Bài giảng Thiết kế hệ vi xử lý

Click to edit Master title style Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý ‹#› 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 1 TÀI LIỆU THAM KHẢO [ i ] Nguyễn Trung Đồng: Giáo trình Kỹ thuật Vi xử lý [ ii ] Nguyễn Trung Đồng: Giáo trình Kiến trúc máy tính [ 1 ] Nguyễn Tăng Cường, Phan Quốc Khánh: Cấu trúc và lập trình họ Vi điều khiển 8051. NXB KH&KT Hà Nội-2004 [ 2 ] Vũ Chấn Hưng: Giáo trình Kiến trúc máy tính. NXB Giao thông vận tải - Hà Nội 2003 [ 3 ] Văn Thế Minh: Kỹ thuật Vi xử lý – NXB Thống kê – Hà Nội [ 4 ] Tập thể tác giả Phòng Kỹ thuật số - Viện Khoa học Tính toán và Điều khiển: Kỹ thuật Vi xử lý - Nhà Xuất bản Thống kê – Hà Nội 1983 [ 5 ] Alan Clements: Principles of Computer Hardware – PWS-KENT Publishing Company – Boston 1992 [ 6 ] Intel® Corporation: Component Data Catalog 1982 [ 7 ] David Hergert, Nancy Thibeault: PC Architecture from Assembly Language To C. Prentice-Hall, Inc. 1997 [ 8 ] Christopher L. Morgan and Mitchell Waite: 8086/8088 16-bit Micrro- Processor Primer – McGraw-Hill, Inc. 1982 [ 9 ] V.M. Rooney: Microprocessors and Microcomputers - McMilan Publishing Company – New York 1983 [ 10 ] James L., Turley: Advanced 80386 programming techniques - Osborne Mc Graw-Hill 1988 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý Thiết kếHỆ VI XỬ LÝ CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT MÁY TÍNH 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 3 Trình tự thiết kế một hệ Vi xử lý Tùy mục đích sử dụng hệ, trình tự thiết kế một hệ VXL phải tuân thử chuẩn mực thiết kế nhằm mục đích đạt được tính tương thích cao trong quá trình hoạt động. Đối với các hệ thống chuyên dụng và đơn lẻ, quy trình thiết kế cần tuân theo những yêu cầu cụ thể của nhiệm vụ chức năng. Những yêu cầu đặt ra là: Mềm dẻo trong thao tác Tốc độ cao, loại bỏ các chức năng và thao tác thừa Đảm bảo độ tin cậy Dễ dáng thay đổi các thông số và trình tự vận hành thông qua thay đổi phần mềm chứ không phải thay đổi phần cứng. Các bước thiết kế một hệ VXL: Phân tích chức năng, nhiệm vụ của hệ VXL, môi trường làm việc, đặc trưng và tham số của các thông tin, tín hiệu mà hệ cần thu hập và xử lý nhằm phân chia chức năng cho phần cứng và phần mềm của hệ 2. Tổ chức phần cứng cho hệ: Xây dựng sơ đồ khối, mỗi thành phần là một hộp chức năng, xác định mối liên kết giữa các thành phần chức năng 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 4 Lựa chọn các chip IC phù hợp với chức năng và nhiệm vụ của từng thành phần. Đặc biệt lưu ý chọn CPU (tốc độ tính toán, xử lý, độ rộng BUS dữ liệu, không gian nhớ, không gian thiết bị ngoại vi…), chọn chip nhớ phù hợp, chọn chip đệm BUS nếu cần. Sơ đồ ghép nối chi tiết các thành phần chức năng, lưu ý tránh xung đột trạng thái: Tổ chức bộ nhớ và cơ chế truy xuất, phân bổ các vùng nhớ thích hợp, lập bảng địa chỉ của bộ nhớ trung tâm, tổ chức tín hiệu kích hoạt chip nhớ và hướng di chuyển của thông tin, dữ liệu. Tổ chức và cơ chế truy xuất thiết bị ngoại vi, Chú ý ưu nhược điểm của từng phương thức truy xuất cho phù hợp với yêu cầu, thỏa hiệp giữa tốc độ truy xuất và kết cấu của ngoại vi Tổ chức ghép nối các thành phần và đưa ra yêu cầu đối với MONITOR Xây dựng phần mềm: Phần mềm hệ thống (Monitor). Phần mềm ứng dụng. Phần mềm tiện ích v.v…. Nạp chương trình cho hệ thống 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 5 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 6 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 7 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 8 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 9 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 10 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 11 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 12 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 13 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 14 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 15 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 16 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 17 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 18 1. Vai trò của hệ Vi xử lý trong các ứng dụng thực tế Dưới góc độ là một máy tính đa dụng Dưới góc độ là một máy tính chuyên dụng Dưới góc độ là một hệ xử lý tín hiệu số Dưới góc độ là một hệ thống điều khiển số Dưới góc độ là một thiết bị gia dụng Dưới góc độ là một thiết bị chuyên dụng Dưới góc độ là đồ chơi điện tử, giải trí v.v… ……………………. 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 19 2. Quy trình thiết kế một hệ Vi xử lý Kiến trúc cơ sở Liên kết giữa CPU với bộ nhớ chương trình, bộ nhớ dữ liệu, thiết bị vào/ra, BUS – Khái niệm và bản chất vật lý Ngắt, chương trình phục vụ ngắt Truy nhập trực tiếp bộ nhớ Các IC chuyên dụng - khối chức năng cơ bản 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 20 3. Bộ nguồn nuôi của hệ Vi xử lý Chỉnh lưu sơ cấp Bộ lọc sơ cấp Biến áp xung Chỉnh lưu thứ cấp Bộ lọc thứ cấp Mạch cảm biến-chuyển mạch Tín hiệu cảm biến điện áp 220VAC Sơ đồ khối bộ nguồn nuôi máy tính Điện áp một chiều sơ cấp Điện áp một chiều thứ cấp: 5V, 12V Power Switching Transistor 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 21 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 22 Nguồn cấp trước 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 23 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 24 Kết cấu đường truyền tín hiệu (BUS địa chỉ, BUS dữ liệu, BUS điều khiển) BUS là hệ thống đường dây dẫn tín hiệu điện nội bộ mà theo đó các tín hiệu được truyền từ bộ phận này đến các bộ phận khác trong hệ thống Vi xử lý. Có 3 loại BUS trong một hệ Vi xử lý cũng như trong máy tính PC: BUS dữ liệu truyền dữ liệu theo hai chiều giữa bộ nhớ và trung tâm Vi xử lý, giũa các thiết bị ngoại vi và Trung tâm Vi xử lý BUS địa chỉ truyền dẫn các tín hiệu xác định vị trí nhớ trong bộ nhớ, hoặc một thiết bị ngoại vi BUS điều khiển truyền các tín hiệu điều khiển đến các bộ phận hoặc các thành phần chức năng cần được điều khiển Các BUS được xây dựng bằng cách sử dụng các khe cắm, theo một yêu cầu rất khắt khe đối với từng tiếp điểm. Đối với các khe cắm, các tiếp điểm tương ứng sẽ được nối với nhau bằng các dây dẫn hoặc đường dẫn song song trên mạch in. Nhờ vậy, khi dữ liệu được truyền đi, tất cả các bit (8, 16, 32, hay 64) đều được truyền đi đồng thời, cùng một hướng (truyền dẫn song song). Cũng cần nói thêm rằng, trong máy PC, có 3 loại cấu trúc BUS thường gặp là ISA (Industrial Standard Architecture) EISA (Enhanced ISA) và PCI (Peripheral Component Interconnect). 