CHƯƠNG I : Hệ thống số và quá trình mã hóa thông tin trong máy tính 1.1 Các hệ thống số dùng trong máy tính Hệ đếm thập phân (Decimal): Hệ đếm thập phân còn gọi là hệ đếm cơ số mười và nó được biểu diễn bởi 10 con số từ (0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 ) những con số này được sử dụng rất nhiều trong khoa học kỹ thuật cũng như trong đời sống hàng ngày, khi biểu diễn số thập phân thì dứng sau dãy số thường có chữ D. Ví dụ: Ba nghìn Chin trăm Bảy mươi Tám được biểu diễn như sau 3978 = 3x103 + 9x102 + 7x101 + 8x100 = 3000 + 900 + 70 + 8 Hệ đếm thập lục phân (Hexadecimal): Hệ đếm thập phân còn gọi là hệ đếm cơ số mười sáu và nó được biểu diễn bởi 16 ký số (0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,B,C,D,E,F) những con số này được sử dụng rất nhiều trong khoa học kỹ thuật đặc biệt là khoa học máy tính vì biểu diễn mã Hexa rất ngắn gọn, khi biểu diễn số thập lục phân thì sau dãy số phải có chữ H. Ví dụ: 3978h , 12CCh, 1998h, ABCDh, 2008h … Hệ đếm nhị phân (Binary): Hệ đếm nhị phân còn gọi là hệ đếm cơ số hai và nó được biểu diễn bởi 2 con số là 0 và 1, trong kỹ thuật điện tử số thì số 0 gọi là mức logic thấp ứng với điện áp thấp, số 1gọi là mức logic cao tương ứng với điện áp cao nhất. Mỗi ký hiệu 0 hoặc 1 được gọi là 1 Bit (Binary Digit), khi biểu diễn số nhị phân thì dứng sau dãy số phải có chữ B. Ví dụ:
ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG KỸ THUẬT VI XỬ LÝ CHƯƠNG I : Hệ thống số q trình mã hóa thơng tin máy tính 1.1 Các hệ thống số dùng máy tính Hệ đếm thập phân (Decimal): Hệ đếm thập phân gọi hệ đếm số mười biểu diễn 10 số từ (0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 ) số sử dụng nhiều khoa học kỹ thuật đời sống hàng ngày, biểu diễn số thập phân dứng sau dãy số thường có chữ D Ví dụ: Ba nghìn Chin trăm Bảy mươi Tám biểu diễn sau 3978 = 3x103 + 9x102 + 7x101 + 8x100 = 3000 + 900 + 70 + Hệ đếm thập lục phân (Hexadecimal): Hệ đếm thập phân gọi hệ đếm số mười sáu biểu diễn 16 ký số (0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,B,C,D,E,F) số sử dụng nhiều khoa học kỹ thuật đặc biệt khoa học máy tính biểu diễn mã Hexa ngắn gọn, biểu diễn số thập lục phân sau dãy số phải có chữ H Ví dụ: 3978h , 12CCh, 1998h, ABCDh, 2008h … Hệ đếm nhị phân (Binary): Hệ đếm nhị phân gọi hệ đếm số hai biểu diễn số 1, kỹ thuật điện tử số số gọi mức logic thấp ứng với điện áp thấp, số 1gọi mức logic cao tương ứng với điện áp cao Mỗi ký hiệu gọi Bit (Binary Digit), biểu diễn số nhị phân dứng sau dãy số phải có chữ B Ví dụ: 1100b ; gọi nibble 10011001b ; gọi Byte 1010101111001101b ; gọi Word Trong dãy số nhị phân biểu diễn số nhị phân sát phải gọi bít LSB số nhị phân sát trái gọi bít MSB Ví dụ: 1010101010101010 MSB LSB Số nhị phân thường biểu diễn dạng số nhị phân có dấu số nhị phân khơng dấu, số nhị phân không dấu biểu diễn số khơng âm (0) số nhị phân có dấu biểu diễn giá trị âm Ví dụ : (1101) = 1x23 + 1x22 + 0x21 + 1x20 = + + + = 13 Dải giá trị số có dấu bít [-128, +127 ] Dải giá trị số có dấu 16 bít [-32768, +32767 ] Trong biểu diễn dãy số nhị phân có dấu người ta sử dụng bít MSB để quy ước cho bít dấu, với bít cho dãy số nhị phân dương bít cho dãy số nhị phân âm Hệ đếm BCD (Binary Coded Decimal): Số đếm BCD định nghĩa số thập phân biểu diễn dạng nhị phân