Vi xử lý giáo trình

2.164
lượt xem 848
download

Nội dung Text: Giáo trình Kỹ thuật vi xử lý - Nguyễn Trung Đồng

1. Giáo trình Kỹ thuật vi xử lý LỜI NÓI ĐẦU Công nghệ thông tin đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ và cuộc sống thường nhật. Bên cạnh khối lượng phần mềm hệ thống và ứng dụng đồ sộ, công nghệ phần cứng cũng phát triển vô cùng nhanh chóng. Có thể nói các hệ thống máy tính được cải thiện trong những khoảng thời gian rất ngắn, càng ngày càng nhanh hơn, mạnh hơn và hiện đại hơn. Những kiến thức cơ bản về về phần cứng của các hệ thống máy tính luôn luôn là đòi hỏi cấp thiết của những người chọn công nghệ thông tin làm định hướng cho nghề nghiệp và sự nghiệp khoa học trong tương lai. Giáo trình Kỹ thuật Vi xử lý này được viết trên cơ sở những bài giảng theo sát đề cương môn học đã được thực hiện tại Khoa Công nghệ thông tin trực thuộc Trường đại học Thái Nguyên từ khi thành lập đến nay, và luôn luôn được sửa chữa, bổ sung để đáp ứng nhu cầu kiến thức của sinh viên học tập tại Khoa. Giáo trình được chia thành 5 chương: Chương I giới thiệu những kiến thức tổng quan được sử dụng trong kỹ thuật Vi xử lý các hệ đếm, cách thức biểu diễn thông tin trong các hệ Vi xử lý và máy tính, cũng như nhìn nhận qua về lịch sử phát triển của các trung tâm Vi xử lý. Chương II giới thiệu cấu trúc và hoạt động của các đơn vị xử lý trung tâm từ μP8085 đến các cấu trúc của Vi xử lý họ 80x86, các cấu trúc RISC và CISC. Do những ứng dụng thực tế rộng lớn trong đời sống, trong chương II có giới thiệu thêm cấu trúc và chức năng của chip Vi xử lý chuyên dụng μC8051. Chương III cung cấp những kiến thức về tổ chức bộ nhớ cho một hệ Vi xử lý, kỹ thuật và các bước xây dựng vỉ nhớ ROM, RAM cho hệ Vi xử lý. Chương IV đi sâu khảo sát một số mạch chức năng khả lập trình như mạch điều khiển vào/ra dữ liệu song song, mạch điều khiển vào/ra dữ liệu nối tiếp, mạch định thời và mạch điều khiển ngắt. Chương V giới thiệu các cấu trúc và cách xây dựng, phối ghép một số thiết bị vào/ra cơ bản cho một hệ Vi xử lý như bàn phím Hexa, hệ thống chỉ thị 7 thanh, bàn phím máy tính và màn hình. Cuốn giáo trình chắc chắn có nhiều thiếu sót, rất mong đựoc sự góp ý của các độc giả. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi theo địa chỉ: Bộ môn Kỹ thuật máy tính Khoa Công nghệ Thông tin Đại học Thái Nguyên Thái Nguyên Hoặc theo địa chỉ Email Nhóm biên soạn 2 Nguyễn Trung Đồng - Viện Công nghệ Thông tin – Tel 098 341 0866
2. Giáo trình Kỹ thuật vi xử lý MỤC LỤC MỤC LỤC 3 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ VI XỬ LÝ.................................................6 I.1 Các hệ đếm..................................................................................................................................................6 I.1.1 Hệ đếm thập phân (R = 10 - Decimal).................................................................................................6 I.1.2 Hệ đếm nhị phân (R = 2 - Binary)........................................................................................................7 I.1.3 Hệ đếm bát phân (R = 8 - Octal)...........................................................................................................7 I.1.4 Hệ đếm 16 (R = 16 - Hexa)..................................................................................................................7 I.2 Chuyển đổi lẫn nhau giữa các hệ đếm....................................................................................................8 I.2.1 Hệ nhị phân và hệ thập phân................................................................................................................8 I.2.2 Hệ nhị phân và hệ Hexa......................................................................................................................10 I.3 Biểu diễn thông tin trong các hệ Vi xử lý...............................................................................................11 I.3.1 Mã hoá các thông tin không số...........................................................................................................11 I.3.2 Mã hoá các thông tin số.......................................................................................................................11 I.3.3 Biểu diễn dữ liệu số trong máy tính..................................................................................................12 I.3.4 Bản chất vật lý của thông tin trong các hệ Vi xử lý..........................................................................13 I.4 Vài nét về thực hiện các phép tính trong hệ đếm nhị phân.................................................................14 I.4.1 Phép cộng và phép trừ.........................................................................................................................15 I.4.2 Phép nhân và phép chia........................................................................................................................16 