HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG ***** PHẠM HOÀNG DUY HOÀNG XUÂN DẬU BÀI GIẢNG KỸ THUẬT VI XỬ LÝ HÀ NỘI 2013 LỜI NÓI ĐẦU Các vi xử lý ngày sử dụng phổ biến công nghiệp đời sống hàng này, hệ thống tính tốn, hệ thống thơng tin liên lạc hệ thống điều khiển Bài giảng môn học Kỹ thuật vi xử lý tập trung giới thiệu vi xử lý Intel 8086 ghép nối tiêu biểu để tạo nên hệ vi xử lý Hệ vi xử lý dựa vi xử lý Intel 8086 tương đối đơn giản, dễ hiểu bổ ích cho việc tìm hiểu phát triển hệ vi xử lý phức tạp Bài giảng cấu trúc thành chương, với nội dung sau: Chương giới thiệu khái niệm tổng quan vi xử lý, hệ vi xử lý phận cấu thành hệ vi xử lý nói chung Chương tóm tắt q trình phát triển phân loại vi xử lý đến Chương trình bày chi tiết vi xử lý Intel 8086 bao gồm sơ đồ khối cách tổ chức nhớ Ngoài ra, chương giới thiệu tập lệnh x86 trình thực lệnh Chương cung cấp kiến thức để lập trình với vi xử lý 8086 cách giới thiệu cấu trúc chương trình cấu trúc rẽ nhánh lặp tiêu biểu kết hợp với ví dụ Chương tập trung giới thiệu phương pháp ghép nối vi xử lý 8086 với thiết bị khác để tạo thành hệ vi xử lý Chương trình bày chu trình đọc/ghi vi xử lý 8086 Đây sở để tiến hành ghép nối liệu với thiết bị khác nhớ hay thiết bị vào/ra khác Chương giới thiệu chế truyền thông nối tiếp phương pháp ghép nối với vi xử lý 8086 Chương cung cấp kiến thức phương pháp trao đổi liệu với thiết bị ghép nối với hệ vi xử lý nói chung bao gồm vào/ra thăm dị (lập trình), vào/ra sử dụng ngắt vào/ra trực tiếp nhớ Trong ba phương pháp, vào/ra trực tiếp nhớ cho phép trao đổi khối lượng liệu lớn với tốc độ cao cần có vi mạch hỗ trợ đặc biệt Chương giới thiệu vi mạch trợ giúp cho phương pháp vào vi mạch điều khiển ngắt, vi mạch điều khiển vào trực tiếp nhớ Chương trình bày sơ khái niệm hệ vi điều khiển (hay hệ vi xử lý vi mạch) Chương cịn cung cấp thơng tin hệ vi điều khiển Intel 8051 số ứng dụng Chương 7, chương cuối cùng, giới thiệu số vi xử lý tiên tiến Sun Microsystems Intel dựa kiến trúc IA-32 IA-64, số công nghệ giới thiệu vi xử lý tiên tiến Tài liệu biên soạn dựa “Kỹ thuật Vi xử lý” tác giả Văn Thế Minh, tài liệu tham khảo khác, dựa trao đổi kinh nghiệm giảng dạy với đồng nghiệp phản hồi sinh viên Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Tài liệu dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên đại học, cao đẳng ngành cơng nghệ thơng tin Trong q trình biên soạn, dù có nhiều cố gắng song khơng tránh khỏi thiếu sót, nhóm tác giả mong nhận góp ý cho thiếu sót ý kiến cập nhật hoàn thiện nội dung tài liệu Hà nội, 2013 Nhóm tác giả MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC Chương TỔNG QUAN VỀ VI XỬ LÝ VÀ HỆ VI XỬ LÝ GIỚI THIỆU VỀ VI XỬ LÍ HỆ VI XỬ LÍ CÁC ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC CỦA VI XỬ LÍ 10 