Tài liệu Bài giảng Kỹ thuật Vi xử lý _chương 2 pdf

Bài Bài giảng giảng Kỹ Kỹ thuật thuật Vi Vi xử lý xử lý Ngành Điện tử Ngành Điện tử - - Viễn thông Viễn thông Đại học Bách khoa Đà Nẵng Đại học Bách khoa Đà Nẵng của của Hồ Hồ Viết Việt Viết Việt , , Khoa Khoa CNTT CNTT - - ĐTVT ĐTVT Tài liệu tham khảo Tài liệu tham khảo [1] Kỹ [1] Kỹ thuật thuật vi vi xử lý xử lý , , Văn Thế Minh Văn Thế Minh , NXB , NXB Giáo Giáo dục dục , 1997 , 1997 [2] Kỹ [2] Kỹ thuật thuật vi vi xử lý và Lập trình xử lý và Lập trình Assembly Assembly cho cho hệ hệ vi vi xử lý xử lý , , Đỗ Xuân Tiến Đỗ Xuân Tiến , NXB , NXB Khoa học Khoa học & & kỹ kỹ thuật thuật , 2001 , 2001 Chương Chương 2 2 Vi Vi xử lý và xử lý và Hệ Hệ thống thống vi vi xử lý xử lý 2.1 Bộ vi 2.1 Bộ vi xử lý xử lý - - Bộ vi Bộ vi xử lý xử lý (Microprocessor) (Microprocessor) là gì là gì ? ? - - Các thành phần của bộ Các thành phần của bộ vi vi xử lý xử lý - - Ứng dụng của bộ Ứng dụng của bộ vi vi xử lý xử lý 2.2 2.2 Các họ Các họ vi vi xử lý xử lý - - Họ x86 Họ x86 của của Intel Intel - - Luật Luật Moore Moore - - Họ 68x Họ 68x của của Motorola Motorola 2.3 Hệ 2.3 Hệ thống thống vi vi xử lý xử lý - - Bộ Bộ nhớ nhớ - - Các cổng Các cổng I/O I/O - - Bus Bus hệ thống hệ thống : D : D - - Bus, A Bus, A - - Bus, C Bus, C - - Bus Bus - - Thiết kế hệ thống Thiết kế hệ thống vi vi xử lý xử lý ? ? 2.1 Bộ vi 2.1 Bộ vi xử lý xử lý   Một bộ Một bộ vi vi xử lý là một mạch xử lý là một mạch tích hợp chứa hàng ngàn tích hợp chứa hàng ngàn , , thậm chí hàng triệu thậm chí hàng triệu transistor (LSI, VLSI) transistor (LSI, VLSI) được được kết nối với nhau kết nối với nhau   Các Các transistor transistor ấy cùng nhau ấy cùng nhau làm việc để lưu trữ và xử lý làm việc để lưu trữ và xử lý dữ liệu cho phép bộ dữ liệu cho phép bộ vi vi xử lý xử lý có thể thực hiện rất nhiều có thể thực hiện rất nhiều chức năng hữu ích chức năng hữu ích   Chức năng cụ thể của một Chức năng cụ thể của một bộ bộ vi vi xử lý được xác định xử lý được xác định bằng phần mềm bằng phần mềm ( ( có có thể thể lập lập trình trình đ ược đ ược ) ) Bộ vi Bộ vi xử lý xử lý   Bộ vi Bộ vi xử xử lý lý đầu đầu tiên tiên của của Intel,4004, Intel,4004, được được giới thiệu giới thiệu vào vào năm năm 1971. 1971.   4004 4004 chứa chứa 2300 transistor. 2300 transistor.   Bộ vi Bộ vi xử xử lý lý Pentium 4 Pentium 4 hiện hiện nay nay chứa chứa 55 55 triệu triệu transistor. transistor.   Bộ vi Bộ vi xử lý thường được sử xử lý thường được sử dụng trong các máy dụng trong các máy vi vi tính tính (microcomputer) (microcomputer) với vai với vai trò là trò là CPU. CPU. Ngoài ra Ngoài ra , , chúng còn có mặt chúng còn có mặt ở ở nhiều nhiều thiết bị khác thiết bị khác . . Các thành phần của bộ Các thành phần của bộ vi vi xử lý xử lý ALU ALU và và Control Unit Control Unit ALU  Thựchiện các phép toán logic (AND, OR, XOR, NOT) và các phép toán số học(cộng, trừ, nhân, chia)  Thực hiện việc chuyển dữ liệu  Việc thực hiện lệnh thực sự diễn ra ở ALU Control Unit  Có trách nhiệm liên quan đến việc tìm và thực hiện các lệnh bằng cách cung cấp các tín hiệu điều khiển và định thời cho ALU và các mạch khác biết phải làm gì và làm khi nào. Các thanh ghi Các thanh ghi (Registers) (Registers)  Thanh ghi là nơimàbộ vi xử lý có thể lưutrữđược mộtsố nhị phân (Kích cỡ của thanh ghi tính bằng bit)  Bộ vi xử lý dùng các thanh ghi để lưu trữ dữ liệu tạm thời trong quá trình thực hiện chương