I.5 Cấu trúc của hệ Vi xử lý và máy vi tính.................................................................................................16 I.5.1 Vài nét về lịch sử phát triển các trung tâm Vi xử lý...........................................................................16 I.5.2 Cấu trúc cơ bản của hệ Vi xử lý........................................................................................................17 I.5.3 Từ hệ Vi xử lý đến máy vi tính PC....................................................................................................20 CHƯƠNG II. CÁC ĐƠN VỊ VI XỬ LÝ TRUNG TÂM.............................................23 (CPU – CENTRAL PROCESSING UNIT)..................................................23 II.1 Trung tâm Vi xử lý µ P8085.....................................................................................................................23 II.1.1 Các nhóm tín hiệu trong µ P8085........................................................................................................25 II.1.2 Khái niệm và bản chất vật lý của các BUS trong hệ Vi xử lý..........................................................27 II.1.3 Các mạch 3 trạng thái, mạch chốt và mạch khuyếch đại BUS 2 chiều...........................................28 II.1.4 Biểu đồ Timing thực hiện lệnh của CPU μP8085.............................................................................32 II.1.5 Khái niệm chu kỳ BUS.......................................................................................................................34 II.1.6 Ngắt (Interrupt)...................................................................................................................................35 II.1.7 Truy nhập trực tiếp bộ nhớ (Direct Memory Access – DMA)...........................................................36 II.1.8 Vi chương trình (MicroProgram) và tập lệnh của µ P8085................................................................37 II.1.9 Vài nét về lập trình cho 8085.............................................................................................................42 II.1.10 Hệ lệnh của µP8085.......................................................................................................................43 II.2 Các trung tâm Vi xử lý họ 80x86.............................................................................................................46 II.1.1 Mô tả chân của µP8086 và các tín hiệu..............................................................................................46 II.1.2 Cấu trúc Trung tâm Vi xử lý họ 80x86 ..............................................................................................48 II.1.3 Hệ thống thanh ghi trong các µ P80x86.............................................................................................50 II.1.4 Các chế độ làm việc MIN/MAX........................................................................................................55 II.1.5 Phương thức quản lý bộ nhớ, các mode địa chỉ.................................................................................55 II.1.6 Phương thức đánh địa chỉ thiết bị ngoại vi........................................................................................60 3 Nguyễn Trung Đồng - Viện Công nghệ Thông tin – Tel 098 341 0866
3. Giáo trình Kỹ thuật vi xử lý II.1.7 Các mạch Multiplexer, mạch Decoder, mạch PLA............................................................................60 II.1.8 Vài nét về lập trình hợp ngữ..............................................................................................................62 II.3 Cấu trúc và tính năng của một số chip Vi xử lý hiện đại...................................................................63 II.3.1 Cấu trúc chip Vi xử lý Pentium..........................................................................................................65 II.3.2 Cấu trúc RISC, CISC .........................................................................................................................69 II.3.3 Quản lý bộ nhớ ..................................................................................................................................71 II.3.4 Bộ nhớ cache .....................................................................................................................................71 II.4 Single-Chip MicroComputer µC8051......................................................................................................72 II.4.1 Tổng quan...........................................................................................................................................72 II.4.2 Mô tả cấu trúc và chức năng..............................................................................................................74 II.4.3 Lập trình cho