bít, dãy số nhị phân bít quy sang hệ thập phân giá trị phải Trong kỹ thuật điện tử nói chung mã BCD sử dụng để giải mã hiển thị LED bảy thanh… KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ - ĐHSPKT-HY_10/2006 Trang ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG KỸ THUẬT VI XỬ LÝ Ví dụ: (0011), (0100), (0101), (0110), …(1001) ; gọi số BCD khơng nén Ví dụ: (00110100), (01010110), … (01111000) ; gọi số BCD nén Dưới bảng mã BCD Thập phân BCD Thập phân BCD 0000 1000 0001 1001 00 0010 10 1010 01 0011 11 1011 10 0100 12 1100 11 0101 13 1101 00 0110 14 1110 01 0111 15 1111 Ví dụ: Cho số thập phân 15 , biểu diễn dạng số BCD 00010101 11 Số bù 2: Trong kỹ thuật Vi xử lý để biểu diễn số dạng dãy số nhị phân ngồi việc biểu diễn số khơng dấu, số có dấu người ta sử dụng cách biểu diễn số bù Vậy số bù biểu diễn nào? Ví dụ: Hãy biểu diễn dãy số A = 10011001 sang số bù nó: - b1: Tìm số bù A(bằng cách lấy bù tất bit A): 01100110 - b2: Tìm số bù A (bằng cách lấy số bù cộng cho 1) : 01100111 đến ta nhận thấy số bù số số đối tổng = 1.2 Các phép toán số học hệ nhị phân Phép cộng nhị phân khơng dấu : Ví dụ : Cho số nhị phân sau A = 10010011 ; B = 00111001 tìm tổng Y số nhị phân cho A: 10010011b B: 00111001b Y = A+B = 11001100b 0 1 + + + + 1 = = = = 1 ; nhớ Phép trừ nhị phân: Ví dụ : Cho số nhị phân sau A = 10010011 ; B = 00111001 tìm hiệu Z số nhị phân cho (Lưu ý phép trừ thực cách biến thành phép cộng) A: 10010011b B: 00111001b Y = A - B = 01011010b 0 1 - 1 = = = = 1 ; mượn Phép nhân nhị phân : Ví dụ : Cho số nhị phân sau A = 00100101 ; B = 00000100 tìm tích F KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ - ĐHSPKT-HY_10/2006 Trang ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG KỸ THUẬT VI XỬ LÝ Khi nhân dãy số nhị phân với ta đặt phép tốn nhân giống nhân số thập phân, kết phép nhân dãy số nhị phân bít thu dãy số nhị phân 16 bít, ta có F = A*B = 0000000010010100b Phép chia nhị phân : Ví dụ : Cho số nhị phân sau A = 10010110 ; B = 00000100 tìm thương Khi chia dãy số nhị phân với ta đặt phép tốn chia giống chia số thập phân, kết phép chia phần dư (nếu có) thu tương tự làm phép chia số thập phân, ta có M = A/B = 00100101b dư 0010b 1.3 Quan hệ loại mã dùng trao đổi thông tin Chuyển đổi số thập phân sang nhị phân : Để chuyển đổi số thập phân sang số nhị phân người ta thường dùng phương pháp lấy số thập phân cần chuyển chia liên tiếp đến khơng thể chia dừng Ví dụ : Chuyển số thập phân 25 sang số nhị phân không dấu Chia Thương số Dư số 25/2 = 12 LSB 12/2 = 6/2 = 3/2 = 1 1/2 = MSB Chuyển đổi số nhị phân sang thập phân : thu phân đượcsang là: 11001 vớiphân số dưngười lần thứ bít có phương trọng sốpháp nhỏ Để chuyểnKết đổiquả số nhị số thập ta thường dùng lấy tổng N-1 tích n số nhị phân cần chuyển nhân với đến hay theo biểu thức tổng quát sau: A = B(N-1)* 2(N-1) + B(N-2)* 2(N-2) + B(N-3)* 2(N-3) + … + B(1)* 2(1) + B(0)* 2(0) Ví dụ : Chuyển số nhị phân không dấu 01011110b sang số thập phân A = 0*27 + 1*26 +0*25 + 1*24+ 1*23 + 1*22 + 1*21 + 0*20 = 94 ta có 01011110b = 94 Chuyển đổi số nhị phân sang Hexa : Ví dụ : Chuyển số nhị phân 1100101011111110 sang số hexa Trước hết ta chia số nhị phân cho thành nhóm 4-bit tính từ bít có trọng số nhỏ nhất, sau thay nhóm 4-bit ký hiệu hexa tương ứng với ta thu kết