Bài giảng Kỹ thuật Vi xử lý - Chương 1: Các hệ thống số, mã hoá, linh kiện số cơ bản

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật Vi xử lý - Chương 1: Các hệ thống số, mã hoá, linh kiện số cơ bản

1. Bài giảng Kỹ thuật Vi xử lý Ngành Điện tử-Viễn thông Đại học Bách khoa Đà Nẵng của Hồ Viết Việt, Khoa CNTT-ĐTVT Tài liệu tham khảo [1] Kỹ thuật vi xử lý, Văn Thế Minh, NXB Giáo dục, 1997 [2] Kỹ thuật vi xử lý và Lập trình Assembly cho hệ vi xử lý, Đỗ Xuân Tiến, NXB Khoa học & kỹ thuật, 2001
2. Chương 1 1.1 Các hệ thống số - Hệ thập phân - Hệ nhị phân - Hệ thập lục phân 1.2 Các hệ thống mã hoá - ASCII - BCD 1.3 Các linh kiện điện tử số cơ bản - Các cổng logic: AND, OR, XOR,NOT - Các bộ giải mã
3. 1.1 Các hệ thống số ◼ Hệ đếm thập phân (Decimal) ◼ Còn gọi là hệ đếm cơ số mười (Vì có quá ít người có chín ngón tay hoặc mười một ngón chân?) ◼ Dùng mười ký hiệu: 1,2,3,4,5,6,7,8,9,0 ◼ Ví dụ:1.1: Ba nghìn Chín trăm Bảy mươi Tám 3978 = 3x103 + 9x102 + 7x101 + 8x100 = 3000 + 900 + 70 + 8
4. 1.1 Các hệ thống số ◼ Hệ đếm nhị phân (Binary) ◼ Còn gọi là Hệ đếm cơ số hai ◼ Sử dụng hai ký hiệu (bit): 0 và 1 (Các hệ thống điện tử số chỉ sử dụng hai mức điện áp?) ◼ Kích cỡ, LSB, MSB của số nhị phân ◼ Số nhị phân không dấu (Unsigned) ◼ Số nhị phân có dấu (Số bù hai)
5. Số nhị phân ◼ Mỗi ký hiệu 0 hoặc 1 được gọi là 1 Bit (Binary Digit- Chữ số nhị phân) ◼ Kích cỡ của một số nhị phân là số bit của nó ◼ MSB (Most Significant Bit): Bit sát trái ◼ LSB (Least Significant Bit): Bit sát phải ◼ Ví dụ 1.1: 1010101010101010 MSB LSB là một số nhị phân 16-bit
6. Số nhị phân không dấu ◼ Chỉ biểu diễn được các giá trị không âm (>= 0) ◼ Với n-bit có thể biểu diễn các giá trị từ 0 đến 2n – 1 ◼ Ví dụ 1.3: Giá trị V của số nhị phân không dấu 1101 được tính: V(1101) = 1x23 + 1x22 + 0x21 + 1x20 = 8 + 4 + 0 + 1 = 13
7. Số nhị phân không dấu ◼ Tổng quát: Nếu số nhị phân N n-bit: N = b( n-1) b( n-2) . b1 b0 thì giá trị V của nó là: (n-1) (n-2) V = b(n -1) x 2 +b (n-2) x2 + 1 0 + b1 x 2 + b0 x 2 Các số nhị phân không dấu 4-bit biểu diễn được các giá trị từ ? đến ?
8. 16 giá trị từ 0 đến 15 Nhị phân không dấu Giá trị thập phân 0000 0 0001 1 0010 2 0011 3 0100 4 0101 5 0110 6 0111 7 1000 8 1001 9 1010 10 1011 11 1100 12 1101 13 1110 14 1111 15
9. Số nhị phân không dấu ◼ Dải giá tri của các số không dấu 8-bit là [0,255] (unsigned char trong C) ◼ Dải giá tri của các số không dấu 16- bit là [0,65535] (unsigned int trong C)
10. Chuyển đổi thập phân sang nhị phân ◼ Ví dụ 1.4 Chuyển 25 sang nhị phân không dấu. Dùng phương pháp chia 2 liên tiếp Chia 2 Thương số Dư số ◼ 25/2 = 12 1 LSB ◼ 12/2 = 6 0 ◼ 6/2 = 3 0 ◼ 3/2 = 1 1 ◼ 1/2 = 0 1 MSB Kết quả là: 11001
11. Số nhị phân có dấu ◼ Biểu diễn được cả các giá trị âm ◼ Còn gọi là Số bù hai ◼ Với n-bit có thể biểu diễn các giá trị từ – 2(n-1) đến 2(n-1) – 1 ◼ Ví dụ 1.3: Giá trị V của số nhị phân có dấu 1101 được tính: V(1101) = – 1x23 + 1x22 + 0x21 + 1x20 = – 8 + 4 + 0 + 1 = – 3
12. Số nhị phân có dấu ◼ Tổng quát: Nếu số nhị phân N n-bit: N = b( n-1) b( n-2) . b1 b0 thì giá trị V của nó là: (n-1) (n-2) V = –b(n -1) x 2 +b (n-2) x2 + 1 0 + b1 x 2 + b0 x 2 Các số nhị phân có dấu 4-bit biểu diễn được các giá trị từ ? đến ?
