Đại học Thái Nguyên Trờng Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Bộ môn: Kỹ thuật máy tính Kỹ thuật Vi xử lý (Phần I) Học phần: Kỹ thuật Vi Xử lý I (45 tiết lý thuyết) Tài liệu tham khảo + Kỹ thuật vi xử lý - Văn Thế Minh + Kỹ thuật vi xử lý và máy vi tính - Đỗ Xuân Thụ & Hồ Khánh Lâm + Ngôn ngữ lập trình Assembly và IBM PC - YthaYu + Kỹ thuật lập trình điều khiển hệ thống - Đỗ Xuân Tiến + Kỹ thuật vi điều khiển - Lê Văn Doanh & Phạm Khắc Chơng + Cẩm nang lập trình hệ thống - Norton (Dịch: Nguyễn Minh San - Hoàng Đức Hải) + Kiến trúc máy tính - Nguyễn Đình Việt + Cấu trúc máy vi tính - Trần Quang Vinh + Cấu trúc máy vi tính và thiết bị ngoại vi - Nguyễn Nam Trung + The Intel Microprocessors 8086/8088, 80186/80188, 80286, 80386, 80486, Pentium, and Pentium Pro Processor Architecture, Programming, and Interfacing - Barry B.Brey Khái quát: Kỹ thuật vi xử lý là môn học quan trọng trong việc nghiên cứu phần cứng máy tính. Các kiến thức môn học cần có để phục vụ cho môn học này bao gồm: + Lý thuyết mạch. + Kỹ thuật mạch điện tử (tơng tự, thụ động). + Kỹ thuật điện tử số (2 mức: 0, 1, bộ nhớ). + Kiến trúc máy tính. Mục lục Chơng 1 Hệ vi xử lý 1. Vi xử lý là gì? 2. Các thế hệ của bộ vi xử lý a. Thế hệ 1 (1971 đến 1973) b. Thế hệ 2 (1974 đến 1977) c. Thế hệ 3 (1978 đến 1982) d. Thế hệ 4 (1983 đến nay) 3. Giới thiệu cấu trúc của hệ vi xử lý a. CPU Bộ xử lý trung tâm b. Bộ nhớ bán dẫn (ROM, RAM) Trang Trờng đại học kỹ thuật Công Nghiệp Nguyễn Tiến Duy Trung tâm Kỹ thuật máy tính Bộ môn Kỹ thuật máy tính 4 http:// www.ebook.edu.vn c. Hệ thống vào ra (I/O) d. Liên hệ giữa các khối Chơng 2 Bộ vi xử lý 8088 của Intel 1. Giới thiệu hoạt động của bộ vi xử lý 8088 a. Giới thiệu chung b. Cấu trúc và hoạt động của bộ VXL 8088 c. Bộ vi xử lý 8086 và 8088 (SGK) 2. Chế độ địa chỉ của 8088 a. Cách mã hoá lệnh của bộ VXL 8088/88 b. Chế độ địa chỉ thanh ghi c. Chế độ địa chỉ tức thì d. Chế độ địa chỉ tực tiếp e. Chế độ địa chỉ gián tiếp qua thanh ghi f. Chế độ địa chỉ tơng đối cơ sở g. Chế độ địa chỉ tơng đối chỉ số h. Chế độ địa chỉ tơng đối chỉ số cơ sở 3. Mô tả tập lệnh của 8088 a. Nhóm lệnh chuyển dữ liệu b. Nhóm lệnh số học c. Nhóm lệnh logic, dịch và quay d. Nhóm lệnh so sánh e. Nhóm lệnh rẽ nhánh (nhảy), lặp f. Nhóm các lệnh đặc biệt Chơng 3 Lập trình bằng hợp ngữ cho 8088 trên máy tính IBM PC 1. Giới thiệu chung 2. Giới thiệu khung chơng trình a. Cấu trúc của một lệnh hợp ngữ b. Dữ liệu cho chơng trình hợp ngữ c. Biến và hằng d. Khung của một chơng trình hợp ngữ 3. Cách tạo và cho