µC8051.........................................................................................................................84 II.4.4 Các khả năng ứng dụng của µC8051.................................................................................................85 CHƯƠNG III. BỘ NHỚ TRONG CỦA HỆ VI XỬ LÝ............................................86 III.1 Bộ nhớ trong hệ Vi xử lý......................................................................................................................86 III.1.1 Phần tử nhớ, vi mạch nhớ, từ nhớ và dung lượng bộ nhớ .............................................................86 III.1.2 Vài nét về bộ nhớ trong của hệ Vi xử lý và máy tính PC................................................................87 III.1.3 Phân loại các chip nhớ ROM, RAM..................................................................................................92 III.3 Tổ chức bộ nhớ cho hệ Vi xử lý...........................................................................................................93 III.3.1 Tổ chức bộ nhớ vật lý......................................................................................................................93 III.3.2 Thiết kế vỉ nhớ cho hệ Vi xử lý.......................................................................................................94 96 CHƯƠNG IV. CÁC CHIP KHẢ LẬP TRÌNH..........................................................97 (PROGRAMMABLE).............................................................................................97 IV.1 Tổng quan................................................................................................................................................97 IV.2 Một số mạch chức năng tiêu biểu........................................................................................................97 IV.2.1 Mạch vào/ra dữ liệu song song PPI-8255 (Programmable Peripheral Interface)..............................97 IV.2.2 Mạch điều khiển ngắt PIC-8259....................................................................................................102 IV.3.3 Mạch đếm định thời đa năng PIT-8253 (Programmable Interval Timer)........................................112 IV.4.4 Mạch điều khiển vào/ra nối tiếp đồng bộ/dị bộ USART-8251 (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver Transmitter)....................................................................................118 CHƯƠNG V. THIẾT BỊ VÀO RA CỦA HỆ VI XỬ LÝ.........................................131 V.1 Bàn phím Hex Keyboard.........................................................................................................................131 V.2 Ghép nối bàn phím với hệ Vi xử lý......................................................................................................135 V.2.1 Hệ thống bàn phím của máy vi tính.................................................................................................135 V.2.2 Quá trình truyền dữ liệu từ bàn phím cho CPU ..............................................................................136 V.3 Mạch điều khiển và lập trình chỉ thị 7-segments...............................................................................137 V.4 Màn hình (Monitor).................................................................................................................................139 V.4.1 Màn hình ống tia âm cực CRT (Cathode Ray Tube).........................................................................139 V.4.2 Ghép nối màn hình với hệ Vi xử lý..................................................................................................140 V.4.3 Bộ điều khiển màn hình CRTC........................................................................................................141 PHỤ LỤC 144 PHỤ LỤC A...................................................................................................................................................144 PHỤ LỤC B...................................................................................................................................................147 4 Nguyễn Trung Đồng - Viện Công nghệ Thông tin – Tel 098 341 0866
4. Giáo trình Kỹ thuật vi xử lý Từ 2-14 là giá trị đã làm tròn lấy 10 số sau dấu phẩy..............................................................................148 PHỤ LỤC C...................................................................................................................................................149 PHỤ LỤC D...............................................................................................................................................150 5 Nguyễn Trung Đồng - Viện Công nghệ Thông tin – Tel 098 341 0866
