CHƯƠNG 1 máy TÍNH và hệ VI xử lý

Kỹ thuật Vi xử lý Chương MÁY TÍNH VÀ HỆ VI XỬ LÝ Nguyễn Phú Bình Bộ môn Kỹ thuật Máy tính, Khoa Công nghệ Thông tin Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Copyright (c) 1/2007 by DTB Nội dung chương 1.1 Các hệ máy tính 1.2 Các hệ vi xử lý 1.3 Tổng quan hệ vi xử lý Copyright (c) 1/2007 by DTB 1.1 Các hệ máy tính Thế hệ 1: Máy tính dùng đèn điện tử chân không (1946 - 1955) Thế hệ 2: Máy tính dùng transistor (1956 - 1965) Thế hệ 3: Máy tính dùng mạch tích hợp (1966 1980) Thế hệ 4: Máy tính dùng mạch tích hợp VLSI (1981 - nay) Copyright (c) 1/2007 by DTB Máy tính dùng đèn điện tử  1946: John Mauchley J.Presper Eckert chế tạo ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) - máy tính điện tử đa đầu tiên:       Gồm gần 18000 đèn điện tử chân không 1500 rơle điện tử Nặng 30 tấn, chiếm diện tích 170m2, tiêu thụ 170KW Có 20 ghi, ghi chứa số thập phân 10 chữ số Xử lý số hệ thập phân Bộ nhớ lưu trữ liệu Hoạt động cách thiết lập vị trí công tắc cáp nối Copyright (c) 1/2007 by DTB Đèn điện tử chân không Copyright (c) 1/2007 by DTB Máy ENIAC Copyright (c) 1/2007 by DTB Thiết kế von Neumann/Turing  Dựa ý tưởng chương trình lưu trữ (stored-program concept)  Bộ nhớ chứa chương trình liệu  ALU thực phép toán với số nhị phân  Đơn vị điều khiển giải mã lệnh từ nhớ thực  Đơn vị điều khiển điều khiển hoạt động thiết bị vào-ra  Trở thành mô hình máy tính Copyright (c) 1/2007 by DTB Máy IAS (1947-1952)  Do John von Neumann (Hungary) thiết kế  Thực Princeton Institute for Advanced Studies Kiến trúc Von Neumann Von Neumann máy IAS (1947-1952) Copyright (c) 1/2007 by DTB Máy tính dùng transistor  1947: John Bardeen, Walter Brattain William Shockley phát minh Transistor Bell Labs  Công ty DEC (Digital Equitment Corporation 1957): chế tạo PDP-1     Máy tính mini Thời gian chu trình lệnh 5µs (=½ IBM 7090 – nhanh lúc đó) Trị giá 120000$ (IBM 7090 trị giá hàng triệu $) Có hình hiển thị CRT Copyright (c) 1/2007 by DTB Máy tính dùng transistor (tiếp)  Công ty CDC (Control Data Corporation): chế tạo CDC 6600 (1964):      Siêu máy tính đầu tiên, nhanh IBM 7094 CPU gồm đơn vị chức có khả chạy song song Gồm số minicomputer chuyên xử lý vào-ra Thực 10 triệu lệnh/s Trị giá 10 triệu USD  Công ty IBM:    7090: Phiên 709 (thế hệ thứ 1) dùng transistor 7094: Chu trình lệnh 2µs, chuyên dùng cho tính toán khoa học 1401: Rẻ tiền, nhanh, thích hợp với ứng dụng doanh nghiệp  Các ngôn ngữ lập trình bậc cao đời Copyright (c) 1/2007 by DTB 10 Bộ nhớ (tiếp)  Bộ nhớ thiết kế sở gồm:  ROM (Read Only Memory):  Bộ nhớ không khả biến  Chứa chương trình liệu cố định với hệ thống  RAM (Random Access Memory):  Bộ nhớ khả biến  Chứa thông tin tạm thời Copyright (c) 1/2007 by DTB 40 c Hệ thống vào-ra  Chức năng: Trao đổi thông tin hệ vi xử lý với giới bên  Các thành phần chính:  Các thiết bị ngoại vi:  Chuyển đổi liệu bên bên hệ vi xử lý  Các mạch nối ghép vào-ra:     Nối ghép thiết bị ngoại vi với hệ vi xử lý Trên mạch nối ghép vào-ra có cổng vào-ra (I/O Port) Mỗi cổng vào-ra đánh địa xác định Thiết bị ngoại vi kết nối trao đổi liệu với hệ vi xử lý thông qua cổng vào-ra