chạy một chơng trình hợp ngữ 4. Các cấu trúc lập trình cơ bản trong assembly a. Cấu trúc tuần tự b. Cấu trúc lựa chọn c. Cấu trúc Case d. Cấu trúc For do e. Cấu trúc While do f. Cấu trúc Repeat until 5. Truyền tham số 6. Các ví dụ cụ thể a. Một số ngắt của DOS và của BIOS b. Các ví dụ c. Các tuỳ chọn của MASM và LINK Trờng đại học kỹ thuật Công Nghiệp Nguyễn Tiến Duy Trung tâm Kỹ thuật máy tính Bộ môn Kỹ thuật máy tính 5 http:// www.ebook.edu.vn d. Các hớng dẫn chơng trình dịch MASM e. Chơng trình gỡ rối Debug Chơng 4 Ghép 8088 với bộ nhớ và tổ chức vào ra dữ liệu 1. Giới thiệu tín hiệu chân của 8088 và các mạch phụ trợ a. Bảy nhóm tín hiệu b. Phân kênh để tách thông tin và đệm bus c. Mạch tạo xung nhịp 8284 d. Mạch điều khiển bus 8288 e. Biều đồ thời gian của các lệnh đọc/ghi 2. Phối ghép 8088 với bộ nhớ a. Bộ nhớ bán dẫn b. Giải mã địa chỉ cho bộ nhớ c. Phối ghép 8088 với bộ nhớ 3. Phối ghép 8088 với thiết bị ngoại vi a. Các kiểu phối ghép vào ra b. Giải mã địa chỉ cho thiết vị vào/ra c. Các mạch cổng đơn giản d. Mạch phối ghép vào/ra song song lập trình đợc PPI 8255 Chơng 5 Vào ra dữ liệu bằng cách thăm dò 1. Giới thiệu chung về các phơng pháp điều khiển vào/ra dữ liệu 2. Vào/ra dữ liệu bằng cách thăm dò trạng thái sẵn sàng của thiết bị Chơng 6 Ngắt và xử lý ngắt trong hệ Vi xử lý 8088 1. Sự cần thiết phải ngắt CPU 2. Ngắt trong vi xử lý 8088 a. Các loại ngắt trong hệ 8088 b. Đáp ứng của CPU khi có yêu cầu ngắt c. Xử lý u tiên ngắt d. Mạch điều khiển ngắt u tiên PPI 8259A Chơng 7 Vào ra dữ liệu bằng DMA 1. Nguyên tắc của việc trao đổi dữ liệu với thiết bị ngoại vi bằng cách thâm nhập trực tiếp vào bộ nhớ (DMA) 2. DMAC 8237-5 trong hệ vi xử lý 8088 a. Tín hiệu HOLD và HLDA trong CPU 8088 b. Mạch DMAC 8237-5 của Intel Trờng đại học kỹ thuật Công Nghiệp Nguyễn Tiến Duy Trung tâm Kỹ thuật máy tính Bộ môn Kỹ thuật máy tính 6 http:// www.ebook.edu.vn Chơng 1 Hệ vi xử lý 1. Vi xử lý là gì? Ngày nay xu hớng số hoá mọi dạng tín hiệu càng đợc khẳng định rõ nét trong nhiều lĩnh vực: Điện tử, tin học, viễn thông, công nghệ thông tin, kỹ thuật điều khiển tự động vì tín hiệu số có cấu trúc đơn giản, dễ tính toán, xử lý và gia công Việc xử lý, tính toán, điều khiển đợc thực hiện chủ yếu trên các máy tính PC (Hay hệ vi xử lý nói chung). Các hệ vi xử lý này thờng đợc ghép nối và giao tiếp với nhiều thiết bị ngoại vi khác nhau. Mỗi thiết bị làm việc ở môi trờng khác nhau cũng nh chức năng, nhiệm vụ khác nhau. Môi trờng của thiết bị có thể là: + Điện, điện tử. + Cơ, cơ điện. + Quang điện tử