Bài giảng Vi xử lý 2 - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

BỘ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH XÃ HỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC S PHM K THUT NAM NH Tập giảng Vi xử lý Mó: TB2103-03-01 chủ biên: Phạm Xuân Bách Trần Văn Hạnh NAM ĐỊNH, NĂM 2013 Bài giảng Vi xư lý Mục lục DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iv LỜI MỞ ĐẦU Chƣơng CẤU TRÚC CHUNG CỦA CÁC BỘ VI XỬ LÝ TIÊN TIẾN .3 1.1 Giới thiệu số vi xử lý qua thời kỳ Intel 1.1.1 Bộ vi xử lý dòng 80xx 1.1.2 Bộ vi xử lý PENTIUM 1.1.3 Bộ vi xử lý dòng core i 22 1.2 Đặc điểm chung vi xử lý tiên tiến 26 1.2.1 Sơ đồ cấu trúc chung 26 1.2.2 Đơn vị giao tiếp BUS 27 1.2.3 Đơn vị tiền đọc lệnh hàng đợi lệnh PUIQ .27 1.2.4 Bộ nhớ Cache ( I Cache D Cache) 28 1.2.5 Đơn vị điều khiển CU 29 1.2.6 Đơn vị quản lý nhớ MMU 29 1.2.7 Đơn vị chức đặc biệt (SFU) 39 1.2.8 Đơn vị số nguyên dấu phảy động 39 1.3 Tổ chức nhớ đa cấp 42 1.3.1 Phương pháp tổ chức nhớ phân cấp 43 1.3.2 Cấu trúc nhớ phân cấp hệ vi xử lý 45 1.3.3 Tổ chức nhớ đan xen .48 1.4 Tổ chức quản lý nhớ ảo 52 1.4.1 Khái quát chung tổ chức quản lý nhớ ảo .52 1.4.2 Quá trình tổ chức quản lý nhớ ảo .54 1.5 Kiến trúc Von Neumann Havard 65 1.5.1 Kiến trúc Von Neumann 65 1.5.2 Kiến trúc Havard 66 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG .68 Chƣơng KIẾN TRÚC CISC VÀ RISC 70 2.1 Khái niệm CISC, RISC 70 2.1.1 Khái niệm CISC 70 2.1.2 Khái niệm RISC 70 2.2 Kiến trúc RISC 70 2.2.1 Đặc điểm RISC 70 2.2.2 Định hướng thiết kế RISC 71 2.3 Đặc điểm CISC 75 Bài giảng Vi xö lý 2.4 So sánh kiến trúc RISC CISC 75 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 76 Chƣơng CÁC CẤU TRÚC SONG SONG 77 3.1 Tổng quan máy tính song song 77 3.1.1 Phân loại hệ xử lý song song 77 3.1.2 Các đặc trưng hệ xử lý song song chuyên dụng 81 3.1.3 Kiến trúc hệ xử lý song song chuyên dụng 83 3.2 Kỹ thuật đường ống ( kiến trúc kiểu PIPELINE) 84 3.2.1 Cấu trúc hệ xử lý PIPLINE 84 3.2.2 Nguyên tắc phương pháp xử lý vector PIPLINE 88 3.2.3 Kiến trúc pipeline có khả rẽ nhánh 88 3.2.4 Tổ chức hệ xử lý pipeline 90 3.3 Máy tính đa CPU 91 3.3.1 Khái quát máy tính đa CPU 91 3.3.2 Cấu trúc hệ xử lý song song đa CPU 92 3.3.3 Hiệu hệ xử lý đa CPU 93 3.4 Hiệu suất xử lý song song 95 3.4.1 Hiệu suất xử lý song song kiến trúc đường ống (PIPELINE) 95 3.4.2 Các phép đo hiệu suất đường ống (PIPELINE) 97 3.4.3 Những ảnh hưởng đến hiệu suất kiến trúc đường ống 97 3.4.4 Những biện pháp khắc phục 99 3.4.5 Hiệu suất truy cập nhớ hệ xử lý song song 102 CÂU HỎI ÔN CHƢƠNG 110 Chƣơng HỌ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 111 4.1 Kiến trúc Vi điều khiển PIC 111 4.1.1 Giới thiệu vi điều khiển