đây là bài viết giới thiệu khá chi tiết về CPU 8076 gồm có cấu tạo và chức năng. CPU bao gồm • Bộ vi xử lý (CPU). • Bộ nhớ bán dẫn (ROM, RAM). • Mạch ghép nối vàora. • Bus hệ thống để truyền thông tin giữa các khối, bus hệ thống gồm bus điều khiển, bus địa chỉ và bus dữ liệu.
Trang 1KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Trang 2Mục lục
Trang 3LỜI NÓI ĐẦU
Khoa học ngày càng phát triển mạnh mẽ, nhu cầu sử dụng những công nghệ ngày càng cao, yêu cầu độ chính xác và năng suất hoạt động cao Từ yêu cầu đó, con người cần phải sản xuất và phát minh ra những công cụ, sản phẩm ứng dụng và phát triển ngành công nghệ lập trình Cùng với đó nhu cầu học tập và nghiên cứu ứng dụng công nghệ vi xử lý ngày càng tăng.
Đi tiên phong thế hệ vi xử lý lập trình theo nhu cầu mong muốn con người, nhà sản xuất chip vi xử lý Intel đã phát triển và chế tạo thành công chip 4004 vào năm 1971 Là bộ vi xử lý 4 bit đầu tiên mở đầu cho kỷ nguyên thế hệ vi xử lý trong máy tính.
Một mốc son quan trọng nhất mà Intel đạt được đó là hãng đã sản xuất ra
bộ vi xử lý mang tên 8086 có độ rộng dữ liệu lên đến 16 bit với 29000 bóng bán dẫn được tích họp bên trong, đây là bộ vi xử lý mở đầu cho họ vi xử lý x86.
Bộ vi xử lý 8086 đã mang lại sự bùng nổ công nghệ với sự có mặt trong hầu hết các máy tính ở thời kỳ này Sau đây chúng ta sẽ cùng đi tìm hiểu rõ hơn về thành phần, cấu tạo và chức năng của CPU 8086.
Trang 4I. Tổng quan về vi xử lý và máy tính.
1. Lịch sử phát triển của máy tính và vi xử lý.
Lịch sử phát triển của vi xử lý gắn liền với sự phát triển của các vi mạch điện tử vì
vi xử lý là vi mạch điện tử chế tạo theo công nghệ LSI (large scale integrated – vi xử
lý chứa khoảng 3000 tới 100000 transistor) cho đến VLSI (very large scale integrated
- tích hợp với quy mô rất rộng, tức là một vi xử lý chứa khoảng từ 10 triệu transistortrở lên )
Với sự khám phá ra transistor và phát triển của công nghệ chế tạo vi mạch SSI, MSI,máy tính vẫn còn là một nhóm gồm nhiều IC kết hợp lại với nhau, cho đến thập niên
70, với sự phát triển của công nghệ LSI, cấu trúc máy tính được rút gọn bởi các nhàthiết kế và được chế tạo thành một IC duy nhất được gọi là vi xử lý (microprocessor)
Vi xử lý kết hợp với các thiết bị khác tạo racác máy tính có khả năng tính toán rất lớnnhư máy vi tính và có thể tạo ra các sản phẩm khác các máy điện thoại, các tổng đàiđiện thoại, các hệ thống điều khiển tự động
Vi xử lý đầu tiên có khả năng xử lý 4 bit dữ liệu, các vi xử lý này có tốc độ xử lý rấtchậm, các nhà thiết kế cải tiến thành vi xử lý 8 bit, sau đó là vi xử lý 16 bit và 32 bit
Sự phát triển về dung lượng các bit của vi xử lý làm tăng thêm số lượng các lệnh điềukhiển và các lệnh tính toán phức tạp
a. Thế hệ máy tính cơ khí.
Ý tưởng về một hệ thống tính toán đã có từ rất lâu, khoảng 500 năm trước Côngnguyên, người Babylon đã chế tạo được máy tính đầu tiên có tên là Abacus Năm
1643, Blaise Pascal chế tạo thành công một máy tính tạo bởi các bánh răng, trong đó
số răng của bánh nọ gấp 10 lần số răng của bánh kia, nguyên lý này sau được sử dụng
để chế tạo các đồng hồ đo quãng đường của motor, đồng hồ đo nước
b. Thế hệ máy tính cơ điện - điện tử.
