Tiết kiệm điện năng

Chia sẻ: Nguyen Xuan Minh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:122

Thêm vào BST

Báo xấu

136
lượt xem 50
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tiết kiệm điện năng

Chủ đề:

Tiết kiệm điện năng

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tiết kiệm điện năng

MỤC LỤC MỤC LỤC ........................................................................................................................... 1 Chƣơng 1 GIỚI THIỆU CHUNG ....................................................................................... 4 1.1. Các hệ đếm ............................................................................................................... 4 1.1.1. Hệ đếm thập phân (R = 10 hay hệ đếm Decimal) ............................................. 4 1.1.2. Hệ đếm nhị phân (R = 2 hay hệ đếm Binary) ................................................... 4 1.1.3. Hệ đếm 16 (R = 16 hay hệ đếm Hexa) ............................................................ 9 1.2. Các hệ thống mã hóa .............................................................................................. 11 1.2.1 Mã ASCII (American Standard Code for Information Interchange) - mã tiêu chuẩn cho trao đổi thông tin. ..................................................................................... 11 1.2.2 Mã nhị thập phân BCD (Binary Coded Decimal) ............................................ 13 1.3. Giới thiệu chung về hệ vi xử lý .............................................................................. 14 1.3.1 Sự ra đời và phát triển của các bộ vi xử lý ....................................................... 14 1.3.2 Sơ đồ khối cấu trúc và hoạt động của hệ vi xử lý ............................................ 16 Chƣơng 2 BỘ NHỚ BÁN DẪN ..................................................................................... 20 2.1. Thuật ngữ liên quan đến bộ nhớ ............................................................................. 20 2.2 Đại cƣơng về vận hành của bộ nhớ ......................................................................... 22 2.2.1 Các tác vụ và các nhóm chân của một IC nhớ ................................................. 22 2.2.2 Giao tiếp giữa IC nhớ và bộ xử lý trung tâm (CPU) ....................................... 24 2.3 Phân loại bộ nhớ ...................................................................................................... 25 2.3.1 Bộ nhớ cố định ................................................................................................. 25 2.3.2 Bộ nhớ bán cố định .......................................................................................... 29 2.3.3 Bộ nhớ đọc/viết ................................................................................................ 31 2.3.4 Bộ nhớ ngoài .................................................................................................... 32 2.2 Phân cấp bộ nhớ....................................................................................................... 32 2.4 Cấu trúc của mạch nhớ tĩnh SRAM......................................................................... 34 2.4.1 Giới thiệu công nghệ ........................................................................................ 34 2.4.2 Cấu trúc mạch nhớ SRAM ............................................................................... 34 2.4 Cấu trúc của mạch nhớ SRAM ................................................................................ 42 1
