Giáo trình kỹ thuật vi xử lý - Nguyễn Trung Đồng, Bùi Thị Mai Hoa (Đại học Thái Nguyên)

Giáo trình kỹ thuật vi xử lý cung cấp kiến thức nền tảng về kiến trúc máy tính, tập lệnh Assembly và lập trình điều khiển vi điều khiển chuyên sâu.

• Tác giả: Nguyễn Trung Đồng
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
• Đề tài: Kỹ thuật vi xử lý
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình kỹ thuật vi xử lý chuẩn mực

Kỹ thuật vi xử lý đóng vai trò hạt nhân trong sự phát triển của công nghệ thông tin hiện đại. Nhu cầu đào tạo kỹ sư phần cứng và kỹ thuật máy tính ngày càng tăng cao. Cuốn giáo trình kỹ thuật vi xử lý được biên soạn nhằm đáp ứng mục tiêu học tập cốt lõi đó. Tài liệu tổng hợp kiến thức từ các hệ thống máy tính cổ điển đến những bộ xử lý hiện đại. Cấu trúc bài giảng bao gồm các hệ thống số, phương pháp biểu diễn dữ liệu và quá trình phát triển của CPU. Người đọc tiếp cận trực tiếp với lịch sử hình thành từ chip vi xử lý 8085 cho đến kiến trúc x86 phức tạp. Việc phân tích rõ ràng hai kiến trúc RISC và CISC giúp làm sáng tỏ hiệu quả xử lý lệnh. Cuốn sách không chỉ chú trọng lý thuyết thuần túy mà còn liên hệ mật thiết với các dòng vi điều khiển 8051 ứng dụng thực tế. Đây là nền tảng vững chắc để xây dựng tư duy phân tích hệ thống.

1.1. Lịch sử phát triển và vai trò của vi xử lý

Bộ vi xử lý xuất hiện tạo nên bước ngoặt lớn cho ngành kỹ thuật máy tính. Từ các dòng vi xử lý sơ khai như 8085, công nghệ bán dẫn liên tục thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn. Tốc độ xung nhịp tăng vọt cùng mật độ tích hợp transistor đạt mức hàng tỷ đơn vị. Vi xử lý chuyển hóa từ công cụ tính toán đơn giản thành bộ não điều khiển cho mọi thiết bị thông minh. Giáo trình cung cấp cái nhìn toàn diện về chặng đường tiến hóa của cấu trúc phần cứng. Sinh viên nắm bắt được quy luật phát triển vi mạch bán dẫn và các bước đột phá công nghệ.

1.2. Mục tiêu đào tạo của môn học vi xử lý

Môn học trang bị nền tảng phần cứng thiết yếu cho sinh viên công nghệ thông tin. Mục tiêu trọng tâm là làm chủ cấu trúc bên trong của bộ xử lý trung tâm. Người học cần giải thích rõ cơ chế thực thi lệnh, quản lý thanh ghi và chu kỳ máy. Giáo trình hướng dẫn kỹ năng đọc hiểu sơ đồ khối, phân tích tín hiệu bus và tương tác giữa các linh kiện. Sinh viên hình thành tư duy liên kết giữa mã lệnh phần mềm và tín hiệu điện phần cứng. Nền tảng này trực tiếp phục vụ cho việc lập trình hệ thống cấp thấp.

II. Phân tích cấu trúc phần cứng trong giáo trình kỹ thuật vi xử lý

Nghiên cứu kiến trúc CPU đòi hỏi việc phân tích chi tiết từng khối chức năng bên trong bộ xử lý. Khối điều khiển thực hiện nhiệm vụ giải mã lệnh từ mã nhị phân thành các xung tín hiệu điện. Mỗi lệnh nhị phân được lưu trữ trong thanh ghi lệnh trước khi đi qua mạch giải mã. Khối tính toán số học và logic thực thi các phép toán trên các thanh ghi dữ liệu. Một bài toán nan giải trong thiết kế vi xử lý là tối ưu hóa tốc độ truy cập bộ nhớ. Tốc độ CPU luôn phát triển nhanh hơn tốc độ phản hồi của bộ nhớ bán dẫn. Sự chênh lệch này tạo ra hiện tượng nghẽn cổ chai dữ liệu trong hệ thống máy tính. Ngoài ra, việc tổ chức bus địa chỉ và bus dữ liệu đòi hỏi phương pháp dồn kênh chính xác nhằm tránh xung đột tín hiệu. Giáo trình phân tích sâu sắc các mạch logic, mạch tạo thời gian và các trạng thái chờ nhằm giải quyết triệt để các xung đột phần cứng.