Năm 1889, Herman Holerith phát minh ra card đục lỗ dùng để lưu trữ dữ liệu, sau
đó ông chế tạo thành công máy tính cơ khí được điều khiển bởi một motor điện, nó cóthể thực hiện được các phép đếm, sắp xếp và so sánh thông tin lưu trong card đục lỗ Năm 1942, nhà phát minh ngưòi Đức Konrad Zure chế tạo ra máy tính điện tử Z3dùng cho không quân Đức Năm 1943, Alan Turing phát minh ra hệ thống máy tínhđiện tử có tên là Collossus được thiết kế từ các đèn điện tử chân không, đây là mộtmáy tính chuyên dụng thực hiện theo một chương trình cố định để giải mã các bí mậtquân sự của Đức quốc xã
Trang 5Máy tính điện tử đa dụng đầu tiên - hệ máy tính khả trình - được phát triển bởi Đạihọc Pennsylvania có tên là ENIAC (Electronics Numerical Integrator And Calculator).Đây là một máy tính lớn chứa hơn 17000 đèn điện tử, nặng khoảng 30 tấn và có thểthực hiện được 100000 thao tác trong một giây ENIAC được lập trình bằng cách nốilại mạch điện, công việc này được thực hiện bởi các công nhân và mất rất nhiểu thờigian Ngoài ra, việc bảo dưỡng cũng phải được thực hiện thường xuyên vì tuổi thọ củacác đèn điện tử thấp.
c. Thế hệ máy tính dùng vi xử lý.
Lịch sử phát triển của vi xử lý gắn liền với hãng Intel Tập đoàn Intel (IntegratedElectronics) thành lập vào ngày 18/7/1968 tại Santa Clara, California, Hoa Kỳ Intelsản xuất các sản phẩm như chip vi xử lý cho máy tính, bo mạch chủ, ổ nhớ flash, cardmạng và các thiết bị máy tính khác
• Năm 1948, transistor được phát minh, đến năm 1958, Jack Kilby phát minh ramạch tổ hợp - đây là cơ sơ để phát triển các vi mạch số Tháng 4 năm 1971, MarcianT.Hoff một kỹ sư của Intel đã thiết kế ra bộ vi xử lý 4004 – mở đầu cho thời kỳ sửdụng vi xử lý trong máy tính 4004 là bộ vi xử lý 4 bit, bên trong nó gồm 2300transistor, có thể quản lý được bộ nhớ có 4096 (»4K) ô nhớ, mỗi ô gồm 4 bit, tập lệnhcủa 4004 gồm 45 lệnh khác nhau, nó được chế tạo theo công nghệ MOSFET kênh p cótốc độ xử lý là 50KIPS (Kilo Instruction Per Second - nghìn lệnh/giây) 4004 đượcdùng để thiết kế các hệ thống video game, hệ thống điều khiển nhỏ dùng vi xử lý Trên
cơ sở 4004, hãng Intel sản xuất bộ vi xử lý 4040, đây cũng là bộ vi xủ lý 4 bit nhưng
có tốc độ cao hơn 4004
• Sau năm 1971, tháng 4 năm 1972, Intel cải tiến và cho ra vi xử lý 8 bit có mã số
8008 có thể truy xuất 16K ô nhớ 8 bit và có 48 lệnh Đây con chip 8-bit đầu tiên, xungnhịp 500KHz và có thé nâng lên thành 800KHz
• Tháng 4 năm 1974, Intel cải tiến vi xử lý 8008 thành vi xử lý 8080, đây là mộtbước tiến lớn cùa Intel 8080 có thể truy xuất 64Kbyte bộ nhớ và có nhiều lệnh hơn,chạy nhanh gấp 10 lần so với 8008, xung nhịp được nâng lên mức 2MHz và có khànăng nhận diện bộ nhớ 64KB Những máy tính để bàn đầu tiên trên thế giới sử dụngchip 8080 này và chạy trên hệ điều hành CP/M
• Tháng 4 năm 1976, Intel cải tiến vi xử lý 8080 thành vi xử lý 8085 có thêm mạchtạo xung clock được tích hợp bên trong, có nhiều ngắt trên chip phục vụ cho nhiều ứngdụng và tích hợp mạch điều khiển hệ thống trên chip
