Bài giảng Vi xử lý-Vi điều khiển

222 trang hapham 2380

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Vi xử lý-Vi điều khiển", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_vi_xu_ly_vi_dieu_khien.pdf

Nội dung text: Bài giảng Vi xử lý-Vi điều khiển

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY TÍNH BÀI GIẢNG PHÁT CHO SINH VIÊN (LƯU HÀNH NỘI BỘ) Theo chương trình 150 TC thay 180 TC hoặc tương đương Sử dụng cho năm học 2011 – 2012 Tên bài giảng: Vi xử lý – Vi điều khiển Số tín chỉ: 03
BÀI GIẢNG PHÁT CHO SINH VIÊN (LƯU HÀNH NỘI BỘ) Theo chương trình 150 TC thay 180 TC hoặc tương đương Sử dụng cho năm học 2011 – 2012 Tên bài giảng: Vi xử lý – Vi điều khiển Số tín chỉ: 03 Thái Nguyên, ngày 01 tháng 07 năm 2011 Trưởng bộ môn Trưởng khoa Điện Tử Ths. Nguyễn Tuấn Linh PGS. TS. Nguyễn Hữu Công
MỤC LỤC CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VI XỬ LÝ – VI ĐIỀU KHIỂN 9 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VI XỬ LÝ – VI ĐIỀU KHIỂN 10 1.1.1 Tổng quan 10 1.1.2 Lịch sử phát triển của các bộ xử lý 11 1.1.3 Vi xử lý và vi điều khiển 12 1.1.4 Ứng dụng của Vi xử lý – vi điều khiển 13 1.2 Cấu trúc chung của hệ vi xử lý 15 1.2.1 Khối xử lý trung tâm (CPU) 16 1.2.2 Hệ thống bus 17 1.3 Định dạng dữ liệu và biểu diễn thông tin trong hệ vi xử lý – vi điều khiển 18 1.3.1 Các hệ đếm 18 1.3.2 Mã ký tự - Alphanumeric CODE (ASCII, EBCDIC) 20 1.3.3 Các phép toán số học trên hệ đếm nhị phân 22 CHƯƠNG 2. HỌ VI XỬ LÝ INTEL 80x86 23 2.1 Cấu trúc phần cứng của bộ vi xử lý 8086 24 2.1.1 Tổng quan 24 2.1.2 Cấu trúc bên trong và sự hoạt động 24 2.1.3 Mô tả chức năng các chân 31 2.2 Chế độ địa chỉ 31 2.2.1 Khái niệm chế độ địa chỉ 31 2.2.2 Các chế độ địa chỉ 34 2.3 Tập lệnh Assembly 37 2.3.1 Giới thiệu chung 37 2.3.2 Các nhóm lệnh 38 2.4 Lập trình hợp ngữ (Assembly) cho vi xử lý 80x86 54 2.4.1 Giới thiệu chung về hợp ngữ 54 2.4.2 Các bước khi lập trình 55 2.4.3 Cấu trúc chung của chương trình hợp ngữ 57 2.4.4 Các cấu trúc điều khiển cơ bản 69 2.4.5 Ngắt trong Assembly 72 2.4.6 Các ví dụ 74 2.5 Ghép nối bộ nhớ và thiết bi ngoại vi 80 2.5.1 Ghép nối bộ nhớ 80 2.5.2 Giải mã địa chỉ 81 2.5.3 Ghép nối thiết bị ngoại vi 84 2.5.4 Các kiểu giao tiếp vào / ra 84 2.5.5 Giải mã địa chỉ cho thiết bị vào / ra 84 2.5.6 Các mạch cổng đơn giản 85 Vi mạch chốt 74LS373: 85 2.6 Câu hỏi và bài tập 86 CHƯƠNG 3. HỌ VI ĐIỀU KHIỂN 8051 89 3.1 Giới thiệu chung 90 3.1.1 Ứng dụng của vi điều khiển 91 3.1.2 Hoạt động của vi điều khiển 91 3.1.3 Cấu trúc chung của vi điều khiển 92 3.2 Kiến trúc vi điều khiển 8051 97 3.2.1 Chuẩn 8051 97 3.2.2 Chân vi điều khiển 8051 99 3.2.3 Cổng vào/ra 100 3.2.4 Tổ chức bộ nhớ 8051 104
3.2.5 Các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFRs - Special Function Registers) 109 3.2.6 Bộ đếm và bộ định thời 113 3.2.7 Truyền thông không đồng bộ (UART) 113 3.2.8 Ngắt vi điều khiển 8051 114 3.3 Lập trình hợp ngữ cho 8051 114 3.3.1 Các chế độ địa chỉ 114 3.3.2 Tập lệnh trong 8051 116 3.3.3 Cấu trúc chung chương trình hợp ngữ cho 8051 123 3.4 Bộ đếm và bộ định thời 126 3.5 Truyền thông nối tiếp 133 3.6 Xử lý ngắt 140 3.7 Câu hỏi và bài tập cuối chương 147 CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG 151 4.1 Nhấp nháy dãy LED đơn 152 4.2 Timer 155 4.3 Sử dụng Timer T2 157 4.4 Dùng ngắt ngoài 158 4.5 Lập trình ngắt ngoài theo sườn xuống. 159 4.6 Sử dụng LED 7 thanh 160 4.6.1 Hiển thị số trên 1 LED 7 thanh 160 4.6.2 Hiển thị trên nhiều LED 7 thanh 161 4.7 Thông báo bằng văn bản trên màn hình LCD 164 4.8 Nhận dữ liệu qua UART 169 4.9 Truyền dữ liệu qua UART 170 4.10 Chương trình con phục vụ truyền thông nối tiếp 172 4.11 Truyền thông UART cho 8051 bằng phần mềm 172 4.12 Ghép nối 8051 với ADC0804, chuyển đổi ADC 8-bit 175 4.13 Ghép nối vi điều khiển với bàn phím 177 4.14 Ghép nối vi điều khiển với step motor 179 CHƯƠNG 5. CÁC HỆ VI ĐIỀU KHIỂN TIÊN TIẾN 191 5.1 Atmel AVR 192 5.1.1 Lịch sử họ AVR 192 5.1.2 Tổng quan về thiết bị 192 5.1.3 Kiến trúc thiết bị 193 5.1.4 Program Memory (Flash) 193 5.1.5 EEPROM 193 5.1.6 Chương trình thực thi 194 5.1.7 Tập lệnh 194 5.1.8 Tốc độ MCU 195 5.1.9 Những đặc tính 195 5.2 Vi điều khiển PIC 197 5.3 ARM 200 Tài liệu tham khảo 205 PHỤ LỤC A: Tập lệnh trong 8051 206 PHỤ LỤC B: Chi tiết các thanh ghi chức năng trong 8051 210 PHỤ LỤC C: Ngắt 216 Danh mục hình ảnh 218 Danh mục mã nguồn 220 Danh mục bảng 220 Chỉ mục 221
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC Độc lập - Tự do - Hạnh phúc KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP CHƯƠNG TRÌNH GIÁO DỤC ĐẠI HỌC NGÀNH ĐÀO TẠO: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ, SPKT ĐIỆN – TIN, CƠ ĐIỆN TỬ CHUYÊN NGÀNH: KHỐI NGÀNH ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT HỌC PHẦN: VI XỬ LÝ – VI ĐIỀU KHIỂN (Học phần bắt buộc) 1. Tên học phần: Vi xử lý – vi điều khiển. 2 . Số tín chỉ: 03; 3(3; 1,5; 6)/12 3. Trình độ cho sinh viên năm thứ: 3 (Điện, Điện tử, SPKT Điện, SPKT Tin) hoặc 4 (Cơ điện tử). 4. Phân bổ thời gian - Lên lớp lý thuyết: 3 (tiết/tuần) x 12 (tuần) = 36 tiết. - Thảo luận: 1,5 (tiết/tuần) x 12 (tuần) = 18 tiết. 5. Các học phần học trước Kỹ thuật điện tử số. 6. Học phần thay thế, học phần tương đương Vi xử lý – vi điều khiển (trong các chương trình 180 TC và 260 ĐVHT) 7. Mục tiêu của học phần Sau khi học xong học phần sinh viên phải nắm được cấu trúc phần cứng của các bộ vi xử lý – vi điều khiển tiêu biểu: x86, 8051; Tổ chức bộ nhớ, tập lệnh, chế độ địa chỉ và lập trình cho chúng; Biết cách ghép nối với bộ nhớ và thiết bị ngoại vi; Biết khai thác khả năng ngắt và định thời. Có khả năng thiết kế và xây dựng modul (bao gồm cả phần cứng và phần mềm) sử dụng vi điều khiển cho bài toán cụ thể. 8. Mô tả vắn tắt nội dung học phần Tổng quan về các hệ đếm và biểu diễn thông tin trong các hệ vi xử lý – vi điều khiển. Vi xử lý: Tổng quan về kiến trúc hệ vi xử lý; tổ chức phần cứng của CPU họ Intel 80x86, các chế độ đánh địa chỉ, tập lệnh, lập trình hợp ngữ (assembly) cho 80x86 với những bài toán đơn giản; một số vi mạch phụ trợ trong hệ vi xử lý. Vi điều khiển: Cấu trúc hệ vi điều khiển onchip MCS 8051; lập trình hợp ngữ cho vi điều khiển; hoạt động định thời, ngắt và truyền thông nối tiếp; giới thiệu một số họ vi xử lý thông dụng khác. Giới thiệu một số bài toán ứng dụng tiêu biểu.