2.1. Vấn đề giải mã lệnh và điều khiển tín hiệu

Mạch giải mã lệnh đóng vai trò nhận diện cấu trúc bit của từng chỉ lệnh máy. Các cổng logic kết hợp giải mã chuỗi nhị phân thành tín hiệu điều khiển cụ thể. Khối điều khiển logic phải bảo đảm đồng bộ xung nhịp chính xác tuyệt đối. Sai lệch thời gian nhỏ giữa các xung clock có thể gây sai sót dữ liệu nghiêm trọng. Việc quản lý thời điểm phát tín hiệu đọc, ghi bộ nhớ là thử thách kỹ thuật quan trọng. Giáo trình minh họa chi tiết mạch phát hiện lệnh MOVE và nguyên lý hoạt động của các cổng AND giải mã.

2.2. Thách thức phân cấp và tổ chức không gian bộ nhớ

Hệ thống vi xử lý yêu cầu phân chia hợp lý giữa bộ nhớ chương trình ROM và bộ nhớ dữ liệu RAM. Dung lượng bộ nhớ vật lý thường bị giới hạn bởi số lượng đường bus địa chỉ. Thiết kế vỉ nhớ cần tính toán kỹ lưỡng phương pháp giải mã địa chỉ cục bộ và toàn phần. Trùng lặp địa chỉ hoặc thiếu dung lượng là nguy cơ thường trực khi mở rộng hệ thống. Kỹ thuật ghép nối bộ nhớ đòi hỏi tối ưu đường truyền và giảm thiểu tối đa độ trễ truy xuất chip nhớ.

III. Phương pháp thiết kế hệ thống theo giáo trình kỹ thuật vi xử lý

Để giải quyết các vấn đề ghép nối phần cứng, giáo trình cung cấp phương pháp xây dựng hệ thống vi xử lý theo module chuẩn hóa. Kỹ thuật thiết kế bắt đầu từ việc phân bổ không gian nhớ ROM và RAM thông qua các IC giải mã chuyên dụng như 74LS138. Phương pháp này ngăn chặn hiện tượng trùng lặp địa chỉ và tối ưu hóa tài nguyên phần cứng. Bên cạnh đó, giải pháp ghép nối ngoại vi dựa trên các mạch khả lập trình giúp linh hoạt hóa chức năng hệ thống. Mạch điều khiển vào/ra song song 8255 và nối tiếp 8251 đóng vai trò giao tiếp truyền tin tin cậy. Kỹ thuật xử lý ngắt bằng mạch 8259 cho phép CPU phản ứng tức thì với các sự kiện ngoại vi khẩn cấp. Mạch định thời 8253 tạo ra các chu kỳ quét chính xác cho màn hình và bàn phím. Phương pháp tiếp cận này giúp sinh viên xây dựng hoàn chỉnh một hệ vi xử lý ổn định.

3.1. Kỹ thuật ghép nối bộ nhớ bán dẫn ROM và RAM

Quy trình thiết kế vỉ nhớ đòi hỏi xác định rõ không gian địa chỉ cho từng loại chip. Kỹ sư phân chia dải địa chỉ dựa trên các đường bus A0 đến A15. IC giải mã địa chỉ nhận tín hiệu bậc cao để tạo xung chọn chip CS phù hợp. Đường truyền dữ liệu hai chiều được kết nối đồng bộ với bus dữ liệu hệ thống. Các tín hiệu điều khiển đọc RD và ghi WR kích hoạt chế độ làm việc chuẩn xác. Phương pháp này đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu khi CPU truy xuất ô nhớ.