• Tháng 6 năm 1978, Intel sản xuất vi xử lý 16 bit có mã số là 8086, là con chipx86 đầu tiên của thế giới, 8086 cũng là con chip 16 bit đầu tiên của Intel, được trang bị
Trang 629.000 bóng bán dẫn và xung nhịp đạt 5MHz, có 20 đường địa chỉ cho phép truy xuất1MB bộ nhớ và bus dữ liệu bên trong và bên ngoài đều là 16bit
• Tháng 6 năm 1979, Intel sản xuất vi xử lý 16 bit có mã số là 8088 chủ yếu dựavào vi xử lý 8086 nhưng khác với vi xử lý 8086 là bus dữ liệu bên ngoài chỉ có 8 bitnhưng bus dữ liệu bên trong vi xử lý là 16 bit, mục đích cải tiến này nhằm hạ giáthành hệ thống và trở thành vi xử lý trong máy tính IBM-PC/XT
• Vào cuối năm 1981 và năm đầu 1982, Intel cho ra đời vi xử lý 80186 và phiênbản mở rộng của vi xử lý 8086 có hổ trợ quản lý bộ nhớ theo phân đoạn và bảo vệ bộnhớ, bus địa chỉ có 24 đường cho phép truy xuất 16Mbyte bộ nhớ 80286 được trang
bị trong máy tính PC-AT của IBM Lúc đầu nó có xung nhịp 6MHz nhưng các phiênbản sau này có đến 25MHz Chip 80286 có 16MB address space và 134.000 bóng bándẫn
• Tháng 2 năm 1982, Intel cho ra đời vi xử lý 80286 cũng là vi xử lý 16 bit và chủyếu cũng phát triển từ vi xử lý 8086 có thêm nhiều chức năng như mạch định thờiđược tích hợp, mạch điều khiển DMA, mạch điều khiển ngắt và mạch chọn chip bộnhớ được thiết kế riêng cho các ứng dụng nhúng với giá chip thấp
• Tháng 10 năm 1985, Intel cho ra đời vi xử lý 80386 chính là vi xử lý 32bit, cóquản lý bộ nhớ theo trang và phân đoạn bộ nhớ, bus dữ liệu bên trong và bên ngoàiđều là 32 bit, tập thanh ghi được mở rộng Đây là con chip 32 bit đầu tiên cùa Intel, nó
có 275.000 bóng bán dẫn, cao hơn gấp 100 lần so với chip 4004 Các phiên bản 80386này cuối cùng cũng đạt mức xung nhịp 40MHz
• Tháng 4 năm 1989, Intel cho ra đời vi xử lý 80486, có cải thiện kiến trúc để tănghiệu suất, cung cấp bộ nhớ cache trên board, đơn vị dấu chấm động trên board, đây làcon chip x86 đầu tiên của Intel với hơn 1 triệu bóng bán dẫn (1,2 triệu) Nó cũng làcon chip đầu tiên có cache và FPU nằm hẳn trên con chip Có thêm 6 lệnh so với vi xử
lý 80386 Lệnh định thời được cải tiến để tăng hiệu suất
• Tháng 3 năm 1993, Intel cho ra đời vi xử lý Pentium là vi xử lý 64 bit có đơn vịdấu chấm động hiệu suất cao Lệnh định thời được cải tiến so với 80486 Pentium làmột con chip siêu vô hướng và là một cuộc đại tu của Intel đối với dòng Chip x86.Ban đầu nó có xung nhịp 60MHz nhưng sau đó được nâng lên đến 300MHz ChipPentium có 3.100.000 bóng bán dẫn
• Tháng 3 năm 1995, Intel cho ra đời vi xử lý Pentium Pro có 2 cấp cache có sẵn
Là một con chip hiệu năng cao, có chức năng thực thi không theo trật tự (Out of OrderExecution) và Cache L2 nằm bên trong con Chip Dòng Pentium Pro sau này đượcchuyển đổi để sử dụng trong dòng máy Xeon của Intel
Trang 7• Tháng 3 năm 1997, Intel cho ra đời vi xử lý Pentium II - Pentium Pro + MMX.Dựa trên nền tảng Pentium Pro, Pentium II có 7.500.000 bóng bán dẫn và được đónggói theo dạng cartridge bao gồm cả cache L2 bên trong Xung nhịp đạt từ 233MHzđến 450MHz.
