Giáo trình Vi xử lý - Chương 1: Đại cương - Phạm Hùng Kim Khánh
Tài liệu vi xử lý
Đại cương
CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG
1. Các hệ thống số dùng trong máy tính và các loại mã
1.1. Hệ thập phân (Decimal Number System)
Trong thực tế, ta thường dùng hệ thập phân để biểu diễn các giá trị số. Ở hệ
thống này, ta dùng các tổ hợp của các chữ số 0..9 để biểu diễn các giá trị. Một số trong
hệ thập phân được biểu diễn theo các số mũ của 10.
VD: Số 5346,72 biểu diễn như sau:
5346,72 = 5.103 + 3.102 + 4.10 + 6 + 7.10-1 + 2.10-2
Tuy nhiên, trong các mạch điện tử, việc lưu trữ và phân biệt 10 mức điện áp
khác nhau rất khó khăn nhưng việc phân biệt hai mức điện áp thì lại dễ dàng. Do đó,
người ta sử dụng hệ nhị phân để biểu diễn các giá trị trong hệ thống số.
1.2.
Hệ nhị phân (Binary Number System)
Hệ nhị phân chỉ dùng các chữ số 0 và 1 để biểu diễn các giá trị số. Một số nhị
phân (binary digit) thường được gọi là bit. Một chuỗi gồm 4 bit nhị phân gọi là nibble,
chuỗi 8 bit gọi là byte, chuỗi 16 bit gọi là word và chuỗi 32 bit gọi là double word.
Chữ số nhị phân bên phải nhất của chuỗi bit gọi là bit có ý nghĩa nhỏ nhất (least
significant bit – LSB) và chữ số nhị phân bên trái nhất của chuỗi bit gọi là bit có ý
nghĩa lớn nhất (most significant bit – MSB). Một số trong hệ nhị phân được biểu diễn
theo số mũ của 2. Ta thường dùng chữ B cuối chuỗi bit để xác định đó là số nhị phân.
VD: Số 101110.01b biểu diễn giá trị số:
101110.01b = 1x25 + 0x24 + 1x23 +1x22 + 1x21 + 0 + 0x2-1 + 1x2-2
Chuyển số nhị phân thành số thập phân:
Để chuyển một số nhị phân thành một số thập phân, ta chỉ cần nhân các chữ số
của số nhị phân với giá trị thập phân của nó và cộng tất cả các giá trị lại.
VD: 1011.11B = 1x23 + 0x22 + 1x21 + 1 + 1x2-1 + 1x2-2 = 11.75
Chuyển số thập phân thành số nhị phân:
Để chuyển một số thập phân thành số nhị phân, ta dùng 2 phương pháp sau:
¾ Phương pháp 1: Ta lấy số thập phân cần chuyển trừ đi 2i trong đó 2i
là số lớn nhất nhỏ hơn hay bằng số thập phân cần chuyển. Sau đó, ta
lại lấy kết quả này và thực hiện tương tự cho đến 20 thì dừng. Trong
quá trình thực hiện, ta sẽ ghi lại các giá trị 0 hay 1 cho các bit tuỳ
theo trường hợp số thập phân nhỏ hơn 2i (0) hay lớn hơn 2i (1).
Phạm Hùng Kim Khánh
Trang 1
Tài liệu vi xử lý
Đại cương
VD: Xét số 21 thì số 2i lớn nhất là 24
24
23
8
22
4
21
2
20
1
16
21 = 1
0
1
0
1
( 21 = 10101B)
5
5
1
1
0
¾ Phương pháp 2: Lấy số cần chuyển chia cho 2, ta nhớ lại số dư và
lấy tiếp thương của kết quả trên chia cho 2 và thực hiện tương tự cho
đến khi thương cuối cùng bằng 0. Kết quả chuyển đổi sẽ là chuỗi các
bit là các số dư lấy theo thứ tự ngược lại.
VD: Chuyển 227 ra số nhị phân
Số bị chia
Thương
Số dư
227
113
56
28
14
7
1 ( LSB)
113
1
56
0
28
0
14
0
7
3
1
3
1
1
1
0
1 ( MSB)
( 227 = 11100011b)
Để thực hiện chuyển các số thập phân nhỏ hơn 1 sang các số nhị phân, ta làm
như sau: lấy số cần chuyển nhân với 2, giữ lại phần nguyên và lại lấy phần lẻ nhân với
2. Quá trình tiếp tục cho đến khi phần lẻ bằng 0 thì dừng. Kết quả chuyển đổi là chuỗi
các bit là giá trị các phần nguyên.
