Tài liệu Vi xử lý - Chương 1: Đại cương - Phạm Hùng Kim Khánh

Nội dung text: Tài liệu Vi xử lý - Chương 1: Đại cương - Phạm Hùng Kim Khánh

1. 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
2. Tài liệu vi xử lý Đại cương VD: Số thập phân 5 2 9 Số BCD 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 cgd e f f b g e c d Bảng 1.1: Mã Led 7 đoạn Số thập phân Số thập lục phân Số nhị phân a b c d e f g Hiển thị 0 0 0000 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0001 0 1 1 0 0 0 0 1 2 2 0010 1 1 0 1 1 0 1 2 3 3 0011 1 1 1 1 0 1 1 3 4 4 0100 0 1 1 0 0 1 1 4 5 5 0101 1 0 1 1 0 1 1 5 6 6 0110 1 0 1 1 1 1 1 6 7 7 0111 1 1 1 0 0 0 0 7 8 8 1000 1 1 1 1 1 1 1 8 9 9 1001 1 1 1 0 0 1 1 9 10 A 1010 1 1 1 1 1 0 1 A 11 B 1011 0 0 1 1 1 1 1 B 12 C 1100 0 0 0 1 1 0 1 C 13 D 1101 0 1 1 1 1 0 1 D 14 E 1110 1 1 0 1 1 1 1 E 15 F 1111 1 0 0 0 1 1 1 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
3. Tài liệu vi xử lý Đại cương Bảng 1.3: Vào Ra A B BIN D BOUT 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 S = A ⊕ B ⊕ BIN BOUT = AB + (A ⊕ B)BIN VD: 0110 1101 = 149 - 0011 0001 = 49 0011 1100 = 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 - 0011 0001 → + 1100 1111 1 0011 1100 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 0100 1101 0100 1101 - 88 - 0101 1000 → + 1010 1000 - 11 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
4. 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 3Fh → 0011 1111 B9h ← 1011 1001 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 3 F 1010 2510 → B9h Ah + Fh = 1010 + 1510 = 2510 → nhớ 1 và 2510 – 1610 = 910 = 9h 7h + 3h = 710 + 310 = 1010 → 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 A X 3 2 0 0 1 1 ™ Cổng NOT: A X = A A X 1 2 0 1 1 0 ™ Cổng AND: A B X A 1 X = A B 0 0 0 3 B 2 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Phạm Hùng Kim Khánh Trang 7
5. 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. AB AB AB B A A+ AB AB + B A + B Hình 1.2 – Sơ đồ PAL AB + AB ™ PROM: ma trận AND cố định sẵn và ta chỉ lập trình trên ma trận OR. AB AB A B A B AB A B+ A B AB A B Hình 1.3 – Sơ đồ PROM AB + AB Phạm Hùng Kim Khánh Trang 9
6. 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). 4 4 4 4 OUT 2 5 2 5 2 5 2 5 IN D Q D Q D Q D Q PR PR PR PR 3 3 3 3 CLK CLK CLK CLK 6 6 6 6 CL Q CL Q CL Q CL Q 1 1 1 1 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
7. 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
8. 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
9. 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 Address 2n khối bộ nhớ n bit đến m bit đến bộ nhớ bộ giải mã m 2 địa chỉ Hình 1.13 – Bảng bộ nhớ 4.3.2. Giải mã địa chỉ 4.3.2.1. Dùng 74LS138 74LS138 A13 1 15 0000h - 1FFFh 2 A Y0 14 Các tín hiệu A14 B Y1 2000h - 3FFFh A15 3 13 4000h - 5FFFh đưa tới các C Y2 12 6000h - 7FFFh Y3 11 chân CS của Y4 8000h - 9FFFh Vcc 6 10 A000h - BFFFh các IC nhớ 4 G1 Y5 9 C000h - DFFFh 5 G2A Y6 7 G2B Y7 E000h - FFFFh Hình 1.14 – Giải mã địa chỉ dùng 74LS138 Phạm Hùng Kim Khánh Trang 17
10. 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. Address buffer 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) tabuf: 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 tACC: 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
11. Tài liệu vi xử lý Đại cương taw: thời gian truy xuất ghi (access write) twp: độ rộng xung ghi tối thiểu (write pulse) tAS: thời gian địa chỉ hợp lệ trước khi WR = 0 Thông thường, ta không quan tâm đến địa chỉ cho đến khi xác nhận CS nên thường tcw = taw. Phạm Hùng Kim Khánh Trang 21