Tai Lieu Tong Quan Ve Vi Su Ly - CPU

Tài liệu vi xử lý Đại cương CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG Các hệ thống số dùng máy tính loại mã 1.1 Hệ thập phân (Decimal Number System) Trong thực tế, ta thường dùng hệ thập phân để biểu diễn giá trị số Ở hệ thống này, ta dùng tổ hợp chữ số để biểu diễn giá trị Một số hệ thập phân biểu diễn theo số mũ 10 VD: Số 5346,72 biểu diễn sau: 5346,72 = 5.103 + 3.102 + 4.10 + + 7.10-1 + 2.10-2 Tuy nhiên, mạch điện tử, việc lưu trữ phân biệt 10 mức điện áp khác khó khăn việc phân biệt hai mức điện áp lại dễ dàng Do đó, người ta sử dụng hệ nhị phân để biểu diễn giá trị hệ thống số 1.2 Hệ nhị phân (Binary Number System) Hệ nhị phân dùng chữ số để biểu diễn giá trị số Một số nhị phân (binary digit) thường gọi bit Một chuỗi gồm bit nhị phân gọi nibble, chuỗi bit gọi byte, chuỗi 16 bit gọi word chuỗi 32 bit gọi double word Chữ số nhị phân bên phải chuỗi bit gọi bit có ý nghĩa nhỏ (least significant bit – LSB) chữ số nhị phân bên trái chuỗi bit gọi bit có ý nghĩa lớn (most significant bit – MSB) Một số hệ nhị phân biểu diễn theo số mũ Ta thường dùng chữ B cuối chuỗi bit để xác định số nhị phân VD: Số 101110.01b biểu diễn giá trị số: 101110.01b = 1x25 + 0x24 + 1x23 +1x22 + 1x21 + + 0x2-1 + 1x2-2 ™ Chuyển số nhị phân thành số thập phân: Để chuyển số nhị phân thành số thập phân, ta cần nhân chữ số số nhị phân với giá trị thập phân cộng tất giá trị lại VD: 1011.11B = 1x23 + 0x22 + 1x21 + + 1x2-1 + 1x2-2 = 11.75 ™ Chuyển số thập phân thành số nhị phân: Để chuyển số thập phân thành số nhị phân, ta dùng phương pháp sau: ¾ Phương pháp 1: Ta lấy số thập phân cần chuyển trừ 2i 2i số lớn nhỏ hay số thập phân cần chuyển Sau đó, ta lại lấy kết thực tương tự 20 dừng Trong trình thực hiện, ta ghi lại giá trị hay cho bit tuỳ theo trường hợp số thập phân nhỏ 2i (0) hay lớn 2i (1) Phạm Hùng Kim Khánh Trang Tài liệu vi xử lý Đại cương i VD: Xét số 21 số lớn 24 23 22 21 20 16 21 = 1 5 1 ( 21 = 10101B) ¾ Phương pháp 2: Lấy số cần chuyển chia cho 2, ta nhớ lại số dư lấy tiếp thương kết chia cho thực tương tự thương cuối Kết chuyển đổi chuỗi bit số dư lấy theo thứ tự ngược lại VD: Chuyển 227 số nhị phân Số bị chia Thương 227 113 113 56 56 28 28 14 14 7 3 1 ( 227 = 11100011b) Số dư ( LSB) 0 1 ( MSB) Để thực chuyển số thập phân nhỏ sang số nhị phân, ta làm sau: lấy số cần chuyển nhân với 2, giữ lại phần nguyên lại lấy phần lẻ nhân với Quá trình tiếp tục phần lẻ dừng Kết chuyển đổi chuỗi bit giá trị phần nguyên VD: Chuyển 0.625 thành số nhị phân 0.625 × = 1.25 0.25 × = 0.5 0.5 × = 1.0 ( 0.625 = 0.101b) 1.3 Hệ thập lục phân (Hexadecimal Number System) Như biết trên, dùng hệ nhị phân cần số lượng lớn bit để biểu diễn Giả sử số 1024 = 210 cần 10 bit để biểu diễn Để rút ngắn kết biểu diễn, ta dùng hệ thập lục phân dựa sở số mũ 16 Khi đó, bit hệ nhị phân (1 nibble) biểu diễn chữ số hệ thập lục phân (gọi số hex) Trong hệ thống này, ta dùng số kí tự A F để biểu diễn cho giá trị số Thông thường, ta dùng chữ h cuối để xác định số thập lục phân 1.4 Mã BCD (Binary Coded Decimal) Trong thực tế, số ứng dụng đếm tần, đo điện áp, … ngõ dạng số thập phân, ta dùng mã BCD Mã BCD dùng bit nhị phân để mã hoá cho số thập phân Như vậy, số hex A F không tồn mã BCD Phạm Hùng Kim Khánh Trang Tài liệu vi xử lý VD: 1.5 Đại cương Số thập phân Số BCD 0101 0010 1001 Mã hiển thị Led đoạn (7-segment display) Đối với ứng dụng