Câu hỏi và bài tập chƣơng 2 .......................................................................................... 46 Chƣơng 3: CÁC BỘ VI XỬ LÝ ........................................................................................ 47 3.1 Giới thiệu bộ vi xử lý 8 bit tổng quát ...................................................................... 47 3.2 Bộ vi xử lý 8086/8088 ............................................................................................. 47 3.2.1. Giới thiệu cấu trúc bên trong và hoạt động của bộ vi xử lý 8088 ................... 47 3.2.2. So sánh 8086 với 8088 .................................................................................... 56 3.2.3. Cách mã hoá lệnh của bộ vi xử lý 8088 .......................................................... 57 3.2.4 Các chế độ địa chỉ của bộ vi xử lý 8088 .......................................................... 60 3.2.5 Các tín hiệu của CPU 8088 .............................................................................. 66 3.2.6. Biểu đồ thời gian của chu kỳ đọc ghi số liệu .................................................. 71 3.3. Bộ vi xử lý nhúng 8 bit (họ 8051) .......................................................................... 73 3.3.1. Đặc điểm của vi điều khiển 8051 .................................................................... 73 3.3.2. Sơ đồ chân của MS8051 .................................................................................. 76 3.4. Giới thiệu các bộ vi xử lý tiên tiến ......................................................................... 81 3.4.1. Vi điều khiển AVR .......................................................................................... 81 Các đặc tính ................................................................................................................... 85 3.4.2. Giới thiệu PsoC ............................................................................................... 87 Chức năng.................................................................................................................. 87 3.5. Ghép nối bộ vi xử lý và bộ nhớ .................................................................................. 90 Chƣơng 4 CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ GHÉP NỐI DỮ LIỆU ........................................ 92 4.1 Vào/ra số liệu điều khiển vào ngắt .......................................................................... 92 4.1.1 Nguyên lý vào/ra điều khiển ngắt .................................................................... 92 4.1.2 Bộ điều khiển ngắt PIC (8259A) ...................................................................... 95 4.2 Vào/ra số liệu bằng thâm nhập bộ nhớ trực tiếp DMA ........................................... 97 4.2.1 Nguyên lý vào/ra bằng DMA ........................................................................... 97 4.2.2 Mạch DMAC 8237A ...................................................................................... 100 4.2.3 Ghép 8088 với DMAC và phƣơng pháp viết lệnh ......................................... 103 4.3 Bộ đếm lập trình đƣợc ........................................................................................... 104 4.3.1. Sơ đồ khối của bộ lập trình đƣợc .................................................................. 104 2