Copyright (c) 1/2007 by DTB 41 d Bus truyền thông tin  Bus: tập hợp đường kết nối dùng để vận chuyển thông tin thành phần  Độ rộng bus: số đường dây bus truyền thông tin đồng thời Tính bit  Phân loại bus theo chức năng:    Bus địa (Address Bus) Bus liệu (Data Bus) Bus điều khiển (Control Bus) Copyright (c) 1/2007 by DTB 42 Bus địa  Chức năng: vận chuyển địa từ bên vi xử lý đến nhớ hay mạch nối ghép vào-ra để xác định ngăn nhớ hay cổng vào-ra cần trao đổi thông tin  Độ rộng bus địa chỉ: xác định dung lượng nhớ cực đại hệ thống  Nếu độ rộng bus địa N bit (gồm N đường dây AN-1, AN-2, , A2, A1, A0) thì: → có khả vận chuyển N bit địa đồng thời → có khả đánh địa tối đa 2N ngăn nhớ = 2N Byte → gọi không gian địa nhớ Copyright (c) 1/2007 by DTB 43 Ví dụ  Độ rộng bus địa số vi xử lý Intel     8088/8086 : N = 20 bit → KGĐCBN = 220 Byte = MB 80286 : N = 24 bit → KGĐCBN = 224 Byte = 16 MB 80386, 80486, Pentium : N = 32 bit → KGĐCBN = 232 Byte = GB Pentium II, III, : N = 36 bit → KGĐCBN = 236 Byte = 64 GB Copyright (c) 1/2007 by DTB 44 Bus liệu  Chức năng:   Vận chuyển lệnh từ nhớ đến vi xử lý Vận chuyển liệu thành phần hệ vi xử lý với  Độ rộng bus liệu: Xác định số bit liệu trao đổi đồng thời   Nếu độ rộng bus liệu M bit (gồm M đường dây DM-1, DM-2, , D2, D1, D0) nghĩa đường bus liệu vận chuyển đồng thời M bit liệu M thường 8, 16, 32, 64 bit Copyright (c) 1/2007 by DTB 45 Ví dụ  Độ rộng bus liệu số vi xử lý Intel:     8088 : M = bit 8086, 80286 : M = 16 bit 80386, 80486 : M = 32 bit Các xử lý Pentium : M = 64 bit Copyright (c) 1/2007 by DTB 46 Bus điều khiển  Chức năng: vận chuyển tín hiệu điều khiển  Các loại tín hiệu điều khiển:   Các tín hiệu điều khiển phát từ vi xử lý để điều khiển nhớ hay mạch nối ghép vào-ra Các tín hiệu yêu cầu từ nhớ hay mạch nối ghép vào-ra gửi đến vi xử lý Copyright (c) 1/2007 by DTB 47 Kiến trúc phần mềm Copyright (c) 1/2007 by DTB 48 Ngôn ngữ máy  Mỗi vi xử lý có khả thực tập hữu hạn thao tác xác định  Mỗi thao tác mã hóa lệnh máy (instruction – gọi thị)  Mỗi lệnh máy mã hóa chuỗi số nhị phân  Ngôn ngữ chương trình mà máy tính hiểu ngôn ngữ máy → Lập trình trực tiếp ngôn ngữ máy vất vả dễ xảy sai sót Copyright (c) 1/2007 by DTB 49 Hợp ngữ (Assembly Language)  Là ngôn ngữ lập trình gần với ngôn ngữ máy  Sử dụng kí hiệu gợi nhớ để biểu diễn lệnh máy  Chương trình dịch hợp ngữ sang ngôn ngữ máy gọi hợp dịch (Assembler)  VD:   Ngôn ngữ máy (của vi xử lý Intel 8088): 00000101 00000100 00000000 ; cộng vào AX Hợp ngữ: ADD AX, ; cộng vào AX Copyright (c) 1/2007 by DTB 50 Ngôn ngữ lập trình bậc cao  Cho phép người lập trình viết chương trình gần với ngôn ngữ tự nhiên so với hợp ngữ  Chương trình viết NNLT bậc cao gọi chương trình nguồn (source code)  Chương trình chuyển từ chương trình nguồn sang ngôn ngữ máy gọi chương trình dịch  Chương trình biên dịch (compiler):  Dịch toàn chương trình nguồn sang mã máy  Nếu chương trình nguồn có lỗi ngừng việc biên dịch  Chương trình thông dịch (interpreter):  Dịch lệnh chương trình nguồn (và thực hiện)  Nếu chương trình nguồn có lỗi thực CT gặp lỗi  Ngôn ngữ lập trình trực quan (visual programming language): giúp việc xây