Trong những thập niên cuối của thế kỷ 20, kỹ thuật điện tử đã liên tục có những tiến bộ vượt bậc, đặc biệt là trong kỹ thuật chế tạo mạch vi điện tử. Sự ra đời và phát triển nhanh chóng của kỹ thuật vi điện tử mà đặc trưng là kỹ thuật vi xử lý đã tạo ra một bước ngoặt quan trọng trong sự phát triển của khoa học tính toán và xử lý thông tin, nó ảnh hưởng quyết định đến con đường “tin học hoá” xã hội, tức là con đường mà thông tin đã và đang trở thành lực lượng sản xuất trực tiếp trong nền sản xuất của kỷ nguyên này. Các bộ vi xử lý ngày nay được xây dựng trên cơ sở của một tấm bán dẫn silic vi điện tử cỡ lớn (LSI) và cực lớn (VLSI) nên kích thước nhỏ gọn, tốc độ cao, tiêu hao năng lượng thấp và đặc biệt là giá rẻ nên chúng ngày càng phổ dụng trong các ứng dụng không chỉ trong các chuyên ngành đặc thù như kỹ thuật điện tử, tin học, viễn thông, công nghệ thông tin, kỹ thuật điều khiển tự động mà cả trong các lĩnh vực phi điện tử khác. Năm 1970 công ty trẻ tuổi Intel cho ra đời bộ vi xử lý đầu tiên, có tên gọi là Intel 4004, nhằm đáp ứng nhu cầu cấp thiết của một công ty kinh doanh là hãng truyền thông BUSICOM. Intel-4004 là kết quả của một ý tưởng quan trọng trong sự phát triển của kỹ thuật xử lý số. Đó là một kết cấu logic (Automat hữu hạn) mà có thể thay đổi chức năng của nó bằng chương trình ngoài chứ không phát triển theo hướng tạo một cấu trúc cứng chỉ thực hiện theo một số chức năng nhất định như trước đây. Do đó khả năng mềm dẻo hoá trong các thao tác của mình mà Intel-4004, vào năm 1971 đã trở thành bộ vi xử lý đầu tiên của thị trường thế giới. Intel-4004 là bộ vi xử lý 4 bít song song, được chế tạo theo quy trình công nghệ MOS kênh cảm ứng loại P. Thời gian tối thiểu để thực hiện một lệnh là 10,8 us. Năm 1972 hãng Intel cho xuất xưởng bộ vi xử lý có tên gọi là Intel-8008. Kiểu này vẫn được chế tạo theo công nghệ PMOS nhưng là loại 8 bit song song. Bộ vi xử lý này là CPU của máy vi tính MICRAL do Pháp chế tạo. Đến đây hàng loạt các hãng điện tử nổi tiếng hàng đầu của thế giới như hãng National, Rockwell, Fairchild, Mostek... đã nhanh chóng đi vào công nghệ sản xuất và chế tạo các bộ vi xử lý. Năm 1974 hãng Intel cho ra đời bộ vi xử lý 8080- 8 bit song song được chế tạo theo công nghệ NMOS với thời gian để thực hiện một lệnh là 2 us đã đánh dấu một bước tiến lớn trên con đường làm chủ tốc độ xử lý tin của kỹ thuật điện tử hiện đại. Các hãng khác cũng cho ra đời những bộ vi xử lý có tính năng tương úng: 6800 (Motorola), 8080(texas Instrument), TLCS12 (Toshiba), 8080 (NEC), F8 (Fairchild), 2650 (Signetics), IM6100 (Intersil), 2650 (RTC), 8080A,4040 (Sinmens), 2900 và và 6800 (của hãng Sescosem)...Năm 1978, loại 8080 được cải tiến thành loại 8085. Lúc này đã xuất hiện những máy tính mini sử dụng các bộ vi xử lý nói trên. Theo đà đó các thông số cơ bản của bộ vi xử lý ngày càng được cải thiện: tốc độ ngày càng lớn (các bộ vi xử lý hiện đại của INTEL đã đạt tới tốc độ nhiều GHZ), độ rộng kênh thông tin ngày càng lớn (các bộ vi xử lý hiện đại của INTEL có kênh dữ liệu 16/32/64 bit). Điều đó đã giúp cho bài toán thiết kế các hệ vi xử lý chuyên dụng với tính năng rộng lớn trở nên dễ dàng hơn. Một hệ vi xử lý tối thiểu phải bao gồm một bộ vi xử lý (đó là khối điều khiển và xử lý trung tâm CPU), một bộ nhớ RAM, một bộ nhớ cố định ROM và các cổng vào ra số liệu cùng những thiết bị ngoại vi cần thiết. Một hệ vi xử lý tối đa không giới hạn về số lượng thành phần, về chức năng thực hiện và về quy mô ứng dụng. Vấn đề là trên cơ sở của yêu câu cụ thể của hệ cần thiết kế mà tổ chức được phần cứng của hệ ở dạng tối thiểu (nhằm tăng tốc độ, giảm giá thành và tăng độ tin cậy) và xây dựng phần mềm điều khiển thật tối ưu nhằm tăng khả năng linh hoạt và mềm dẻo trong các phép xử lý, gia công và biến đổi tín hiệu mà hệ phải thực hiện. Những vấn đề chính đã nêu ở trên sẽ được khảo sát, nghiên cứu trong những chương sau của giáo trình này. Vì để cung cấp các kiến thức cơ bản cho các đối tượng là sinh viên đại học của các chuyên ngành điện tử-viễn thông, công nghệ thông tin và tự động điều khiển nên trong khuôn khổ của cuốn tài liệu không dài, tác giả đã cố gắng