• Năm 1999, Intel cho ra đời vi xử lý Pentium III – IA64, mở rộng tạo luồng SIMD
Là phiên bàn nâng cáp của Pentium II và là con chip đầu tiên sử dụng tập lệnh SSE, cóxung nhịp từ 400MHz đến 1.4GHz
• Năm 2000, Intel cho ra đời vi xử lý Pentium IV, sử dụng kiến trúc Netburst củaIntel, xung nhịp 1.4GHz, có thể tăng lên tối đa 3.8GHz và có 42 triệu bóng bán dẫn
• Năm 2001 Intel Itanium ra đời, nó được phát triến bởi Intel và HP, Itanium làdòng chip 64-bit không dựa trên nền tảng x86 được phát triển để cung cấp khả năngtính toán song song và nhắm đến đối tượng là các máy chủ doanh nghiệp Tuy nhiên,Itanium đã không gặt hái được nhiểu thành công
• Năm 2002 Intel XScale ARM: Intel phát triển XScale ARM để tiếp nối dòng chipStrongARM cũ kỹ và trang bị cho nhiều máy PDA trong nhiều năm liền Tuy nhiênsau đó họ đã bán XScale lại ho hãng Marvell vào năm 2006
• Năm 2003 Intel Pentium-M (Centrino):Pentium-M được thiết kế dành riêng chomáy laptop và là dòng chip Centrino đầu tiên của Intel Nó có 77 triệu bóng bán dẫn
và xung nhịp 900MHz
• Năm 2005 Intel Pentium-D: Đây là dòng chip hai nhân đầu tiên của Intel, bắt đầu
từ phiên bản Pentium Extreme Edition Pentium D cũng khởi đầu xu hướng dùng chiphai nhân trên máy tính để bàn
• Năm 2006 Intel Xeon 5300: Dòng chip 4 nhân đầu tiên của Intel dành cho máytrạm và máy chủ Trên thực tế thì Xeon 5300 được ghép từ 2 con chip hai nhân lại vớinhau, nâng tổng số bóng bán dẫn lên thành 582 triệu
• Năm 2011 Intel Core i3, i5, i7:Là những dòng chip mới nhất hiện nay của Intel,dựa trên kiến trúc Sandy Bridge Mỗi một con chip có thể có tối đa là 8 nhân và 995triệu bóng bán dẫn.2 Cấu trúc của máy tính dùng vi xử lý(hệ vi xử lý)
2. Cấu trúc của máy tính dùng vi xử lý (hệ vi xử lý).
Vi xử lý là một thành phần cơ bản không thể thiếu của máy tính, ngoài ra để tạo ramột hệ hoàn chỉnh cần phải có các bộ phận khác như bộ nhớ, các thiết bị vào/ra nhưbàn phím, màn hình
Trang 8Một máy tính (hay hệ vi xử lý) bao gồm các khối chức năng sau:
-Ở hình thức đơn giản nhất, CPU là một con chip với vài chục chân Phức tạp hơn,CPU được ráp sẵn trong các bộ mạch với hàng trăm con chip khác CPU là một mạch
xử lý dữ liệu theo chương trình được thiết lập trước Nó là một mạch tích hợp phức tạpgồm hàng triệu transitor trên một bảng mạch nhỏ Bộ xử lý trung tâm bao gồm: Bộđiều khiển và Bộ làm tính
CPU là bộ xử lý trung ương chỉ huy các hoạt động của máy tính theo lệnh và thựchiện các phép tính Đây là một vi mạch số với mức độ tích hợp cực lớn (VLSI) bêntrong nó bao gồm nhiều khối chức năng khác nhau như: đơn vị số nguyên để thao táctính toán với các số nguyên, đơn vị xử lý dấu phẩy động để thực hiện cấc phép tính
Trang 9với số thực Khi hoạt động, nó đọc mã lệnh (mã lệnh được ghi dưới dạng chuỗi cácbit 0, 1) từ bộ nhớ, đưa vào trong vi xử lý để giải mã thành các vi lệnh, đây là nhữngxung điều khiển để điều khiển hoạt động của các đơn vị chức năng bên trong vi xử lý Các thông số quan trọng của một bộ vi xử lý gồm:
• Tần số làm việc: là tần số xung nhịp (clock) cung cấp cho vi xử lý, tần sô nàyquyết định dến tốc độ làm việc của vi xủ lý
• Độ rộng bus dữ liệu m: là số đường dây dùng để truyền dữ liệu ký hiệu từ Dođến Dm-1 Các giá trị của m thưòng là 4, 8, 16, 32 và 64