4.3.2. Các chế độ làm việc của bộ đếm lập trình .................................................... 104 4.4 Phối ghép vào ra nối tiếp ....................................................................................... 107 4.4.2 Nguyên lý vào ra nối tiếp ............................................................................... 107 4.4.2 Mạch thu phát thông tin nối tiếp USART(8251A)......................................... 109 Dị bộ ........................................................................................................................ 111 Độ dài ký tự ............................................................................................................. 111 Đồng bộ ................................................................................................................... 111 4.5 Phối ghép với thiết bị vào/ra qua cổng song song ................................................. 113 4.5.1 Ghép nối song song đơn giản ......................................................................... 113 4.5.2 Mạch phối ghép vào/ra song song lập trình đƣợc PPI ................................... 113 CHƢƠNG 5. THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI XỬ LÝ ......................................................... 117 5.1. Thiết kế phần cứng ............................................................................................... 117 5.2. Thiết kế phần mềm ............................................................................................... 119 5.2.1. ROM Mapping .............................................................................................. 119 5.2.2. RAM Mapping .............................................................................................. 120 5.3. Thiết kế các chƣơng trình hệ thống ...................................................................... 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 121 3
Chƣơng 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. Các hệ đếm Hệ đếm thông dụng nhất trong đời sống là hệ đếm cơ số 10 (thập phân – Decimal), sử dụng 10 ký tự số từ 0 đến 9. Trong các hệ thống máy tính, để xử lý, tính toán, ta sử dụng hệ đếm cơ số 2 (nhị phân – Binary), hệ cơ số 8 (bát phân – Octal), hệ cơ số 16 (Hexa). Tuy nhiên, việc nhập dữ liệu hay đƣa kết quả xử lý, ta lại dùng hệ đếm cơ số 10. Một số N trong một hệ đếm bất kỳ có n+l chữ số , trong đó gồm n chữ số thuộc phần nguyên và l chữ số thuộc phần thập phân, đƣợc triển khai theo công thức tổng quát: n 1 N a R k  l k k (1.1) trong đó: R là cơ số của hệ đếm ak là trọng của chữ số ở vị trí thứ k (0  ak < R) { ak }R = {0, 1, 2, 3, …, R – 1} l, n là số nguyên N = anan-1…a1a0,a-1a-2…a-l Theo công thức trên, các số đƣợc biểu diễn trong các hệ đếm khác nhau sẽ nhƣ sau: 1.1.1. Hệ đếm thập phân (R = 10 hay hệ đếm Decimal) { ak }D = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9} – gồm 10 trị 123,45D = 1 x 102 + 2 x 101 + 3 x 100 + 4 x 10-1 + 5 x 10-2 1.1.2. Hệ đếm nhị phân (R = 2 hay hệ đếm Binary) { ak }B = {0, 1} – gồm 2 trị 11011.01B = 1 x 24 + 1 x 23 + 0 x 22 + 0 x 21 + 1 x 20 + 0 x 2-1 + 1 x 2-2 = = 16 + 8 + 0 + 2 + 1 + 0 + 0,25 = 27,25D 4
