Nội dung

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Nguyễn văn Huy- Bài giảng Kỹ thuật vi xử lý 2 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT MÔN HỌC 1. Tên môn học: Kỹ thuật vi xử lý. 2. Phân bố thời gian: (Với trình độ cao đẳng) 30 Lý thuyết + 30 Bài tập, thực hành. 3. Môn tiên quyết: Kỹ thuật vi xử lý là môn học quan trọng trong việc nghiên cứu phần cứng máy tính. Các kiến thức môn học cần có để phục vụ cho môn học này bao gồm:  Kỹ thuật điện tử số (2 mức: 0, 1, bộ nhớ).  Kiến trúc máy tính. 4. Đối tượng học: Sinh viên ngành Kỹ thuật máy tính, Điều khiển tự động, Điện tử viễn thông, Kỹ thuật điện tử, Công nghệ thông tin. 5. Mô tả môn học: Trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản nhất có tính chất hệ thống liên quan đến kỹ thuật VXL. Trang bị cho sinh viên khả năng tư duy trong nghiên cứu, tiếp cận với các hệ VXL tiên tiến, hiện đại hơn. Ngoài ra học phần còn giúp cho sinh viên dễ dàng hơn trong việc xây dựng các chương trình điều khiển thiết bị ghép nối với máy tính. Nội dụng cụ thể bao gồm các phần cơ bản sau:  Khái niệm, cấu trúc và nguyên lý hoạt động của một hệ VXL.  Bộ VXL 8088/8086.  Các ghép nối cơ bản của 8088/8086 với thiết bị ngoại vi.  Các phương thức đièu khiển vào ra dữ liệu trong kỹ thuật VXL. 6. Nhiệm vụ của sinh viên: Sinh viên phải tham gia đủ trên 80% giờ trên lớp. Phải hoàn thành đầy đủ bài tập và các bài thực hành trong chương trình. 7. Nội dung giảng dậy Chương 1 Hệ vi xử lý 1.1. Vi xử lý là gì? 1.2. Các thế hệ của bộ vi xử lý 1.2.1. Thế hệ 1 (1971 đến 1973) 1.2.2. Thế hệ 2 (1974 đến 1977) 1.2.3. Thế hệ 3 (1978 đến 1982) 1.3. Thế hệ 4 (1983 đến nay) 1.4. Giới thiệu cấu trúc của hệ vi xử lý 1.3.1. CPU - Bộ xử lý trung tâm 1.3.2. Bộ nhớ bán dẫn (ROM, RAM) 1.3.3. Hệ thống vào ra (I/O) 1.3.4. Liên hệ giữa các khối Nguyễn văn Huy- Bài giảng Kỹ thuật vi xử lý 3 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Chương 2 Bộ vi xử lý 8088 của Intel 2.1. Giới thiệu hoạt động của bộ vi xử lý 8088 2.1.1. Giới thiệu chung 2.1.2. Cấu trúc và hoạt động của bộ VXL 8088 2.2. Chế độ địa chỉ của 8088 2.2.1. Chế độ địa chỉ thanh ghi 2.2.2. Chế độ địa chỉ tức thì 2.2.3. Chế độ địa chỉ tực tiếp 2.2.4. Chế độ địa chỉ gián tiếp qua thanh ghi 2.2.5. Chế độ địa chỉ tương đối cơ sở 2.2.6. Chế độ địa chỉ tương đối chỉ số 2.2.7. Chế độ địa chỉ tương đối chỉ số cơ sở 2.3. Mô tả tập lệnh của 8088 2.3.1. Nhóm lệnh chuyển dữ liệu 2.3.2. Nhóm lệnh số học 2.3.3. Nhóm lệnh logic, dịch và quay 2.3.4. Nhóm lệnh so sánh 2.3.5. Nhóm lệnh rẽ nhánh (nhảy), lặp 2.3.6. Nhóm các lệnh đặc biệt Chương 3 Lập trình bằng hợp ngữ cho 8088 trên máy tính IBM PC và các máy tương thích IBM PC 