VD: Chuyển 0.625 thành số nhị phân
0.625 × 2 = 1.25
0.25 × 2 = 0.5
0.5
× 2 = 1.0
( 0.625 = 0.101b)
1.3. Hệ thập lục phân (Hexadecimal Number System)
Như đã biết ở trên, nếu dùng hệ nhị phân thì sẽ cần một số lượng lớn các bit để
biểu diễn. Giả sử như số 1024 = 210 sẽ cần 10 bit để biểu diễn. Để rút ngắn kết quả
biểu diễn, ta dùng hệ thập lục phân dựa cơ sở trên số mũ của 16. Khi đó, 4 bit trong hệ
nhị phân (1 nibble) sẽ biểu diễn bằng 1 chữ số trong hệ thập lục phân (gọi là số hex).
Trong hệ thống này, ta dùng các số 0..9 và các kí tự A..F để biểu diễn cho một
giá trị số. Thông thường, ta dùng chữ h ở cuối để xác định đó là số thập lục phân.
1.4.
Mã BCD (Binary Coded Decimal)
Trong thực tế, đối với một số ứng dụng như đếm tần, đo điện áp, … ngõ ra ở
dạng số thập phân, ta dùng mã BCD. Mã BCD dùng 4 bit nhị phân để mã hoá cho một
số thập phân 0..9. Như vậy, các số hex A..F không tồn tại trong mã BCD.
Phạm Hùng Kim Khánh
Trang 2
Tài liệu vi xử lý
Đại cương
VD: Số thập phân
Số BCD
5
2
9
0101 0010 1001
1.5.
Mã hiển thị Led 7 đoạn (7-segment display)
Đối với các ứng dụng dùng hiển thị số liệu ra Led 7 đoạn, ta dùng mã hiển thị
Led 7 đoạn (bảng 1.1).
a
a
b c d e f g
b
c
e
d
Bảng 1.1:
Mã Led 7 đoạn
Số thập phân Số thập lục phân Số nhị phân
Hiển thị
a b c d e f g
1 1 1 1 1 1 0
0 1 1 0 0 0 0
1 1 0 1 1 0 1
1 1 1 1 0 1 1
0 1 1 0 0 1 1
1 0 1 1 0 1 1
1 0 1 1 1 1 1
1 1 1 0 0 0 0
1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 0 0 1 1
1 1 1 1 1 0 1
0 0 1 1 1 1 1
0 0 0 1 1 0 1
0 1 1 1 1 0 1
1 1 0 1 1 1 1
1 0 0 0 1 1 1
0
1
0
1
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
0
1
2
2
2
3
3
3
4
4
4
5
5
5
6
6
6
7
7
7
8
8
8
9
9
9
10
11
12
13
14
15
A
B
C
D
E
F
A
B
C
D
E
F
2. Các phép toán số học
2.1. Hệ nhị phân
2.1.1.Phép cộng
Phép cộng trong hệ nhị phân cũng thực hiện giống như trong hệ thập phân.
Bảng sự thật của phép cộng 2 bit với 1 bit nhớ (carry) như sau:
Phạm Hùng Kim Khánh
Trang 3
Tài liệu vi xử lý
Đại cương
Bảng 1.2:
Vào
B
0
Ra
COUT
A
0
0
0
0
1
1
1
1
CIN
0
S
0
1
1
0
1
0
0
1
0
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
1
1
0
0
0
1
1
0
1
1
S = A ⊕ B ⊕ CIN
OUT = AB + CIN(A ⊕ B)
C
VD:
1001 1010
1
+1100 1100
Nhớ 0111 0110
2.1.2.Số bù 2 (2’s component)
Trong hệ thống số thông thường, để biểu diễn số âm ta chỉ cần thêm dấu – vào
các chữ số. Tuy nhiên, trong hệ thống máy tính, ta không thể biểu diễn được như trên.
Phương pháp thông dụng là dùng bit có ý nghĩa lớn nhất (MSB) làm bit dấu (sign bit):
nếu MSB = 1 sẽ là số âm còn MSB = 0 là số dương. Khi đó, các bit còn lại sẽ biểu
diễn độ lớn (magnitude) của số. Như vậy, nếu ta dùng 8 bit để biểu diễn thì sẽ thu
được 256 tổ hợp ứng với các giá trị 0..255 (số không dấu) hay –127.. –0 +0 … +127
(số có dấu).
Để thuận tiện hơn trong việc tính toán số có dấu, ta dùng một dạng biểu diễn
đặc biệt là số bù 2. Số bù 2 của một số nhị phân xác định bằng cách lấy đảo các bit rồi
cộng thêm 1.
VD: Số 7 biểu diễn là : 0000 0111
có MSB = 0 (biểu diễn số dương)
Số bù 2 là : 1111 1000 + 1 = 1111 1001. Số này sẽ đại diện cho số
– 7.
Ta thấy, để thực hiện việc xác định số bù 2 của một số A, cần phải:
- Biểu diễn số A theo mã bù 2 của nó.
