Tổng quan về hệvi xử lý (microprocessor)

1Electrical Engineering 1 Tổng quan về hệ vi xử lý (microprocessor) Electrical Engineering 2 Định nghĩa • Mạch vi xử lý là vi mạch cỡ cực lớn (VLSI), trên đó có thể xử lý được dữ liệu theo một thuật toán xác định • Cấu tạo – Phần cứng (phần vi mạch điện tử) – Phần mềm (phần tập lệnh gắn chặt với phần cứng) • Vi xử lý 8 bit, 16 bit, 32 bit, 64 bit 2Electrical Engineering 3 Phân biệt các loại máy tính • Mainframe: dùng sử lý khối lượng thông tin phức tạp, tốc độ cao, IBM 4381, Honeywell DSP8, Crây, kết hợp nhiều hệ VXL lại • Máy tính con (minicomputer), xử lý dữ liệu ít hơn và dung lượng nhỏ hơn(VAX 6360 DEC) • Máy vi tính xử dụng các hệ vi xử lý Electrical Engineering 4 Lịch sử phát triển • Thế hệ 1 (1971 – 1973) – 4004, vi xử lý 4 bit -> 4040 – 8008 (1972), vi xử lý 8 bit • Tần số : 0.1 – 0.8 Mhz • Thêm các mạch phụ trợ • Thế hệ 2 (1974 – 1977) – Vi mạch 8 bit, 6800, 6809 Motorola – 8080, 8085, Intel – Z 80 của hãng Zilog 3Electrical Engineering 5 Lịch sử phát triển (tiếp) • Máy tính Apple 2 (6800) • Công nghệ CMOS, xung clock 1-5Mhz Thế hệ 3 (1978 –1982) • Vi xử lý 16 bit, 8086/186/286 Intel • 68000, 68010 Motorola • Xử lý 1M địa chỉ • Ra đời IBM PC • Máy tính Việt nam ra đời (VT81) Electrical Engineering 6 Lịch sử phát triển (tiếp) • Thế hệ vi xử lý phục vụ PC, Pentium (32 bit), cơ chế đa nhiệm, MMU, cache • Hệ vi điều khiển – 8048, 8031, 8051, ... 8bit – 68HC05, 68HC11 – Microchip, 16P.., 17P.., 18P... • Hệ DSP (Digital Signal Processing) – Texax Instruments (TMS 320...) 4Electrical Engineering 7 Đặc tính chung • Số bít: 4 bit, 8 bit, 16 bit, 32 bit • Số chân tín hiệu: – 12, 16, 28, 40 chân cho VXL 8 bit – 68 chân VXL 32 bit – 168 chân VXL 64 bit – Tương ứng với các chân là khả năng kiểm soát bộ nhớ 2^n Electrical Engineering 8 Đặc tính chung • Tần số xung nhịp (1MH – 3.2 GHZ) • Tính năng ứng dụng: – Loại độc lập (one chip) – Mạch VXL đa năng 5Electrical Engineering 9 VXL 8051 Khèi hiÓn thÞ LED Control Bus Address Bus M¹ch giao tiÕp 8255 Data Bus ROM RAM Bµn phÝm Cấu trúc chung của hệ thống vi xử lý Electrical Engineering 10 Các phần cơ bản hệ VXL • Bộ nhớ (memory) • Ghép nối (I/O, interface) • Bộ vi xử lý (processor) 6Electrical Engineering 11 Memory • Tập hợp nhiều thanh ghi để lưu trữ dữ liệu dưới dạng nhị phân • ROM, RAM • Mỗi thanh ghi nhớ có địa chỉ duy nhất Electrical Engineering 12 Interface (I/0) • Thanh ghi để ghép nối với thiết bị bên ngoài • Có thể là thanh ghi nhớ nằm ở các vị trí đặc biệt trong RAM • Ví dụ, 8051, SFR 91, serial • Ví dụ như vi mạch ghép nôí 8255 7Electrical Engineering 13 Processor • Thực hiện chương trình lưu trong bộ nhớ theo thứ tự • Tập hợp lệnh gồm – Chuyển dữ liệu (MOV) – Phép toán và logic – Lệnh điều kiện và rẽ nhánh Electrical Engineering 14 Bus • Chuyển dữ liệu giữa hệ thống này sang hệ thống khác • Hệ thống 8 bit, xử lý mọi dữ liệu dưới dạng 8 bit • Bus địa