dùng hiển thị số liệu Led đoạn, ta dùng mã hiển thị Led đoạn (bảng 1.1) a f a b c d e f g b g e c d Bảng 1.1: Số thập phân Số thập lục phân 10 11 12 13 14 15 A B C D E F Số nhị phân 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 Mã Led đoạn a b c d e f g Hiển thị 1111110 0110000 1101101 1111011 0110011 1011011 1011111 1110000 1111111 1110011 1111101 A 0011111 B 0001101 C 0111101 D 1101111 E 1000111 F Các phép toán số học 2.1 Hệ nhị phân 2.1.1 Phép cộng Phép cộng hệ nhị phân thực giống hệ thập phân Bảng thật phép cộng bit với bit nhớ (carry) sau: Phạm Hùng Kim Khánh Trang Tài liệu vi xử lý Đại cương Bảng 1.2: A 0 0 1 1 Vào B CIN 0 1 1 0 1 1 S 1 0 Ra COUT 0 1 1 S = A ⊕ B ⊕ CIN COUT = AB + CIN(A ⊕ B) VD: 1001 1010 + 1100 1100 Nhớ 0111 0110 2.1.2 Số bù (2’s component) Trong hệ thống số thông thường, để biểu diễn số âm ta cần thêm dấu – vào chữ số Tuy nhiên, hệ thống máy tính, ta khơng thể biểu diễn Phương pháp thông dụng dùng bit có ý nghĩa lớn (MSB) làm bit dấu (sign bit): MSB = số âm MSB = số dương Khi đó, bit lại biểu diễn độ lớn (magnitude) số Như vậy, ta dùng bit để biểu diễn thu 256 tổ hợp ứng với giá trị 255 (số không dấu) hay –127 –0 +0 … +127 (số có dấu) Để thuận tiện việc tính tốn số có dấu, ta dùng dạng biểu diễn đặc biệt số bù Số bù số nhị phân xác định cách lấy đảo bit cộng thêm VD: Số biểu diễn : 0000 0111 có MSB = (biểu diễn số dương) Số bù : 1111 1000 + = 1111 1001 Số đại diện cho số – Ta thấy, để thực việc xác định số bù số A, cần phải: - Biểu diễn số A theo mã bù - Đảo bit (tìm số bù A) - Cộng thêm vào để nhận số bù Khi biểu diễn theo số bù 2, sử dụng bit ta có giá trị số thay đổi từ 128 127 2.1.3 Phép trừ Phép trừ số nhị phân thực tương tự hệ thập phân Bảng thật phép trừ bit với bit mượn (borrow) sau: Phạm Hùng Kim Khánh Trang Tài liệu vi xử lý Đại cương Bảng 1.3: A 0 0 1 1 Vào B BIN 0 1 1 0 1 1 D 1 0 Ra BOUT 1 0 S = A ⊕ B ⊕ BIN BOUT = AB + A ⊕ B BIN ( ) VD: 0110 1101 = 149 - 0011 0001 = 49 0011 1100 = 100 Ngoài cách trừ trên, ta thực phép trừ thông qua số bù số trừ VD: 0110 1101 - 0011 0001 Số bù → Nhớ 0110 1101 + 1100 1111 0011 1100 1100 1110 + = 1100 1111 (Số bù 2) Trong phép cộng với số bù 2, ta bỏ qua bit nhớ cuối → kết phép cộng số bù 0011 1100 Đây kết phép trừ, bit MSB = cho biết kết số dương VD: 77 0100 1101 0100 1101 - 88 - 0101 1000 → + 1010 1000 - 11 1111 0101 Số 88 = 0101 1000 → số bù 1010 0111 → số bù 2: 1010 1000 Kết phép cộng số bù 1111 0101 có MSB = nên số âm Số bù 0000 1010 → số bù 2: 0000 1011 Kết 11 nên phép trừ cho kết –11 Ta thấy, để thực chuyển số bù thành số có dấu cần thực hiện: - Lấy bù bit để tìm số bù - Cộng với - Thêm dấu trừ để xác định số âm Phạm Hùng Kim Khánh Trang Tài liệu vi xử lý Đại cương 2.1.4 Phép nhân Phép nhân số nhị phân tương tự số thập phân Chú ý phép nhân nhân số bit có kết số bit, số bit có kết số 16 bit, … VD: 11 1011b X9 1001b 99 1011 0000 0000 1011 1100011b Đối với máy tính, phép nhân thực phương pháp cộng dịch phải (add-and-right-shift): - Thành phần dầu tiên tổng số bị nhân LSB số nhân Ngược lại, LSB số nhân thành phần - Mỗi thành phần thứ i tính tương tự với điều kiện phải dịch trái số bị nhân i bit - Kết cần tìm tổng thành phần nói 2.1.5 Phép chia Phép chia số nhị phân tương tự số thập phân VD: 30/5 = 11110 110 110 101 011 000 110 110 Tương tự phép nhân, ta dùng phép trừ phép dịch trái thực phép trừ Tuy nhiên, để thuận tiện cho tính tốn, thay