Chương 2: Cấu Trúc Vi Xử Lí 8 Bit Và Tập Lệnh Ppsx - Tài Liệu Text

Có thể bạn quan tâm

Tải bản đầy đủ (.pdf) (65 trang)

Trang chủ

Giáo Dục - Đào Tạo

Cao đẳng - Đại học

Chương 2: Cấu trúc vi xử lí 8 bit và tập lệnh ppsx

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.34 MB, 65 trang )

Chương 2 SƠ ĐỒ KHỐI CPU 8 BIT CƠ BẢN1. SƠ ĐỒ KHỐI CỦA VI XỬ LÝ. 2. KHỐI ALU. TỔ CHỨC CÁC THANH GHI1. CÁC THANH GHI BÊN TRONG VI XỬ LÝ. 2. CHỨC NĂNG CÁC THANH GHI. a. Thanh ghi Accumulator b. Thanh ghi bộ đếm chương trình – PC (program counter) c. Thanh ghi trạng thái status register d. Thanh ghi con trỏ ngăn xếp – SP (stack pointer) e. Thanh ghi đòa chỉ bộ nhớ f. Thanh ghi lệnh – IR (instruction register) g. Thanh ghi chứa dữ liệu tạm thời h. Khối điều khiển logic và khối giải mã lệnh i. Bus dữ liệu bên trong vi xử lý LỆNH CỦA VI XỬ LÝ 1. TẬP LỆNH CỦA VI XỬ LÝ. 2. TỪ GI NHỚ. 3. CÁC NHÓM LỆNH CƠ BẢN 4. CÁC KIỂU TRUY XUẤT ĐỊA CHỈ CỦA VI XỬ LÝ VI XỬ LÝ Z801. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC BÊN TRONG CỦA VI XỬ LÝ Z80. 2. TỔ CHỨC THANH GHI BÊN TRONG VI XỬ LÝ Z80. 3. CHỨC NĂNG CÁC CHÂN CỦA VI XỬ LÝ Z80. 4. GIẢN ĐỒ THỜI GIAN CỦA VI XỬ LÝ Z80. 5. ĐÁP ỨNG YÊU CẦU NGẮT CỦA VI XỬ LÝ Z80. 6. PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM CỦA VI XỬ LÝ Z80. VI XỬ LÝ 8085A1. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC BÊN TRONG CỦA VI XỬ LÝ 8085A. 2. TỔ CHỨC THANH GHI BÊN TRONG CỦA VI XỬ LÝ 8085A. 3. SƠ ĐỒ CHÂN CỦA VI XỬ LÝ 8085A. 4. GIẢN ĐỒ THỜI GIAN CỦA VI XỬ LÝ 8085A. 5. GIẢI ĐA HP ĐỊA CHỈ VÀ DỮ LIỆU CHO VI XỬ LÝ 8085A Chương 2: Cấu trúc vi xử lý 8 bit và tập lệnh SPKT – Nguyễn Đình Phú 6. TẬP LỆNH CỦA VI XỬ LÝ 8085A TÓM TẮT – CÂU HỎI ÔN TẬP – BÀI TẬP1. TÓM TẮT. 2. CÂU HỎI ÔN TẬP – BÀI TẬP. LIỆT KÊ CÁC HÌNH Hình 2-1. Sơ đồ cấu trúc bên trong của vi xử lý. Hình 2-2. Sơ đồ minh họa các thanh ghi bên trong của Microprocessor được tô đậm. Hình 2-3. Cấu trúc của một thanh ghi trạng thái. Hình 2-4. Trước khi cộng dữ liệu. Hình 2-5. Dữ liệu thanh ghi A được đưa đến thanh ghi Temp1. Hình 2-6. Dữ liệu thanh ghi D được đưa đến thanh ghi Temp2. Hình 2-7. Kết quả lưu trở lại thanh ghi A. Hình 2-8. Các thanh ghi tạm trở lại trạng thái ban đầu. Hình 2-9. Chu kỳ thực hiện lệnh của vi xử lý. Hình 2-10. Cấu trúc lệnh của vi xử lý. Hình 2-11. Sơ đồ cấu trúc bên trong của vi xử lý Z80. Hình 2-12. Sơ đồ chân của vi xử lý Z80. Hình 2-13. Sơ đồ chân của vi xử lý Z80. Hình 2-14. Các chu kỳ máy của xử lý Z80. Hình 2-15. Chu kỳ đón mã lệnh. Hình 2-16. Chu kỳ đọc hoặc ghi bộ nhớ. Hình 2-17. Chu kỳ đọc hoặc ghi thiết bò ngoại vi. Hình 2-18. Chu kỳ yêu cầu bus/ trả lời bus. Hình 2-19. Chu kỳ ngắt và đáp ứng yêu cầu ngắt. Hình 2-20. Giản đồ thời gian của ngắt không ngăn được NMI . Hình 2-21. Giản đồ thời gian của lệnh HALT. Hình 2-22. Hai bit flip flop IFF1 và IFF2 của ngắt INT . Hình 2-23. Đáp ứng ngắt ở mode 2. Hình 2-24. Hệ thống tối thiểu dùng vi xử lý Z80. Hình 2-25. Mở rộng thêm bộ nhớ. Hình 2-26. Thêm một chu kỳ đợi vào chu kỳ M1. Hình 2-27. Thêm một chu kỳ đợi để truy xuất bộ nhớ bất kỳ. Hình 2-28. Thêm một chu kỳ đợi để truy xuất bộ nhớ bất kỳ. Hình 2-29. Lệnh tổng quát “LD reg8D,reg8S”. Hình 2-30. Lệnh tổng quát “LD reg8,imm8”. Hình 2-31. Lệnh tổng quát “RL reg8”. Hình 2-32. Sơ đồ cấu trúc bên trong của vi xử lý 8085A. Hình 2-33. Các thanh ghi bên trong VI xử lý 8085A. Hình 2-34. Sơ đồ chân của vi xử lý 8085A. Hình 2-35. Giản đồ thời gian hoạt động của vi xử lý 8085A. Hình 2-36. Giải đa hợp đòa chỉ và dữ liệu của vi xử lý 8085A. LIỆT KÊ CÁC BẢNG Bảng 2-1. Bảng liệt kê các trạng thái bit IFF1 và IFF2. Bảng 2-2. Các trạng thái làm việc của vi xử lý 8085A. 14 Vi xử lý Chương 2: Cấu trúc vi xử lý 8 bit và tập lệnh SPKT – Nguyễn Đình Phú Bảng 2-3. Thứ tự ưu tiên ngắt của vi xử lý 8085A. Bảng 2-4. Mã các thanh ghi của vi xử lý 8085A. Bảng 2-5. Mã các cặp thanh ghi 16 bit của vi xử lý 8085A. Bảng 2-6. Các bit trong thanh ghi trạng thái của vi xử lý 8085A. Bảng 2-7. Bảng vector đòa chỉ ngắt của vi xử lý 8085A. Bảng 2-8. Tóm tắt tập lệnh của vi xử lý 8085A. Vi xử lý 15 Chương 2: Cấu trúc vi xử lý 8 bit và tập lệnh SPKT – Nguyễn Đình Phú I. SƠ ĐỒ KHỐI CPU 8 BIT CƠ BẢN: 1. SƠ ĐỒ KHỐI CỦA VI XỬ LÝ: Cấu trúc của tất cả các vi xử lý đều có các khối cơ bản giống nhau như ALU, các thanh ghi, khối điều khiển là các mạch logic. Để nắm rõ nguyên lý làm việc của vi xử lý cần phải khảo sát nguyên lý kết hợp các khối với nhau để xử lý một chương trình. Sơ đồ khối của vi xử lý sẽ trình bày cấu trúc của một vi xử lý. Mỗi một vi xử lý khác nhau sẽ có cấu trúc khác nhau. Ví dụ vi xử lý 8 bit sẽ có cấu trúc khác với vi xử lý 16 bit Với mỗi vi xử lý đều có một sơ đồ cấu trúc bên trong và được cho trong các sổ tay của nhà chế tạo. Sơ đồ cấu trúc ở dạng khối rất tiện lợi và dễ trình bày nguyên lý hoạt động của vi xử lý. Hình 2-1 trình bày sơ đồ khối của vi xử lý 8 bit: Hình 2-1. Sơ đồ cấu trúc bên trong của vi xử lý. Trong sơ đồ khối của vi xử lý bao gồm các khối chính như sau: khối ALU, các thanh ghi và khối control logic. Ngoài ra sơ đồ khối còn trình bày các đường truyền tải tín hiệu từ nơi này đến nơi khác bên trong và bên ngoài hệ thống. 