zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Kiến trúc - Xây dựng

Vi xử lý máy vi tính - Chương 2

Chia sẻ: Trần Huân | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:5

Báo xấu

135
lượt xem 28
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bộ vi xử lí có mặt trong các máy vi tính là sự phát triển tiếp theo của bộ xử lí được dùng như là một bộ phận chủ chốt trong cácmáy tính của các thế hệ trước. Để nắm bắt được tính kế thừa và tính liên tục của sự phát triển này, trước khi giới thiệu về các bộ vi xử lí ta để ra một chút thời gian để giới thiệu về các loại máy tính nói chung.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Vi xử lý máy vi tính - Chương 2

Baìi soaûn Vi xæí lyï CHƯƠNG 2 MÁY VI TÍNH VÀ HỆ THỐNG VI XỬ LÝ Bộ vi xử lí có mặt trong các máy vi tính là sự phát triển tiếp theo c ủa bộ xử lí được dùng như là một bộ phận chủ chốt trong cácmáy tính c ủa các th ế h ệ tr ước. Đ ể nắm bắt được tính kế thừa và tính liên tục của sự phát triển này, trước khi gi ới thi ệu về các bộ vi xử lí ta để ra một chút thời gian để giới thiệu về các loại máy tính nói chung. 1. Từ máy tính lớn đến máy vi tính Như ta đã biết về kiến thức của máy tính nói chung, một máy tính (Computer) thông thường bao gồm các khối chức năng cơ bản như: khối xử lí trung tâm (CPU, central processing unit), bộ nhớ (M, Memory) và khối phối ghép với thi ết b ị ngo ại vi (I/O, input/output) . tuỳ theo quy mô phức tạp của các khối ch ức năng k ể trên mà người ta phân các máy điệ tử đã và đang sử dụng ra thành các loại sau: 1.1. Máy tính lớn Máy tính lớn (mainframe) là loại máy tính được thiết kế để giải các bài toán lớn với tốc đọ nhanh. Nó thường làm việc với số li ệu từ 64 bit ho ặc l ớn h ơn n ữa và đ ược trang bị bộ nhớ rất lớn. Chính vì vậy máy tính cũng l ớn v ề kích th ước v ật lý. Chúng thường được dùng để điều khiển các hệ thống thiết bị dùng trong quân sự hoặc các hệ thống máy móc của chương trình nghiên cứu vũ trụ, để xử lý các thông tin trong ngành ngân hàng, ngành khí tượng, các công ty bảo hiểm ... Tiêu bi ểu cho lo ại máy tính này là loại máy IBM 8341, honeywell DSP8. lo ại máy lớn nh ất trong các máy l ớn được gọi là supercomputer (như loại máy Y-MP/832 của Cray). 1.2. Máy tính con Máy tính con (minicomputer) là một dạng thu nhỏ về kích thước cũng như về tính năng của máy tính lớn. Nó ra đời nhằm thoả mãn các nhu cầu sử d ụng máy tính cho các ứng dụng vừa phải mà nếu dùng máy tính lớn vào đó thì s ẻ gây lãng phí. Do v ậy máy tính con thường làm việc với các dữ liệu có đọ dài từ 32 bit v ới t ốc đ ộ ch ậm h ơn và khả năng của bộ nhớ hạn chế hơn. Máy tính con thường được dùng cho các tính toán khoa học kỹ thuật, gia công dữ liệu quy mô nhỏ hay đ ể đi ều khi ển quy trình công nghệ. Tiêu biểu cho nhóm này là loại máy VAX 6360 của Digital Equipment Corporation và MV/8000II của Data genaral. 