sau: 1100 C 1010 A 1111 F 1110 hay 1100101011111110b = CAFEh E Chuyển đổi số Hexa sang nhị phân: Ví dụ : Chuyển số hexa 2F8h ABBAh sang số nhị phân Tương tự trường hợp ta thay ký hiệu hexa 4-bit nhị phân tương ứng với ta thu kết sau: F 0010 1111 1000 hay 2F8h = 001011111000b A B B A 1010 1011 1011 1010 KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ - ĐHSPKT-HY_10/2006 hay ABBAh = 1010101110111010b Trang ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG KỸ THUẬT VI XỬ LÝ Mã ASCII: (American Standard Code for Information Interchange ) Q trình trao đổi thơng tin máy tính nói chung q trình xử lý thơng tin vi xử lý, tất thông tin biểu diễn dạng số Mỗi tổ hợp số gán ký tự chữ cái, chữ số ký tự đặc biệt Khi thơng tin truyền đi, lưu giữ nhớ hiển thị hình dạng ký tự tuân theo loại mã chuẩn sử dụng rộng rãi gọi mã ASCII BẢNG MÃ ASSII (American Standard Code for Information Interchange) KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ - ĐHSPKT-HY_10/2006 Trang ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG KỸ THUẬT VI XỬ LÝ BẢNG MÃ ASSII mở rộng KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ - ĐHSPKT-HY_10/2006 Trang ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG KỸ THUẬT VI XỬ LÝ CHƯƠNG II : Kiến trúc hệ Vi xử lý 2.1 Giới thiệu chung Kiến trúc hệ Vi xử lý thuật ngữ dùng để rõ đặc trưng hệ vi xử lý bao gồm có cấu trúc phần cứng tổ chức phần mềm cài đặt hệ Một hệ thống vi xử lý hay gọi ngắn hệ vi xử lý thường bao gồm thành phần như: Bộ xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit ) trung tâm đầu não hệ Bộ nhớ tâm bao gồm thành phần ROM RAM Thiết bị vào/ra liệu Các kênh thông tin hay Bus hệ thống… Tất thiết bị có chức gọi hệ vi xử lý.Trong thực tế có nhiều hãng chế tạo vi xử lý cho máy vi tính như: IBM, Intel, Cyrix, AMD, Motorola thông dụng vi xử lý Intel Các vi xử lý Intel phát triển qua thời kỳ sau: Năm 1971, Intel đưa vi xử lý 4004 với bit liệu, 12 bit địa chỉ; 0,8MHz Năm 1972, vi xử lý Intel 8080 đời với 8bit liệu, 12 bit địa chỉ; tốc độ 0,8-5MHz Năm 1978, vi xử lý Intel 8086 đời với 16bit liệu, 20 bit địa chỉ; tốc độ 10MHz Năm 1979, vi xử lý Intel 8088 đời tương thích với hệ thống 8086 Năm 1982 vi xử lý 80286 đời với 16bit liệu, 20 bit địa chỉ, tốc độ 20MHz Năm 1985-1988, vi xử lý 80386 đời với 32 bit liệu 32 bit địa … Năm 1989, vi xử lý 80486 đời với 32 bit liệu 32 bit địa tốc độ 50-60MHz Năm 1993, vi xử lý Pentium đời với 64 bit liệu, tốc độ xử lý 100MHz sau vi xử lý Pentium Pro,Pentium II, Pentium III, Celeron, Pentium 4… 2.2 Sơ đồ khối cấu trúc bên Vi xử lý 2.2.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ Vi xử lý Sơ đồ khối : Data Control Bu Bus s ROM CPU U I/O RAM Hình 2.1 Cấu trúc kênh thông tin hệ VXL Adress Bus Chức khối : KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ - ĐHSPKT-HY_10/2006 Trang ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG KỸ THUẬT VI XỬ LÝ Bộ xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit ) trung tâm đầu não hệ, có chức thu thập, xử lý thơng tin điều khiển hoạt động hệ vi xử lý Bộ nhớ trung tâm có nhiệm vụ lưu trữ thông tin liệu trước CPU xử lý Thiết bị I/O thực việc nhận liệu từ kênh thơng tin từ bên ngồi vào CPU xử lý xuất tín hiệu điều khiển hệ thống Các kênh thông tin hay Bus hệ thống cầu