trình  Các thanh ghi có thể được truy cập bằng các câu lệnh ngôn ngữ máy thường được gọi là các thanh ghi người sử dụng có thể nhìn thấy được (có thể truy cập được)  Các thanh ghi điều khiển và các thanh ghi trạng thái được CU dùng để điều khiển việc thực hiện chương trình. Đa số các thanh ghi này người sử dụng không thể nhìn thấy được 2.2 C 2.2 C ác họ ác họ vi vi xử lý xử lý   Hiện Hiện nay, nay, có rất nhiều nhà sản xuất ra các có rất nhiều nhà sản xuất ra các chip vi chip vi xử lý xử lý :Intel, AMD, Motorola, Cyrix … :Intel, AMD, Motorola, Cyrix …   Thông thường Thông thường , , một họ một họ vi vi xử lý là các xử lý là các chip chip vi vi xử lý được sản xuất bởi một nhà sản xử lý được sản xuất bởi một nhà sản xuất nào đó xuất nào đó . .   Trong phạm Trong phạm vi vi một họ một họ vi vi xử lý xử lý , , theo thời theo thời gian và theo công nghệ chế tạo có các đời gian và theo công nghệ chế tạo có các đời ( ( thế thế hệ hệ ) vi ) vi xử lý khác nhau phân biệt theo xử lý khác nhau phân biệt theo Độ dài Độ dài Từ Từ của chúng của chúng (bit) (bit) và tốc độ và tốc độ (Hz). (Hz).   Độ dài Độ dài Từ (Word Length) Từ (Word Length) của một của một chip vi chip vi xử lý là kích cỡ tối đa của các toán hạng xử lý là kích cỡ tối đa của các toán hạng nhị phân mà nó có thể thực hiện các phép nhị phân mà nó có thể thực hiện các phép toán trên đó toán trên đó . . Tốc Tốc độ độ của của họ họ vi vi xử xử lý lý x86 x86 của của Intel Intel The Continuing Evolution of Intel Microprocessors CIS105 December 2002 0.74 2 8 12 33 100 200 200 233 333 400 400 550 1,400 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1971 1974 1979 1982 1985 1989 1993 1995 1997 1998 1998 1999 1999 2000 Year Speed (MHZ) Họ vi Họ vi xử xử lý lý x86 x86 của của Intel Intel Model Model Năm sản xuất Năm sản xuất Số Số lượng lượng Transistor Transistor 4004 4004 1971 1971 2,300 2,300 8008 8008 1972 1972 2,500 2,500 8080 8080 1974 1974 5,000 5,000 8086 8086 1978 1978 29,000 29,000 80286 80286 1982 1982 120,000 120,000 80386™ processor 80386™ processor 1985 1985 275,000 275,000 80486™ DX processor 80486™ DX processor 1989 1989 1,180,000 1,180,000 Pentium® processor Pentium® processor 1993 1993 3,100,000 3,100,000 Pentium II processor Pentium II processor 1997 1997 7,500,000 7,500,000 Pentium III processor Pentium III processor 1999 1999 24,000,000 24,000,000 Pentium 4 processor Pentium 4 processor 2000 2000 55,000,000 55,000,000 [...]... processor 2. 3 Hệ thống vi xử lý Luật Moore Dr Gordon E Moore, Chairman Emeritus of Intel Corporation, dự đoán rằng Cứ một năm rưỡi thì số lượng transistor được tích hợp trên chip vi xử lý tăng gấp đôi 2. 3 Hệ thống vi xử lý Address Bus I/O Ports MEMORY Microprocessor Data Bus Control Lines (Control Bus) Sơ đồ khối chức năng của một hệ thống vi xử lý Hệ thống vi xử lý Gồm 3 khối chức năng: Vi xử lý, Bộ... trữ chương trình và dữ liệu Đối với vi xử lý, bộ nhớ là một tập hợp các ô nhớ phân biệt theo địa chỉ của chúng Các cổng I/O được thực hiện bằng các chip MSI hoặc LSI, là phần mạch giao tiếp giữa vi xử lý với các thiết bị I/O Bộ vi xử lý cũng phân biệt các cổng I/O theo địa chỉ của chúng Hệ thống vi xử lý 3 khối chức năng: Vi xử lý, Bộ nhớ, Các cổng I/O của một hệ thống vi xử lý trao đổi tín hiệu với... tốc độ trao đổi dữ liệu của chip vi xử lý vớI các khối chức năng khác Đa số các tín hiệu trên C-Bus là các tín hiệu điều khiển riêng lẽ, có tín hiệu xuất phát