13. 16 giá trị từ - 8 đến 7 Nhị phân có dấu Giá trị thập phân 0000 0 0001 1 0010 2 0011 3 0100 4 0101 5 0110 6 0111 7 1000 - 8 1001 -7 1010 -6 1011 -5 1100 -4 1101 -3 1110 -2 1111 -1
14. Số nhị phân có dấu ◼ Dải giá tri của các số có dấu 8-bit là [-128,+127] (char trong C) ◼ Dải giá tri của các số có dấu 16-bit là [-32768,+32767] (int trong C)
15. Tìm đối số (Lấy bù 2) ◼ Tổng của một số với đối số của nó bằng 0 ◼ Ví dụ 1.5 Đối số của số nhị phân có dấu 10011101? 10011101 Số có dấu (-99) ◼ 01100010 Lấy bù 1 ◼ + 1 Cộng 1 01100011 Kết quả (+99)
16. Chuyển số thập phân sang nhị phân có dấu ◼ Vơí số dương:Giống như chuyển thập phân sang nhị phân không dấu rồi thêm bit 0 vào sát bên trái ◼ Ví dụ: Chuyển 25 sang nhị phân có dấu: Kết quả: 011011 ◼ Với số âm: Chuyển đối số sang nhị phân có dấu rồi lấy bù 2
17. Chuyển số thập phân sang nhị phân có dấu Ví dụ 1.6 Chuyển – 26 sang nhị phân 1. chuyển đối số: +26 = 11010 2. Đưa 0 vào sát trái: 011010 3. Bù 1: 100101 4. Cộng 1: + 1 -26 = 100110
18. Số thập lục phân ◼ Quen gọi là số Hexa (Hexadecimal) ◼ Còn gọi là hệ đếm cơ số mười sáu ◼ Sử dụng 16 ký hiệu để biểu diễn: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F ◼ Mỗi ký hiệu tương ứng với 4-bit ◼ Mục đích: Biểu diễn số nhị phân ở dạng ngắn gọn 11110000 = F0 10101010 = AA 01010101 = 55 Nhị phân Thập lục phân
19. Mỗi ký hiệu tương ứng với 4-bit Hexa Binary Hexa Binary 0 0000 8 1000 1 0001 9 1001 2 0010 A 1010 3 0011 B 1011 4 0100 C 1100 5 0101 D 1101 6 0110 E 1110 7 0111 F 1111
20. Chuyển đổi Hexa & nhị phân ◼ Ví dụ 1.7 Chuyển số hexa 2F8 và ABBA sang nhị phân Thay thế mỗi ký hiệu hexa bằng 4-bit tương ứng với nó 2 F 8 0010 1111 1000 A B B A 1010 1011 1011 1010 ◼ Kết quả 2F8h = 001011111000b ABBAh = 1010101110111010b
21. Chuyển đổi Hexa & nhị phân ◼ Ví dụ 1.8 Chuyển số nhị phân 1100101011111110 sang hexa - Trước hết theo hướng từ LSB về MSB chia số nhị phân đó thành các nhóm 4-bit - Sau đó thay thế mỗi nhóm 4-bit bằng ký hiệu hexa tương ứng với nó 1100 1010 1111 1110 C A F E ◼ Kết quả: 1100101011111110b = CAFEh
22. 1.2 Các hệ thống mã hoá ◼ ASCII: American Standard Code for Information Interchange. ◼ Dùng để biểu diễn các ký tự (characters): Gồm ký tự hiển thị được và ký tự điều khiển ◼ Mỗi ký tự được biểu diễn bằng 8-bit gọi là mã ASCII của ký tự đó • Các chữ cái in và thường: A Z và a z • Các chữ số thập phân: 0,1, ,9 • Các dấu chấm câu: ; , . : vân vân • Các ký tự đặc biệt: $ & @ / { vân vân • Các ký tự điều khiển: carriage return (CR) , line feed (LF), beep, vân vân
23. Mã ASCII ◼ Với bảng mã được sắp xếp theo trật tự tăng dần của mã ASCII: • Các chữ số thập phân: 0,1, ,9 nằm liên tiếp nhau, chữ số 0 có mã ASCII là 30h • Các chữ cái in:A Z nằm liên tiếp nhau, chữ A có mã ASCII là 41h • Các chữ cái thường: a z nằm liên tiếp nhau, chữ a có mã ASCII là 61h • Mã ASCII của chữ in và chữ thường tương ứng chỉ khác nhau ở bit 5 A: 01000001 B: 01000010 Z: 01011010 a: 01100001 b: 01100010 z: 01111010 • 32 ký tự điều khiển được xếp đầu bảng mã (00h đến 1Fh)
24. Bảng mã ASCII
25. Bảng mã ASCII