5. Giáo trình Kỹ thuật vi xử lý CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ VI XỬ LÝ I.1 Các hệ đếm Hệ đếm thông dụng nhất trong đời sống là hệ đếm cơ số 10 (thập phân – Decimal), sử dụng 10 ký tự số từ 0 đến 9. Ngoài ra, trong sản xuất, kinh doanh còn có khi sử dụng hệ đếm cơ số 12 (tá – dozen). Trong các hệ thống máy tính, để xử lý, tính toán, ta sử dụng hệ đếm cơ số 2 (nhị phân – Binary), hệ cơ số 8 (bát phân – Octal), hệ cơ số 16 (Hexa). Tuy nhiên, việc nhập dữ liệu hay đưa kết quả xử lý, ta lại dùng hệ đếm cơ số 10. Một số N trong một hệ đếm bất kỳ có n+l chữ số , trong đó gồm n chữ số thuộc phần nguyên và l chữ số thuộc phần thập phân, được triển khai theo công thức tổng quát: n N = ∑a k =−l k Rk trong đó: R là cơ số của hệ đếm ak là trọng của chữ số ở vị trí thứ k (0 ≤ ak < R) { ak }R = {0, 1, 2, 3, …, R – 1} l, n là số nguyên N = anan-1…a1a0,a-1a-2…a-l Theo công thức trên, các số được biểu diễn trong các hệ đếm khác nhau sẽ như sau: I.1.1 Hệ đếm thập phân (R = 10 - Decimal) { ak }D = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9} 123,45D = 1 x 102 + 2 x 101 + 3 x 100 + 4 x 10-1 + 5 x 10-2 6 Nguyễn Trung Đồng - Viện Công nghệ Thông tin – Tel 098 341 0866
6. Giáo trình Kỹ thuật vi xử lý I.1.2 Hệ đếm nhị phân (R = 2 - Binary) { ak }B = {0, 1} 11011.01B = 1 x 24 + 1 x 23 + 0 x 22 + 0 x 21 + 1 x 20 + 0 x 2-1 + 1 x 2-2 = = 16 + 8 + 0 + 2 + 1 + 0 + 0,25 = 27,25D I.1.3 Hệ đếm bát phân (R = 8 - Octal) { ak }O = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7} 653,12 O = 6 x 82 + 5 x 81 + 3 x 80 + 1 x 8-1 + 2 x 8-2 = = 384 + 40 + 3 + 0,125 + 0,03125 = 427,1562D Lưu ý: Các chữ số trong hệ này có thể biểu diễn nhờ 3 ký tự số (“0” và “1”) trong hệ đếm nhị phân theo bảng sau: Octal Binary Octa Binary Octa Binary Octa Binary l l l 0O 000B 2O 010B 4O 100B 6O 110B 1O 001B 3O 011B 5O 101B 7O 111B I.1.4 Hệ đếm 16 (R = 16 - Hexa) { ak }H = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F} 3A7,C H = 3 x 162 + 10 x 161 + 7 x 160 + 12 x 16-1 = = 768 + 160 + 7 + 0,75 = 935,75D Lưu ý: Một giá trị ký tự số Hexa có thể biểu diễn thông qua 4 ký tự số ở hệ nhị phân theo bảng sau: Hex Binary Hex Binary Hex Binary Hexa Binary a a a 0H 0000B 4H 0100B 8H 1000B CH 1100B 1H 0001B 5H 0101B 9H 1001B DH 1101B 2H 0010B 6H 0110B AH 1010B EH 1110B 3H 0011B 7H 0111B BH 1011B FH 1111B Nhận xét: 7 Nguyễn Trung Đồng - Viện Công nghệ Thông tin – Tel 098 341 0866
7. Giáo trình Kỹ thuật vi xử lý 1. Trong các hệ đếm vừa được nêu, hệ đếm cơ số 2 có rất nhiều ưu điểm khi xử lý trong máy tính. Thứ nhất, việc mô phỏng giá trị của một ký tự số là rất đơn giản: chỉ cần một phần tử có hai trạng thái khác biệt. Sử dụng bản chất vật lý của vật mang thông tin để biểu diễn hai trạng thái này rất dễ thực hiện. Trên dây dẫn điện là các trường hợp có dòng điện (tương ứng với trọng số là 1) hoặc không có dòng điện (tương ứng với trọng số là 0). 2. Việc chuyển đổi giữa hai giá trị 0 hoặc 1 có thể thực hiện thông qua một công tắc, trong thực tế là các phần tử logic điện tử thực hiện các chức năng của khoá điện tử: đóng (dòng điện đi qua được) hoặc mở (dòng điện không đi qua). I.2 Chuyển đổi lẫn nhau giữa các hệ đếm I.2.1 Hệ nhị phân và hệ thập phân a) Từ nhị phân sang thập phân: Sử dụng biểu thức triển khai tổng quát đã nêu, cộng tất cả các số hạng theo giá trị số thập phân, tổng số là dạng thập phân của số nhị phân đã cho. Ví dụ: 11011.11B= 1 x 24 + 1 x 23 + 0 x 22 + 1 x 21 + 1 x 20 + 1 x 2-1 + 1 x 2-2 = 16 + 8 + 0 + 2 + 1 + 0.5 + 0.25 = 27.75D b) Từ thập phân sang nhị phân: Phần nguyên: Ta có đẳng thức sau (vế trái là số thập phân, vế phải là biểu diễn nhị phân của số đó): SD = kn2n + kn-12n-1 + kn-22n-2 + … k121 + k020 + = = 2(kn2n-1 + kn-12n-2 + kn-22n-3 + … + k1) + k0 Vì ki = {0, 1}, đồng phân với số 0, 1 trong số thập phân, nên ta có thể viết: SD–k0 = kn2n-1 + kn-12n-2 + kn-22n-3 + … + k1 = 2(kn2n-2 + kn-12n-3 + … + k2) + k1 2 Thấy rằng: Ký tự đầu tiên của số nhị phân là k0, đúng với số dư khi chia SD cho 2, ký tự tiếp theo, k1 chính là số dư khi chia thương cho 2, v. v… nên ta có thể tìm tất cả các ký tự khác như sau: 8 Nguyễn Trung Đồng - Viện Công nghệ Thông tin – Tel 098 341 0866
8. Giáo trình Kỹ thuật vi xử lý Ví dụ: Đổi số 173D ra số nhị phân 173 2 dư k0 Vậy 173D = 10101101B 1 86 2 dư k1 0 43 2 dư k2 1 21 2 dư k3 1 10 2 dư k4 0 5 2 dư k5 1 2 2 dư k6 0 1 2 dư k7 1 0 Phần phân số : Đẳng thức quan hệ giữa số thập phân và số nhị phân (phần phân số) (vế trái là số thập phân, vế phải là số nhị phân) như sau: SD = k-12-1 + k-22-2 + k-32-3 + … k-m+12-m+1 + k-m2-m 2SD = k-1+ (k-22-1 + k-32-2 + … k-m+12-m+2 + k-m2-m+1) Thấy rằng k-1 trở thành phần nguyên của vế phải, vậy: 2SD – k-1 = (k-22-1 + k-32-2 + … k-m+12-m+2 + k-m2-m+1) 2(2SD – k-1) = k-2 + (k-32-1 + … k-m+12-m+3 + k-m2-m+2) k-2 là phần nguyên tiếp theo của vế phải có thể bằng “0” hoặc bằng “1”. Tiếp tục tương tự, thu được các ký tự số của các phần tử còn lại. Ví dụ: Chuyển đổi số 0.8128 thành số nhị phân Thực hiện phép nhân liên tiếp với 2, phần nguyên của tích bao giờ cũng là các giá trị hoặc bằng “0” hoặc bằng “1”, thu được kết quả sau: 0.8128 x 2 = 1.6256 = 1 + 0.6256 9 Nguyễn Trung Đồng - Viện Công nghệ Thông tin – Tel 098 341 0866