dựng chương trình nhanh chóng trực quan Copyright (c) 1/2007 by DTB 51 Phần mềm hệ thống  Là chương trình điều khiển chung hệ thống, bao gồm:   Các chương trình điều khiển cài đặt sẵn nhớ ROM hệ vi xử lý Hệ điều hành: tập hợp chương trình, đảm bảo:      Điều khiển việc thực thi chương trình khác Quản lý, phân phối tài nguyên hệ thống Điều khiển thiết bị trình vào-ra Cung cấp giao diện người dùng Các chương trình tiện ích: hỗ trợ thêm cho hệ điều hành Copyright (c) 1/2007 by DTB 52 Phần mềm ứng dụng  Là chương trình chạy hệ điều hành cụ thể, phục vụ cho ứng dụng cụ thể  Có nhiều loại  Ví dụ: số phần mềm ứng dụng chạy hệ điều hành Microsoft Windows:    Ứng dụng văn phòng: Microsoft Word, Excel, … Ứng dụng Internet: Internet Explorer, Outlook Express, Opera, … Ứng dụng xử lý ảnh: Photoshop, Corel Draw, … Copyright (c) 1/2007 by DTB 53 Kỹ thuật Vi xử lý HẾT CHƯƠNG Copyright (c) 1/2007 by DTB 54 [...]... Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 29 Nội dung chương 1 1 .1 Các thế hệ máy tính 1. 2 Các thế hệ bộ vi xử lý 1. 3 Tổng quan về hệ vi xử lý Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 30 1. 3 Tổng quan về hệ vi xử lý 1 Kiến trúc phần cứng 2 Kiến trúc phần mềm Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 31 1 Kiến trúc phần cứng  Hệ vi xử lý:   Bộ vi xử lý kết hợp thêm với các thành phần khác như bộ nhớ và hệ thống vào-ra Là một máy tính "tổng... PC, )  Máy tính nhúng (Embedded Computer) Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 18 Nội dung chương 1 1 .1 Các thế hệ máy tính 1. 2 Các thế hệ bộ vi xử lý 1. 3 Tổng quan về hệ vi xử lý Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 19 1. 2 Các thế hệ bộ vi xử lý  Bộ vi xử lý (Microprocessor): vi mạch tích hợp thực hiện chức năng của bộ xử lý trung tâm (CPU)  Thế hệ 4 bit (19 71 19 73):  Intel 4004 (bộ VXL đầu tiên), 4040  Thế hệ 8... Một số máy tính: IBM System/360, DEC PDP -11 ,  Công nghệ IC cho phép xây dựng các siêu máy tính mạnh hơn  19 76: CRAY -1 do Cray Research Corporation thiết kế  Thực hiện được 16 0 triệu lệnh/s  Có đến 8MB bộ nhớ  Bộ vi xử lý (microprocessor) – CPU được chế tạo trên 1 chip ra đời (19 71: Intel 4004) Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 13 Siêu máy tính CRAY -1 Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 14 4 Máy tính dùng vi mạch... hệ 8 bit (19 74 19 77):    Intel 8080, 8085 Motorola 6800 Zilog Z80 Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 20 Các thế hệ bộ vi xử lý (tiếp)  Thế hệ 16 bit (19 79 19 82):   Intel 8086, 8088, 8 018 6, 80286 Motorola 68000, 68 010  Hãng IBM sử dụng 8088 để thiết kế máy IBM-PC (19 81)  Hãng Apple sử dụng 68000 để thiết kế máy Macintosh (19 83)  Zilog Z8000 Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 21 Các thế hệ bộ vi xử lý (tiếp)... ROM, RAM Các bộ vi điều khiển (Microcontroller): máy tính chuyên dụng được chế tạo trên một chip Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 17 Các loại máy tính hiện đại  Máy tính lớn – siêu máy tính:   Mainframe Computer Super Computer  Máy chủ (Server)  Máy vi tính:     Máy tính để bàn (Desktop Computer) Máy trạm làm vi c (Workstation) Máy tính xách tay (Laptop Computer, Notebook) Máy tính cầm tay / bỏ... DTB 22 Intel 4004 - bộ vi xử lý 4 bit Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 23 Intel 8080 - bộ vi xử lý 8 bit Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 24 Intel 80286 - bộ vi xử lý 16 bit Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 25 Intel 80386 - bộ vi xử lý 32 bit Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 26 Intel Pentium (32-bit) Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 27 Pentium III và Pentium 4 (32-bit) Pentium III Pentium 4 Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 28 Itanium... scale integration)  Có hơn 10 0,000,000 transistor trên một chip Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 15 Các công nghệ SX máy tính Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 16 Máy tính dùng vi mạch VLSI  Các sản phẩm của công nghệ VLSI:     Bộ vi xử lý (Microprocessor): CPU được chế tạo trên một chip Các vi mạch điều khiển tổng hợp (Chipset): các vi mạch thực hiện được nhiều chức năng điều khiển và nối ghép Bộ nhớ bán dẫn,.. .Máy PDP -1 và CDC 6600 Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 11 3 Máy tính dùng mạch tích hợp  Mạch tích hợp (Integrated Circuit – IC) hay còn gọi là vi mạch, là các chip bán dẫn trong đó chứa các transistor và các linh kiện khác  So với thế hệ trước, các máy tính thế hệ này:     Nhỏ gọn hơn Nhanh hơn Tiêu thụ ít năng lượng hơn Rẻ tiền hơn Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 12 Máy tính dùng mạch...   Bộ vi xử lý → CPU Bộ nhớ bán dẫn (ROM, RAM) → bộ nhớ chính Hệ thống vào-ra: gồm mạch nối ghép vào-ra và các thiết bị ngoại vi Các đường bus truyền thông tin Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 32 Kiến trúc phần cứng (tiếp) Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 33 Nhận xét  Thiết bị vào-ra không nối trực tiếp với bus hệ thống mà thông qua các cổng vào-ra  Tùy theo quy mô của thiết bị ngoại vi:   Máy vi tính (Micro... (Micro Computer) Bộ vi điều khiển (Micro Controller) ⇒ Đều là các hệ vi xử lý Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 34 a Bộ vi xử lý  Chức năng:   Điều khiển hoạt động của toàn bộ hệ thống Xử lý dữ liệu  Nguyên tắc hoạt động cơ bản: bộ VXL hoạt động theo chương trình nằm trong bộ nhớ bằng cách:    Nhận lần lượt từng lệnh (dưới dạng mã hóa nhị phân) từ bộ nhớ, Sau đó tiến hành giải mã lệnh và phát các tín ... dung chương 1. 1 Các hệ máy tính 1. 2 Các hệ vi xử lý 1. 3 Tổng quan hệ vi xử lý Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 1. 1 Các hệ máy tính Thế hệ 1: Máy tính dùng đèn điện tử chân không (19 46 - 19 55) Thế hệ. .. Máy tính nhúng (Embedded Computer) Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 18 Nội dung chương 1. 1 Các hệ máy tính 1. 2 Các hệ vi xử lý 1. 3 Tổng quan hệ vi xử lý Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 19 1. 2 Các hệ vi. .. (64-bit) Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 29 Nội dung chương 1. 1 Các hệ máy tính 1. 2 Các hệ vi xử lý 1. 3 Tổng quan hệ vi xử lý Copyright (c) 1/ 2007 by DTB 30 1. 3 Tổng quan hệ vi xử lý Kiến trúc phần cứng