2. KHỐI ALU: ALU là khối quan trọng nhất của vi xử lý, khối ALU chứa các mạch điện tử logic chuyên về xử lý dữ liệu. Khối ALU có 2 ngõ vào có tên là “IN” – là các ngõ vào dữ liệu cho ALU xử lý và 1 ngõ ra có tên là “OUT” – là ngõ ra kết quả dữ liệu sau khi ALU xử lý xong. 16 Vi xử lý Chương 2: Cấu trúc vi xử lý 8 bit và tập lệnh SPKT – Nguyễn Đình Phú Dữ liệu trước khi vào ALU được chứa ở thanh ghi tạm thời (Temporarily Register) có tên là TEMP1 và TEMP2. Bus dữ liệu bên trong vi xử lý được kết nối với 2 ngõ vào “IN” của ALU thông qua 2 thanh ghi tạm thời. Việc kết nối này cho phép ALU có thể lấy bất kỳ dữ liệu nào trên bus dữ liệu bên trong vi xử lý. Thường thì ALU luôn lấy dữ liệu từ một thanh ghi đặc biệt có tên là Accumulator (A). Ngõ ra OUT của ALU cho phép ALU có thể gởi kết dữ liệu sau khi xử lý xong lên bus dữ liệu bên trong vi xử lý, do đó thiết bò nào kết nối với bus bên trong đều có thể nhận dữ liệu này. Thường thì ALU gởi dữ liệu sau khi xử lý xong tới thanh ghi Accumulator. Ví dụ khi ALU cộng 2 dữ liệu thì một trong 2 dữ liệu được chứa trong thanh ghi Accumulator, sau khi phép cộng được thực hiện bởi ALU thì kết quả sẽ gởi trở lại thanh ghi Accumulator và lưu trữ ở thanh ghi này. ALU xử lý một dữ liệu hay 2 dữ liệu tùy thuộc vào lệnh hay yêu cầu điều khiển, ví dụ khi cộng 2 dữ liệu thì ALU sẽ xử lý 2 dữ liệu và dùng 2 ngõ vào “IN” để nhập dữ liệu, khi tăng một dữ liệu nào đó lên 1 đơn vò hay lấy bù một dữ liệu, khi đó ALU chỉ xử lý 1 dữ liệu và chỉ cần một ngõ vào “IN”. Khối ALU có thể thực hiện các phép toán xử lý như sau: Add Complement OR Exclusive OR Subtract Shift right Increment AND Shift left Decrement Tóm Tắt: Chức năng chính của khối ALU là làm thay đổi dữ liệu hay chuyên về xử lý dữ liệu nhưng không lưu trữ dữ liệu. Để hiểu rõ thêm chức năng đặc biệt của ALU cần phải khảo sát một vi xử lý cụ thể. II. TỔ CHỨC CÁC THANH GHI: 1. CÁC THANH GHI BÊN TRONG CỦA VI XỬ LÝ: Các thanh ghi bên trong có chức năng lưu trữ tạm thời các dữ liệu khi xử lý. Trong số các thanh ghi có một vài thanh ghi đặc biệt thực hiện các lệnh đặc biệt hay các chức năng đặc biệt, các thanh ghi còn lại gọi là các thanh ghi thông dụng. Với sơ đồ khối minh họa ở trên, các thanh ghi thông dụng có tên Reg B, Reg C, Reg D, Reg E. Các thanh ghi thông dụng rất hữu dụng cho người lập trình dùng để lưu trữ dữ liệu phục vụ cho công việc xử lý dữ liệu và điều khiển, khi viết chương trình chúng ta luôn sử dụng các thanh ghi này. Số lượng các thanh ghi thông dụng thay đổi tùy thuộc vào từng vi xử lý. Số lượng và cách sử dụng các thanh ghi thông dụng tùy thuộc vào cấu trúc của từng vi xử lý, nhưng chúng có một vài điểm cơ bản giống nhau. Càng nhiều thanh ghi thông dụng thì vấn đề lập trình càng trở nên đơn giản. Các thanh ghi cơ bản luôn có trong một vi xử lý là thanh ghi A (Accumulator Register), thanh ghi bộ đếm chương trình PC (Program Counter register), thanh ghi con trỏ ngăn xếp SP (Stack pointer register), thanh ghi trạng thái F (Status register –Flag register), các thanh ghi thông dụng, thanh ghi lệnh IR (Instruction register), thanh ghi đòa chỉ AR (Address Register). Vi xử lý 17 Chương 2: Cấu trúc vi xử lý 8 bit và tập lệnh SPKT – Nguyễn Đình Phú Hình 2-2. Sơ đồ minh họa các thanh ghi bên trong của Microprocessor được tô đậm. 2. CHỨC NĂNG CỦA CÁC THANH GHI: a. Thanh ghi Accumulator: Thanh ghi A là một thanh ghi quan trọng của vi xử lý có chức năng lưu trữ dữ liệu khi tính toán. Hầu hết các phép toán số học và các phép toán logic đều xảy ra giữa ALU và Accumulator. Ví dụ khi thực hiện một lệnh cộng 1 dữ liệu A với một dữ liệu B, thì một dữ liệu phải chứa trong thanh ghi Accumulator giả sử là dữ liệu A, sau đó sẽ thực hiện lệnh cộng dữ liệu A (chứa trong Accumulator) với dữ liệu B (có thể chứa trong ô nhớ hoặc trong một thanh ghi thông dụng), kết quả của lệnh cộng là dữ liệu C sẽ được đặt trong thanh ghi A thay thế cho dữ liệu A trước đó. Chú ý: Kết quả sau khi thực hiện ALU thường gởi vào thanh ghi Accumulator làm cho dữ liệu trước đó chứa trong Accumulator sẽ mất. Một chức năng quan trọng khác của thanh ghi Accumulator là để truyền dữ liệu từ bộ nhớ hoặc từ các thanh ghi bên trong của vi xử lý ra các thiết bò điều khiển bên ngoài thì dữ liệu đó phải chứa trong thanh ghi Accumulator. Thanh ghi Accumulator còn nhiều chức năng quan trọng khác sẽ được thấy rõ qua tập lệnh của một vi xử lý cụ thể, số bit của thanh ghi Accumulator chính là đơn vò đo của vi xử lý, vi xử lý 8 bit thì thanh ghi Accumulator có độ dài 8 bit. b. Thanh ghi bộ đếm chương trình PC (Program counter): Thanh ghi PC là một thanh ghi có vai trò quan trọng nhất của vi xử lý. Chương trình là một chuỗi các lệnh nối tiếp nhau trong bộ nhớ của vi xử lý, các lệnh này sẽ yêu cầu vi xử lý thực hiện chính xác các công việc để giải quyết một vấn đề. 18 Vi xử lý Chương 2: Cấu trúc vi xử lý 8 bit và tập lệnh SPKT – Nguyễn Đình Phú Từng lệnh phải đơn giản và chính xác và các lệnh phải theo đúng một trình tự để chương trình thực hiện đúng. Chức năng của thanh ghi PC là quản lý lệnh đang thực hiện và lệnh sẽ được thực hiện tiếp theo. Thanh ghi PC trong vi xử lý có chiều dài từ dữ liệu lớn hơn chiều dài từ dữ liệu của vi xử lý. Ví dụ đối với các vi xử lý 8 bit có thể giao tiếp với 65536 ô nhớ thì thanh ghi PC phải có chiều dài là 16 bit để có thể truy xuất từng ô nhớ bắt đầu từ ô nhớ thứ 0 đến ô nhớ thứ 65535. Chú ý: nội dung chứa trong thanh ghi PC chính là nội dung chứa trong thanh ghi đòa chỉ. Trước khi vi xử lý thực hiện một chương trình thì thanh ghi PC phải được nạp một con số : “Đó chính là đòa chỉ của ô nhớ chứa lệnh đầu tiên của chương trình”. Đòa chỉ của lệnh đầu tiên được gởi đến IC nhớ thông qua bus đòa chỉ 16 bit. Sau đó bộ nhớ sẽ đặt nội dung của ô nhớ lên bus dữ liệu, nội dung này chính là mã lệnh, quá trình này gọi là đón lệnh từ bộ nhớ. Tiếp theo vi xử lý tự động tăng nội dung của thanh ghi PC để chuẩn bò đón lệnh kế. PC chỉ được tăng khi vi xử lý bắt đầu thực hiện lệnh được đón trước đó. Lệnh đang thực hiện có chiều dài bao nhiêu byte thì thanh ghi PC tăng lên đúng bấy nhiêu byte. Một vài lệnh trong chương trình có thể nạp vào thanh ghi PC một giá trò mới, khi lệnh làm thay đổi thanh ghi PC sang giá trò mới được thực hiện thì lệnh kế có thể xảy ra ở một đòa chỉ mới – đối với các lệnh nhảy hoặc lệnh gọi chương trình con. c. Thanh ghi trạng thái (Status Register): Hình 2-3. Cấu trúc của một thanh ghi trạng thái. Thanh ghi trạng thái còn được gọi là thanh ghi cờ (Flag register) dùng để lưu trữ kết quả của một số lệnh kiểm tra. Việc lưu trữ các kết quả kiểm tra cho phép người lập trình thực hiện việc rẽ nhánh trong chương trình. Khi rẽ nhánh, chương trình sẽ bắt đầu tại một vò trí mới. Trong trường hợp rẽ nhánh có điều kiện thì chương trình rẽ nhánh chỉ được thực hiện khi kết quả kiểm tra đúng điều kiện. Thanh ghi trạng thái sẽ lưu trữ các kết quả kiểm tra này. Các bit thường có trong một thanh ghi trạng thái được trình bày ở hình 2-3. Các lệnh xảy ra trong khối ALU thường ảnh hưởng đến thanh ghi trạng thái, ví dụ khi thực hiện một lệnh cộng 2 dữ liệu 8 bit, nếu kết quả lớn hơn 111111112 thì bit carry sẽ mang giá trò Vi xử lý 19 Chương 2: Cấu trúc vi xử lý 8 bit và tập lệnh SPKT – Nguyễn Đình Phú là 1. Ngược lại nếu kết quả của phép cộng nhỏ hơn 111111112 thì bit carry bằng 0. Ví dụ lệnh tăng hay giảm giá trò của một thanh ghi, nếu kết quả trong thanh ghi khác 0 thì bit Z luôn bằng 0, ngược lại nếu kết quả bằng 0 thì bit Z bằng 1. Ví dụ về rẽ nhánh khi kiểm tra bit trong thanh ghi trạng thái: hãy viết một chương trình giảm giá trò của một thanh ghi có giá trò là 10. 