Kỹ thuật vi xử lý - Chương 1 pptx

Biên soạn: Ks Dương Quốc Hưng Giáo Trình Hệ Vi điều khiển - 1 - CHƯƠNG I: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ CẤU TRÚC CHUNG 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VI XỬ LÝ 1.1.1. TỔNG QUAN 1.1.1.1. Khái niệm Vi xử lý gồm các cổng logic giống như các cổng logic được sử dụng trong đơn vị xử lý trung tâm (Central Procecessing Unit) của máy tính số. Do cấu trúc giống như CPU và được xây dựng từ các mạch vi điện tử nên có tên là vi xử lý: microprocessor. Giống như CPU, microprocessor có các mạch điện tử cho việc điều khiển dữ liệu (data) và tính toán dữ liệu dưới sự điều khiển của chương trình. Ngoài ra microprocessor là một đơn vị xử lý dữ liệu. Để xử lý dữ liệu, vi xử lý phải điều khiển các mạch logic, để vi xử lý điều khiển các mạch logic thì cần phải có chương trình. Chương trình là tập hợp các lệnh để xử lý dữ liệu, các lệnh đã được lưu trữ trong bộ nhớ. Công việc thực hiện lệnh bao gồm các bước như sau: đón lệnh từ bộ nhớ, sau đó các mạch logic điều khiển sẽ giải mã lệnh và sau cùng thì các mạch logic điều khiển sẽ thực hiện lệnh sau khi giải mã. Do các lệnh lưu trữ trong bộ nhớ nên có thể thay đổi các lệnh nếu cần. Khi thay đổi các lệnh của vi xử lý tức là thay đổi cách thức xử lý dữ liệu. Các lệnh lưu trữ trong bộ nhớ sẽ quyết định công việc mà vi xử lý sẽ làm. Như vậy: Vi xử lý là một vi mạch cỡ lớn hoặc cực lớn với chức năng chính là: là xử lý dữ liệu. Để làm được điều này vi xử lý phải có các mạch logic cho việc xử lý và điều khiển dữ liệu. Các mạch logic xử lý sẽ di chuyển dữ liệu từ nơi này sang nơi khác và thực hiện các phép toán trên dữ liệu, mạch logic điều khiển sẽ quyết định mạch điện nào cho việc xử lý dữ liệu. vi xử lý thực hiện một lệnh với trình tự như sau: đón lệnh từ bộ nhớ, tiếp theo mạch logic điều khiển sẽ giải mã lệnh để xem lệnh đó yêu cầu vi xử lý thực hiện công việc gì, sau đó vi xử lý sẽ thực hiện đúng công việc của lệnh đã yêu cầu, quá trình này được gọi là chu kỳ đón - và - thực hiện. Ngoài chức năng đón và thực hiện lệnh, các mạch logic điều khiển còn điều khiển các mạch điện giao tiếp bên ngoài kết nối với vi xử lý. vi xử lý cần phải có sự trợ giúp của các mạch điện bên ngoài. Các mạch điện dùng để lưu trữ lệnh để vi xử lý xử lý được gọi là bộ nhớ, các mạch điện giao tiếp để di chuyển dữ liệu từ bên ngoài vào bên trong vi xử lý và xuất dữ liệu từ bên trong vi xử lý ra ngoài được gọi là các thiết bị ghé p nối vào ra I/O. 1.1.1.2. Lịch sử phát triển của các bộ vi xử lý Vi xử lý là sự kết hợp của 2 kỹ thuật công nghệ quan trọng nhất: đó là máy tính dùng kỹ thuật số (Digital Computer) và các mạch vi điện tử. Hai Biên soạn: Ks Dương Quốc Hưng Giáo Trình Hệ Vi điều khiển - 2 - công nghệ này kết hợp lại với nhau vào năm 1970, sau đó các nhà nghiên cứu đã chế tạo ra vi xử lý (Microprocessor). Dựa vào lịch sử phát triển của các bộ vi xử lý ta có thể chia ra làm 4 thế hệ như sau: • Thế hệ thứ nhất (1971 – 1973) Năm 1971 Intel cho ra đời bộ vi xử lý đầu tiên là 4004 (4 bit số liệu, 12 bit địa chỉ) sau đó Intel và các nhà sản xuất khác cũng lần lượt cho ra đời các bộ vi xử lý khác: 4040 (4 bit) và 8008 (8 bit) của Intel. PPS – 4 (4 bit) của Rockwell International, IPM – 16 (bit) của National Semiconductor. Đặc điểm chung của các bộ vi xử lý thế hệ này là: - Thông thường là 4 bit dữ liệu (cũng có thể dài hơn). - Công nghệ chế tạo PMOS với đặc điểm mật độ phần tử nhỏ, tốc độ chậm, giá