Dưới đây ta nêu ra mô hình tổng quát của máy tính theo nguyên lí Von Neumman. HTN cũng chia sẻ kiến trúc này trong một số trường hợp. Mô hình cho thấy các khối chức năng cơ bản cần có. Trong thực tế có những CPU nhúng có kiến trúc cụ thể khác nhau, nhưng khi mô tả các khối chức năng, thì hoàn toàn thống nhất.
Mô hình lấy đơn vị xử lý trung tâm (Central Processing Unit – CPU) là khối chức năng cơ bản nhất để tạo nên một hệ vi xử lý, HNT hay máy tính cá nhân (Personal Computer – PC).
§ CPU thực hiện chức năng xử lý dữ liệu theo nguyên tắc thực hiện chương trình máy tính cài trong bộ nhớ ROM hay nạp vào bộ nhớ RAM. Việc thực hiện như sau: CPU đọc mã lệnh (OPCODE) từ bộ nhớ (ROM hay RAM), sau đó,
ü Giải mã lệnh, tạo các tín hiệu (xung) điều khiển tương ứng với mã lệnh để điều khiển hoạt động của các khối chức năng khác trong CPU và bên ngoài CPU. ü Tập các tín hiệu tạo ra BUS của CPU. Khi kết hợp với các vi mạch dồn /tách kênh
và khuyếch đại, các mạch giải mã,… sẽ tạo ra BUS hệ thống. BUS hệ thống cung cấp các tín hiệu cho các vi mạch tích hợp vào CPU (ROM, RAM, I/O module) tạo thành bo mạch chính (CPU board).
ü Thực hiện từng bước các thao tác xử lý dữ liệu đã định nghĩa trong mã lệnh. ü Ghi lại kết quả thực hiện lệnh.
§ Bộ nhớ chính (ROM/RAM) được tổ chức từ các từ nhớ đơn, kép. Theo chuẩn của IBM/PC từ nhớ đơn (có sở) có độ dài 1 byte (8 bits). Bộ nhớ này gồm các chip nhớ chỉ đọc ROM (Read Only Memory) và các chip nhớ truy xuất ngẫu nhiên RAM (Random Access Memory) có tốc độ truy cập nhanh. Bộ nhớ được sử dụng để chứa các chương trình và các dữ liệu cần xử lý. Các chương trình ứng dụng và dữ liệu có thể được chứa ở ROM hoặc RAM, các kết quả trung gian hay kết quả cuối cùng của các thao tác xử lý có thể được chứa trong các thanh ghi đa dụng hoặc trong RAM.
28
Hình 1.1- Mô hình tổng quát bo mạch chủ
§ Các mạch ghép nối vào/ra (I/O interface) là các mạch điện tử, thực hiện các giải pháp kỉ thuật thích ứng tín hiệu, trở kháng… cho phép CPU trao đổi dữ liệu với các thiết bị ngoại vi như bàn phím, màn hình, máy in, các bộ chuyển đổi số-tương tự DAC (Digital/Analog Converter), chuyển đổi tương tự-số ADC (Analog/Digital Converter), các mạch vào/ra dữ liệu dạng số DO (Digital Outputs), DI (Digital Inputs)…
§ Hệ vi xử lý còn có một mạch tạo xung nhịp gọi là CPU Clock. Bộ tạo xung này được điều khiển bằng một mạch thạch anh có tần số thích hợp và đảm bảo tần số làm việc ổn định, với tần số chính xác cao. CPU có một chân phát xung cho các vi mạch còn lại, gọi là đồng hồ hệ thống (SystemClock), đồng hồ này nối tới tất cả các vi mạch điều khiển chính trên bo mạch, đồng bộ toàn bộ hoạt động với CPU.
§ Một khối nguồn nuôi (Power Supply) cung cấp năng lượng cho hệ thống từ mạng điện lưới, hay sử dụng pin. Bộ nguồn của các hệ vi xử lý thông thường là bộ nguồn xung với kỹ thuật đóng-ngắt dùng linh kiện bán dẫn công suất (Switching Power Supply), vừa gọn nhẹ, công suất đủ lớn, hiệu suất cao.
Hình 1.2-Nguồn nuôi cho hệ máy tính
Bộ vi xử lí trung tâm (CENTRAL PROCESSING UNIT) Đồng hồ thạch anh nhịp chuẩn Nguồn nuôi một chiều
Hệ thống đường dây dữ liệu (DATA BUS) Hệ thống đường dây điều khiển (CONTROL BUS) Hệ thống đường dây địa chỉ (ADDRES BUS )
Bộ nhớ Ghi/Đọc (RAM)
Bộ nhớ chỉ Đọc (ROM)
Ghép nối ra (O) Ghép nối vào (I)
BUS hệ thống
29
§ Phân loại trên cơ sở vi mạch
Tuy nhiên khi đề cập tới cấu trúc của HTN được xây dựng trên công nghệ vi mạch, có thể có hai loại khác biệt:
Vi điều khiển (microcontroller) và vi xử lí (microprocessor) khác nhau theo vài cách, trước hết là chức năng. Để sử dụng một vi xử lí, cần hợp nhất nhiều thành phần vào đó: bộ nhớ, I/O, COM … và do vậy vi xử lí là trung tâm của cả hệ thống. Trong khi đó vi điều khiển được thiết kế theo tiêu chí: tất cả được tích hợp trong một vi mạch, đặc biệt là các giao tiếp I/O, tức là sẽ không cần thêm thành phần nào vào đó. Lợi ích là ở chổ tiết kiệm thời gian thiết kế và kích thước sẽ nhỏ gọn rất nhiều. Tuy nhiên do phần cứng hạn chế, nên lĩnh vực ứng dụng cũng phải được xác định. Hệ thống nhúng dựa trên bộ vi xử lý trên bo mạch (Microprocessor-based Embedded System) Hệ thống nhúng với vi điều khiển trên bo mạch
(Microcontroller-based
Embedded System)
§ Có CPU độc lập, có thể là CPU đa năng phổ biến (Intel 8080/8085, Motorola 6800…),
§ Có RAM, ROM, định thời, I/O độc lập,
§ Khả năng mở rộng RAM, ROM, I/O tùy ý,
§ Đa năng, đắt tiền.
§ Kiến trúc gần như một máy tính nhưng có kích thước nhỏ.
Thiết kế chức năng:
§ Cần phải có các vi mạch RAM, ROM hợp thành từ bên ngoài vi mạch. § Không thể kết nối với ngoại vi
ngoại vi, cần có thêm các vi mạch hỗ trợ cho chức năng này.
§ Tuy nhiên năng lực tính toán mạnh.
§ CPU dạng lõi chuyên biệt, RAM, ROM, định thời, I/O trong một vi mạch đơn,
§ RAM, ROM có dung lượng cố định, I/O đủ cho mục đích sử dụng,
§ Đơn mục đích, ứng dụng xác định, tiêu hao ít năng lượng, giá cả hợp lí cho ứng dụng nhúng.
§ Kích thước nhỏ, gọn.
Thiết kế chức năng:
§ Được thiết kế để có tất cả trong một chip đơn !
§ Năng lực tính toán được thiết kế tối ưu cho ứng dụng xác định, các ứng dụng chuyên biệt.
§ Rất phù hợp để xây dựng các HTN. § Tiết kiệm gian thiết kế.
30
Hình 1.3 HTN xây dựng từ xây dựng từ vi xử lý(Microprocessor-based) và vi điều khiển (microcontroller based)
31
Hình 1.4 Chip Microcontroller và các thành phần cơ bản, BUS kết nối bên trong, tất cả trong một chip.