3.1. Giới thiệu chung 3.2. Giới thiệu khung chương trình 3.2.1. Cấu trúc của một lệnh hợp ngữ 3.2.2. Dữ liệu cho chương trình hợp ngữ 3.2.3. Biến và hằng 3.2.4. Khung của một chương trình hợp ngữ 3.3. Cách tạo và cho chạy một chương trình hợp ngữ 3.4. Các cấu trúc lập trình cơ bản trong assembly 3.4.1. Cấu trúc tuần tự 3.4.2. Cấu trúc lựa chọn 3.4.3. Cấu trúc lặp 3.5. Truyền tham số 3.6. Một số ngắt của DOS và của BIOS Chương 4 Ghép 8088 với bộ nhớ và tổ chức vào ra dữ liệu 4.1. Giới thiệu tín hiệu chân của 8088 và các mạch phụ trợ 4.1.1. Bảy nhóm tín hiệu 4.1.2. Phân kênh để tách thông tin và đệm bus 4.1.3. Mạch tạo xung nhịp 8284 4.1.4. Mạch điều khiển bus 8288 4.1.5. Biều đồ thời gian của các lệnh đọc/ghi 4.2. Phối ghép 8088 với bộ nhớ 4.2.1. Bộ nhớ bán dẫn 4.2.2. Giải mã địa chỉ cho bộ nhớ 4.2.3. Phối ghép 8088 với bộ nhớ 4.3. Phối ghép 8088 với thiết bị ngoại vi 4.3.1. Các kiểu phối ghép vào ra 4.3.2. Giải mã địa chỉ cho thiết vị vào/ra Nguyễn văn Huy- Bài giảng Kỹ thuật vi xử lý 4 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 4.3.3. Các mạch cổng đơn giản 4.3.4. Mạch phối ghép vào/ra song song lập trình được PPI 8255 Chương 5 Vào ra dữ liệu bằng cách thăm dò 5.1. Giới thiệu chung về các phương pháp điều khiển vào/ra dữ liệu 5.2. Vào/ra dữ liệu bằng cách thăm dò trạng thái sẵn sàng của thiết bị ngoại vi Chương 6 Ngắt và xử lý ngắt trong hệ vi xử lý 8088 6.1. Sự cần thiết phải ngắt CPU 6.2. Ngắt trong vi xử lý 8088 6.2.1. Các loại ngắt trong hệ 8088 6.2.2. Đáp ứng của CPU khi có yêu cầu ngắt 6.2.3. Xử lý ưu tiên ngắt 6.2.4. Mạch điều khiển ngắt ưu tiên PPI 8259A Chương 7 Vào ra dữ liệu bằng DMA 7.1. Nguyên tắc của việc trao đổi dữ liệu với thiết bị ngoại vi bằng cách thâm nhập trực tiếp vào bộ nhớ (DMA) 7.2. DMAC 8237-5 trong hệ vi xử lý 8088 7.2.1. Tín hiệu HOLD và HLDA trong CPU 8088 7.2.2. Mạch DMAC 8237-5 của Intel 8. Nội dung các bài thực hành ( gồm có 6 bài thực hành - 5tiết/bài) Bài 1: Làm quen với trình dich hợp ngữ ASSEMBLER và cách gọi ngắt trong ASM Mục đích:  Biết cách chuyển một chương trình hợp ngữ (Assembler) ra dạng mã máy, qua đó giúp sinh viên hiểu rõ hơn cơ chế hoạt động của các lệnh, cách trao đổi số liệu.  Biết cách nhập chương trình vào bộ nhớ và chạy chương trình  Hiểu, biết cách gọi và truyền tham số khi gọi ngắt (Chủ yếu là ngát 21h của DOS, với các hàm hiển thị và nhập ký tự. Nhằm phục vụ cho việc kiểm tra kết qua cho những bài thí nghiệm sau) Bài 2: Trao đổi dữ liệu và thực hiện các phép tính số học. Mục đích:  Giúp sinh viên làm quen với việc nạp và trao đổi dữ liệu giữa các thanh ghi, giữa thanh ghi với bộ nhớ và các phép tính số học cơ bản. Qua đó thấy được ý nghĩa và tác dụng của các thanh ghi và bộ nhớ trong quá trình lưu trữ và xử lý số liệu. Bài 3: So sánh và kiểm tra dữ liệu. Mục đích:  Giúp sinh viên làm quen với các cấu trúc lập trình cơ bản bằng hợp ngữ.  Biết cách so sánh và kiểm tra dữ liệu thông qua các cờ. Bài 4: Các thao tác Logic. Nguyễn văn Huy- Bài giảng Kỹ thuật vi xử lý 5 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Mục đích:  Giúp sinh viên làm quen với các cấu trúc lập trình cơ bản bằng hợp ngữ.  Giúp sinh viên khảo sát các thao tác đại số BOOLEAN theo phương thức mà chúng tác động trên các thanh ghi và dữ liệu trong bộ nhớ. Bài 5: Chương trình con và truyền tham số. Mục đích:  Giúp sinh viên làm quen với các cấu trúc lập trình cơ bản bằng hợp ngữ.  Giúp sinh viên làm quen với cấu trúc lập trình theo chương trình con, truyền tham số cho chương trình con. Bài 6: Vào ra dữ liệu với các cổng. Mục đích:  Giúp sinh viên làm quen với các kiểu giao tiếp giữa vi xử lý với các thiết bị ngoài.  Biết cách lập trình đặt các chế độ làm việc cho các cổng giao tiếp của bộ điều khiển ghép nối. 9. Tài liệu tham khảo: [1] Văn Thế Minh, Kỹ thuật vi xử lý, NXB Giáo Dục, 1997. [2] Đỗ Xuân Thụ & Hồ Khánh Lâm, Kỹ thuật vi xử lý và máy vi tính, ... [3] Đỗ Xuân Tiến, Kỹ thuật lập trình điều khiển hệ thống, ... [4] Lê Văn Doanh & Phạm Khắc Chương, Kỹ thuật vi điều khiển, ... [5] Biên Dịch: Nguyễn Minh San - Hoàng Đức Hải, Cẩm nang lập trình hệ thống, ... [6] Nguyễn Đình Việt, Kiến trúc máy tính, ... [7] Trần Quang Vinh, Cấu trúc máy vi tính, NXB Giáo Dục, 1998. [8] Ytha Yu & Charles Marut, Lập trình hợp ngữ (Assembly) và máy vi tính IBM-PC, NXB Giáo Dục, 1996. [9] PTS. Nguyễn Quang Tấn, Vũ Thanh Hiền, Lập trình với Hợp Ngữ, NXB Thống Kê, 1997. [10] Trần Bá Thái, Điều khiển và ghép nối các thiết bị ngoại vi, NXB thống kê, 1987. [11] Computer Organization and Assembly Language Programming For IBM PC and Compatibles Michael Thorne - The Benjamin-Cummings Publishing Company, Inc. 1991. [12] Microprocessors and microcomputer-based Rafiquzzaman - CRC Press, 1995. Nguyễn văn Huy- Bài giảng Kỹ thuật vi xử lý system design Mohamed 6 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. NỘI DUNG CHI TIẾT Chương 1 HỆ VI XỬ LÝ 1.1. Vi xử lý là gì? Ngày nay xu hướng số hoá mọi dạng tín hiệu càng được khẳng định rõ nét trong nhiều lĩnh vực: Điện tử, tin học, viễn thông, công nghệ thông tin, kỹ thuật điều khiển tự động ... vì tín hiệu số có cấu trúc đơn giản, dễ tính toán, xử lý và gia công ... Việc xử lý, tính toán, điều khiển được thực hiện chủ yếu trên các máy tính PC (Hay hệ vi xử lý nói chung). Các hệ vi xử lý này thường được ghép nối và giao tiếp với nhiều thiết bị ngoại vi khác nhau. Mỗi thiết bị làm việc ở môi trường khác nhau cũng như chức năng, nhiệm vụ khác nhau. Môi trường của thiết bị có thể là:  Điện, điện tử.  Cơ, cơ điện.  Quang điện tử, ... Chức năng, nhiệm vụ của thiết bị như:  Thông tin vô tuyến, hữu tuyến.  Kỹ thuật viễn thông.  Robốt, máy công cụ, dây truyền sản xuất tự động. Các hệ thống làm nhiệm vụ xử lý và điều khiển nói chung luôn có một thành phần làm nhiệm vụ xử lý được chế tạo bằng công nghệ vi điện tử với độ tích hợp cao và rất cao, chúng thường được gọi là các bộ vi xử lý (MicroProcessor). Các bộ vi xử lý hoạt động (làm việc) theo chương trình, dùng để tính toán và điều khiển mọi hoạt động của hệ thống. Việc xây dựng các chương trình điều khiển các thiết bị cho chúng làm việc chính xác, đồng bộ là rất phức tạp. Các hệ thống càng thông minh thì vai trò của bộ vi xử lý càng quan trọng. 1.2. Các thế hệ của bộ vi xử lý 1.2.1. Thế hệ 1 (1971 đến 1973) Năm 1971 Intel cho ra đời bộ vi xử lý (VXL) 4004 (dùng cho các máy tính cầm tay) được chế tạo bằng công nghệ PMOS. Đây là bộ VXL 4 bit dữ liệu, 12 bit địa chỉ và có 2250 Transitor. Tiếp theo, Intel cho ra đời bộ VXL 4040 là bộ VXL được cải tiến từ VXL 4004. Trong thời gian này, Intel tiếp tục cho ra đời bộ VXL 8008 là bộ VXL 8 bit dữ liệu. Đặc điểm của các bộ vi xử lý trong khoảng thời gian này là: o Tốc độ thực hiện: 10  60 (s/lệnh). o Tần số đồng hồ: fCLK = 0,1  0,8 MHz. o Cần nhiều mạch phụ trợ để tạo nên một hệ vi xử lý hoàn chỉnh. 1.2.2. Thế hệ 2 (1974 đến 1977) Trong thời gian này Intel lần lượt cho ra đời bộ VXL 8080, 8085. Motorola có các bộ VXL 6800, 6809. Zilog có bộ VXL Z80 và Signetics có bộ VXL 6520. Nguyễn văn Huy- Bài giảng Kỹ thuật vi xử lý 7 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Đặc điểm của các bộ vi xử lý trong khoảng thời gian này là: Tập lệnh phong phú hơn. Là các bộ vi xử lý 8 bit dữ liệu. Khả năng phân biệt địa chỉ bộ nhớ lên tới 64 KB (16 bit địa chỉ). Khả năng phân biệt địa cổng là 256 cổng cho thiết bị ngoại vi (sử dụng 8 bit để đánh địa chỉ cho các cổng). o Tốc độ 1  8 (s/lệnh). o Tần số đồng hồ: fCLK = 1  5 MHz. o o o o Ứng dụng: o Điều khiển các hệ thống trong công nghiệp. o Chế tạo các máy tính 8 bit như Apple II. 1.2.3. Thế hệ 3 (1978 đến 1982) Trong khoảng thời gian này Intel lần lượt cho ra đời các bộ VXL 8086, 8088, 80186, 80286. Motorola có các bộ VXL 68000, 68010 Đặc điểm của các bộ vi xử lý trong khoảng thời gian này là: Là các bộ vi xử lý 16 bit dữ liệu. Tập lệnh đầy đủ hơn. Khả năng phân biệt địa chỉ bộ nhớ từ 1 MB đến 16 MB. Khả năng phân biệt địa chỉ cổng là 64 K cổng cho thiết bị ngoại vi (đối với các bộ VXL của Intel). o Tốc độ 0,1  1 (s/lệnh). o Tần số đồng hồ: fCLK = 5  10 MHz. o o o o Ứng dụng: Chế tạo các máy tính IBM PC, PC/XT, PC/AT và máy tính Macintosh của Apple. 1.2.4. Thế hệ 4 (1983 đến nay) Trong thời gian này Intel thể hiện sức mạnh vượt trội các hãng khác trong việc chế tạo bộ vi xử lý. Intel liện tục cho ra đời các bộ VXL 80386, 80486 là các bộ VXL 32 bit dữ liệu, có bên trong đơn vị quản lý bộ nhớ (MMU) cho phép chạy trong chế độ bộ nhớ ảo và đa nhiệm. Tiếp theo là các bộ VXL Pentium, Pentium II, Pentium III, Pentium IV là các bộ VXL 64 bit dữ liệu. Motorola có các bộ VXL 68020, 68030, 68040, 68060. Đặc điểm của các bộ vi xử lý trong khoảng thời gian này là: o 32 bit địa chỉ, nên trong chế độ thực thì khả năng phân biệt địa chỉ bộ nhớ là 4 GB. Trong chế độ bộ nhớ ảo thì chúng có khả năng quản lý không gian nhớ lên tới 64 TB (Teta Byte). o Cơ chế xử lý xen kẽ dòng mã lệnh (Pipline). o Bộ nhớ ẩn (Cache). o Có bộ quản lý bộ nhớ (MMU), bộ đồng xử lý toán học được tích hợp bên trong. o Tốc độ 6  112 (triệu lệnh/s). Nguyễn văn Huy- Bài giảng Kỹ thuật vi xử lý 8 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. o Tần số đồng hồ: fCLK = 10  100 MHz và cao hơn nữa. Ứng dụng: o Chế tạo các máy tính có tốc độ cao, các máy chủ đáp ứng cho các xử lý lớn như thống kê hàng ngày tại các ngân hàng, khí tượng thuỷ văn, mô phỏng các quá trình, lĩnh vực quân sự ... o Các máy tính hiện nay. 1.3. Giới thiệu cấu trúc của hệ vi xử lý Chúng ta đã được tìm hiểu qua về sự ra đời và vị trí của các bộ vi xử lý. Bộ VXL là thành phần cơ bản (trái tim) của máy tính, nó được kết hợp với các bộ phận mạch điện tử khác như bộ nhớ (bộ nhớ bán dẫn), bộ phối ghép vào ra để tạo nên hệ vi xử lý nói chung mà máy tính là một trường hợp ứng dụng của thể của hệ vi xử lý. Data bus Control bus Thiết bị vào CPU Memory ROM RAM I/O Interfacing Thiết bị ra Address bus Hình vẽ: Hệ vi xử lý     CPU (Central Processing Unit) - Bộ xử lý trung tâm. Memory: Bộ nhớ bán dẫn. I/O (Input/Output): Khối phối ghép với thiết bị ngoại vi. Bus là tập các đường dây truyền thông tin, tín hiệu gồm:  Data bus.  Control bus.  Address bus. 1.3.1. CPU - Bộ xử lý trung tâm Là mạch điện tử có độ tích hợp cao (là trái tim của hệ vi xử lý). Ngày nay thường là các vi mạch có độ tích hợp VLSI. Chức năng: o Điều khiển mọi hoạt động của hệ vi xử lý (hoạt động tính toán). o Thực hiện lệnh, xử lý dữ liệu. Nguyên tắc hoạt động Nguyễn văn Huy- Bài giảng Kỹ thuật vi xử lý 9 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. Hoạt động theo chương trình nằm trong bộ nhớ. Nó nhận lần lượt nhận từng lệnh từ bộ nhớ, các lệnh được ghi dưới dạng các bit 0, 1 sau đó giải mã lệnh thành các xung điều khiển tương ứng các thao tác của lệnh để điều khiển các khối chức năng thực hiện các thao tác đó. Quá trình thực hiện trên bao gồm cả trao đổi dữ liệu với bộ nhớ. Để thực hiện được như trên, bên trong CPU có thanh ghi lưu địa chỉ của lệnh chuẩn bị được thực hiện, gọi là thanh ghi con trỏ lệnh (Instruction Pointer - PC), hay còn được gọi là bộ đếm chương trình (Program Counter - PC).  