3.1 Cấu trúc 10 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 Các ghi 10 Đơn vị xử lý số học lơ-gíc ALU 11 Đơn vị điều khiển CU 11 Kiến trúc RISC CISC 12 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ PHÂN LOẠI CÁC BỘ VI XỬ LÍ 13 4.1 Giai đoạn 1971-1973 13 4.2 Giai đoạn 1974-1977 14 4.3 Giai đoạn 1978-1982 14 4.4 Giai đoạn 1983-1999 14 4.5 Giai đoạn 2000-2006 15 4.6 Giai đoạn 2007-nay 16 Chương BỘ XỬ LÝ INTEL 8086 17 CẤU TRÚC BÊN TRONG CỦA 8086 17 1.1 Sơ đồ khối 17 1.1.1 Đơn vị giao tiếp bus BIU đơn vị thực thi EU 17 1.1.2 Các ghi 18 1.2 Phân đoạn nhớ 8086 20 BỘ ĐỒNG XỬ LÍ TỐN HỌC 8087 22 TẬP LỆNH CỦA 8086 23 3.1 Khái niệm lệnh, mã hố lệnh q trình thực lệnh 23 3.2 Các chế độ địa 8086 24 3.2.1 Chế độ địa ghi 25 3.2.2 Chế độ địa tức 25 MỤC LỤC 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.6 3.2.7 3.2.8 Chế độ địa trực tiếp 25 Chế độ gián tiếp qua ghi 25 Chế độ địa tương đối sở 26 Chế độ địa tương đối số 26 Chế độ địa tương đối số sở 27 Phương pháp bỏ ngầm định ghi đoạn 27 3.3 Tập lệnh 8086 27 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 Các lệnh trao đổi liệu 28 Các lệnh tính tốn số học lơ gíc 29 Điều khiển, rẽ nhánh lặp 33 Điều khiển vi xử lý 34 NGẮT VÀ XỬ LÍ NGẮT TRONG 8086 34 4.1 Sự cần thiết phải ngắt CPU 34 4.2 Các loại ngắt hệ 8086 35 4.3 Đáp ứng CPU có yêu cầu ngắt 36 4.4 Xử lý ưu tiên ngắt 37 Chương LẬP TRÌNH HỢP NGỮ VỚI 8086 39 GIỚI THIỆU KHUNG CỦA CHƯƠNG TRÌNH HỢP NGỮ 39 1.1 Cú pháp chương trình hợp ngữ 39 1.2 Dữ liệu cho chương trình 40 1.2.1 Biến 40 1.2.2 Khung chương trình hợp ngữ 43 CÁCH TẠO VÀ CHẠY CHƯƠNG TRÌNH HỢP NGỮ 50 CÁC CẤU TRÚC LẬP TRÌNH CƠ BẢN 51 3.1 Cấu trúc 52 3.2 Cấu trúc IF - THEN 52 3.3 Cấu trúc IF - THEN - ELSE 53 3.4 Cấu trúc CASE 53 3.5 Cấu trúc lặp FOR - DO 54 3.6 Cấu trúc lặp WHILE - DO 55 3.7 Cấu trúc lặp REPEAT - UNTIL 56 MỘT SỐ VÍ DỤ 57 4.1 Ví dụ 58 4.2 Ví dụ 59 MỤC LỤC 4.3 Ví dụ 60 4.4 Ví dụ 62 4.5 Ví dụ 63 Chương PHỐI GHÉP VI XỬ LÍ VỚI BỘ NHỚ VÀ CÁC THIẾT BỊ VÀO/RA 64 CÁC TÍN HIỆU CỦA VI XỬ LÍ VÀ CÁC MẠCH PHỤ TRỢ 64 1.1 Các tín hiệu 8086 64 1.2 Phân kênh để tách thông tin việc đệm cho bus 68 1.3 Mạch tạo xung nhịp 8284 69 1.4 Mạch điều khiển bus 8288 71 1.5 Biểu đồ thời gian lệnh ghi/đọc 72 PHỐI GHÉP VI XỬ LÍ VỚI BỘ NHỚ 74 2.1 Giới thiệu nhớ 74 2.2 Giải mã địa cho nhớ 76 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 Giới thiệu 76 Thực mạch giải mã mạch lơ-gíc đơn giản 77 Thực giải mã dùng mạch giải mã tích hợp 78 Thực giải mã dùng PROM 80 PHỐI GHÉP VI XỬ LÍ VỚI THIẾT BỊ VÀO RA 81 3.1 Giới thiệu thiết bị vào/ra 81 3.2 Giải mã địa thiết bị vào 82 3.2.1 Giới thiệu 82 3.2.2 Các mạch cổng đơn giản 83 GIỚI THIỆU MỘT SỐ VI MẠCH HỖ TRỢ VÀO RA 85 4.1 Ghép nối song song dùng 8255A 85 4.1.1 Giới thiệu 85 4.1.2 Lập trình 8255A 89 4.2 Truyền thông nối tiếp 