CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG I .LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VI XỬ LÍ 1. Tóm tắt lòch sử phát triển của vi xử lí: Sự phát triển của Vi xử lí có thể chia ra thành 5 thế hệ sau: Thế hệ thứ nhất (1971 - 1973): Năm 1971, trong khi phát triển các vi mạch cho máy tính cầm tay, INTEL đã cho ra đời máy tính đầu tiên là 4004 (4 bit số liệu) và 8008 (8 bit). đặc điểm chung của Vi xử lí thế hệ này này là: Độ dài từ thường là 4 bit (có thể dài thêm). Công nghệ chế tạo PMOS (tốc độ thấp, giá rẻ, khả năng đưa ra dòng tải nhỏ) Tốc độ thực hiện lệnh là 1 –10 s/lệnh với tần số xung đồng hồ là 0,1 – 0,8 MHz. Tập lệnh đơn giản, cần có nhiều vi mạch phụ trợ. Thế hệ thứ 2 (1974 - 1977): Đại diện cho thế hệ này là các Vi xử lí 8080, 8085 của INTEL và 6800, 6809 của MOTOROLA và Z80 của ZILOG. Ở thế hệ này, các Vi xử lí có tập lệnh phong phú hơn, có khả năng phân biệt đòa chỉ bộ nhớ với dung lượng 64 Kbyte. Một số Vi xử lí có khả năng phân biệt đươc 265 đòa chỉ cho các thiết bò ngoại vi. Tất cả các Vi xử lí thế hệ này là được sản xuất bằng công nghệ NMOS hoặc CMOS, tốc độ thực hiện lệnh là 1 – 8 s/lệnh với tần số xung đồng hồ là 1 – 5 MHz. Thế hệ thứ 3 (1978 - 1982): Đại diện cho thế hệ này là các bộ Vi xử lí 8086/80186/80286 của INTEL và 68000 /68010 của MOTOROLA . Điểm ưu việt của các Vi xử lí thế hệ này so với các thế trước đó là chúng có tập lệnh đa dạng với các lệnh nhân, chia và lệnh thao tác với chuỗi kí tự. Khả năng phân biệt đòa chỉ cho bộ nhớ hoặc các thiết bò ngoại vi từ 1 Mbyte đến 16 Mbyte. Các Vi xử lí thế hệ này được sản xuất bằng công nghệ HMOS và cho phép đạt được tốc độ từ 0,1 s/lệnh - 1s/lệnh với tần số đồng hồ là 5 – 10 MHz. Thế hệ thứ 4 (1983 - 1989): Các bộ Vi xử lí đại diện cho thế hệ này là các vi xử lí 32 bit 80386/80486 và 64 Bit Pentium của INTEL, các vi xử lí 32 Bit 68020/68030/68040/68060 của MOTOROLA. Đặc điểm của các Vi xử lí thế hệ này là Bus đòa chỉ đều là 32 Bit và có khả năng làm việc với bộ nhớ ảo. Các bộ vi xử lí này đều có bộ quản lí bộ nhớ (MMU) và nhiều khi có cả các bộ đồng xử lí toán học ở bên trong. Các Vi xử lí thế hện này đều được sản xuất bằng công nghệ HCMO. Thế hệ thứ 5 (1990 - ?): 3. Cấu tạo cơ bản của vi xử lí: Về cơ bản vi xử lí có thể chia làm 3 khối chính:  Đơn vò số học – logic (arithmatic – logic unit): Cơ sở của đơn vò số học - logic là một mạch cộng n bit, mạch cộng này còn được mở rộng thêm để thực hiện các phép xử lí khác nhau như tính số bù bậc hai, phép trừ, các hàm logic.  Các thanh ghi (Registers): Thanh ghi giống như ô nhớù bên trong vi xử lí, điểm khác biệt ở chỗ là thanh ghi được phân biệt bằng tên thay vì bằng đòa chỉ như ô nhớù. Thanh ghi dùng để chứa dữ liệu, các kết quả trung gian của phép tính, số lượng thanh ghi ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ xử lí vì số lần truy xuất bộ nhớ sẽ ít đi. Vì vậy, các vi xử lí hiện đại thường có nhiều thanh ghi.  