Bài giảng Kỹ thuật Vi xử lý - Chương 2: Vi xử lý và Hệ thống vi xử lý - Hồ Viết Việt

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật Vi xử lý - Chương 2: Vi xử lý và Hệ thống vi xử lý - Hồ Viết Việt

1. Bài giảng Kỹ thuật Vi xử lý Ngành Điện tử-Viễn thụng Đại học Bỏch khoa Đà Nẵng của Hồ Viết Việt, Bộ mụn KTMT, Khoa ĐTVT Tài liệu tham khảo [1] Barry B. Brey, The Intel Microprocessors 8086/8088, 80186/80188, 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium Pro Processor, Pentium II, Pentium III, Pentium 4 Architecture, Programming, and Interfacing, 6th Edition, Prentice Hall, 2003 [2] Martin Bates, PIC Microcontrollers, An Introduction to Microelectronics, 2nd Edition, Elsevier, 2004 [3] Martin Bates, Interfacing PIC Microcontrollers, Embedded Design by Interactive Simulation, Elsevier, 2006 [4] Martin Bates, Programming 8-bit PIC Microcontrollers in C: With Interactive Hardware Simulation, Elservier, 2007 [5] Robert B. Reese,Microprocessors, From Assembly Language to C Using PIC 18Fxx2, Da vinci Engineering Press, 2005
2. Chương 2 Vi xử lý và Hệ thống vi xử lý 2.1 Bộ vi xử lý - Bộ vi xử lý (Microprocessor) là gỡ? - Cỏc thành phần của bộ vi xử lý - Ứng dụng của bộ vi xử lý 2.2 Cỏc họ vi xử lý - Họ x86 của Intel - Luật Moore 2.3 Hệ thống vi xử lý - Bộ nhớ ROM, R/WM - Cỏc cổng I/O - Bus hệ thống: D-Bus, A-Bus, C-Bus - Thiết kế hệ thống vi xử lý? 2.4 Vi điều khiển và hệ thống nhỳng
3. Bộ vi xử lý ◼ Một bộ vi xử lý là một mạch tớch hợp chứa hàng ngàn, thậm chớ hàng triệu transistor (LSI, VLSI) được kết nối với nhau ◼ Cỏc transistor ấy cựng nhau làm việc để lưu trữ và xử lý dữ liệu cho phộp bộ vi xử lý cú thể thực hiện rất nhiều chức năng hữu ớch ◼ Chức năng cụ thể của một bộ vi xử lý được xỏc định bằng phần mềm (cú thể lập trỡnh được)
4. Bộ vi xử lý ◼ Bộ vi xử lý đầu tiờn của Intel,4004, được giới thiệu vào năm 1971. ◼ 4004 chứa 2300 transistor. ◼ Bộ vi xử lý Pentium 4 hiện nay chứa 55 triệu transistor. ◼ Bộ vi xử lý thường được sử dụng trong cỏc mỏy vi tớnh (microcomputer) với vai trũ là CPU. Ngoài ra, chỳng cũn cú mặt ở nhiều thiết bị khỏc (Cỏc hệ thống nhỳng- Embedded systems).
5. Cỏc thành phần tối thiểu của bộ vi xử lý
6. ALU và Control Unit ALU ◼ Thực hiện cỏc phộp toỏn logic (AND, OR, XOR, NOT) và cỏc phộp toỏn số học (cộng, trừ, nhõn, chia) ◼ Thực hiện việc chuyển dữ liệu ◼ Việc thực hiện lệnh thực sự diễn ra ở ALU Control Unit ◼ Cú trỏch nhiệm liờn quan đến việc tỡm và thực hiện cỏc lệnh bằng cỏch cung cấp cỏc tớn hiệu điều khiển và định thời cho ALU và cỏc mạch khỏc biết phải làm gỡ và làm khi nào.