9. Nhiệm vụ của sinh viên 1. Dự lớp ≥ 80 % tổng số thời lượng của học phần. 2. Chuẩn bị thảo luận. 3. Bài tập, Bài tập lớn (dài): Không 10. Tài liệu học tập - Sách, giáo trình chính: [1] Bài giảng “Vi xử lý – vi điều khiển” - Sách tham khảo: [1] Văn Thế Minh, Kỹ thuật vi xử lý, NXB KHKT, 1997. [2] Tống Văn On, Họ vi điều khiển 8051, NXB KH&KT, 2005. [3] Nguyễn Tăng Cường, Phan Quốc Thắng, Cấu trúc và lập trình họ vi điều khiển 8051, NXB KH&KT, 2004. [4] Michael Hordeski, Personal Computer Interfaces, Mc. Graw Hill, 1995. [5] 11. Tiêu chuẩn đánh giá sinh viên và thang điểm 11.1. Các học phần lý thuyết • Tiêu chuẩn đánh giá 1. Chuyên cần; 2. Thảo luận, bài tập; 3. Bài tập lớn (dài); 4. Kiểm tra giữa học phần; 5. Thi kết thúc học phần; 6. Khác. • Thang điểm - Điểm đánh giá bộ phận chấm theo thang điểm 10 với trọng số như sau: + Kiểm tra giữa học phần: 20 %. + Điểm thi kết thúc học phần: 80 %.
12. Nội dung chi tiết học phần và lịch trình giảng dạy Người biên soạn: ThS. Nguyễn Tuấn Anh ThS. Nguyễn Tuấn Linh ThS. Nguyễn Văn Huy Th.S Tăng Cẩm Nhung Th.S Phùng Thị Thu Hiền ThS. Nguyễn Tiến Duy Tài liệu Hình Tuần học tập, Nội dung thức thứ tham học khảo Chương I: Tổng quan về vi xử lý – vi điều khiển 1.1. Giới thiệu chung về vi xử lý – vi điều khiển 1.1.1. Tổng quan 1.1.2. Lịch sử phát triển của các bộ xử lý 1.1.3. Vi xử lý và vi điều khiển 1.2. Cấu trúc chung của hệ vi xử lý 1.2.1. Khối xử lý trung tâm (CPU) 1 1.2.2. Bộ nhớ (Memory) [1] - [4] Giảng 1.2.3. Khối phối ghép vào/ra (I/O) 1.2.4. Hệ thống bus 1.3. Định dạng dữ liệu và biểu diễn thông tin trong hệ vi xử lý – vi điều khiển 1.3.1. Các hệ đếm 1.3.2. Biểu diễn số và ký tự 1.3.3. Các phép toán số học trên hệ đếm nhị phân Chương II: Họ vi xử lý Intel 80x86 2.1. Cấu trúc phần cứng của bộ vi xử lý 8086 2 2.1.1. Tổng quan [1] - [4] Giảng 2.1.2. Cấu trúc bên trong và sự hoạt động 2.1.3. Các chế độ địa chỉ 2.2. Tập lệnh 2.2.1. Giới thiệu chung 3 [1] - [4] Giảng 2.2.2. Các nhóm lệnh 2.3. Biểu đồ thời gian ghi/đọc 2.4. Lập trình hợp ngữ (Assembly) cho vi xử lý 80x86 4 [1] - [4] Giảng 2.4.1. Giới thiệu chung về hợp ngữ 2.4.2. Cấu trúc của chương trình hợp ngữ
2.4.3. Các cấu trúc điều khiển cơ bản 2.4.4. Các bước khi lập trình 2.4.5. Các bài tập ví dụ 5 Thảo luận Chương III: Hệ vi điều khiển onchip MCS 8051 3.1. Giới thiệu chung về vi điều khiển 3.1.1. Giới thiệu chung 6 [1] - [4] Giảng 3.1.2. Khái niệm vi điều khiển 3.1.3. Cấu trúc chung của vi điều khiển 3.2. Kiến trúc vi điều khiển 8051 7 Kiến trúc vi điều khiển 8051 (tiếp) [1] - [4] Giảng 8 Kiểm tra giữa kỳ 3.3. Tập lệnh 8051 và lập trình hợp ngữ cho 8051 9 3.3.1. Tập lệnh 8051 [1] - [4] Giảng 3.3.2. Thành phần ngôn ngữ assembly 10 3.4. Kiến trúc vi điều khiển 8051 [1] - [4] Giảng Thảo 11 Thảo luận [1] - [4] luận 12 Kiến trúc vi điều khiển 8051 (tiếp) [1] - [4] Giảng Chương IV: Ứng dụng Thảo 13 [1] - [4] Thảo luận luận 14 Chương V: Các hệ VĐK tiên tiến [1] - [4] Giảng Thảo 15 Thảo luận [1] - [4] luận
Bài giảng Chương 1 Vi xử lý - Vi điều khiển Tổng quan về vi xử lý – vi điều khiển CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VI XỬ LÝ – VI ĐIỀU KHIỂN Mục tiêu: Giúp sinh viên hiểu về lịch sử ra đời của hệ vi xử lý – vi điều khiển; khái niệm, cấu tạo và nguyên lý của hệ vi xử lý – vi điều khiển; ôn lại kiến thức về các hệ thống số đếm. Tóm tắt chương: Chương chia làm 3 phần: Giới thiệu chung về vi xử lý – vi điều khiển Tổng quan Lịch sử phát triển của các bộ xử lý Vi xử lý và vi điều khiển Cấu trúc chung của hệ vi xử lý Khối xử lý trung tâm (CPU) Bộ nhớ (Memory) Khối phối ghép vào/ra (I/O) Hệ thống bus Định dạng dữ liệu và biểu diễn thông tin trong hệ vi xử lý – vi điều khiển Các hệ đếm Biểu diễn số và ký tự Các phép toán số học trên hệ đếm nhị phân Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 9 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 1 Vi xử lý - Vi điều khiển Tổng quan về vi xử lý – vi điều khiển 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VI XỬ LÝ – VI ĐIỀU KHIỂN 1.1.1 Tổng quan Vi xử lý (viết tắt là µP hay uP), đôi khi còn được gọi là bộ vi xử lý, là một linh kiện điện tử được chế tạo từ các tranzito thu nhỏ tích hợp lên trên một vi mạch tích hợp đơn. Khối xử lý trung tâm (CPU) là một bộ vi xử lý được nhiều người biết đến nhưng ngoài ra nhiều thành phần khác trong máy tính cũng có bộ vi xử lý riêng của nó, ví dụ trên card Hình 1-1.Bộ vi xử lý Intel màn hình (video card) chúng ta cũng có một 80486DX2 bộ vi xử lý. Trước khi xuất hiện các bộ vi xử lý, các CPU được xây dựng từ các mạch tích hợp cỡ nhỏ riêng biệt, mỗi mạch tích hợp chỉ chứa khoảng vào chục tranzito. Do đó, một CPU có thể là một bảng mạch gồm hàng ngàn hay hàng triệu vi mạch tích hợp. Ngày nay, công nghệ tích hợp đã phát triển, một CPU có thể tích hợp lên một hoặc vài vi mạch tích hợp cỡ lớn, mỗi vi mạch tích hợp cỡ lớn chứa hàng ngàn hoặc hàng triệu tranzito. Nhờ đó công suất tiêu thụ và giá thành của bộ vi xử lý đã giảm đáng kể. Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên một chíp, nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử. Vi điều khiển, thực chất, là một hệ thống bao gồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các mô đun vào/ra, các mô đun biến đổi số sang tương tự và tương tự sang số, Ở máy tính thì các mô đun thường được xây dựng bởi các chíp và mạch ngoài. Vi điều khiển thường được dùng để xây dựng các hệ thống nhúng. Nó xuất hiện khá nhiều trong các dụng cụ điện tử, thiết bị điện, máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, đầu đọc DVD, thiết bị đa phương tiện, dây chuyền tự động, v.v. Hầu hết các vi điều khiển ngày nay được xây dựng dựa trên kiến trúc Harvard, kiến trúc này định nghĩa bốn thành phần cần thiết của một hệ thống nhúng. Những thành phần này là lõi CPU, bộ nhớ chương trình (thông thường là ROM hoặc bộ nhớ Flash), bộ nhớ dữ liệu (RAM), một hoặc vài bộ định thời và các c ổng vào/ra để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi và các môi trường bên ngoài - tất cả các khối này được thiết kế trong một vi mạch tích hợp. Vi điều khiển khác với các bộ vi xử lý đa năng ở chỗ là nó có thể hoạt động chỉ với vài vi mạch hỗ trợ bên ngoài. 