Chức năng, nhiệm vụ của thiết bị nh: + Thông tin vô tuyến, hữu tuyến. + Kỹ thuật viễn thông. + Robốt, máy công cụ, dây truyền sản xuất tự động. Các hệ thống làm nhiệm vụ xử lý và điều khiển nói chung luôn có một thành phần làm nhiệm vụ xử lý đợc chế tạo bằng công nghệ vi điện tử với độ tích hợp cao và rất cao, chúng thờng đợc gọi là các bộ vi xử lý (MicroProcessor). Các bộ vi xử lý hoạt động (làm việc) theo chơng trình, dùng để tính toán và điều khiển mọi hoạt động của hệ thống. Việc xây dựng các chơng trình điều khiển các thiết bị cho chúng làm việc chính xác, đồng bộ là rất phức tạp. Các hệ thống càng thông minh thì vai trò của bộ vi xử lý càng quan trọng. 2. Các thế hệ của bộ vi xử lý a. Thế hệ 1 (1971 đến 1973) Năm 1971 Intel cho ra đời bộ vi xử lý (VXL) 4004 (dùng cho các máy tính cầm tay) đợc chế tạo bằng công nghệ PMOS. Đây là bộ VXL 4 bit dữ liệu, 12 bit địa chỉ và có 2250 Transitor. Tiếp theo, Intel cho ra đời bộ VXL 4040 là bộ VXL đợc cải tiến từ VXL 4004. Trong thời gian này, Intel tiếp tục cho ra đời bộ VXL 8008 là bộ VXL 8 bit dữ liệu. Đặc điểm của các bộ vi xử lý trong khoảng thời gian này là: + Tốc độ thực hiện: 10 ữ 60 (às/lệnh). + Tần số đồng hồ: f CLK = 0,1 ữ 0,8 MHz. + Cần nhiều mạch phụ trợ để tạo nên một hệ vi xử lý hoàn chỉnh. b. Thế hệ 2 (1974 đến 1977) Trong thời gian này Intel lần lợt cho ra đời bộ VXL 8080, 8085. Motorola có các bộ VXL 6800, 6809. Zilog có bộ VXL Z80 và Signetics có bộ VXL 6520. Đặc điểm của các bộ vi xử lý trong khoảng thời gian này là: Trờng đại học kỹ thuật Công Nghiệp Nguyễn Tiến Duy Trung tâm Kỹ thuật máy tính Bộ môn Kỹ thuật máy tính 7 http:// www.ebook.edu.vn + Tập lệnh phong phú hơn. + Là các bộ vi xử lý 8 bit dữ liệu. + Khả năng phân biệt địa chỉ bộ nhớ lên tới 64 KB (16 bit địa chỉ). + Khả năng phân biệt địa cổng là 256 cổng cho thiết bị ngoại vi (sử dụng 8 bit để đánh địa chỉ cho các cổng). + Tốc độ 1 ữ 8 (às/lệnh). + Tần số đồng hồ: f CLK = 1 ữ 5 MHz. ứng dụng: + Điều khiển các hệ thống trong công nghiệp. + Chế tạo các máy tính 8 bit nh Apple II. c. Thế hệ 3 (1978 đến 1982) Trong khoảng thời gian này Intel lần lợt cho ra đời các bộ VXL 8086, 8088, 80186, 80286. Motorola có các bộ VXL 68000, 68010 Đặc điểm của các bộ vi xử lý trong khoảng thời gian này là: + Là các bộ vi xử lý 16 bit dữ liệu. + Tập lệnh đầy đủ hơn. + Khả năng phân biệt địa chỉ bộ nhớ từ 1 MB đến 16 MB. + Khả năng phân biệt địa chỉ cổng là 64 K cổng cho thiết bị ngoại vi (đối với các bộ VXL của Intel). + Tốc độ 0,1 ữ 1 (às/lệnh). + Tần số đồng hồ: f CLK = 5 