1. Nạp vào thanh ghi một số nhò phân có giá trò là 10. 2. Giảm nội dung của thanh ghi đi 1. 3. Kiểm tra bit Zero của thanh ghi trạng thái có bằng 1 hay không ? 4. Nếu không nhảy đến thực hiện tiếp lệnh ở bước 2 5. Nếu đúng kết thúc chương trình. Ý nghóa của các bit trong thanh ghi trạng thái: [a]. Carry/borrow (cờ tràn/mượn): là bit carry khi thực hiện một phép cộng có giá trò tùy thuộc vào kết quả của phép cộng. Kết quả tràn thì bit carry =1, ngược lại bit carry = 0. Là bit borrow khi thực hiện một phép trừ: nếu số bò trừ lớn hơn số trừ thì bit borrow = 0, ngược lại bit borrow =1. Bit carry hay bit borrow là 1 bit chỉ được phân biệt khi thực hiện lệnh cụ thể. [b]. Zero: bit Z bằng 1 khi kết quả của phép toán bằng 0, ngược lại bit Z=0. [c]. Negative (cờ số âm): bit N = 1 khi bit MSB của thanh ghi có giá trò là 1, ngược lại N=0. [d]. Intermediate carry (cờ tràn phụ): giống như bit Carry nhưng chỉ có tác dụng đối với phép cộng hay trừ 4 bit thấp. [e]. Interrupt Flag (cờ báo ngắt): Bit IF có giá trò là 1 khi người lập trình muốn cho phép ngắt, ngược lại thì không cho phép ngắt. [f]. Overflow (cờ tràn số có dấu): bit này bằng 1 khi bit tràn của phép toán cộng với bit dấu của dữ liệu. [g]. Parity (cờ chẵn lẻ): bit này có giá trò là 1 khi kết quả của phép toán là số chẵn, ngược lại là số lẻ thì bit P = 0. Số lượng các bit có trong thanh ghi trạng thái tùy thuộc vào từng vi xử lý. Trong một số vi xử lý có thể xóa hoặc đặt các bit của thanh ghi trạng thái. d. Thanh ghi con trỏ ngăn xếp (Stack Pointer Register): Thanh ghi con trỏ ngăn xếp là một thanh ghi quan trọng của vi xử lý, độ dài từ dữ liệu của thanh ghi SP bằng thanh ghi PC, chức năng của thanh ghi SP gần giống như thanh ghi PC nhưng nó dùng để quản lý bộ nhớ ngăn xếp khi muốn lưu trữ tạm thời dữ liệu vào ngăn xếp. Giống như thanh ghi PC, thanh ghi SP cũng tự động chỉ đến ô nhớ kế. Trong hầu hết các vi xử lý, thanh ghi SP giảm (để chỉ đến ô nhớ tiếp theo trong ngăn xếp) sau khi thực hiện lệnh cất dữ liệu vào ngăn xếp. Do đó khi thiết lập giá trò cho thanh ghi SP là đòa chỉ cuối cùng của bộ nhớ. 20 Vi xử lý Chương 2: Cấu trúc vi xử lý 8 bit và tập lệnh SPKT – Nguyễn Đình Phú Thanh ghi SP phải chỉ đến một ô nhớ do người lập trình thiết lập, quá trình này gọi là khởi tạo con trỏ ngăn xếp. Nếu không khởi tạo, con trỏ ngăn xếp sẽ chỉ đến một ô nhớ ngẫu nhiên. Khi đó dữ liệu cất vào ngăn xếp có thể ghi đè lên dữ liệu quan trọng khác làm chương trình xử lý sai hoặc thanh ghi SP chỉ đến vùng nhớ không phải là bộ nhớ RAM làm chương trình thực hiện không đúng vì không lưu trữ được dữ liệu cần cất tạm vào bộ nhớ ngăn xếp. Tổ chức của ngăn xếp là vào sau ra trước (LAST IN FIRST OUT : LIFO). e. Thanh ghi đòa chỉ bộ nhớ (address Register): Mỗi khi vi xử lý truy xuất bộ nhớ thì thanh ghi đòa chỉ phải tạo ra đúng đòa chỉ mà vi xử lý muốn. Ngõ ra của thanh ghi đòa chỉ được đặt lên bus đòa chỉ 16 bit. Bus đòa chỉ dùng để lựa chọn một ô nhớ hay lựa chọn 1 port Input/Output. Nội dung của thanh ghi đòa chỉ ô nhớ và nội dung của thanh ghi PC là giống nhau khi vi xử lý truy xuất bộ nhớ để đón lệnh, khi lệnh đang được giải mã thì thanh ghi PC tăng lên để chuẩn bò đón lệnh tiếp theo, trong khi đó nội dung của thanh ghi đòa chỉ bộ nhớ không tăng, trong suốt chu kỳ thực hiện lệnh, nội dung của thanh ghi đòa chỉ phụ thuộc vào lệnh đang được thực hiện, nếu lệnh yêu cầu vi xử lý truy xuất bộ nhớ thì thanh ghi đòa chỉ bộ nhớ được dùng lần thứ 2 trong khi thực hiện một lệnh. Trong tất cả các vi xử lý, thanh ghi đòa chỉ bộ nhớ có chiều dài bằng với thanh ghi PC. f. Thanh ghi lệnh (instruction Register): Thanh ghi lệnh dùng để chứa mã lệnh vi xử lý đang thực hiện. Một chu kỳ lệnh bao gồm đón lệnh từ bộ nhớ và thực hiện lệnh. Đầu tiên là lệnh được đón từ bộ nhớ, sau đó PC chỉ đến lệnh kế trong bộ nhớ. Khi một lệnh được đón có nghóa là dữ liệu trong ô nhớ đó được copy vào vi xử lý thông qua bus dữ liệu đến thanh ghi lệnh. Tiếp theo lệnh sẽ được thực hiện, trong khi thực hiện lệnh bộ giải mã lệnh đọc nội dung của thanh ghi lệnh. Bộ giải mã sẽ giải mã lệnh để báo cho vi xử lý thực hiện chính xác công việc mà lệnh yêu cầu. Chiều dài từ dữ liệu của thanh ghi lệnh tùy thuộc vào từng vi xử lý. Thanh ghi lệnh do vi xử lý sử dụng người lập trình không được sử dụng thanh ghi này. g. Thanh ghi chứa dữ liệu tạm thời (Temporary data Register): Thanh ghi lưu trữ dữ liệu tạm thời dùng để ALU thực hiện các phép toán xử lý dữ liệu. Do ALU chỉ xử lý dữ liệu không có chức năng lưu trữ dữ liệu, bất kỳ dữ liệu nào đưa đến ngõ vào của ALU, lập tức sẽ xuất hiện ở ngõ ra. Dữ liệu xuất hiện tại ngõ ra của ALU được quyết đònh bởi lệnh trong chương trình yêu cầu ALU thực hiện. ALU lấy dữ liệu từ bus dữ liệu bên trong vi xử lý, xử lý dữ liệu, sau đó đặt dữ liệu vừa xử lý xong trở lại thanh ghi Accumulator, do đó cần phải có thanh ghi lưu trữ dữ liệu tạm thời để ALU thực hiện. Người lập trình không được phép xử dụng các thanh ghi tạm thời. Số lượng các thanh ghi này tùy thuộc vào từng vi xử lý cụ thể. h. Khối điều khiển logic (control logic) và khối giải mà lệnh (instruction decoder): Chức năng của khối giải mã lệnh là nhận lệnh từ thanh ghi lệnh sau đó giải mã để gởi tín hiệu điều khiển đến cho khối điều