G I Á O T R Ì N H

K ỹ t h u ậ t v i ì

(TẬP 1)

H Ọ C V I Ệ N C Ô N G N G H Ệ B ư u C H Í N H VIÊN T H Ô N G

G I Á O T R Ì N H

K ỹ t h u ậ t v i x ử

( T Ậ P 1 )

B i ê n s o ạ n : T S . H ồ K h á n h L â m

N H À X U Ấ T B Ả N BƯU Đ I Ệ N

Hà Nội-2008

L Ờ I G I Ớ I T H I Ệ U

Chiến lược phát triển công nghệ thông tin và truyền thông

(ICT) của đất nước ta coi đào tạo nguồn nhân lực, đặc biệt là

đội ngủ kỹ sư hệ thống công nghệ điện tử - viễn thông - tin học

là một yêu cầu cấp bách đối với công tác nghiên cứu và giáo dục

đào tạo ở hệ cao đẳng và đại học. Kỹ thuật vi xử lý là kiên trúc

lõi cơ bản nhất trong hầu hết các hệ thông thiết bị điện tử, viên

thông và tự động hóa, củng như mạng lưới và các hệ thống xử lý

thông tin hiện đại khác. Do vậy, hiểu biết "Kỹ thuật vi xử lý" trở

thành nhu cầu không thê thiếu của các kỹ thuật viên, cán bộ,

chuyên gia trong lĩnh vực Điện tử - Viễn thông - Tin học.

Cùng với nhiều tài liệu, sách tham khảo "Kỹ thuật vi xử lý"

đang lưu hành, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông và

tác giả cho ra đời quyến giáo trình "Kỹ thuật vi xử lý" này trên

cơ sở tuân thủ nội dung của một giáo trình, được Hội đồng

nghiệm thu phê duyệt, với nhiều nội dung tham khảo phong

phú nhằm mở rộng kiến thức cho nhiều loại đôi tượng sử dụng

trong giảng dạy, học tập và nghiên cứu: giảng viên, sinh viên

các trường Đại học, Cao đắng, các trường Kỹ thuật dạy nghề,

các học viên cao học và nói chung những ai khi học tập nghiên

cứu về kỹ thuật vi xử lý, máy vi tính nói riêng và kỹ thuật tin

học nói chung.

Nội dung của giáo trình đề cập những khái niệm cơ bản về

vi xử lý, về công nghệ của một số vi xử lý thông dụng từ 8-bít

đến 64-bít, từ kiến trúc tập lệnh phức tạp (CISC) đến kiến trúc

tập lệnh giảm thiêu (RISC), được các nhà sản xuất hàng đầu

thế giới như Intel, Ziỉog, Motoroỉa, HP, IBM, Sun,... tạo ra; diễn

giải các tập lệnh của các vi xử lý thông qua lập trình hợp ngữ

các nguyên tắc phối ghép và trao đối thông tin giữa vi xử lý với

thê giới vật lý bên ngoài (bộ nhớ, thiết bị ngoại vi,...); trình bày

các loại thiết bị nhớ bằng vật liệu bán dẫn, vật liệu từ, quang

học. Giáo trình tập trung trình bày kỹ công nghệ vi xử lý Intel

từ 808x đến Pentium M công nghệ Centrino Mobiỉe do sự ứng

dụng phổ biến của chúng trong các thế hệ máy ui tính từ trước

đến nay và củng đế đảm bảo thỏa mãn đa số nội dung giảng

dạy và thực tập môn kỹ thuật vi xử lý trong các cơ sở đào tạo.

Các loại vi điều khiển và xử lý tín hiệu củng được trình bày một

cách cơ bản với những ví dụ ứng dụng đơn giản của chúng.

Giáo trình có phần bài tập giúp cho người đọc ôn luyện kiến

thức dễ dàng.

Nội dung của giáo trình thể hiện sự đầu tư sức lao động

nghiêm túc, công phu cùng với kinh nghiệm thực tế và đào tạo

của tác giả trong lĩnh vực "Kỹ thuật vi xử lý" và máy tính điện

tử nhiều năm với mong muôn đóng góp cho sự nghiệp đào tạo

của ngành Bưu chính Viễn thông và công nghệ thông tin nói

riêng và giáo dục đào tạo nói chung trong sự nghiệp phát triển

nguồn nhân lực trí tuệ cho đất nước.

Xin trân trọng giới thiệu.