10 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 1 Vi xử lý - Vi điều khiển Tổng quan về vi xử lý – vi điều khiển 1.1.2 Lịch sử phát triển của các bộ xử lý Hình 1-2. Lịch sử phát triển của VXL - Thế hệ 1 (1971 - 1973): vi xử lý 4 bit, đại diện là 4004, 4040, 8080 (Intel) hay IPM-16 (National Semiconductor). + Độ dài word thường là 4 bit (có thể lớn hơn). + Tốc độ 10 - 60 μs / lệnh với tần số xung nhịp 0.1 - 0.8 MHz. + Tập lệnh đơn giản và phải cần nhiều vi mạch phụ trợ. - Thế hệ 2 (1974 - 1977): vi xử lý 8 bit, đại diện là 8080, 8085 (Intel) hay Z80 . + Tập lệnh phong phú hơn. + Địa chỉ có thể đến 64 KB. Một số bộ vi xử lý có thể phân biệt 256 địa chỉ cho thiết bị ngoại vi. + Sử dụng công nghệ NMOS hay CMOS. + Tốc độ 1 - 8 μs / lệnh với tần số xung nhịp 1 - 5 MHz - Thế hệ 3 (1978 - 1982): vi xử lý 16 bit, đại diện là 68000/68010 (Motorola) hay 8086/ 80286/ 80386 (Intel) + Tập lệnh đa dạng với các lệnh nhân, chia và xử lý chuỗi. + Địa chỉ bộ nhớ có thể từ 1 - 16 MB và có thể phân biệt tới 64KB địa chỉ cho ngoại vi + Sử dụng công nghệ HMOS. + Tốc độ 0.1 - 1 μs / lệnh với tần số xung nhịp 5 - 10 MHz. - Thế hệ 4: vi xử lý 32 bit 68020/68030/68040/68060 (Motorola) hay 80386/80486 (Intel) và vi xử lý 32 bit Pentium (Intel) + Bus địa chỉ 32 bit, phân biệt 4 GB bộ nhớ. + Có thể dùng thêm các bộ đồng xử lý (coprocessor). + Có khả năng làm việc với bộ nhớ ảo. + Có các cơ chế pipeline, bộ nhớ cache. + Sử dụng công nghệ HCMOS. - Thế hệ 5: vi xử lý 64 bit Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 11 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 1 Vi xử lý - Vi điều khiển Tổng quan về vi xử lý – vi điều khiển 1.1.3 Vi xử lý và vi điều khiển Khái niệm “vi xử lý” (microprocessor) và “vi điều khiển” (microcontroller). Về cơ bản hai khái niệm này không khác nhau nhiều, “vi xử lý” là thuật ngữ chung dùng để đề cập đến kỹ thuật ứng dụng các công nghệ vi điện tử, công nghệ tích hợp và khả năng xử lý theo chương trình vào các lĩnh vực khác nhau. Vào những giai đoạn đầu trong quá trình phát triển của công nghệ vi xử lý, các chip (hay các vi xử lý) được chế tạo chỉ tích hợp những phần cứng thiết yếu như CPU cùng các mạch giao tiếp giữa CPU và các phần cứng khác. Trong giai đoạn này, các phần cứng khác (kể cả bộ nhớ) thường không được tích hợp trên chip mà phải ghép nối thêm bên ngoài. Các phần cứng này được gọi là các ngoại vi (Peripherals). Về sau, nhờ sự phát triển vượt bậc của công nghệ tích hợp, các ngoại vi cũng được tích hợp vào bên trong IC và người ta gọi các vi xửợ lýđã đư c tích hợp thêm các ngoại vi là các “vi điều khiển”. Vi xử lý có các khối chức năng cần thiết để lấy dữ liệu, xử lý dữ liệu và xuất dữ liệu ra ngoài sau khi đã xử lý. Và chức năng chính của Vi xử lý chính là xử lý dữ liệu, chẳng hạn như cộng, trừ, nhân, chia, so sánh.v.v Vi xử lý không có khả năng giao tiếp trực tiếp với các thiết bị ngoại vi, nó chỉ có khả năng nhận và xử lý dữ liệu mà thôi. Để vi xử lý hoạt động cần có chương trình kèm theo, các chương trình này điều khiển các mạch logic và từ đó vi xử lý xử lý các dữ liệu cần thiết theo yêu cầu. Chương trình là tập hợp các lệnh để xử lý dữ liệu thực hiện từng lệnh được lưu trữ trong bộ nhớ, công việc thực hành lệnh bao gồm: nhận lệnh từ bộ nhớ, giải mã lệnh và thực hiện lệnh sau khi đã giải mã. Để thực hiện các công việc với các thiết bị cuối cùng, chẳng hạn điều khiển động cơ, hiển thị kí tự trên màn hình đòi hỏi phải kết hợp vi xử lý với các mạch điện giao tiếp với bên ngoài được gọi là các thiết bị I/O (nhập/xuất) hay còn gọi là các thiết bị ngoại vi. Bản thân các vi xử lý khi đứng một mình không có nhiều hiệu quả sử dụng, nhưng khi là một phần của một máy tính, thì hiệu quả ứng dụng của Vi xử lý là rất lớn. Vi xử lý kết hợp với các thiết bị khác được sử trong các hệ thống lớn, phức tạp đòi hỏi phải xử lý một lượng lớn các phép tính phức tạp, có tốc độ nhanh. Chẳng hạn như các hệ thống sản xuất tự động trong công nghiệp, các tổng đài điện thoại, hoặc ở các robot có khả năng hoạt động phức tạp v.v Bộ Vi xử lý có khả năng vượt bậc so với các hệ thống khác về khả năng tính toán, xử lý, và thay đổi chương trình linh hoạt theo mục đích người dùng, đặc biệt hiệu quả đối với các bài toán và hệ thống lớn. Tuy nhiên đối với các ứng dụng nhỏ, tầm tính toán không đòi hỏi khả năng tính toán lớn thì việc ứng dụng vi xử lý cần cân nhắc. Bởi vì hệ thống dù lớn hay nhỏ, nếu dùng vi xử lý thì cũng đòi hỏi các khối mạch điện giao tiếp phức tạp như nhau. Các khối này bao gồm bộ nhớ để chứa dữ liệu và chương trình thực hiện, các mạch điện giao tiếp ngoại vi để xuất nhập và điều khiển trở lại, các khối này cùng liên kết với vi xử lý thì mới thực hiện được 12 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 1 Vi xử lý - Vi điều khiển Tổng quan về vi xử lý – vi điều khiển công việc. Để kết nối các khối này đòi hỏi người thiết kế phải hiểu biết tinh tường về các thành phần vi xử lý, bộ nhớ, các thiết bị ngoại vi. Hệ thống được tạo ra khá phức tạp, chiếm nhiều không gian, mạch in phức tạp và vấn đề chính là trình độ người thiết kế. Kết quả là giá thành sản phẩm cuối cùng rất cao, không phù hợp để áp dụng cho các hệ thống nhỏ. Vì một số nhược điểm trên nên các nhà chế tạo tích hợp một ít bộ nhớ và một số mạch giao tiếp ngoại vi cùng với vi xử lý vào một IC duy nhất được gọi là Microcontroller-Vi điều khiển. Vi điều khiển có khả năng tương tự như khả năng của vi xử lý, nhưng cấu trúc phần cứng dành cho người dùng đơn giản hơn nhiều. Vi điều khiển ra đời mang lại sự tiện lợi đối với người dùng, họ không cần nắm vững một khối lượng kiến thức quá lớn như người dùng vi xử lý, kết cấu mạch điện dành cho người dùng cũng trở nên đơn giản hơn nhiều và có khả năng giao tiếp trực tiếp với các thiết bị bên ngoài. Vi điều khiển tuy được xây dựng với phần cứng dành cho người sử dụng đơn giản hơn, nhưng thay vào lợi điểm này là khả năng xử lý bị giới hạn (tốc độ xử lý chậm hơn và khả năng tính toán ít hơn, dung lượng chương trình bị giới hạn). Thay vào đó, Vi điều khiển có giá thành rẻ hơn nhiều so với vi xử lý, việc sử dụng đơn giản, do đó nó được ứng dụng rộng rãi vào nhiều ứng dụng có chức năng đơn giản, không đòi hỏi tính toán phức tạp. Vi điều khiển được ứng dụng trong các dây chuyền tự động loại nhỏ, các robot có chức năng đơn giản, trong máy giặt, ôtô v.v Năm 1976 Intel giới thiệu bộ vi điều khiển (microcontroller) 8748, một chip tương tự như các bộ vi xử lý và là chip đầu tiên trong họ MCS-48. Độ phức tạp, kích thước và khả năng của Vi điều khiển tăng thêm một bậc quan trọng vào năm 1980 khi intel tung ra chip 8051, bộ Vi điều khiển đầu tiên của họ MCS-51 và là chuẩn công nghệ cho nhiều họ Vi điều khiển được sản xuất sau này. Sau đó rất nhiều họ Vi điều khiển của nhiều nhà chế tạo khác nhau lần lượt được đưa ra thị trường với tính năng được cải tiến ngày càng mạnh. Trong tài liệu này, ranh giới giữa hai khái niệm “vi xử lý” và “vi điều khiển” thực sự không cần phải phân biệt rõ ràng. Chúng tôi sẽ dùng thuật ngữ “vi xử lý” khi đề cập đến các khái niệm cơ bản của kỹ thuật vi xử lý nói chung và sẽ dùng thuật ngữ “vi điều khiển” khi đi sâu nghiên cứu một họ chip cụ thể. 1.1.4 Ứ ng dụng của Vi xử lý – vi điều khiển Vi xử lý, chính là chip của các loại máy tính ngày nay, nên hẳn các bạn đã biết rất rõ nó có những ứng dụng gì. Ở đây, tôi chỉ nói đên ứng dụng của vi điều khiển. Vi điều khiển có thể dùng trong thiết kế các loại máy tính nhúng. Máy tính nhúng có trong hầu hết các thiết bị tự động, thông minh ngày nay. Chúng ta có thể dùng vi điều khiển để thiết kế bộ điều khiển cho các sản phẩm như: Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 13 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 1 Vi xử lý - Vi điều khiển Tổng quan về vi xử lý – vi điều khiển Trong các sản phẩm dân dụng: o Nhà thông minh: Cửa tự động Khóa số Tự động điều tiết ánh sáng thông minh (bật/tắt đèn theo thời gian, theo