tiểu luận nhập môn ngành điện tổng quan về vi xử lý vi điều khiển hiện đại

Chỉ trong vòng 100 năm ngắn ngủi, thành tựu mà chúng ta đạt đượcđã vượt xa tất cả những gì mà nhân loại đã làm được kể từ lúc xã hội thành hình.Và để điều đó thành hiện thực, ta không th

KHOA KĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN-TỰ ĐỘNG HÓA

TIỂU LUẬN NHẬP MÔN NGÀNH ĐIỆN

TỔNG QUAN VỀ VI XỬ LÝ/VI ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI

Họ và tên sinh viên: Phạm Minh Vũ

Mã sinh viên: 20232381

Lớp: TĐH-01

Giáo viên hướng dẫn: Đặng Văn Mỹ

Hà Nội năm 2024

Mục Lục

I Giới thiệu về vi xử lý và vi điều khiển……… 4

A Lịch sử phát triển……….4

B Vai trò trong hệ thống nhúng……….6

II Cấu trúc của vi xử lý và vi điều khiển……… 7

A Cấu trúc của vi xử lý………7

1 Thành phần cấu tạo … ……… 7

2 Nguyên lý hoạt động……… 7

3 Các kiến trúc phổ biến của vi xử lý……….……… 10

B Cấu trúc của vi điều khiển……….11

1 Thành phần cấu tạo ………11

2 Nguyên lý hoạt động………13

3 Các họ vi điều khiển thông dụng……….14

III Vai trò của vi xử lý và vi điều khiển………14

IV Ứng dụng của vi xử lý và vi điều khiển……… 16

A Ứng dụng của vi xử lý ……… … 16

B Ứng dụng của vi điều khiển……… 16

V Thách thức và đổi mới……….17

A Các khó khăn còn hiện hữu……… 17

B Các công nghệ đang được phát triển………18

VI Kết luận ……… 20

Lời mở đầu:

Từ thế kỉ XX, khoa học và công nghệ của nhân loại đã đạt được hàng loạt bướctiến mạnh mẽ Chỉ trong vòng 100 năm ngắn ngủi, thành tựu mà chúng ta đạt được

đã vượt xa tất cả những gì mà nhân loại đã làm được kể từ lúc xã hội thành hình

Và để điều đó thành hiện thực, ta không thể phủ nhận những đóng góp to lớn củacác công nghệ tiên tiến, với đại diện tiêu biểu là hai phát kiến có tầm ảnh hưởng rấtlớn đến nên công nghệ ngày nay:

Thứ nhất, là sự phát minh ra Laser, thứ đã tạo ra một cuộc cách mạng trong khoahọc và kĩ thuật, đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như điện tử, y tế,hàng không vũ trụ và nhiều lĩnh vực khác

Và thứ hai, là sự ra đời của Tranzitor, đã kích thích sự phát triển của vi điện tử,công nghệ “vi mô”, với hai đại diện là Vi xử lý (Microprocessor) và Vi điều khiển(Microcontroller)

Ngày nay, với sự phát triển của cả khoa học lẫn kinh tế, cơ hội để ta tiếp cận nhữngthiết bị công nghệ cao đã không còn là việc gì đó quá khó khăn nữa, và việc đượctiếp xúc với chúng cũng đã cho chúng ta cơ hội tiếp xúc với các thuật ngữ như “Vi

xử lý” hay “Vi điều khiển” Nhưng, khách quan mà nói, hiểu biết của chúng ta vềchúng vẫn còn rất hạn chế Công nghệ vi xử lý và vi điều khiển phát triển mạnhvào đầu những năm 70 của thế kỉ XX, thời kì mà chúng ta vẫn còn đang trong caotrào của cuộc kháng chiến chống Đế Quốc Mỹ nên rất khó để cho nó xuất hiện trênthị trường chúng ta, chứ chưa nói việc mua bán chúng Mãi tới khi chúng ta ổnđịnh được về mặt chính trị-xã hội thì chúng đã được ứng dụng rất sâu vào nhiềumặt của cuộc sống, khiến cho người thường khó mà bắt kịp để hiểu rõ Nhưng,chắc chắn mỗi người trong chúng ta, khi mà chứng kiến sự bùng nổ từng ngày củakhoa học và công nghệ, đã luôn có ít nhất một lần đặt câu hỏi cho mình rằng: Vi xử

lý và Vi điều khiển là gì? Chặng đường phát triển của chúng ra sao? Chúng đãđược ứng dụng vào những khía cạnh nào của cuộc sống?

