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 thụng
Đại học Bỏch khoa Đà Nẵng
của Hồ Viết Việt, Khoa ĐTVT
Tài liệu tham khảo
[1] Kỹ thuật vi xử lý, Văn Thế Minh, NXB Giỏo 
dục, 1997
[2] Kỹ thuật vi xử lý và Lập trỡnh Assembly cho 
hệ vi xử lý, Đỗ Xuõn 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 gỡ?
- Cỏc thành phần của bộ vi xử lý
- Ứng dụng của bộ vi xử lý
2.2 Cỏc họ vi xử lý
- Họ x86 của Intel- Luật Moore
- Họ 68x của Motorola
2.3 Hệ thống vi xử lý
- Bộ nhớ
- Cỏc 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 
tớch hợp chứa hàng ngàn, 
thậm chớ hàng triệu 
transistor (LSI, VLSI) được 
kết nối với nhau
„ Cỏc transistor ấy cựng nhau 
làm việc để lưu trữ và xử lý 
dữ liệu cho phộp bộ vi xử lý 
cú thể thực hiện rất nhiều 
chức năng hữu ớch
„ Chức năng cụ thể của một 
bộ vi xử lý được xỏc định 
bằng phần mềm (cú thể lập
trỡnh được)
Bộ vi xử lý
„ Bộ vi xử lý đầu tiờn 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 cỏc mỏy vi tớnh
(microcomputer) với vai 
trũ là CPU. Ngoài ra,
chỳng cũn cú mặt ở nhiều 
thiết bị khỏc.
Cỏc thành phần của bộ vi xử lý
ALU và Control Unit
ALU
„ Thực hiện cỏc phộp toỏn logic (AND, OR, XOR, 
NOT) và cỏc phộp toỏn số học (cộng, trừ, nhõn, chia) 
„ Thực hiện việc chuyển dữ liệu
„ Việc thực hiện lệnh thực sự diễn ra ở ALU
Control Unit
„ Cú trỏch nhiệm liờn quan đến việc tỡm và thực hiện 
cỏc lệnh bằng cỏch cung cấp cỏc tớn hiệu điều khiển 
và định thời cho ALU và cỏc mạch khỏc biết phải làm 
gỡ và làm khi nào.
Cỏc thanh ghi (Registers)
„ Thanh ghi là nơi mà bộ vi xử lý cú thể lưu trữ được
một số nhị phõn (Kớch cỡ của thanh ghi tớnh bằng bit)
„ Bộ vi xử lý dựng cỏc thanh ghi để lưu trữ dữ liệu tạm 
thời trong quỏ trỡnh thực hiện chương trỡnh
„ Cỏc thanh ghi cú thể được truy cập bằng cỏc cõu lệnh 
ngụn ngữ mỏy thường được gọi là cỏc thanh ghi người 
sử dụng cú thể nhỡn thấy được (cú thể truy cập được)
„ Cỏc thanh ghi điều khiển và cỏc thanh ghi trạng thỏi 
được CU dựng để điều khiển việc thực hiện chương 
trỡnh. Đa số cỏc thanh ghi này người sử dụng khụng 
thể nhỡn thấy được
2.2 Cỏc họ vi xử lý
„ Hiện nay, cú rất nhiều nhà sản xuất ra cỏc 
chip vi xử lý:Intel, AMD, Motorola, Cyrix 
„ Thụng thường, một họ vi xử lý là cỏc chip 
vi xử lý được sản xuất bởi một nhà sản 
xuất nào đú.
„ Trong phạm vi một họ vi xử lý, theo thời 
gian và theo cụng nghệ chế tạo cú cỏc đời
(thế hệ) vi xử lý khỏc nhau phõn biệt theo 
Độ dài Từ của chỳng (bit) và tốc độ (Hz).
„ Độ dài Từ (Word Length) của một chip vi 
xử lý là kớch cỡ tối đa của cỏc toỏn hạng 
nhị phõn mà nú cú thể thực hiện cỏc phộp 
toỏn trờn đú.