7. Cỏc thanh ghi (Registers) ◼ Thanh ghi là nơi mà bộ vi xử lý cú thể lưu trữ được một số nhị phõn (Kớch cỡ của thanh ghi tớnh bằng bit) ◼ Bộ vi xử lý dựng cỏc thanh ghi để lưu trữ dữ liệu tạm thời trong quỏ trỡnh thực hiện chương trỡnh ◼ Cỏc thanh ghi cú thể được truy cập bằng cỏc cõu lệnh ngụn ngữ mỏy thường được gọi là cỏc thanh ghi người sử dụng cú thể nhỡn thấy được (cú thể truy cập được) ◼ Cỏc thanh ghi điều khiển và cỏc thanh ghi trạng thỏi được CU dựng để điều khiển việc thực hiện chương trỡnh. Đa số cỏc thanh ghi này người sử dụng khụng thể nhỡn thấy được
8. Kiến trỳc của một bộ vi xử lý đơn giản
9. Pentium 4
10. 2.2 Cỏc họ vi xử lý ◼ Hiện nay, cú rất nhiều nhà sản xuất ra cỏc chip vi xử lý:Intel, AMD, Motorola, TI, Microchip, Atmel ◼ Thụng thường, một họ vi xử lý là cỏc chip vi xử lý được sản xuất bởi một nhà sản xuất nào đú. ◼ Trong phạm vi một họ vi xử lý, theo thời gian và theo cụng nghệ chế tạo cú cỏc đời (thế hệ) vi xử lý khỏc nhau phõn biệt theo Độ dài Từ của chỳng (bit) và tốc độ (Hz). ◼ Độ dài Từ (Word Length) của một chip vi xử lý là kớch cỡ tối đa của cỏc toỏn hạng nhị phõn mà nú cú thể thực hiện cỏc phộp toỏn trờn đú.
11. Tốc độ của họ vi xử lý x86 của Intel 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
12. Họ vi xử lý x86 của Intel Model Năm sản xuất Số lượng Transistor 4004 1971 2,300 8008 1972 2,500 8080 1974 5,000 8086 1978 29,000 80286 1982 120,000 80386™ processor 1985 275,000 80486™ DX processor 1989 1,180,000 Pentiumđ processor 1993 3,100,000 Pentium II processor 1997 7,500,000 Pentium III processor 1999 24,000,000 Pentium 4 processor 2000 55,000,000
13. Họ vi xử lý x86 của Intel 70’s 4004 8008 8080 8086 Introduced 11/15/71 4/1/72 4/1/74 6/8/78 Clock Speeds 108KHz 200KHz 2MHz 5MHz, 8MHz, 10MHz Bus Width 4 bits 8 bits 8 bits 16 bits Number of 2,300 3,500 6,000 29,000 Transistors (10 microns) (10 microns) (6 microns) (3 microns) Addressable Memory 640 bytes 16 KBytes 64 KBytes 1 MB Virtual Memory Brief Description First microcomputer Data/character 10X the performance 10X the performance chip, Arithmetic manipulation of the 8008 of the 8080 manipulation
14. Họ vi xử lý x86 của Intel 80’s Intel486TM Intel386TM DX Intel386TM SX DX CPU 80286 Microprocessor Microprocessor Microprocessor Introduced 2/1/82 10/17/85 6/16/88 4/10/89 Clock Speeds 6MHz, 8MHz, 10MHz, 16MHz, 20MHz, 16MHz, 20MHz, 25MHz, 33MHz, 12.5MHz 25MHz, 33MHz 25MHz, 33MHz 50MHz Bus Width 16 bits 32 bits 16 bits 32 bits Number of 134,000 275,000 275,000 1.2 million Transistors (1.5 microns) (1 micron) (1 micron) (1 micron) (.8 micron with 50MHz) Addressable Memory 16 megabytes 4 gigabytes 16 megabytes 4 gigabytes Virtual Memory 1 gigabyte 64 terabytes 64 terabytes 64 terabytes Brief Description 3-6X the performance First X86 chip to 16-bit address bus Level 1 cache on chip of the 8086 handle 32-bit data sets enabled low-cost 32-bit processing