rẻ và chỉ có khả năng đưa ra dòng tải nhỏ. - Tốc độ thực hiện lệnh: 10 – 60 µs/ lệnh. Với tần số đồng hồ f clk = 0, 1 – 0, 8 MHz. - Tập lệnh đơn giản và phải cần nhiều mạch phụ trợ mới tạo nên một vi xử lý hoàn chỉnh. • Thế hệ thứ hai (1974 – 1977) Các bộ vi xử lý đại diện cho thế hệ này là vi xử lý 8 bít 6502 của MOS Technology, 6800 và 6809 của Motorola, 8080 của Intel và đặc biệt là bộ vi xử lý Z80 của Zilog. Các bộ vi xử lý này có tập lệnh phong phú hơn và thường có khả năng phân biệt địa chỉ bộ nhớ với dung lượng đến 64KB. Có một số bộ vi xử lý còn có khả năng phân biệt được 256 địa chỉ cho các thiết bị ngoại vi (họ Intel và Zilog). Chúng đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và nhất là để tạo ra các máy tính 8 bit nổi tiếng một thời như Apple II Commodore 64. Tất cả các vi xử lý thời kỳ này đều được chế tạo bằng công nghệ NMOS (mật độ phân tử trên một đơn vị diện tích cao hơn so với công nghệ PMOS) hoặc CMOS (tiết kiệm điện năng tiêu thụ) và cho phép đạt được tốc độ từ 1 – 8µs/ lệnh với tần ố động hồ 1 – 5 MHz. • Thế hệ thứ ba (1978 – 1982) Đại diện là các bộ vi xử lý 16 bit 8086/80186/0286 của Intel hoặc 68000/68010 của Motorola. Các bộ vi xử lý này có độ dài 16 bit và tập lệnh phong phú với lệnh nhân, chia và các thao tác với chuỗi ký tự. Khả năng phân biệt địa chỉ cho bộ nhớ hoặc cho thiết bị ngoại vi của các vi xử lý thế hệ này cũng lớn hơn (từ 1 – 16 MB cho bộ nhớ và tới 64KB cho địa chỉ thiết bị ngoại vi đối với họ Intel). Phần lớn các bộ vi xử lý thế hệ này đều đạt tốc độ từ 0, 1 – 1µs/ lệnh với tần ố động hồ fclk = 5 – 10 MHz. • Thế hệ thứ tư (1983 - ?) Biên soạn: Ks Dương Quốc Hưng Giáo Trình Hệ Vi điều khiển - 3 - Các bộ vi xử lý đại diện cho thế hệ này là các vi xử lý 32 bit 80386/80486 và 64 bit của Pentium của Intel, các vi xử lý 32 bit 68020/68040/68060 của Motorola. Đặc điểm của vi xử lý thế hệ này là bus địa chỉ đều là 32 bit (phân biệt 4GB bộ nhớ) và có khả năng làm việc với bộ nhớ ảo. Sau đây là bảng thông số của các bộ vi xử lý của Intel Thông số 8086 8088 80286 Năm sản xuất 6/1978 1979 2/1982 fclkmax (xung nhịp đồng hồ) 10 MHz 10 MHz 20 MHz MIPS (triệu lệnh/s) 0, 33 0, 33 1, 2 Số tranzitor 29.000 29.000 134.000 Bus số liệu 16 bit 8 bit 16 bit Bus địa chỉ 20 bit 20 bit 24 bit Khả năng địa chỉ 1 MB 1 MB 16 MB Số chân 40 40 68 Chế độ bộ nhớ ảo Không Không Có Có bộ quản lý bộ nhớ bên trong Không Không Có 1.1.2. ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA BỘ VI XỬ LÝ Mỗi bộ vi xử lý đều có những đặc điểm và chức năng riêng tuy nhiên chúng đều có những đăc điểm chung sau: Chiều dài bus dữ liệu (độ lớn của mạch vi xử lý): Được đánh giá bằng số bit lớn nhất mà vi xử lý có thể xử lý song song đồng thời trong một lần thao tác. Ví dụ: Mạch vi xử lý 16 bit thì có nghĩa vi xử lý có thể xử lý song song một lần 16 bit. Mỗi vi xử lý có chiều dài bus dữ liệu khác nhau sẽ có một khả năng ứng dụng khác nhau, các vi xử lý có chiều dài bus dữ liệu lớn, tốc độ làm việc nhanh, khả năng truy xuất bộ nhớ lớn được dùng trong các công việc xử lý dữ liệu, điều khiển phức tạp. Các vi xử lý 32 bit có khả năng làm việc nhanh hơn vì mỗi lần lấy dữ liệu từ bộ nhớ vi xử lý có thể lấy một lần 4 byte, trong khi đó các vi xử lý 8 bit thì phải làm 4 lần, với vi xử lý 16 bit phải thực hiện 2 lần. Vậy nếu so với vi xử lý 8 bit thì vi xử lý 32 bit có tốc độ tăng gấp 4, với vi xử lý 16 bit thì tốc độ vi xử lý 32 bit tăng gấp đôi. Để tăng tốc độ làm việc của