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 25 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 26 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 27 Bộ nhớ, thiết bị ngoại vi … Liên kết các thành phần chức năng qua hệ thống BUS Các khối giao diện ghép nối Các yêu cầu với các khối phối ghép, giao diện (interfacing) + Phối ghép Logic + Phối ghép công nghệ + Phối ghép tách đất... 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 28 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 29 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 30 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 31 II. Cấu trúc CPU P8086 và tập lệnh ALU 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 32 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 33 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 34 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 35 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 36 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 37 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 38 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 39 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 40 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 41 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 42 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 43 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 44 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 45 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 46 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 47 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 48 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 49 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 50 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 51 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 52 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 53 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 54 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 55 Tập lệnh của CPU x86 Nhóm lệnh chuyển dữ liệu Nhóm lệnh chuyển địa chỉ Nhóm lệnh chuyển thanh ghi cờ Nhóm lệnh chuyển dữ liệu qua cổng Nhóm lệnh chuyển điều khiển Lệnh so sánh có cú pháp Nhóm lệnh lặp Lệnh gọi chương trình con Nhóm lệnh tính toán số học Nhóm lệnh dịch chuyển và quay vòng Nhóm lệnh thực hiện phép tính logic Nhóm lệnh xử lý xâu chuỗi 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 56 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 57 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 58 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 59 Chip tạo xung nhịp 8224 và 8824 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 60 Clock Generator 8284 and Driver for x86 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 61 PPI 8255 Giao diện song song khả trình 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 62 Mạch đếm và định thời khả trình 8253/8254 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 63 USART 8251 Mạch giao diện nối tiếp khả trình 8251 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 64 Bộ nhớ và thiết bị vào/ra Giao tiếp với bộ nhớ Bộ nhớ bán dẫn: ROM, SRAM, DRAM Tổ chức từ nhớ Phân vùng địa chỉ bộ nhớ vật lý Các tín hiệu điều khiển truy nhập bộ nhớ Quá trình truy nhập trực tiếp bộ nhớ Thiết kế vỉ nhớ bán dẫn cho hệ vi xử lý x86 Phối ghép với các thiết bị vào/ra Phương pháp dùng địa chỉ tách biệt với không gian nhớ (Isolated I/O) Phương pháp dùng địa chỉ tuyến tính (Linear Addressing I/O) Giải mã địa chỉ thiết bị vào/ra Phối ghép công nghệ (Mức tín hiệu và thời gian truy xuất) Phối ghép hệ VXL với bàn phím HEXA, bàn phím Standard Phối ghép 7segment Display, LCD và phối ghép màn hình CRT 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 65 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 66 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 67 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 68 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 69 Thiết kế Hệ Vi xử lý trên cơ sở μP8086 Yêu cầu cấu hình: Phân tích mục đích sử dụng hệ Yêu cầu và tổ chức bộ nhớ chương trình, bộ nhớ dữ liệu Yêu cầu về thiết bị ngoại vi, các vấn đề phối ghép Yêu cầu về bộ nguồn Sơ đồ Sơ đồ cấu trúc tổng quát Sơ đồ mạch cụ thể Sơ đồ bố trí linh kiện Thực hiện Phân tích hoạt động Trên cơ sở phân tích hoạt động của hệ thống, đưa ra các yêu cầu về Monitor, quản lý các giao diện với bộ nhớ và thiết bị ngoại vi 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 70 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 71 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 72 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 73 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 74 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 75 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 76 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 77 07/01/2011 78 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 07/01/2011 79 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 80 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 81 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 82 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 83 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 84 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 85 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 86 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 87 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 88 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 89 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 90 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 91 07/01/2011 Nguyễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi xử lý 92 Lập trình Người sử dụng Các chương trình ứng dụng Các chương trình tiện ích Hệ điều hành Phần cứng máy tính Nhà thiết kế H Đ H Tập thể Lập trình viên