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
Pentiumđ 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 
Pentiumđ 
Processor 
Pentiumđ Pro 
Processor 
Pentiumđ 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 đoỏn rằng 
Cứ một năm rưỡi thỡ số lượng transistor được tớch hợp trờn chip vi xử lý tăng gấp đụi
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, 
Cỏc cổng I/O
„ Bộ nhớ được thực hiện bằng cỏc chip nhớ 
bỏn dẫn ROM hoặc RWM, là nơi lưu trữ 
chương trỡnh và dữ liệu. Đối với vi xử lý, 
bộ nhớ là một tập hợp cỏc ụ nhớ phõn biệt 
theo địa chỉ của chỳng.
„ Cỏc cổng I/O được thực hiện bằng cỏc chip 
MSI hoặc LSI, là phần mạch giao tiếp giữa 
vi xử lý với cỏc thiết bị I/O. Bộ vi xử lý 
cũng phõn biệt cỏc cổng I/O theo địa chỉ 
của chỳng.
Hệ thống vi xử lý 
„ 3 khối chức năng: Vi xử lý, Bộ nhớ, Cỏc 
cổng I/O của một hệ thống vi xử lý trao 
đổi tớn hiệu với nhau thụng qua Bus hệ 
thống.
„ Bus hệ thống là một tập hợp cỏc đường 
truyền dẫn dựng chung, bao gồm: Bus địa 
chỉ (A-Bus), Bus dữ liệu (D-Bus) và Bus 
điều khiển (C-Bus)
„ Cỏc tớn hiệu địa chỉ di chuyển trờn A-Bus 
theo hướng từ vi xử lý đến Bộ nhớ và cỏc 
cổng I/O. Số lượng đường truyền dẫn của 
A-Bus (gọi là Độ rộng của A-Bus) tớnh 
bằng bit, phản ỏnh khả năng quản lý bộ 
nhớ của chip vi xử lý.
Hệ thống vi xử lý 
„ Cỏc tớn hiệu dữ liệu di chuyển trờn D-Bus 
theo cả 2 hướng từ vi xử lý đến Bộ nhớ và 
cỏc cổng I/O và ngược lại (mỗi lỳc một
hướng). Số lượng đường truyền dẫn của D-
Bus (gọi là Độ rộng của D-Bus) tớnh bằng 
bit, phản ỏnh một phần tốc độ trao đổi dữ 
liệu của chip vi xử lý vớI cỏc khối chức
năng khỏc.
„ Đa số cỏc tớn hiệu trờn C-Bus là cỏc tớn 
hiệu điều khiển riờng lẽ, cú tớn hiệu xuất 
phỏt từ vi xử lý, cú tớn hiệu đi vào vi xử lý. 
Vi xử lý sử dụng cỏc tớn hiệu này để điều 
khiển hoạt động và nhận biết trạng thỏi 
của cỏc khối chức năng khỏc.
„ Thiết kế bộ nhớ cho hệ thống vi xử lý: 
Ghộp nối cỏc chip nhớ bỏn dẫn sẵn cú với
bus hệ thống sao cho khi bộ vi xử lý truy 
cập bộ nhớ thỡ khụng xảy ra xung đột giữa 
cỏc chip nhớ với nhau và khụng xung đột 
với cỏc chip dựng làm cổng I/O
„ Tương tự, Thiết kế cỏc cổng I/O cho hệ 
thống vi xử lý: Ghộp nối cỏc chip MSI hoặc 
LSI thường dựng làm cổng I/O với bus hệ 
thống sao cho khi bộ vi xử lý truy cập cỏc 
thiết bị I/O thỡ khụng xảy ra xung đột giữa 
cỏc chip đú với nhau và khụng xung đột 
với cỏc chip dựng làm bộ nhớ
Thiết kế phần cứng của hệ thống vi xử lý
Thiết kế phần mềm của hệ thống vi xử lý
„ Viết chương trỡnh điều khiển hoạt động của 
hệ thống phần cứng theo chức năng mong 
muốn (thường dựng ngụn ngữ Assembly 
của chip vi xử lý dựng trong hệ thống)
„ Dịch chương trỡnh đó viết sang ngụn ngữ 
mỏy sử dụng cỏc chương trỡnh dịch thớch 
hợp
„ Nạp chương trỡnh ngụn ngữ mỏy vào bộ 
nhớ của hệ thống vi xử lý
„ Kiểm tra hoạt động của hệ thống và thực 
hiện cỏc hiệu chỉnh nếu cần thiết
„ Cú thể nhờ sự trợ giỳp của cỏc chương 
trỡnh mụ phỏng trờn mỏy tớnh