- Đảo các bit (tìm số bù 1 của A).
- Cộng thêm 1 vào để nhận được số bù 2.
Khi biểu diễn theo số bù 2, nếu sử dụng 8 bit ta sẽ có các giá trị số thay đổi từ -
128..127.
2.1.3.Phép trừ
Phép trừ các số nhị phân cũng được thực hiện tương tự như trong hệ thập phân.
Bảng sự thật của phép trừ 2 bit với 1 bit mượn (borrow) như sau:
Phạm Hùng Kim Khánh
Trang 4
Tài liệu vi xử lý
Đại cương
Bảng 1.3:
Vào
B BIN
Ra
BOUT
A
0
0
0
0
1
1
1
1
D
0
1
1
0
1
0
0
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
1
1
0
0
0
1
S = A ⊕ B ⊕ BIN
BOUT = AB+
A ⊕ B
BIN
VD:
0110 1101
- 0011 0001
0011 1100
= 149
= 49
= 100
Ngoài cách trừ như trên, ta cũng có thể thực hiện phép trừ thông qua số bù 2
của số trừ.
VD:
0110 1101
0110 1101
+ 1100 1111
0011 1100
- 0011 0001
→
1
Số bù 1
Nhớ
1100 1110 + 1 = 1100 1111 (Số bù 2)
Trong phép cộng với số bù 2, ta bỏ qua bit nhớ cuối cùng → kết quả phép cộng
số bù 2 là 0011 1100. Đây cũng chính là kết quả phép trừ, bit MSB = 0 cho biết kết
quả là số dương.
VD:
77
- 88
- 11
0100 1101
0100 1101
- 0101 1000 → + 1010 1000
1111 0101
Số 88 = 0101 1000 → số bù 1 là 1010 0111 → số bù 2: 1010 1000
Kết quả phép cộng số bù 2 là 1111 0101 có MSB = 1 nên là số âm. Số bù 1 là
0000 1010 → số bù 2: 0000 1011. Kết quả này chính là 11 nên phép trừ sẽ cho kết quả
là –11.
Ta thấy, để thực hiện chuyển số bù 2 thành số có dấu thì cần thực hiện:
- Lấy bù các bit để tìm số bù 1.
- Cộng với 1.
- Thêm dấu trừ để xác định là số âm.
Phạm Hùng Kim Khánh
Trang 5
Tài liệu vi xử lý
Đại cương
2.1.4.Phép nhân
Phép nhân các số nhị phân cũng tương tự như đối với các số thập phân. Chú ý
rằng đối với phép nhân nếu nhân 2 số 4 bit sẽ có kết quả là số 8 bit, 2 số 8 bit sẽ có kết
quả là số 16 bit, …
VD: 11
X 9
99
1011b
1001b
1011
0000
0000
1011
1100011b
Đối với máy tính, phép nhân được thực hiện bằng phương pháp cộng và dịch
phải (add-and-right-shift):
- Thành phần dầu tiên của tổng sẽ chính là số bị nhân nếu như LSB của số
nhân là 1. Ngược lại, nếu LSB của số nhân bằng 0 thì thành phần này bằng
0.
- Mỗi thành phần thứ i kế tiếp sẽ được tính tương tự với điều kiện là phải dịch
trái số bị nhân i bit.
- Kết quả cần tìm chính là tổng các thành phần nói trên.
2.1.5.Phép chia
Phép chia các số nhị phân cũng tương tự như đối với các số thập phân.
VD: 30/5 = 6
11110
110
011
000
110
110
0
110
101
Tương tự như đối với phép nhân, ta có thể dùng phép trừ và phép dịch trái cho
đến khi không thể thực hiện phép trừ được nữa. Tuy nhiên, để thuận tiện cho tính toán,
thay vì dùng phép trừ đối với số chia, ta sẽ thực hiện phép cộng đối với số bù 2 của số
chia.
- Đổi số chia ra số bù 2 của nó.
- Lấy số bị chia cộng với số bù 2 của số chia.
+ Nếu kết quả này có bit dấu = 0 thì bit tương ứng của thương = 1.
+ Nếu kết quả này có bit dấu = 1 thì bit tương ứng của thương = 0 và ta phải
khôi phục lại giá trị của số bị chia bằng cách cộng kết quả này với số chia.
- Dịch trái kết quả thu được và thực hiện tiếp tục như trên cho đến khi kết quả
là 0 hay nhỏ hơn số chia.
Phạm Hùng Kim Khánh
Trang 6
Tài liệu vi xử lý
Đại cương
2.2.
Hệ thập lục phân
2.2.1.Phép cộng
Thực hiện chuyển các số hex cần cộng thành các số nhị phân, tính kết quả trên
số nhị phân và sau đó chuyển lại thành số hex.