khiển logic. Vi xử lý 21 Chương 2: Cấu trúc vi xử lý 8 bit và tập lệnh SPKT – Nguyễn Đình Phú Chức năng của khối điều khiển logic (control logic) là nhận lệnh hay tín hiệu điều khiển từ bộ giải mã lệnh, sau đó sẽ thực hiện đúng các yêu cầu của lệnh. Khối điều khiển logic được xem là một vi xử lý nhỏ nằm trong một vi xử lý. Các tín hiệu điều khiển của khối điều khiển logic là các tín hiệu điều khiển bộ nhớ, điều khiển các thiết bò ngoại vi, các đường tín hiệu đọc-ghi, và các tín hiệu điều khiển vi xử lý từ các thiết bò bên ngoài. Các đường tín hiệu này sẽ được trình bày cụ thể trong sơ đồ của từng vi xử lý cụ thể. Ngõ tín hiệu vào quan trọng nhất của khối điều khiển logic là tín hiệu clock cần thiết cho khối điều khiển logic hoạt động. Nếu không có tín hiệu clock thì vi xử lý không làm việc. Mạch tạo xung clock là các mạch dao động, tín hiệu được đưa đến ngõ vào clock của vi xử lý. Có nhiều vi xử lý có tích hợp mạch tạo dao động ở bên trong, khi đó chỉ cần thêm tụ thạch anh ở bên ngoài. i. Bus dữ liệu bên trong vi xử lý: Bus dữ liệu dùng để kết nối các thanh ghi bên trong và ALU với nhau, tất cả các dữ liệu di chuyển trong vi xử lý đều thông qua bus dữ liệu này. Các thanh ghi bên trong có thể nhận dữ liệu từ bus hay có thể đặt dữ liệu lên bus nên bus dữ liệu này là bus dữ liệu 2 chiều. Bus dữ liệu bên trong có thể kết nối ra bus bên ngoài khi vi xử lý cần truy xuất dữ liệu từ bộ nhớ bên ngoài hay các thiết bò IO. Bus dữ liệu bên ngoài cũng là bus dữ liệu 2 chiều vì vi xử lý có thể nhận dữ liệu từ bên ngoài hay gởi dữ liệu ra. Để biết trình tự làm việc của bus dữ liệu bên trong vi xử lý hoạt động, hãy cho vi xử lý thực hiện một lệnh cộng 2 số nhò phân chứa trong thanh ghi 2 thanh ghi: thanh ghi Accumulator (gọi tắt là A) =1101 11102 và thanh ghi D=1101 10102. Trình tự cộng như sau: ♦ Trước khi thực hiện lệnh cộng, nội dung của 2 thanh ghi phải chứa 2 dữ liệu và 2 thanh ghi này có thể đang kết nối với các thiết bò khác. Để thực hiện lệnh cộng nội dung 2 thanh ghi A và D thì thanh ghi lệnh phải mang đúng mã lệnh của phép cộng này và giả sử mã lệnh đó là ADD. Được trình bày ở hình 2-4. ♦ Dữ liệu của thanh ghi A được đặt lên bus dữ liệu bên trong vi xử lý, một trong 2 thanh ghi lưu trữ dữ liệu tạm thời được kết nối với Bus dữ liệu. Thanh ghi tạm thời sẽ copy dữ liệu chứa trong thanh ghi A. Chỉ có thanh ghi A và thanh ghi tạm thời được kết nối với bus tại thời điểm này. Xem hình 2-5 ♦ Dữ liệu của thanh ghi D được kết nối với bus dữ liệu và thanh ghi tạm thời còn lại cũng được phép kết nối với bus dữ liệu. Thanh ghi tạm thời sẽ copy nội dung của thanh ghi D. Chỉ có thanh ghi D và thanh ghi tạm thời được kết nối với bus tại thời điểm này. Xem hình 2-6. ♦ ALU sẽ cộng trực tiếp 2 dữ liệu tại 2 ngõ vào. Ngõ ra của ALU được kết nối với thanh ghi A, kết quả của phép cộng được nạp vào thanh ghi A. Xem hình 2-7. ♦ Sau khi đặt kết quả vào trong thanh ghi A và cặp nhật sự thay đổi các bit trong thanh ghi trạng thái thì sự kết nối giữa thanh A và khối ALU chấm dứt, các thanh ghi tạm thời trở lại trạng thái sẳn sàng cho lệnh tiếp theo. Xem hình 2-8 Phép cộng 2 số nhò phân: 1101 1110 + 1101 1010 1 1011 1000 Carry negative 22 Vi xử lý Chương 2: Cấu trúc vi xử lý 8 bit và tập lệnh SPKT – Nguyễn Đình Phú Hình 2-4. Trước khi cộng dữ liệu. Hình 2-5. Dữ liệu thanh ghi A được đưa đến thanh ghi Temp1. Vi xử lý 23 Chương 2: Cấu trúc vi xử lý 8 bit và tập lệnh SPKT – Nguyễn Đình Phú Hình 2-6. Dữ liệu thanh ghi D được đưa đến thanh ghi Temp2. Hình 2-7. Kết quả lưu trở lại thanh ghi A. 24 Vi xử lý Chương 2: Cấu trúc vi xử lý 8 bit và tập lệnh SPKT – Nguyễn Đình Phú Hình 2-8. Các thanh ghi tạm trở lại trạng thái ban đầu. III. LỆNH CỦA VI XỬ LÝ: 1. TẬP LỆNH CỦA VI XỬ LÝ: Lệnh của vi xử lý là một dữ liệu số nhò phân, khi vi xử lý đọc một lệnh thì từ dữ liệu nhò phân này sẽ yêu cầu vi xử lý làm một công việc đơn giản. Mỗi một từ dữ liệu tương đương với một công việc mà vi xử lý phải làm. Hầu hết các lệnh của vi xử lý là các lệnh chuyển dữ liệu và xử lý dữ liệu. Khi nói đến tập lệnh của vi xử lý tức nói đến tất cả các lệnh mà vi xử lý có thể hiểu và thực hiện được. Nếu tập lệnh của một vi xử lý giống với tập lệnh của một vi xử lý khác thì cấu trúc của 2 vi xử lý giống nhau. Độ dài của một lệnh bằng với độ dài từ dữ liệu của vi xử lý, đối với vi xử lý 8 bit thì độ dài của một lệnh là 8 bit, đối với vi xử lý 16 bit thì độ dài của một lệnh là 16 bit, Trong chu kỳ đón lệnh, mã lệnh sẽ được gởi đến thanh ghi lệnh, bộ giải mã lệnh, và bộ điều khiển logic của vi xử lý. Chức năng của các khối sẽ xác đònh lệnh này làm gì và sẽ gởi các tín hiệu điều khiển đến các mạch điện logic khác trong vi xử lý, các tín hiệu logic này sẽ thực hiện đúng chức năng mà lệnh yêu cầu. Hình 2-9 minh họa chu kỳ thực hiện lệnh: Vi xử lý 25 Chương 2: Cấu trúc vi xử lý 8 bit và tập lệnh SPKT – Nguyễn Đình Phú Đón lệnh từ bộ nhớGiải mã lệnh Thực hiện lệnh Hình 2-9. Chu kỳ thực hiện lệnh của vi xử lý. Một lệnh được thực hiện cần phải hội đủ 2 yếu tố: Yếu tố thứ nhất là lệnh sẽ yêu cầu vi xử lý thực hiện công việc gì. Ví dụ yêu cầu vi xử lý thực hiện một lệnh cộng: ADD, một lệnh dòch chuyển dữ liệu: MOV, là những lệnh mà vi xử lý có thực hiện được. Yếu tố thứ hai là lệnh phải cho vi xử lý biết các thông tin đòa chỉ tức là vò trí của các dữ liệu mà vi xử lý phải thực hiện. Ví dụ khi thực hiện một lệnh cộng nội dung 2 thanh ghi A và B, hoặc nội dung thanh ghi A và dữ liệu chứa trong một ô nhớ. Yếu tố thứ 2 trong trường hợp này là các thanh ghi A và B, hoặc thanh ghi A và đòa chỉ của ô nhớ. Yếu tố thứ nhất gọi là mã lệnh : op code (operation code) và yếu tố thứ 2 gọi là đòa chỉ. Mã lệnh sẽ báo cho vi xử lý làm gì và đòa chỉ sẽ cho vi xử lý biết vò trí của dữ liệu. Sơ đồ hình 2-10 minh họa cho cấu trúc 1 lệnh. hoặc Op code Address Op code Address Address Hình 2-10. Cấu trúc của một lệnh bao gồm mã lệnh và đòa chỉ. Từ dữ liệu đầu tiên luôn là mã lệnh, các từ dữ liệu tiếp theo là đòa chỉ. Đối với các lệnh chỉ có một từ dữ liệu thì đòa chỉ đã được hiểu ngầm. Do có nhiều cách chỉ cho vi xử lý biết đòa chỉ của dữ liệu được gọi là các kiểu truy xuất bộ nhớ. Khi sử dụng một vi xử lý cần phải biết các kiểu truy xuất này. 2. TỪ GI NHỚ (MNEMONICS): Một lệnh của vi xử lý là các con số nhò phân. Đối với lệnh chỉ có một byte thì rất khó nhớ, nếu lệnh dài 2, 3, 4 hoặc nhiều hơn nữa thì không thể nào nhớ hết. Để giảm bớt sự phức tạp của số nhò phân có thể dùng số Hex để thay thế, khi đó các lệnh dễ viết và dễ đọc hơn nhiều nhưng cũng không thể nào giúp người sử dụng nhớ hết được và quan trọng nhất là khi viết chương trình cũng như lúc gỡ rối chương trình. 