26. Mã BCD ◼ BCD (Binary Coded Decimal) ◼ Quen gọi là số BCD ◼ Dùng để mã hoá các số thập phân bằng các ký hiệu nhị phân ◼ Mỗi chữ số thập phân được biểu diễn bằng một tổ hợp 4-bit ◼ Các tổ hợp 4-bit không sử dụng gọi là các tổ hợp cấm ◼ Nhiều linh kiện điện tử sử dụng mã này (Bộ giải mã BCD-LED bảy đoạn 7447)
27. Bảng mã BCD Thập phân BCD Thập phân BCD 0 0000 8 1000 1 0001 9 1001 2 0010 1010 3 0011 1011 4 0100 1100 5 0101 1101 6 0110 1110 7 0111 1111
28. Mã BCD ◼ Đừng nhầm mã hoá BCD với việc chuyển đổi thập phân sang nhị phân: Ví dụ 1.9: Cho số thập phân 15 Mã BCD của nó là: 00010101 Số nhị phân không dấu 8-bit tương ứng là: 00001111
29. Bit, Nibble, Byte, Word ◼ Bit: Một chữ số nhị phân 0 hoặc 1 ◼ Nibble: 4-bit (nửa byte) ◼ Byte: 8-bit (Còn gọi là Octet) ◼ Word (Từ): 16-bit ◼ Double Word (Từ kép): 32-bit 10 ◼ K = 2 = 1024 Kb (kilôbit) = 1024 bit = 128 byte KB (kilôbyte) = 1024 byte Kbps (Kilobit per second): Kilôbit trên giây 20 ◼ M = 2 = 1024 K = 1048576 Mb (Mêgabit) = 1024 Kb = 1048576 bit MB (Mêgabyte) = 1024 KB = 1048576 byte 30 ◼ G = 2 = 1024 M = 1048576 K Gb (Gigabit) = 1024 Mb = 1048576 Kb GB (Gigabyte) = 1024 MB = 1048576 KB ◼ T = ?
30. 1.3 Các linh kiện điện tử số cơ bản ◼ Phân chia linh liện số theo mật độ tích hợp: SSI, MSI, LSI, VLSI SSI (Small Scale Integration): Vi mạch tích hợp cỡ nhỏ MSI (Medium Scale Integration): Vi mạch tích hợp cỡ trung LSI (Large Scale Integration): Vi mạch tích hợp cỡ lớn VLSI (Very Large Scale Integration):Vi mạch tích hợp cỡ cực lớn ◼ SSI: Các cổng logic and, or, xor, not ◼ MSI: Các bộ giải mã, Các chốt, đệm ◼ LSI,VLSI: Các bộ vi xử lý, vi điều khiển, DSPs
31. Cổng logic AND A A B A AND B A AND B 1 1 1 B 1 0 0 Cổng AND có thể có nhiều hơn 2 đầu vào Trên một chip có thể có nhiều cổng 0 1 0 AND 0 0 0
32. Cổng logic AND: IC 7408
33. Cổng logic AND: IC 7411
34. Cổng logic OR A A B A OR B A OR B B 1 1 1 Cổng OR có thể có nhiều hơn 2 đầu vào 1 0 1 Trên một chip có thể có nhiều cổng OR 0 1 1 0 0 0
35. Cổng logic OR: IC 7432
36. Cổng logic XOR A A B A XOR B A XOR B B 1 1 0 Cổng XOR có thể có nhiều hơn 2 đầu vào 1 0 1 Trên một chip có thể có nhiều cổng XOR 0 1 1 0 0 0
37. Cổng logic NOT A NOT A 1 0 A NOT A 1 0 0 1 0 1
38. Đệm 3 trạng thái c z c z 0 HiZ 1 HiZ 1 x 0 x
39. Chip giải mã 74138
40. Chip giải mã 74138
41. Flip Flop kiểu D
42. Flip Flop kiểu D
43. Flip Flop kiểu D
44. Flip Flop kiểu D
45. Chốt 8-bit 74373
46. Chốt 8-bit 74573
47. IC 74244
48. IC 74244
49. Đệm 2 chiều 74245
50. Đệm 2 chiều 74245
51. What is a microprocessor? ◼ Intel’s first microprocessor, the 4004, was introduced in 1971. It contained 2300 transistors. Today’s Pentium 4 processor, by contrast, contains 55 million transistors. ◼ One of the most common tasks microprocessors perform is to serve as the “brains” inside personal computers, but they deliver “intelligence” to countless other devices as well. ◼ For example, they may give your telephone speed-dial and re-dial options, automatically turn down your home’s thermostat at night and make your car safer and more energy efficient.