chỉ (Address bus), 16 bit • Bus dữ liệu (data bus), 8 bit 8Electrical Engineering 15 BUSES • Bus là tập các dây dẫn nối song song với nhau (bên trong VXL hoặc bên ngoài) đề truyền thông tin • Trong VXL, các thanh ghi, ALU, thiết bị ngoại vi ghép nối với nhau thông qua đường BUS • Mạch thời gian và điều khiển đảm bảo rằng mỗi loại tín hiệu sử dụng đường BUS tại một thời điểm xác định (RD/WD) Electrical Engineering 16 Buses • Trong mạch vi xử lý 8 bit, 8bit BUS chứa dữ liệu và 16 bít BUS chứa địa chỉ • Ghép nối để mở rộng dung lượng nhớ (ROM, RAM), mở rộng số cổng vào ra • Tối đa 16 bít địa chỉ, 65536 byte. 9Electrical Engineering 17 Thiết bị nhớ • Đối với Vi xử lý, 2 loại bộ nhớ chính : – ROM (Read only memory) – RAM (Random access memory), (read and write memory) Electrical Engineering 18 ROM • Thiết kế bởi công nghệ NMOS, CMOS • Dung lượng thường 2Kbyte – 64Kbyte • Dữ liệu lưu trữ dạng ma trận • Không bị ảnh hưởng bởi việc • mất điện • 2716, 2732, .., 27256 10 Electrical Engineering 19 2716 Electrical Engineering 20 Đọc bộ nhớ • Ví trí đọc đưa vào bus địa chỉ • Lệnh READ gửi tới bộ nhớ • Dữ liệu truyền từ bộ nhớ lên Bus dữ liệu 11 Electrical Engineering 21 PARAMETER min max units Tcyc TCE Tacc Toff TAH TAS Tp Cycle time /CE pulse width /CE access time Output turn-off delay Address & CS hold time to /CE Address & CS setup time to /CE /CE precharge time 400 250 100 0 150 250 75 ns ns ns ns ns ns ns Electrical Engineering 22 Các loại ROM khác • Mạch xóa và mạch nạp riêng • Serial Rom (2014 – 2kbit) • EEROM (Electrical erasable ROM) 12 Electrical Engineering 23 RAM • Static RAM • Dynamic RAM Electrical Engineering 24 Static RAM • Mỗi bít dữ liệu được lưu trữ bởi cặp flip-flop • Cấu trúc đơn giản • Ghi và xóa tín hiệu bằng điện • Dữ liệu mất đi khi mất điện • Tiêu thụ năng lượng lớn khi có điện • Kích thước lớn khi dung lượng lớn • 6216, 6232, ..62256 13 Electrical Engineering 25 RAM 62256 Electrical Engineering 26 Dynamic Ram • Dữ liệu ghi bằng tụ • Dữ liệu phải refresh từng 2ms -> phải có bộ điều khiển refresh • Dung lượng lớn • Cấu trúc ma trận • ít tổn hao điện 14 Electrical Engineering 27 Ví dụ 64 Kbit RAM Electrical Engineering 28 Cấu trúc mạch vi xử lý 89c51 15 Electrical Engineering 29 Các khối cơ bản • Khối ALU (the Arithmetic and Logic Unit (ALU), • Khối ALU thực hiện các phép toán ADD, SUBTRACT, AND, OR, SHIFT. Electrical Engineering 30 Thanh ghi (resister) Thanh ghi là nơi tạm thời lưu kết quả tính toán (thường 8 bit hoặc 16 bit) 16 Electrical Engineering 31 Ví dụ tính toán dùng thanh ghi • Nạp dữ liệu vào thanh ghi A • Đưa dữ liệu nhập vào B • Thực hiện phép cộng và lưu lại kết quả vào thanh ghi (Accumulator) Electrical Engineering 32 Định nghĩa VXL 8 bit • Vi xử lý 8 bít là vi xử lý được thiết kế để làm việc với các toán tử 8 bit. Khi làm việc với dữ liệu nhiều hơn 16 bit, 32 bít, chương trình sẽ chia thành nhiều khối 8 bít riêng biệt