Bài tiểu luận này được sinh ra với mong muốn trả lời được phần nào những câu hỏitrên, đồng thời cung cấp thêm những thông tin căn bản về lĩnh vực này

I Giới thiệu về vi xử lý và vi điều khiển

A Lịch sử phát triển

1 Vi xử lý

Vi xử lý và vi điều khiển đã trải qua một quá trình phát triển dài và khá đáng

kể trong toàn bộ tiến trình lịch sử của công nghệ điện tử Lần đầu xuất hiện vàonhững năm đầu của thập kỷ 70 của thế kỷ XX, các vi xử lý 4-bit và 8-bit được sửdụng trong các các thiết bị đầu cuối (USB, máy quét,…), máy in, hay các loại hệthống tự động Các hãng sản xuất vi xử lý đầu tiên của thời kì này có thể kể đếnnhư Intel, Garrett AiResearch và Texas với ba đại diện lần lượt là các dòng chip:Intel 4004, Central Air Data Computer và TMS 1000

Tiếp nối sự ra đời của các vi xử lý 4bit, ngoài các vi xử lý 8bit được nângcấp, vi xử lý 16bit và 32bit cũng được cho ra đời Cho tới giữa những năm 70 củathế kỷ XX, lần đầu tiên các vi xử lý 8bit với 16bit địa chỉ được đưa vào sử dụngnhư một máy tính với đa mục đích sử dụng Mở đầu là dòng Intel 8080, được sảnxuất lần đầu tiên vào năm 1974, tiếp sau đó là Motorola 6800 (1974) và Zilog Z80(1976) Vi xử lý 16bit tuy đã được sản xuất lần đầu vào năm 1973 bởi NationalSemiconductor với dòng chip IMP-16, tuy thế đây lại là vi xử lý đa chip Mãi chotới năm 1975, hãng này mới cho ra được vi xử lý 16bit đơn chip đầu tiên, rồi sau

đó Intel và Texas Instrument cũng công bố sản phầm của mình, với hai đại diện làIntel 8086 và TI-990 Tuy thế, chỉ sau một thời gian ngắn, vi xử lý 32bit đã bắt đầuxuất hiện trên thị trường

Mở đầu cho thời đại của vi xử lý 32bit là dòng MC 6800 của Motorola Tuy

là có 32bit thanh ghi, nhưng vi xử lý của Motorola lại sử dụng đường dẫn dữ liệu16bit trong và 16bit ngoài để giảm số lượng pin, và chỉ hỗ trợ 24bit địa chỉ, nênmặc cho cấu trúc 32bit của nó, người ta vẫn thường chỉ biết dến nó như một conchip 16bit Tới năm 1980, lần đầu tiên một chiếc vi xử lý 32bit đầy đủ được tạo ra,với tên dòng là BELLMAC-32A do AT&T chế tạo Intel cũng cho ra dòng chip32bit của mình là iPAX 432 vào năm 1981, nhưng lại không mấy thành công.Năm 1985, một bước tiến lớn được thực hiện với công nghệ “vi mô”, với sự

ra đời của vi xử lý ARM đầu tiên Với thiết kế RISC (reduced instruction setcomputer - máy tính có tập lệnh rút gọn), các vi xử lý ARM đã được ứng dụng chủyếu trong các thiết bị di động

Không lâu sau, và khoảng từ đầu những năm 1990 đến đầu những năm 2000,

vi xử lý 64bit đã được thiết kế ra với mục tiêu là thị trường máy tính cá nhân đangbùng nổ vào thời điểm ấy Vi xử lý AMD 64bit tương thích ngược với x86, x86-64hay còn gọi là AMD64 được công bố lần đầu vào năm 1999, tiếp theo nó là sựthành công của Intel64 Kể từ ấy, kỷ nguyên của máy tính 64bit đã bắt đầu, và pháttriển tới ngày nay