• Độ rộng bua địa chỉ n: quyết định đến dung lượng bộ nhớ cực đại mà vi xử lý cóthể quản lý được Một bộ vi xử lý có n đường địa chỉ từ A0 đến An-1 có thểquản lý được ô nhớ (mỗi ô nhớ thường là một byte) Các giá trị của n thường
RAM (Random Access Memory - bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên) là bộ nhớ có thểghi/đọc được, có nghĩa là có thể đọc thông tin từ bộ nhớ, xoá thông tin cũ trong bộ nhớhoặc ghi thông tin mới vào bộ nhớ; nội dung thông tin ghi trong bộ nhớ RAM sẽ bịmất khi mất nguồn cung cấp RAM được dùng để lưu trữ mã lệnh, toán hạng và kếtquả của chương trình khi nó đang được thực hiện Trong máy tính, bộ nhớ RAM là cácmodule dạng thanh cắm trên bảng mạch chính của máy, trên mỗi module thường gắnnhiều vi mạch RAM và thường có dung lượng là 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256 hoặc512MB
Trang 10Mạch ghép nối vào/ra có thể là một vi mạch cỡ nhỏ như 8255 để ghép nối songsong, 8251 để ghép nối nối tiếp Tuy nhiên trong các máy tính hiện nay mạch ghépnối vào/ra là những vi mạch cỡ lớn (VLSI) được gọi là chipset, ví dụ như chipset 848Pcủa Intel cho phép ghép nối giữa vi xử lý với cổng đồ hoạ tốc độ cao AGP 8x, với ổđĩa cứng kiểu SATA, với hệ thống âm thanh 5.1, với các thiết bị vào/ra qua cổng USB2.0,
d. Bus hệ thống.
Bus hệ thống là tập hợp tất cả các đường dây dùng để liên lạc giữa các khối chứcnăng trong hệ thống Dựa vào chức năng của các đường dây người ta chia chúng làm 3nhóm:
• Bus điều khiển là các đường dây mang các tín hiệu điều khiển hoạt động hoặcphản ánh trạng thái của các khối như /RD (read - đọc bộ nhớ hoặc thiết bịvào), /WR (write - ghi dữ liệu vào bộ nhớ hoặc xuất dữ liệu ra thiết bị ra), INT(interrupt - ngắt vi xử lý để trao đổi dữ liệu)
• Bus dữ liệu là các đường dây mang số liệu mà vi xử lý đang trao đổi với bộ nhớhoặc thiết bị vào/ra
• Bus địa chỉ mang thông tin vể địa chỉ của ô nhớ hay một thiết bị vào/ra mà vi xử
lý đang trao đổi tin Thông tin về địa chỉ là do vi xử lý phát ra để chọn ra một ônhớ hoặc một thiết bị vào/ra mà nó cần trao đổi tin
II. Vi xử lý Intel 8086.
Bộ vi xử lý 8086, được giới thiệu năm 1978, là bộ vi xử lý 16 bit đầu tiên của Intel,
mở đầu cho họ vi xử lý x86 Bên trong 8086 gồm 29000 transistor, được sản xuất bằngcông nghệ NMOS hoặc CMOS với ba phiên bản:
Trang 111. Cấu trúc.
Bên trong bộ vi xử lý 8086 bao gồm 2 khối chính:
• Khối thực hiện lệnh (EU- Execution Unit) là nơi giải mã và thi hành cáclệnh
• Khối giao tiếp bus (BIU- Bus Interface Unit) có nhiệm vụ đảm bảo việctrao đổi thông tin giữa 8086 với linh kiện bên ngoài
Trang 12a. Khối thực hiện lệnh (EU- Execution Unit).
Khối thực hiện lệnh (EU - Execution Unit) bao gồm:
• Bộ xử lý số học và logic (ALU - Arithmatìc Logical Unit) là nơi thực hiện cáclệnh số học và lệnh logic
• Các thanh ghi 16 bit chứa toán hạng
• Thanh ghi cờ F
• Khối điểu khiển (CU - Control Unit) có nhiệm vụ tạo các tín hiệu điều khiển các
bộ phận bên trong và bên ngoài CPU Bên trong khối điều khiển này có mạchgiải mã lệnh Mã lệnh được đọc vào từ bộ nhớ và đưa đến đầu vào của bộ giải
mã Các thông tin thu được từ đầu ra của mạch giải mã sẽ được đưa đến mạchtạo xung điều khiển, kết quả là ta thu được các dãy xung khác nhau (tuỳ theo mãlệnh) để điểu khiển hoạt động của các bộ phận bên trong và bên ngoài CPU