9. Giáo trình Kỹ thuật vi xử lý 0.6256 x2 = 1.2512 = 1 + 0.2512 0.2512 x2 = 0.5024 = 0 + 0.5024 0.5024 x2 = 1.0048 = 1 + 0.0048 0.0048 x2 Quá nhỏ có thể bỏ qua Lưu ý: Quá trình biến đổi này kết thúc khi phần phân số của tích số bằng 0, tuy nhiên, nếu quá kéo dài, tuỳ theo yêu cầu của độ chính xác dữ liệu khi tính toán và xử lý, có thể bỏ qua. I.2.2 Hệ nhị phân và hệ Hexa Chuyển đổi một dữ liệu nhị phân sang hệ Hexa rất đơn giản, nếu chú ý rằng ta có 24 = 16, có nghĩa là một số Hexa tương ứng với một nhóm 4 số của số nhị phân (từ 0 đến F). Vì vậy, khi chuyển đổi, chỉ cần thay nhóm 4 chữ số của số nhị phân bằng một chữ số tương ứng của hệ Hexa như sau: Tổ hợp Ký tự Tổ hợp Ký tự Tổ hợp Ký tự Tổ hợp Ký tự nhị phân số nhị số nhị số nhị số Hexa phân Hexa phân Hexa phân Hexa 0 0 0 0 0 0 1 0 0 4 1 0 0 0 8 1 1 0 0 C 0 0 0 1 1 0 1 0 1 5 1 0 0 1 9 1 1 0 1 D 0 0 1 0 2 0 1 1 0 6 1 0 1 0 A 1 1 1 0 E 0 0 1 1 3 0 1 1 1 7 1 0 1 1 B 1 1 1 1 F Ví dụ: 110 110 001 1001. 011 0101B = 6D39.65H 1 1 0 6 D 3 9. 6 5 Lưu ý: Phần nguyên được nhóm tính từ vị trí của chữ số có trọng nhỏ nhất, phần phân số được nhóm tính từ vị trí của chữ số có trọng lớn nhất. Từ cách chuyển đổi trên, dễ dàng nhận ra phép chuyển đổi ngược từ một số hệ Hexa sang số hệ nhị phân bằng cách thay một chữ số trong hệ Hexa bằng một nhóm 4 chữ số trong hệ nhị phân. Ví dụ: F5E7.8CH = 1111 0101 1110 0111.1000 1100B F 5 E 7. 8 CH = 1111 0101 1110 0111.1000 1100B 111 010 111 011 100 110 10 Nguyễn Trung Đồng - Viện Công nghệ Thông tin – Tel 098 341 0866
10. Giáo trình Kỹ thuật vi xử lý 1 1 0 1 0 0 I.3 Biểu diễn thông tin trong các hệ Vi xử lý Các hệ Vi xử lý xử lý các thông tin số và chữ. Các thông tin được biểu diễn dưới dạng mã nhất định. Bản chất vật lý của việc biểu diễn thông tin là điện áp (“0” ứng với không có điện áp, “1” ứng với điện áp ở mức quy chuẩn trong mạch điện tử) và việc mã hoá các thông tin số và chữ được tuân theo chuẩn quốc tế. Một biến logic với chỉ hai giá trị duy nhất là “0” hoặc “1” được gọi là một bit. Hai trạng thái này của bit được sử dụng để mã hoá cho tất cả các ký tự (gồm số, chữ và các ký tự đặc biệt khác). Các bit được ghép lại thành các đơn vị mang thông tin đầy đủ cho các ký tự biểu diễn các số, các ký tự chữ và các ký tự đặc biệt khác.   Bit (BInary digiT) là đơn vị cơ bản của thông tin theo hệ đếm nhị phân. Các mạch điện tử trong máy tính phát hiện sự khác nhau giữa hai trạng thái (điện áp mức “1” và điện áp mức “0”) và biểu diễn hai trạng thái đó dưới dạng một trong hai số nhị phân “1” hoặc “0”. Nhóm 8 bit ghép kề liền nhau, tạo thành đơn vị dữ liệu cơ sở của hệ Vi xử lý được gọi là 1 Byte. Do được lưu giữ tương đương với một ký tự (số, chữ hoặc ký tự đặc biệt) nên Byte cũng là đơn vị cơ sở để đo các khả năng lưu giữ, xử lý của hệ Vi xử lý. Các thuật ngữ như KiloByte, MegaByte hay GigaByte thường được dùng làm bội số trong việc đếm Byte, dĩ nhiên theo hệ đếm nhị phân, nghĩa là: 1KiloByte = 1024 Bytes, 1MegaByte = 1024 KiloBytes, 1GigaByte = 1024 MegaBytes. Các đơn vị này được viết tắt tương ứng là KB, MB và GB.   I.3.1 Mã hoá các thông tin không số Có hai loại mã phổ cập nhất được sử dụng là mã ASCII và EBCDIC. − Mã ASCII (American Standard Code for Information Interchange) dùng 7 bits để mã hoá các ký tự − Mã ABCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code) dùng cả 8 bits (1 Byte) để mã hoá thông tin − Loại mã được dùng trong ngành bưu điện, trong các máy teletype là mã BAUDOT, chỉ sử dụng 5 bits để mã hoá thông tin. I.3.2 Mã hoá các thông tin số Các số được mã hoá theo các loại mã sau: − Mã nhị phân sử dụng các số được biểu diễn theo hệ đếm nhị phân như đã nêu ở trên 11 Nguyễn Trung Đồng - Viện Công nghệ Thông tin – Tel 098 341 0866
11. Giáo trình Kỹ thuật vi xử lý − Mã nhị thập phân (BCD Code – Binary Coded Decimal Code) sử dụng cách nhóm 4 bits nhị phân để biểu diễn một giá trị thập phân từ 0 đến 9. Các giá trị vượt quá giới hạn này ( > 9 ) không được sử dụng. I.3.3 Biểu diễn dữ liệu số trong máy tính − Biểu diễn dữ liệu là số nguyên có dấu: Giả sử dùng 2 bytes (16 bits) để biểu diễn một số nguyên có dấu, bit cao nhất (MSB – Most Significant Bit) được dùng để đánh dấu. Số dương có bit dấu S = “0”, số âm có bit dấu S = “1”. D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 S x x x x x x x x x x x x x x x − Biểu diễn dữ liệu là số thực có dấu: Về nguyên tắc, dấu của số vẫn là giá trị của MSB như đã quy ước ở trên. Có hai dạng số có dấu phẩy được sử dụng trong máy tính: Số dấu phẩy tĩnh (fixed point) và số dấu phẩy động (floatting point).  Dấu phẩy tĩnh sẽ phân chia chuỗi chữ số thành phần nguyên và phần phân số. Ví dụ ta có thể viết: ± 001 1101.0110 1101 Nhưng nói chung, trong các máy chuyên dụng, thường phải tìm một phương pháp thích hợp để có thể biểu diễn số có dấu phẩy cố định mà dấu phẩy được đặt ngay sau ô dấu, nghĩa là số dấu phẩy tĩnh có dạng: ± 0.knkn-1kn-2…k1k0  Dấu phẩy động được dùng rất phổ biến, dạng chuẩn tắc như sau: ± N=±Fx2 E trong đó F là phần định trị (Mantissa) và E là phần đặc tính (Exponent - số mũ) Theo nguyên tắc này, một số thực được biểu diễn trong các máy 32 bit như sau: 31 30 23 22 0 S E F Số được biểu diễn có giá trị thực tính theo biểu thức: 12 Nguyễn Trung Đồng - Viện Công nghệ Thông tin – Tel 098 341 0866