VD: 7Ah →
0111 1010
0011 1111
1011 1001
3Fh
B9h
→
←
Thực hiện cộng trực tiếp trên số hex, nếu kết quả cộng lớn hơn 15 thì sẽ nhớ và
trừ cho 16.
VD: 7
A
F
3
1010 2510
→ B9h
Ah + Fh = 1010 + 1510 = 2510
7h + 3h = 710 + 310 = 1010
→ nhớ 1 và 2510 – 1610 = 910 = 9h
→ cộng số nhớ: 1010 + 110 = 1110 = Bh
2.2.2.Phép trừ
Thực hiện tương tự như phép cộng.
3. Các thiết bị số cơ bản
3.1.
Cổng đệm (buffer) và các cổng logic (logic gate)
Cổng đệm:
A
0
X
0
A
3
2
1
1
Cổng NOT:
X = A
A
0
X
1
A
1
2
1
0
Cổng AND:
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
X
0
0
0
1
1
A
B
X = AB
3
2
Phạm Hùng Kim Khánh
Trang 7
Tài liệu vi xử lý
Đại cương
Cổng NAND:
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
X
1
1
1
0
1
2
A
B
X = AB
3
Cổng OR:
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
X
0
1
1
1
1
A
B
X= A + B
X= A + B
3
2
Cổng NOR:
2
A
B
1
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
X
1
0
0
0
3
Cổng EX-OR:
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
X
0
1
1
0
1
2
X = A ⊕ B
A
B
3
Cổng EX-NOR:
X = A ⊕B
1
2
A
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
X
1
0
0
1
3
3.2.
Thiết bị logic lập trình được
Thay vì sử dụng các cổng logic rời rạc, ta có thể dùng các thiết bị logic lập trình
được (programmable logic device) như PLA (Programmable Logic Array), PAL
(Programmable Array Logic) hay PROM (Programmable Read Only Memory) để liên
kết các thiết bị LSI (Large Scale Intergration).
PLA (hay FPLA – Field PLA):
Dùng ma trận cổng AND và OR để lập trình bằng cácc phá huỷ các cầu chì.
FPLA rất linh động nhưng lại khó lập trình.
Phạm Hùng Kim Khánh
Trang 8
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 đã cố định sẵn và ta chỉ lập trình trên ma trận AND.
A
B
AB
AB
B
A
A+ AB
AB + B
A + B
Hình 1.2 – Sơ đồ PAL
PROM: ma trận AND cố định sẵn và ta chỉ lập trình trên ma trận OR.
A
B
AB
A B
A B
AB
AB+ AB
AB
A B
Hình 1.3 – Sơ đồ PROM
Phạm Hùng Kim Khánh
Trang 9
Tài liệu vi xử lý
Đại cương
3.3.
Chốt, flipflop và thanh ghi
Chốt (latch):
Chốt là thiết bị số lưu trữ lại giá trị số tại ngõ ra của nó.
2
3
5
D
X
0
CLK
Q
QN
0
D
Q
CLK
0
1
1
1
1
Flipflop:
PR CL
D
CLK
Q
Q
1
1
1
1
0
1
0
1
1
1
1
1
0
0
1
1
0
1
2
3
5
6
↑
↑
0
D
Q
Q
0
0
CLK
X
X
X
X
X
QN
QN
1
QN
QN
0
1
.
1
X
X
X
0
.
CL: clear
PR: Preset
CLK: Clock
- Nếu xuất hiện cạnh lên của tín hiệu CLK thì ngõ ra Q sẽ có giá trị theo dữ
liệu tại D.
- Nếu PR = 0 thì Q = 1. Nếu CL = 0 thì Q = 0.
- Trạng thái PR = CL = 0 là trạng thái cấm, ngõ ra sẽ không ổn định.
Thanh ghi (register):
Thanh ghi là một nhóm các flipflop được kết nối song song để lưu trữ các số
nhị phân. Giá trị nhị phân sẽ được đưa vào ngõ vào của các flipflop. Khi có tác động
cạnh lên của tín hiệu CLK thì ngõ ra các flipflop sẽ lưu trữ giá trị nhị phân cho đến khi
một số nhị phân mới được đưa vào và tác động một cạnh len cho tín hiệu CLK.
Q3
D2
Q2
D1
Q1
D0
Q0
2
3
5
6
2
3
5
6
2
3
5
6
2
3
5
6
D3
D
Q
Q
D
Q
Q
D
Q
Q
D
Q
Q
CLK
CLK
CLK
CLK
CLK
Hình 1.4 – Thanh ghi dạng đơn giản
Phạm Hùng Kim Khánh
Trang 10
Tài liệu vi xử lý
Đại cương
Trong trường hợp các flipflop được kết nối nối tiếp với nhau, ta sẽ có thanh ghi
dịch (shift register).