1.3.Máy vi tính Máy vi tính (Microcomputer) là loại máy tính rất thông dụng hiện nay. M ột máy vi tính có thể là một bộ vi điều khiển (microcontroller)., một máy vi tính trong m ột v ỏ mách (one- chip- microcomputer), và một hệ vi xử lí có khả năng làm vi ệc v ới s ố li ệu có độ dài 1 bit, 4 bit, 8 bit, 16 bit. Hi ện nay m ột s ố máy vi tính có tính năng có th ể so sánh được với máy tính con, làm việc với số liệu có độ dài từ là 32 bit (thậm chí là 64 bit). Ranh giới để phân chia giữa máy vi tính và máy tính con chính vì th ế ngày càng không rỏ nét. Một dặc điểm tiêu biểu để nhận biết máy vi tính là chúng đều sử d ụng các bộ xử lí trung tâm (CPU) được chế tạo bằng công nghệ mạch vi đi ện tử v ới m ức độ tổ hợp lớn, mạch VLSI (very large of integration) mà người ta quen g ọi là các b ộ vi xử lý (microcomputer, µP) Các bộ vi xử lý hiện có tên thị trường thường được xếp theo các h ọ ph ụ thu ộc vào các nhà sản xuất và chúng rất đa dạng về chủng loại. Nổi bật nhất trong các họ vi Trang 1
Baìi soaûn Vi xæí lyï xử lý đố là 2 họ của 2 nhà sản xuất hàng đầu n ổi ti ếng trong lĩnh v ực này, đó là h ọ vi xử lý 80x86 của Intel và họ vi xử lý 680xx của Motorola. Trong các chương sau chúng ta sẽ quan tâm chủ yếu đến các b ộ vi xử lý, các mạch phụ trợ và các hệ thống xây dựng trên cơ sở linh kiện của Intel, tuy thế sau đây cúng ta cũng sẽ giới thiệu lướt qua về lịch sử phát triển và các đặc đi ểm chung nh ất của các thế hệ vi xử lý từ trước đến nay. Cuối cùng chúng ta sẽ đ ưa ra b ảng t ổng k ết, trong đó nêu ra các thông số chính của các bộ vi xử ký thế hệ gần đây nhất c ủa 2 nhà cung cấp nổi tiếng la Intel và Motorola. 2. Sự phát triển của các bộ vi xử lý 2.1. Thế hệ 1 (1971-1973) Năm 1971, trong khi phát triển các vi mạch dùng cho máy tính c ầm tay, Intel đã cho ra đời bộ vi xử lý đầu tiên là 4004 ( 4 bit ) của Rockwell International, IPM-16 (16 bit) của National Semiconductor. Đặc điẻm chung của các vi xử lý thế hệ này là: • Độ dài từ thường là 4 bit (cũng có thể dài hơn) • Công nghệ chế tạo PMOS với đặc điểm mật độ phần tử nhỏ, tốc đ ộ thấp, giá thành rẻ và có khả năng đưa ra dòng tải nhỏ. • Tốc độ thực hiện lệnh: 10-16µs/lệnh với tần số đồng hồ fclk = 0,1- 0,8 MHz. • Tập lệnh đơn giản phải cần nhiều mạch phụ trợ mới tạo nên m ột hệ vi xử lý hoan chỉnh. 2.2. Thế hệ 2 (1974-1977) Các bộ vi xử lý đại diên trong thế hệ này là các vi xử lý 8 bit 6502 c ủa MOS Technology, 6800 và 6809 của Motorola, 8080 và 8085 của Intel và đặc biệt là bộ vi xử lý Z80 của Zilog. Các bộ vi xử lý này có tập lệnh phong phú h ơn và th ường có kh ả năng phân biệt địa chỉ bộ nhớ với dung lượng đến 64KB. Có một số bộ vi xử lý còn có khả năng phân biệt được 256 địa chỉ cho các thi ết bị ngo ại vi (h ọ Intel và Zilog). Chúng đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và nhất là đ ể tạo ra các máy tính 8 bit nỗi tiếng một thời như Apple II và Commodore 64. Tất c ả các b ộ vi x ử lý th ời kì này đều được sản xuất bằng công nghệ NMOS ( Với mật độ điện tủ trên m ột đơn v ị diện tích cao hơn so với công nghệ PMOS) hoặc CMOS ( tiết kiệm điện năng tiêu thụ) cho phép đạt được tốc độ từ 1-8 µs/lệnh với tần số đồng hồ fclk = 1-5 MHz. 2.3. Thế hệ 3 (1978-1982) Các bộ vi xử lý trong thế hệ này có đại diện là các bộ vi xử lý 16 bit 8086/80186/80286 của Intel hoặc 86000/86010 của Motorola. Một điều tiế bộ hơn hẳn so với các bộ vi xử lý 8 bit thế hệ trước là các bộ vi xử lý 16 bit có t ập l ệnh đa d ạng với các lệnh nhân, lệnh chia và các