từ vi xử lý, có tín hiệu đi vào vi xử lý Vi xử lý sử dụng các tín hiệu này để điều khiển hoạt động và nhận biết trạng thái của các khối chức năng khác Thiết kế phần cứng của hệ thống vi xử lý Thiết kế bộ nhớ cho hệ thống vi xử lý: Ghép nối các... Bus địa chỉ (A-Bus), Bus dữ liệu (D-Bus) và Bus điều khiển (C-Bus) Các tín hiệu địa chỉ di chuyển trên A-Bus theo hướng từ vi xử lý đến Bộ nhớ và các cổng I/O Số lượng đường truyền dẫn của A-Bus (gọi là Độ rộng của A-Bus) tính bằng bit, phản ánh khả năng quản lý bộ nhớ của chip vi xử lý Hệ thống vi xử lý Các tín hiệu dữ liệu di chuyển trên D-Bus theo cả 2 hướng từ vi xử lý đến Bộ nhớ và các cổng I/O... 8MHz, 10MHz 16 bits 29 ,000 (3 microns) 1 MB -10X the performance of the 8080 Họ vi xử lý x86 của Intel 80’s 8 028 6 Introduced Clock Speeds Bus Width Number of Transistors Addressable Memory Virtual Memory Brief Description Intel386TM DX Microprocessor Intel386TM SX Microprocessor 2/ 1/ 82 6MHz, 8MHz, 10MHz, 12. 5MHz 16 bits 134,000 (1.5 microns) 10/17/85 16MHz, 20 MHz, 25 MHz, 33MHz 32 bits 27 5,000 (1 micron)... chip Họ vi xử lý x86 của Intel 90’s Intel486TM SX Microprocessor Introduced Clock Speeds Bus Width Number of Transistors Addressable Memory Virtual Memory Brief Description Pentium® Processor Pentium® Pro Processor Pentium® II Processor 4 /22 /91 16MHz, 20 MHz, 25 MHz, 33MHz 32 bits 1.185 million (1 micron) 4 gigabytes 64 terabytes Identical in design to Intel486TM DX but without math coprocessor 3 /22 /93... dùng làm bộ nhớ Thiết kế phần mềm của hệ thống vi xử lý Vi t chương trình điều khiển hoạt động của hệ thống phần cứng theo chức năng mong muốn (thường dùng ngôn ngữ Assembly của chip vi xử lý dùng trong hệ thống) Dịch chương trình đã vi t sang ngôn ngữ máy sử dụng các chương trình dịch thích hợp Nạp chương trình ngôn ngữ máy vào bộ nhớ của hệ thống vi xử lý Kiểm tra hoạt động của hệ thống và thực hiện... nối các chip nhớ bán dẫn sẵn có với bus hệ thống sao cho khi bộ vi xử lý truy cập bộ nhớ thì không xảy ra xung đột giữa các chip nhớ với nhau và không xung đột với các chip dùng làm cổng I/O Tương tự, Thiết kế các cổng I/O cho hệ thống vi xử lý: Ghép nối các chip MSI hoặc LSI thường dùng làm cổng I/O với bus hệ thống sao cho khi bộ vi xử lý truy cập các thiết bị I/O thì không xảy ra xung đột giữa các... bits 27 5,000 (1 micron) 6/16/88 16MHz, 20 MHz, 25 MHz, 33MHz 16 bits 27 5,000 (1 micron) 16 megabytes 1 gigabyte 3-6X the performance of the 8086 4 gigabytes 64 terabytes First X86 chip to handle 32- bit data sets 16 megabytes 64 terabytes 16-bit address bus enabled low-cost 32- bit processing Intel486TM DX CPU Microprocessor 4/10/89 25 MHz, 33MHz, 50MHz 32 bits 1 .2 million (1 micron) (.8 micron with 50MHz)...Họ vi xử lý x86 của Intel 70’s 4004 Introduced Clock Speeds Bus Width Number of Transistors Addressable Memory Virtual Memory Brief Description 8008 8080 8086 11/15/71 108KHz 4 bits 2, 300 (10 microns) 640 bytes -First microcomputer chip, Arithmetic manipulation 4/1/ 72 200KHz 8 bits 3,500 (10 microns) 16 KBytes -Data/character manipulation 4/1/74 2MHz 8 bits 6,000 (6 microns) . kỹ kỹ thuật thuật , 20 01 , 20 01 Chương Chương 2 2 Vi Vi xử lý và xử lý và Hệ Hệ thống thống vi vi xử lý xử lý 2. 1 Bộ vi 2. 1 Bộ vi xử lý xử lý - - Bộ vi. hệ thống Thiết kế hệ thống vi vi xử lý xử lý ? ? 2. 1 Bộ vi 2. 1 Bộ vi xử lý xử lý   Một bộ Một bộ vi vi xử lý là một mạch xử lý là một mạch tích hợp chứa