26 Vi xử lý Chương 2: Cấu trúc vi xử lý 8 bit và tập lệnh SPKT – Nguyễn Đình Phú Để giải quyết vấn đề này lệnh được viết thành các từ gợi nhớ rất gần với chức năng và ý nghóa của các lệnh. Trong hầu hết các từ gợi nhớ của lệnh, mã lệnh được rút gọn chỉ còn khoảng 3 ký tự. Ví dụ lệnh di chuyển dữ liệu có từ gợi nhớ là MOV, lệnh trừ là SUB, Khi lệnh có các đòa chỉ đi sau thì các đòa chỉ này vẫn là các con số. Ví dụ lệnh nhảy đến một ô nhớ viết như sau: JMP FA90H. Khi sử dụng các từ gợi nhớ này giúp người lập trình rất dễ nhớ tất cả các lệnh của vi xử lý, khi viết chương trình người lập trình dùng các từ gợi nhớ để viết chương trình, các từ gợi nhớ này tạo thành một ngôn ngữ gọi là Assembly – khi viết chương trình bằng ngôn ngữ Assembly thì vi xử lý sẽ không hiểu – muốn vi xử lý hiểu và thực hiện chương trình thì phải sử dụng chương trình biên dòch Assembler để chuyển các lệnh viết dưới dạng ngôn ngữ Assembly thành các lệnh dạng số nhò phân và các đòa chỉ dạng nhò phân tương ứng rồi nạp vào bộ nhớ thì vi xử lý mới thực hiện được. 3. CÁC NHÓM LỆNH CƠ BẢN CỦA VI XỬ LÝ: Đối với hầu hết các vi xử lý tập lệnh được chia ra làm 9 nhóm lệnh cơ bản: ♦ Nhóm lệnh truyền dữ liệu: Data transfers. ♦ Nhóm lệnh trao đổi, truyền khối dữ liệu, lệnh tìm kiếm: Exchanges, Block transfers, Searches. ♦ Nhóm lệnh số học và logic: arithmetic and logic. ♦ Nhóm lệnh xoay và dòch: Rotates and shifts. ♦ Nhóm lệnh điều khiển CPU. ♦ Nhóm lệnh về bit: Bit set, bit reset, and bit test. ♦ Nhóm lệnh nhảy: Jumps. ♦ Nhóm lệnh gọi, trở về và nhóm lệnh bắt đầu: Calls, Return, and Restarts. ♦ Nhóm lệnh xuất nhập: Input and Output. Các mã gợi nhớ và các mã nhò phân của tất cả các lệnh sẽ được cho trong các sổ tay của nhà chế tạo đối với từng vi xử lý cụ thể. 4. CÁC KIỂU TRUY XUẤT ĐỊA CHỈ CỦA MỘT VI XỬ LÝ: Như đã trình bày ở các phần trên, vi xử lý có thể truy xuất bộ nhớ bằng nhiều cách để lấy dữ liệu. Vi xử lý có nhiều cách truy xuất thì chương trình khi viết sẽ càng ngắn gọn rất có lợi cho người lập trình và làm giảm thời gian thực hiện chương trình. Chú Ý: Danh từ truy xuất bộ nhớ có nghóa là tạo ra đòa chỉ để truy xuất dữ liệu, vi xử lý truy xuất dữ liệu có thể là lấy dữ liệu từ ô nhớ hoặc lưu trữ dữ liệu vào ô nhớ. Có thể gọi là các kiểu đòa chỉ hóa bộ nhớ hay các kiểu tạo đòa chỉ để truy xuất bộ nhớ. Để biết vi xử lý có bao nhiêu cách truy xuất bộ nhớ cần phải khảo sát từng vi xử lý cụ thể. Các kiểu truy xuất được cho trong các sổ tay chế tạo. Các kiểu truy xuất đòa chỉ cơ bản của một vi xử lý (được gọi tắt là kiểu đònh đòa chỉ): ♦ Kiểu đònh đòa chỉ ngầm đònh (Implied Addressing Mode). Vi xử lý 27 Chương 2: Cấu trúc vi xử lý 8 bit và tập lệnh SPKT – Nguyễn Đình Phú ♦ Kiểu đònh đòa chỉ tức thời (Immediate Addressing Mode). ♦ Kiểu đònh đòa chỉ trực tiếp (Direct Addressing Mode). ♦ Kiểu đònh đòa chỉ gián tiếp dùng thanh ghi (Register Indirect Addressing Mode). ♦ Kiểu đònh đòa chỉ chỉ số (Indexed Addressing Mode). ♦ Kiểu đònh đòa chỉ tương đối (Relative Addressing Mode). a. Kiểu đònh đòa chỉ ngầm đònh: Để hiểu các kiểu truy xuất phải dùng tập lệnh của một vi xử lý 8 bit. Ví dụ lệnh cộng: ADD reg Lệnh này được hiểu là nội dung của thanh ghi A được cộng với nội dung của thanh ghi Reg kết quả lưu trữ vào thanh ghi A. b. Kiểu đònh đòa chỉ tức thời: Một lệnh được chia ra làm 2 phần thứ nhất là mã lệnh hay còn gọi là mã công tác, phần thứ 2 là đòa chỉ. Đối với kiểu đòa chỉ tức thời thì phần thứ 2 là dữ liệu không phải là đòa chỉ. Ví dụ lệnh nạp một dữ liệu tức thời vào thanh ghi A được viết như sau: MVI A, FEH. Trong đó MVI là mã gợi nhớ, FE là dữ liệu dạng số Hex. Vì thanh ghi A chỉ có 8 bit nên dữ liệu tức thời có độ dài là 8 bit. c. Kiểu đònh đòa chỉ trực tiếp: Ví dụ lệnh di chuyển nội dung của một ô nhớ có đòa chỉ 8000H vào thanh ghi A: “LDA 8000H”. LDA là mã gợi nhớ, đòa chỉ 8000H được viết trực tiếp trong câu lệnh, với vi xử lý 8 bit có 16 đường đòa chỉ nên phải dùng 4 số Hex để chỉ đònh một ô nhớ. Đối với những lệnh dùng kiểu đòa chỉ trực tiếp thì lệnh có độ dài là 3 byte: một byte là mã lệnh, 2 byte còn lại là đòa chỉ của ô nhớ (đối với vi xử lý 8 bit). d. Kiểu đònh đòa chỉ gián tiếp dùng thanh ghi: Để minh họa kiểu đòa chỉ gián tiếp dùng thanh ghi ta dùng lệnh sau: Ví dụ: “MOV A,M”. Lệnh này sẽ di chuyển nội dung của ô nhớ M có đòa chỉ chứa trong một cặp thanh ghi. Đối với vi xử lý 8085 thì đòa chỉ này thường chứa trong cặp thanh ghi HL, vì đòa chỉ 16 bit nên phải dùng cặp thanh ghi mới chứa hết 16 bit đòa chỉ. Chú ý khi dùng lệnh kiểu này người lập trình phải quản lý giá trò trong cặp thanh ghi. e. Kiểu đònh đòa chỉ chỉ số: Đối với một vài vi xử lý có các thanh ghi chỉ số (Index register) được dùng cho kiểu đòa chỉ chỉ số. Kiểu đòa chỉ này được thực hiện bằng cách cộng byte thứ 2 của lệnh với nội dung của thanh ghi chỉ số ID. Ví dụ: lệnh cộng nội dung thanh ghi A với nội dung của ô nhớ có đòa chỉ chứa trong thanh ghi chỉ số ID với byte dữ liệu thứ 2: “ADD A, (ID +n)” n là một số có chiều dài 8 bit. 28 Vi xử lý Chương 2: Cấu trúc vi xử lý 8 bit và tập lệnh SPKT – Nguyễn Đình Phú f. Kiểu đònh đòa chỉ tương đối: Kiểu đòa chỉ này gần giống như kiểu đòa chỉ chỉ số nhưng thanh ghi ID được thay thế bằng thanh ghi PC. Đòa chỉ của ô nhớ cần truy xuất được tính bằng cách cộng nội dung hiện tại chứa trong thanh ghi PC cộng với byte dữ liệu thứ 2. Ví dụ lệnh JP 05H : nhảy đến tới thực hiện lệnh có đòa chỉ cách bộ đếm chương trình PC là 5 byte. IV. KHẢO SÁT VI XỬ LÝ 8 BIT Z80: Sau khi khảo sát một vi xử lý tổng quát bây giờ chúng ta cần khảo sát một vài vi xử lý 8 bit cụ thể được sử dụng phổ biến trong các hệ thống điều khiển. Mặc dù hiện tại các vi xử lý ngày càng mạnh về số bit, tốc độ làm việc cao, khả năng truy xuất bộ nhớ lớn nhưng các vi xử lý 8 bit vẫn tồn tại vì chúng được sử dụng trong các hệ thống điều khiển nhỏ với lượng dữ liệu xử lý không nhiều ví dụ như máy giặt tự động thì vi xử lý chỉ thực hiện các công việc như điều khiển động cơ quay thuận nghòch theo thời gian, hiển thò thời gian trên led 7 đoạn, kiểm tra các valve để đóng mở nước, kiểm tra mực nước, lượng dữ liệu xử lý không nhiều nếu so với lượng dữ liệu mà các vi xử lý của máy tính xử lý. Trong phần này chúng ta khảo sát 2 vi xử lý 8 bit: vi xử lý 8085 của hảng Intel và vi xử lý Z80 của hãng Zilog. Vi xử lý Z80 của hãng Zilog được phát triển từ vi xử lý gốc 8080 của hãng Intel. 1. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC BÊN TRONG CỦA VI XỬ LÝ Z80: Cấu trúc của vi xử lý Z80 như hình 2-11 : Trong sơ đồ cấu trúc của vi xử lý Z80 có: • Khối ALU cùng với 2 thanh ghi có tên là Latch có chức năng giống như đã khảo sát. • Khối các thanh ghi gồm có: thanh ghi A, B, C, D, E, H, L, F, A’, B’, C’, D’, E’, H’, L’, F’, IP, PC, SP, IX và IY. • Bus dữ liệu 2 chiều D0 ÷ D7 dùng giao tiếp dữ liệu với các thiết bò nên ngoài – khối đệm bus dữ liệu có chức năng đệm để cho phép kết nối nhiều thiết bò hay tăng fan_out. • Bus dữ liệu bên trong cho phép liên lạc dữ liệu giữa các khối. • Bus đòa chỉ một chiều gồm có 16 đường có chức năng tải đòa chỉ để truy xuất bộ nhớ và thiết bò ngoại vi, khối đệm bus đòa chỉ dùng để tăng fan-out. • Khối giải mã lệnh dùng để giải mã lệnh cho khối điều khiển thực hiện lệnh. • Khối điều khiển ngắt. Các khối còn bao gồm: khối điều khiển bus, khối điều khiển đọc ghi bộ nhớ, đọc ghi IO, khối điều khiển vi xử lý, khối reset và làm tươi. Nguồn sử dụng cho vi xử lý là +5V, xung clock được cung cấp từ bên ngoài. Vi xử lý 29 Chương 2: Cấu trúc vi xử lý 8 bit và tập lệnh SPKT – Nguyễn Đình Phú Hình 2-11. Sơ đồ cấu trúc bên trong của vi xử lý Z80. 2. TỔ CHỨC THANH GHI BÊN TRONG CỦA VI XỬ LÝ Z80: Vi xử lý Z80 có 16 thanh ghi 8 bit và 4 thanh ghi 16 bit được trình bày như hình 2-12. Tất cả các thanh ghi của vi xử lý Z80 được sử dụng giống như các ô nhớ RAM tónh. Các thanh ghi bao gồm 2 nhóm thanh ghi thông dụng có thể sử dụng một cách độc lập như những thanh ghi 8 bit hoặc có thể kết hợp lại tạo thành những cặp thanh ghi 16 bit. Mỗi nhóm thanh ghi gồm 6 thanh ghi thông dụng, một thanh ghi tích lũy A và một thanh ghi trạng thái. Thanh ghi PC: thanh ghi này giống như thanh ghi PC đã trình bày. Thanh ghi này chứa đòa chỉ của lệnh hiện hành đang được đón từ bộ nhớ. Nội dung của thanh ghi PC được tăng lên để quản lý lệnh tiếp theo sau khi nội dung của nó được chuyển sang bus đòa chỉ. Khi thực hiện lệnh Jump thì đòa chỉ của lệnh nơi nhảy đến sẽ được đặt vào thanh ghi PC và sẽ ghi đè lên giá trò đã tăng. 30 Vi xử lý Chương 2: Cấu trúc vi xử lý 8 bit và tập lệnh SPKT – Nguyễn Đình Phú Hình 2-12. Sơ đồ chân của vi xử lý Z80. Thanh ghi SP: thanh ghi này giống như thanh ghi SP đã trình bày. Thanh ghi SP chứa đòa chỉ hiện hành của bộ nhớ ngăn xếp nằm trong vùng bộ nhớ RAM. Vùng nhớ RAM bên ngoài được tổ chức theo kiểu vào sau ra trước (LIFO). Dữ liệu của các thanh ghi được cất vào ngăn xếp hoặc được lấy ra khỏi ngăn xếp bằng cách thực hiện các lệnh PUSH và POP. Bộ nhớ ngăn xếp còn được dùng để lưu trữ đòa chỉ của thanh ghi PC khi thực hiện lệnh gọi chương trình con hay khi CPU bò ngắt. Thanh ghi chỉ số IX và IY: 2 thanh ghi chỉ số lưu đòa chỉ 16 bit được dùng cho kiểu đònh đòa chỉ dùng chỉ số. Trong kiểu đònh đòa chỉ này thì một thanh ghi sẽ quản lý đòa chỉ của vùng dữ liệu được lưu trữ hoặc quản lý đòa chỉ của vùng dữ liệu cần di chuyển. Ngoài ra 2 thanh ghi này còn được sử dụng trong kiểu đònh đòa chỉ dùng chỉ số có độ dời sẽ tiện ích hơn khi bảng dữ liệu được sử dụng. Thanh ghi lưu đòa chỉ ngắt (I): thường thì các ngắt của vi xử lý có 1 đòa chỉ ngắt cố đònh ví dụ như ngắt không ngăn được NMI thì khi vi xử lý đáp ứng ngắt này nó sẽ thực hiện chương trình phục vụ ngắt tại đòa chỉ 0066H do nhà thiết kế qui đònh. Với kiểu như vậy thì chỉ có một chương trình con phục vụ ngắt và phải bắt đầu tại đòa chỉ qui đònh. Để đáp ứng được nhiều chương trình con phục vụ ngắt khác nhau thì nhà thiết kế vi xử lý Z80 sử dụng ngắt INT và việc xử lý đòa chỉ như sau: đòa chỉ của chương trình con phục vụ ngắt là 16 bit, trong đó 8 bit cao được lưu trong thanh ghi I, còn 8 bit đòa chỉ thấp thì do thiết bò yêu cầu ngắt cung cấp. Cấu trúc này cho phép các chương trình con phục vụ ngắt có thể đònh vò tại bất kỳ vò trí nào trong vùng nhớ với thời gian nhảy đến thực hiện chương trình con phục vụ ngắt là tối thiểu. Thanh ghi làm tươi bộ nhớ R (refresh register): vi xử lý Z80 có một bộ đếm làm tươi bộ nhớ để cho phép sử dụng bộ nhớ động DRAM giống như SRAM. 7 bit của thanh ghi 8 bit này chính là bộ đếm sẽ tự động tăng giá trò sau mỗi chu kỳ đón lệnh từ bộ nhớ. Bit thứ 8 còn lại có thể lập trình được từ lệnh “LD R, A”. Dữ liệu đếm trong bộ đếm 7 bit được gởi đến bus đòa chỉ thấp cùng với tín hiệu làm tươi bộ nhớ khi CPU đang giải mã lệnh và thực hiện lệnh đã đón về. Với kiểu làm tươi bộ nhớ như thế sẽ không làm chậm tốc độ làm việc của CPU. Trong khoảng thời gian làm tươi bộ nhớ thì nội dung của thanh ghi I được đặt lên 8 bit cao của bus đòa chỉ. Vi xử lý 31 Chương 2: Cấu trúc vi xử lý 8 bit và tập lệnh SPKT – Nguyễn Đình Phú Thanh ghi Accumulator và thanh ghi Flag: vi xử lý Z80 có 2 thanh ghi A và 2 thanh ghi cờ 8 bit. Hoạt động của các thanh ghi này giống như đã trình bày ở phần trước. Các thanh ghi thông dụng: vi xử lý Z80 có 2 nhóm thanh ghi thông dụng – mỗi nhóm có 8 thanh ghi 8 bit có thể sử dụng như những thanh ghi 8 bit độc lập hay cũng có thể sử dụng