12. Giáo trình Kỹ thuật vi xử lý N = (-1)s x 2E-127 x F Với cách biểu diễn này, có thể thấy độ lớn của các số như sau: Số dương: +3.4 x 1038 < N < +3.4 x 10-38 Số âm: - 3.4 x 1038 < N < - 3.4 x 10-38 Lưu ý: Khi kết quả phép tính vượt quá các giới hạn trên, nếu số mũ (exponent) là dương, sẽ được coi là - ∞ hoặc + ∞ . Trong trường hợp số mũ là âm và vượt qua số mũ cực đại cho phép, kết quả được coi là bằng 0. Dạng số chính xác gấp đôi (Double precision) được biểu diễn như sau (64 bits): 63 62 52 51 0 S E F Và giá trị thực được tính theo biểu thức: N = (-1)S x 2E-1023 x F. Cũng cần lưu ý rằng, đối với các dữ liệu số có dấu, để thuận tiện cho xử lý và tính toán, trong máy thường được biểu diễn dưới các dạng mã thuận, mã ngược (complement) hoặc mã bù 2 (two-complement). Giả sử ta có số A=+0.10010, các mã trên đều biểu diễn như nhau, nhưng với số B = -0.10010 thì sẽ được biểu diễn như sau: Bình thường A = -0.10010 Mã ngược A = 1.00110 (bù 1, tức là đảo các chữ số trong số đó) Mã bù 2 A = 1.00111 (tương ứng với bù 1 cộng thêm 1) I.3.4 Bản chất vật lý của thông tin trong các hệ Vi xử lý Trong các hệ Vi xử lý, thông tin về các giá trị “0” hay “1” được biểu diễn thông qua một mức điện áp so với mức chuẩn chung, thường là đất (GND - Ground). Độ lớn của điện áp biểu diễn các giá trị này phụ thuộc vào công nghệ được sử dụng để tạo nên phần tử mang thông tin. Đối với các mạch tổ hợp TTL (Transistor-Transistor-Logic), các mức điện áp được mô tả trong hình I.1 5V VH giới hạn trên Ứng với giá trị “1” 3V VH định mức 2V VH giới hạn dưới 1V 0.2V Vùng không chắc chắn 0V VL giới hạn trên(0,8V) Ứng với giá trị “0” VL giới hạn dưới 13 Việ Công nghPhạm vi mứ– cao 098 341 0866 của mạch TTL Nguyễn Trung Đồng -HìnhnI.1 ệ Thông tin c Tel “1”, thấp”0”
13. Giáo trình Kỹ thuật vi xử lý Ta thường dùng ký hiệu VH để chỉ mức cao, VL để chỉ mức thấp. Trong mạch TTL, ta dùng mức cao, mức thấp để chỉ điện áp cao, điện áp thấp so với điện áp chuẩn chung. Các mức cao, thấp không phải là một giá trị cố định, mà là một vùng giới hạn cho phép. Ngoài phạm vi đã nêu, vùng không thuộc hai mức trên là vùng không chắc chắn, không xác định. Output Inputs FLIP-FLOP Hình I.2 Một phần tử mang thông tin Vật mang thông tin về các giá trị “0” hoặc “1” là một mạch điện tử đặc biệt mà đầu ra của nó sẽ tương ứng với một trong hai mức trên, được gọi chung là Flip-Flop. Tuỳ theo yêu cầu sử dụng, các Flip-Flop có các khả năng thu nhận các tín hiệu vào và đưa tín hiệu ra theo những quy luật nhất định (Hình I.2) I.4 Vài nét về thực hiện các phép tính trong hệ đếm nhị phân Phép cộng và phép trừ hai số nhị phân 1 bit được thực hiện theo quy tắc nêu trong bảng sau: Carry A B ∑ (Nhớ) 0 + 0 = 0 0 0 + 1 = 1 0 1 + 0 = 1 0 1 + 1 = 0 1 A B Hiệ Borrow u (Mượn 14 Nguyễn Trung Đồng - Viện Công nghệ Thông tin – Tel 098 341 0866
14. Giáo trình Kỹ thuật vi xử lý ) 0 - 0 = 0 0 0 - 1 = 1 1 1 - 0 = 1 0 1 - 1 = 0 0 I.4.1 Phép cộng và phép trừ a) Phép cộng đại số các số hạng dấu phẩy cố định Đối với phép cộng đại số: Thực hiện bình thường. Trong trường hợp có một toán hạng là một số âm, ta sử dụng mã ngược hoặc mã bù 2 của nó, hiệu chỉnh kết quả theo các quy tắc thông qua các ví dụ minh hoạ sau: A = 0.10010 A = 0.10010 A = 0.10010 (B)ng B = -0.11001 1.00110 (B)b= 1.00111 = Σ = -0.00111 Σ = 1.11000 Σ = 1.11001 (Σ )ng = -0.00111 (Σ )b = -0.00111 Thấy rằng:  Số biểu thị kết quả sẽ là mã thuận nếu là một số dương  Số biểu thị kết quả là mã ngược nếu ta dùng mã ngược đối với số hạng âm và cho kết quả là một số âm  Số biểu thị kết quả là một số bù 2 nếu dùng mã bù 2 đối với số hạng âm và kết quả là một số âm. b) Phép cộng đại số các số hạng dấu phẩy động: Đối với phép cộng đại số các số hạng dấu phẩy động, cần tiến hành các bước sau:  Cân bằng phần đặc tính (số mũ) bằng cách dịch chuyển phần định trị  Đặc tính của tổng bằng đặc tính chung  Định trị của tổng bằng tổng các định trị  Chuẩn hoá kết quả nếu cần. 15 Nguyễn Trung Đồng - Viện Công nghệ Thông tin – Tel 098 341 0866