Đơn vò điều khiển (Control unit): Là phần quan trọng nhất trong vi xử lí, mọi hoạt động của máy tính được phối hợp một cách chặt chẽ bởi các tín hiệu được tạo ra từ đơn vò điều khiển. Máy tính thi hành tuần tự từng chỉ thò của chương trình cho đến khi có lệnh dừng hoặc thao tác vòng lặp. Chương trình điều khiển được chứa trong bộ nhớ dưới dạng tổ hợp các bit gọi là mã đối tượng. Nhưng để dễ viết chương trình một chỉ thò thường được viết dưới dạng gợi nhớ. Ở dạng gợi nhớ một chỉ thò được chia làm hai phần: Mã công tác (operation code): Cho biết thao tác mà vi xử lí phải thực hiện. Toán hạng (operand): Được viết theo sau mã công tác, cho biết vò trí dữ liệu cần phải xử lí. Ở dạng mã đối tượng, một chỉ thò được tạo nên từ một hoặc nhiều byte. Byte đầu tiên chính là mã công tác. Quá trình thi hành một chỉ thò được chia làm hai giai đoạn: Giai đoạn 1: Nhập mã công tác vào thanh ghi chỉ thò bằng một chu kì đọc dữ liệu của ô nhớ có nội dung của bộ đếm chương trình. Giai đoạn 2: Thi hành chỉ thò bao gồm cả việc đọc các byte kế tiếp trong bộ nhớ (đối với các chỉ thò nhiều byte). Sau đó, các toán hạng được xử lí theo qui đònh của mã công tác. Trong thực tế hai giai đọan thi hành chỉ thò nêu trên lại được chia làm nhiều bước nhỏ gọi là vi chỉ thò . Đơn vò điều khiển phát ra tín hiệu để điều khiển các vi chỉ thò theo một chương trình gọi là chương trình vi mô. 4 . Đặc điểm của vi xử lí: Độ dài từ dữ liệu (Data word): Đây là đặc điểm quan trọng của vi xử lí, nói lên khả năng trao đổi dữ liệu giữa vi xử lí với các thiết bò khác. Hiện nay, có nhiều vi xử lí với độ dài từ dữ liệu từ: 8bit, 16 bit, 32 bit, 64 bit. Bảng dưới đây liệt kê một số vi xử lí 8 bit thông dụng: TÊN HÃNG SẢN XUẤT 8080, 8085 INTEL MC6800, MC6802 MOTOROLA Z80 ZILOG F8 FAIRCHILD TMS9985 TEXAS INSTRUCTMENT Ưu điểm của vi xử lí nhiều bit là: Cùng thời gian truy xuất bộ nhớ thì lượng thông tin thì lượng thông tin truyền đi nhiều hơn. Độ chính xác cũng tăng mà không làm tăng thời gian tính toán. Độ dài từ dữ liệu tăng cũng làm tăng số lượng dây dẫn trong bus dữ liệu. Do đó số chân vi xử lí cũng phải nhiều. Điền này được giải quyết bằng cách dùng phương pháp đa lộ thời gian (Timer multiplexer), phương pháp này làm giảm vận tốc truyền dữ liệu. Dưới đây là một số vi xử lí 16 bit thông dụng: TÊN HÃNG SẢN XUẤT 8086 INTEL MC68000 MOTOROLA Z8000 ZILOG LSI11 DIGITAL EQUIPMENT Độ dài từ đòa chỉ: Độ dài từ đòa chỉ cho biết số lượng ô nhớ mà vi xử lí có thể liên hệ trực tiếp, độ dài của các thanh ghi cần thiết cho việc đònh đòa chỉ (thanh ghi đòa chỉ, bộ đếm chương trình) cũng phải có kích