Bài giảng Kỹ thuật Vi xử lý Ngành Điện tử-Viễn thông Đại học Bách khoa Đà Nẵng Hồ Viết Việt, Khoa ĐTVT Tài liệu tham khảo [1] Kỹ thuật vi xử lý, Văn Thế Minh, NXB Giáo dục, 1997 [2] Kỹ thuật vi xử lý Lập trình Assembly cho hệ vi xử lý, Đỗ Xuân Tiến, NXB Khoa học & kỹ thuật, 2001 Chương Vi xử lý Hệ thống vi xử lý 2.1 Bộ vi xử lý - Bộ vi xử lý (Microprocessor) gì? - Các thành phần vi xử lý - Ứng dụng vi xử lý 2.2 Các họ vi xử lý - Họ x86 Intel- Luật Moore - Họ 68x Motorola 2.3 Hệ thống vi xử lý - Bộ nhớ Các cổng I/O Bus hệ thống: D-Bus, A-Bus, C-Bus Thiết kế hệ thống vi xử lý? 2.1 Bộ vi xử lý Một vi xử lý mạch tích hợp chứa hàng ngàn, chí hàng triệu transistor (LSI, VLSI) kết nối với Các transistor làm việc để lưu trữ xử lý liệu cho phép vi xử lý thực nhiều chức hữu ích Chức cụ thể vi xử lý xác định phần mềm (có thể lập trình được) Bộ vi xử lý Bộ vi xử lý Intel,4004, giới thiệu vào năm 1971 4004 chứa 2300 transistor Bộ vi xử lý Pentium chứa 55 triệu transistor Bộ vi xử lý thường sử dụng máy vi tính (microcomputer) với vai trị CPU Ngồi ra, chúng cịn có mặt nhiều thiết bị khác Các thành phần vi xử lý ALU Control Unit ALU Thực phép toán logic (AND, OR, XOR, NOT) phép toán số học (cộng, trừ, nhân, chia) Thực việc chuyển liệu Việc thực lệnh thực diễn ALU Control Unit Có trách nhiệm liên quan đến việc tìm thực lệnh cách cung cấp tín hiệu điều khiển định thời cho ALU mạch khác biết phải làm làm Các ghi (Registers) Thanh ghi nơi mà vi xử lý lưu trữ số nhị phân (Kích cỡ ghi tính bit) Bộ vi xử lý dùng ghi để lưu trữ liệu tạm thời trình thực chương trình Các ghi truy cập câu lệnh ngơn ngữ máy thường gọi ghi người sử dụng nhìn thấy (có thể truy cập được) Các ghi điều khiển ghi trạng thái CU dùng để điều khiển việc thực chương trình Đa số ghi người sử dụng khơng thể nhìn thấy 2.2 Các họ vi xử lý Hiện nay, có nhiều nhà sản xuất chip vi xử lý:Intel, AMD, Motorola, Cyrix … Thông thường, họ vi xử lý chip vi xử lý sản xuất nhà sản xuất Trong phạm vi họ vi xử lý, theo thời gian theo công nghệ chế tạo có đời (thế hệ) vi xử lý khác phân biệt theo Độ dài Từ chúng (bit) tốc độ (Hz) Độ dài Từ (Word Length) chip vi xử lý kích cỡ tối đa tốn hạng nhị phân mà thực phép tốn Tốc độ họ vi xử lý x86 Intel The Continuing Evolution of Intel Microprocessors CIS105 December 2002 1600 1,400 1400 Speed (MHZ) 1200 1000 800 550 600 400 400 400 1998 1999 333 200 200 200 233 1993 1995 1997 100 0.74 12 33 1971 1974 1979 1982 1985 1989 Year 1998 1999 2000 Họ vi xử lý x86 Intel Model 4004 8008 8080 8086 80286 Năm sản xuất 1971 1972 1974 1978 1982 Số lượng Transistor 2,300 2,500 5,000 29,000 120,000 80386™ processor 1985 275,000 80486™ DX processor Pentium® processor Pentium II processor Pentium III processor Pentium processor 1989 1993 1997 1999 2000 1,180,000 3,100,000 7,500,000 24,000,000 55,000,000 Họ vi xử lý x86 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 bits 2,300 (10 microns) 640 bytes -First microcomputer chip, Arithmetic manipulation 4/1/72 200KHz bits 3,500 (10 microns) 16 KBytes -Data/character manipulation 4/1/74 2MHz bits 6,000 (6 microns) 64 KBytes -10X the performance of the 8008 6/8/78 5MHz, 8MHz, 10MHz 16 bits 29,000 (3 microns) MB -10X the performance of the 8080 Họ vi xử lý x86 Intel 80’s 80286 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, 20MHz, 25MHz, 33MHz 32 bits 275,000 (1 micron) 6/16/88 16MHz, 20MHz, 25MHz, 33MHz 16 bits 275,000 (1 micron) 16 megabytes gigabyte 3-6X the performance of the 8086 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 25MHz, 33MHz, 50MHz 32 bits 1.2 million (1 micron) (.8 micron with 