15. Giáo trình Kỹ thuật vi xử lý I.4.2 Phép nhân và phép chia a) Phép nhân: Đối với phép nhân các toán hạng dấu phẩy tĩnh, việc quan trọng là phải xác định dấu của kết quả, theo đó dấu của kết quả bằng tổng modulo 2 của các bit dấu. Trị số của tích là kết quả của phép tĩnh tiến (dịch phải) và phép cộng. Với các toán hạng có dấu phẩy động, dấu của tích được xác định như ở phép nhân với dấu phẩy tĩnh, sau đó tiến hành tìm tích số như sau:  Cộng phần đặc tính (số mũ), kết quả là đặc tính của tích  Nhân phần định trị, không để ý đến dấu của các toán hạng  Chuẩn hoá kết quả nếu cần. b) Phép chia: Đối với phép chia các toán hạng dấu phẩy tĩnh, việc quan trọng là phải xác định dấu của kết quả, theo đó dấu của kết quả bằng tổng modulo 2 của các bit dấu. Trị số của thương số là kết quả của phép dịch trái và phép trừ. Với các toán hạng có dấu phẩy động, dấu của thương số được xác định như ở phép chia với dấu phẩy tĩnh, sau đó tiến hành tìm thương số như sau:  Trừ phần đặc tính (số mũ), kết quả là đặc tính của thương số  Chia phần định trị, không để ý đến dấu của các toán hạng  Chuẩn hoá kết quả nếu cần. Nhận xét: Dễ dàng nhận thấy rằng các phép tính số học nêu trên chung quy lại vẫn chủ yếu là thực hiện phép cộng và phép dịch (shift). I.5 Cấu trúc của hệ Vi xử lý và máy vi tính I.5.1 Vài nét về lịch sử phát triển các trung tâm Vi xử lý Sự xuất hiện của máy tính điện tử (MTĐT) vào khoảng năm 1948 đã mở ra một trang mới trong nghiên cứu khoa học nói chung và khoa học tính toán nói riêng. Nhưng phải mãi đến năm 1971, các hệ Vi xử lý mới bắt đầu ® xuất hiện. Sự ra đời của Single chip 4-bit Microprocessor Intel 4004 16 Nguyễn Trung Đồng - Viện Công nghệ Thông tin – Tel 098 341 0866
16. Giáo trình Kỹ thuật vi xử lý (µP4004) vào năm đó thực sự là một cuộc cách mạng trong ngành công nghiệp máy tính . Có thể nói µP4004, với độ dài từ xử lý 4 bits, đã làm đổi thay toàn bộ cách nhìn nhận về các thiết bị đầu cuối của MTĐT, hay các cơ cấu chấp hành trong điều khiển quá trình. µP4004 có thể quản lý trực tiếp 4K từ lệnh 8bit của bộ nhớ chương trình và 5120 bits bộ nhớ dữ liệu RAM. CPU còn có 16 thanh ghi chỉ số được sử dụng làm bộ nhớ tạm cho dữ liệu. Với tập lệnh gồm 46 lệnh, µP4004 đã chiếm được nhiều ưu thế trong các ứng dụng thực tế lúc bấy giờ. Tiếp tục của dòng µP 4bit này là µP4040, có nhiều cải tiến mạnh mẽ so với µP4004 và một loạt các chip chức năng, chip nhớ ra đời. ® Trong giai đoạn tiếp theo từ năm 1974 đến 1977, Intel đã đi đầu trong việc chế tạo các CPU 8bit, µP8008, µP8080 và đặc biệt là µP8085, những CPU có BUS dữ liệu 8 bits và BUS địa chỉ 16 bits. Các loại CPU này đã có khả năng quản lý dược 64K từ nhớ của bộ nhớ và 256 thiết bị ngoại vi. Điều đáng chú ý ở µP8085 là công nghệ dồn kênh và chia sẻ thời gian hợp lý trên BUS đã cho phép đưa ra thêm những tín hiệu điều khiển rất mạnh, cho phép xây dựng những máy vi tính đầu tiên. Khoảng thời gian năm 1978 đến năm 1982 là giai đoạn ra đời và phát triển mạnh mẽ của các trung tâm Vi xử lý 16 bits. Đặc biệt ở cuối giai đoạn này là sự xuất hiện các trung tâm Vi xử lý μP8088, µP8086, với khả năng xử lý dữ liệu 16 bits và BUS địa chỉ 20 bits, được sử dụng để tạo ra các máy vi tính XT, có ổ đĩa mềm để lưu giữ chương trình ứng dụng và dữ liệu. Tiếp theo của giai đoạn này là sự phát triển vũ bão của các loại µP80186, µP80286, 80386SX, 80486-SX và 80486-DX, với nhịp đồng hồ lên đến 100MHz. Máy vi tính AT và các máy tính PC ra đời trong giai đoạn này dù giá thành còn rất cao, nhưng đã trở thành rất thông dụng trong đời sống con người. Từ khoảng giữa những năm 1993 trở lại đây, các trung tâm vi xử lý Pentium ra đời, tốc độ ngày càng cao, với nhịp đồng hồ lên đến hàng GHz, và sự xuất hiện của các trung tâm xử lý đa phân luồng như các chip Pentium IV hiện nay. I.5.2 Cấu trúc cơ bản của hệ Vi xử lý Các khối chức năng cơ bản của một hệ Vi xử lý (hình I.3) gồm: − Đơn vị xử lý trung tâm (CPU) − Bộ nhớ ROM, RAM − Thiết bị vào (nhập dữ liệu - Input device) − Thiết bị ra (đưa dữ liệu ra - Output device) 17 Nguyễn Trung Đồng - Viện Công nghệ Thông tin – Tel 098 341 0866
17. Giáo trình Kỹ thuật vi xử lý − Ngoài ra còn phải kể đến khối tạo xung nhịp (Clock Generator) và khối nguồn (Power Supply). CLOCK BỘ NHỚ CHÍNH RAM ROM BUS HỆ THỐNG CPU GHÉP NỐI VÀO GHÉP NỐI RA POWER THIẾT BỊ VÀO THIẾT BỊ RA SUPPLY Hình I.3 Sơ đồ khối cấu trúc cơ bản hệ Vi xử lý Các khối chức năng cơ bản được nối với nhau qua một tập đường dây truyền dẫn tín hiệu điện gọi là BUS hệ thống. BUS hệ thống bao gồm 3 BUS thành phần: BUS địa chỉ, BUS dữ liệu và BUS điều khiển. Thiết bị vào/ra thường được ghép nối với BUS hệ thống thông qua giao diện ghép nối (I/O Interface). 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 hay máy tính cá nhân (Personal Computer – PC). Máy vi tính là một trong những ứng dụng cụ thể của một hệ thống gọi là Hệ Vi xử lý. a) CPU thực hiện chức năng xử lý dữ liệu thông qua các hoạt động chính sau:  Đọc mã lệnh – đọc tập các bit thông tin “0” và “1” từ bộ nhớ chính  Giải mã lệnh – tạo các xung điều khiển tương ứng với mã lệnh để điều khiển hoạt động của các khối chức năng khác  Thực hiện từng bước các thao tác xử lý dữ liệu theo yêu cầu của lệnh. Bên trong CPU có các thanh ghi (Registers):  Thanh ghi con trỏ lệnh IP (Instruction Pointer), trong các trung tâm vi xử lý trước đây còn gọi là thanh đếm chương trình PC (Program Counter) chứa địa chỉ của lệnh kế tiếp cần được thực hiện trong tuần tự thực hiện chương trình  Các thanh ghi đa dụng khác GPRs (General Purpose Registers) để lưu trữ tạm thời dữ liệu, kết quả trung gian hay trạng thái của hệ thống cùng với đơn vị số học và logic ALU (Arithmetic and Logic Unit) thực hiện các thao tác xử lý dữ liệu 18 Nguyễn Trung Đồng - Viện Công nghệ Thông tin – Tel 098 341 0866
