn có ảnh hưởng sâu sắc đến mặt đời sống xà hội Nói đến máy tính, người ta liên tưởng đến máy vi tính tương thích IBM PC Lịch sử máy vi tính gắn liền với chặng đường phát triển máy tính IBM-PC Quá trình phát triển máy vi tính Máy tính IBM PC khởi đầu từ công trình phòng thí nghiệm Atlanta - Mỹ, hÃng IBM đà không sử dụng xử lý hÃng mà dùng vi xử lý rẻ hÃng khác Intel, Motorola Zilog Từ năm 1979 đến 1980 thêi kú mµ IBM hoµn thµnh thiÕt kÕ vµ cho đời máy tính Damaster Máy dùng vi xư lý 16 bit 8086 cđa Intel CÊu tróc c¬ máy vi tính cá nhân sau xây dựng sở thiết kế Damaster Vào năm 1980 kế hoạch sản xuất máy vi tính cá nhân thức thực Khái niệm PC (Personal Computer) Chiếc IBM PC đầu tiªn dïng bé vi xư lý bit cđa Intel - 8085 Sang năm 1981, 1982 , sau Intel cho ®êi bé vi xư lý 8086, Nguyễn Đình Luyện Bài giảng Kỹ thuật Vi Xử Lý Khoa Kỹ thuật & Công nghệ - Đại học Quy Nhơn hÃng IBM đà sử dụng cho thiết kế máy vi tÝnh 8086 lµ bé vi xư lý 16 bit liệu bên trong, song bên bit liệu nhằm tương thích với thiết bị ngoại vi chủ yếu bit thời Máy tính có tên gọi XT (eXtended Technology) Vào năm 1984, Intel cho đời vi xử lý 16 bit hoµn thiƯn 80286, tøc lµ 16 bit liệu lẫn ngoài, IBM đà dùng để thiết kế máy tính PC-AT (Advanced Technology) Năm 1987 mét thÕ hƯ vi xư lý 32 bit míi ®êi, ®ã lµ 80386, vµ kÌm theo ®ã lµ thÕ hệ máy vi tính 32 bit Tuy nhiên từ đây, IBM không công khai thiết kế máy tính họ muốn sở hữu riêng số thiết kế PS/2, microchannel Cũng nên biết rằng, công khai cấu trúc IBM PC mà hÃng khác có điều kiện sản xuất máy tương thích, nhờ mà IBM PC trở thành cấu trúc chuẩn công nghiệp Trái lại, thiết kế kín PS/2 chuẩn Microchannel đà hoàn toàn thất bại thị trường Từ năm 1990 đến hệ máy vi tính đà liên tục đời Các hệ máy tính gắn liền với đời vi xử lý tiên tiến Đó vi xử lý 80486 với kiến trúc 32 bit đồng xư lý bªn (1989), bé xư lý Pentium cã cấu trúc siêu tỷ lệ cache bên (1992), Pentium MMX chuyên cho xử lý đa phương tiện (1997), Pentium II kết hợp công nghệ tiên tiến là: Thi hành động lệnh, công nghệ MMX kiến trúc bus độc lập kép để nâng cao hiệu xử lý (1997), Pentium III bổ sung thêm tính bảo mật mạng xử lý lệnh đơn cho đa liệu nhằm tăng khả xử lý ảnh (1999) vµ hiƯn lµ Pentium víi kiĨu vi kiến trúc Neburst (2000) Kỹ thuật công nghệ ngày phát triển, liên tục hệ vi xử lý với hệ máy tính đời Tuy nhiên cấu trúc chung máy tính dựa cấu trúc Kể từ ngày người phát minh máy tính điện tử đến nay, máy tính đà phát triển qua nhiều thời kỳ giai đoạn khác Có thể phân loại máy tính sau: 1.2 Phân loại Có nhiều cách phân loại máy tính Có thể phân loại theo công nghệ, theo tính năng, theo xử lý theo kích thước Phân loại theo công nghệ Nguyễn Đình Luyện Bài giảng Kỹ thuật Vi Xử Lý Khoa Kỹ thuật & Công nghệ - Đại học Quy Nhn Cho đến nay, xét theo phát triển công nghệ máy tính phân thành hệ khác hệ thể cho trình độ công