Mỗi ký hiệu 0 hoặc 1 đƣợc gọi là đƣợc gọi là 1 Bit (Binary Digit – chữ số nhị phân). Kích cỡ của một số nhị phân là số bit của nó. Most significant Bit (MSB): Bit quan trọng nhất (bit cao nhất), bit ngoài cùng bên trái. Least significant Bit (LSB): Bit ít quan trọng nhất (bit thấp nhất), bit ngoài cùng bên phải. Ví dụ: 1 0 1 0 1 0 1 0 là một số nhị phân 8 bit MSB LSB a) Số nhị phân không dấu - Chỉ biểu diễn đƣợc các giá trị không âm ( ≥ 0) - Với n bit có thể biểu diễn đƣợc các giá trị từ 0 đến 2n – 1 Ví dụ: Giá trị V của một số nhị phân không dấu 1101 đƣợc tính: V(1101) = 1×23 + 1×22 + 0×21 + 1×20 = 8 + 4 + 0 + 1 = 13 Tổng quát: Nếu số nhị phân N có n bit: N = b(n-1) b(n-2) …b1 b0 thì giá trị V của nó là: V = b(n-1) ×2(n-1) + b(n-2) ×2(n-2) +…+ b1 ×21 + b0 ×20 Ví dụ: Viết mã nhị phân của số từ 0 đến 15. * Chuyển đổi thập phân sang nhị phân Ví dụ: Chuyển 2510 sang nhị phân không dấu. Dùng phƣơng pháp chia 2 liên tiếp, chia tới khi kết quả thƣơng bằng 0 thì dừng và viết phần dƣ theo chiều ngƣợc lại, kết quả là biểu diễn nhị phân của số thập phân. 5
Chia 2 Thƣơng số Số dƣ 25/2 = 2 1 LSB 12/2 = 6 0 6/2 = 3 0 3/2 = 1 1 1/2 = 0 1 MSB Kết quả: 11001 Ví dụ: Chuyển đổi số 0.8125 thành số nhị phân Thực hiện phép nhân liên tiếp với 2, phần nguyên của tích bao giờ cũng là các giá trị hoặc bằng “0” hoặc bằng “1”, thu đƣợc kết quả sau: 0.8125 x 2 = 1.625 = 1 + 0.625 MSB 0.625 x 2 = 1.25 = 1 + 0.25 0.25 x 2 = 0.5 = 0 + 0.5 0.5 x 2 =1 =1 + 0 LSB Kết quả: 0.1101 Ví dụ: Chuyển đổi số 0.8128 thành số nhị phân 0.8128 x 2 = 1.6256 = 1 + 0.6256 MSB 0.6256 x 2 = 1.2512 = 1 + 0.2512 0.2512 x 2 = 0.5024 = 0 + 0.5024 0.5024 x 2 = 1.0048 = 1 + 0.0048 LSB 0.0048 x 2 Quá nhỏ có thể bỏ qua 6
Kết quả: 0.1101 Lưu ý: Quá trình biến đổi này kết thúc khi phần phân số của tích số bằng 0, tuy nhiên, nếu quá kéo dài, tuỳ theo yêu cầu của độ chính xác dữ liệu khi tính toán và xử lý, có thể bỏ qua. b) Số nhị phân có dấu - Biểu diễn đƣợc tất cả giá trị âm. Nó còn gọi là số bù 2 - Với n bit có thể biểu diễn đƣợc các giá trị từ -2(n-1) đến 2(n-1) -1 Ví dụ: Giá trị V của một số nhị phân có dấu 1101 đƣợc tính: V(1101) = -1×23 + 1×22 + 0×21 + 1×20 = -8 + 4 + 0 + 1 = -3 Tổng quát: Nếu số nhị phân N có n bit: N = b(n-1) b(n-2) …b1 b0 thì giá trị V của nó là: V = -b(n-1) ×2(n-1) + b(n-2) ×2(n-2) +…+ b1 ×21 + b0 ×20 Ví dụ: Bảng 16 giá trị từ - 8 đến 7 7
* Tìm đối số (lấy bù 2) Tổng của một số với đối số của nó bằng 0 Ví dụ: Tìm đối số của số nhị phân có dấu 10011101 10011101 Số có dấu (-99) 01100010 Lấy bù 1 (đảo các chữ số trong số đó) + 1 Cộng 1 (lấy bù 2, tƣơng ứng với bù 1 cộng thêm 1) --------------- 01100011 Kết quả (+99) * Chuyển số thập phân sang nhị phân có dấu - Với số dương: giống nhƣ chuyển thập phân sang nhị phân không dấu rồi thêm bit 0 vào phía ngoài cùng bên trái. Ví dụ: Chuyển 25 sang số nhị phân có dấu. Kết quả: 011001 bit thêm vào - Với số âm: Chuyển đối số sang nhị phân có dấu rồi lấy bù 2 Ví dụ: Chuyển -26 sang nhị phân 1. Chuyển đối số: + 26 = 11010 2. Đƣa 0 vào sát bên trái 011010 3. Bù 1: 100101 4. Cộng 1: + 1 ---------------- -26 = 100110 8