52. 1971 ◼ In 1971, Intel’s first microprocessor was the 4004. This breakthrough invention powered the Busicom calculator and paved the way for embedding intelligence in inanimate objects as well as the personal computer.
53. 1978 ◼ In 1978, a pivotal sale to IBM's new personal computer division made the Intel 8088 the brains of IBM's new hit product the IBM PC. ◼ The 8088's success launched Intel into the ranks of the Fortune 500 companies, and Fortune magazine named the company one of the "Business Triumphs of the Seventies."
54. 1982 ◼ Then, in 1982, the 286, also known as the 80286, became the first Intel processor that could run all the software written for its predecessor. ◼ This software compatibility remains a cornerstone of Intel's family of microprocessors. Within 6 years of its release, there were an estimated 15 million 286-based PC’s around the world.
55. 1989 ◼ In 1989, the move to a 486 processor allowed the shift from a command-level computer to point- and-click computing. ◼ The Intel 486 processor was the first to offer a built-in math coprocessor, which speeds up computing because it offloads complex math functions from the central processor.
56. 1993 ◼ In 1993, the jump to the Pentium processor allowed computers to more easily incorporate "real world" data such as speech, sound, handwriting and photographic images.
57. 1997 ◼ In 1997, the 7.5 million-transistor Pentium II processor incorporated Intel MMX technology, which is designed specifically to process video, audio and graphics data efficiently. ◼ With this processor, PC users could • capture, edit and share digital photos with friends and family via the Internet, • edit and add text, music or between-scene transitions to home movies, and, • with a video phone, send video over standard phone lines and the Internet.
58. 1998 ◼ In 1998, the Pentium II XeonTM processor was designed to meet the performance requirements of mid-range and higher servers and workstations. ◼ The Pentium II Xeon processors featured technical innovations specifically designed for workstations and servers that utilized demanding business applications such as Internet services, corporate data warehousing, digital content creation, and electronic and mechanical design automations.
59. 1999 ◼ In 1999, the Intel Celeron processor was designed for the value PC market segment. It provided consumers great performance at an exceptional value, and it delivered excellent performance for uses such as gaming and educational software.
60. 1999 ◼ Also in 1999, the Pentium III processor was released and featured 70 new instructions that dramatically enhanced the performance of advanced imaging, 3-D, streaming audio, and video and speech recognition applications. ◼ It was designed to significantly enhance Internet experiences, allowing users to do such things as browse through realistic online museums and stores and download high-quality video.
61. 2000 ◼ In 2000, users of the newly released Pentium 4 processor could create professional-quality movies, deliver TV-like video via the Internet, communicate with real-time video and voice, render 3D graphics in real time, quickly encode music for MP3 players, and simultaneously run several multimedia applications while still connected to the Internet. ◼ As a comparison, Intel's first microprocessor, the 4004, ran at 108 kilohertz, compared to the Pentium 4 processor's initial speed of 1.5 gigahertz. If automobile speed had increased similarly over the same period, you could now drive from San Francisco to New York in about 13 seconds.
62. History of Intel Microprocessor The Continuing Evolution of Intel Microprocessors CIS105 December 2002 1600 1,400 1400 1200 1000 800 Speed(MHZ) 600 550 400 400 400 333 233 200 200 200 100 33 0.74 2 8 12 0 1971 1974 1979 1982 1985 1989 1993 1995 1997 1998 1998 1999 1999 2000 Year