18. Giáo trình Kỹ thuật vi xử lý  Đơn vị điều khiển CU (Control Unit) là thành phần phức tạp nhất, có chức năng giải mã lệnh và tạo các tín hiệu điều khiển hoạt động của toàn hệ thống. b) Bộ nhớ chính được tổ chức từ các từ nhớ, trong IBM/PC từ nhớ 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 điều khiển hoạt động của hệ thống. 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 khối nhở RAM c) Các mạch ghép nối vào/ra là các mạch điện tử cho phép CPU trao đổi dữ liệu với các thiết bị ngoại vi như bàn phím, màn hình, máy in…làm giao diện với người dùng hoặc các bộ chuyển đổi số- tương tự DAC (Digital/Analog Converter), chuyển đổi tương tự- số ADC (Analog/Digital Converter), các mạch vào/ra số DO (Digital Outputs), DI (Digital Inputs)… 19 Nguyễn Trung Đồng - Viện Công nghệ Thông tin – Tel 098 341 0866
19. Giáo trình Kỹ thuật vi xử lý d) Hệ Vi xử lý còn có một mạch tạo xung nhịp gọi là đồng hồ hệ thống (Clock Generator) điều khiển và duy trì hoạt động đồng bộ của tất cả các khối chức năng. 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 cho toàn bộ hệ thống. e) Một khối nguồn nuôi (Power Supply) cung cấp năng lượng cho hệ thống từ mạng điện lưới. Bộ nguồn của các hệ Vi xử lý thông thường là bộ nguồn xung với kỹ thuật đóng-ngắt dùng bán dẫn công suất (Switching Power Supply), vừa gọn nhẹ, công suất lớn lại vừa đảm bảo độ gợn sóng nhỏ nhất và khả năng chống nhiễu cao. Hình I.4 là sơ đồ khối của bộ nguồn đóng-ngắt. Điện áp lưới (220VAC) được chỉnh lưu trực tiếp, lọc bằng tụ hoá để cung cấp cho một bộ dao động tần số cao (từ 20KHz đến 40KHz). Các xung điện áp tần số cao được chuyển sang biến áp xung công suất hạ áp. Điện áp ở lối ra của biến áp xung được chỉnh lưu và lọc thành điện áp nguồn một chiều cung cấp cho hệ thống. Nguyên lý ổn áp ở đây là thay đổi độ rộng của các xung có tần số ổn định, do vậy sự dao động của điện áp đầu ra khi có tải được chuyển qua bộ cảm biến để điều chỉnh độ rộng này, đảm bảo sự ổn định của điện áp ra. Điện áp một Điện áp Power chiều thứ cấp: một chiều Switching ± 5V, ± 12V sơ cấp Transistor Chỉnh lưu Bộ lọc sơ Biến áp Chỉnh lưu Bộ lọc thứ sơ cấp cấp xung thứ cấp cấp Mạch cảm biến - Tín hiệu cảm biến điện áp 220VAC chuyển mạch Hình I.4 Sơ đồ khối bộ nguồn nuôi máy tính I.5.3 thực tTừ các hệ xử lý đlýn máy ại tínhcPC Trong ế, hệ Vi Vi xử ế hiện đ vi đượ trang bị thêm nhiều thiết bị ngoại vi tiện dụng tuỳ theo yêu cầu, mục đích sử dụng và có giao diện thân thiện với con người. Đó là các máy vi tính PC. Cũng có thể là những hệ Vi xử lý chuyên dụng cho những mục đích tính toán hay điều khiển. 20 Nguyễn Trung Đồng - Viện Công nghệ Thông tin – Tel 098 341 0866
20. Giáo trình Kỹ thuật vi xử lý a) Máy tính xử lý dữ liệu: Là các máy tính được dùng để tính toán, xử lý các dữ liệu như quản lý nhân viên trong cơ quan, tính toán tiền lương, tính toán kết cấu công trình, phân tích dữ liệu trong kinh doanh, v.v… Quan điểm đúng cho rằng máy tính chỉ gồm CPU và bộ nhớ chính, còn các thiết bị phụ trợ khác như bàn phím, máy in, các ổ đĩa cứng, đĩa mềm, ổ CD, chuột, màn hình, máy in…, là những thiết bị ngoại vi. Các chương trình để xử lý dữ liệu được lưu giữ trong bộ nhớ chính hoặc trong các ổ đĩa, có nhiệm vụ xử lý những dữ liệu được người dùng nhập vào, và đưa kết quả xử lý ra màn hình, in ra giấy hoặc lưu giữ trong các ổ đĩa. Để đánh giá tính năng và chất lượng của các máy này, ta thường căn cứ vào tốc độ xử lý dữ liệu, dung lượng bộ nhớ, ổ đĩa, chất lượng màn hình, máy in v.v… CÁC Ổ ĐĨA MÀN HÌNH (FDD, HDD, (MONITOR) CDROM…) CPU VÀ BỘ NHỚ CHÍNH (ROM, RAM) MÁY IN (PRINTER) BÀN PHÍM CHUỘT Hình I.4 Máy Vi tính PC b) Máy tính là bộ xử lý số: Đối với các máy tính này, thời gian dành cho xử lý dữ liệu rất nhỏ, còn thời gian để tính toán, xử lý các số liệu lại vô cùng lớn. Các máy tính loại này được sử dụng chủ yếu trong các cơ quan dự báo, như dự báo khí tượng, thuỷ văn, trong tính toán quỹ đạo bay của tên lửa, máy bay, tàu thuỷ, v.v… hay trong các phòng nghiên cứu khoa học. Những máy tính loại này thông thường thực hiện những chương trình tính toán khổng lồ, nên chúng được trang bị các CPU rất mạnh và các thiết bị ngoại vi, bộ nhớ ngoài rất lớn. Đó là những siêu máy tính (Supercomputer). c) Máy tính đo lường và điều khiển: Sự phát triển nhanh chóng của các hệ thống máy tính đã tạo ra những ứng dụng lớn lao trong các hệ thống đo lường và điều khiển tự động. Đối với các ứng dụng thông thường như trong các dụng cụ gia dụng, từ Tivi, điều hoà nhiệt độ, máy giặt v.v… Đó là những máy tính nhỏ được chế tạo dưới dạng một vi mạch ( Single- Chip Microcomputer). Tuy nhiên, cũng cần phải tính đến những máy tính 21 Nguyễn Trung Đồng - Viện Công nghệ Thông tin – Tel 098 341 0866

65 tài liệu

2363 lượt tải