bit 111 4.1.2 Vi điều khiển bit PIC16F877 112 4.1.3 Các khối chức bên vi điều khiển PIC16f877 116 4.2 Tổ chức nhớ 129 4.2.1 Tổ chức nhớ chương trình FLASH ngăn xếp 129 4.2.2 Tổ chức nhớ liệu RAM 130 4.2.3 Các trang nhớ chương trình 133 4.2.4 Truy cập nhớ RAM địa trực tiếp, gián tiếp 133 4.2.5 Bộ nhớ liệu EEPROM nhớ chương trình FLASH 134 4.2.6 Đọc nhớ liệu EEPROM 135 Bài giảng Vi xử lý 4.2.7 Ghi vào nhớ liệu EEPROM .136 4.2.8 Đọc chương trình FLASH 136 4.2.9 Ghi tới FLASH 137 4.3 Khối timer/counter 138 4.4 Ngắt lập trình phục vụ ngắt 143 4.5 Lập trình vi điều khiển ngơn ngữ C 145 4.5.1 Lưu đồ thuật toán cấu trúc điều khiển .145 4.5.2 Giới thiệu tập lệnh PIC16F877 152 4.5.3 Tóm tắt lý thuyết ngơn ngữ lập trình C .153 4.5.4 Cấu trúc chương trình C .158 4.5.5 Lập trình cho vi điều khiển PIC CCS C 158 4.6 Một số ví dụ viết cho PIC 16F877A 170 4.6.1 Viết chương trình cho vi điều khiển có chức làm đầu 171 4.6.2 Viết chương trình cho vi điều khiển có chức làm đầu vào .176 4.6.3 Viết chương trình cho vi điều khiển ứng dụng ngắt 187 4.6.4 Viết chương trình cho vi điều khiển sử dụng ADC 190 4.6.5 Viết chương trình cho vi điều khiển sử dụng PWM 194 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG .196 TÀI LIỆU THAM KHẢO .201 Phụ lục A Nội dung file “def_16f877a” Bài giảng Vi xö lý DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Chƣơng Hình 1.1 Lịch sử phát triển CPU Hình 1.2 Cấu trúc bên vi xử lý Pentium Hình 1.3 Thực liệu từ MMX 13 Hình 1.4 Cấu trúc BUS Pentium II Pentium 15 Hình 1.5 Tổ chức bus hệ thống máy tính với vi xử lý Peniutm II 17 Hình 1.6 Mơ tả xử lý HTT 23 Hình 1.7 Mơ tả xử lý Multi Core 23 Hình 1.8 Mơ hình Turbo boost 23 Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc chung vi xử lý tiên tiến 26 Hình 1.10 Mơ hình phân đoạn nhớ 32 Hình 1.11 Cơ chế phần cứng hổ trợ kĩ thuật phân đoạn 32 Hình 1.12 Hệ thống phân đoạn 33 Hình 1.13 Chia sẻ code hệ phân đoạn 34 Hình 1.14 Quản lý nhớ bảng bit 34 Hình 1.15 Quản lý nhớ danh sách 35 Hình 1.16 Mơ hình nhớ phân trang 35 Hình 1.17 Cơ chế phần cứng hỗ trợ phân trang 36 Hình 1.18 Chia sẻ trang hệ phân trang 37 Hình 1.19 Mơ hình phân đoạn kết hợp phân trang 38 Hình 1.20 Cơ chế phần cứng phân đoạn kết hợp phân trang 39 Hình 1.21 Cấu trúc nhớ phân cấp hệ vi xử lý 45 Hình 1.22 Bộ nhớ đan xen bậc cao 48 Hình 1.23 Bộ nhớ đan xen bậc thấp 49 Hình 1.24 Cấu hình nhớ S – access 50 Hình 1.25 Giản đồ thời gian cấu hình S – access 50 Hình 1.26 Cấu hình nhớ C – access 51 Hình 1.27 Giản đồ thời gian cấu hình C – access 51 Hình 1.28 Bảng đặc tả trang ảo 57 Hình 1.29 Thí dụ bảng đặc tả trang 57 Hình 1.30 Qui trình đổi địa ảo sang địa thật 58 Hình 1.31 Phương pháp FIFO 58 Bài giảng