Bài giảng Kỹ thuật vi xử lý - Chương 1: Giới thiệu chung về hệ vi xử lý

ng tranzistor Đây là máy tính với phép toán dấu phấy động đầu tiên (5 kFlops, clock: 300 kHz) Chương 1Giới thiệu chung về hệ vi xử lý Lịch sử phát triển của các bộ vi xử lý và máy tính Thế hệ -1: The early days (…-1642) Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945) Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955) Thế hệ 2: Discrete transistors (1955-1965) Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980) Thế hệ 4: VLSI (1980-?) Phân loại vi xử lý Các hệ đếm dùng trong máy tính ( nhắc lại) Giới thiệu sơ lược về cấu trúc và hoạt động của hệ vi xử lý Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980) Năm 1958, Jack St. Clair Kilby of Texas Instruments (Nobel prize physics, 2000) đưa ra và chứng minh ý tưởng tích hợp 1 transistor với các điện trở và tụ điện trên một chip bán dẫn với kích thước 1 nửa cái kẹp giấy. Đây chính là IC. Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980) 7/4/1964 IBM đưa ra System/360, họ máy tính tương thích đầu tiên của IBM Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980) Năm 1965, Digital Equipment Corporation, đưa ra chiếc máy tính mini đầu tiên DP-8 Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980) Năm 1971, Ted Hoff chế tạo Intel 4004 theo đơn đặt hàng của một công ty Nhật bản để tạo chip sản xuất calculator. Đây là vi xử lý đầu tiên với 2400 transistor (microprocessor, processor-on-a-chip). 4 bít dữ liệu, 12 bit địa chỉ Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980) 1973-1974, Edward Roberts, William Yates and Jim Bybee chế tạo MITS Altair 8800, máy tính cá nhân đầu tiên Giá $375, 256 bytes of memory, không keyboard, không màn hình và không bộ nhớ ngoài Sau đó, Bill Gate và Paul Allen viết chương trình dịch BASIC cho Altair Chương 1Giới thiệu chung về hệ vi xử lý Lịch sử phát triển của các bộ vi xử lý và máy tính Thế hệ -1: The early days (…-1642) Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945) Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955) Thế hệ 2: Discrete transistors (1955-1965) Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980) Thế hệ 4: VLSI (1980-?) Phân loại vi xử lý Các hệ đếm dùng trong máy tính ( nhắc lại) Giới thiệu sơ lược về cấu trúc và hoạt động của hệ vi xử lý Thế hệ 4: VLSI (1980-?) Năm 1981, IBM bắt đầu với IBM "PC" sử dụng hệ điều hành DOS. Thế hệ 4: VLSI (1980-?) Năm 1984, Xerox PARC (Palo Alto Research Center) đưa ra máy tính để bàn Alto với giao diện người và máy hoàn toàn mới: windows, biểu tượng, mouse Con chuột đầu tiên Thế hệ 4: VLSI (1980-?) Năm 1986, siêu máy tính Cray-XMP với 4 bộ xử lý đã đạt tốc độ tính toán là 840 MFlops. Nó được làm mát bằng nước Thế hệ 4: VLSI (1980-?) Tốc độ tính toán này đã đạt được với máy tính cá nhân 1 vi xử lý, Pentium III, vào quý 1 năm 2000 Chương 1Giới thiệu chung về hệ vi xử lý Lịch sử phát triển của các bộ vi xử lý và máy tính Phân loại vi xử lý Các hệ đếm dùng trong máy tính ( nhắc lại) Giới thiệu sơ lược về cấu trúc và hoạt động của hệ vi xử lý Phân loại vi xử lý Phân loại vi xử lý BMW > 100 processors Trung bình 1 công dân Mỹ ~ 75 processors Phân loại vi xử lý Phân loại vi xử lý Vi xử lý đa năng (General Purpose Microprocessor) DSP (Digital Signal Processor) Vi điều khiển (Microcontroller) ASIP (Application Specific Integrated Processor) Chương 1Giới thiệu chung về hệ vi xử lý Lịch sử phát triển của các bộ vi xử lý và máy tính Phân loại vi xử lý Các hệ đếm dùng trong máy tính ( nhắc lại) Thập phân, Nhị phân, Hệ 8, Hệ 16 Cộng, trừ, nhân, chia Các số âm Số nguyên, số thực, BCD, ASCII Giới thiệu sơ lược về cấu trúc và hoạt động của hệ vi xử lý Chương 1Giới thiệu chung về hệ vi xử lý Lịch sử phát triển của các bộ vi xử lý và máy tính Phân loại vi xử lý Các hệ đếm dùng trong máy tính ( nhắc lại) Thập phân, Nhị phân, Hệ 8, Hệ 16 Cộng, trừ, nhân, chia Các số âm Số nguyên, số thực, BCD, ASCII Giới thiệu sơ lược về cấu trúc và hoạt động của hệ vi xử lý Hệ thập phân 1234,56710= 1•1000+2•100+3•10+4•1+5•0.1+6•0.01+7•0.001 1•103+2•102+3•101+4•100+5•10-1+6•10-2+7•10-3 r = cơ số (r = 10), d=digit (0  d  9), m = số chữ số trước dấu phẩy, n = số chữ số sau dấu phẩy Hệ nhị phân 1011,0112= 1•8+0•4+1•2+1•1+0•0.5+1•0.25+1•0.125 1•23+0•22+1•21+1•20+0•2-1+1•2-2+1•2-3 r = cơ số (r = 2), d=digit (0  d  1), m = số chữ số trước dấu phẩy, n = số chữ số sau dấu phẩy Hệ 8 (Octal) 7654,328= 7•512+6•64+5•8+4•1+3•0.125+2•0.015625 7•83+6•82+5•81+4•80+3•8-1+2•8-2 r = cơ số (r = 8), d=digit (0  d  7), m = số chữ số trước dấu phẩy, n = số chữ số sau dấu phẩy Hệ 16 (Hexadecimal) FEDC,7616= 15•4096+14•256+13•16+12•1+7•1/16+6•1/256 15•163+14•162+13•161+12•160+7•16-1+6•16-2 r = cơ số (r = 16), d=digit (0  d  F), m = số chữ số trước dấu phẩy, n = số chữ số sau dấu phẩy Chuyển đổi giữa các hệ đếm Chuyển từ hệ thập phân sang nhị phân Quy tắc: lấy số cần đổi chia cho 2 và ghi nhớ phần dư, lấy thương chia tiếp cho 2 và ghi nhớ phần dư. Lặp lại khi thương bằng 0. Đảo ngược thứ tự dãy các số dư sẽ được chứ số của hệ nhị phân cần tìm Ví dụ: Đổi 34 sang hệ nhị phân: 100010 Chyển từ hệ nhị phân sang hệ 16 và ngược lại 1011 0111B = B7H Chương 1Giới thiệu chung về hệ vi xử lý Lịch sử phát triển của các bộ vi xử lý và máy tính Phân loại vi xử lý Các hệ đếm dùng trong máy tính ( nhắc lại) Thập phân, Nhị phân, Hệ 8, Hệ 16 Cộng, trừ, nhân, chia Các số âm Số nguyên, số thực, BCD, ASCII Giới thiệu sơ lược về cấu trúc và hoạt động của hệ vi xử lý Cộng nhị phân Cộng thập phân Trừ nhị phân x y Mượn Hiệu 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 Nhân nhị phân 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 Nguyên tắc: cộng và dịch Chia nhị phân 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 Nguyên tắc: trừ và dịch Chương 1Giới thiệu chung về hệ vi xử lý Lịch sử phát triển của các bộ vi xử lý và máy tính Phân loại vi xử lý Các hệ đếm dùng trong máy tính ( nhắc lại) Thập phân, Nhị phân, Hệ 8, Hệ 16 Cộng, trừ, nhân, chia Các số âm Số nguyên, số thực, BCD, ASCII Giới thiệu sơ lược về cấu trúc và hoạt động của hệ vi xử lý Biểu diễn bằng dấu và độ lớn(Sign-Magnitude) Một số có dấu bao gồm 2 phần: dấu và độ lớn Ví dụ hệ 10: +12310 (thông thường ‘123’) và -12310 Hệ nhị phân: bít dấu là bít MSB; ‘0’ = dương, ‘1’ = âm Ví dụ: 011002 = +1210 và 111002 = -1210 Các số có dấu 8 bít sẽ có giá trị từ -127 đến +127 với 2 số 0: 1000 0000 (-0) và 0000 0000 (+0) Số bù 2 Số bù 1 (bù lô gic): đảo bit 1001 => 0110 0100 => 1011 Số bù 2 (bù số học): số bù 1 +1 Ví dụ: Tìm số bù 2 của 13 	 	13	= 	0000 1101 Số bù 1 của 13 =1111 0010 Cộng thêm 1: 1 Số bù 2 của 13= 1111 0011 (tức là -13) Số bù 2 Ví dụ: Tìm số bù 2 của 0 	 	0	= 	0000 0000 Số bù 1 của 0 =1111 1111 Cộng thêm 1: 1 Số bù 2 của 0= 0000 0000 (tức là -0) Như vậy với số bù 2, số 0 được biểu diễn 1 cách duy nhất Số có dấu 8 bít sẽ có giá trị từ -128 đến 127 Số bù 2 Chương 1Giới thiệu chung về hệ vi xử lý Lịch sử phát triển của các bộ vi xử lý và máy tính Phân loại vi xử lý Các hệ đếm dùng trong máy tính ( nhắc lại) Thập phân, Nhị phân, Hệ 8, Hệ 16 Cộng, trừ, nhân, chia Các số âm Số nguyên, số thực, BCD, ASCII Giới thiệu sơ lược về cấu trúc và hoạt động của hệ vi xử lý Số nguyên (integer) 8 bit unsigned: 0 đến 255 signed : -128 đến 127 ( bù hai) 16 bit unsigned: 0 đến 65535 (216-1) signed : -32768 (215) đến 32767 (215-1) 32 bit unsigned: 0 đến 232-1 signed : -231 đến 231-1 Little endian và big endian Số 1234 H được lưu trữ thế nào trong bộ nhớ 8 bit? ..... ..... 0000H FFFFH 0100H 0101H 34H 12H ..... ..... 0000H FFFFH 0100H 0101H 12H 34H little endian Intel microprocessors big endian Motorola microprocessors Số thực (real number, floating point number) Ví dụ: 1,234=1,234*100=0,1234*101=... 11,01 B= 1,101*21=0,1101*22=... Real number: (m, e) , e.g. (0.1101, 2) Single precision: 32 bit Double precision: 64 bit Số thực (real number, floating point number) IEEE-754 format cho single-precision 1 sign bit: 0 dương, 1 âm 8 bit biased exponent= exponent + 127 24 bit mantissa chuẩn hoá = 1 bit ẩn + 23 bit fraction Mantissa chuẩn hoá: có giá trị giữa 1 và 2 : 1.f Ví dụ: biểu diễn 0.1011 dưới dạng IEEE-754 Sign bit s=0 chuẩn hoá mantissa: 0.1011=1.011*2-1 Biased exponent: -1 + 127=126=01111110 IEEE format: 0 01111110 0110000000000000000000 Số thực (real number, floating point number) IEEE-754 format cho double-precision 1 sign bit: 0 dương, 1 âm 11 bit biased exponent= exponent + 1023 53 bit mantissa chuẩn hoá = 1 bit ẩn + 52 bit fraction double precision: (-1)s x 2e-1023 x (1.f)2 single precision: (-1)s x 2e-127 x (1.f)2 Số thực (real number, floating point number) BCD Binary Coded Decimal number BCD chuẩn (BCD gói, packed BCD): 1 byte biểu diễn 2 số BCD Ví dụ: 25: 0010 0101 BCD không gói (unpacked BCD) : 1 byte biểu diễn 1 số BCD ví dụ: 25: 00000010 00000101 ASCII American Standard Code for Information Interchange (7-bit code) Chương 1Giới thiệu chung về hệ vi xử lý Lịch sử phát triển của các bộ vi xử lý và máy tính Phân loại vi xử lý Các hệ đếm dùng trong máy tính ( nhắc lại) Giới thiệu sơ lược về cấu trúc và hoạt động của hệ vi xử lý Hệ vi xử lý Chương 1Giới thiệu chung về hệ vi xử lý Lịch sử phát triển của các bộ vi xử lý và máy tính Phân loại vi xử lý Các hệ đếm dùng trong máy tính ( nhắc lại) Giới thiệu sơ lược về cấu trúc và hoạt động của hệ vi xử lý Hệ vi xử lý Hệ vi xử lý Vi xử lý CPU Bộ nhớ Memory Phối ghép vào/ra (I/O) DRAM SRAM ROM EEPROM Flash Intel 80X86 Motorola 680X PowerPC ... Màn hình Máy in Bàn phím Con chuột Ổ cứng Ổ mềm CD-ROM DVD ... ISA EISA PCI VESA SCSI USB ... Hệ vi xử lý CPU Đơn vị số học và logic (Arithmetic Logical Unit) Thực hiện các phép toán số học Cộng, trừ, nhân chia Thực hiện các phép toán logic And, or, compare.. Đơn vị điều khiển (Control Unit) Các thanh ghi (Registers) Lưu trữ dữ liệu và trạng thái của quá trình thực hiện lệnh Đọc mã lệnh Hệ vi xử lý Memory ROM: không bị mất dữ liệu, chứa dữ liệu điều khiển hệ thống lúc khởi động RAM: mất dữ liệu khi mất nguồn, chứa chương trình và dữ liệu trong quá trình hoạt động của hệ thống Bus dữ liệu 8, 16, 32, 64 bit tùy thuộc vào vi xử lý Bus địa chỉ: 16, 20, 24, 32, 36 bit số ô nhớ có thể đánh địa chỉ: 2N Ví dụ: 8088/8086 có 20 đường địa chỉ => quản lý được 	220 bytes=1Mbytes Hệ vi xử lý