G S . T S K H . Đ Ố T R U N G T Á

L Ờ I N Ó I Đ Ầ U

Ngày nay, bộ ui xử lý được sử dụng rộng rãi không chỉ

trong lĩnh vực máy tính điện tử mà còn trong rất nhiêu hệ thống

điều khiển khác. Với sự phát triển của công nghệ mạch tích hợp

một bộ ui xử lý có thế được chế tạo từ một hoặc vài ui mạch tích

hợp cở lớn, chứa hàng ngàn hoặc hàng triệu transistor. Dưới sự

điều khiển của các chương trinh chứa trong bộ nhớ, bộ vi xử lý

thực hiện các phép tính số học, logic, các phép toán khác và kết

nối, trao đổi dữ liệu với các thiết bị bên ngoài thông qua các

cong vào Ira. Do vậy, vấn đề đặt ra là phải hiếu về kỹ thuật vi

xử lý và lập trình cho vi xử lý như thế nào đê tự động điều khiên

mang lại hiệu quả cao.

Để đáp ứng yêu cầu trên, Học viện Công nghệ Bưu chính

Viễn thông phối hợp với Nhà xuất bản Bưu điện xuất bản cuốn

sách "Giáo trình Kỹ thuât Vi xử lý" do TS. Hồ Khánh Lâm

chủ biên. Giáo trình gồm 8 chương, chia làm 02 tập. Tập Ì từ

chương Ì đến chương 4 giới thiệu những khái niệm cơ bản về hệ

thống vi xử lý như kiến trúc Von Neumann, kiến trúc Harvard;

đặc điếm, cấu trúc và đặc tính nâng cao tóc độ của bộ vi xử lý;

cấu trúc và hoạt động của họ vi xử lý từ 8085, 8086/8088, 8087,

80x86, Z80, đến Pentỉum IU, IV, Motoroỉa68000,... Bên cạnh đó

cuốn sách không chỉ giới thiệu về lệnh, các dạng lệnh, cách mã

hóa lệnh, các mã lệnh và tập lệnh của vi xử lý mà còn giới thiệu

cụ thế về các khái niệm, cách thức lập trình hợp ngữ, cơ chế làm

việc, cấu trúc của chương trình con, macro và các vấn đề liên

giúp cho người lập trình tự tạo được những lệnh điều khiển

riêng theo ý muốn. Tập 2 từ chương 5 đến chương 8 trình bày về

cách ghép nối CPU với bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi; các

phương pháp điều khiến vào Ị ra dữ liệu; giới thiệu các bộ vi xử

lý công nghệ tiên tiến và bộ vi điều khiển. Ngoài ra cuốn sách

còn giã thiệu một số phụ lục về các tập lệnh của Intel 8086,

Intel x86, Z80, Motorola M680X0, Intel 8051, ỉnteỉ 8085A,... để

bạn đọc tiện tham khảo. Đặc biệt cuốn sách còn có phần bài tập

ôn luyện giúp cho bạn đọc tự củng cố và nâng cao kiến thức của

bản thân.

Gieo trình này không chỉ đề cập đến những khái niệm cơ

bản mà còn đưa ra một số kỹ năng, kinh nghiệm cần thiết đê

phát triển (hay lập trình) các chương trình điều khiển cụ thể.

Hy vọng cuốn sách sẽ hữu ích cho học sinh, sinh viên, các kỹ

thuật viên, cán bộ, chuyên gia ngành điện tử viễn thông và công

nghệ thông tin, các ngành kỹ thuật có liên quan khác và những

người yêu thích tìm hiểu về kỹ thuật vi xử lý.

Xin trân trọng giới thiệu cùng bạn đọc.

H Ọ C V I Ệ N C Ô N G N G H Ệ B ư u C H Í N H V I Ê N T H Ô N G

C h ư ơ n g Ì

G I Ớ I T H I Ệ U C H U N G

1.1. T R A O Đ Ổ I T H Ô N G T I N T R O N G V I x ử L Ý

1.1.1. Khái niệm vi xử lý

V i x ử lý là m ộ t v i m ạ c h c ó mức t í ch hợp r ấ t l ớ n ( V L S I - V e r y

Large Scale In tegra ted c i r c u i t ) c ó t h ể l ậ p t r ì n h đ ư ợ c , và d ư ớ i sự đ i ề u

k h i ể n của c h ư ơ n g t r ì n h chứa t rong b ộ nhớ , n ó thực h i ệ n c á c p h é p t í n h

số h ọ c , log ic , c á c p h é p t o á n k h á c , v à k ế t n ố i trao đ ổ i d ữ l i ệ u v ớ i c á c

t h i ế t b ị b ê n n g o à i t h ô n g qua c á c c ổ n g v à o / r a ( Inpu t /Ou tpu t ports) .

V i x ử lý c ó ha i l o ạ i p h ổ b i ế n : v i x ử lý đ a n ă n g (general-purpose

microprocessors) v à v i đ i ề u k h i ể n (mic rocon t ro l l e r s ) .

V i x ử lý đ a n ă n g chứa b ê n t rong ch ip tấ t cả c á c t h à n h p h ầ n c h ủ

y ế u cho t í nh t o á n n g o ạ i t r ừ b ộ n h ớ và c á c c ổ n g v à o / r a .