2 Vi điều khiển

Vi điều khiển có một một lịch sử gắn liền với sự phát triển của vi xử lý Banđầu, tới trước những năm 80 của thế kỉ XX, hấu hết các linh kiện điện tử vẫn đượctạo ra bằng cách kết hợp các mạch với rất nhiều chip Mãi cho tới năm 1980, một

số nhà sản xuất mới thử nghiệm việc tích hợp vi xử lý vào sản phẩm của mình đểgiảm số lượng chịp, từ đó giảm đáng kể chi phí sản xuất và giá bán trên thị trường.Các kỹ sư và nhà thiết kế nhận ra rằng, khi họ tích hợp vi xử lý vào thiết bị, khôngnhững nó giúp cho hiệu suất được nâng cao, mà còn giúp giảm chi phí sản xuất vàcập nhật khi xảy ra lỗi hay phát hiện lỗi trong thiết kế ban đầu Dần dần, như một

xu thế, ngày càng nhiều nhà sản xuất nhận ra sự hữu dụng của việc tích hợp vi xử

lý, và ngày càng có nhiều sản phẩm có vi xử lý ở trung tâm của chúng

Nhưng, mặc cho những lợi ích đáng kể mà nó mang lại, theo thời gian, vấn

đề lại sinh ra Dù vi xử lý là một cải tiến lớn so với những gì nó thay thế được,nhưng nó không phải là một giải pháp toàn diện để giảm độ phức tạp và chi phí củasản phẩm Vấn đề là, để cho một vi xử lý có thể hoạt động một cách trơn tru, nócần phải được hỗ trợ bởi một lượng lớn chip bảo đảm đầu vào-đầu ra (in-out), vàcác chip hỗ trợ khác như chip đồng hồ thời gian thực (real-time clock chip - RTC)

và bộ giải mã địa chỉ Đến những năm 1990, các kỹ thuật để xửu lý silic và côngnghệ sản xuất chip được cải tiến, làm tăng số lượng mạch có thể tích hợp lên mộtcon chip Và một trong những ứng dụng của bước tiến này là bổ sung các chứcnăng và tính năng bổ tương đương với các chip phụ trợ vào trong một vi xử lý.Nhưng nó đã khiến cho sản phẩm được sinh ra trở nên phức tạp hơn nhiều so vớingười tiền nhiệm, trở thành một nhánh riêng của linh kiện điện tử Và để phân biệt

nó với những người tiền nhiệm đơn giản hơn, nó được gọi với cái tên:”vi điềukiển” Một số ví dụ có thể kể đến vế các chức năng đã chuyển từ chip ngoài sangthành một phần của vi điều khiển là:

Cổng nối tiếp cho phép hệ thống con giao tiếp với máy tính để bàn hoặc cácthiết bị trang bị cổng RS232.

Kênh kĩ thuật số nối tiếp để các vi điều khiển giao tiếp với nhau chỉ thôngqua dây kết nối

Bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự cho phép vi điều khiển tương tácvới các thiết bị ngoài như động cơ cần điện áp biến thiên liên tục

Bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số cho phép một hệ thống vi điềukhiển cảm nhận được các tín hiệu tương tự và lưu trữ hoặc xử lý chúng dướidạng dữ liệu kỹ thuật số

Cổng đầu ra để cảm nhận các trạng thái bật /tắt của các thiết bị ở thế giớithực

Cổng đầu ra để bật/tắt các vật ở thế giới thực

II Cấu trúc của vi xử lý và vi điều khiển

A Cấu trúc vi xử lý

1 Thành phần cấu tạo

Tất cả các vi xử lý chúng ta sử dụng hiện nay đều cấu thành từ 3 thànhphần chính, bao gồm:

Đơn vị logic số học ( Arithmetic logic unit - ALU): là một

mạch điện tử thực hiện phép tính số học và logic, với chức năngthực hiện các phép toán số học và logic, sau đó trả lại kết quảcho thanh ghi và bộ nhớ

Thanh ghi (Registers): Có vai trò là một vị trí lưu trữ tạm thời

trong vi xử lý Tùy vào nhu cầu sử dụng, chúng sẽ đóng vai trò

là nơi chứa dữ liệu hoặc trỏ về hướng mà dữ liệu được lưu trữ.Các thanh ghi được phân ra làm ba loại chính: Thanh ghi đãchức năng, Thanh ghi chuyên dụng và Thanh ghi bộ nhớ Trongquá trình hoạt động, tùy theo nhu cầu mà dữ liệu của chúng sẽđược lưu trữ hoặc trích xuất một cách phù hợp để đảm bảo hoạtđộng của vi xử lý được diễn ra một cách trơn tru

Khối điều khiển (Control unit - CU): đóng vai trò trong việc

chỉ cho bộ nhớ tron của máy tính cách mà nó nên phản ứng vớicác chỉ dẫn được đưa tới, và điều khiển luồng dữ liệu giữa vi xử

lý và hệ thống

Sơ đồ khối của vi xử lý có thể được trình bày đơn giản như sau:

2 Nguyên lý hoạt động

Hoạt động của vi xử lý tuân theo chu trình gồm ba giai đoạn: tìm nạp, giải mã và thực thi Các giai đoạn diễn ra như sau:

2) Đăng ký địa chỉ bộ nhớ: Thông qua các chân địa chỉ của CPU, thứ được nối với các chân địa chỉ của RAM, thanh địa chỉ bộ nhớ (Memory address register - MAR) sẽ sao chép nội dung của PC và gửi về chính RAM

3) Trong trường hợp CPU phải thực hiện đọc bộ nhớ, thanh ghi dữ liệu bộ nhớ (Memory data register - MDR) sẽ sao chép nội dung của địa chỉ bộ nhớ ấy vào một thanh ghi nằm bên trong CPU, thứ chỉ đóng vai trò là một thanh ghichuyển tạm thời trước khi dữ liệu của nó được sao chép vào thành ghi lệnh MDR, khác với MAR, được kết nối trực tiếp với các chân dữ liệu của RAM chứ không phải các chân địa chỉ và trong trường hợp lệnh ghi, nội của những gì người dùng muốn ghi trong RAM cũng sẽ đượcghi trong MDR

4) Đăng ký chỉ dẫn: Kết thúc giai đoạn tìm nạp là ghi lệnh vào thanh ghi lệnh, sau đó khối điều khiển sẽ sao chép nội dung của nó để chuẩn bị cho giai đoạn hai: Giải mã

Giai đoạn hai: Giải mã

-Giai đoạn thứ hai này sẽ cho vi xử lý biết nó đang được hướng dẫn để làm gì Tất cả các CPU đều mã hóa các lệnh, thường là các opcode chỉ định hành động của lệnh đó (ví dụ lệnh cộng có thể mang giá trị byte 0x02, phép trừ là 0x01, v.v.) Nhưng tuy nhiên, việc mã hóa này có phần ngẫu nhiên, không có một quy chuẩn nhất định cho tất cả Vì bản thân những con số không

hướng dẫn máy tính phải làm gì, nên nó sẽ phải giải mã các lệnh ấy-hay nói đúng hơn, là tra cứu.

-Những gì mà giai đoạn giải mã làm sẽ là ánh xạ các con số mà

vi xử lý nhận được với những hành động thực tế của lệnh Việc này, thường sẽ liên quan tới việc tra cứu opcode trong cấu trúc

dữ liệu, ví dụ như trong bộ nhớ chỉ đọc (Read only memory - ROM) Việc này cũng tương tự như việc ta nhận một nhiệm vụ

từ cấp trên theo một lệnh được mã hóa, và ta phải sử dụng bảng

mã hay một cuốn hướng dẫn để dịch nó thành nhiệm vụ cụ thể Nhưng cuốn hướng dẫn hay bảng mã của chúng ta là ngôn ngữ loài người, vậy của máy được viết bằng gì? Một trong những cách được sử dụng rộng rãi là ROM sẽ ánh xạ opcode tới một giá trị, thứ sẽ chỉ định các các các tín hiệu điều khiển sẽ được gửi đi Ví dụ: nếu có lệnh liên quan đến tới việc tra cứu các giá trị của thanh ghi, thêm chúng và lưu trữ kết quả vào một thanh ghi khác, ROM sẽ chứa các giá trị tương ứng với các lệnh điều khiển các thanh ghi vào chế độc đọc và ALU sẽ vào chế độ cộng

Giai đoạn ba: Thực thi

Giai đoạn cuối cùng trong toàn bộ chu trình là lúc thực thi các lệnh Lúc này, các câu lệnh nhận được sau khi giải mã sẽ được giải quyết Tuy thế, không phải loại lệnh nào cũng được xử lý giống nhau, vì mỗi loại lệnh lại có cách sử dụng phần cứng khác nhau Nhưng, nhìn chung chúng có thể chia vào bốn loại:

1) Hướng dẫn chuyển động bit: Chứa thứ tự của các bit

chứa dữ liệu được thao tác

2) Hướng dẫn số học: Khi các phép toán và phép toán

logic được thực hiện, chúng sẽ được đơn vị logic số học (ALU) xử lý

3) Hướng dẫn nhảy: Giá trị tiếp theo của bộ đếm chương

trình được thay đổi, khiến cho mã được sử dụng đệ quy

4) Hướng dẫn về bộ nhớ: Chúng là những hướng dẫn

chovi xử lý đọc và ghi thông tin từ hệ thống

Khi một lệnh được hoàn thành, kết quả sẽ được ghi vào một địachỉ bộ nhớ cụ thể và lệnh kế tiếp sẽ được thực thi Nhưng có một số lệnh sẽ không thao tác lên các thanh ghi thay vì các giá trị bộ nhớ Do đó, khi thanh ghi bộ đếm chương trình được sửa đổi bởi các lệnh nhảy, nếu ta muốn đọc hoặc ghi dữ liệu thì các thanh ghi MAR và MDR sẽ bị thao tác.

3 Một số kiến trúc phổ biến của vi xử lý

Trên thì trường hiện nay có rất nhiều loại vi xử lý với mẫu mã, công dụng, tốc độ xử lý khác nhau, nhưng hầu hết chúng đều tuân theo một trong hai phương pháp thiết kế: Kiến trúc RISC hoặc Kiến trúc CISC

Kiến trúc RISC

RISC (Reduced Instructions Set Computer – Máy tính với tập lệnh đơn giản hóa) là một phương pháp thiết kế vi xử lý theo hướng đơn giản hóa các tập lệnh của chúng, trong đó thời gian

để thực thi tất cả các lệnh đều như nhau

Kiến trúc CISC

CISC (Complex Instructions Set Computer – Máy tính với tập lệnh phức tạp) là một kiểu kiến trúc vi xử lý trong đó các lệnh của chúng được thiết kế để thực hiện nhiều chức năng khác nhau Các lệnh của vi xử lý thoe kiến trúc CISC có thể thực hiện các lệnh phức tạp chỉ bằng một lệnh duy nhất, giúp giảm thiểu số lượng lệnh cần thiết để có thể thực hiện một tác vụ đơn

lẻ Kiến trúc CISC cũng có thể sử dụng bộ nhớ trực tiếp để truy cập dữ liệu giúp tăng tốc độ xử lý

Dưới đây là bảng so sánh các yếu tố của hai loại kiến trúc:

Đối tượng được nhấn mạnh để

tối ưu hóa tập lệnh

Sử dụng với các ứng dụng cấp thấp như tự động hóa gia đình, hệthống an ninh, v.v.

B Cấu trúc vi điều khiển

1 Thành phần cấu tạo

Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên một vi xử lý, thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử Đây là cái nhìn sơ qua vềcấu trúc bên trong của vi điều khiển:

Về cơ bản, vi điều khiển bao gồm các bộ phận chính sau:

1) Vi xử lý (CPU)

Vi xử lý về cơ bản là trung tâm của một vi điều khiển Nó là một

bộ não, xử lý các tác vụ được đưa ra bởi người dùng Vi xử lý sẽ tìm và nạp các lệnh từ bộ nhớ chỉ đọc, sau đó bắt đầu giải mã và thực thi các lệnh nhận được Kỹ thuật này được gọi với cái tên pipelining, và được thực hiện với sự giúp đỡ của bus địa chỉ cùng với bus dữ liệu

2) Đồng hồ (Clock)

Để một vi điều khiển hoạt động được thì đồng hồ là một phần không thể thiếu Chúng được ví như là trái tim của bộ vi điều khiển Đồng hồ được sử dụng trong vi điều khiển nói riêng hay cáclinh kiện điện tử công nghệ cao nói chung là bộ dao động tinh thể,

là một mạch dao động điện tử sử dụng cộng hưởng cơ học của tinh thể dao động của vật liệu áp điện để tạo ra tín hiệu điện với tần số chính xác Đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tốc độ hoạt động của vi điều khiển, nên tùy theo nhu cầu mà loại tinh thể được đưa vào để làm động hồ cho chúng cũng khác nhau

Dải tần số của bộ dao động tinh thể thường nằm trong phạm vi MHz