OUT
2
5
6
2
3
5
6
2
3
5
6
2
3
5
6
IN
D
Q
Q
D
Q
Q
D
Q
Q
D
Q
Q
3
CLK
CLK
CLK
CLK
CLK
Hình 1.5 – Thanh ghi dịch
3.4.
Bộ nhớ
3.4.1.Các kiểu bộ nhớ
ROM (Read Only Memory):
Đặc tính chung của ROM là dữ liệu lưu trữ sẽ không bị mất đi dù cho không
còn nguồn cung cấp cho ROM (tính nonvolatile – ổn định). Ta chỉ có thể thực hiện tác
vụ đọc đối với ROM. ROM có thể được chia thành: ROM che mặt nạ (Masked ROM),
PROM (ROM lập trình được), EPROM (ROM có thể xoá bằng tia cực tím) và
EEPROM (ROM có thể xoá bằng điện).
RAM (Random Access Memory):
RAM có đặc tính là tất cả nội dung chứa trong RAM sẽ bị mất đi khi không còn
nguồn cung cấp cho RAM (tính volatile – không ổn định). Có 2 loại RAM: tĩnh và
động.
- SRAM (Static RAM): dùng các ma trận flipflop để lưu trữ dữ liệu nên ta có
thể ghi các giá trị nhị phân vào RAM bằng cách đưa dữ liệu vào các ngõ vào
các flipflop và cấp xung clock cho các flipflop này.
- DRAM (Dynamic RAM): tạo ra bằng các cổng transistor và lưu trữ bằng
điện tích. Tuy nhiên, do hiện tượng rò rỉ điện tích theo thời gian, ta phải
thực hiện nạp điện lại. Quá trình này gọi là làm tươi (refreshing) bộ nhớ.
Thuận lợi của DRAM là một số lượng lớn transistor có thể được đặt trên
một chip nhớ nên nó có dung lượng cao hơn và nhanh hơn SRAM.
Phạm Hùng Kim Khánh
Trang 11
Tài liệu vi xử lý
Đại cương
3.4.2.Cấu trúc bên trong của bộ nhớ
OE
CS
EN
WE
Three –
state
Memory Array
driver
Row address
decoder
Column address
decoder
Hình 1.6 – Cấu trúc nội một bộ nhớ tiêu biểu
CS(Chip Select):cho phép bộ nhớ hoạt động
OE(Output Enable): cho phép đọc dữ liệu từ bộ nhớ ra bên ngoài
WE(Write Enable): cho phép ghi dữ liệu vào trong bộ nhớ
Row address decoder, Column address decoder: các bộ giải mã hàng và cột để
chọn vị trí của memory cell (flipflop hay tụ điện)
Three-state driver: bộ lái ngõ ra 3 trạng thái để đệm ngõ ra
4. Giới thiệu vi xử lý
4.1.
Các thế hệ vi xử lý
- Thế hệ 1 (1971 – 1973): vi xử lý 4 bit, đại diện là 4004, 4040, 8080 (Intel)
hay IPM-16 (National Semiconductor).
+ Độ dài word thường là 4 bit (có thể lớn hơn).
+ Chế tạo bằng công nghệ PMOS với mật độ phần tử nhỏ, tốc độ thấp,
dòng tải thấp nhưng giá thành rẻ.
+ Tốc độ 10 ÷ 60 µs / lệnh với tần số xung nhịp 0.1 ÷ 0.8 MHz.
+ Tập lệnh đơn giản và phải cần nhiều vi mạch phụ trợ.
- Thế hệ 2 (1974 – 1977): vi xử lý 8 bit, đại diện là 8080, 8085 (Intel) hay
Z80 (Zilog).
+ Tập lệnh phong phú hơn.
+ Địa chỉ có thể đến 64 KB. Một số bộ vi xử lý có thể phân biệt 256 địa
chỉ cho thiết bị ngoại vi.
+ Sử dụng công nghệ NMOS hay CMOS.
Phạm Hùng Kim Khánh
Trang 12
Tài liệu vi xử lý
Đại cương
+ Tốc độ 1 ÷ 8 µs / lệnh với tần số xung nhịp 1 ÷ 5 MHz
- Thế hệ 3 (1978 – 1982): vi xử lý 16 bit, đại diện là 68000/68010 (Motorola)
hay 8086/80286/80386 (Intel)
+ Tập lệnh đa dạng với các lệnh nhân, chia và xử lý chuỗi.
+ Địa chỉ bộ nhớ có thể từ 1 ÷ 16 MB và có thể phân biệt tới 64KB địa
chỉ cho ngoại vi
+ Sử dụng công nghệ HMOS.