vi xử lý là mục tiêu hàng đầu của các nhà chế tạo vi xử lý. Chiều dài bus địa chỉ (khả năng truy xuất bộ nhớ): Dung lượng bộ nhớ mà vi xử lý có thể truy xuất, là một phần trong cấu trúc của vi xử lý. Các vi xử lý đầu tiên bị giới hạn về khả năng truy xuất bộ nhớ: Vi xử 4004 có 14 đường địa chỉ nên có thể truy xuất được 2 14 = 16.384 ô nhớ, vi xử lý 8 bit có 16 đường địa chỉ nên có thể truy xuất được 2 16 = 65.536 ô nhớ, vi xử lý 16 bit có 20 đường địa chỉ nên có thể truy xuất 2 20 = 1.048.576 = 1MB ô nhớ, vi xử lý 32 bit như 386 hay 68020 có thể truy xuất 4GB ô nhớ. Vi xử lý có khả năng truy xuất bộ Biên soạn: Ks Dương Quốc Hưng Giáo Trình Hệ Vi điều khiển - 4 - nhớ càng lớn nên có thể xử lý các chương trình lớn. Tùy theo ứng dụng cụ thể mà chọn một vi xử lý thích hợp. Số chân và các hình dạng ngoài của vi xử lý: Các bộ vi xử lý 8088/8086 được đóng trong vỏ 2 hàng chân. Đó là loại vỏ bằng Plastic có các chân hướng xuống dưới theo hai hàng song song hai bên. Các bộ vi xử lý lớn hơn có 64 chân hay nhiều hơn nữa có vỏ bọc với các chân ra tạo thành mảng xắp xếp trên cả 4 phía. Thông thường các vi xử lý có số chân càng nhiều thì càng hoàn hảo. Tuy vậy trong thực tế người ta có thể dùng phương pháp dồn chân, nghĩa là một chân tín hiệu có thể làm hai chức năng và để phân biệt hai chức năng ấy người sử dụng phải lập chương trình. Xung nhịp hệ thống (System clock): Dùng để đồng bộ các thao tác bên trong và bên ngoài của vi xử lý bằng cách phát ra các xung nhịp thời gian theo các khoảng cách cố định, xu hướng ngày nay là dùng mạch một xung nhịp và khoảng cách giữa hai xung đồng hồ hệ thống được gọi là chu kỳ xung nhịp. Tần số xung clock cung cấp cho vi xử lý làm việc quyết định đến tốc độ làm việc của vi xử lý, vi xử lý có tốc độ làm việc càng lớn thì khả năng xử lý lệnh càng nhanh. Tuy nhiên tần số xung nhịp không phải là yếu tố duy nhất. Tốc độ vi xử lý còn phụ thuộc vào cách thức xử lý thông tin trong cấu trúc của vi xử lý. Tần số xung clock làm việc của các vi xử lý được cho bởi các nhà chế tạo. Vi xử lý Tần số xung clock Chiều dài từ dữ liệu 8051 12MHz 8-bit Z80A 4MHz 8-bit Z80B 6MHz 8-bit 286 16MHz 16-bit 486DX2-66 66Mhz 32-bit Pentium 66MHz 32-bit Điện áp hoạt động (nguồn nuôi): Với công nghệ PMOS các bộ vi xử lý cần nguồn nuôi với nhiều điện áp hoạt động khác nhau, ví dụ: ±5V, ±10V. Còn với công nghệ NMOS thì chỉ cần nguồn nuôi duy nhất +5V. Đây là mức điện áp đủ cao để bù lại các sụt áp trong các mạch số, đồng thời cũng đủ nhỏ để tránh gây tạp âm. Các bộ vi xử lý ngày nay với công nghệ CMOS đã cho ra đời các loại vi xử lý 3, 3V, đòi hỏi dòng tiêu thụ chỉ bằng 60% so với chip 5V Các mạch phụ cận: Là các mạch làm chức năng giải mã chuyển đổi số liệu, mạch ghép nối logic, mạch đếm và định thời gian, mạch điều khiển bàn phím, hiển thị… Loại mạch này cũng được chế tạo theo hãng và thường tương ứng với mạch vi xử lý của hãng ấy. Biên soạn: Ks Dương Quốc Hưng Giáo Trình Hệ Vi điều khiển - 5 - Mạch phối ghép vào ra: Làm nhiệm vụ trao đổi số liệu vào và ra cho CPU. Mỗi hãng sẽ chế tạo mạch phối ghép đi kèm. Loại vi xử lý nào càng nhiều mạch phối ghép thì càng dễ sử dụng. Phần mềm (chương trình): Mỗi một vi xử lý có một phần mềm được hãng trang bị hay còn gọi là tập lệnh. Người sử dụng căn cứ vào tập lệnh này để khai thác sử dụng và tạo thành các chương trình phục vụ cho các mục đích cụ thể. Tập lệnh của vi xử lý là một trong những yếu tố cơ bản để đánh giá chức năng làm việc của