3.2. Ứng dụng các vi mạch ngoại vi khả lập trình

Các vi mạch hỗ trợ khả lập trình đóng vai trò cầu nối trung gian hiệu quả. Chip 8255 cung cấp ba cổng vào/ra độc lập để truyền nhận dữ liệu số. Chip định thời 8253 tạo xung nhịp chính xác cho các ứng dụng đo lường thời gian thực. Mạch điều khiển ngắt 8259 phân cấp mức độ ưu tiên giữa nhiều nguồn tín hiệu ngoại vi. Việc lập trình cấu hình thanh ghi điều khiển giúp tối ưu hóa phần cứng mà không cần can thiệp vật lý phức tạp.

IV. Ứng dụng thực tiễn từ kiến thức giáo trình kỹ thuật vi xử lý

Kiến thức từ giáo trình kỹ thuật vi xử lý là nền móng cốt lõi cho mọi chuyên ngành kỹ thuật công nghệ. Nền tảng này mở đường cho sinh viên tiến sâu vào lĩnh vực thiết kế vi mạch và lập trình nhúng. Các hệ vi xử lý hiện diện rộng rãi trong thiết bị y tế, hệ thống điện tử ô tô và máy móc tự động hóa. Việc nắm vững cách tương tác giữa CPU và phần cứng ngoại vi giúp kỹ sư làm chủ quy trình phát triển sản phẩm thông minh. Từ kiến thức vi điều khiển 8051 và kiến trúc x86, người học dễ dàng chuyển tiếp sang các dòng vi xử lý tiên tiến như ARM hoặc RISC-V. Giáo trình cung cấp tư duy logic giải quyết triệt để các bài toán kỹ thuật từ mức phần cứng thấp nhất. Năng lực thiết kế và gỡ lỗi phần cứng tạo ra ưu thế cạnh tranh vượt trội cho kỹ sư công nghệ trong kỷ nguyên chuyển đổi số.

4.1. Thiết kế hệ thống nhúng và thiết bị thông minh

Hệ thống nhúng hiện đại được xây dựng dựa trên nguyên lý ghép nối vi xử lý cơ bản. Các thiết bị IoT trong nhà thông minh, cảm biến công nghiệp đều sử dụng cấu trúc vi điều khiển. Kỹ sư vận dụng kiến thức giao tiếp ngoại vi để kết nối cảm biến và thiết bị truyền thông. Khả năng lập trình điều khiển vào/ra giúp tối ưu kích thước mạch in và tiết kiệm năng lượng. Nền tảng học thuật vững chắc cho phép phát triển các sản phẩm công nghệ thương mại có độ ổn định cao.

4.2. Xu hướng phát triển kiến trúc vi xử lý tương lai

Ngành công nghệ vi xử lý đang chuyển dịch mạnh mẽ sang kiến trúc đa nhân và xử lý song song. Sự kết hợp giữa kiến trúc RISC mở và bộ xử lý trí tuệ nhân tạo tạo ra bước đột phá mới. Việc nắm bắt nguyên lý giải mã lệnh và quản lý bộ nhớ giúp kỹ sư thích ứng nhanh với các vi xử lý hiện đại. Kiến thức nền tảng trong giáo trình là bước chuẩn bị quan trọng để tiếp cận công nghệ tính toán lượng tử và vi mạch tích hợp cao cấp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VẺ CÁC HỆ VI xừ LÝ 9 IẾl ẵ Các hệ đếm 9 1.1 Hệ đếm thập phân (R = 10 - Decimal) 10 IẼ1.2 Hệ đếm nhị phân (R = 2 - Binary) 10 1.3 Hệ đếm bát phân (R = 8 - Octal) 10 I .lể4 Hệ đém 16 (R = 16-H exa) 10 1. Chuyển đồi lẫn nhau giữa các hệ đếm 11 1.1 Hệ nhị phân và hệ thập phân 1r 1.2 Hệ nhị phân và hệ Hexa 13 Iẻ3. Biểu diễn thông tin trong các hệ Vi xử lý 14 1.1 Mã hoá các thông tin không số 15 1.2 Mã hoá các thông tin số 15 1.3 Biểu diễn dữ liệu số trong máy tính 15 1.4 Bản chất vật lý của thông tin trong các hệ Vi xử lý 17 1.4 Vài nét về thực hiện các phcp tính trong hệ đếm nhị phân 18 1.1 Phép cộng và phép trừ 19 1.2 Phép nhân và phép chia 20 I.