ữ 10 MHz. ứng dụng: + Chế tạo các máy tính IBM PC, PC/XT, PC/AT và máy tính Macintosh của Apple. d. Thế hệ 4 (1983 đến nay) Trong thời gian này Intel thể hiện sức mạnh vợt trội các hãng khác trong việc chế tạo bộ vi xử lý. Intel liện tục cho ra đời các bộ VXL 80386, 80486 là các bộ VXL 32 bit dữ liệu, có bên trong đơn vị quản lý bộ nhớ (MMU) cho phép chạy trong chế độ bộ nhớ ảo và đa nhiệm. Tiếp theo là các bộ VXL Pentium, Pentium II, Pentium III, Pentium IV là các bộ VXL 64 bit dữ liệu. Motorola có các bộ VXL 68020, 68030, 68040, 68060. Đặc điểm của các bộ vi xử lý trong khoảng thời gian này là: + 32 bit địa chỉ, nên trong chế độ thực thì khả năng phân biệt địa chỉ bộ nhớ là 4 GB. Trong chế độ bộ nhớ ảo thì chúng có khả năng quản lý không gian nhớ lên tới 64 TB (Teta Byte). + Cơ chế xử lý xen kẽ dòng mã lệnh (Pipline). + Bộ nhớ ẩn (Cache). + Có bộ quản lý bộ nhớ (MMU), bộ đồng xử lý toán học đợc tích hợp bên trong. + Tốc độ 6 ữ 112 (triệu lệnh/às). + Tần số đồng hồ: f CLK = 10 ữ 100 MHz và cao hơn nữa. ứng dụng: + Chế tạo các máy tính có tốc độ cao, các máy chủ đáp ứng cho các xử lý lớn nh thống kê hàng ngày tại các ngân hàng, khí tợng thuỷ văn, mô phỏng các quá trình, lĩnh vực quân sự + Các máy tính hiện nay. Trờng đại học kỹ thuật Công Nghiệp Nguyễn Tiến Duy Trung tâm Kỹ thuật máy tính Bộ môn Kỹ thuật máy tính 8 http:// www.ebook.edu.vn 3. Giới thiệu cấu trúc của hệ vi xử lý Chúng ta đã đợc tìm hiểu qua về sự ra đời và vị trí của các bộ vi xử lý. Bộ VXL là thành phần cơ bản (trái tim) của máy tính, nó đợc kết hợp với các bộ phận mạch điện tử khác nh bộ nhớ (bộ nhớ bán dẫn), bộ phối ghép vào ra để tạo nên hệ vi xử lý nói chung mà máy tính là một trờng hợp ứng dụng của thể của hệ vi xử lý. + CPU (Central Processing Unit) - Bộ xử lý trung tâm + Memory: Bộ nhớ bán dẫn + I/O (Input/Output): Khối phối ghép với thiết bị ngoại vi. + Bus là tập các đờng dây truyền thông tin, tín hiệu gồm: - Data bus - Control bus - Address bus a. CPU Bộ xử lý trung tâm Là mạch điện tử có độ tích hợp cao (là trái tim của hệ vi xử lý). Ngày nay thờng là các vi mạch có độ tích hợp VLSI. Chức năng: - Điều khiển mọi hoạt động của hệ vi xử lý (hoạt động tính toán). - Thực hiện lệnh, xử lý dữ liệu. Nguyên tắc hoạt động: Hoạt động theo chơng trình nằm trong bộ nhớ. Nó nhận lần lợt nhận từng lệnh từ bộ nhớ, các lệnh đợc ghi dới dạng các bit 0, 1 sau đó giải mã lệnh thành các xung điều khiển tơng ứng các thao tác của lệnh để điều khiển các khối chức năng thực hiện các thao tác đó. Quá trình thực hiện trên bao