vi xử lý. Nếu vi xử lý có nhiều mạch điện logic bên trong để thực hiện thì số lệnh điều khiển của vi xử lý càng nhiều, khi đó vi xử lý càng lớn và độ phức tạp càng lớn. Ví dụ so sánh 2 tập lệnh của 2 vi xử lý 8 bit là 80C51 và Z80 thì 80C51 có 111 lệnh khác nhau còn Z80 có 178 lệnh. Tập lệnh của một vi xử lý càng nhiều rất có ích khi lập trình hay viết chương trình cho vi xử lý. 1.2. CẤU TRÚC HỆ VI XỬ LÝ VÀ TỔ CHỨC BÊN TRONG CPU 1.2.1. CẤU TRÚC CHUNG CỦA MỘT HỆ VI XỬ LÝ Trên đây ta đã thấy bộ vi xử lý là một thành phần rất cơ bản không thể thiếu được để tạo nên một máy vi tính. Trong thực tế bộ vi xử lý còn phải kết hợp thêm các bộ phận điện tử khác ví dụ như: bộ nhớ, các bộ phối ghép vào/ra để tạo nên một hệ vi xử lý hoàn chỉnh. Hình 1.2.1 giới thiệu sơ đồ khối tổng quát của của một hệ vi xử lý. Trong sơ đồ này ta thấy rõ các khối chức năng chính của một hệ vi xử lý bao gồm: - Khối xử lý trung tâm (Central Processing Unit, CPU). - Bộ nhớ bán dẫn (Memory, M). - Khối phối ghép với các thiết bị ngoại vi (Input/Output, I/O). - Các bus truyền thông tin. 1.2.1.1. Khối xử lý trung tâm, CPU Đóng vai trò chủ đạo trong hệ thống vi xử lý, đây là một mạch vi điện tử có độ tích hợp rất cao. Khi hoạt động nó đọc ghi mã lệnh dưới dạng các bit 0 và 1 từ bộ nhớ. Sau đó sẽ giải mã các lệnh này thành dãy các xung điều khiển ứng với các thao tác trong lệnh để điều khiển các khối khác thực hiện từng bước các thao tác đó. Để làm được điều này bên trong CPU có các thanh ghi dùng để chứa địa chỉ các lệnh sắp thực hiện gọi là thanh ghi con trỏ lệnh (Instruction Pointer, IP) hoặc bộ đếm chương trình (Program Counter, PC), một số thanh ghi đa năng khác cùng bộ tính toán số học và logic (ALU) để thao tác với dữ liệu. Ngoài ra ở đây còn có hệ thống mạch điện tử rất phức tạp để giải mã lệnh và từ đó tạo ra các xung điều khiển cho toàn hệ. Biờn son: Ks Dng Quc Hng Giỏo Trỡnh H Vi iu khin - 6 - 1.2.1.2. B nh bỏn dn (Memory) Hay cũn gi l b nh trong l mt b phn rt quan trng ca h vi x lý. Ti õy (trong ROM) cha chng trỡnh iu khin hot ng ca ton h khi bt in lờn thỡ CPU cú th ly lnh t õy m khi ng h thng. Mt phn ca chng trỡnh iu khin h thng, cỏc chng trỡnh ng dng, d liu cựng cỏc kt qu ca chng trỡnh c trong RAM. Cỏc d liu v chng trỡnh mun lu tr lõu di s c b nh ngoi. Bộ xử lý trung tâm CPU Phối ghép vào/ra (I/O) Bộ nhớ (Memory) ROM-RAM Thiết bị vào Thiết bị ra Thanh ghi trong Thanh ghi ngoài Bus dữ liệu Bus điều khiển Bus địa chỉ Hỡnh 1.2.1 S s khi tng quỏt h vi x lý 1.2.1.3. Khi phi ghộp vo/ra (I/O) To ra kh nng giao tip gia h vi x lý vi th gii bờn ngoi. Cỏc thit b ngoi vi nh bn phớm, chut, mn hỡnh, mỏy in, chuyn i s tng t (D/A), chuyn i tng t s (A/D) u c liờn h vi vi x lớ thụng qua b phn ny. B phn phi ghộp c th gia bus h thng vi th gii bờn ngoi thng c gi l cng. Nh vy ta s cú cng vo ly thụng tin t ngoi vo v cng ra a thụng tin t trong h ra ngoi. Tu theo yờu cu c th m cỏc mch cng ny cú th c xõy dng t cỏc mch logic n gin hoc t cỏc vi mch chuyờn dng lp trỡnh c. 1.2.1.4. H thng Bus Trờn s khi h vi x lý ta thy 3 khi chc nng u liờn h vi nhau thụng qua tp cỏc ng dõy truyn tớn hiu gi chung l bus h thng. Bus h thng bao gm 3 bus thnh phn. ng vi cỏc tớn hiu a ch, d liu v iu khin ta cú bus a ch, bus d liu, bus iu khin. Bus a ch: Thng cú t 16, 20, 24, 32 ng dõy song song truyn ti thụng tin ca cỏc bit a ch. Khi c/ghi b nh CPU s a ra trờn bus ny a ch ca ụ nh liờn quan. Kh nng phõn bit a ch (s lng a ch cho ụ nh m CPU cú kh nng