Cấu trúc của hệ Vi xử lý và máy vỉ tính 21 1.1 Vài nét về lịch sử phát triển các trung tâm Vi xử lý 21 1.2 Cấu trúc cơ bản của hệ Vi xử lý 22 CHƯƠNG II. CÁC ĐƠN VỊ VI xử LÝ TRUNG TÂM (CPU - CENTRAL PROCESSING UNIT) II. T rung tâm Vi xử lý |iP8085 29 IIễl.l Các nhóm tín hiệu trong |iP8085 32 II.2 Khái niệm và bản chất vật lý của các BUS trong hệ Vi IIệ1.3 Các mạch 3 trạng thái, mạch chốt và mạch khuyếch đại BUS 2 chiều 37 II.4 Biểu đồ Timing thực hiện lệnh của CPU HP8085 41 IIỖ1.5 Khái niệm chu kỳ BUS 43 II.7 Truy nhập trực tiếp bộ nhớ (Direct Memory Access - DMA) 46 II.8 Vi chương trình (Microprogram) và tập lệnh của ịiP8085 48 II.9 Vài nét về lập trình cho 8085 54 II.10 Hệ lệnh cua |iP8085 56 II. Các trung tâm Vi xử lý họ 80x86 61 II.1 Mô tả chân của fiP8086 và các tín hiệu 61 II.2 Cấu trúc Trung tâm Vi xử lý họ 80x86 64 II.3 Hệ thống thanh ghi trong các |j.4 Các chế độ làm việc MIN/MAX 72 II.5 Phương thức quản lý bộ nhớ, các mode địa chi 72 II.6 Phương thức đánh địa chỉ thiết bị ngoại vi 78 II.7 Các mạch Multiplexer, mạch Decoder, mạch PLA 79 II.8 Vài nét về lập trình hợp ngữ 81 II.3ẽ Cấu trúc và tính năng của một số chip Vi xử lý hiện đại 82 IIỂ3.1 Cấu trúc chip Vi xử lý Pentium 85 11.2 Cấu trúc RISC, CISC 90 11.3 Quản lý bộ nhớ 90 11.4 Bộ nhớ cache 95 II.

Single-Chip M icrocom puter JIC8051 96 11.2 Mô tả cấu trúc và chức năng 99 11.3 Lập trình cho |iC8051 112 11.4 Các khả năng ứng dụng của ỊiC8051 113 CHƯƠNG III. Bộ NHỚ TRONG CỦA HỆ VI x ử LÝ III. Bộ nhớ trong hệ Vi xử lý ỉ 14 III.1 Phần tử nhớ, vi mạch nhớ, từ nhớ và dung lượng bộ nhớ 114 6 IIIễ1.2 Vài nét về bộ nhớ trong của hệ Vi xừ lý và máy tính PC 116 III.3 Phân loại các chip nhớ ROM, RAM 121 III. Tổ chức bộ nhớ cho hệ Vi xử lý 123 111.1 Tổ chức bộ nhớ vật lý 123 111.2 Thiết kế vỉ nhớ cho hệ Vi xử lý 124 CHƯƠNG IV.

CÁC CHIP KHẢ LẬP TRÌNH (PROGRAMMABLE) r v ềl. Tổng quan 128 IV. Một sổ mạch chức năng tiêu biểu 128 IV.1 Mạch vào/ra dữ liệu song song PPI-8255 (Progranmiable Peripheral Interface).2 Mạch điều khiển ngất PIC-8259 135 IV.3 Mạch đếm định thời đa năng PIT-8253 (Programmable Interval Timer) 147 IV.4Mạch điều khiển vào/ra nối tiếp đồng bộ/dị bộ ƯSART-8251 155 CHƯƠNG V. THIẾT BỊ VÀO RA CỦA HỆ VI x ử LÝ v.