90 4.2.1 Mạch USART 8251A 92 Chương CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀO RA DỮ LIỆU 98 GIỚI THIỆU 98 VÀO/RA BẰNG PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ 99 VÀO/RA BẰNG NGẮT 100 3.1 Giới thiệu 100 MỤC LỤC 3.2 Bộ xử lý ngắt ưu tiên PIC 8259A 100 3.2.1 Các khối chức 8259A 100 3.2.2 Các tín hiệu 8259A 101 3.2.3 Lập trình cho PIC 8259A 102 VÀO/RA BẰNG TRUY NHẬP TRỰC TIẾP BỘ NHỚ 110 4.1 Khái niệm phương pháp truy nhập trực tiếp vào nhớ 110 4.2 Các phương pháp trao đổi liệu 112 4.2.1 Trao đổi mảng liệu 112 4.2.2 Treo CPU để trao đổi byte 113 4.2.3 Tận dụng thời gian CPU không dùng bus để trao đổi liệu 113 4.3 Bộ điều khiển truy nhập trực tiếp nhớ Intel 8237A 113 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 Giới thiệu 113 Các tín hiệu 8237A 114 Các ghi bên DMAC 8237A 116 Các lệnh đặc biệt cho DMAC 8237A 120 Lập trình cho ghi địa ghi số đếm 121 Chương CÁC BỘ VI ĐIỀU KHIỂN 124 GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC HỆ NHÚNG 124 1.1 Giới thiệu 124 1.2 Các kiểu vi điều khiển 124 HỌ VI ĐIỀU KHIỂN Intel 8051 125 2.1 Sơ đồ khối 126 2.2 Các ghi 128 2.3 Tập lệnh 129 GIỚI THIỆU MỘT SỐ ỨNG DỤNG TIÊU BIỂU CỦA VI ĐIỀU KHIỂN 129 3.1 Chuyển đổi số tương tự (D/A) 129 3.2 Chuyến đổi tương tự số (A/D) 131 Chương GIỚI THIỆU MỘT SỐ VI XỬ LÍ TIÊN TIẾN 133 CÁC VI XỬ LÍ TIÊN TIẾN DỰA TRÊN KIẾN TRÚC INTEL IA-32 133 1.1 Giới thiệu IA-32 133 1.2 Các vi xử lý hỗ trợ IA-32 135 CÁC VI XỬ LÍ TIÊN TIẾN DỰA TRÊN KIẾN TRÚC INTEL IA-64 136 CÁC VI XỬ LÍ TIÊN TIẾN CỦA SUN MICROSYSTEMS 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO 141 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VI XỬ LÍ VÀ HỆ VI XỬ LÍ Chương TỔNG QUAN VỀ VI XỬ LÝ VÀ HỆ VI XỬ LÝ GIỚI THIỆU VỀ VI XỬ LÍ Một máy tính thơng thường bao gồm khối chức bản, khối xử lí trung tâm (CPU - Central Processing Unit), nhớ khối phối ghép với thiết bị ngoại vi (I/O - Input/Output) Tuỳ theo quy mô, độ phức tạp hiệu khối chức kể mà người ta chia máy tính điện tử sử dụng thành loại sau: Máy tính lớn (Mainframe) loại máy tính thiết kế để giải toán lớn với tốc độ cao Máy tính thường làm việc với số liệu từ 64 bít lớn trang bị nhiều xử lý tốc độ cao nhớ lớn Chính máy tính lớn kích thước vật lý Chúng thường dùng để tính tốn điều khiển hệ thống thiết bị dùng quân chương trình nghiên cứu vũ trụ, để xử lý thông tin ngành ngân hàng, ngành khí tượng, cơng ty tài chính, chứng khốn, bảo hiểm Máy tính (Minicomputer) dạng thu nhỏ kích thước tính máy tính lớn Nó đời nhằm thoả mãn nhu cầu sử dụng máy tính cho ứng dụng vừa phải mà dùng máy tính lớn vào gây lãng phí Máy tính thường dùng cho tính tốn khoa học kỹ thuật, gia công liệu quy mô nhỏ hay để điều khiển quy trình cơng nghệ Máy vi tính (Microcomputer) loại máy tính thơng dụng Một máy vi tính vi điều