nghệ - ThÕ hƯ 1: tõ 1950 - 1959 C¸c m¸y tÝnh hệ xây dựng từ bóng đèn điện tử Năng lực tính toán chậm, hàng ngàn phép tính/giây, tiêu thụ điện lớn chiếm nhiều kh«ng gian - ThÕ hƯ 2: tõ 1959 - 1963: Đặc trưng hệ sử dụng bóng bán dẫn để xây dựng xử lý trung tâm mạch điện máy tính, nhờ tăng đáng kể tốc độ thực máy tính đạt cỡ chục lần nhanh so với máy hệ Ngoài ra, kích thước độ tin cậy máy tính cải thiện đáng kể - Thế hệ 3: khoảng thời gian từ 1964 đến 1974 Thế hệ gắn liền với xuất ứng dụng mạch vi điện tử (IC - Integrated Circuit) Máy tính đà có kích thước gọn hơn, khả tính toán lớn hơn, tốc độ đạt gấp ngàn lần so với hƯ (cì triƯu phÐp tÝnh/gi©y) ViƯc xư lý song song ngày tăng hệ - Thế hệ 4: từ 1974 đến Là thời kỳ máy vi tính với lực tính toán lớn Công nghệ máy tính thời kỳ liên quan tới việc sử dụng mạch tích hợp cực lín (VLSI - Very Large Scale Integration) víi dung l­ỵng 100.000 tranzystor/chip vào năm 70 hàng chục triệu tranzystor/chip ngày Nhờ có công nghệ VLSI mà toàn CPU, nhớ hay thiết bị tương tự khác xây dựng gọn chip Tốc độ hệ đạt tới hàng tỷ phép tính/giây - Thế hệ 5: M¸y tÝnh Neuron - Neural Network - Mét kü thuật trí khôn nhân tạo, bắt chước cách thức tổ chức tế bào thần kinh nối với nÃo người Người ta cung cấp thông tin cho mạng thần kinh để huấn luyện cho nhận biết vật mẫu nhằm đưa dự báo giải pháp xử lý thích ứng Tuy nhiên nên lưu ý hệ trình nghiên cứu, số mẫu máy tính thử nghiệm đà xuất vài năm trở lại khái niệm liên quan hình thành Theo phát triển công nghệ, máy tính thiết kế, xây dựng theo xu hướng chung là: - Mạnh tốc độ khả tính toán - Nhỏ kích thước Nguyn ỡnh Luyn Bài giảng Kỹ thuật Vi Xử Lý Khoa Kỹ thuật & Công nghệ - Đại học Quy Nhơn - TiÕt kiệm lượng Phân loại theo tính Các máy tính phân loại theo tính Có thể phân máy tính thành nhóm sau: - Siêu máy tính (Super Computer) loại máy tính có giá thành cao, thiết kế để thực phép tính phức tạp với tốc độ tính toán cực đại mà công nghệ đại cho phép Siêu máy tính dùng công trình nghiên cứu khoa học lớn, hệ thống động học phức tạp để nghiên cứu kinh tế nước Mỹ, chuyển động thiên hà Cray I, nghiên cứu thời tiết giới - Máy tính lớn (Computer mainframe) Loại máy tính nhiều người dùng, thiết kế để đáp ứng nhu cầu mét tỉ chøc lín VỊ ngn gèc tht ng÷ Mainframe (khung máy chính) trước dùng để vỏ hộp kim loại chứa đơn vị xử lý trung tâm (CPU) máy tính loại xưa Thuật ngữ đà thay đổi ý nghĩa nói chung dùng để máy tính trung tâm loại lớn chế tạo năm 1950-1960 Máy tính loại cỡ lớn quản lý hàng ngàn thiết bị đầu cuối - Máy tính Mini (MiniComputer) Một loại máy tính nhiều người sử dụng, thiết kế nhằm đáp ứng nhu cầu cho công ty nhỏ Máy tính mini mạnh máy tính cá nhân không mạnh máy tính lớn Nói chung có khoảng từ đến 100 người sử dụng máy tính mini lúc - Trạm công tác hay trạm làm việc- (Workstation) Trong mạng cục bộ, máy tính loại để bàn chạy