Vi xử lý Hình 1.32 Phương pháp ―Clock‖ 59 Hình 1.33 Bảng đặc tả trang 61 Hình 1.34 Quá trình phân trang 61 Hình 1.35 Khơng gian địa ảo 62 Hình 1.36 Khơng gian nhớ độc lập 62 Hình 1.37 Bảng đặc tả phân đoạn 63 Hình 1.38 Bảng đặc tả phân trang phân đoạn 64 Hình 1.39 Kiến trúc Von-Neumann 65 Hình 1.40 Kiến trúc Harvard 67 Chƣơng Hình 2.1 Mơ hình kiến trúc: a) Hệ xử lý CISC b) Hệ xử lý RISC 76 Chƣơng Hình 3.1 Mơ hình kiến trúc SISD 79 Hình 3.2 Mơ hình kiến trúc SIMD 79 Hình 3.3 Mơ hình kiến trúc MISD 80 Hình 3.4 Mơ hình kiến trúc MIMD 80 Hình 3.5 Kiến trúc hệ xử lý song song chuyên dụng 84 Hình 3.6 Cấu trúc pipeline 85 Hình 3.7 Kiến trúc PIPELINE tầng 86 Hình 3.8 Hiệu ứng PIPELINE 86 Hình 3.9 Cấu trúc khối chuẩn bị lệnh máy tính CRAY-1 87 Hình 3.10 Pipeline có khả rẽ nhánh 89 Hình 3.11 Tổ chức kênh thơng tin hệ PIPELINE 90 Hình 3.12 Hiệu ứng pipline bị huỷ bỏ gặp lệnh nhảy 90 Hình 3.13 Tổ chức phần cứng hệ xử lý song song p CPU 92 Hình 3.14 PIPELINE tuyến tính 95 Hình 3.15 Mơ hình hệ thống nhớ đan xen 104 Hình 3.16 Sự phụ thuộc En vào n 105 Hình 3.17 Đồ thị thời gian chu kỳ truy cập nhớ 106 Hình 3.18 Sự phụ thuộc IEn 107 Hình 3.19 Mối quan hệ hiệu suất DEn theo  n =16 109 Hình 3.20 Mối quan hệ hiệu DEn theo n thay đổi 110 Bài giảng Vi xö lý Chƣơng Hình 4.1 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877 112 Hình 4.2 Sơ đồ chân vi điều khiển PIC16F887 114 Hình 4.3 Cấu trúc chân RA0-RA3 PORTA 116 Hình 4.4 Cấu trúc chân RA4 RA5 PORTA 116 Hình 4.5 Cấu trúc chân RB0-RB3 RB4-RB7 PORTB 117 Hình 4.7 Cấu trúc chân RC3,RC4 RC0,RC1,RC2,RC5,RC6,RC7 PORTC 118 Hình 4.8 Cấu trúc chân PORTD 119 Hình 4.9 Cấu trúc chân PORTE 120 Hình 4.10 Tổ chức nhớ chương trình FLASH ngăn xếp 130 Hình 4.11 Tổ chức nhớ liệu RAM 131 Hình 4.12 Quá trình nạp PCLATH tới PC 133 Hình 4.13 Truy cập nhớ RAM 133 Hình 4.11 Cấu trúc Timer0 WDT 139 Hình 4.12 Cấu trúc Timer1 141 Hình 4.13 Cấu trúc Timer2 143 Hình 4.14 Sơ đồ bit điều khiển ngắt 144 Hình 4.14 Các ký hiệu sử dụng lưu đồ thuật toán 146 Hình 4.15 Cấu trúc 146 Hình 4.16 Cấu trúc lựa chọn if 148 Hình 4.18 Cấu trúc lặp for / while 150 Hình 4.19 Cấu trúc lặp / while 150 Hình 4.20 Cấu trúc khung chương trình C 158 Hình 4.21 Tạo dự án CCS C 160 Hình 4.22 Cửa sổ SaveAs để lưu dự án CCS 160 Hình 4.23 Tab General CCS C 161 Hình 4.24 Tab Communications CCS C 162 Hình 4.25 Tab SPI and LCD CCS C 162 Hình 4.26 Tab Timer CCS C 163 Hình 4.27 Tab Analog CCS C 163 Hình 4.28 Tab Other CCS C 164 Hình 4.29 Tab Interrupts CCS C 165 Bài giảng Vi xử lý Hình 4.30 Tab Driver CCS C 165 Hình 4.31 Tạo dự án CCS C 168 Hình 4.32 Lưu dự án CCS C 169 Hình 4.33 Tùy chọn cho dự án CCS C 169 Hình 4.34 Dự án tạo CCS C 170 Bài giảng Vi xö lý LỜI MỞ ĐẦU Sự đời phát triển nhanh công nghệ vi điện tử tạo bước đột phá mạnh mẽ lĩnh vực khoa học tính tốn xử lý thơng tin Với phát triển ứng dụng công nghệ làm cho ranh giới ngành khơng cịn rõ rệt (như Công nghệ thông tin, Điện tử viễn thông Tự động điều khiển…) Các hệ thống từ quy mô nhỏ tới quy mô lớn siêu lớn lĩnh vực công nghiệp dân dụng chứng kiến hữu hệ vi xử lý, chúng đóng vai trị trung tâm điều khiển hệ thống thực nhiệm vụ Những hệ thống đáp ứng yêu cầu khắt khe đòi hỏi phải xử lý liệu với tốc độ cao, khối lượng liệu số lượng phép tính lớn Để đáp ứng yêu cầu trên, giải pháp thiết kế hệ thống theo hướng xử lý song song hướng nghiên cứu ưu tiên ngày Để tăng tốc độ cho hệ xử lý, nhà thiết kế chế tạo áp dụng cơng nghệ tiên tiến, bước nâng cấp hồn thiện cho vi xử lý Điển hình cấu trúc vi xử lý với tập lệnh đầy đủ (CISC), vi xử lý với tập lệnh rút gọn RISC Những nghiên cứu kiến trúc hệ thống số khẳng định ưu bật hệ thống xử lý song song Tuy nhiên, xử lý song song vấn đề phức tạp, liên quan tới nhiều cấu như: phần cứng hệ xử lý, phần mềm hệ thống (hệ điều hành), thuật tốn tính tốn, ngơn ngữ lập trình… Học phần Vi xử lý học phần chuyên ngành ngành đào tạo Công nghệ Kỹ thuật Điện-Điện tử khoa Điện-Điện tử trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Đào tạo theo học chế tín chỉ, thời gian tự học sinh viên chiếm lượng thời gian lớn, nhằm cung cấp cho sinh viên tài liệu có tính hệ thống phục vụ q trình tự học, chúng tơi biên soạn tập giảng học phần Vi xử lý Mục tiêu học phần trang bị cho sinh viên kiến thức chung hệ vi xử lý tiên tiến, quy trình làm việc lập trình điều khiển hoạt động hệ vi xử lý Trên sở đó, sinh viên có khả thiết kế phần cứng, viết phần mềm điều khiển hệ vi xử lý dựa chip vi xử lý vi điều khiển tiên tiến Đặc trưng sinh viên ngành Điện-Điện tử thường điều khiển thiết bị đòi hỏi kết hợp phần cứng phần mềm Để xây dựng thiết bị vi xử lý, đòi hỏi phải thiết kế phần cứng tương đối phức tạp bao gồm tổ chức nhớ, phối ghép vào Điều khó khăn với người tiếp cận mơn học để tạo sản phẩm hoàn chỉnh Trong trường hợp này, ứng dụng vi điều khiển có nhiều ... Intel 1.1.1 Bộ vi xử lý dòng 80xx 1.1 .2 Bộ vi xử lý PENTIUM 1.1.3 Bộ vi xử lý dòng core i 22 1 .2 Đặc điểm chung vi xử lý tiên tiến 26 1 .2. 1 Sơ đồ cấu trúc... đủ 32bit - vi xử lý mạnh tối ưu với hệ điều hành đa nhiệm Một số thông số đặc điểm vi xử lý sau: - Các ghi mở rộng đến 32bit nên 80386 gọi vi xử lý 32bit - Bus liệu tăng từ 16 lên 32bit ngồi Bài. .. bạn đọc Nhóm biên soạn Bài giảng Vi xử lý Chƣơng CẤU TRÚC CHUNG CỦA CÁC BỘ VI XỬ LÝ TIÊN TIẾN 1.1 Giới thiệu số vi xử lý qua thời kỳ Intel Những năm gần đây, kỹ thuật vi xử lý phát triển cách nhanh