15. Họ vi xử lý x86 của Intel 90’s Intel486TM SX Pentiumđ Pentiumđ Pro Pentiumđ II Microprocessor Processor Processor Processor Introduced 4/22/91 3/22/93 11/01/95 5/07/97 Clock Speeds 16MHz, 20MHz, 60MHz,66MHz 150MHz, 166MHz, 200MHz, 233MHz, 25MHz, 33MHz 180MHz, 200MHz 266MHz, 300MHz Bus Width 32 bits 64 bits 64 bits 64 bits Number of 1.185 million 3.1 million 5.5 million 7.5 million Transistors (1 micron) (.8 micron) (0.35 micron) (0.35 micron) Addressable Memory 4 gigabytes 4 gigabytes 64 gigabytes 64 gigabytes Virtual Memory 64 terabytes 64 terabytes 64 terabytes 64 terabytes Brief Description Identical in design to Superscalar Dynamic execution Dual independent bus, Intel486TM DX but architecture brought architecture drives dynamic execution, without math 5X the performance of high-performing Intel MMXTM coprocessor the 33-MHz Intel486TM processor technology DX processor
16. 2.3 Hệ thống vi xử lý
17. Luật Moore Dr. Gordon E. Moore, Chairman Emeritus of Intel Corporation, dự đoỏn rằng Cứ một năm rưỡi thỡ số lượng transistor được tớch hợp trờn chip vi xử lý tăng gấp đụi
18. Luật Moore
19. 2.3 Hệ thống vi xử lý Address Bus MEMORY I/O Ports Microprocessor Data Bus Control Lines (Control Bus) Sơ đồ khối chức năng của một hệ thống vi xử lý
20. Hệ thống vi xử lý ◼ Gồm 3 khối chức năng: Vi xử lý, Bộ nhớ, Cỏc cổng I/O ◼ Bộ nhớ được thực hiện bằng cỏc chip nhớ bỏn dẫn ROM hoặc RWM, là nơi lưu trữ chương trỡnh và dữ liệu. Đối với vi xử lý, bộ nhớ là một tập hợp cỏc ụ nhớ phõn biệt theo địa chỉ của chỳng. ◼ Cỏc cổng I/O được thực hiện bằng cỏc chip MSI hoặc LSI, là phần mạch giao tiếp giữa vi xử lý với cỏc thiết bị I/O. Bộ vi xử lý cũng phõn biệt cỏc cổng I/O theo địa chỉ của chỳng.
21. Hệ thống vi xử lý ◼ 3 khối chức năng: Vi xử lý, Bộ nhớ, Cỏc cổng I/O của một hệ thống vi xử lý trao đổi tớn hiệu với nhau thụng qua Bus hệ thống. ◼ Bus hệ thống là một tập hợp cỏc đường truyền dẫn dựng chung, bao gồm: Bus địa chỉ (A-Bus), Bus dữ liệu (D-Bus) và Bus điều khiển (C-Bus) ◼ Cỏc tớn hiệu địa chỉ di chuyển trờn A-Bus theo hướng từ vi xử lý đến Bộ nhớ và cỏc cổng I/O. Số lượng đường truyền dẫn của A-Bus (gọi là Độ rộng của A-Bus) tớnh bằng bit, phản ỏnh khả năng quản lý bộ nhớ của chip vi xử lý.
22. Hệ thống vi xử lý ◼ Cỏc tớn hiệu dữ liệu di chuyển trờn D-Bus theo cả 2 hướng từ vi xử lý đến Bộ nhớ và cỏc cổng I/O và ngược lại (mỗi lỳc một hướng). Số lượng đường truyền dẫn của D- Bus (gọi là Độ rộng của D-Bus) tớnh bằng bit, phản ỏnh một phần tốc độ trao đổi dữ liệu của chip vi xử lý với cỏc khối chức năng khỏc. ◼ Đa số cỏc tớn hiệu trờn C-Bus là cỏc tớn hiệu điều khiển riờng lẽ, cú tớn hiệu xuất phỏt từ vi xử lý, cú tớn hiệu đi vào vi xử lý. Vi xử lý sử dụng cỏc tớn hiệu này để điều khiển hoạt động và nhận biết trạng thỏi của cỏc khối chức năng khỏc.