cường độ ánh sáng, ) Điều khiển các thiết bị từ xa (qua điều khiển, qua tiếng vỗ tay, ) Điều tiết hơi ẩm, điều tiết nhiệt độ, điều tiết không khí, gió Hệ thống vệ sinh thông minh, o Trong quảng cáo: Các loại biển quảng cáo nháy chữ Quảng cáo ma trận LED (một màu, 3 màu, đa màu) Điều khiển máy cuốn bạt quảng cáo, o Các máy móc dân dụng Máy điều tiết độ ẩm cho vườn cây Buồng ấp trứng gà/vịt Đồng hồ số, đồng hồ số có điều khiển theo thời gian o Các sản phẩm giải trí Máy nghe nhạc Máy chơi game Đầu thu kỹ thuật số, đầu thu set-top-box, Trong các thiết bị y tế: o Máy móc thiết bị hỗ trợ: máy đo nhịp tim, máy đo đường huyết, máy đo huyết áp, điện tim đồ, điện não đồ, o Máy cắt/mài kính o Máy chụp chiếu (city, X-quang, ) Các sản phẩ m công nghiệp: o Điều khiển động cơ o Điều khiển số (PID, mờ, ) o Đo lường (đo điện áp, đo dòng điện, áp suất, nhiệt độ, ) o Cân băng tải, cân toa xe, cân ô tô, o Máy cán thép: điều khiển động cơ máy cán, điều khiển máy quấn thép, o Làm bộ điều khiển trung tâm cho RoBot o Ổn định tốc độ động cơ o Đếm sản phẩm của 1 nhà máy, xí nghiệp, o Máy vận hành tự động (dạng CNC) o 14 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 1 Vi xử lý - Vi điều khiển Tổng quan về vi xử lý – vi điều khiển 1.2 Cấu trúc chung của hệ vi xử lý Sơ đồ khối một máy tính cổ điển Hình 1-3. Sơ đồ khối một máy tính cổ điển - ALU (đơn vị logic số học): thực hiện các bài toán cho máy tính bao gồm: +, *, /,-, phép toán logic, - Control (điều khiển): điều khiển, kiểm soát các đường dữ liệu giữa các thành phần của máy tính. - Memory (bộ nhớ): lưu trữ chương trình hay các kết quả trung gian. - Input (nhập), Output (Xuất): xuất nhập dữ liệu (còn gọi là thiết bị ngoại vi). Về cơ bản kiến trúc của một vi xử lý gồm những phần cứng sau: - Đơn vị xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit). - Các bộ nhớ (Memories). - Các cổng vào/ra (song song (Parallel I/O Ports), nối tiếp (Serial I/O Ports)) - Các bộ đếm/bộ định thời (Timers). - Hệ thống BUS (Địa chỉ, dữ liệu, điều khiển) Ngoài ra với mỗi loại vi điều khiển cụ thể còn có thể có thêm một số phần cứng khác như bộ biến đổi tương tự-số ADC, bộ biến đổi số-tương tự DAC, các mạch điều chế dạng sóng WG, điều chế độ rộng xung PWM Bộ não của mỗi vi xử lý chính là CPU, các phần cứng khác chỉ là các cơ quan chấp hành dưới quyền của CPU. Mỗi cơ quan này đều có một cơ chế hoạt động nhất định mà CPU phải tuân theo khi giao tiếp với chúng. Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 15 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 1 Vi xử lý - Vi điều khiển Tổng quan về vi xử lý – vi điều khiển Hình 1-4. Sơ đồ khối hệ vi xử lý Để có thể giao tiếp và điều khiển các cơ quan chấp hành (các ngoại vi), CPU sử dụng 03 loại tín hiệu cơ bản là tín hiệu địa chỉ (Address), tín hiệu dữ liệu (Data) và tín hiệu điều khiển (Control). Về mặt vật lý thì các tín hiệu này là các đường nhỏ dẫn điện nối từ CPU đến các ngoại vi hoặc thậm chí là giữa các ngoại vi với nhau. Tập hợp các đường tín hiệu có cùng chức năng gọi là các bus. Như vậy ta có các bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển. 1.2.1 Khối xử lý trung tâm (CPU) CPU có cấu tạo gồm có đơn vị xử lý số học và lôgic (ALU), các thanh ghi, các khối lôgic và các mạch giao tiếp. Chức năng của CPU là tiến hành các thao tác tính toán xử lý, đưa ra các tín hiệu địa chỉ, dữ liệu và điều khiển nhằm thực hiện một nhiệm vụ nào đó do người lập trình đưa ra thông qua các lệnh (Instructions). 16 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 1 Vi xử lý - Vi điều khiển Tổng quan về vi xử lý – vi điều khiển Hình 1-5. Khối xử lý trung tâm 1.2.2 Hệ thống bus Bus địa chỉ - Address bus Là các đường tín hiệu song song 1 chiều nối từ CPU đến bộ nhớ Độ rộng bus: là số các đường tín hiệu, có thể là 8, 18, 20, 24, 32 hay 64. CPU gửi giá trị địa chỉ của ô nhớ cần truy nhập (đọc/ghi) trên các đường tín hiệu này. 1 CPU với n đường địa chỉ sẽ có thể địa chỉ hoá được 2n ô nhớ. Ví dụ, 1 Cpu có 16 đường địa chỉ có thể địa chỉ hoá được 216 hay 65,536 (64K) ô nhớ. Bus dữ liệu - Data bus Độ rộng Bus: 4, 8, 16, 32 hay 64 bits Là các đường tín hiệu song song 2 chiều, nhiều thiết bị khác nhau có thể được nối với bus dữ liệu; nhưng tại một thời điểm, chỉ có 1 thiết bị duy nhất có thể được phép đưa dữ liệu lên bus dữ liệu. Bất kỳ thiết bị nào đợc kết nối đến bus dữ liệu phải có đầu ra ở dạng 3 trạng thái, sao cho nó có thể ở trạng thái treo (trở kháng cao) nếu không được sử dụng. Bus điều khiển - Control bus Bao gồm 4 đến 10 đường tín hiệu song song. CPU gửi tín hiệu ra bus điều khiển để cho phép các đầu ra của ô nhớ hay các cổng I/O đã được địa chỉ hoá. Các tín hiệu điều khiển thường là: đọc/ ghi bộ nhớ - memory read, memory write, đọc/ ghi cổng vào/ra - I/O read, I/O write. Ví dụ, để đọc 1 byte dữ liệu từ ô nhớ sẽ cần đến các hoạt động sau: Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 17 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 1 Vi xử lý - Vi điều khiển Tổng quan về vi xử lý – vi điều khiển CPU đưa ra địa chỉ của ô nhớ cần đọc lên bus địa chỉ. CPU đưa ra tín hiệu đọc bộ nhớ - Memory Read trên bus điều khiển. Tín hiệu điều khiển này sẽ cho phép thiết bị nhớ đã được địa chỉ hoá đưa byte dữ liệu lên bus dữ liệu. Byte dữ liệu từ ô nhớ sẽ được truyền tải qua bus dữ liệu đến CPU. 1.3 Định dạng dữ liệu và biểu diễn thông tin trong hệ vi xử lý – vi điều khiển 1.3.1 Các hệ đếm • Hệ thập phân - Decimal • Hệ nhị phân - Binary • Hệ16 - Hexadecimal • Mã BCD (standard BCD, gray code): (Binary Coded Decimal) Trong thực tế, đối với một số ứng dụng như đếm tần, đo điện áp, ngõ ra ở dạng số thập phân, ta dùng mã BCD. Mã BCD dùng 4 bit nhị phân để mã hoá cho một số thập phân 0 9. Như vậy, các số hex A F không tồn tại trong mã BCD. Mã BCD gồm có 2 loại: - Mã BCD không nén (unpacked): biểu diễn một số BCD bằng 8 bit nhị phân - Mã BCD nén (packed): biểu diễn một số BCD bằng 4 bit nhị phân VD: Số thập phân 5 2 9 Số BCD không nén 0000 0101b 0000 0010b 0000 1001b Số BCD nén 0101b 0010b 1001b • Mã hiển thị 7 đoạn (7-segment display code) Hình 1-6.LED 7 thanh và cách mã hóa 18 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 1 Vi xử lý - Vi điều khiển Tổng quan về vi xử lý – vi điều khiển • Các mã hệ đếm thông dụng Hệ 10 Hệ 2 Hệ 8 Hệ 16 Binary-Coded Decimal Gray Code 7-Segment 8421 BCD EXCESS-3 abcdefg Display 0 0000 0 0 0000 0011 0011 0000 111111 0 1 0001 1 1 0001 0011 0100 0001 011000 1 2 0010 2 2 0010 0011 0101 0011 110110 2 3 0011 3 3 0011 0011 0110 0010 111100 3 4 0100 4 4 0100 0011 0111 0110 011001 4 5 0101 5 5 0101 0011 1000 0111 101101 5 6 0110 6 6 0110 0011 1001 0101 101111 6 7 0111 7 7 0111 0011 1010 0100 111000 7 8 1000 10 8 1000 0011 1011 1100 111111 8 9 1001 11 9 1001 0011 1100 1101 111001 9 10 1010 12 A 0001 0000 0100 0011 1111 111110 A 11 1011 13 B 0001 0001 0100 0100 1110 001111 B 12 1100 14 C 0001 0010 0100 0101 1010 000110 C 13 1101 15 D 0001 0011 0100 0110 1011 011110 D 14 1110 16 E 0001 0100 0100 0111 1001 110111 E 15 1111 17 F 0001 0101 0100 1000 1000 100011 F