khiển (Microcontroller), máy tính vi mạch (one-chip microcomputer), hệ vi xử lí có khả làm việc với số liệu có độ dài bít, bít, bít, 16 bít lớn Hiện nay, số loại máy vi tính có lực xử lý tương đương với máy tính con, làm việc với số liệu có độ dài từ 32 bít 64 bít Ranh giới để phân chia máy vi tính máy tính ngày không rõ nét Các vi xử lý có tên thị trường thường xếp theo họ phụ thuộc vào nhà sản xuất chúng đa dạng chủng loại Các nhà sản xuất vi xử lý tiếng kể tới hãng Intel với vi xử lý họ x86, Core, Core i; Motorola với vi xử lý họ 680xx; Sun Microsystems với họ vi xử lý SPARC AMD với vi xử lý Althlon Phenom Tính đến thời điểm chương trình viết cho tập lệnh x86 tương thích Intel chiếm tỷ lệ áp đảo mơi trường máy vi tính HỆ VI XỬ LÍ Bộ vi xử lý thành phần bản, không thiếu để tạo nên máy vi tính Tuy nhiên, thực tế vi xử lý cịn phải kết hợp thêm với phận điện tử khác nhớ phối ghép vào/ra để tạo nên hệ vi xử lý (Microprocessing system) hoàn chỉnh Cần lưu ý rằng, để hệ thống có cấu trúc trên, thuật ngữ “hệ vi xử lý” mang CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VI XỬ LÍ VÀ HỆ VI XỬ LÍ ý nghĩa tổng quát so với thuật ngữ “máy vi tính”, máy vi tính dạng cụ thể hệ vi xử lý Hình 1-1 giới thiệu sơ đồ khối tổng quát hệ vi xử lý Bus liệu Bus điều khiển Bộ xử lý trung tâm Bộ nhớ (ROM-RAM) (CPU) Phối ghép vào/ra (I/O) Thiết bị vào Thiết bị Thanh ghi Thanh ghi Thanh ghi Bus địa Hình 1-1 Sơ đồ khối hệ vi xử lý Trong sơ đồ Hình 1-1, ta thấy rõ khối chức hệ vi xử lý gồm:  Khối xử lý trung tâm (CPU);  Bộ nhớ bán dẫn (ROM-RAM);  Khối phối ghép với thiết bị ngoại vi (I/O Interface);  Các bus truyền thông tin địa chỉ, liệu điều khiển Ba khối chức CPU, Bộ nhớ Khối phối ghép liên hệ với thông qua tập đường dây để truyền tín hiệu gọi chung Bus hệ thống (System bus) Bus hệ thống bao gồm bus thành phần bus địa chỉ, bus liệu bus điều khiển tương ứng để truyền dẫn tín hiệu địa chỉ, liệu điều khiển CPU đóng vai trị chủ đạo hệ vi xử lý Đây mạch vi điện tử có mật độ tích hợp cao có khả lập trình Khi hoạt động, CPU đọc mã lệnh ghi dạng bít bít từ nhớ, sau giải mã lệnh thành dãy xung điều khiển ứng với thao tác lệnh để điều khiển khối khác thực bước ... “hệ vi xử lý” mang CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VI XỬ LÍ VÀ HỆ VI XỬ LÍ ý nghĩa tổng quát so với thuật ngữ “máy vi tính”, máy vi tính dạng cụ thể hệ vi xử lý Hình 1-1 giới thiệu sơ đồ khối tổng quát hệ vi. .. cơng nghệ Máy vi tính (Microcomputer) loại máy tính thơng dụng Một máy vi tính vi điều khiển (Microcontroller), máy tính vi mạch (one-chip microcomputer), hệ vi xử lí có khả làm vi? ??c với số liệu... KIẾN TRÚC INTEL IA-32 133 1.1 Giới thiệu IA-32 133 1.2 Các vi xử lý hỗ trợ IA-32 135 CÁC VI XỬ LÍ TIÊN TIẾN DỰA TRÊN KIẾN TRÚC INTEL IA-64 136 CÁC VI XỬ LÍ TIÊN TIẾN