chương trình ứng dụng đóng vai trò điểm để thâm nhập vào mạng - Máy tính cá nhân hay gọi máy PC (Personal Computer) loại máy tính sử dụng riêng người Đây máy tính độc lập trang bị đầy đủ phần mềm hệ thống, tiện ích, ứng dụng thiết bị vào ngoại vi khác mà cá thể cần để thực nhiều nhiệm vụ - Máy vi tính (Micro Computer) để máy tính có đơn vị xử lý trung tâm (hay gọi CPU-Central Processing Unit) vi xử lý (MicroProcessor) Máy vi tính xuất lần vào cuối năm 1970 Ngày máy vi tính thực chất mạnh, không máy tính lớn cách mươi năm trước Nguyễn Đình Luyện Bài giảng Kỹ thuật Vi Xử Lý Khoa Kỹ thuật & Công nghệ - Đại học Quy Nhn Hiện phân biệt máy tính mini (với nghĩa nhiều người dùng) máy tÝnh PC (víi nghÜa mét ng­êi dïng) dÇn dÇn trë nên không rõ ràng Bạn chuyển số máy vi tính mạnh thành máy tính mini cách trang bị thêm cho chúng thiết bị cuối từ xa Phân loại theo kích thước Máy tính phân loại theo kích th­íc nh­: - M¸y tÝnh lín (Mainframe) - M¸y tÝnh để bàn (Desktop) - Máy tính xách tay (Laptop), - Máy tính kiểu sổ tay (Notebook) Phân loại theo xử lý Đối với máy vi tính nay, vào vi xử lý để phân loại Dưới giới thiệu số dòng máy vi tính - Bộ vi xử lý h·ng Intel nh­: I8088, 80286, 80386, 80486, Pentium Pentium4 Các vi xử lý thường gọi chung là: X86 Các máy xử dụng vi xử lý Intel lµ Olivetti, IBM, Dell, Gateway, DNA, Compaq - Bé vi xư lý cđa h·ng Motorola M6800, M68000, M68052 (68X) Các máy xử dụng vi xử lý Motorola là: Machintosh, Apple, Admiga, - Bé vi xư lý cđa h·ng Zilog như: Z40, Z80 Các máy tính sử dung Bondwell, NEC, Sony Mỗi cách phân loại có ưu điểm riêng Có thể sử dụng riêng kiểu phân loại kết hợp tuỳ theo yêu cầu Nguyễn Đình Luyện Bài giảng Kỹ thuật Vi Xử Lý Khoa Kỹ thuật & Công nghệ - Đại học Quy Nhơn 1.3 CÊu tróc chung cđa hƯ m¸y vi tính Để hệ thống máy tính hoạt động thực chức đặt ra, cấu trúc phần cứng cần phải có chương trình phần mềm Phần cứng đối tượng vật lý hữu mạch chính, ổ đĩa cứng, ổ dĩa mềm, bàn phím, hình, nguồn nuôi, máy in, v.v Phần mềm chương trình máy tính Chương trình nhập từ bàn phím, ghi lên đĩa cứng, đĩa mềm chip vi mạch Chương trình bao gồm hệ điều hành giúp máy tính quản lý, vận hành hệ thống chương trình ứng dụng Tìm hiểu cấu trúc máy tính trước hết tìm hiểu cấu trúc phần cứng, nhiên tách rời với chương trình phần mềm Bus điều khiển Bus liệu ALU CU CPU C¸c ghi Bé nhí (RAM, ROM) Thiết bị vào (Bàn phím, chuột,ổ đĩa máy quét ) Phối ghép vào Thiết bị (màn hình, máy in,ổ đĩa, máy vẽ ) Bus địa Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ máy tính Tổ chức khối chức máy tính Nguyn ỡnh Luyện Bài giảng Kỹ thuật Vi Xử Lý Khoa Kỹ thuật & Công nghệ - Đại học Quy Nhơn Cho đến nay, nhiều hệ máy tính xây dựng phát triển dựa tư tưởng ban đầu Von Neuman Cấu hình chủng loại máy tính đa dạng, vậy, hệ thống máy tính, dù máy tính cá nhân nhỏ hay hệ máy tính lớn có cấu trúc chung