Bảng 1-1. Giá trị tương ứng giữa các hệ số Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 19 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 1 Vi xử lý - Vi điều khiển Tổng quan về vi xử lý – vi điều khiển 1.3.2 Mã ký tự - Alphanumeric CODE (ASCII, EBCDIC) Hình 1-7. Bảng mã ASCII 20 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 1 Vi xử lý - Vi điều khiển Tổng quan về vi xử lý – vi điều khiển Hình 1-8. Bảng mã ASCII có cả ký tự trong phần mở rộng Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 21 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 1 Vi xử lý - Vi điều khiển Tổng quan về vi xử lý – vi điều khiển 1.3.3 Các phép toán số học trên hệ đếm nhị phân Phép cộng nhị phân Phép trừ nhị phân Vào Ra Vào Ra A B BIN D BOUT ABBIN D BOUT 0 0 0 0 0 000 0 0 0 0 1 1 0 001 1 1 0 1 0 1 0 010 1 1 0 1 1 0 1 011 0 1 1 0 0 1 0 100 1 0 1 0 1 0 1 101 0 0 1 1 0 0 1 110 0 0 1 1 1 1 1 111 1 1 Phép trừ nhị phân, chính là phép cộng nhị phân với số bù 2 của số trừ, trường hợp kết quả dương: Trường hợp kết quả âm: Phép nhân, phép chia, đề nghị sinh viên tự nghiên cứu. 22 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 CHƯƠNG 2. XHỌ VI Ử LÝ INTEL 80x86 Mục tiêu: Hiểu được cấu trúc phần cứng của hệ vi xử lý; hiểu và vận dụng được các chế độ địa chỉ; nắm được tập lệnh và lập trình cho hệ vi xử lý 80x86 Tóm tắt chương: • Cấu trúc phần cứng của bộ vi xử lý 8086 • Chế độ địa chỉ • Tập lệnh • Các mạch phụ trợ • Biểu đồ thời gian ghi/đọc • Lập trình hợp ngữ (Assembly) cho vi xử lý 80x86 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 23 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 2.1 Cấu trúc phần cứng của bộ vi xử lý 8086 2.1.1 Tổng quan Hình 2-1.Tổng quan về phần cứng bộ xử lý Control Unit (CU) tạo ra tất cả các tín hiệu điều khiển trong CPU. Nó khởi tạo các thanh ghi khi mở nguồn, tạo ra các tín hiệu để lấy lệnh cho ALU. Khối điều khiển có thể được thực hiện hoàn toàn bởi phần cứng (điều khiển cứng, ví dụ như sử dụng một bộ đếm trạng thái và một mảng logic khả lập triình) hay kết hợp giữa các lệnh phần mềm (vi lệnh được lưu trữ trong CPU) và phần cứng (bộ điều khiển vi chương trình. Cả hai họ vi xử lý Intel 8086 và Motorola 68000 đều sử dụng các bộ điều khiển vi chương trình. Registers – là các bộ nhớ nhỏ, nhanh, thường được sử dụng để lưu dữ liệu và địa chỉ gắn với (tương ứng với) các mã lệnh của chương trình. ALU thực hiện các phép toán số học và logic 2.1.2 Cấu trúc bên trong và sự hoạt động Trong sơ đồ khối “Hình 2-2.Sự hoạt động của CPU” ta thấy trong CPU 8086 có hai khối chính: khối phối ghép bus (bus interface unit, BIU) và khối thực hiện lệnh (execution unit, EU). Việc chia CPU thành hai phần đồng thời có liên hệ với nhau qua đệm lệnh làm tăng đáng kể tốc độ xử lý của CPU. Các bus bên trong CPU có nhiệm vụ chuyển tải tín hiệu của các khối khác. Trong số các bus có bus dữ liệu 16 bit của ALU, bus các tín hiệu điều khiển ở EU và bus trong của hệ thống ở BIU. Trước khi đi ra bus ngoài hoặc đi vào bus trong của bộ vi xử lý, các tín hiệu truyền trên bus thường được cho đi qua các bộ đệm để nâng cao tính tương thích cho nối ghép hoặc nâng cao khả năng phối ghép. 24 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 Hình 2-2.Sự hoạt động của CPU BIU có nhiệm vụ đưa ra địa chỉ, đọc mã lệnh từ bộ nhớ, đọc/ghi dữ liệu từ/vào cổng hoặc bộ nhớ. Bên trong BIU còn có bộ nhớ đệm lệnh (còn gọi là hàng đợi lệnh) dùng để chứa các lệnh đã đọc được nằm sẵn chờ EU xử lý. EU có nhiệm vụ cung cấp địa chỉ cho BIU để khối này đọc lệnh và dữ liệu, còn bản thân nó thì giải mã lệnh và thực hiện lệnh. Mã lệnh đọc vào từ bộ nhớ được đưa đến đầu vào của bộ giải mã (nằm trong khối điều khiển CU), các thông tin thu được từ đầu ra của bộ giải mã sẽ được đưa đến mạch tạo xung điều khiển để tạo ra các dãy xung khác nhau (tùy từng lệnh) điều khiển hoạt động của các bộ phận bên trong và bên ngoài CPU. Trong EU còn có khối tính toán số học và logic ALU dùng để thực hiện các thao tác khác nhau với các toán hạng của lệnh. 2.1.2.1 Sơ đồ khối bên trong của 8086 Đơn vị giao tiếp Bus (BIU) BIU bao gồm các thanh ghi đoạn (segment registers: CS, DS, SS, ES), con trỏ lệnh IP (instruction pointer) và bộ điều khiển logic bus (bus control logic, BCL). Đơn vị giao diện BIU còn có bộ nhớ đệm cho mã lệnh. Bộ nhớ này có chiều dài 4 byte (trong 8088) và 6 byte (trong 8086). Bộ nhớ đệm mã lệnh được nối với khối điều khển CB (control block) của đơn vị thực hiện lệnh EU. Bộ nhớ này lưu trữ tạm thời mã lệnh trong một dãy gọi là hàng đợi lệnh. Hàng đợi lệ nh cho phép bộ vi xử lý có khả năng xử lý xen kẽ liên tục dòng mã lệnh (pipelining). Hoạt động của bộ CPU được chia làm ba giai đoạn: đọc mã lệnh (operation code fetching), giải mã lệnh (decording) và thực hiện lệnh (execution). Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 25 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 BIU đưa ra địa chỉ, đọc mã lệnh từ bộ nhớ, đọc/ghi dữ liệu từ các cổng vào hoặc bộ nhớ. Nói cách khác BIU chịu trách nhiệm đưa địa chỉ ra bus và trao đổi dữ liệu với bus. Hình 2-3.Sơ đồ khối bên trong 8086 Đơn vị xử lý lệnh (EU) Trong EU có khối điều khiển (control unit, CU). Chính tại bên trong khối điều khiển này có mạch giải mã lệnh. Mã lệnh đọc vào từ bộ nhớ được đưa đến đầu vào của bộ giải mã, các thông tin thu được từ đầu ra của nó sẽ được đưa đến mạch tạo xung điều khiển, kết quả thu được là các dãy xung khác nhau tuỳ theo mã lệnh, để điều khiển hoạt động của các bộ phận bên trong và bên ngoài CPU. Trong EU có khối số học và lôgic (arithmatic and logic unit, ALU) chuyên thực hiện các phép tính số học và logic mã toán tử của nó nằm trong các thanh ghi đa năng. Kết quả thường được đặt về thanh ghi AX. Ngoài ra trong EU còn có các thanh ghi đa năng (registers: AX, BX, CX, DX, SP, BP, SI, DI), thanh ghi cờ FR (flag register). Tóm lại, khi CPU hoạt động EU sẽ cung cấp thông tin về địa chỉ cho BIU để khối này đọc lệnh và dữ liệu, còn bản thân nó thì giải mã và thực hiện lệnh. 26 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 Nhóm các thanh ghi Vi xử lý 8086 có tất cả 14 thanh ghi nội. Các thanh ghi này có thể phân nhóm như sau: - Thanh ghi dữ liệu (data register) - Thanh ghi chỉ số và con trỏ (index & pointer register) - Thanh ghi đoạn (segment register) - Thanh ghi cờ • Các thanh ghi dữ liệu Các thanh ghi dữ liệu gồm có các thanh ghi 16 bit AX, BX, CX và DX trong đó nửa cao và nửa thấp của mỗi thanh ghi có thể định địa chỉ một cách độc lập. Các nửa thanh ghi này (8 bit) có tên là AH và AL, BH và BL, CH và CL, DH và DL. Các thanh ghi này được sử dụng trong các phép toán số học và logic hay trong quá trình chuyển dữ liệu. Trong đó : AX (ACC – Accumulator): thanh ghi tích luỹ BX (Base): thanh ghi cơ sở CX (Count): đếm DX (Data): thanh ghi dữ liệu Ở “Bảng 2-1. Các thanh ghi” chỉ ra ứng dụng của các thanh ghi dữ liệu trong các phép toán như sau Thanh ghi Mục đích AX MUL, IMUL (toán hạng nguồn kích thước word) DIV, IDIV (toán hạng nguồn kích thước word) IN (nhập word) OUT (xuất word) CWD Các