Vi Xử Lý và Cấu Trúc Máy Tính chương 01

Chia sẻ: Nguyễn Duy Tân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

111
lượt xem 19
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khoảng 500 năm trước Công nguyên, người Babylon đã chế tạo được máy tính đầu tiên có tên là Abacus. Năm 1643, Blaise Pascal chế tạo MT tạo bởi các bánh răng, trong đó số răng của bánh nọ gấp 10 lần số răng của bánh kia, nguyên lý này sau được sử dụng để chế tạo các đồng hồ đo quãng đường của motor, đồng hồ đo điện/nước…

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Vi Xử Lý và Cấu Trúc Máy Tính chương 01

THÔNG TIN MÔN HỌC Giáo trình và tài liệu tham khảo: 1. Ngô Diên Tập (Chủ biên), “Giáo trình Vi xử lý và cấu trúc MT”, NXB Giáo dục, 2007. 2. Barry B. Brey, “The Intel microprocessor 8086/8088, 80186 Brey The Intel microprocessor 8086/8088 80186 ĐH CNKT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG K5 /80188, 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium Pro – Architecture, Programming and Interfacing”, Practice Hall, 4th edition, 1997. 1997 Giảng viên: Kiều Xuân Thực Khoa Điện tử Đại học công nghiệp Hà Nội 3. M.M. Mano, C. R. Kime, “Logic and computer design fundamentals”, Practice Hall, 2004. 3 Faculty of Electronic Engineering HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY THÔNG TIN CHUNG MÔN HỌC Giảng viên: Phần mềm cần thiết: Họ tên: KIỀU XUÂN THỰC 8086 emulator 8086 emulator Email: thuckx@yahoo.com; VP: Tầng 12-A1 Proteus Mục tiêu môn học: Đánh giá: Biểu diễn thông tin trong máy tính di thông tin trong máy tính Đánh giá quá trình (kiểm tra, thí nghiệm, chuyên cần, thi Cấu trúc & hoạt động của máy tính dựa trên vi xử lý giữa kỳ): hệ số 1 Bộ vi xử lý 8086: cấu trúc và nguyên lý hoạt động Thi kết thúc HP (project + vấn đáp): hệ số 2 thúc HP (project Lập trình hợp ngữ (assembly) cho vi xử lý họ 80x86 Bộ nhớ & ghép nối bộ nhớ với vi xử lý Và Vào/ra dữ liệu li Ngắt và xử lý ngắt của 8086 Phân tích/Thiết kế được các hệ thống đo lường/điều khiển sử dụng 8086 2 4 Faculty of Electronic Engineering Faculty of Electronic Engineering HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY
YÊU CẦU ĐỐI VỚI SINH VIÊN Nội dung: 1. Lịch sử phát triển của máy tính 1. Đọc kỹ bài trong giáo trình trước khi đến lớp 2. Thông tin & biểu diễn thông tin trong MT 2. Làm các bài tập cuối mỗi chương và đọc tài tài liệu tham khảo theo yêu cầu 3. Kiến trúc MT điển hình 3. Hiểu bài tại lớp 4. Các thiết bị ngoại vi thông dụng 5 Faculty of Electronic Engineering Faculty of Electronic Engineering HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY 1. Lịch sử phát triển của MT Thế hệ máy tính cơ khí: Khoảng 500 năm trước Công nguyên, người Babylon đã CHƯƠNG 1 chế tạo được máy tính đầu tiên có tên là Abacus TỔNG QUAN VỀ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Năm 1643, Blaise Pascal chế tạo MT tạo bởi các bánh Bl răng, trong đó số răng của bánh nọ gấp 10 lần số răng của bánh kia, nguyên lý này sau được sử dụng để chế tạo các đồng hồ đo quãng đường của motor, đồng hồ đo điện/nước… 8 Faculty of Electronic Engineering HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY
Thế hệ máy tính cơ điện - điện tử: Sau năm 1971, Intel sản xuất bộ VXL 8 bit tên là 8008: quản lý được 16KB bộ nhớ, tập lệnh gồm 48 lệnh. Năm 1889, Herman Holerith phát minh ra card đục lỗ dùng để lưu trữ 1889 Herman Holerith phát minh ra card đụ dùng để tr Năm 1973, hãng Intel giới thiệu bộ VXL 8 bit hiện đại đầu tiên có tên là dữ liệu, sau đó ông chế tạo MT cơ khí được điều khiển bởi một motor 8080, tốc độ xử lý là 500KIPS, quản lý được 64KB bộ nhớ. Năm 1977, điện, nó có thể thực hiện được các phép đếm, sắp xếp và so sánh Intel phát triển bộ vi xử lý 8085 (tương thích với Z80 của hãng Zilog) là thông tin lưu trong card đục lỗ. bộ VXL 8 bit đa dụng nhanh hơn 8080. VXL bit nhanh 8080. Năm 1942, Konrad Zure chế tạo ra máy tính điện tử Z3 dùng cho không Năm 1978, Intel giới thiệu bộ VXL16 bit tên là 8086 có tốc độ xử lý là quân Đức. 2,5MIPS (Millions Instruction Per Second – triệu lệnh/giây) và có thể Năm 1943, Alan Turing phát minh ra hệ thống MT điện tử có tên là quản lý được 1MB bộ nhớ. Bộ vi xử lý 80286 cũng là bộ VXL16 bit Collossus được thiết kế từ các đèn điện tử chân không, đây là một máy thi khô là nhưng nó có thể quản lý được tới 16MB bộ nhớ. tính chuyên dụng thực hiện theo một chương trình cố định để giải mã Năm 1986, Intel giới thiệu VXL 32 bit có tên là 80386 có thể quản lý các bí mật quân sự của Đức quốc xã. được 4GB bộ nhớ. Năm 1989, Intel giới thiệu bộ VXL 80486 có thể Máy tính điện tử đa dụng đầu tiên – hệ MT lập trình được − được phát Máy tính đầ tiên MT trình đượ phát th hi đượ 50MIPS thực hiện được 50MIPS. Năm 1993, Intel giới thiệu 80586 (còn gọi là 1993 Intel gi thi 80586 (còn là triển bởi Đại học Pennsylvania có tên là ENIAC (Electronics Numerical Pentium) có thể thực hiện được 110MIPS và có thể thực hiện được Integrator And Calculator). Đây là một MT lớn chứa hơn 17000 đèn đồng thời một lúc hai lệnh (hai lệnh độc lập nhau) vì bên trong có tới hai điện tử, nặng 30 tấn và có thể thực hiện được 100.000 thao tác /s. bộ xử lý số nguyên (công nghệ superscalar). ENIAC được lập trình bằng cách nối lại mạch điện bởi các công nhân. ENIAC 9 11 Faculty of Electronic Engineering Faculty of Electronic Engineering HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Thế hệ máy tính dùng vi xử lý: Năm 2003, Intel đã xuất xưởng VXL Pentium IV có tốc độ 3,06MHz với kiến trúc đa luồng (HT − hyper threading − đa luồng – 01 VXL vật lý Năm 1948, transistor được phát minh, đến năm 1958, Jack Kilby phát minh ra mạch tổ hợp – cơ sở để phát triển các IC tương đương như 02 VXL logic) để nâng cao hiệu suất sử dụng các nh 02 VXL logic) để nâng cao hi các số. khối chức năng bên trong VXL. Năm 1971, Marcian T.Hoff một kỹ sư của Intel đã thiết kế ra Việc tăng tần số làm việc của các VXL để tăng tốc độ làm việc của máy bộ VXL 4004 – mở đầu cho thời kỳ sử dụng VXL trong máy tính tính cũng đã đến mức tới hạn nên các hãng sản xuất đã chuyển từ đế nên các hãng xu chuy tính. 4004 là bộ VXL 4 bit, bên trong nó gồm 2300 transistor, hướng tăng tần số làm việc sang thiết kế các bộ VXL nhiều lõi/ nhân, có thể quản lý được bộ nhớ có 4096 (4K) ô nhớ 4 bit, tập lệnh mỗi bộ VXL lúc này thực chất là nhiều bộ VXL (multi core – nhiều lõi) của 4004 gồm 45 lệnh khác nhau, nó được chế tạo theo công đóng vỏ chung trong một vi mạch. nghệ MOS-FET kênh P có tốc độ xử lý là 50KIPS (Kilo h Đầu năm 2006, Intel đã xuất xưởng bộ VXL 64 bit hai nhân, gọi tắt là Instruction Per Second – nghìn lệnh/giây). 4004 được dùng để duo (viết tắt của dual core – hai lõi) thiết kế các hệ thống video game, MT bỏ túi, hệ thống điều Các bộ vi xử lý bốn nhân (quad core) được SX: core i5, i7 khiển nhỏ dùng VXL. … Trên cơ sở 4004, hãng Intel sản xuất bộ VXL 4040, đây cũng là bộ VXL 4 bit nhưng có tốc độ cao hơn 4004. 10 12 Faculty of Electronic Engineering Faculty of Electronic Engineering HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY
CHUYỂN ĐỔI HỆ ĐẾM 2. Thông tin & biểu diễn thông tin trong MT CÁC HỆ ĐẾM: Hệ 2 sang hệ 10 (bnbn-1….b1b0)B = bn × 2n + bn-1 × 2n-1 + … + b1 × 21 + b0 × 20 Hệ thập phân: dùng các số trong phạm vi từ 0 Hệ 10 sang hệ 2 đến 9 để biểu diễn các giá trị. Vd: 5934 = 5.103 + 9.102 + 3.101 + 4.100 Số nguyên: Lấy số cần chuyển chia cho 2 và ghi nhớ phần dư, tiếp theo lấy thương của phép chia trước đó chia cho 2 và Hệ nhị phân: chỉ sử dụng 2 số là 0 và 1 để biểu ghi nhớ phần dư... cứ tiếp tục cho đến khi thương bằng 0. Kết diễn các giá trị số. quả của phép chuyển đổi chính là dãy các số dư lấy theo thứ tự Vd: 101011 = 1.25 + 0.24 + 1.23 + 0.22 + 1.21 + 1.20 = 43 trong 101011 43 đả đảo ngược. hệ thập phân. Số thực: Hệ thập lục phân: hệ đếm cơ số 16 sử dụng các • Phần nguyên: như chuyển số nguyên số từ 0 đến 9 và các chữ cái từ A đến F để biểu • Phần thập phân: nhân 2, ghi nhớ phần nguyên, tiếp theo lấy diễn các số. phần thập phân nhân 2 và ghi nhớ phần nguyên… Kết quả của phép chuyển đổi chính là dãy các số phần nguyên của các phép nhân. 13 15 Faculty of Electronic Engineering Faculty of Electronic Engineering HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Bảng 1.2. Tương quan giữa hệ thập phân và hệ thập lục phân Hệ thập phân Hệ thập lục phân Hệ thập phân Hệ thập lục phân 0 0 9 9 1 1 10 A 2 2 11 B 3 3 12 C 4 4 13 D 5 5 14 E 6 6 15 F 7 7 16 10 8 8 17 11 Vd: FA9h = 15.162 + 10.161 + 9.160 = 409 trong hệ thập phân. 14 16 Faculty of Electronic Engineering Faculty of Electronic Engineering HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY
CÁC MÃ THÔNG DỤNG Hệ 16 sang hệ 10: như 2 sang 10 Mã BCD: để mã hoá các chữ số từ 0 đến 9 trong vi xử lý, PLC,… Hệ 10 sang hệ 16: như 10 sang 2 Mã ASCII: American Standard Code for Internationnal Interchange Bảng mã ASCII tiêu chuẩn sử dụng 7 bit để mã hoá các ký tự Hệ 2 sang hệ 16: nhóm 4 bit từ trái qua bi ái thông dụng, như vậy bảng này sẽ có 128 ký tự ứng với mã từ 0 phải, đổi từng nhóm một sang hệ 16. đến 127. Bảng mã ASCII mở rộng bổ sung thêm 128 ký tự đặc biệt với mã Hệ 16 sang hệ 2: tách mỗi số từ trái qua từ 128 đến 255. phải để đổi thành từng nhóm 4 bit VD: mã ASCII của ‘A’ là 65 (01000001), của ‘a’ là 97 (01100001). Mã Unicode: Hiệp hội Unicode xuất bản phiên bản đầu tiên của chuẩn Unicode năm 1991, và vẫn liên tục hoàn thiện chuẩn (hiện nay đã đến phiên bản 4.0) 17 19 Faculty of Electronic Engineering Faculty of Electronic Engineering HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY 3. Kiến trúc MT điển hình Các phép toán số học với số hệ nhị phân Phép cộng 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1 + 1 = 0 nhớ 1 Phé Phép trừ Phép nhân 0×0=0 0×1=0 1×0=0 1×1=1 Phép chia 18 20 Faculty of Electronic Engineering Faculty of Electronic Engineering HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY
Các thông số quan trọng của một bộ vi xử lý: Tần số làm việc: là tần số xung nhịp (clock) cung cấp cho VXL, tần số này quyết định đến tốc độ làm việc của VXL. Độ Độ rộng bus dữ liệu m: là số đường dây dùng để truyền dữ liệu ký hiệu từ D0 đến Dm-1. Các giá trị của m: 4, 8, 16, 32 và 64. Độ rộng bus địa chỉ n: quyết định đến dung lượng bộ nhớ cực đại mà vi xử lý có thể quản lý được. Một bộ VXL có n đường địa chỉ từ A0 đến An-1 có thể quản lý được 2n ô nhớ (mỗi ô nhớ thường là một byte). Các giá trị của n: 16, 20 và 32. 