tổng hợp, cập nhật các tài liệu thiết yếu trong và ngoài nước để xây dựng nội dung tài liệu này nhằm đạt mục tiêu đã đề ra. Nội dung của tài liệu bao gồm 12 chương, 2 phụ lục. Cụ thể: Chương 1. Kiến trúc hệ vi xử lý. Giới thiệu kiến trúc của hệ Vi xử lý tối thiểu. Tổ chức và đặc trưng của kênh hệ thống, chức năng bộ nhớ ROM, RAM và phương pháp quản lý bộ nhớ trung tâm của hệ vi xử lý. Chương 2. Bộ vi xử lý 16 bit 8086 INTEL. Trình bày cấu trúc phần cứng và nguyên tắc làm việc của bộ vi xử lý 16/32 bit thông qua 80286. Các tín hiệu và chức năng của chúng. Phương pháp quản lý bộ nhớ ở chế độ địa chỉ thực và chế độ địa chỉ ảo của bộ vi xử lý 16/32 bit. Chương 3. Lập trình assembly cho hệ vi xử lý. Trình bày tổng quan về ngôn ngữ assembly và các thành phần cơ bản của nó. Trình bầy bộ ký tự, từ khoá, cú pháp câu lệnh, các lệnh giả, các toán tử cùng trình biên dịch MACRO ASSEMBLER. Tiếp theo là giới thiệu tập lệnh của bộ vi xử lý 80286 cùng với cách phân chia chúng theo nhóm để tiện cho khảo sát. Chương 4. Thiết kế hệ vi xử lý chuyên dụng. Trình bày trình tự và phương pháp thiết kế các hệ vi xử lý chuyên dụng theo chức năng yêu cầu. Minh hoạ bằng thiết kế hệ thu thập tín hiệu đa kênh. Chương 5. Cổng trao đổi thông tin với ngoại vi. Trình bày phương pháp vào/ra thông tin tách biệt và phương pháp vào/ra thông tin theo địa chỉ bộ nhớ. Vi mạch ghép nối có lập trình 8255A và phương pháp ghép nối 8255A với hệ vi xử lý. Chương 6. Chế độ ngắt của bộ vi xử lý. Trình bày chế độ ngắt của bộ vi xử lý. Tổ chức ngắt và nguyên tắc hoạt động của ngắt trong hệ vi xử lý 80X86. Chip điều khiển ngắt ưu tiên 8259A. Ghép nối Chip 8259A với hệ vi xử lý. Chương 7. Truyền thông tin nối tiếp. Trình bày các khái niệm về truyền số liệu. Mạch thu phát dị bộ vạn năng IN8250A/16450. Mạch thu phát đồng bộ và dị bộ vạn năng USART 8251A. Nối ghép UART 8250A và USART 8251A với hệ vi xử lý. Chương 8. Biến đổi tín hiệu tương tự-số và tín hiệu số - tương tự. Trình bày nguyên tắc hoạt động của bộ biến đổi số - tương tự và bộ biến đổi tương tự- số. Bộ biến đổi ADC 8 bit 0809. Bộ biến đổi ADC 12 bit AD574A. Ghép nối ADC 0809 và AD574A với hệ vi xử lý. Chương 9. Hệ vi xử lý ON-CHIP. Trình bày cấu trúc của hệ vi xử lý On-chip 80C51 (và 89C51). Tổ chức cổng vào/ra của On-chip. Khối tạo thời gian và bộ đếm của On-chip. Cơ chế ngắt của On-chip 80C51. Chương 10. Tập lệnh của hệ vi xử lý ON-CHIP 80C51. Trình bày cấu trúc lệnh và nguyên lý thực hiện lệnh của hệ vi xử lý on-chip 80C51. Trình bầy tập lệnh của On-chip 80C51 cùng các nhóm lệnh chuyển dữ liệu, nhóm lệnh điều khiển biến logic, nhóm lệnh rẽ nhánh chương trình, nhóm lệnh tính toán các phép tính số học và logic. Chương 11. Thiết kế hệ xử lý trên hệ vi xử lý ON-CHIP 80C51. Trình bày trình tự thiết kế hệ vi xử lý chuyên dụng trên hệ vi xử lý on-chip. Minh hoạ bằng các thí dụ thiết kế hệ chức năng. Chương 12. Hệ xử lý song song. Trình bày kiến trúc của hệ xử lý song song. Kiến trúc kiểu PIPELINE. Kiến trúc kiểu đa CPU. Lập trình cho hệ xử lý song song đa CPU. Minh hoạ trên thí dụ xử lý song song các tham số ảnh. Trong các chương đều có các thí dụ minh hoạ, đặc biệt là các chương liên quan tới bài toán thiết kế hệ vi xử lý chuyên dụng. Trong các minh hoạ đó đã thể hiện một cách nhất quán các bước thực hiện thiết kế hệ thống từ khâu phân tích yêu cầu nhiệm vụ tới khâu tổ chức phần cứng và xây dựng phần mềm MONITOR tương ứng cho hệ cần thiết kế. Vấn đề ghép nối với máy tính cũng được đặt ra nhằm tận dụng khả năng mạnh của máy tính trong các bài toán xử lý cấp 2, cấp 3 cho các cấu trúc tin phức tạp. Tác giả xin chân thành cảm ơn Pgs. Ts Đỗ Đức Giáo và Pgs. Ts Đỗ Trung Tuấn (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội) đã bỏ nhiều công sức để hiệu đính cuốn tài liệu này, cảm ơn Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để cuốn sách này đến tay bạn đọc. Do khả năng và thời gian chuẩn bị bản thảo còn hạn chế, cuốn sách chắc chắn không tránh được các thiếu sót, chúng tôi mong nhận được sự góp ý chân thành của các bạn đọc. Thư góp ý xin gửi về nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật - 70 Trần Hưng Đạo Hà Nội. |