+ Tốc độ 0.1 ÷ 1 µs / lệnh với tần số xung nhịp 5 ÷ 10 MHz.
- Thế hệ 4: vi xử lý 32 bit 68020/68030/68040/68060 (Motorola) hay
80386/80486 (Intel) và vi xử lý 32 bit Pentium (Intel)
+ Bus địa chỉ 32 bit, phân biệt 4 GB bộ nhớ.
+ Có thể dùng thêm các bộ đồng xử lý (coprocessor).
+ Có khả năng làm việc với bộ nhớ ảo.
+ Có các cơ chế pipeline, bộ nhớ cache.
+ Sử dụng công nghệ HCMOS.
4.2.
Vi xử lý (µP – microproccessor)
4.2.1.Phân loại vi xử lý
- Multi chip: dùng 2 hay nhiều chip LSI (Large Scale Intergration: tích hợp từ
1000 ÷ 10000 transistor) cho ALU và control.
- Microprocessor: dùng 1 chip LSI/VLSI (Very Large Scale Intergration: tích
hợp ÷ 10000 transistor) cho ALU và control.
- Single chip microprocessor (còn gọi là microcomputer / microcontroller): là
1 chip LSI/VLSI chứa toàn bộ các khối như hình 1.7.
4.2.2.Sơ đồ khối một máy tính cổ điển
ALU
Input
Memory
(Arithmetic Logic Unit)
Output
Control
Hình 1.7 – Sơ đồ khối một máy tính cổ điển
- ALU (đơn vị logic số học): thực hiện các bài toán cho máy tính bao gồm: +,
-, *, /, phép toán logic, …
- Control (điều khiển): điều khiển, kiểm soát các đường dữ liệu giữa các
thành phần của máy tính.
- Memory (bộ nhớ): lưu trữ chương trình hay các kết quả trung gian.
- Input (nhập), Output (Xuất): các thiết bị xuất nhập dữ liệu (còn gọi là thiết
bị ngoại vi).
4.2.3.Sơ đồ khối của µP
Có 3 khối chức năng: đơn vị thực thi (EU - Execution unit), bộ tuần tự
(Sequencer) và đơn vị giao tiếp bus (BIU – Bus interface unit).
Phạm Hùng Kim Khánh
Trang 13
Tài liệu vi xử lý
Đại cương
- EU: thực hiện các lệnh số học và logic. Các toán hạng được chứa trong các
thanh ghi dữ liệu (data register) hay thanh ghi địa chỉ (address register), hay
từ bus nội (internal bus).
- Bộ tuần tự: gồm bộ giải mã lệnh (instruction decoder) và bộ đếm chương
trình (program counter)
+ Bộ đếm chương trình chứa các lệnh kế tiếp sẽ thực hiện
+ Bộ giải mã sẽ thực hiện các bước cần thiết để thực thi lệnh.
Khi chương trình bắt đầu, bộ đếm chương trình (PC) sẽ ở địa chỉ bắt đầu.
Địa chỉ này được chuyển qua bộ nhớ thông qua address bus. Khi tín hiệu Read
đưa vào control bus, nội dung bộ nhớ liên quan sẽ đưa vào bộ giải mã lệnh. Bộ
giải mã lệnh sẽ khởi động các phép toán cần thiết để thực thi lệnh. Quá trình
này đòi hỏi một số chu kỳ máy (machine cycle) tuỳ theo lệnh. Sau khi lệnh đã
thực thi, bộ giải mã lệnh sẽ đặt PC đến địa chỉ của lệnh kế.
Sequencer
EU
Data register
Addr. register
Instruction decoder
Program counter
ALU
Internal bus
BIU
Data bus
Control bus
Addr. bus
Data bus
Control bus
Addr. bus
Hình 1.8 – Sơ đồ khối của vi xử lý
Phạm Hùng Kim Khánh
Trang 14
Tài liệu vi xử lý
Đại cương
4.2.4.Sơ đồ khối của hệ vi xử lý cơ bản
ADDRESS BUS
Input Port
µP
Memory
Output Port
DATA BUS
CONTROL BUS
Hình 1.9 – Sơ đồ khối hệ vi xử lý
Mọi hoạt động cơ bản của một hệ vi xử lý đều giống nhau, không phụ thuộc
loại vi xử lý hay quá trình thực hiện. µP sẽ đọc một lệnh từ bộ nhớ (memory), thực thi
lệnh và sau đó đọc lệnh kế. Quá trình đọc lệnh gọi là instruction fetch còn quá trình
thực hiện tuần tự như trên gọi là fetch – execute sequence. Tuy nhiên có một số µP sẽ
nhận một số lệnh rồi mới bắt đầu thực thi.