phõn bit c) ph thuc vo s bit ca bus a ch. Vớ d mt CPU cú s ng dõy a ch l N = 16 thỡ nú cú kh nng a ch hoỏ c 2 N = 2 16 = 65536 = 64KB ụ nh khỏc nhau (1K = 2 10 = 1024). Khi c/ghi cng vo/ra CPU cng a ra trờn bus a ch cỏc bit a ch tng ng ca cng. Trờn s khi ta d nhn ra tớnh mt chiu ca bus Biên soạn: Ks Dương Quốc Hưng Giáo Trình Hệ Vi điều khiển - 7 - địa chỉ qua chiều của mũi tên. Chỉ có CPU mới có khả năng đưa ra địa chỉ trên bus địa chỉ. Bus dữ liệu: Thường có từ 8, 16, 20, 24, 32 đến 64 đường dây tuỳ theo các bộ vi xử lý cụ thể. Số lượng đường dây này quyết định số bit dữ mà CPU có khả năng xử lý một lúc. Chiều mũi tên trên bus chỉ ra rằng đây là bus 2 chiều. Bus điều khiển: Thường gồm hàng chục đường dây tín hiệu khác nhau. Mỗi tín hiệu điều khiển có một chiều nhất định. Vì khi hoạt động CPU đưa tín hiệu điều khiển tới các khối khác trong hệ, đồng thời nó cũng nhận tín hiệu điều khiển từ các khối đó để phối hợp hoạt động toàn hệ, nên các tín hiệu này trên hình vẽ được thể hiện bằng mũi tên 2 chiều. Hoạt động của hệ vi xử lý trên cũng có thể được nhìn nhận theo một cách khác. Trong khi hoạt động và tại một thời điểm nhất định, về mặt chức năng mỗi khối trong hệ trên tương đương các thanh ghi trong (trong CPU) hoặc các thanh ghi ngoài (nằm trong bộ nhớ ROM, RAM và trong khối ghép nối I/O). Hoạt động của toàn hệ thực chất là sự phối hợp hoạt động của các thanh ghi trong và ngoài nói trên để thực hiện sự biến đổi dữ liệu hoặc sự trao đổi dữ liệu theo các yêu cầu đã định trước. 1.2.2. CẤU TRÚC CHUNG CỦA CPU Với mỗi vi xử lý đều có một sơ đồ cấu trúc bên trong và được cho trong các sổ tay của nhà chế tạo. Sơ đồ cấu trúc ở dạng khối rất tiện lợi và dễ trình bày nguyên lý hoạt động của vi xử lý. Cấu trúc của tất cả các vi xử lý đều có các khối cơ bản giống nhau như ALU, các thanh ghi, khối điều khiển là các mạch logic. Để nắm rõ nguyên lý làm việc của vi xử lý cần phải khảo sát nguyên lý kết hợp các khối với nhau để xử lý một chương trình. Hình 1.2.2a trình bày sơ đồ khối của vi xử lý 8 bit Nhìn vào sơ đồ khối trên ta có thể chia cấu trúc chung của một CPU ra làm 3 phần chính: Khối ALU (Arithmetic Logic Unit), Khối điều khiển (Control Logic), các thanh ghi (Register) và BUS dữ liệu. 1.2.2.1. Khối ALU ALU là khối quan trọng nhất của vi xử lý, khối ALU chứa các mạch điện logic chuyên về xử lý dữ liệu. Khối ALU có 2 ngõ vào có tên là “IN” chính là các ngõ vào dữ liệu cho ALU xử lý và 1 ngõ ra có tên là “OUT” chính là ngõ ra kết quả dữ liệu sau khi ALU xử lý xong. Dữ liệu trước khi vào ALU được chứa ở thanh ghi tạm thời (Temporarily Register) có tên là TEMP 1 và TEMP 2. Bus dữ liệu bên trong vi xử lý được kết nối với 2 ngõ vào “IN” của ALU thông qua 2 thanh ghi tạm thời. Sự kết nối này cho phép ALU có thể lấy bất kỳ dữ liệu nào trên bus dữ Biên soạn: Ks Dương Quốc Hưng Giáo Trình Hệ Vi điều khiển - 8 - liệu bên trong vi xử lý. Ngõ ra OUT của ALU cho phép ALU có thể gửi kết dữ liệu sau khi xử lý xong lên bus dữ liệu bên trong vi xử lý, do đó thiết bị nào kết nối với bus bên trong đều có thể nhận dữ liệu này. Ví dụ khi ALU cộng 2 dữ liệu thì một trong 2 dữ liệu được chứa trong thanh ghi Accumulator, sau khi phép cộng được thực hiện bởi ALU thì kết quả sẽ gửi trở lại thanh ghi Accumulator và lưu trữ ở thanh ghi này. ALU xử lý một dữ liệu hay 2 dữ liệu tùy thuộc vào lệnh hay yêu cầu điều khiển, ví dụ khi cộng 2 dữ liệu thì ALU sẽ xử lý 2 dữ liệu và dùng 2 ngõ vào “IN” để nhập dữ liệu, khi tăng một dữ liệu nào đó lên 1 đơn vị hay lấy bù một một dữ liệu, khi đó ALU chỉ xử lý 1 dữ liệu và chỉ cần một ngõ vào “IN”. Hình 1.2.2a. Sơ đồ khối của vi xử lý 8 bit Khối ALU có thể thực hiện các phép toán xử lý như sau: Add (cộng) Complement (lấy bù) OR (Phép OR) Subtract (trừ) Shift right (dịch phải) Increment (tăng) Status REG Accumulator A Memory Address Register Hi | Lo SP PC 16 bit address bus 8 Bit DATA BUS External input and output control lines TEMP 1 TEMP 2 ALU OUT IN IN Instruction Register instructio n Decoder CONTROL LOGIC 8 bit internal data bus Biên soạn: Ks Dương Quốc Hưng Giáo Trình Hệ Vi điều khiển - 9 - AND(phép AND) Shift left (dịch trái) Decrement (giảm) Exclusive OR (phép XOR – hoặc có loại trừ) Như vậy: Chức năng chính của khối ALU là làm thay đổi dữ liệu hay chuyên về xử lý dữ liệu nhưng không lưu trữ dữ liệu. 1.2.2.2. Các thanh ghi bên trong vi xử lý Các thanh ghi bên trong có chức năng lưu trữ tạm thời các dữ liệu khi xử lý. Trong số các thanh ghi có một vài thanh ghi đặc biệt khi thực hiện các lệnh đặc biệt, các thanh ghi còn lại gọi là các thanh ghi thông dụng. Các thanh ghi thông dụng rất hữu dụng cho người lập trình dùng để lưu trữ dữ liệu phục vụ cho công việc xử lý dữ liệu và điều khiển, khi viết chương trình chúng ta luôn sử dụng các thanh ghi này. Số lượng các thanh ghi thông dụng thay đổi tùy thuộc vào từng vi xử lý. Các thanh ghi cơ bản luôn có trong một vi xử lý là thanh ghi tích luỹ A (Accumulator register), thanh ghi bộ đếm chương trình PC (Program Counter register), thanh ghi con trỏ ngăn xếp SP (Stack pointer register), thanh ghi trạng thái SF (Status register –Flag register), các thanh ghi thông dụng, thanh ghi lệnh IR (Instruction register), thanh ghi địa chỉ AR (address register). 1.2.2.3. Khối điều khiển logic và khối giải mã lệnh - Chức năng của khối giải mã lệnh (Instruction decoder) là nhận lệnh từ thanh ghi lệnh sau đó giải mã để gửi tín hiệu điều khiển đến cho khối điều khiển logic. - Chức năng của khối điều khiển logic (control logic) là nhận lệnh hay tín hiệu điều khiển từ bộ giải mã lệnh, sau đó sẽ thực hiện đúng các yêu cầu của lệnh. Khối điều khiển logic được xem là một vi xử lý nhỏ nằm trong một vi xử lý. Các tín hiệu điều khiển của khối điều khiển logic là các tín hiệu điều khiển bộ nhớ, điều khiển các thiết bị ngoại vi, các đường tín hiệu đọc-ghi, … và các tín hiệu điều khiển vi xử lý từ các thiết bị bên ngoài. Các đường tín hiệu này sẽ được trình bày cụ thể trong sơ đồ của từng vi xử lý cụ thể. Ngõ tín hiệu vào quan trọng nhất của khối điều khiển logic là tín hiệu clock cần thiết cho khối điều khiển logic hoạt động. Nếu không có tín hiệu clock thì vi xử lý không làm việc. Mạch tạo xung clock là các mạch dao động, tín hiệu được đưa đến ngõ vào clock của vi xử lý. Có nhiều vi xử lý có tích hợp mạch tạo dao động ở bên trong, khi đó chỉ cần thêm tụ thạch anh ở bên ngoài. 1.2.2.4. Bus dữ liệu bên trong vi xử lý (Internal data bus) Bus dữ liệu dùng để kết nối các thanh ghi bên trong và ALU với nhau, tất cả các dữ liệu di chuyển trong vi xử lý đều thông qua bus dữ liệu này, Các Biên soạn: Ks Dương Quốc Hưng Giáo Trình Hệ Vi điều khiển - 10 - thanh ghi bên trong có thể nhận dữ liệu từ bus hay có thể đặt dữ liệu lên bus nên bus dữ liệu này là bus dữ liệu 2 chiều. Bus dữ liệu bên trong có thể kết nối ra bus bên ngoài khi vi xử lý cần truy xuất dữ liệu từ bộ nhớ bên ngoài hay các thiết bị I/O. 1.3. CẤU TRÚC DỮ LIỆU TRONG HỆ VI XỬ LÝ Một vấn đề quan trọng trong hệ vi xử lý là việc lưu trữ và xử lý các dữ liệu số. Thông thường chúng ta đã quen thuộc với các số trong hệ đếm cơ số 10, nhưng trong thực tế còn có nhiều hệ đếm với các cơ số khác nhau. Trong phần này chúng ta sẽ làm quen với cách biểu diễn số nhị phân, số Hex, các khái niệm bit, byte, word, sau đó là các phép toán cơ bản với mã hệ hai. 1.3.1. CÁC HỆ ĐẾM DÙNG TRONG HỆ VI XỬ LÝ 1.3.1.1. Hệ cơ số mười (Decimal – thập phân) Trong cuộc sống hàng ngày chúng ta dùng hệ cơ số mười nói gọn là hệ mười (Decimal number system, viết tắt là hệ D) để biểu diễn các giá trị số. Chúng ta dùng tổ hợp các chữ số từ 0 đến 9 để biểu diễn các giá trị số. Đi kèm theo tập hợp đó có thể dùng thêm hậu tố D ở cuối để chỉ ra rằng đó là số hệ mười. 1.3.1.2. Hệ cơ số hai (Binary – nhị phân) Trong thế giới máy tính lại khác, để biểu diễn một giá trị số chúng ta dùng hệ cơ số hai hoặc nói gọn là hệ hai (Binary number system, viết tắt là hệ B). Trong đó chỉ tồn tại hai chữ số là 0 và 1 để biểu diễn các giá trị số (ứng với hai trạng thái có điện và không có điện của các mạch điện tử cấu tạo nên máy). Đặc điểm của hệ đếm cơ số hai là trong cùng một số có hai chữ số giống nhau thì chữ số bên trái có giá trị gấp 2 lần chữ số bên phải. Từ hệ đếm cớ số hai ta có các khái niệm sau: - Bit: Mỗi chữ số trong hệ hai là một bit. Chữ số đầu tiên bên trái trong dãy các số hệ hai gọi là bit có nghĩa lớn nhất hay bit có trọng số lớn nhất (Most Significant Bit – MSB), còn bit cuối cùng bên phải trong dãy gọi là bit có nghĩa bé nhất hay bit có trọng số nhỏ nhất (Least Significant Bit – LSB). - Byte: 1Byte = 8 Bit. - Word: 1 Word = 2 Byte = 16 Bit. - Double Word (từ kép): 1 Double Work = 32 Bit. Ví dụ: 15D=1111B 1.3.1.3. Hệ cơ số 16 (Hexa decimal – thập lục phân) Nếu ta dùng hệ hai để biểu diễn các số có giá trị lớn ta sẽ gặp điều bất tiện là số hệ hai thu được quá dài. Ví dụ để biểu diễn số 255 ta cần đến 8bit viết như sau: 255 = 11111111B [...]... +2 0 010 0 010 +1 00 01 00 01 +0 0000 0000 -0 10 00 - -1 10 01 111 1 -2 10 10 11 10 -3 10 11 110 1 -4 11 00 11 00 -5 11 01 1 011 -6 11 10 10 10 -7 11 11 10 01 -8 - 10 00 Quan sỏt b ng trờn ta th y: - N u ta dựng 4 bit bi u di n s thỡ thỡ ta thu c 16 t h p cú giỏ tr t 0 n 15 t c l ch bi u di n c s dng - V i cỏch bi u di n theo d u l n ta cú th bi u di n c c s dng v õm n m trong kho ng -7 -0 +0+7 - V i cỏch bi u di n theo... 215 = 011 010 111 S chia : 22 = 010 110 S bự hai c a s chia =10 1 010 Cỏc b c th c hi n c ti n hnh nh sau: S b chia S chia = 011 010 111 mó bự 2 c ng =10 1 010 T ng 1 =00 010 011 1 bit d u = 0 => thng = 1 D ch trỏi t ng 1 =0 010 011 1 S chia mó bự 2 c ng T ng 2 S chia =10 1 010 =11 0 011 11 bit d u =1 => thng = 0 mó h 2 c ng = 010 110 S b chia =0 010 011 1 D ch trỏi s b chia = 010 011 1 S chia mó bự 2 c ng T ng 3 S chia =10 1 010 ... 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 Vớ d 19 4 - 95 = 99 Tr h m i Tr h hai M n 11 11 111 0 19 4 S b tr 11 00 0 010 95 S tr 010 1 11 11 99 Hi u 011 0 0 011 Trong khi lm phộp tr ta nh n th y cú th th c hi n phộp tr b ng phộp c ng C ng s b tr v i s i c a s b tr (s bự hai), vớ d 15 13 = 2 Ta ó bi t -1 3 bi u di n theo s bự hai nh sau: 11 11 0 011 15 = (0000 11 11) 2 -1 3 = (11 11 0 011 )bự 2 T ng = (0000 0 010 )2 = 2 1. 3.3.3 Phộp... 90 91 92 93 94 95 ` a f g h i j k l r 98 c e q 97 b d p 96 s 99 t 10 0 u 10 1 v 10 2 w 10 3 x 10 4 y 10 5 z 10 6 { 10 7 10 8 m } n ~ o 10 9 11 0 11 1 11 2 11 3 11 4 11 5 11 6 11 7 11 8 11 9 12 0 12 1 12 2 12 3 12 4 12 5 12 6 12 7 Hỡnh 1. 