21 23 Faculty of Electronic Engineering HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Bộ vi xử lý Bộ nhớ Bộ VXL (microprocessor) hay còn được gọi là CPU Bộ nhớ (bộ nhớ trong, bộ nhớ chính) tạo từ các vi (Central Processing Unit − đơn vị xử lý trung tâm) là mạch nhớ ROM và RAM là nơi chứa các chương trình một vi mạch số với mức độ tích hợp cực lớn (VLSI) cần thực thi. bên trong nó bao gồm nhiều khối chức năng khác ROM (Read Only Memory – bộ nhớ chỉ đọc), nội dung nhau như đơn vị số nguyên để thao tác tính toán với bên trong của ROM không bị mất khi mất nguồn nuôi. các số nguyên, đơn vị xử lý dấu phảy động để thực ROM dùng để chứa các chương trình điều khiển hệ hiện các phép tính với số thực… thống: chương trình khởi động máy, các chương trình Khi hoạt động, VXL đọc mã lệnh (mã lệnh được ghi VXL điều khiển trao đổi tin như bàn phím, màn hình,… màn dưới dạng chuỗi các bit 0, 1) từ bộ nhớ, đưa vào trong RAM (Random Access Memory – bộ nhớ truy cập ngẫu VXL để giải mã thành các vi lệnh - là những xung điều nhiên) là bộ nhớ có thể ghi/đọc được, nội dung thông khiển để điều khiển hoạt động của các đơn vị chức tin ghi trong bộ nhớ RAM sẽ bị mất khi mất nguồn năng bên trong VXL. cung cấp. RAM được dùng để lưu trữ mã lệnh, toán hạng và kết quả của chương trình khi nó đang được thực hiện. 22 24 Faculty of Electronic Engineering Faculty of Electronic Engineering HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY
Mạch ghép nối vào/ra 4. Các thiết bị ngoại vi thông dụng Mạch ghép nối vào/ra: tạo ra khả năng giao tiếp giữa BÀN PHÍM hệ VXLvới thế giới bên ngoài. Các thiết bị vào/ra (hay CHUỘT còn gọi là thiết bị ngoại vi) bao gồm các thiết bị vào MÀN HÌNH (bàn phím, chuột, máy quét…), thiết bị ra (màn hình, máy in, máy vẽ…), các thiết bị lưu trữ (còn gọi là bộ MÁY IN nhớ ngoài) dùng để lưu thông tin với khối lượng lớn như ổ đĩa cứng, ổ đĩa CD, ổ đĩa DVD… Mạch ghép nối vào/ra có thể là một vi mạch cỡ nhỏ như 8255 để ghép nối song song, 8251 để ghép nối nối tiếp… Trong máy tính hiện nay mạch ghép nối vào/ra là những VLSI gọi là chipset, VD: chipset 848P cho phép ghép nối giữa VXL với cổng đồ hoạ tốc độ cao AGP 8x, với ổ đĩa cứng kiểu SATA, với hệ thống âm thanh 5.1, ki với các thiết bị vào/ra qua cổng USB 2.0… 25 27 Faculty of Electronic Engineering Faculty of Electronic Engineering HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Bus hệ thống Bus hệ thống: tập hợp các đường dây dùng để liên lạc giữa các khối chức năng trong hệ thống. Dựa vào chức năng của các đường dây người ta chia chúng làm 3 nhóm: Bus dữ liệu: các đường dây mang số liệu mà VXL đang trao đổi với bộ nhớ hoặc thiết bị vào/ra. Bus địa chỉ mang thông tin về địa chỉ của ô nhớ hay một thiết bị vào/ra mà VXL đang trao đổi tin. Thông tin về địa chỉ là do VXL phát ra để chọn ra một ô nhớ hoặc một thiết bị vào/ra mà nó cần trao đổi tin. Bus điều khiển: các đường dây mang các tín hiệu điều khiển hoạt động hoặc phản ánh trạng thái của các khối như /RD (read - đọc bộ nhớ hoặc thiết bị vào), /WR (write - ghi dữ liệu vào bộ nhớ hoặc xuất dữ liệu ra thiết bị ra), INT (interrupt – ngắt VXL INT (interrupt để trao đổi dữ liệu)… 26 Faculty of Electronic Engineering HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY
Trả lời các câu hỏi & làm các BT cuối ch chương 1 của Giáo trình. Đọc Chapter 10, từ 10.1 đến 10.7 – Tài Tài liệu tham khảo số 3. Đọc trước Chương 2 của Giáo trình. 29 Faculty of Electronic Engineering HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY