Bài giảng Kỹ thuật Vi xử lý - Chương 2: Vi xử lý và Hệ thống vi xử lý

Bài giảng Kỹ thuật Vi xử lý
Ngành Điện tử-Viễn thông
Đại học Bách khoa Đà Nẵng
của Hồ Viết Việt, Khoa CNTT-ĐTVT
Tài liệu tham khảo
[1] Kỹ thuật vi xử lý, Văn Thế Minh, NXB Giáo 
dục, 1997
[2] Kỹ thuật vi xử lý và Lập trình Assembly cho 
hệ vi xử lý, Đỗ Xuân Tiến, NXB Khoa học & kỹ 
thuật, 2001
Chương 2
Vi xử lý và Hệ thống vi xử lý
2.1 Bộ vi xử lý
- Bộ vi xử lý (Microprocessor) là gì?
- Các thành phần của bộ vi xử lý
- Ứng dụng của bộ vi xử lý
2.2 Các họ vi xử lý
- Họ x86 của Intel- Luật Moore
- Họ 68x của Motorola
2.3 Hệ thống vi xử lý
- Bộ nhớ
- Các cổng I/O
- Bus hệ thống: D-Bus, A-Bus, C-Bus
- Thiết kế hệ thống vi xử lý?
2.1 Bộ vi xử lý
„ Một bộ vi xử lý là một mạch 
tích hợp chứa hàng ngàn, 
thậm chí hàng triệu 
transistor (LSI, VLSI) được 
kết nối với nhau
„ Các transistor ấy cùng nhau 
làm việc để lưu trữ và xử lý 
dữ liệu cho phép bộ vi xử lý 
có thể thực hiện rất nhiều 
chức năng hữu ích
„ Chức năng cụ thể của một 
bộ vi xử lý được xác định 
bằng phần mềm (có thể lập
trình được)
Bộ vi xử lý
„ Bộ vi xử lý đầu tiên của
Intel,4004, được giới thiệu
vào năm 1971.
„ 4004 chứa 2300 transistor.
„ Bộ vi xử lý Pentium 4 hiện
nay chứa 55 triệu
transistor.
„ Bộ vi xử lý thường được sử 
dụng trong các máy vi tính
(microcomputer) với vai 
trò là CPU. Ngoài ra,
chúng còn có mặt ở nhiều 
thiết bị khác.
Các thành phần của bộ vi xử lý
ALU và Control Unit
ALU
„ Thực hiện các phép toán logic (AND, OR, XOR, 
NOT) và các phép toán số học (cộng, trừ, nhân, chia) 
„ Thực hiện việc chuyển dữ liệu
„ Việc thực hiện lệnh thực sự diễn ra ở ALU
Control Unit
„ Có trách nhiệm liên quan đến việc tìm và thực hiện 
các lệnh bằng cách cung cấp các tín hiệu điều khiển 
và định thời cho ALU và các mạch khác biết phải làm 
gì và làm khi nào.
Các thanh ghi (Registers)
„ Thanh ghi là nơi mà bộ vi xử lý có thể lưu trữ được
một số nhị phân (Kích cỡ của thanh ghi tính bằng bit)
„ Bộ vi xử lý dùng các thanh ghi để lưu trữ dữ liệu tạm 
thời trong quá trình thực hiện chương trình
„ Các thanh ghi có thể được truy cập bằng các câu lệnh 
ngôn ngữ máy thường được gọi là các thanh ghi người 
sử dụng có thể nhìn thấy được (có thể truy cập được)
„ Các thanh ghi điều khiển và các thanh ghi trạng thái 
được CU dùng để điều khiển việc thực hiện chương 
trình. Đa số các thanh ghi này người sử dụng không 
thể nhìn thấy được
2.2 Các họ vi xử lý
„ Hiện nay, có rất nhiều nhà sản xuất ra các 
chip vi xử lý:Intel, AMD, Motorola, Cyrix 
„ Thông thường, một họ vi xử lý là các chip 
vi xử lý được sản xuất bởi một nhà sản 
xuất nào đó.
„ Trong phạm vi một họ vi xử lý, theo thời 
gian và theo công nghệ chế tạo có các đời
(thế hệ) vi xử lý khác nhau phân biệt theo 
Độ dài Từ của chúng (bit) và tốc độ (Hz).
„ Độ dài Từ (Word Length) của một chip vi 
xử lý là kích cỡ tối đa của các toán hạng 
nhị phân mà nó có thể thực hiện các phép 
toán trên đó.
Tốc độ của họ vi xử lý x86 của Intel
The Continuing Evolution of Intel Microprocessors
CIS105
December 2002
0.74 2 8 12 33
100
200 200 233
333
400 400
550
1,400
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1971 1974 1979 1982 1985 1989 1993 1995 1997 1998 1998 1999 1999 2000
Year
S
p
e
e
d
(
M
H
Z
)
Họ vi xử lý x86 của Intel 
Model Năm sản xuất Số lượng Transistor
4004 1971 2,300
8008 1972 2,500
8080 1974 5,000
8086 1978 29,000
80286 1982 120,000
80386™ processor 1985 275,000
80486™ DX processor 1989 1,180,000
Pentium® processor 1993 3,100,000
Pentium II processor 1997 7,500,000
Pentium III processor 1999 24,000,000
Pentium 4 processor 2000 55,000,000
Họ vi xử lý x86 của Intel 70’s
 4004 8008 8080 8086 
Introduced 11/15/71 4/1/72 4/1/74 6/8/78 
Clock Speeds 108KHz 200KHz 2MHz 5MHz, 8MHz, 10MHz 
Bus Width 4 bits 8 bits 8 bits 16 bits 
Number of 
Transistors 
2,300 
(10 microns) 
3,500 
(10 microns) 
6,000 
(6 microns) 
29,000 
(3 microns) 
Addressable Memory 640 bytes 16 KBytes 64 KBytes 1 MB 
Virtual Memory -- -- -- -- 
Brief Description First microcomputer 
chip, Arithmetic 
manipulation 
Data/character 
manipulation 
10X the performance 
of the 8008 
10X the performance 
of the 8080 
Họ vi xử lý x86 của Intel 80’s 
 80286 
Intel386TM DX 
Microprocessor 
Intel386TM SX 
Microprocessor 
Intel486TM 
DX CPU 
Microprocessor 
Introduced 2/1/82 10/17/85 6/16/88 4/10/89 
Clock Speeds 6MHz, 8MHz, 10MHz, 
12.5MHz 
16MHz, 20MHz, 
25MHz, 33MHz 
16MHz, 20MHz, 
25MHz, 33MHz 
25MHz, 33MHz, 
50MHz 
Bus Width 16 bits 32 bits 16 bits 32 bits 
Number of 
Transistors 
134,000 
(1.5 microns) 
275,000 
(1 micron) 
275,000 
(1 micron) 
1.2 million 
(1 micron) 
(.8 micron with 50MHz) 
Addressable Memory 16 megabytes 4 gigabytes 16 megabytes 4 gigabytes 
Virtual Memory 1 gigabyte 64 terabytes 64 terabytes 64 terabytes 
Brief Description 3-6X the performance 
of the 8086 
First X86 chip to 
handle 32-bit data sets 
16-bit address bus 
enabled low-cost 32-bit 
processing 
Level 1 cache on chip 
Họ vi xử lý x86 của Intel 90’s
Intel486TM SX 
Microprocessor 
Pentium® 
Processor 
Pentium® Pro 
Processor 
Pentium® II 
Processor 
Introduced 4/22/91 3/22/93 11/01/95 5/07/97 
Clock Speeds 16MHz, 20MHz, 
25MHz, 33MHz 
60MHz,66MHz 150MHz, 166MHz, 
180MHz, 200MHz 
200MHz, 233MHz, 
266MHz, 300MHz 
Bus Width 32 bits 64 bits 64 bits 64 bits 
Number of 
Transistors 
1.185 million 
(1 micron) 
3.1 million 
(.8 micron) 
5.5 million 
(0.35 micron) 
7.5 million 
(0.35 micron) 
Addressable Memory 4 gigabytes 4 gigabytes 64 gigabytes 64 gigabytes 
Virtual Memory 64 terabytes 64 terabytes 64 terabytes 64 terabytes 
Brief Description Identical in design to 
Intel486TM DX but 
without math 
coprocessor 
Superscalar 
architecture brought 
5X the performance of 
the 33-MHz Intel486TM 
DX processor 
Dynamic execution 
architecture drives 
high-performing 
processor 
Dual independent bus, 
dynamic execution, 
Intel MMXTM 
technology 
2.3 Hệ thống vi xử lý
Luật Moore 
Dr. Gordon E. Moore, Chairman Emeritus of Intel Corporation, dự đoán rằng 
Cứ một năm rưỡi thì số lượng transistor được tích hợp trên chip vi xử lý tăng gấp đôi
2.3 Hệ thống vi xử lý 
Microprocessor
MEMORY I/O Ports
Data Bus
Control Lines (Control Bus)
Address Bus
Sơ đồ khối chức năng của một hệ thống vi xử lý
Hệ thống vi xử lý 
„ Gồm 3 khối chức năng: Vi xử lý, Bộ nhớ, 
Các cổng I/O
„ Bộ nhớ được thực hiện bằng các chip nhớ 
bán dẫn ROM hoặc RWM, là nơi lưu trữ 
chương trình và dữ liệu. Đối với vi xử lý, 
bộ nhớ là một tập hợp các ô nhớ phân biệt 
theo địa chỉ của chúng.
„ Các cổng I/O được thực hiện bằng các chip 
MSI hoặc LSI, là phần mạch giao tiếp giữa 
vi xử lý với các thiết bị I/O. Bộ vi xử lý 
cũng phân biệt các cổng I/O theo địa chỉ 
của chúng.
Hệ thống vi xử lý 
„ 3 khối chức năng: Vi xử lý, Bộ nhớ, Các 
cổng I/O của một hệ thống vi xử lý trao 
đổi tín hiệu với nhau thông qua Bus hệ 
thống.
„ Bus hệ thống là một tập hợp các đường 
truyền dẫn dùng chung, bao gồm: Bus địa 
chỉ (A-Bus), Bus dữ liệu (D-Bus) và Bus 
điều khiển (C-Bus)
„ Các tín hiệu địa chỉ di chuyển trên A-Bus 
theo hướng từ vi xử lý đến Bộ nhớ và các 
cổng I/O. Số lượng đường truyền dẫn của 
A-Bus (gọi là Độ rộng của A-Bus) tính 
bằng bit, phản ánh khả năng quản lý bộ 
nhớ của chip vi xử lý.
Hệ thống vi xử lý 
„ Các tín hiệu dữ liệu di chuyển trên D-Bus 
theo cả 2 hướng từ vi xử lý đến Bộ nhớ và 
các cổng I/O và ngược lại (mỗi lúc một
hướng). Số lượng đường truyền dẫn của D-
Bus (gọi là Độ rộng của D-Bus) tính bằng 
bit, phản ánh một phần tốc độ trao đổi dữ 
liệu của chip vi xử lý vớI các khối chức
năng khác.
„ Đa số các tín hiệu trên C-Bus là các tín 
hiệu điều khiển riêng lẽ, có tín hiệu xuất 
phát từ vi xử lý, có tín hiệu đi vào vi xử lý. 
Vi xử lý sử dụng các tín hiệu này để điều 
khiển hoạt động và nhận biết trạng thái 
của các khối chức năng khác.
Thiết kế phần cứng của hệ thống vi xử lý
„ Thiết kế bộ nhớ cho hệ thống vi xử lý: 
Ghép nối các chip nhớ bán dẫn sẵn có với
bus hệ thống sao cho khi bộ vi xử lý truy 
cập bộ nhớ thì không xảy ra xung đột giữa 
các chip nhớ với nhau và không xung đột 
với các chip dùng làm cổng I/O
„ Tương tự, Thiết kế các cổng I/O cho hệ 
thống vi xử lý: Ghép nối các chip MSI hoặc 
LSI thường dùng làm cổng I/O với bus hệ 
thống sao cho khi bộ vi xử lý truy cập các 
thiết bị I/O thì không xảy ra xung đột giữa 
các chip đó với nhau và không xung đột 
với các chip dùng làm bộ nhớ
Thiết kế phần mềm của hệ thống vi xử lý
„ Viết chương trình điều khiển hoạt động của 
hệ thống phần cứng theo chức năng mong 
muốn (thường dùng ngôn ngữ Assembly 
của chip vi xử lý dùng trong hệ thống)
„ Dịch chương trình đã viết sang ngôn ngữ 
máy sử dụng các chương trình dịch thích 
hợp
„ Nạp chương trình ngôn ngữ máy vào bộ 
nhớ của hệ thống vi xử lý
„ Kiểm tra hoạt động của hệ thống và thực 
hiện các hiệu chỉnh nếu cần thiết
„ Có thể nhờ sự trợ giúp của các chương 
trình mô phỏng trên máy tính