Các port I/O:
Các port nhập (input) và xuất (output) dùng để giao tiếp giữa µP và thiết bị
ngoại vi (không thể nối trực tiếp với các bus).
Port xuất là một thanh ghi. Khi µP ghi dữ liệu ra địa chỉ của Port thì Port sẽ
chứa dữ liệu hiện tại trên data bus. Dữ liệu này sẽ được chốt tại Port cho đến khi µP
ghi dữ liệu mới ra Port.
Port nhập là một driver 3 trạng thái. Khi µP đọc vào từ địa chỉ của Port, driver 3
trạng thái lái dữ liệu từ bên ngoài vào data bus. Sau đó, µP đọc dữ liệu từ bus.
Phạm Hùng Kim Khánh
Trang 15
Tài liệu vi xử lý
Đại cương
Các tín hiệu tiêu biểu của một µP:
CK
Reset
Interrupt
Address
Data
Ready/
Bus Req.
Bus Ack.
Read
Control
Write
Hình 1.10 – Các tín hiệu cơ bản trong µP
Các bus dùng để liên kết các thành phần của hệ thống với µP. µP sẽ chọn một
thiết bị cần sử dụng thông qua address bus và đọc hay ghi dữ liệu thông qua data bus.
Data bus là bus 2 chiều, dùng chung cho tất cả các quá trình trao đổi dữ liệu. Mỗi chu
kỳ bus (bus cycle) là việc thực hiện trao đổi một từ dữ liệu giữa µP và ô nhớ hay thiết
bị I/O.
Mỗi chu kỳ bus bắt đầu khi µP xuất một địa chỉ nhằm chọn thiết bị I/O hay
chọn một ô nhớ nào đó.
Chu kỳ ghi
Chu kỳ đọc
Address
bus
Databus
RD
WR
Hình 1.11 – Định thì bus cơ bản
Giao tiếp với bộ nhớ
4.3.
4.3.1.Giao tiếp bus cơ bản
- Các bit địa chỉ thấp (giả sử 13 đường A0 ÷ A12) nối trực tiếp đến chip bộ
nhớ (giả sử RAM có dung lượng 8K × 8)
- Các bit địa chỉ cao (giả sử A13 ÷ A19) nối với bộ giải mã địa chỉ (address
decoder) tạo tín hiệu cho phép chip bộ nhớ. Do đó, khi thiết kế ta phải xác
Phạm Hùng Kim Khánh
Trang 16
Tài liệu vi xử lý
Đại cương
định mỗi chip bộ nhớ thuộc vùng địa chỉ nào. Tập hợp các vùng này theo
bảng gọi là bảng bộ nhớ (memory map).
Các bit địa chỉ cao
A0 ÷ A12
Data bus
RAM
Các bit địa chỉ thấp
A13 ÷ A19
Address
decoder
Đến các thiết bị khác
Hình 1.12 – Giao tiếp bus cơ bản
Quan hệ giữa giải mã địa chỉ và bảng bộ nhớ:
MSB
LSB
2n khối bộ
nhớ
Address
m bit đến bộ nhớ
n bit đến
bộ giải
mã
2m địa chỉ
Hình 1.13 – Bảng bộ nhớ
4.3.2.Giải mã địa chỉ
4.3.2.1. Dùng 74LS138
74LS138
1
2
3
15
A13
A14
A15
0000h - 1FFFh
A
B
C
Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y7
Các tín hiệu
đưa tới các
14
13
12
11
10
9
2000h - 3FFFh
4000h - 5FFFh
6000h - 7FFFh
8000h - 9FFFh
A000h - BFFFh
C000h - DFFFh
E000h - FFFFh
chân CS của
Vcc
6
4
5
các IC nhớ
G1
G2A
G2B
7
Hình 1.14 – Giải mã địa chỉ dùng 74LS138
Phạm Hùng Kim Khánh
Trang 17
Tài liệu vi xử lý
Đại cương
4.3.2.2. Dùng nhiều 74LS138
1
2
3
15
14
13
12
11
10
9
A13
A14
A15
00000h - 01FFFh
02000h - 03FFFh
04000h - 05FFFh
06000h - 07FFFh
08000h - 09FFFh
0A000h - 0BFFFh
0C000h - 0DFFFh
0E000h - 0FFFFh
A
B
C
Vcc
6
4
5
G1
74LS138
Y0
7
00000h - 0FFFFh
1
2
3
15
14
13
12
11
10
9
A16
A17
A18
A
B
C
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y7
74LS138
6
4
5
1
2
3
15
14
13
12
11
10
9
MEM/IO
A19
10000h - 11FFFh
12000h - 13FFFh
14000h - 15FFFh
16000h - 17FFFh
18000h - 19FFFh
1A000h - 1BFFFh
1C000h - 1DFFFh
1E000h - 1FFFFh
G1
A
B
C
Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y7
70000h - 7FFFFh
G2A
G2B
7
Vcc
6
4
5
G1
10000h - 1FFFFh
G2A
G2B
7
Hình 1.15 – 74LS138 mắc cascaded (xâu chuỗi)
4.3.2.3. Dùng bộ so sánh
74LS688
2
4
19
A23
A22
A21
A20
A19
A18
A17
A16
P0
P1
P2
P3
P4
P5
P6
P7
P=Q
6
74LS138
Y0
8
1
2
3
15
14
13
12
11
10
9
A13
A14
A15
xx0000h - xx1FFFh
xx2000h - xx3FFFh
xx4000h - xx5FFFh
xx6000h - xx7FFFh
xx8000h - xx9FFFh
xxA000h - xxBFFFh
xxC000h - xxDFFFh
xxE000h - xxFFFFh
A
B
C
11
13
15
17
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y7
Vcc
6
4
5
G1
3
5
Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
G2A
G2B
7
7
9
12
14
16
18
Vcc
1
ALE
G
S1
1
2
3
4
5
6
7
8
16
15
14
13
12
11
10
9
1
2
3
4
5
6
7
8
16
15
14
13
12
11
10
9
SW DIP-8
Hình 1.16 – Giải mã dùng bộ so sánh
4.3.3.Định thì bộ nhớ
Thời gian truy xuất (access time):
- Với chu kỳ đọc: thời gian truy xuất là thời gian tính từ lúc địa chỉ mới xuất
hiện ở bộ nhớ cho đến khi có dữ liệu đúng ở ngõ ra của bộ nhớ.
- Với chu kỳ ghi: thời gian truy xuất là thời gian tính từ lúc địa chỉ mới xuất
hiện ở bộ nhớ cho đến khi dữ liệu đã đưa vào bộ nhớ.
Phạm Hùng Kim Khánh
Trang 18
Tài liệu vi xử lý
Đại cương
Thời gian chu kỳ (cycle time): là thời gian từ lúc bắt đầu chu kỳ bộ nhớ
đến khi bắt đầu chu kỳ kế tiếp.
Ngoài ra, µP có thể sử dụng thêm một số trạng thái chờ khi đọc bộ nhớ.
tOE
RD
Data
Memory
buffer
Data bus
tdbuf
tACC
µP
Address bus
Addr.
buffer
Address
decoder
tdec
tabuf
Hình 1.17 – Các đường trì hoãn trong giao tiếp µP với bộ nhớ
tdbuf: thời gian trì hoãn ở bộ đệm dữ liệu (data buffer)
t
abuf: thời gian trì hoãn ở bộ đệm địa chỉ (address buffer)
tOE: thời gian đáp ứng của bộ nhớ với tín hiệu cho phép ngõ ra (ouput enable)
tCS: thời gian bộ nhớ truy xuất từ Chip Select
t
ACC: thời gian bộ nhớ truy xuất từ địa chỉ, thông thường tACC = tcs
tdec: thời gian trì hoãn ở bộ giải mã (decoder)
Định thì đọc bộ nhớ:
Thời gian truy xuất tổng cộng của hệ thống bộ nhớ chính là tổng thời gian trì
hoãn trong các bộ đệm và thời gian truy xuất (access time) bộ nhớ.
Hiệu giữa thời gian truy xuất cần thiết bởi µP với thời gian truy xuất thật sự của
bộ nhớ gọi là biên định thì (timing margin).
tDS (Data Setup): thời gian thiết lập dữ liệu cung cấp bởi hệ thống bộ nhớ
tDH (Data Hold): thời gian giữ dữ liệu cung cấp bởi hệ thống bộ nhớ
Phạm Hùng Kim Khánh
Trang 19
Tài liệu vi xử lý
Đại cương
Timing margin
Thôøi gian truy xuaát µP ñôøi hoûi
µP caàn
Thôøi gian truy xuaát boä nhôù
Ñòa chæ
(töø
Ñòa chæ
(ñeán boä nhôù)
tabuf
CS
tdec
RD
tOE
Döõ lieäu
(töø boä nhôù)
Döõ lieäu
(ñeán µP)
tCS = tACC
tDS tDH
Hình 1.18 – Định thì đọc bộ nhớ
Định thì ghi bộ nhớ:
taw
tcw
tAH
tAS
twp
tDH
tDS
Hình 1.19 – Định thì ghi bộ nhớ
Phạm Hùng Kim Khánh
Trang 20
Tải về để xem bản đầy đủ
21 trang
19020
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Vi xử lý - Chương 1: Đại cương - Phạm Hùng Kim Khánh", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_vi_xu_ly_chuong_1_dai_cuong_pham_hung_kim_khanh.pdf