Bàn phím Hex Keyboard 172 V. Ghép nối bàn phím với hệ Vi xử lý 177 V.1 Hệ thống bàn phím của máy vi tính 177 v .2 Quá trình truyen dữ liệu từ bàn phím cho CPU 179 v ẻ3ẳ Mạch điều khiển và lập trình chỉ thị 7-segments 180 V.1 Màn hình ống tia âm cực CRT (Cathode Ray Tube) 182 v.2 Ghép nối mận hình với hệ Vi xử lý 183 v.3 Bộ điều khiển màn hình CRTC 185 PHỤ LỤC PHỤ LỤC A 139 7 PHỤ LỤC B 194 PHỤ LỤC c 196 PHỤ LỤC D 197 TÀI LIỆU THAM KHẢO 153 8 CHƯƠNG ; TỎNG QUAN VÈ CÁC HỆ VI x ử LÝ 1.1ẵCác hệ đếm Hệ đếm thông dụng nhất trong đời sống là hệ đếm cơ số 10 (thập phân - Decimal), sử dụng 10 ký tự số từ 0 đến 9. Ngoài ra, trong sản xuất, kinh doanh còn có khi sử dụng hệ đếm cơ số 12 (tá - dozen). Trong các hệ thống máy tính, để xử lý, tính toán, do cách biểu diễn dữ liệu thông qua các trạng thái “ 0 ” (không có điện áp) và “ 1” (có điện áp), nên phải sử dụng các hệ đếm cơ số 2 (nhị phân - Binary), hệ cơ số 8 (bát phân - Octal), hệ cơ số 16 (Hexa).

Tuy nhiên, việc nhập dữ liệu hay đưa kết quả xử lý, ta lại dùng hệ đếm cơ số 10 do tính trực giác và thói quen của người dùng. Một số N trong một hệ đếm bất kỳ có n+l chữ số , trong đó gồm n chữ số thuộc phần nguyên và / chữ số thuộc phần thập phân, được triển khai theo công thức tổng quát: k=-l trong đó: R là cơ sổ của hệ đếm ũk là trọng của chừ số ở vị trí thứ k (0 < dk <R) { ứ* }r = { 0. ẳễR - l } 1, n là số nguyên N = an_i.a_i Theo công thức trên, các số được biểu diễn trong các hệ đếm khác nhau sẽ như sau: 9 IỄ1. Hệ đếm thập phân (R = 10 - Decimal) { }d ~ { 0 ,1 ,2 , 3 ,4 , 5, 6, 7, 8,9} 1 2 3 ,4 5 d = 1 X 1 0 2 + 2 X 1 0 1 + 3 X 1 0 ° + 4 X 1 0 ' 1 + 5 X 1 0 ‘2 1.1 ế2ế Hệ đếm nhị phân (R = 2 - Binary) { <*k } b - { 0 , 1} 1 1 0 1 l.3ễ Hệ đếm bát phân (R = 8 - Octal) {a*}o={0,l,2,3,4,5,6,7} 653,12 o = 6 X 82 + 5 X 81 + 3 X 8° + 1 X 8‘‘ + 2 X 8’2 = 384 + 40 + 3 + 0,125 + 0,03125 = 427,1562D Lưu ỷ: Các chữ số ữong hệ này có thể biểu diễn nhờ 3 ký tự số (“0” và “ 1”) trong hệ đếm nhị phân theo bảng sau: Octal Binary Octal Binary Octal Binary Octal Binary 0o 0 0 0 b 2o 01 Ob 4o 100B 6o 1 1 0 b 1o 0 0 1 B 3o 0 1 1 b 5o 1 0 1 B 7o 1 1 1 b I.4ẾHệ đếm 16 (R = 16 - Hexa) {ak}H = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, c, D, E, F} 3A7,C H = 3 X 162 + 10 X 161 + 7 X 16° + 12 X 16"1 = 768 + 160 + 7 + 0,75 = 935,75D Liru Một giá trị ký tự số Hexa có thể biểu diễn thông qua 4 ký tự số ờ hệ nhị phân theo bảng sau: Hexa Binary Hexa Binary Hexa Binary Hexa Binary Oh 0000b 4h 0100b 8h 1000b C h 1100b 1h 0001b 5h 0 1 0 1 b 9h 1 0 0 1 b D h 1 1 0 1 b 2 h 0 0 1 0 b 6 h 0 1 1 0 b Ah 1 0 1 0 b Eh 1 1 1 0 b 3h 0 0 1 1 b 7h 0 1 1 1 b Bh 1 0 1 1 b Fh 1 1 1 1 b 10 Nhận xét: 1.