phép toán xử lý chuỗi (string) AL MUL, IMUL (toán hạng nguồn kích thước byte) DIV, IDIV (toán hạng nguồn kích thước byte) IN (nhập byte) OUT (xuất byte) XLAT AAA, AAD, AAM, AAS (các phép toán ASCII) CBW (đổi sang word) DAA, DAS (số thập phân) Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 27 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 Thanh ghi Mục đích Các phép toán xử lý chuỗi (string) AH MUL, IMUL (toán hạng nguồn kích thước byte) DIV, IDIV (toán hạng nguồn kích thước byte) CBW (đổi sang word) BX XLAT CX LOOP, LOOPE, LOOPNE Các phép toán string với tiếp dầu ngữ REP CL RCR, RCL, ROR, ROL (quay với số đếm byte) SHR, SAR, SAL (dịch với số đếm byte) CX MUL, IMUL (toán hạng nguồn kích thước word) DIV, IDIV (toán hạng nguồn kích thước word) Bảng 2-1. Các thanh ghi • Các thanh ghi chỉ số và con trỏ Bao gồm các thanh ghi 16 bit SP, BP, SI và DI, thường chứa các giá trị offset (độ lệch) cho các phần tử định địa chỉ trong một phân đoạn (segment). Chúng có thể được sử dụng trong các phép toán số học và logic. Hai thanh ghi con trỏ (SP – Stack Pointer và BP – Base Pointer) cho phép truy xuất dễ dàng đến các phần tử đang ở trong ngăn xếp (stack) hiện hành. Các thanh ghi chỉ số (SI – Source Index và DI – Destination Index) được dùng để truy xuất các phần tử trong các đoạn dữ liệu và đoạn thêm (extra segment). Thông th ường, các thanh ghi con trỏ liên hệ đến đoạn stack hiện hành và các thanh ghi chỉ số liên hệ đến doạn dữ liệu hiện hành. SI và DI dùng trong các phép toán chuỗi. • Các thanh ghi đoạn Bao gồm các thanh ghi 16 bit CS (Code segment), DS (Data segment), SS (stack segment) và ES (extra segment), dùng để định địa chỉ vùng nhớ 1 MB bằng cách chia thành 16 đoạn 64 KB. Tất cả các lệnh phải ở trong đoạn mã hiện hành, được định địa chỉ thông qua thanh ghi CS. Offset (độ lệch) của mã được xác định bằng thanh ghi IP. Dữ liệu chương trình thường được đặt ở đoạn dữ liệu, định vị thông qua thanh ghi DS. Stack định vị thông qua thanh ghi SS. Thanh ghi đoạn thêm có thể sử dụng để định địa chỉ các toán hạng, dữ liệu, bộ nhớ và các phần tử khác ngoài đoạn dữ liệu và stack hiện hành. Do Bus địa chỉ của vi xử lý 8086 có kích thước là 20 bit, nhưng các thanh ghi con trỏ và thanh ghi chỉ số chỉ rộng 16 bit nên không thể định địa chỉ cho toàn bộ nhớ vật lý của máy tính là (220B = 1.048.576B = 1Mbyte). Vì vậy trong chế độ thực (real mode) bộ nhớ được chia làm nhiều đoạn để một thanh ghi con trỏ 16 bit 28 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 có thể quản lý được. Các thanh ghi đoạn 16 bit sẽ chỉ ra địa chỉ đầu của 4 đoạn trong bộ nhớ, dung lượng lớn nhất của mỗi đoạn nhớ sẽ dài 216 = 64 Kbyte và tại một thời điểm nhất định bộ vi xử lý chỉ làm việc được với 4 đoạn nhớ 64Kbyte này. Việc thay đổi giá trị của các thanh ghi đoạn làm cho các đoạn có thể dịch chuyển linh hoạt trong không gian 1 Mbyte, vì vậy các đoạn có thể nằm cách nhau khi thông tin cần lưu trong chúng đòi hỏi dung lượng đủ 64 Kbyte hoặc cũng có thể nằm chồng nhau do có những đoạn không dùng hết độ dài 64 Kbyte và vì thế các đoạn khác có thể bắt đầu nối tiếp ngay sau đó. Địa chỉ của ô nhớ nằm ở đầu đoạn được ghi trong một thanh ghi đoạn 16 bit, địa chỉ này gọi là địa chỉ cơ sở. Mười sáu bit này tương ứng với các đường dây địa chỉ từ A4 đến A20. Như vậy giá trị vật lý của địa chỉ đoạn là giá trị trong thanh ghi đoạn dịch sang trái 4 vị trí. Điều này tương đương với phép nhân với 24 = 16. Địa chỉ của các ô nhớ khác nằm trong đoạn tính được bằng cách cộng thêm vào địa chỉ cơ sở một giá trị gọi là địa chỉ lệch hay độ lệch (offset), gọi như thế vì nó ứng với khoảng lệch của toạ độ một ô nhớ cụ thể nào đó so với ô đầu đoạn. Độ lệch này được xác định bởi các thanh ghi 16 bit khác đóng vai trò thanh ghi lệch (offset register). Nguyên tắc này dẫn đến công thức tính địa chỉ vật lý (physical address) từ địa chỉ đoạn (segment) trong thanh ghi đoạn và địa chỉ lệch (offset) trong thanh ghi con trỏ như sau: Địa chỉ vật lý = Thanh ghi đoạn x 16 + Thanh ghi lệch • Thanh ghi cờ Các cờ chỉ thị tình trạng của bộ vi xử lý cũng như điều khiển sự hoạt động của nó. Một thanh ghi cờ là 1 flip-flop mà nó chỉ thị một số tình trạng được tạo bởi việc thực thi 1 lệnh hay các hoạt động điều khiển cụ thể của EU. Thanh ghi cờ 16-bit trong EU có 9 cờ. - Các cờ điều kiện - conditional flags: Có 6 cờ được gọi là cờ điều kiện. Chúng được lập hay xoá là bởi EU, dựa trên kết quả của các phép toán số học. - Cờ điều khiển - control flags : 3 cờ còn lại trong thanh ghi cờ được sử dụng để điều khiển một số hoạt động của vi xử lý. Chúng được gọi là các cờ điều khiển. Bit pos 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Func x x x x OF DF IF TF SF ZF x AF x PF x CF - Carry Flag (CF)- set by carry out of MSB. - Parity Flag (PF)- set if result has even parity. - Auxiliary carry Flag (AF)- for BCD - Zero Flag (ZF)- set if results = 0 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 29 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 - Sign Flag (SF) = MSB of result - TF- single step trap flag - IF- interrupt enable flag - DF- string direction flag - Overflow Flag (OF)- overflow flag • Các cờ điều kiện - Cờ nhớ - Carry flag (CF) – Cờ này được đặt lên 1 khi tính toán một số không dấu bị tràn. Ví dụ khi cộng dạng byte: 255+1 (kết quả không nằm trong vùng 0 255). Khi không tràn, cờ này đặt bằng 0 - Cờ chẵn lẻ - parity flag (PF) – Cờ PF=1 khi số lượng bit “1” trong kết quả là chẵn, PF=0 khi số lượng bit “1” là lẻ. - Cờ nhớ phụ - auxiliary carry flag (AF)- có ý nghĩa quan trọng đối với phép cộng và phép trừ các số BCD; AF=1 khi nhóm 4 bit thấp (không dấu) tràn. Chỉ được sử dụng với lệnh thao tác với số BCD. - Cờ không - zero flag (ZF)- chỉ thị rằng kết qủa của phép toán số học hay logic là bằng 0. - Cờ dấu - sign flag (SF) - chỉ thị dấu số học của kết quả sau 1 phép toán số học. Nếu số là âm (MSB=1) thì SF=1 và ngược lại SF=0 khi MSB=0 - Cờ tràn - overflow flag (OF)- Cờ tràn OF=1 khi tính toán tràn số âm. Ví dụ khi tính bới 2 byte: 100+50 (kết quả ngoài khoảng -128 127) • Các cờ điều khiển Các cờ điều khiển được lập hay xoá thông qua các lệnh đặc biệt trong chương trình người dùng. Ba cờ điều khiển là: - Cờ bẫy - trap flag (TF) – Khi cờ TF=1, CPU sẽ chờ ngắt từ thiết bị ngoài. - Cờ ngắt - interrupt flag (IF) - được sử dụng để cho phép hay cấm ngắt của các chương trình; - Cờ hướng - direction flag (DF) ợ- đư c sử dụng với các lệnh chuỗi, mảng dữ liệu, nếu DF=0 thực thi theo hướng tiến, DF=1 thự thi theo hướng lùi. Không có lệnh riêng để lập cờ TF. 30 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 2.1.3 Mô tả chức năng các chân Hình 2-4. Sơ đồ chân 8086/8088 8088 và 8086 là gần tương tự như nhau, chỉ khác ở chỗ 8088 có 8bit dữ liệu còn 8086 có 16 bit dữ liệu ngoài. Cả 2 bộ xử lý đều có: - Độ rộng bus dữ liệu nội là 16 bit - 20 đường địa chỉ (16 address/data + 4 address/status), cho phép địa chỉ hoá không gian bộ nhớ tối đa là 1Mbyte ở chế độ dồn kênh address/data pins (8088 only multiplexes 8 pins) - 2 chế độ hoạt