Các thành phần cơ bản của bộ vi xử lý: o Đơn vị điều khiển (Control Unit - CU): điều khiển hoạt động chính của CPU và các thành phần khác của hệ theo chương trình đã định (dãy các lệnh) bằng các xung điều khiển. o Đơn vị số học và logic (Arithmetic and Logic Unit - ALU): thực hiện chức năng xử lý dữ liệu (tính toán) như cộng, trừ, nhân, chia, NOT, AND, OR ... o Tập thanh ghi (Registers Set): là các ngăn nhớ đặc biệt nằm ngay trong CPU để tăng tốc độ trao đổi dữ liệu. Một số thanh ghi lưu trữ thông tin tạm thời phục vụ cho việc thực hiện chương trình. o Bus bên trong (Internal Bus): Hệ thống bus trong CPU là tập các đường dây làm nhiệm vụ kết nối, vận chuyển thông tin (tín hiệu) giữa các thành phần với nhau. 1.3.2. Bộ nhớ bán dẫn (ROM, RAM) Là bộ phận quan trọng trong hệ vi xử lý. Nó có nhiệm vụ lưu trữ chương trình và dữ liệu. Bộ nhớ trong bao gồm bộ nhớ chính và bộ nhớ ẩn (cache L1, L2). Khi khởi động máy, chương trình điều khiển được chứa trong ROM sẽ điều khiển hoạt động toàn hệ. Các chương trình ứng dụng, một phần chương trình điều khiển, kết quả chạy chương trình được để ở RAM. Ngoài ra còn có bộ nhớ ngoài (ổ đĩa từ, quang ...) lưu trữ lâu dài chương trình và dữ liệu, là các thiết bị ngoại vi. 1.3.3. Hệ thống vào ra (I/O)  Chức năng Giao tiếp, trao đổi thông tin giữa hệ vi xử lý với thế giới bên ngoài.  Các thành phần cơ bản o Thiết bị ngoại vi: Bàn phím, màn hình, chuột, máy in, ổ đĩa từ, ổ đĩa quang ... các bộ chuyển đổi ADC, DAC ..., chuyển đổi thông tin dưới dạng nào đó thành dạng phù hợp với máy tính và ngược lại rồi liên hệ với máy tính thông qua khối phối ghép vào/ra. o Mạch phối ghép vào/ra dùng ghép nối thiết bị ngoại vi với hệ vi xử lý (máy tính). Trong mạch phối ghép vào/ra có bộ phận phối ghép cụ thể giữa hệ thống bus với thế giới bên ngoài gọi là các cổng vào ra (I/O port). Mỗi cổng có địa chỉ xác định. I/O port vào: nhận thông tin từ bên ngoài vào hệ thống, I/O port ra: đưa thông tin từ hệ ra thế giới bên ngoài. 1.3.4. Liên hệ giữa các khối Hệ thống bus là tập các đường dây dùng để kết nối, trao đổi thông tin từ các phần mạch này tới các thành phần khác (các khối) trong phạm vi một máy tính (1 hệ vi xử lý). Độ rộng bus là số bit thông tin được vận chuyển đồng thời trong một chu kỳ bus. Nguyễn văn Huy- Bài giảng Kỹ thuật vi xử lý 10