50MHz) gigabytes 64 terabytes Level cache on chip Họ vi xử lý x86 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, 20MHz, 25MHz, 33MHz 32 bits 1.185 million (1 micron) gigabytes 64 terabytes Identical in design to Intel486TM DX but without math coprocessor 3/22/93 60MHz,66MHz 11/01/95 150MHz, 166MHz, 180MHz, 200MHz 64 bits 5.5 million (0.35 micron) 64 gigabytes 64 terabytes Dynamic execution architecture drives high-performing processor 5/07/97 200MHz, 233MHz, 266MHz, 300MHz 64 bits 7.5 million (0.35 micron) 64 gigabytes 64 terabytes Dual independent bus, dynamic execution, Intel MMXTM technology 64 bits 3.1 million (.8 micron) gigabytes 64 terabytes Superscalar architecture brought 5X the performance of the 33-MHz Intel486TM DX processor 2.3 Hệ thống vi xử lý Luật Moore Dr Gordon E Moore, Chairman Emeritus of Intel Corporation, dự đốn Cứ năm rưỡi số lượng transistor tích hợp 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 hệ thống vi xử lý Hệ thống vi xử lý Gồm khối chức năng: Vi xử lý, Bộ nhớ, Các cổng I/O Bộ nhớ thực chip nhớ bán dẫn ROM RWM, nơi lưu trữ chương trình liệu Đối với vi xử lý, nhớ tập hợp ô nhớ phân biệt theo địa chúng Các cổng I/O thực chip MSI LSI, phần mạch giao tiếp vi xử lý với thiết bị I/O Bộ vi xử lý phân biệt cổng I/O theo địa chúng Hệ thống vi xử lý khối chức năng: Vi xử lý, Bộ nhớ, Các cổng I/O hệ thống vi xử lý trao đổi tín hiệu với thơng qua Bus hệ thống Bus hệ thống tập hợp đường truyền dẫn dùng chung, bao gồm: Bus địa (A-Bus), Bus liệu (D-Bus) Bus điều khiển (C-Bus) Các tín hiệu địa di chuyển A-Bus theo hướng từ vi xử lý đến Bộ nhớ cổng I/O Số lượng đường truyền dẫn A-Bus (gọi Độ rộng A-Bus) tính bit, phản ánh khả quản lý nhớ chip vi xử lý Hệ thống vi xử lý Các tín hiệu liệu di chuyển D-Bus theo hướng từ vi xử lý đến Bộ nhớ cổng I/O ngược lại (mỗi lúc hướng) Số lượng đường truyền dẫn DBus (gọi Độ rộng D-Bus) tính bit, phản ánh phần tốc độ trao đổi liệu chip vi xử lý vớI khối chức khác Đa số tín hiệu C-Bus tín hiệu điều khiển riêng lẽ, có tín hiệu xuất phát từ vi xử lý, có tín hiệu vào vi xử lý Vi xử lý sử dụng tín hiệu để điều khiển hoạt động nhận biết trạng thái khối chức khác Thiết kế phần cứng hệ thống vi xử lý Thiết kế nhớ cho hệ thống vi xử lý: Ghép nối chip nhớ bán dẫn sẵn có với bus hệ thống cho vi xử lý truy cập nhớ khơng xảy xung đột chip nhớ với không xung đột với chip dùng làm cổng I/O Tương tự, Thiết kế cổng I/O cho hệ thống vi xử lý: Ghép nối chip MSI LSI thường dùng làm cổng I/O với bus hệ thống cho vi xử lý truy cập thiết bị I/O khơng xảy xung đột chip với không xung đột với chip dùng làm nhớ Thiết kế phần mềm hệ thống vi xử lý Viết chương trình điều khiển hoạt động hệ thống phần cứng theo chức mong muốn (thường dùng ngôn ngữ Assembly chip vi xử lý dùng hệ thống) Dịch chương trình viết sang ngơn ngữ máy sử dụng chương trình dịch thích hợp Nạp chương trình ngơn ngữ máy vào nhớ hệ thống vi xử lý Kiểm tra hoạt động hệ thống thực hiệu chỉnh cần thiết Có thể nhờ trợ giúp chương trình mơ máy tính .. .Chương Vi xử lý Hệ thống vi xử lý 2.1 Bộ vi xử lý - Bộ vi xử lý (Microprocessor) gì? - Các thành phần vi xử lý - Ứng dụng vi xử lý 2.2 Các họ vi xử lý - Họ x86 Intel- Luật Moore - Họ 68x... Moore - Họ 68x Motorola 2.3 Hệ thống vi xử lý - Bộ nhớ Các cổng I/O Bus hệ thống: D-Bus, A-Bus, C-Bus Thiết kế hệ thống vi xử lý? 2.1 Bộ vi xử lý Một vi xử lý mạch tích hợp chứa hàng ngàn, chí... Các transistor làm vi? ??c để lưu trữ xử lý liệu cho phép vi xử lý thực nhiều chức hữu ích Chức cụ thể vi xử lý xác định phần mềm (có thể lập trình được) Bộ vi xử lý Bộ vi xử lý Intel,4004, giới