gồm cả trao đổi dữ liệu với bộ nhớ. Để thực hiện đợc nh trên, bên trong CPU có thanh ghi lu địa chỉ của lệnh chuẩn bị đợc thực hiện, gọi là thanh ghi con trỏ lệnh (Instruction Pointer - PC), hay còn đợc gọi là bộ đếm chơng trình (Program Counter - PC). CPU Memory ROM RAM Phối ghép vào ra I/O Thiết bị vào Thiết bị ra Address bus Control bus Data bus Hình vẽ: Hệ vi xử lý Trờng đại học kỹ thuật Công Nghiệp Nguyễn Tiến Duy Trung tâm Kỹ thuật máy tính Bộ môn Kỹ thuật máy tính 9 http:// www.ebook.edu.vn Các thành phần cơ bản của bộ vi xử lý: - Đơn vị điều khiển (Control Unit - CU): điều khiển hoạt động chính của CPU và các thành phần khác của hệ theo chơng trình đã định (dãy các lệnh) bằng các xung điều khiển. - Đơn vị số học và logic (Arithmetic and Logic Unit - ALU): thực hiện chức năng xử lý dữ liệu (tính toán) nh cộng, trừ, nhân, chia, NOT, AND, OR - Tập thanh ghi (Registers Set): là các ngăn nhớ đặc biệt nằm ngay trong CPU để tăng tốc độ trao đổi dữ liệu. Một số thanh ghi lu trữ thông tin tạm thời phục vụ cho việc thực hiện chơng trình. - Bus bên trong (Internal Bus): Hệ thống bus trong CPU là tập các đờng dây làm nhiệm vụ kết nối, vận chuyển thông tin (tín hiệu) giữa các thành phần với nhau. b. Bộ nhớ bán dẫn (ROM, RAM) Là bộ phận quan trọng trong hệ vi xử lý. Nó có nhiệm vụ lu trữ chơng trình và dữ liệu. Bộ nhớ trong bao gồm bộ nhớ chính và bộ nhớ ẩn (cache L1, L2). Khi khởi động máy, chơng trình điều khiển đợc chứa trong ROM sẽ điều khiển hoạt động toàn hệ. Các chơng trình ứng dụng, một phần chơng trình điều khiển, kết quả chạy chơng trình đợc để ở RAM. Ngoài ra còn có bộ nhớ ngoài (ổ đĩa từ, quang ) lu trữ lâu dài chơng trình và dữ liệu, là các thiết bị ngoại vi. c. Hệ thống vào ra (I/O) Chức năng: Giao tiếp, trao đổi thông tin giữa hệ vi xử lý với thế giới bên ngoài. Các thành phần cơ bản: - Thiết bị ngoại vi: Bàn phím, màn hình, chuột, máy in, ổ đĩa từ, ổ đĩa quang các bộ chuyển đổi ADC, DAC , chuyển đổi thông tin dới dạng nào đó thành dạng phù hợp với máy tính và ngợc lại rồi liên hệ với máy tính thông qua khối phối ghép vào/ra. - Mạch phối ghép vào/ra dùng ghép nối thiết bị ngoại vi với hệ vi xử lý (máy tính). Trong mạch phối ghép vào/ra có bộ phận phối ghép cụ thể giữa hệ thống bus với thế giới bên ngoài gọi là các cổng vào ra (I/O port). Mỗi cổng có địa chỉ xác định. I/O port vào: nhận thông tin từ bên ngoài vào hệ thống, I/O port ra: đa thông tin từ hệ ra thế giới bên ngoài. d. Liên hệ giữa các khối Hệ thống bus là tập các đờng dây dùng để kết nối, trao đổi thông tin