động (maximum và minimum mode) - Cùng 1 tập lệnh 2.2 Chế độ địa chỉ 2.2.1 Khái niệm chế độ địa chỉ Trước khi đi vào các chế độ địa chỉ của Vi xử lý 8086 ta nói qua về cách mã hoá lệnh trong vi xử lý 8086. Lệnh của bộ vi xử lý được ghi bằng các ký tự dưới dạng gợi nhớ để người sử dụng dễ nhận biết. Đối với bản thân bộ vi xử lý thì lệnh cho nó được mã hoá dưới dạng các số 0 và 1 (còn gọi là mã máy) vì đó là dạng biểu diễn thông tin duy nhất mà máy có thể hiểu được. Vì lệnh cho bộ vi xử lý được cho dưới dạng mã nên sau khi nhận lệnh, bộ vi xử lý phải thực hiện giải mã lệnh rồi sau đó mới thực hiện lệnh Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 31 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 Một lệnh có thể có độ dài một vài byte tuỳ theo bộ vi xử lý. Đối với vi xử lý 8086 một lệnh có độ dài từ 1 đến 6 byte. Ta sẽ dùng lệnh MOV để giải thích cách ghi lệnh nói chung của 8086. Byte 1 Byte 2 Byte 3 Byte 4 100010 DispL DispH Opcode DWMODREG R/M HoÆc Disp: Displacement (dÞch chuyÓn) §Þa chØ trùc tiÕp §Þa chØ trùc tiÕp phÇn thÊp phÇn cao Dạng thức các byte mã lệnh của lệnh MOV Từ đây ta thấy để mã hoá lệnh MOV cần ít nhất 2 byte. Trong đó 6 bit đầu dùng để chứa mã lệnh, 6 bit này luôn là 100010. đối với các thanh ghi đoạn thì điều này lại khác. Bit W dùng để chỉ ra rằng một byte (W=0) hoặc một từ (W=1) sẽ được chuyền đi. Trong thao tác chuyển dữ liệu, một toán hạng luôn bắt buộc phải là thanh ghi. Bộ vi xử lý sử dụng 2 hoặc 3 bit (REG) để mã hoá các thanh ghi trong CPU như sau: Thanh ghi Mã Thanh ghi đoạn Mã W = 1 W = 0 CS 01 AX AL 000 DS 11 BX BL 011 ES 00 CX CL 001 SS 10 DX DL 010 SP AH 100 DI BH 111 BP CH 101 SI DH 110 Bit D là hướng đi của dữ liệu. D = 1 thì dữ liệu đến thanh ghi, D = 0 thì dữ liệu đi ra từ thanh ghi. Hai bit MOD (chế độ) cùng với ba bit R/M (thanh ghi/bộ nhớ) tạo ra 5 bit dùng để chỉ ra chế độ địa chỉ cho các toán hạng của lệnh. Bảng 2.2 cho ta thấy cách mã hoá các chế độ địa chỉ. MOD 00 01 10 11 R/M W=0 W=1 000 [BX+SI] [BX+SI]+d8 [BX+SI]+d16 AL AX 001 [BX+DI] [BX+DI]+d8 [BX+DI]+d16 CL CX 010 [BP+SI] [BP+SI]+d8 [BP+SI]+d16 DL DX 011 [BP+DI] [BP+DI]+d8 [BP+DI]+d16 BL BX 32 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 MOD 00 01 10 11 R/M W=0 W=1 100 [SI] [SI]+d8 [SI]+d16 AH SP 101 [DI] [DI]+d8 [DI]+d16 CH BP 110 D16(đ/c trực tiếp) [BP]+d8 [BP]+d16 DH SI 111 [BX] [BX]+d8 [BX]+d16 BH DI Bảng 2-2.Phối hợp MOD và R/M để tạo ra các chế độ địa chỉ Ví dụ 1: MOV CL, [BX] Byte 1 Byte 2 10 0 0 1 0 1000001111 Opcode DW MOD REG R/M Mã lệnh MOV: 100010 D = 1: Chuyển tới thanh ghi W = 0: Chuyển 1 byte MOD: ở chế độ 00 và R/M là 111 REG: 001 mã hoá CL Ví dụ 2: MOV AH, 2Ah Byte 1 Byte 2 Byte 3 10 0 0 1 0 1000100110010 0 100 1 Opcode DW MOD REG R/M 2Ah Mã lệnh MOV: 100010 D = 1: Chuyển tới thanh ghi W = 0: Chuyển 1 byte MOD: ởỷ chế độ 00 và R/M là 110: Địa chỉ trực tiếp REG: 100 mã hoá AH 2Ah = 00101010 dữ liệu cần chuyển tới AH Ví dụ 3: MOV CX, [BX][SI]+DATA DATA là một biến trong bộ nhớ, đó là địa chỉ lệch và là một hằng (ví dụ như 0BFF). Lệnh này sẽ sử dụng 4 byte tổ chức như sau: Byte 1 Byte 2 Byte 3 Byte 4 1000101 1 1 0 0 0 1 0 0 0 111 11111 000 0 1 01 1 Opcode D W MOD REG R/M FFh 0Bh Mã lệnh MOV: 100010 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 33 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 D = 1: Chuyển tới thanh ghi W =1: Chuyển 1 Word MOD: ở chế độ 10 (offset 16 bit) và R/M là 000 (sử dụng thanh ghi cơ sở BX và thanh ghi chỉ số SI). REG: 001 mã hoá thanh ghi CX. Như vậy trong ký hiệu nhị phân và hexa ta có. Byte 1 Byte 2 Byte 3 Byte 4 10001011 10001000 11111111 00001011 8Bh 88h FFh 0Bh 2.2.2 Các chế độ địa chỉ Chế độ địa chỉ (addressing mode) là cách để CPU tìm thấy toán hạng cho các lệnh của nó khi hoạt động. Một bộ vi xử lý có thể có nhiều chế độ địa chỉ. Các chế độ địa chỉ này được xác định ngay từ khi chế tạo và không thể thay đổi được. Bộ vi xử lý 8086/8088 có 9 chế độ địa chỉ sau: - Chế độ địa chỉ thanh ghi. - Chế độ địa chỉ tức thì. - Chế độ địa chỉ trực tiếp. - Chế độ địa chỉ gián tiếp qua thanh ghi. - Chế độ địa chỉ tương đối cơ sở. - Chế độ địa chỉ tương đối chỉ số. - Chế độ địa chỉ tương đối cơ sở chỉ số. - Chế độ địa chỉ chuỗi (String) – mảng. - Chế độ địa chỉ cổng (Port). - Chế độ địa chỉ khác. CHẾ ĐỘ ĐỊA CHỈ THANH GHI Trong chế độ địa chỉ này người ta sử dụng các thanh ghi có sẵn trong CPU như là các toán hạng để chứa dữ liệu cần thao tác, vì vậy khi thực hiện có thể đạt tốc độ truy nhập cao hơn so với các lệnh truy nhập đến bộ nhớ. Ví dụ: MOV BX, DX ;copy noi dung DX vao BX ADD AX, BX ;AX=AX+BX CHẾ ĐỘ ĐỊA CHỈ TỨC THÌ Trong chế độ này toán hạng đích là một thanh ghi hay một ô nhớ, còn toán hạng nguồn là một hằng số. Ta có thể dùng chế độ địa chỉ này để nạp dữ liệu cần thao tác vào bất kỳ thanh ghi nào (trừ thanh ghi đoạn và thanh ghi cờ) và bất kỳ ô nhớ nào trong đoạn dữ liệu DS. 34 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 Ví dụ: MOV CL, 100 ;chuyen 100 vao CL. MOV AX, 0BC8h ;chuyen 0BC8h vao AX de roi MOV DS, AX ;copy noi dung AX vao DS (vi ;khong duoc chuyen truc tiep vao thanh ghi doan). MOV [BX], 20 ;chuyen 20 vao o nho tai dia chi DS:BX. CHẾ ĐỘ ĐỊA CHỈ TRỰC TIẾP Trong chế độ địa chỉ này một toán hạng chứa địa chỉ lệch của ô nhớ dùng chứa dữ liệu, còn toán hạng kia có thể là thanh ghi mà không được là ô nhớ. Ví dụ: MOV AL, [0243H];chuyen noi dung o nho DS:0243 vao AL MOV [4320], CX ;chuyen noi dung CX vao hai o nho ;lien tiep DS:4320 va DS:4321 CHẾ ĐỘ ĐỊA CHỈ GIÁN TIẾP QUA THANH GHI Trong chế độ địa chỉ này một toán hạng là một thanh ghi được sử dụng để chứa địa chỉ lệch của ô nhớ dữ liệu, còn toán hạng kia chỉ có thể là thanh ghi mà không được là ô nhớ. Ví dụ: MOV AL, [BX] ;copy noi dung o nho co dia chi DS:BX MOV [SI], CL ;copy noi dung CL vao o nho co dia ch ;DS:SI MOV [DI], AX ;copy noi dung AX vao hai o nho lien ;tiep co dia chi DS:DI va DS:(DI+1) CHẾ ĐỘ ĐỊA CHỈ TƯƠNG ĐỐI CƠ SỞ Trong chế độ địa chỉ này các thanh ghi cơ sở như BX và BP và các hằng số biểu diễn các giá trị dịch chuyển được dùng để tính địa chỉ hiệu dụng của toán hạng trong các vùng nhớ DS và SS. Ví dụ: MOV CX, [BX]+10 ;copy noi dung hai o nho lien tiep ;co dia chi DS:BX+10 va DS:BX+11 ;vao CX MOV CX, [BX+10] ;cach viet khac cua lenh tren MOV CX, 10+[BX] ;cach viet khac cua lenh tren MOV AL, [BP]+5 ;chuyen noi dung o nho co dia chi ;SS:BP+5 vao AL Quan sát trên ta thấy: 10 và 5 là các dịch chuyển của các toán hạng tương ứng. BX+10, BP+5 gọi là địa chỉ hiệu dụng. DS:BX+10, SS:BP+5 chính là địa chỉ logic ứng với địa chỉ vật lý. CHẾ ĐỘ ĐỊA CHỈ TƯƠNG ĐỐI CHỈ SỐ Trong chế độ địa chỉ này các thanh ghi chỉ số như SI và DI và các hằng số biểu diễn các giá trị dịch chuyển được dùng để tính địa chỉ hiệu dụng của toán hạng trong các vùng nhớ DS. Ví dụ Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 35 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 MOV CX, [SI]+10 ;copy noi dung hai o nho lien tiep ;co dia chi DS:SI+10 va DS:SI+11 vao CX MOV CX, [SI +10] ;cach viet khac cua lenh tren MOV CX, 10+[SI] ;cach