3.2c B ng mó ASCII tiờu chu n Khi xem xột b ng mó ta cú th rỳt ra m y nh n xột s b sau: - 2c t u tiờn c a b ng mó c dựng cho cỏc ký t i u khi n - C t 2 dnh riờng cho cỏc ký t ngn cỏch - Cỏc... õm thỡ i n thờm 1 Nh v y cỏch bi u di n 18 theo mó bự hai nh sau: +18 = 00 010 010 (s bự hai, 8-bit) +18 = 00000000 00 010 010 (s bự hai, 16 -bit) -1 8 = 11 1 011 10 (s bự hai, 8-bit) -1 8 = 11 111 111 11 1 011 10 (s bự hai, 16 -bit) 1. 3.2.2 Bi u di n s th c S th c A trong h nh phõn c bi u di n nh sau: A = D1D2D3Dn, d1d2d3dn = D, d Trong ú: D = D1D2D3Dn L ph n nguyờn d = d1d2d3dn L ph n th p phõn Vi c bi u di n A... chia mó bự 2 c ng T ng 3 S chia =10 1 010 =11 110 11 bit d u = 1 => thng = 0 mó h hai c ng = 010 110 S b chia = 010 011 1 D ch trỏi s b chia =10 011 1 S chia mó bự 2 T ng 4 c ng =10 1 010 = 010 0 01 bit d u = 0 => thng = 1 n õy khụng th th c hi n c n a vỡ t ng 4 l 010 0 01 = 17 < 22 Nh v y k t qu phộp chia l: 10 01 = 9 v d 010 0 01 = 17 Biờn so n: Ks Dng Qu c Hng - 19 - Giỏo Trỡnh H Vi i u khi n ... an -1 = 0 cho nờn bi u th c 2 n 1 a n 1 = 0 Do v y bi u th c trờn c bi u di n s bự hai cho c s dng v s õm B ng sau so sỏnh cỏch bi u di n s bự hai v bi u di n d u i v i cỏc s nguyờn 4 bit Biờn so n: Ks Dng Qu c Hng - 12 - l n Giỏo Trỡnh H Vi i u khi n Bi u di n s th p phõn Bi u di n d u l n Bi u di n s bự hai +7 011 1 011 1 +6 011 0 011 0 +5 010 1 010 1 +4 010 0 010 0 +3 0 011 0 011 +2 0 010 0 010 +1 00 01 00 01. .. = 10 000000 00 010 010 (d u l n, 16 -bit) i u ny khụng cũn ỳng n a v i s nguyờn õm bự hai, vớ d : +18 = 00 010 010 Biờn so n: Ks Dng Qu c Hng (s bự hai, 8-bit) - 13 - Giỏo Trỡnh H Vi i u khi n +18 = 00000000 00 010 010 (s bự hai, 16 -bit) -1 8 = 11 1 011 10 (s bự hai, 8-bit) -3 2658 = 10 000000 011 011 10 (s bự hai, 16 -bit) Quy t c bi n i bit s bự hai l di chuy n bit d u n v trớ m i phớa bờn trỏi nh t v i n thờm cỏc... nh (Carry) Vớ d : 99 + 95 = 19 4 C ng h m i C ng h hai Nh 11 11 111 0 99 S h ng 1 011 0 0 011 95 S h ng 2 010 1 11 11 194 T ng 11 00 0 010 Cỏc b c ng trong cỏc kh i tớnh toỏn s h c c a mỏy tớnh s th c hi n cỏc phộp c ng theo cỏch ó núi trờn Biờn so n: Ks Dng Qu c Hng - 16 - Giỏo Trỡnh H Vi i u khi n 1. 3.3.2 Phộp tr Phộp tr cỏc s h hai c th c hi n gi ng nh khi ta lm v i cỏc s h 10 Quy t c phộp tr v i s h hai... T THEO M H HAI 1. 3.2 .1 Bi u di n s nguyờn Bi u di n s nguyờn khụng d u N u chỳng ta ch dựng s nguyờn dng thỡ cỏch bi u di n l n gi n M t s 8 bit cú th c s d ng bi u di n cỏc s t 0 n 255 Th t v y: 00000000 =0 Biờn so n: Ks Dng Qu c Hng - 11 - Giỏo Trỡnh H Vi i u khi n 000000 01 =1 0 010 10 01 = 41 10000000 = 12 8 11 111 111 = 255 Thụng th ng, n u m t chu i n bit c a cỏc s nh phõn an-1an-2 a1a0 c tớnh nh . 00 01 00 01 +0 0000 0000 -0 10 00 - -1 10 01 111 1 -2 10 10 11 10 -3 10 11 110 1 -4 11 00 11 00 -5 11 01 1 011 -6 11 10 10 10 -7 11 11 10 01 -8 - 10 00 Quan sát bảng trên ta thấy: - Nếu ta dùng 4 bit để. ` 96 10 2 10 0 98 11 0 10 9 10 8 10 6 10 7 11 1 a b c d e f g h i k l m n o j 97 99 10 1 10 3 10 4 10 5 p 11 2 11 8 11 6 11 4 12 6 12 5 12 4 12 2 12 3 12 7 q r s t u v w x y { } ~ z 11 3 11 5 11 7 11 9 12 0 12 1 <DEL> Hình 1. 3.2c. 1. Như vậy cách biểu diễn 18 theo mã bù hai như sau: +18 = 00 010 010 (số bù hai, 8-bit) +18 = 00000000 00 010 010 (số bù hai, 16 -bit) -1 8 = 11 1 011 10 (số bù hai, 8-bit) -1 8 = 11 111 111 11 1 011 10