V i đ i ề u k h i ể n chứa t rong ch ip b ộ n h ớ v à c á c c ổ n g v à o / r a .

X ử lý d ữ l i ệ u là chức n ă n g c h í n h của v i x ử lý . X ử lý d ữ l i ệ u bao

g ồ m cả t í n h t o á n v à v ậ n c h u y ể n d ữ l i ệ u .

1.1.2. Trao đổi thông tin trong vi xử lý

M á y v i t í n h ( m i c r o c o m p u t e r ) là m ộ t h ệ t h ố n g g ồ m c ó 5 k h ố i

p h ầ n c ứ n g : v à o , ra, b ộ nhớ , đ ơ n vị số học - log ic ( A L Ư ) v à đ i ề u k h i ể n .

V i x ử lý là đ ơ n vị x ử lý t rung t â m của m á y v i t í nh g ồ m hai k h ố i p h ầ n

cứng là đ ơ n vị s ố học - log ic và đ i ề u k h i ể n ( h ì n h 1.1). H ệ t h ố n g x ử lý

t h ô n g t i n t rong b ộ n ã o n g ư ờ i c ũ n g c ó 5 k h ố i chức n ă n g t ư ơ n g tự:

v à o ( m ắ t , t a i ) , ra ( m i ệ n g ) , đ i ề u k h i ể n , b ộ nhớ , t í nh t o á n và logic t rong

b ộ n ã o .

K h ố i c á c m ạ c h log ic b ê n t rong v i x ử lý thực h i ệ n p h é p t í n h

s ố học và log ic n h ư : c ô n g , t rừ , n h â n , chia , và , hoặc , so s á n h , t ă n g

g i ả m , . . . v ớ i c á c d ữ l i ệ u t h ư ờ n g được g ọ i là đ ơ n vị s ố học - log i c A L U

10 Giáo trình Kỹ thuật vi Mí /ý

(Arithmetic Logic Unit). Dù' liệu để ALU thực hiện phép tính phải

đ ư ợ c đ ặ t v à o đ ú n g c h ỗ q u i đ ị n h . A L U k h ô n g t h ể tự c h u y ể n d ữ l i ệ u t ừ — Ì • - i

c h ò n à y đ ế n c h ò k h á c , m à thay v à o đ ó n ó c h í đ ơ n t h u ầ n thực h i ê n c á c p h é p t í n h v ớ i d ữ l i ệ u ở c h ỗ n à o đ ó v à n ó đ ể l ạ i k ế t q u ả ở l ạ i c h í n h c h ò

đ ó . N h ư v ậ y đ ể c ó d ữ l i ệ u đ ể t í nh t o á n , A L U p h ả i c h ờ đ ợ i d ữ l i ệ u h i ệ n

d i ệ n ở m ộ t c h ỗ n à o đ ó ấ n đ ị n h cho n ó .

Con người Máy vi tính

Hình LI: Năm khối phần cứng của máy vi tính

giống như năm khối xử lý thông tin ở con người

V i x ử lý c ó m ộ t s ố m ạ c h log i c , b ê n n g o à i A L Ư , thực h i ệ n

v ậ n c h u y ể n d ữ l i ệ u t ừ c h ỗ n à y đ ế n c h ỗ k h á c c ầ n t h i ế t cho x ử lý dữ

l i ệ u . C h ú n g c ù n g v ớ i A L Ư l à m t h à n h log ic x ử lý d ữ l i ệ u : t í n h t o á n và

vận c h u y ể n .

N h u n g l à m t h ế n à o đ ể A L Ư b i ế t đ ư ợ c r ằ n g n ó p h ả i thực h i ệ n x ử

lý d ữ l i ệu? C á i g ì m á c h b ả o A L Ư thực h i ệ n x ử lý d ữ l i ệ u và b ằ n g p h é p

t ính n à o ? N h ư v ậ y p h ả i c ó n h ữ n g ch ỉ d ẫ n cho A L U . C á c p h é p t í n h

k h á c nhau đ ò i h ỏ i A L U p h ả i c ó n h ữ n g thao t á c k h á c nhau, do đ ó p h ả i

c ó những ch ì d ẫ n k h á c nhau. V à b ở i vì v i x ử lý là t ậ p h ợ p c á c m ạ n h

logic nôn m ỗ i m ộ t ch ỉ d ẫ n ( ins t ruc t ion ) , t h ư ờ n g g ọ i là l ệ n h m á y , p h ả i

là m ộ t t ập h ợ p c á c s i á trị logic " 0 " v à " Ì " , sắp x ế p theo m ộ t t r ậ t tự n à o

đ ó c ó ý nehĩa k h á c nhau đ ố i v ớ i c á c ch ỉ d ẫ n k h á c nhau. M ỗ i v i x ử lý