từ các phần mạch này tới các thành phần khác (các khối) trong phạm vi một máy tính (một hệ vi xử lý). Độ rộng bus là số bit thông tin đợc vận chuyển đồng thời. Bus địa chỉ Theo sự phát triển các bộ vi xử lý, độ rộng bus địa chỉ tăng từ 16, 20, 24 và 32 bit. Bus địa chỉ dùng để vận chuyển địa chỉ từ CPU đến bộ nhớ hay mạch phối ghép vào/ra để tìm ra ngăn hay nhớ cổng vào/ra cần trao đổi dữ liệu. - Khả năng phân biệt địa chỉ của CPU phụ thuộc độ rộng bus địa chỉ. - Bus địa chỉ gồm A n - 1 ữ A 0 (n bit) có thể quản lý đợc 2 n địa chỉ. Trờng đại học kỹ thuật Công Nghiệp Nguyễn Tiến Duy Trung tâm Kỹ thuật máy tính Bộ môn Kỹ thuật máy tính 10 http:// www.ebook.edu.vn - Độ rộng bus địa chỉ cho biết khả năng phân biệt và quản lý không gian nhớ. Bus dữ liệu Độ rộng bus dữ liệu thờng là 8, 16, 32 và 64 tuỳ theo các bộ vi xử lý. Ngày nay các bộ vi xử lý thờng làm việc với bus dữ liệu có độ rộng 64 bit, thậm chí là 128 bit. Độ rộng bus dữ liệu quyết định số bit dữ liệu mà CPU có khả năng nhận hay gửi (đọc/ghi) hay xử lý cùng lúc. Bus dữ liệu là bus 2 chiều, dữ liệu có thể đợc truyền từ CPU đến bộ nhớ hay cổng vào/ra hoặc ngợc lại. Bus điều khiển Độ rộng bus điều khiển thờng nhỏ hơn độ rộng bus địa chỉ và bus dữ liệu. Mỗi tín hiệu điều khiển có một chiều nhất định. CPU có thể gửi các tín hiệu điều khiển tới các khối đồng thời nó cũng nhận tín hiệu điều khiển từ các khối gửi đến. Trong chừng mực nào đó có thể coi bus điều khiển là 2 chiều. Tính 2 chiều không phải của một tín hiệu điều khiển cụ thể nào mà là của một nhóm tín hiệu. + Các tín hiệu phát ra từ CPU: MEMR (tín hiệu điều khiển đọc bộ nhớ), MEMW (tín hiệu điều khiển ghi bộ nhớ), IOR (tín hiệu điều khiển đọc cổng vào ra), IOW (tín hiệu điểu khiển ghi cổng vào ra). + Tín hiệu điều khiển ngắt: INTR. + Tín hiệu điều khiển chuyển nhợng bus (HOLD, HLDA). + Clock (CLK): Xung nhịp phát ra từ bộ dao động cấp cho CPU và các thành phần khác để hệ thống hoạt động đồng bộ. . Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Bộ môn: Kỹ thuật máy tính Kỹ thuật Vi xử lý (Phần I) Học phần: Kỹ thuật Vi Xử lý I (45 tiết lý thuyết) Tài liệu tham khảo + Kỹ thuật vi xử lý - Văn. của bộ vi xử lý a. Thế hệ 1 (19 71 đến 19 73) b. Thế hệ 2 (19 74 đến 19 77) c. Thế hệ 3 (19 78 đến 19 82) d. Thế hệ 4 (19 83 đến nay) 3. Giới thiệu cấu trúc của hệ vi xử lý a. CPU Bộ xử lý trung. + Kỹ thuật vi xử lý và máy vi tính - Đỗ Xuân Thụ & Hồ Khánh Lâm + Ngôn ngữ lập trình Assembly và IBM PC - YthaYu + Kỹ thuật lập trình điều khiển hệ thống - Đỗ Xuân Tiến + Kỹ thuật vi