Chú ý: - Trong hệ nhị phân có dấu số âm có bit MSB bằng 1, số dƣơng có bit MSB bằng 0 - Trong hệ nhị phân có dấu số âm là số bù 2 của số dƣơng tƣơng ứng c) Đơn vị 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 K = 210 = 1024 Kb (kilobit) = 1024 bit = 128 byte KB (kilobyte) = 1024 byte Kbps (kilobit per second): kilobit trên giây M = 220 = 1024 K = 1048576 Mb (megabit) = 1024 Kb = 1048576 bit MB (megabyte) = 1024 KB = 1048576 byte G = 230 = 1024 M = 1048576 K Gb (gigabit) = 1024 Mb = 1048576 Kb GB (gigabyte) = 1024 MB = 1048576 KB 1.1.3. Hệ đếm 16 (R = 16 hay hệ đếm Hexa) Hệ đếm 16 sử dụng 16 ký tự để biểu diễn: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F. 3A7,C H = 3 x 162 + 10 x 161 + 7 x 160 + 12 x 16-1 = = 768 + 160 + 7 + 0,75 = 935,75D Mỗi ký tự tƣơng ứng với 4 bit. Mục đích của hệ này để biểu diễn hệ nhị phân ở dạng ngắn gọn. 9
Ví dụ: Hệ nhị phân Hệ 16 11110000 = FO 10101010 = AA 01010101 = 55 Mỗi ký hiệu tương đương với 4 bit * Chuyển đổi Hexa và nhị phân Từ dạng Hexa chuyển đổi sang dạng nhị phân thì ta biểu diễn 1 số dạng hexa bằng 4 bit nhị phân Ngƣợc lại muốn chuyển đổi từ số nhị phân sang số Hexa thì ta nhóm 4 bit nhị phân từ trái qua phải, nếu cuối cùng không đủ 4 bit thì ta thêm bit 0 ở đầu để đủ. Mỗi nhóm 4 bit nhóm đƣợc sẽ biểu diễn một số dạng Hexa. Ví dụ: Chuyển số hexa 2F8 và ABBA sang số nhị phân Thay thế mỗi ký hiệu hexa bằng 4 bit tƣơng ứng với nó 2 F 8 0010 1111 1000 A B B A 10
1010 1011 1011 1010 Kết quả: 2F8 = 001011111000b ABBA = 1010101110111010b Ví dụ: Chuyển số nhị phân 1100101011111110 sang số hexa - Trƣớc hết theo hƣớng từ LSB về MSB chia số nhị phân đó thành nhóm 4 bit - Sau đó thay thế mỗi nhóm 4 bit bằng ký hiệu hexa tƣơng ứng với nó 1100 1010 1111 1110 C A F E Kết quả: 1100101011111110b = CAFEh 1.2. Các hệ thống mã hóa 1.2.1 Mã ASCII (American Standard Code for Information Interchange) - mã tiêu chuẩn cho trao đổi thông tin. Dùng để biểu diễn các ký tự (characters) gồm ký tự hiển thị đƣợc và ký tự điều khiển. Bảng mã ASCII tiêu chuẫn có 128 ký tự nên mỗi ký tự cần 7 bit để mã hóa. Bảng mã ASCII mở rộng có 256 ký tự (ký tự từ 0 - 127 đầu giống ASCII tiêu chuẩn, ký tự từ 128 – 255 là các ký tự đặc biệt ) nên mỗi ký tự cần 8 bit để mã hóa. Khi tra các bảng này ta đọc mã của ký tự theo thứ tự cột – hàng Mỗi ký tự đƣợc biểu diễn bằng 8 bit gọi là mã ASCII của ký tự đó. - Các chữ cái in và thƣờng: A…Z và a…z - Các chữ số thập phân: 0, 1, …, 9 - Các dấu chấm câu: ; , . : v.v… - Các ký tự điều khiển: carriage return (CR), line feed (LF), beep, … Với bảng mã đƣợc 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. 11
- Các chữ cái in: A…Z nằm liên tiếp nhau, chữ A có mã ASCII là 41h. - Các chữ cái thƣờng: a…z nằm liên tiếp nhau, chữ a có mã ASCII là 61h. - Mã ASCII của chữ in và chữ thƣờng tƣơng ứng chỉ khác nhau ở bit 6 A: 01000001 B: 01000010 Z: 01011010 a: 01100001 b: 01100010 z: 01111010 - 32 ký tự điều khiển đƣợc xếp đầu bảng mã (00h đến 1Fh) Bảng mã ASCII tiêu chuẩn | Dec 0 16 32 48 64 80 96 112 ROW | Bin 000 001 010 011 100 101 110 111 Dec Bin Hex | Hex 0 10 20 30 40 50 60 70 -------------+------------------------------------------------------ 0 0000 0 | NUL DLE SP 0 @ P ` p | 1 0001 1 | SOH XON ! 1 A Q a q | 2 0010 2 | STX DC2 " 2 B R b r | 3 0011 3 | ETX XOFF # 3 C S c s | 4 0100 4 | EOT DC4 $ 4 D T d t | 5 0101 5 | ENQ NAK % 5 E U e u | 6 0110 6 | ACK SYN & 6 F V f v | 7 0111 7 | BEL ETB ' 7 G W g w | 8 1000 8 | BS CAN ( 8 H X h x | 9 1001 9 | HT EM ) 9 I Y i y | 12