23. Nhu cầu của người sử dụng 1 Requirements Analysis Microprocessor- 2 Specification based systems design 3 System Architecture 4 HW Design 4 SW Design 5 HW Implementation 5 SW Implementation 6 HW Testing 6 SW Testing 7 System Integration 8 System Validation 9 O & M, Evolution
24. HW Design Thiết kế phần cứng của hệ thống vi xử lý ◼ Thiết kế bộ nhớ cho hệ thống vi xử lý: Ghộp nối cỏc chip nhớ bỏn dẫn sẵn cú với bus hệ thống sao cho khi bộ vi xử lý truy cập bộ nhớ thỡ khụng xảy ra xung đột giữa cỏc chip nhớ với nhau và khụng xung đột với cỏc chip dựng làm cổng I/O ◼ Thiết kế cỏc cổng I/O cho hệ thống vi xử lý: Ghộp nối cỏc chip MSI hoặc LSI thường dựng làm cổng I/O với bus hệ thống sao cho khi bộ vi xử lý truy cập cỏc thiết bị I/O thỡ khụng xảy ra xung đột giữa cỏc chip đú với nhau và khụng xung đột với cỏc chip dựng làm bộ nhớ
25. SW Design Thiết kế phần mềm của hệ thống vi xử lý ◼ Viết chương trỡnh điều khiển hoạt động của hệ thống phần cứng theo chức năng mong muốn (thường dựng ngụn ngữ Assembly của chip vi xử lý dựng trong hệ thống) ◼ Dịch chương trỡnh đó viết sang ngụn ngữ mỏy sử dụng cỏc chương trỡnh dịch thớch hợp (Assembler) ◼ Nạp chương trỡnh ngụn ngữ mỏy vào bộ nhớ của hệ thống vi xử lý ◼ Kiểm tra hoạt động của hệ thống và thực hiện cỏc hiệu chỉnh nếu cần thiết ◼ Cú thể nhờ sự trợ giỳp của cỏc chương trỡnh mụ phỏng trờn mỏy tớnh
26. Vi điều khiển và hệ thống nhỳng ◼ Vi điều khiển (Microcontrollers) thường được gọi là SoC (System on Chip). ◼ Cỏc họ vi điều khiển thụng dụng: Intel-MCS51, Microchip PIC, Atmel-ARM, TI- MSP430, AVR, ◼ Hệ thống nhỳng (Embedded Systems) hiện nay được hiểu là cỏc sản phẩm ứng dụng (ngoại trừ cỏc mỏy tớnh đa năng)cú chứa bờn trong chỳng một mỏy tớnh đảm nhận chức năng điều khiển của hệ thống. ◼ Vớ dụ về cỏc hệ thống nhỳng phổ biến hiện nay: xe ụ tụ, lũ vi súng (Microwave), mỏy giặt, điện thoại di động ◼ Thiết kế hệ thống nhỳng thường được hiểu là thiết kế phần cứng và phần mềm của mỏy tớnh bờn trong hệ thống đú sử dụng vi điều khiển, vi xử lý hoặc bộ xử lý tớn hiệu số (DSPs).
27. Cỏc hệ thống nhỳng
28. Túm tắt chương 2 ◼ Vi xử lý là một chip LSI, VLSI thường dựng làm CPU trong cỏc mỏy vi tớnh ◼ Chức năng của một chip vi xử lý do phần mềm quyết định. ◼ Bộ nhớ là tập hợp cỏc ụ nhớ phõn biệt với nhau theo địa chỉ ◼ ROM lưu trữ chương trỡnh ◼ R/WM lưu trữ dữ liệu ◼ Cỏc cổng I/O là cỏc mạch giao tiếp giữa vi xử lý và cỏc thiết bị bờn ngoài, phõn biệt với nhau theo địa chỉ ◼ Bus hệ thống: A-Bus, D-Bus, C-Bus ◼ Độ rộng của A-Bus phản ỏnh khả năng quản lý bộ nhớ của vi xử lý ◼ Độ rộng của D-Bus phản ỏnh một phần tốc độ trao đổi dữ liệu ◼ Thiết kế hệ thống vi xử lý: Phần cứng và Phần mềm ◼ Phõn biệt vi xử lý với vi điều khiển (microcontroller) ◼ Embedded systems = Microprocessor-based systems