như những cặp thanh ghi 16 bit. Một nhóm được gọi là BC, DE và HL trong khi nhóm còn lại là BC’, DE’ và HL’. Tại mỗi một thời điểm, người lập trình có thể lựa chọn 1 trong 2 nhóm thanh ghi để làm việc thông qua lệnh. Trong những hệ thống đòi hỏi đáp ứng ngắt nhanh thì nhóm các thanh ghi thông dụng cùng với thanh ghi A, thanh ghi cờ có thể được để dành sử dụng cho chương trình con phục vụ ngắt yêu cầu đáp ứng nhanh – chỉ cần thực hiện 1 lệnh trao đổi để chuyển sang chương trình con. Chức năng này làm thời gian đáp ứng yêu cầu ngắt nhanh hơn vì nếu không có chức năng này thì phải tiến hành cất dữ liệu của các thanh ghi vào bộ nhớ ngăn xếp làm tốn nhiều thời gian trước khi thực hiện chương trình con phục vụ ngắt. Khối ALU: khối ALU bên trong vi xử lý Z80 có chức năng thực hiện các lệnh số học và lệnh logic. Khối ALU kết nối với các thanh ghi bên trong và bus dữ liệu bên ngoài thông qua bus dữ liệu bên trong. Các lệnh được thực hiện bởi khối ALU bao gồm: Lệnh cộng, lệnh trừ, lệnh AND, lệnh OR, lệnh EX-OR, lệnh so sánh , lệnh dòch trái, dòch phải, lệnh xoay, lệnh tăng, lệnh giảm, lệnh set bit, lệnh reset bit lệnh test bit. Thanh ghi lệnh IR và khối điều khiển CPU: mỗi mã lệnh được đón về từ bộ nhớ sẽ lưu trong thanh ghi lệnh IR và sẽ được giải mã. Các thành phần của khối điều khiển sẽ thực hiện chức năng này, sau đó khối điều khiển tạo ra và cung cấp các tín hiệu điều khiển cần thiết để đọc dữ liệu từ các thanh ghi hoặc ghi dữ liệu lên các thanh ghi, điều khiển khối ALU thực hiện phép toán và tạo ra các tín hiệu điều khiển các đối tượng bên ngoài. 3. CHỨC NĂNG CÁC CHÂN CỦA VI XỬ LÝ Z80: Vi xử lý Z80 có sơ đồ chân như hình 2-13: Vi xử lý Z80 có 40 chân, trong đó: • Bus đòa chỉ có 16 chân từ A0 ÷ A15. • Bus dữ liệu có 8 chân từ D0 ÷ D7. • Bus điều khiển hệ thống có 6 chân: 1M, MREQ, IORQ , RD, WR, RFSH • Điều khiển CPU có 5 chân: HALT, WAIT , INT , NMI , RESET • Điều khiển bus có 2 chân: BUSRQ, BUSACK • Nguồn cung cấp 2 chân: Vcc và GND. • Nguồn nhận xung clock 1 chân CLK. Giống như vi xử lý tổng quát thì chức năng của bus đòa chỉ dùng để tải đòa chỉ khi vi xử lý truy xuất bộ nhớ hoặc ngoại vi IO. Chức năng của bus dữ liệu là tải dữ liệu giữa vi xử lý với bộ nhớ hoặc thiết bò ngoại vi. Hai bus đòa chỉ và dữ liệu dùng để kết nối với bộ nhớ và ngoại vi IO. Tín hiệu RD, WR, MREQ , IORQ : là các chân xuất tín hiệu, khi vi xử lý điều khiển các chân RD, WR cùng với tín hiệu MREQ để thực hiện quá trình đọc hoặc ghi dữ liệu giữa vi xử 32 Vi xử lý Chương 2: Cấu trúc vi xử lý 8 bit và tập lệnh SPKT – Nguyễn Đình Phú lý với bộ nhớ. Khi vi xử lý điều khiển các chân RD, WR cùng với tín hiệu IORQ để thực hiện quá trình đọc hoặc ghi dữ liệu giữa vi xử lý với thiết bò ngoại vi IO. Trong hệ thống ta phải sử dụng các chân này để giao tiếp với bộ nhớ và ngoại vi IO. Hình 2-13. Sơ đồ chân của vi xử lý Z80. Tín hiệu RFSH : dùng để điều khiển làm tươi bộ nhớ DRAM. Khi không cần làm tươi thì chân này để trống. Tín hiệu 1M: là tín hiệu báo hiệu một chu kỳ máy. Tín hiệu 1M kết hợp với tín hiệu MREQ để xác đònh chu kỳ máy hiện tại là chu kỳ đón lệnh trong quá trình thực hiện lệnh. Tín hiệu 1M kết hợp với tín hiệu IORQ để xác đònh chu kỳ trả lời ngắt. Tín hiệu INT : là tín hiệu yêu cầu ngắt từ bên ngoài hay từ thiết bò ngoại vi tích cực mức thấp. CPU sẽ thực hiện yêu cầu ngắt sau khi thực hiện xong lệnh đang thực hiện và trừ khi ngắt này được cho phép bởi phần mềm. Khi sử dụng thì ngõ vào này thường nối với điện trở kéo lên để khi tác động thì xuống mức thấp. Tín hiệu NMI : là tín hiệu yêu cầu ngắt từ bên ngoài hay từ thiết bò ngoại vi tích cực cạnh xuống. Ngắt NMI có mức ưu tiên cao hơn so với ngắt INT và là tín hiệu ngắt không thể ngăn được. CPU sẽ thực hiện yêu cầu ngắt sau khi thực hiện xong lệnh đang thực hiện, đòa chỉ của chương trình con phục vụ ngắt tại đòa chỉ 0066H. Tín hiệu RESET : là tín hiệu ngõ vào tích cực mức thấp, khi ngõ vào reset bò tác động thì CPU sẽ reset tất cả các bit cho phép ngắt, xoá thanh ghi PC, các thanh ghi I và R thiết lập trạng thái ngắt ở mode 0. Trong khoảng thời gian ngắt thì các bus đòa chỉ và bus dữ liệu ở trạng thái Vi xử lý 33 Chương 2: Cấu trúc vi xử lý 8 bit và tập lệnh SPKT – Nguyễn Đình Phú tổng trở cao, tất cả các đường tín hiệu điều khiển đều ở trạng thái không tích cực. Chú ý tín hiệu reset phải ở trạng thái tích cực trong khoảng thời gian ít nhất là 3 chu kỳ xung clock. Tín hiệu WAIT : là tín hiệu ngõ vào tích cực mức thấp, tín hiệu này (khi ở mức cao) dùng để báo cho CPU biết ô nhớ đang truy xuất hay thiết bò ngoại vi đang truy xuất chưa sẵn sàng cho việc nhận hay gởi dữ liệu. CPU sẽ vào trạng thái chờ cho đến khi tín hiệu WAIT trở lại trạng thái tích cực mức thấp. Tín hiệu HALT: là tín hiệu ngõ ra tích cực mức thấp, tín hiệu này (khi ở mức cao) dùng để báo cho thiết bò bên ngoài biết: CPU đang thực hiện lệnh HALT và đang đợi một trong 2 yêu cầu ngắt xảy ra trước khi khôi phục lại hoạt động bình thường. Trong khoảng thời gian HALT thì CPU thực hiện lệnh NOP để tiếp tục giữ hoạt động làm tươi bộ nhớ. Tín hiệu BUSRQ: là tín hiệu ngõ vào tích cực mức thấp, tín hiệu này có mức ưu tiên cao hơn ngắt không che được NMI và nó sẽ được thực hiện ngay sau mỗi chu kỳ máy hay chu kỳ xung clock. Tín hiệu này sẽ yêu cầu vi xử lý điều khiển bus đòa chỉ, bus dữ liệu và các đường tín hiệu điều khiển MREQ, IORQ , RD, WR ở trạng thái tổng trở cao và thiết bò khác có thể sử dụng các bus trong hệ thống. Tín hiệu BUSACK : là tín hiệu ngõ ra tích cực mức thấp, tín hiệu này xác đònh CPU điều khiển bus đòa chỉ, bus dữ liệu và các đường tín hiệu điều khiển MREQ, IORQ , RD, WR ở trạng thái tổng trở cao và thiết bò khác có thể sử dụng các bus trong hệ thống. Ta có thể xem tín hiệu BUSACK là tín hiệu trả lời của CPU khi CPU nhận tín hiệu yêu cầu nhường bus BUSRQ. 