nối liên kết khối thực việc liên kết Bus địa chỉ, Bus điều khiển Bus liệu 2.2.2 Tổ chức kênh thông tin hệ Vi xử lý Memory Address Bus CPU Data Bus Program Memory Data Memory Kiến trúc Von Neumann Memory Address Bus CPU Program Fetch Bus Address Bus Data Bus Kiến trúc Harvard Data Hình 2.2 Cấu trúc kênh thơng tin hệ VXL Trên cách tổ chức nhớ theo kiểu Von Neumann Harvard Với kiểu tổ chức nhớ chương trình liệu tách biệt cho phép tốc độ truy xuất thông tin nhanh đáng kể Các kênh liệu kênh song song dùng chung cho tất nhớ, nhiên phải kiểm sốt thơng qua cổng lơgic trạng thái Cổng có nhiệm vụ tạo trạng thái đặc biệt có thành phần khơng kích hoạt làm việc, trạng thái đặc biệt cách ly mặt tín hiệu kênh thông tin với thành phần hệ chúng kết nối với mặt vật lý 2.3 Khối xử lý trung tâm (Central Processing Unit) Bộ vi xử lý hạt nhân hệ vi xử lý, thành phần quan trọng kiểm soát tất hoạt động hệ thực thao tác liệu Hầu hết CPU hình KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ - ĐHSPKT-HY_10/2006 Trang ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG KỸ THUẬT VI XỬ LÝ thành từ mạch lôgic nhằm thực liên tục thao tác tìm nạp lệnh từ nhớ để giải mã thực thi lệnh CPU có khả hiểu thực thi lệnh dựa tập mã nhị phân gọi mã máy mã nhằm thực thao tác đó.Tổ hợp lệnh cho loại CPU gọi tập lệnh thường chia thành nhóm lệnh như: - Nhóm lệnh chuyển liệu - Nhóm lệnh số học - Nhóm lệnh Lơgic - Nhóm lệnh rẽ nhánh chương trình - Nhóm lệnh xử lý bít Cấu trúc đơn giản loại CPU minh họa sau: - PC (Program Couter): Bộ đếm trương trình có vai trò trỏ, trỏ đến ô nhớ chứa lệnh mà CPU cần truy nhập - IR (Instruction Register):Thanh ghi lệnh IR (Instruction Register) Thanh ghi lệnh thực chức chứa lệnh mà CPU thực - CU (Control Unit) Đơn vị điều khiển có chức giải mã lệnh - MAR ( Memory Address Register) Thanh ghi nhớ thực chức chứa địa ô nhớ thời mà CPU truy nhập - ALU (Arithmetic Logic Unit) đơn vị số học logic, thực phép tính số học, logic phép xử lý liệu khác - ACC (Accumulator) Thanh chứa , chứa tốn hạng phép tính kết phép tính - TMP (Temporary) Thanh ghi tạm, chứa tốn hạng thứ hai phép tính - FLAGS Thanh ghi cờ chứa thông tin trạng thái kết phép tính sau thực lệnh - Address Bus : Bus địa - Data Bus : Bus liệu KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ - ĐHSPKT-HY_10/2006 Trang ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG KỸ THUẬT VI XỬ LÝ - Control Bus : Bus điều khiển 2.4 Quá trình truy xuất xử lý thơng tin Việc tìm nạp lệnh từ Ram hệ thống thao tác mà CPU phải thực Quá trình tìm nạp lệnh thực theo trình tự sau: Address Bus CPU PC n IR opcode Data Bus RAM Clock Control Bus Read opcode n+2 n+1 n n-1 Hình 2.4 : Hoạt động Bus cho chu kỳ tìm nạp lệnh Địa chứa PC gửi lên bus địa Tín hiệu cho phép đọc lệnh từ nhớ kích hoạt sang trạng thái tích cực Dữ liệu hay mã lệnh đọc từ nhớ gửi lên kênh liệu chuyển ghi lệnh IR Tiếp theo nội dung PC (tức địa chỉ) tăng lên1để trỏ tới địa nhớ Mã lệnh chuyển xuống giải mã theo mã lệnh CPU triển khai thực lệnh.Trường hợp toán hạng nằm nhớ chương trình sau mã lệnh CPU tiếp tục đưa PC nên bus địa để trỏ tới toán hạng đưa ghi để thực lệnh VD: ADD A,#3EH Nếu toán hạng nằm ghi CPU, CPU thực lệnh VD : ADD A,R1 Toán hạng nằm nhớ mà địa ghi CPU CPU đưa địa cho ghi địa (MAR) để đọc liệu