10 1010 A | LF SUB * : J Z j z | 11 1011 B | VT ESC + ; K [ k { | 12 1100 C | FF FS , < L \ l | | 13 1101 D | CR GS - = M ] m } | 14 1110 E | SO RS . > N ^ n ~ | 15 1111 F | SI US / ? O _ o DEL 1.2.2 Mã nhị thập phân BCD (Binary Coded Decimal) Mã BCD dùng để mã hóa các số thập phân bằng các ký hiệu nhị phân. Mỗi chữ số thập phân đƣợc 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, ví dụ nhƣ bộ giải mã BCD – LED bảy đoạn 7447. Bảng mã BCD Chú ý: Đừng nhầm mã hóa BCD với việc chuyển đổi thập phân sang nhị phân Ví dụ: Cho số thập phân 15 13
Mã BCD của nó là: 00010101 Số nhị phân không dấu 8 bit tƣơng ứng là: 00001111 1.3. Giới thiệu chung về hệ vi xử lý 1.3.1 Sự ra đời và phát triển của các bộ vi xử lý a) Thế hệ 1 (1971 -1973) Năm 1971, Intel đã cho ra bộ vi xử lý đầu tiên là 4004 (4 bit số liệu, 12 bit địa chỉ). Sau Intel và các nhà sản xuất khác cũng cho ra đời bộ vi xử lý khác: 4040, 8008 của Intel. PPS – 4, IPM – 16. Đặc điểm chung của các vi xử lý này: - Độ dài từ thƣờng là 4 bit. - Công nghệ chế tạo PMOS với đặc điểm phân tử nhỏ, tốc độ thấp, giá thành rẻ, dòng ra thấp. - Tốc độ thực hiện lệnh: 10 – 60 µs/lệnh, tốc độ xung đồng hồ 0.1 – 0.8 MHz - Tập lệnh đơn giản, cần nhiều vi mạch phụ trợ để tạo nên một hệ vi xử lý hoàn chỉnh. b) Thế hệ 2 (1974 – 1977) Bộ vi xử lý tiêu biểu là vi xử lý 8 bit 6502 của MOS Technology, 6800 và 6809 của Motorola, 8080 và 8085 của Intel, đặc biệt là bộ vi xử lý Z80 của Zilog. Đặc điểm: - Chế tạo theo công nghệ NMOS (có mật độ phân tử nhớ lớn hơn PMOS) - Tập lệnh phong phú, khả năng quản lý bộ nhớ 64 KB. - Có khả năng phân biệt 256 địa chỉ thiết bị ngoại vi. - Ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. - Công nghệ chế tạo NMOS hoặc CMOS, tiếc kiệm điện năng. - Tốc độ 1 –8 µs /lệnh, tốc độ xung đồng hồ 1 – 5 MHz. c) Thế hệ 3 (1978 – 1982) 14
Bộ vi xử lý là các vi xử lý 16 bit 8086, 186, 286 của Intel hoặc 68000, 68010 của Motolora. Đặc điểm: - Chế tạo theo công nghệ HMOS, là cải tiến của NMOS - Có các lệnh nhân, chia và thao tác với các chuỗi ký tự. - Khả năng quản lý bộ nhớ từ 1- 16 MB và 64 K địa chỉ thiết bị ngoại vi. - Sản xuất theo công nghệ HMOS. - Tốc độ xử lý 0.1 – 1 µs/lệnh với tần số f = 5 – 10 MHz. - Đƣợc dùng cho các máy tính IBM PC, PC/XT, PC/AX. d) Thế hệ 4 (1983 đến nay) Thế hệ náy có các bộ vi xử lý 32 bit (80386, 80486) và 64 bit Pentium của Intel, các vi xử lý 32 bit của Motolora là 68020, 68040, 68060. Đặc điểm: - Có khả năng làm việc với bộ nhớ ảo. - Cơ chế xử lý xen kẽ liên tục dòng mã lệnh, bộ nhớ cache. - Có bộ quản lý bộ nhớ và nhiều bộ đồng xử lý toán học bên trong. - Công nghệ sản xuất HCMOS. - Tất cả đều có bộ đồng xử lý toán học, bộ quản lý bộ nhớ MMU Chú ý: Một số thông số của các bộ vi xử lý (xem thêm bảng 2.1 sách vxl). Ngoài các bộ vi xử lý đƣợc dùng để xây dựng các máy tính với tập lệnh đầy đủ (Complex Instruction Set Computer – CISC) ở trên, còn các bộ vi xử lý cải tiến dùng để xây dựng các máy tính với tập lênh rút gọn (reduced RISC) với nhiều tính năng có thể so sánh với các máy tính thế hệ trƣớc. Các vi xử lý RISC là sự bắt đầu cho một thế hệ khác trong sự phát triển của các bộ vi xử lý. 15
1.3.2 Sơ đồ khối cấu trúc và hoạt động của hệ vi xử lý CPU M I/O Out In Abus Dbus Cbus Hình 1.1: Sơ đồ khối của hệ vi xử lý với các thanh ghi trong và ngoài Nhìn vào sơ đồ khối ta thấy rõ các khối chức năng chính của hệ vi xử lý bao gồm: - Khối xử lý trung tâm - Bộ nhớ - Khối phối ghép vào ra (I/O) - Các bus truyền thông tin Bộ vi xử lý (Microprocessor) hay còn gọi là CPU (Central Processing Unit – Đơn vị xử lý trung tâm) đóng vai trò chủ đạo trong hệ vi xử lý. Đây là một vi mạch điện tử có độ tích hợp rất cao. Khi hoạt động, CPU đọc các mã lệnh đƣợc ghi dƣới dạng các bit 0 và bit 1 từ bộ nhớ, sau đó CPU sẽ giải mã các lệnh này thành dãy các xung điều khiển ứng với các thao tác trong lệnh để điều khiển các khối thực hiện từng bƣớc các thao tác đó. CPU bao gồm tập hợp các khối mạch logic điều khiển, nó có chức năng giải mã lệnh và tạo các tín hiệu điều khiển hoạt động của toàn hệ thống, gọi là đơn vị điều khiển (CU - Control Unit); các mạch logic thực hiện các phép tính số học và logic, gọi là đơn vị số học – logic (ALU - Arithmetic and Logic Unit) và tập hợp các thanh ghi (Registers) có khả năng lƣu trữ tạm thời, trao đổi dữ liệu, xử lý dữ liệu với mức độ tích hợp khac nhau. Bộ nhớ bán dẫn (bộ nhớ trong) là bộ phận rất quan trọng của hệ vi xử lý. ROM có thể chứa các chƣơng trình điều khiển hoạt động của toàn hệ thống khi bật điện thì CPU có thể lấy lệnh từ đây mà khởi động hệ thống. Một phần của chƣơng trình điều khiển hệ thống, các chƣơng trình ứng dụng, dữ liệu cùng các kết quả chƣơng trình thƣờng đƣợc lƣu trữ 16
trong RAM. Khi mất điện thì các dữ liệu lƣu trữ trong RAM bị mất, do đó dữ liệu và chƣơng trình muốn lƣu trữ lâu dài sẽ đƣợc đặt ở bộ nhớ ngoài. Khối phối hợp ghép vào/ra (I/O – input/output) tạo ra khả năng giao tiếp giữa hệ vi xử lý với thế giới bên ngoài. Các thiết bị bên ngoài nhƣ bàn phim, chuột, máy in, ADC, DAC…đều liên hệ với vi xử lý qua bộ phận này. Bộ phận phối ghép giữa bus hệ thống với thế giới bên ngoài thƣờng gọi là cổng. Ba chức năng đầu liên hệ với nhau thông qua tập các đƣờng dây để truyền tín hiệu gọi chung là bus hệ thống. Bus hệ thống bao gồm 3 loại: Bus địa chỉ, bus dữ liệu, bus điều khiển. - Bus địa chỉ thƣờng có từ 16, 20, 24 đến 32 đƣờng dây song song mang thông tin về địa chỉ của ô nhớ hay một thiết bị vào ra mà CPU đang trao đổi thông tin. Thông tin về địa chỉ là do CPU phát ra chọn một ô nhớ hoặc một thiết bị vào/ra mà nó cần trao đổi thong tin. Khi đọc/ghi CPU sẽ đƣa ra trên bus này địa chỉ của ô nhớ liên quan. Khả năng phân biệt địa chỉ của CPU phụ thuộc vào số chân địa chỉ. Giả sử số chân địa chỉ là n thì số ô nhớ sẽ đƣợc định địa chỉ là: 2n . Khi đọc /ghi với các cổng vào/ra CPU cũng đƣa ra trên bus địa chỉ các bit địa chỉ tƣơng ứng của cổng. Chỉ có CPU mới có khả năng đƣa ra địa chỉ trên bus địa chỉ (trừ mạch DMA Controller). - Bus dữ liệu thƣờng có từ 8, 16, 20, 24, 32 đến 64 đƣờng dây tuỳ theo các bộ vi xử lý cụ thể. Số lƣợng đƣờng dây này quyết định số bit dữ liệu mà CPU có khả năng xử lý đồng thời. Chiều mũi tên trên hình vẽ chỉ ra rằng dây là bus 2 chiều. Các phần tử có đầu ra nối thẳng tới bus dữ liệu đều phải trang bị đầu ra 3 trạng thái để có thể ghép vào đƣợc và hoạt động bình thƣờng với bus này. - Bus điều khiển thƣờng gồm hàng chục đƣờng dây mang tín hiệu điều khiển khác nhau, nó dùng để truyền tín hiệu điều khiển để điều khiển hoạt động từ vi xử lý tới các khối MEMORY, I/O và lấy trạng thái của chúng. Mỗi tín hiệu điều khiển có một chiều nhất định. Hoạt động của hệ thống vi xử lý: Trong khi hoạt động và tại một thời điểm nhất định, về mặt chức năng của mỗi khối trong hệ thống trên giống nhƣ các thanh ghi trong hoặc 17