Một hệ máy vi tính điển hình gồm có khối bản: xử lý trung tâm, nhớ, thiết bị vào, thiết bị nối ghép chúng hệ thống bus (Hình 2.1) Các máy vi tính đại xây dựng nguyên tắc đó, song mở rộng phát triển lên nhiều Hình 2.2 minh hoạ hệ thống máy tính xây dựng dựa xử lý Pentium Những phần sau có dịp tìm hiểu thêm hệ máy tÝnh thÕ hƯ sau cïng CPU Pentium (®ång xư lý, cache L1) Bus cđa bé vi xư lý (64 bit) §Ưm d÷ liƯu Bé nhí DRAM §iỊu khiĨn (bé nhí, đệm, PCI) Bộ đệm cache L2 Bus vào PCI (32 bit) §iỊu khiĨn (ISA, DMA, IRQ, CMOS Flash) Điều khiển IDE Điều khiển hiển thị Cổng bàn phím, chuột ổ đĩa cứng, CDROM Cổng hình Khe cắm ISA, PCI Bus vµo ISA (16 bit) Cỉng hång ngoại Điều khiển vào đa chức COM1 LPT ổ đĩa mềm Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ máy vi tÝnh dïng bé vi xư lý Pentium Nguyễn Đình Luyện Bài giảng Kỹ thuật Vi Xử Lý Khoa Kỹ thut & Cụng ngh - i hc Quy Nhn Đơn vị xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit) thành phần chủ đạo hệ thống máy tính, gọi xử lý hay xử lý trung tâm CPU nơi thực phần lớn phép toán, phép tính số học, phép tính lôgic biến đổi mà tương ứng máy vi tính ngày nay, CPU thường xây dựng vài vi mạch đóng chíp IC gọi vi xử lý P (microprocessor) Hai thành phần CPU là: đơn vị số học ALU (arithmetic logic unit) đảm nhiệm phép toán logic-số học đơn vị điều khiển CU (control unit) tiến hành chuyển lệnh tõ bé nhí, gi¶i m·, thùc hiƯn lƯnh hay chun tới ALU cần Bên cạnh đơn vị ALU, CU, CPU có tập hợp ghi Các vi xử lý đại ngày có thêm đơn vị dấu phẩy động FPU (Floating Point Unit) chuyên cho xử lý số thực đơn vị đa phương tiện MU (Multimedia Unit) chuyên cho xử lý đa phương tiện Bộ nhớ (memory) hay gọi nhớ chính, phËn hÕt søc quan träng cđa hƯ m¸y tÝnh Bé nhớ thực việc lưu trữ thông tin phục vụ cho trình trao đổi thông tin Bộ nhớ máy tính thực chất nhớ để phân biệt với khái niệm nhớ mà nhiều tài liệu hay sử dụng để thiết bị lưu trữ liệu từ tính đĩa cứng, đĩa mỊm ë c¸c hƯ m¸y vi tÝnh, ng­êi ta sư dơng bé nhí b¸n dÉn bao gåm bé nhí truy cập ngẫu nhiên RAM (random-access memory) hay gọi nhớ ghi đọc nhớ đọc ROM (read-only memory) Ngoài nhớ RAM, ROM, hệ máy tính có số dạng nhớ khác nhớ đọc lập trình PROM (programmable read-only memory), nhớ PROM xoá tia cùc tÝm gäi lµ EPROM (erasable programmable read-only memory) nhớ PROM xoá điện - EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory) Khèi phèi ghÐp vµo/ra (I/O) tạo khả giao tiếp máy tính giới bên Các thiết bị ngoại vi hình, bàn phím, máy in, biến đổi D/A, A/D, thiết bị đo lường điều khiển liên hệ với máy tính qua phận mà cụ thể cho thiết bị cổng Thiết bị vào thực biến đổi tín hiệu tự nhiên cho người sang dạng mà máy để vi xử lý thực Thiết bị vào thông dơng nhÊt cã thĨ kĨ nh­ bµn phÝm, cht, máy quét scaner, thiết bị phân tích nhận dạng tiếng nói, CD-ROM Thiết bị biến đổi mà bên máy tính sau xử lý để ng­êi