thực lệnh VD : ADD A,@R0 2.5 Tổ chức nhớ hệ Vi xử lý KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ - ĐHSPKT-HY_10/2006 Trang ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG KỸ THUẬT VI XỬ LÝ Bộ nhớ trung tâm phận quan trọng hệ VXL, tập hợp ghi thông tin với số lượng lớn Chức nhớ để trao đổi lưu trữ thông tin 2.5.1 Bộ nhớ đọc (Read Only Memory - ROM): ROM bản: ROM dùng để lưu trữ chương trình điều hành (Monitor) hệ VXL Chương trình quy định hoạt động hệ VXL Bộ VXL vào lệnh chứa chương trình để điều khiển hệ VXL thực chức năng, nhiệm vụ ấn định lệnh Nói cách khác, hệ VXL thực cách trung thực thuật toán mà người thiết kế phần mềm xây dựng cài đặt vào ROM hệ Ngoài ra, ROM hệ VXL dùng để lưu trữ bảng biểu, tham số hệ thống mà trình hoạt động không thay đổi như: bảng địa cổng giao tiếp, bảng tra cứu số liệu, mã cần sử dụng hệ ROM quản lý theo phương thức ma trận điểm, có nhiều chủng loại khác nhau: ROM, PROM, EPROM, EEPROM,… ROM nhớ cố định có cấu trúc đơn giản Nội dung nhà sản xuất chế tạo, người sử dụng thay đổi nội dung PROM (Programmable ROM - ROM có khả lập trình được): Đặc điểm chung: Nội dung PROM nhà sản xuất người thiết kế hệ VXL nạp vào đựoc lần Sau nạp xong nội dung thay đổi EPROM (Eraseable PROM ROM nạp/xoá nhiều lần): EPROM nhớ cố định có cấu trúc đặc biệt Nội dung nhà sản xuất hay người thiết kế hệ VXL nạp vào nạp/xố nhiều lần Người ta tạo bit thông tin EPROM dựa nguyên tắc làm việc Transistor trường có cực cửa cách ly kênh cảm ứng (MOSFET kênh cảm ứng) EEPROM (Electrical EPROM ROM có khả lập trình xố điện) 2.5.2 Bộ nhớ W/R gọi nhớ truy cập ngẫu nhiên(Random Acess Memory): RAM nhớ ghi đọc được, thông tin RAM bị mất nguồn cung cấp Theo phương thức lưu trữ thông tin, RAM chia thành loại bản: RAM tĩnh RAM động RAM tĩnh: Có thể lưu trữ thông tin lâu tuỳ ý miễn cung cấp điện - tất loại phần tử nhớ Trigơ thuộc loại RAM động: Chỉ lưu thông tin khoảng thời gian định Muốn kéo dài thời gian cần có phương thức làm tươi lại thông tin phần tử nhớ RAM Phần tử nhớ RAM động đơn giản linh kiện điện dung - tụ diện Sử dụng RAM động có phức tạp cấu trúc nhớ lại đơn giản, tiêu tốn lượng, tăng mật độ nhớ đơi làm tăng tốc độ làm việc nhớ Cấu trúc mạch điện nhớ RAM đa dạng công nghệ chế tạo chúng (TTL, MOS,… ) yêu cầu sử dụng chúng yêu cầu ghép nối, tốc độ làm việc, mật độ linh kiện dung lương cần thiết… KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ - ĐHSPKT-HY_10/2006 Trang 10 ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG KỸ THUẬT VI XỬ LÝ ; (PC) = 1130h 0008 80FE 1130 1130 19 1131 22 STOP: JMP ORG GIAM_R1: DEC RET END STOP 1130H R1 ; Giảm R1 đơn vị ; Quay trở lại ch.trình ; (PCH) = ((SP)) = (09h) = 00h ; (SP) = (SP) - = 08h ; (PCL) = ((SP)) = (08h) = 08h ; (SP) = (SP) - = 07h ; Kết thúc chương trình 8.6.3 Lệnh nhảy vơ điều kiện Cú pháp câu lệnh: JMP rel LJMP Addr16 Chức năng: Nhảy vô điều kiện đến dịa 8.6.4 Lệnh nhảy gián tiếp Cú pháp câu lệnh: JMP @ A+DPTR Chức năng: Cộng giá trị không dấu bit ghi A với trỏ liệu 16 bit nạp kết vào đếm chương trình, kết địa để nạp lệnh Việc cộng 16 bit thực hiện: Số nhớ từ bit thấp truyền đến tất bit cao Cả 2, ghi A DPTR không bị thay đổi Lệnh không ảnh hưởng tới trạng thái cờ Câu lệnh JMP @A+DPTR Số byte Số chu kỳ Mã lệnh 01110011 Hoạt động (PC)