Trong các hệ đếm vừa được nêu, việc biểu diễn thông tin theo hệ đếm cơ số 2 để xử lý trong máy tính là phù hợp. Thứ nhất, việc mô phỏng giá trị của một ký tự số là rất đơn giản: chỉ cần một phần tử có hai trạng thái khác biệt. Sử dụng bản chất vật lý của vật mang thông tin để biểu diễn hai ữạng thái này rất dễ thực hiện. Trên dây dẫn điện là các trường hợp có dòng điện (tương ứng với trọng số là 1) hoặc không cỏ dòng điện (tương ứng với trọng số là 0).

Việc chuyển đổi giữa hai giá trị 0 hoặc 1 có thể thực hiện thông qua một công tắc, trong thực tế, các phần tử logic điện tò thực hiện các chức năng của khoá điện tử: đóng (dòng điện đi qua được) hoặc mở (dòng điện không đi qua).2ề Chuyển đổi lẫn nhau giữa các hệ đếm IỆ2ẽl ẳ Hệ nhị phân và hệ thập phân a) Từ nhị phân sang thập phân: Sử dụng biểu thức triển khai tổng quát đã nêu, cộng tất cả các số hạng theo giá trị số thập phân, tổng số là dạng thập phân của số nhị phân đã cho.75D b) Từ thập phân sang nhị phân: Phần nguyên: Ta có đẳng thức sau (vế trái là sổ thập phân, vế phải là biểu diễn nhị phân của số đó): SD = k„2n + kn. + k,) + ko Vì kị = {0, 1}, đồng phân với số 0; 1 trong sổ thập phân, nên ta có thể viết: So-ko -»n-3 ---------- = kn2n'' + kn-i2n'2 + kn-22n‘J +. + ki = 2(kn2n 2 + kn-i2n 3 +. + kỉ) + ki Thấy rằng: Ký tự đầu tiên của số nhị phân là ko, đúng với số dư khi chia SD cho 2 , ký tự tiếp theo, k) chính là số dư khi chia thương cho 2 , v.

nên ta có thể tìm tất cả các ký tự khác như sau: Ví dụ: Đổi số 173d ra số nhị phân 173 2 dư 1 ko V ậyl73D= 10101101B 86 2 dư 0 ki 43 2 dư 1 k2 21 2 dư 1 k3 10 2 dư 0 k4 5 2 dư 1 k5 2 2 dư 0 ké 1 2 dư 1 k7 0 Phân sổ: Đẳng thức quan hệ giữa số thập phân và số nhi phân (phần phân số) (vế trái là số thập phân, vế phải là số nhi phân) như sau: Sd — k-i2 1 + k.m2"m+l) Thấy ràng k -1 trở thành phần nguyên của vế phải, vậy: 2SD- k .m2'm+2) k-2 là phần nguyên tiếp theo của vế phải có thể bàng " 0 ” hoặc bàng ‘T \ Tiếp tục tương tự, thu được các ký tự số của các phần tử còn lại. 12 Ví dụ: Chuyển đổi số 0.8128 thành số nhị phân Thực hiện phép nhân liên tiếp với 2, phần nguyên của tích bao giờ cũng là các giá trị hoặc bằng “0 ” hoặc bằng “ 1”, thu được kết quả sau: 0.0048 X 2 Quá nhỏ có thể bỏ qua Quá trình biến đổi này kết thúc khi phần phân số của tích số bàng 0 , tuy nhiên, nếu quá kéo dài, tuỳ theo yêu cầu của độ chính xác dữ liệu khi tính toán và xử lý, có thể bỏ qua.