thước tương ứng. Thông thường độ dài từ đòa chỉ ít nhất là 16 bit tương đương 64K đòa chỉ. Tập lệnh và các cách đặt đòa chỉ : Tập lệnh (Instruction Set) là tập hợp tất cả các lệnh điều khiển vi xử lí. Do cấu tạo phân cứng khác nhau nên mỗi vi xử lí có một tập lệnh khác nhau. Số lượng các lệnh cơ sở (không kể khả năng đònh đòa chỉ khác nhau) đối với vi xử lí 8 bit khoảng từ 50 đến 80, vi xử lí 16 bit còn có thêm các lệnh phức tạp cho đơn vò số học – logic và khối xuất - nhập nên có vào khoảng 90 lệnh. Cấu tạo một lệnh gồm hai phần: Mã công tác cho biết thao tác mà máy phảùi thực hiện, và toán hạng cho biết vò trí của lệnh cần xử lí. Có rất nhiều cách để chỉ vò trí của số liệu như trình bày sau đây: Đònh đòa chỉ trực tiếp bằng thanh ghi: Trong phương pháp này, toán hạng là kí hiệu của các thanh ghi và dữ liệu cần xử lí là nội dung chứa trong thanh ghi đó. Đònh đòa chỉ gián tiếp bằng thanh ghi : Trong trường hợp này toán hạng không phải là đòa chỉ của số liệu mà chỉ là dấu hiệu cho biết vò trì nơi chứa đòa chỉ của số liệu. Đònh đòa chỉ trực tiếp : Toán hạng là đòa chỉ của dữ liệu cần được xử lí. Đònh điạ chỉ tức thời : Toán hạng chính là dữ liệu cần được xử lí. Đònh đòa chỉ ngầm đònh: trong phương pháp này vò trí hoặc giá trò của số liệu cần được xử lí được hiểu ngầm nhờ mã công tác . Ngoài các đặc điểm trên, vi xử lí cần có các đặc điểm khác cần lưu ý: Công nghệ chế tạo linh kiện. Số lượng nguồn cung cấp. Tần số xung đồng hồ. Khả năng truy xuất bộ nhớ: Dung lượng bộ nhớ mà vi xử lí có thể truy xuất là một phần trong cấu trúc của vi xử lí. Các vi xử lí đầu tiên bò giới hạn về khả năng truy xuất bộ nhớ. Vi xử lí 4004 có 14 đường đòa chỉ nên có thể truy xuất được 2 14 = 16384 ô nhớ. Vi xử lí 8 bit có 16 đường đòa chỉ nên có thể truy xuất được 2 16 = 65536 ô nhớ. Vi xử lí 32 bit như 80386 hay 68020 có thể truy xuất 4G ô nhớ. Vi xử lí có khả năng truy xuất bộ nhớ càng lớn nên có thể truy xuất các chương trình lớn. Tùy theo ứng dụng cụ thể mà chọn vi xử lí thích hợp. Tốc độ làm việc của vi xử lí: Tần số xung clock cung cấp cho vi xử lí làm việc quyết đònh đến tốc độ làm việc của vi xử lí. Vi xử lí có tốc độ làm việc càng lớn thì khả năng xử lí lệnh càng nhanh. Tần số xung clock làm việc của các vi xử lí được cho bởi các nhà chế tạo. Tên Tần số xung clock Chiều dài từ dữ liệu 8051 12 MHz 8 bit Z80A 4 MHz 8 bit Z80B 6 MHz 8 bit 80286 16 MHz 16 bit 80486DX2-66 66 MHz 32 bit PENTIUM 66MHz 32 bit . thứ nhất (19 71 - 19 73): Năm 19 71, trong khi phát triển các vi mạch cho máy tính cầm tay, INTEL đã cho ra đời máy tính đầu tiên là 4004 (4 bit số liệu) và. hiện lệnh là 1 10 s/lệnh với tần số xung đồng hồ là 0 ,1 – 0,8 MHz. Tập lệnh đơn giản, cần có nhiều vi mạch phụ trợ. Thế hệ thứ 2 (19 74 - 19 77): Đại diện