lệnh thao tác v ới chu ổi kí t ự. Kh ả năng phân bi ệt địa chỉ cho bộ nhớ hoặc cho thiết bị ngoại vi của các vi xử lý th ế h ệ này cũng l ớn h ơn ( từ 1MB đến 16 MB cho bộ nhớ và tới 64 K địa chỉ cho thi ết b ị ngo ại vi đ ối v ới h ọ Intel). Đây là các bộ vi xử lý được dùng trong các máy IBM PC, PC/XT, PC/AT và các máy Macintosh của Apple. Phần lớn các bộ vi xử lý trong th ế hệ này đ ều đ ược s ản xuất bằng công nghệ HMOS và cho phép đạt được tốc độ từ 0,1-1 µs/lệnh với tần số đồng hồ fclk =5-10 MHz. Trong thời kì này cũng xuất hiên các máy vi tính 8 bit trong m ột v ỏ nh ư 8048/49 và 6805R2 (mạch này còn có thêm cả ADC 12 bit cho 4 kênh đ ầu vào t ương t ự) ho ặc Trang 2
Baìi soaûn Vi xæí lyï các bộ vi điều khiển 1 bit trong vỏ như MC 14500B và 4 bit trong 1 v ỏ nh ư MC 141000. 2.4. Thế hệ 4 (1983-1999) Các bộ vi xử lý đại diện trong thế hệ này là các vi xử lý 32 bit 80386/80486 và 64 bit Pentium của Intel 60-66MHz, Intel P6 - Pentium Pro 120- 133 MHz, Intel Pentium 150- 166 - 200 MHz với các mỡ rộng cho multimedia, Intel Pentium II 233-450 MHz, Intel Pentium III 500-550 MHz. Ngày nay các thông số c ơ bản c ủa b ộ vi x ử lí ngày càng được cải thiện : tốc độ ngày càng cao ( các b ộ vi xử lí hi ện đ ại c ủa INTEL đã đạt tới tốc độ 800 MHz - 3GHz, độ rộng kênh thông tin dữ li ệu ngày càng l ớn nh ư : 32, 64 bit . Điều đó đã giúp cho bài toán thi ết jkế các bài toán thji ết k ếcác h ệ vi x ử lí chuyên dung với tính năng rang lain trở nên dễ dàng hơn. Song song với các hệ vi xử lí của hãng INTEL, hãng Motola cũng đưa ra các vi xử lý 32 bit 68020/68030/68040 và các vi xử lí 64 bit 68060/64. Ngày nay tốc độ c ủa các vi xử lí hi ện đ ại c ủa hãng MOTOROLA cũng đạt trên 3GHz. Đặc điểm của các bộ vi xử lý thế hệ này có s ố lượng transistor rất lớn ( từ vài 3 triệu đến trên 50 triệu transistor .Phần lain các b ộ vi xử lí mới thực hiện các lênh trong một chu kỳ, và thực tế taut c ả chúng đều có đơn v ị xử lí dấu phẩy động FPU (Floating-point Unit ) bên trong. Chúng có các thanh ghi chung 16-32 bit. Nhiều loại có phân biệt các tệp thanh nghi 32-bit ( register file ) cho đơn vị nguyên IU ( interger unit ) vaf teepj thanh ghi 32- bit cho FPU. Chúng có Cache memory bên trong với dung lượng lên tới 36 KB. Đa s ố Cache memory bên trong phân đôi : dùng cho lệnh Icache và dùng cho d ữ li ệu Dcache. Các b ộ vi x ử lí công nghệ cao hiện nay( advanced microprocessors) đã thoả mãn các yêu c ầu chế tạo các máy tính lớn ( mainframes ) và các siêu máy tính ( supercomputers). Các vi x ử lí th ời này có bus địa chỉ đều là 32 bit ( phân biệt 4 GB b ộ nh ớ) và có kh ả năng làm vi ệc v ới bộ nhớ ảo. Người ta cũng áp dụng các cơ chế ho ặc các c ấu trúc đã đ ược s ử d ụng trong các máy tính lớn vào các bộ vi xử lí : cơ chế xử lý xen kẽ liên tục dòng mã lệnh( pipeline), bộ nhớ cache (bộ nhớ ẩn), bộ nhớ ảo. Các bộ vi xử lý này đều có bộ quản lý bộ nhớ(MMU) và nhiều khi cả các bộ đồng xử lý toán học ở bên trong. Chính nhờ các cải tiến đó mà các bộ vi xử lý thế hệ này có khả năng cạnh tranh đ ược v ới các máy tính nhỏ trong rất nhiều lĩnh vực ứng dụng. Phần lớn các b ộ vi xử lý th ế h ệ này đều được sản xuất bằng công nghệ HCMOS. Một số thông số chính của các bộ vi xử lý của Intel và Motorola đ ược cho trong bảng 2.1 và 2.2. Bên cạnh các bộ vi xử lý vạn năng truyền thống thường được dùng đ ẻ xây d ựng các máy tính với tập lệhn đầy đủ ( complex instruction set computer, CISC) đã nói ở trên, trong thời gian này cũng xuất hiện các bộ vi xử lý cải ti ến dùng để xây d ựng các máy tính với tập lệnh rút gọn (reduced instruction set computer, RÍC) với nhiều tính năng có thể so sánh với các máy tính lớn ở các th ế hệ tr ước. Đó là các b ộ vi x ử lý Alpha của Digital, PowerPC của tổ hợp hãng Apple- Motorola- IBM... Có l ẽ hãy còn sớm, nhưng cũng đã có nhiều biểu hiện để có thể nói được rằng sự ra đ ời c ủa các vi xử lý loại RISC chính là sự bắt đầu cho một thế hệ khác trong lịch sử phát tri ển của các thế hệ vi xử lý. 3. Giới thiệu sơ lược cấu trúc và hoạt động của hệ vi xử lý Trang 3
Baìi soaûn Vi xæí lyï Trên đây bộ vi xử lý là một thành phần rất cơ bản không thi ếu được để tạo nên máy vi tính. Trong thực tế bộ vi xử lý còn phải có th ể k ết h ợp thêm v ới các bo ịo ph ận điện tử khác như bộ nhớ và bộ phối ghép vào/ra để tạo nên m ột hệ vi xử lý hoàn chỉnh. Cần lưu ý rằng để chỉ một hệ thống có cấu trúc như trên, thuật ngữ “h ệ vi xử lý” mang ý nghĩa tổng quát hơn so với thuật ngữ “máy vi tính”, vì máy vi tính ch ỉ là một ứng dụng cụ thể cảu hệ vi xử lý. Hình 2.1 giới thiệu sơ đồ khối tổng quát của một hệ vi xử lý. Trong sơ đồ naydf ta thấy rõ các khối chức năng chính của hệ vi xử lý gồm: + Khối xử lý trung tâm (central pgocessing unit,CPU) + Bộ nhớ bán dẫn (memory, M + Khối phối ghép với các thiết bị ngoại vi (input/ output,I/O)K + Các bus truyền thông tin. Ba khối chức năng đầu liên hệ với nhau thông qua qập các đ ường day đ ể truy ền tín hiệu gọi chung là Bus hệ thống. Bus hệ thống bao gồm 3 bus thành phần. Ứng với các tín hiệu địa chỉ, dữ liệu và điều khiển ta có bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển. CPU đóng vai trò chủ đạo trong hệ vi xử lý. Đây là m ột m ạch vi đi ện t ử có đ ộ tích hợp rất cao. Khi hoạt động, nó đọc mã lệnh được ghi dưới fạng các bit 0 và bit 1 từ bộ nhớ, sau đó nó sẽ giải mã các lệnh này thành các dãy xung điều khiển ứng với các thao tác trong lẹnh để điều khiển các khối khác thực hiện từng bước các thao tác đó. Để làm được việc này bên trong CPU có thanh ghi dùng đ ể ch ứa đ ịa ch ỉ c ủa l ệnh sắp thực hiện gọi là thanh ghi con trỏ lệnh (instruction pointer,IP) hoặc bộ đếm chương trình (program cuonter,PC), một số thanh ghi đa năng khác cùng bộ tính toán số học và logic (ALU) để thao tác với dữ liệu. Ngoài ra ở đây còn có các hệ thống mạch điện tử rất phức tạp để giải mã lệnh và từ đó tạo ra các xung điều khiển cho toàn hệ. Bộ nhớ bán dẫn hay còn gọi là bộ nhớ trong là một bộ phận khác rất quan trọng của hệ vi xử lý.Tại đây (trong ROM) ta có thể chứa chương trình đi ều khiển ho ạt động của toàn hệ để khi bật điện thì CPU có thể lấy lệnh từ đây mà kh ửoi đ ầu h ệ thống. Một phần của chương trình điều khiển hệ thống, các chui ương trình ứng dụng , dữ liệu cùng các kết quả của chương trình thường được để trong RAM. Các dữ liệu và chương trình muốn lưu trữ lâu dài sẽ được để ở bộ nhớ ngoài. Khối phối ghép vào/ra (I/O) tạo ra khả năng gaio tiếp giữa hệ vi xử lý với thế giới bên ngoài . Các thiết bị ngoại vi như bàn phím, chuột, màn hình, máy in, chuy ển đổi số tương tự (D/A converter, DAC) và chuyển đổi tương tự / số (A/D converter, ADC)., ổ đĩa từ... đều liên hệ với hệ vi xử lý qua bộ phận này. Bộ phận phối ghép c ụ thể giữa bus hệ thống với thế giới bên ngoài thường được gọi là cổng. Như vậy tra sẽ có các cổng vào để lấy thông tin từ ngoài vào và các cổng ra để đưa thông tin từ trong ra ngoài. Tùy theo nhu cầu cụ thể của công việc, các mạch c ổng này có th ể đ ược xây Trang 4
Baìi soaûn Vi xæí lyï dựng từ các mạch lôgic đơn giản hoặc từ các vi mạch chuyên dụng lập trình được . Bus địa chỉ thường có từ 16, 20,24 đến 32 đường dây song song chuyển t ải thông tin của các bit địa chỉ. Khi đọc/ghi bộ nhớ CPU sẽ đưa ra trên bus này đ ịa ch ỉ c ủa o nhớ liên quan. Khả năng phân biệt địa chỉ (số lượng địa chỉ cho ô nhớ mà CPU có khả năng phân biệt được) phụ thuộc vào số bit của bus địa chỉ. Ví dụ nếu m ột CPU có s ố đường dây địa chỉ là N=16 thì nó có khả năng địa chỉ hóa đ ược 2 N = 65536 =64 kilô ô nhớkhác nhau (1K= 210 =1024). Khhi đọc/ghi với cổng vào/ra CPU cũng đưa ra trên bú địa chỉ các bit địa chỉ tương uéng của cổng. Trên sơ đồ khối ta dễ nhận ra tính một chiều của bus địa chỉ qua một chiều của mũi tên. Chỉ có CPU mới có khả năng đưa ra địa chỉ trên bus địa chỉ( sau này ta sẽ thấy còn mạch DMAC, mạch điều khi ển trao đổi dữ liệu trực tiếp giữa bộ nhớ - thiết bị ngoại vi cũng có khả năng này). Bus dữ liệu thường có từ 8,16,20,24,32 đến 64 đường dây tùy theo các bộ vi xử lý cụ thể. Số lượng đường dây này quyết định số bit dữ liệu mà CPU có kh ả năng xử ký cùng một lúc. Chiều mũi tên trên sus số li ệu chỉ ra rằng đây là bus 2 chiều., nghĩa là dữ liệu có thể truyền đi từ CPU ( dữ liệu ra) hoặc truyền đến CPU (dữ liệu vào). Các phần tử có đầu ra nối thẳng với bus dữ liệu đều phải được trang bị đầu ra 3 tạng thái để có thể ghép vào được và hoạt động binbhf thường với bus này. Bus điều khiển thường gồm hàng chục đường dây tín hiệu khác nhau. M ỗi tín hiệu điều khiển có một chiều nhất định. Vì khi hoạt động CPU đưa tín hiệu điều khiển tới các khối khác trong hệ, đồng thời nó cũng nhận tín hi ệu đi ều khi ển t ừ các khối đó để phối hợp hoạtm dộng của toàn hệ nên các tín hiệu này trên hình v ẽ đ ược thể hiện bởi các đường có mũi tên 2 chiều, điều đó không phải là d ể ch ỉ tính hai chi ều của một tín hiệu mà là tính hai chiều của cả một nhóm các tín hiệu. Hoạt đọng của hệ thống vi xử lý trên cũng xó thể nhìn theo một cách khác. Trong khi hoạt động và tại một thời điểm nhất định, về mặt chức năng m ỗi khối trong h ệ thống trên tương đương với các thanh ghi trong ( nằm trong CPU) hoặc các thanh ghi ngoài (nằm rải rác trong bộ nhớ ROM, bộ nhớ RAM và trong khối ph ối ghép I/O). Hoạt động của toàn hệ thực chất là sự phối hợp hoạt động c ủa các thanh ghi trong và cngoài nói trên để thực hiện sự biến đổi dữ liệu hoặc sự trao đổi dữ liệu theo các yêu cầu đã định trước. Trang 5

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2431 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.