dùng phép trừ số chia, ta thực phép cộng số bù số chia - Đổi số chia số bù - Lấy số bị chia cộng với số bù số chia + Nếu kết có bit dấu = bit tương ứng thương = + Nếu kết có bit dấu = bit tương ứng thương = ta phải khôi phục lại giá trị số bị chia cách cộng kết với số chia - Dịch trái kết thu thực tiếp tục kết hay nhỏ số chia Phạm Hùng Kim Khánh Trang Tài liệu vi xử lý Đại cương 2.2 Hệ thập lục phân 2.2.1 Phép cộng Thực chuyển số hex cần cộng thành số nhị phân, tính kết số nhị phân sau chuyển lại thành số hex VD: 7Ah 3Fh B9h → → ← 0111 1010 0011 1111 1011 1001 Thực cộng trực tiếp số hex, kết cộng lớn 15 nhớ trừ cho 16 VD: A F → B9h 1010 2510 Ah + Fh = 1010 + 1510 = 2510 7h + 3h = 710 + 310 = 1010 → nhớ 2510 – 1610 = 910 = 9h → cộng số nhớ: 1010 + 110 = 1110 = Bh 2.2.2 Phép trừ Thực tương tự phép cộng Các thiết bị số 3.1 Cổng đệm (buffer) cổng logic (logic gate) ™ Cổng đệm: A A X A X ™ Cổng NOT: A X = A ™ Cổng AND: A B Phạm Hùng Kim Khánh X = AB A 0 1 B 1 X 0 Trang Tài liệu vi xử lý Đại cương ™ Cổng NAND: A B X = AB A 0 1 B 1 X 1 A 0 1 B 1 X 1 A 0 1 B 1 X 0 A 0 1 B 1 X 1 A 0 1 B 1 X 0 ™ Cổng OR: A B X= A + B ™ Cổng NOR: A B X= A + B ™ Cổng EX-OR: A B X=A⊕B ™ Cổng EX-NOR: A 3.2 X = A ⊕B Thiết bị logic lập trình Thay sử dụng cổng logic rời rạc, ta dùng thiết bị logic lập trình (programmable logic device) PLA (Programmable Logic Array), PAL (Programmable Array Logic) hay PROM (Programmable Read Only Memory) để liên kết thiết bị LSI (Large Scale Intergration) ™ PLA (hay FPLA – Field PLA): Dùng ma trận cổng AND OR để lập trình cácc phá huỷ cầu chì FPLA linh động lại khó lập trình Phạm Hùng Kim Khánh Trang Tài liệu vi xử lý Đại cương A B AB AB B A B AB A + AB AB + B Hình 1.1 – Sơ đồ PLA ™ PAL: ma trận OR cố định sẵn ta lập trình ma trận AND A B AB AB B A Hình 1.2 – Sơ đồ PAL A+ A B AB + B A +B AB + A B ™ PROM: ma trận AND cố định sẵn ta lập trình ma trận OR A B AB AB AB AB AB+AB AB AB Hình 1.3 – Sơ đồ PROM AB + A B Phạm Hùng Kim Khánh Trang Tài liệu vi xử lý Đại cương 3.3 Chốt, flipflop ghi ™ Chốt (latch): Chốt thiết bị số lưu trữ lại giá trị số ngõ D Q D X CLK CLK 1 Q QN Q Q CLK D PR CL ™ Flipflop: CL: clear - PR CL D CLK Q 1 1 1 1 1 0 X X X X X ↑ ↑ X X X QN QN PR: Preset Q QN QN CLK: Clock Nếu xuất cạnh lên tín hiệu CLK ngõ Q có giá trị theo liệu D Nếu PR = Q = Nếu CL = Q = Trạng thái PR = CL = trạng thái cấm, ngõ không ổn định - ™ Thanh ghi (register): Thanh ghi nhóm flipflop kết nối song song để lưu trữ số nhị phân Giá trị nhị phân đưa vào ngõ vào flipflop Khi có tác động cạnh lên tín hiệu CLK ngõ flipflop lưu trữ giá trị nhị phân số nhị phân đưa vào tác động cạnh len cho tín hiệu CLK D1 CLK Q D 4 Q D0 CLK Q D PR Q Q Q CL CLK D Q0 Q CLK PR CL D2 PR Q CL D CL PR D3 Q1 Q2 Q3 CLK Hình 1.4 – Thanh ghi dạng đơn giản Phạm Hùng Kim Khánh Trang 10 ... tụ điện) Three-state driver: lái ngõ trạng thái để đệm ngõ Giới thiệu vi xử lý 4.1 Các hệ vi xử lý - Thế hệ (1971 – 1973): vi xử lý bit, đại diện 4004, 4040, 8080 (Intel) hay IPM-16 (National... (add-and-right-shift): - Thành phần dầu tiên tổng số bị nhân LSB số nhân Ngược lại, LSB số nhân thành phần - Mỗi thành phần thứ i tính tương tự với điều kiện phải dịch trái số bị nhân i bit - Kết... bus driver Control bus driver Addr bus driver Data bus Control bus Addr bus Hình 1.8 – Sơ đồ khối vi xử lý Phạm Hùng Kim Khánh Trang 14 Tài liệu vi xử lý Đại cương 4.2.4 Sơ đồ khối hệ vi xử lý