4. GIẢN ĐỒ THỜI GIAN CỦA VI XỬ LÝ Z80: Vi xử lý Z80 thực hiện các lệnh theo từng bước thông qua các hoạt động cơ bản bao gồm: • Đón lệnh. • Đọc hoặc ghi bộ nhớ. • Đọc hoặc ghi IO. • Yêu cầu bus/trả lời bus. • Yêu cầu ngắt/trả lời ngắt. • Đáp ứng ngắt không ngăn được. Tất cả các lệnh là một chuỗi hoạt động cơ bản nối tiếp nhau. Mỗi một hoạt động có thể thực hiện từ 3 chu kỳ xung clock đến 6 chu kỳ xung clock để hoàn tất hoặc có thể bò kéo dài hơn để đồng bộ tốc độ làm việc của CPU với tốc độ làm việc của các thiết bò bên ngoài. Các chu kỳ xung clock được xem là các chu kỳ T (time) và các hoạt động được xem là các chu kỳ máy M (machine). Hình 2-14 minh hoạ các chu kỳ xung clock T và chu kỳ máy M khi CPU thực hiện liên tục các lệnh: Chú ý lệnh này bao gồm 3 chu kỳ máy M1, M2 và M3. Ở chu kỳ máy thứ nhất của bất kỳ lệnh nào chính là chu kỳ đón lệnh từ bộ nhớ – chu kỳ này cần từ 4, 5 hoặc 6 chu kỳ xung clock T. Chu kỳ đón lệnh được sử dụng để đón mã lệnh của lệnh kế để thực hiện. 34 Vi xử lý Chương 2: Cấu trúc vi xử lý 8 bit và tập lệnh SPKT – Nguyễn Đình Phú Tiếp theo là các chu kỳ di chuyển dữ liệu (đọc hoặc ghi) giữa CPU và bộ nhớ hoặc thiết bò ngoại vi IO xảy ra khoảng từ 3 đến 5 chu kỳ xung clock T. Trong khoảng thời gian T2 và mỗi chu kỳ đợi Tw theo sau thì CPU sẽ lấy mẫu tín hiệu ngõ vào WAIT khi có cạnh xuống của xung clock. Nếu tín hiệu WAIT ở trạng thái tích cực thì một chu kỳ đợi tiếp theo sẽ được thực hiện. Sử dụng kỹ thuật này để CPU có thể kéo dài thời gian đọc hoặc ghi để tương thích với bất kỳ loại bộ nhớ nào. Hình 2-14. Các chu kỳ máy của vi xử lý Z80. Chu kỳ Đón lệnh: hình 2-15 là giản đồ thời gian của chu kỳ đón lệnh từ bộ nhớ hay chu kỳ M1. Trong chu kỳ này CPU đặt đòa chỉ lên bus đòa chỉ tại thời điểm bắt đầu của chu kỳ M1. Sau nữa chu kỳ của xung clock: thì tín hiệu MREQ chuyển sang trạng thái tích cực. Tại thời điểm này đòa chỉ trên bus đã có đủ thời gian để ổn đònh, do đó cạnh xuống của tín hiệu MREQ được dùng như xung clock cho phép chip đối với bộ nhớ động. Tín hiệu RD cũng chuyển sang trạng thái tích cực để xác đònh rằng dữ liệu đọc từ bộ nhớ sẽ được phép vào bus dữ liệu của CPU. Hình 2-15. Chu kỳ đón mã lệnh. Vi xử lý 35 Chương 2: Cấu trúc vi xử lý 8 bit và tập lệnh SPKT – Nguyễn Đình Phú CPU sẽ lấy mẫu dữ liệu từ bộ nhớ trên bus dữ liệu khi có cạnh lên của xung clock ở chu kỳ T3 và đồng thời CPU sẽ chuyển các tín hiệu MREQ, RD sang trạng thái không tích cực. Vậy CPU đã lấy dữ liệu trước khi chuyển tín hiệu RD sang trạng thái không tích cực. Các chu kỳ T3 và T4 dùng để làm tươi các bộ nhớ RAM động. CPU sẽ dùng các khoảng thời gian này để giải mã lệnh và thực hiện lệnh đã được đón nên sẽ không có hoạt động nào được thực hiện tong khoảng thời gian của T3 và T4. Chú ý dữ liệu đọc ở chu kỳ này là mã lệnh. Chu kỳ đọc hoặc ghi dữ liệu : hình 2-16 là giản đồ thời gian của chu kỳ đọc hoặc ghi dữ liệu giữa CPU với bộ nhớ khác với chu kỳ đón lệnh. Tín hiệu MREQ và tín hiệu RD được điều khiển giống nhau trong chu kỳ đọc dữ liệu. Trong chu kỳ ghi dữ liệu lên bộ nhớ, tín hiệu MREQ cũng ở trạng thái tích cực khi đòa chỉ trên bus đã ổn đònh nên nó được dùng như là tín hiệu cho phép đối với bộ nhớ động. Tín hiệu WR sẽ chuyển sang trạng thái tích cực khi dữ liệu trên bus đã ổn đònh nên nó được dùng để điều khiển chân WR của bộ nhớ để yêu cầu bộ nhớ cất dữ liệu trên bus dữ liệu. Tín hiệu WR sẽ chuyển sang trạng thái không tích cực trước khi đòa chỉ và dữ liệu trên bus thay đổi hay trước khi chuyển sang chu kỳ máy kế tiếp. Hình 2-16. Chu kỳ đọc hoặc ghi bộ nhớ. Chu kỳ đọc hoặc ghi ngoại vi : hình 2-17 là giản đồ thời gian của chu kỳ đọc hoặc ghi dữ liệu giữa CPU và thiết bò ngoại vi. Trong khoảng thời gian đọc/ghi IO thì CPU thường tự động xen vào 1 chu kỳ đợi. Lý do chèn thêm 1 chu kỳ đợi là do khoảng thời gian CPU điều khiển chân IORQ sang trạng thái tích cực cho đến khi lấy mẫu rất ngắn. Nếu không chèn thêm chu kỳ đợi thì các thiết bò IO loại MOS sẽ không bắt kòp tốc độ làm việc của CPU. Trong khoảng thời gian đợi thì tín hiệu đợi WAIT sẽ được lấy mẫu. Trong hoạt động đọc dữ liệu từ IO thì tín hiệu RD được dùng để yêu cầu thiết bò IO đã chỉ đònh xuất dữ liệu, trong hoạt động ghi dữ liệu lên IO thì tín hiệu WR được dùng để yêu cầu thiết bò IO đã chỉ đònh nhận dữ liệu. 36 Vi xử lý Chương 2: Cấu trúc vi xử lý 8 bit và tập lệnh SPKT – Nguyễn Đình Phú Hình 2-17. Chu kỳ đọc hoặc ghi thiết bò ngoại vi. Chu kỳ yêu cầu bus/trả lời yêu cầu bus : hình 2-18 là giản đồ thời gian của chu kỳ yêu cầu bus /trả lời bus. Tín hiệu BUSRQ được CPU lấy mẫu khi có cạnh lên của xung clock cuối cùng của mỗi chu kỳ máy. Nếu tín hiệu BUSRQ ở trạng thái tích cực thì CPU thiết lập bus đòa chỉ, bus dữ liệu và các tín hiệu điều khiển 3 trạng thái sang trạng thái tổng trở cao ngay khi có cạnh lên của xung clock kế. Tại thời điểm này bất kỳ thiết bò nào bên ngoài có thể điều khiển các bus để chuyển dữ liệu giữa bộ nhớ và các thiết bò ngoại vi IO – hoạt động này thường được gọi là truy xuất bộ nhớ trực tiếp DMA (direct memory access). Hình 2-18. Chu kỳ yêu cầu bus/ trả lời bus. Thời gian tối đa để CPU đáp ứng yêu cầu nhường bus dài đúng bằng 1 chu kỳ máy và thiết bò yêu cầu nhường bus phải giữ tín hiệu điều khiển BUSRQ ở trạng thái tích cực trong khoảng đúng bằng 1 chu kỳ máy. Nếu thời gian yêu cầu nhường bus quá dài và nếu hệ thống sử dụng bộ nhớ động thì thiết bò yêu cầu nhường bus phải thực hiện công việc làm tươi bộ nhớ. Trường hợp này chỉ xảy ra khi khối lượng dữ liệu quá lớn cần phải di chuyển bởi DMA. Trong Vi xử lý 37

Tài liệu liên quan

Cấu trúc vi xử lý
- 6
- 765
- 7
LUẬN VĂN THIẾT KẾ HỆ VI XỬ LÍ 8 BIT
- 39
- 421
- 0
Chương 2: Cấu trúc cơ bản của PLC
- 7
- 799
- 4
Tài liệu Chương 2: Cấu trúc và hoạt động của vi xử lý pdf
- 34
- 3
- 34
CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC VĨ MÔ VÀ NHỮNG MỤC TIÊU CƠ BẢN CỦA NỀN KINH TẾ QUỐC DÂN
- 14
- 871
- 3
Tài liệu Chương 2: Cấu trúc mạng NGN docx
- 39
- 796
- 0
Tài liệu Chương 1: CẤU TRÚC VI ĐIỀU KHIỂN doc
- 5
- 561
- 3
Tài liệu Chương 2: Cấu trúc cây pdf
- 15
- 403
- 0
Tài liệu Chương 2 - Cấu trúc và lắp đặt pdf
- 22
- 402
- 0
Tài liệu 3G3MV - Chương 2 - Cấu trúc và lắp đặt pptx
- 26
- 393
- 0