các thanh ghi ngoài. Hoạt động của toàn hệ thống thực chất là sự phối hợp hoạt động của các thanh ghi trong và ngoài để thực hiện sự biến đổi dữ liệu hoặc thay đổi dữ liệu theo các yêu cầu đã xác định trƣớc. Một lệnh của vi xử lý là chuỗi các bit 0 và 1 cung cấp cho vi xử lý để nó thực hiện một chức năng cơ bản. Chƣơng trình của hệ thống vi xử lý là tập hợp các lệnh đƣợc sắp xếp theo giải thuật của một bài toán hay một công việc nào đó. Máy tính PC ngày nay Hình 1.2: Sơ đồ máy tính PC ngày nay Máy tính ngày nay gồm các thành phần đƣợc nối ghép với nhau qua các chipset. Kiến trúc này nhằm mục đích phân chia các thành phần có tốc độ làm việc tƣơng đƣơng nhau 18
vào cùng một nhóm nhằm khai thác triệt để khả năng hoạt động của CPU và mọi thành phần trong hệ thống. Chipset là một chip tích hợp chức năng của nhiều con chíp làm nhiệm vụ điều khiển hoạt động giữa CPU và các lớp bộ nhớ. Câu hỏi ôn tập chƣơng 1 1. Tại sao phải sử dụng các hệ đếm khác nhau trong khi làm việc với máy tính PC ? 2. Trình bày các hệ đếm cơ bản sử dụng trong máy tính (hệ 10, hệ 2, hệ 8, hệ 16, hệ BCD) 3. Sự phát triển của các thế hệ VXL? Tại sao nói sự ra đời của Pentitum đã đánh dấu bƣớc ngoặt trong lịch sử phát triển của bộ VXL ? 4. Sơ đồ bộ VXL kinh điển (các thành phần, cấu tạo, hoạt động)? có thể có các biến thể của sơ đồ này không? 19
Chƣơng 2: BỘ NHỚ BÁN DẪN Bộ nhớ là một trong những thành phần quan trọng nhất của máy tính điện tử, dùng để lƣu trữ các lệnh sẽ thực hiện cũng nhƣ dữ liệu. Bộ nhớ đƣợc xây dựng từ các phần tử nhớ cơ bản, mỗi phần tử nhớ cơ bản có thể nhớ đƣợc 1 bit thông tin; Đó là các mạch điện có hai trạng thái cân bằng ổn định flip-flop (FF), flip-flop sẽ nằm mãi ở một trong hai trạng thái cân bằng nếu không có tín hiệu điện phù hợp kích thích vào làm cho nó phải thay đổi trạng thái. Bộ nhớ bán dẫn đƣợc sử dụng làm bộ nhớ chính trong các máy tính nhờ vào khả năng thỏa mãn tốc độ truy xuất dữ liệu của bộ xử lý trung tâm (CPU). 2.1. Thuật ngữ liên quan đến bộ nhớ Để tìm hiểu cấu tạo, hoạt động của bộ nhớ chúng ta bắt đầu với một số thuật ngữ liên quan đến bộ nhớ - Tế bào nhớ: là linh kiện hay một mạch điện tử dùng để lƣu trữ một bit đơn (0 hay 1). Thí dụ của một tế bào nhớ bao gồm: mạch FF (flip-flop), tụ đƣợc tích điện, một điểm trên băng từ hay đĩa từ. . . . - Từ nhớ: là một nhóm các bit (tế bào) trong bộ nhớ dùng biểu diễn các lệnh hay dữ liệu dƣới dạng một số nhị phân. Thí dụ một thanh ghi 8 FF là một phần tử nhớ lƣu trữ từ 8 bit. Kích thƣớc của từ nhớ trong các máy tính hiện đại có chiều dài từ 4 đến 64 bit. - Byte: từ 8 bit, đây là kích thƣớc thƣờng dùng của từ nhớ trong các máy vi tính. - Dung lượng: chỉ số lƣợng bit có thể lƣu trữ trong bộ nhớ. Thí dụ bộ nhớ có khả năng lƣu trữ 4.096 từ nhớ 20 bit, dung lƣợng của nó là (4096 x 20 = 81920 bit) - Địa chỉ: là số nhị phân dùng xác định vị trí của từ nhớ trong bộ nhớ. Mỗi từ nhớ đƣợc lƣu trong bộ nhớ tại một địa chỉ duy nhất. Địa chỉ luôn luôn đƣợc biểu diễn bởi số nhị phân, tuy nhiên để thuận tiện ngƣời ta có thể dùng số hex hay thập phân, bát phân. - Tác vụ đọc: (Read, còn gọi là fetch), một từ nhớ tại một vị trí nào đó trong bộ nhớ đƣợc truy xuất và chuyển sang một thiết bị khác. 20