viet khac cua lenh tren MOV AL, [DI]+5 ;chuyen noi dung o nho co dia chi ;DS:DI+5 vao AL CHẾ ĐỘ ĐỊA CHỈ TƯƠNG ĐỐI CHỈ SỐ CƠ SỞ Kết hợp hai chế độ địa chỉ chỉ số và cơ sở ta có chế độ địa chỉ chỉ số cơ sở. Trong chế độ này ta dùng cả hai thanh ghi cơ sở lẫn thanh ghi chỉ số để tính địa chỉ của toán hạng. Nếu ta dùng thêm cả thành phần biểu diễn sự dịch chuyển của địa chỉ thì ta có chế độ địa chỉ tổng hợp nhất: Chế độ địa chỉ tương đối chỉ số cơ sở. Ví dụ: MOV BX, [BX]+[SI]+10 ;chuyen noi dung hai o nho ;lien tiep co dia chi DS:BX+SI+10 va DS:BX+SI+11 vao CX MOV AL, [BP+DI+5] ;copy nội dung ô thứ: DS:BP+DI+5 vao AL Các chế độ địa chỉ đã trình bày ở trên có thể tóm tắt lại trong bảng sau: Chế độ địa chỉ Toán hạng Thanh ghi đoạn ngầm định Thanh ghi Reg Tức thì Data Trực tiếp [offset] DS [BX] DS Gián tiếp qua thanh ghi [SI] DS [DI] DS [BX]+Disp DS Tương đối cơ sở [BP]+Disp SS [DI]+Disp DS Tương đối chỉ số [SI]+Disp DS [BX]+[DI]+Disp DS [BX]+[SI]+Disp DS Tương đối chỉ số cơ sở [BP]+[DI]+Disp SS [BP]+[SI]+Disp SS Bảng 2-3. Các chế độ địa chỉ Chú ý: Reg: Thanh ghi, Data: Dữ liệu tức thì, Disp: Dịch chuyển. CHẾ ĐỘ ĐỊA CHỈ CHUỖI (STRING) – MẢNG Một chuỗi (string) là một dãy các byte hoặc word liên tiếp trong bộ nhớ. Các lệnh thao tác với chuỗi không sử dụng bất kỳ một chế độ địa chỉ nào ở trên. Một chuỗi có thể có độ dài tối đa lên tới 64K-bytes (một segments). Chế độ địa chỉ chuỗi sử dụng các thanh ghi SI, DI, DS và ES. Với tất cả các lệnh thao tác chuỗi đều sử dụng SI để trỏ vào byte đầu tiên của chuỗi nguồn và DI trỏ vào byte đầu tiên của chuỗi đích. 36 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 Ví dụ: Giả sử: DS=1000h, ES=2000h, SI=10h, DI=20h) MOVSB ;Sao chép chuỗi từ 10010h đến 20020h CHẾ ĐỘ ĐỊA CHỈ CỔNG (PORT) Trong họ vi xử lý 80x86 của Intel có không gian địa chỉ cho bộ nhớ và cổng vào/ra là tách biệt nhau. Không gian địa chỉ cổng có thể lên đến 65536 cổng (64K- ports). Địa chỉ của một cổng có thể được xác định bởi một hằng giá trị kiểu byte (phạm vi = 0 255) Ví dụ: IN AL, 40h ;Đọc cổng – sao chép nội dung tại ;cổng có địa chỉ 40h và thanh ghi AL OUT 80h, AL ;Ghi cổng – gửi dữ liệu trong thanh ;ghi AL tới cổng có địa chỉ 80h Địa chỉ của cổng cũng có thể được xác định gián tiếp qua thanh ghi (Khi này phạm vi tối đã sẽ là 65536 cổng). Ví dụ: IN AL, DX ;Đọc cổng có địa chỉ là nội dung của ;thanh ghi DX OUT DX, AX ;Ghi một word trong AX tới cổng có địa ;chỉ là nội dung của thanh ghi DX. 2.3 Tập lệnh Assembly 2.3.1 Giới thiệu chung Tập lệnh của họ vi xử lý 80x86 đảm bảo tương thích thế hệ sau với thế hệ trước. điều đó có nghĩa là các chương trình viết cho 8086 vẫn chạy được trên các bộ vi xử lý mới hơn mà không phải thay đổi (không đảm bảo thứ tự ngược lại). Tập lệnh của một bộ vi xử lý thường có rất nhiều lệnh (hàng trăm lệnh), vì thế mà việc tiếp cận và làm chủ chúng là trương đối khó khăn. Có nhiều cách trình bày tập lệnh của bộ vi xử lý: Trình bày theo nhóm lệnh hoặc theo thứ tự abc. Để có thể nhanh chóng và dễ dàng sử dụng các lệnh cơ bản và lập trình được ngay, ta sẽ tiếp cận tập lệnh của bộ vi xử lý theo nhóm các thao tác cơ bản trong quá trình xử lý và điều khiển. Với mỗi thao tác nói trên, ta làm quen với một vài lệnh tiêu biểu (độc giả có thể tra cứu thêm các lệnh khác trong phần phụ lục). Các chức năng cơ bản của một bộ vi xử lý thường gồm: - Nhóm các lệnh vận chuyển (sao chép) dữ liệu. - Nhóm các lệnh tính toán số học. - Nhóm các lệnh tính toán logic. - Nhóm các lệnh dịch, quay toán hạng. - Nhóm các lệnh nhảy (rẽ nhánh). Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 37 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 - Nhóm các lệnh lặp. - Nhóm các lệnh điều khiển, đặc biệt khác. 2.3.2 Các nhóm lệnh 2.3.2.1 Nhóm các lệnh vận chuyển (sao chép) dữ liệu 1. MOV – MOV a byte or word (chuyển một byte hay từ) Dạng lệnh: MOV Đích, Nguồn Mô tả: Đích←Nguồn Trong đó toán hạng đích và Nguồn có thể tìm được theo các chế độ địa chỉ khác nhau, nhưng phải có cùng độ dài và không được phép đồng thời là hai ô nhớ hoặc hai thanh ghi đoạn. Các cờ bị thay đổi: không. Ví dụ: MOV AL, AH ;AL←AH MOV CX, 50 ;CX←50 MOV DL, [SI] ;DL←{DS:SI} 2. OUT – Output a byte or a work to a port. Dạng lệnh: OUT Port, Acc Mô tả: Acc→{Port} Trong đó {port} là dữ liệu của cổng có địa chỉ port. Port là địa chỉ 8 bit của cổng, nó có thể là các giá trị trong khoảng 00 FFH. Như vậy có thể có các khả năng sau đây. - Nếu Acc là AL thì dữ liệu 8 bit được đưa ra cổng Port. - Nếu Acc là AX thì dữ liệu 16 bit được đưa ra cổng Port và Port + 1. Có một cách khác để chứa địa chỉ cổng là thông qua thanh ghi DX. Khi dùng thanh ghi DX để chứa địa chỉ cổng ta có khả năng địa chỉ hoá cổng mềm dẻo hơn. Lúc này địa chỉ cổng nằm trong dải 0000H FFFFH và viết lệnh theo dạng: OUT DX, Acc Các cờ bị thay đổi: không. Ví dụ: OUT 45H, AL ;dua du lieu tu AL ra cong 45H MOV DX, 0 ;xoa DX MOV DX, 00FFH ;nap dia chi cong vao DX OUT DX, AX ;dua du lieu tu AX ra 00FFH 3. IN – Input data from a port (đọc dữ liệu từ cổng vào thanh ghi Acc). Dạng lệnh: IN Acc, địa_chỉ_cổng 38 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 Lệnh IN truyền một byte hoặc một từ từ một cổng vào lần lượt tới thanh ghi AL hoặc AX. Địa chỉ của cổng có thể được xác định là một hằng tức thì kiểu byte cho phép truy nhập các cổng từ 0 255 hoặc thông qua một số đã được đưa ra trước đó trong thanh ghi DX mà cho phép truy nhập các cổng từ 0 65535. Các cờ bị thay đổi: không. Ví dụ: IN AL, 45H ;doc mot byte tu mot cong duoc xac ;dinh trong che do tuc thi IN AX, 0046H ;doc hai byte tu mot cong duoc xac ;dinh trong che do tuc thi IN AX, DX ;doc mot tu tu mot cong dang bien 4. POP – Pop word from top of Stack (lấy lại 1 từ vào thanh ghi từ đỉnh ngăn xếp) Dạng lệnh: POP Đích Mô tả: Đích←{SP} SP←SP+2 Toán hạng đích đích có thể là các thanh ghi đa năng, thanh ghi đoạn (nhưng không được là thanh ghi đoạn mã CS) hoặc ô nhớ. Các cờ bị thay đổi: không. Ví dụ: POP DX ;lay 2 byte tu dinh ngan xep dua vao DX 5. PUSH – Push word on the Stack (cất 1 từ vào ngăn xếp) Dạng lệnh: PUSH Nguồn Mô tả: SP←SP-2 Nguồn→{SP} Toán hạng đích đích có thể là các thanh ghi đa năng, thanh ghi đoạn(kể cả CS) hoặc ô nhớ. Các cờ bị thay đổi: không. Ví dụ: PUSH BX ;cat BX vao ngan xep tai vi tri do SP chi ra 2.3.2.2 Nhóm các lệnh tính toán số học 6. ADC – Add with Carry (cộng có nhớ) Dạng lệnh: ADC Đích, Nguồn Mô tả: Đích ← Đích + Nguồn + CF Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 39 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 Cộng hai toán hạng Đích và Nguồn với cờ CF kết quả lưu vào Đích. Các cờ bị thay đổi: AF, CF, OF, PF, SF, ZF. Ví dụ: ADC AL, 74H ;AL←AL+74+CF ADC CL, BL ;CL←CL+BL+CF ADC DL, [SI] ;DL←DL+(DS:SI)+CF 7. ADD – Add (cộng hai toán hạng) Dạng lệnh: ADD Đích, Nguồn Mô tả: Đích ← Đích + Nguồn Cộng hai toán hạng đích và Nguồn kết quả lưu vào đích. Các cờ bị thay đổi: AF, CF, OF, PF, SF, ZF. Ví dụ: ADD DX, CX ;DX←DX+CX ADD AX, 400 ;AX←AX+400 8. DEC – Decrement (giảm byte hay word đi một giá trị) Dạng lệnh: DEC Đích DEC trừ toán hạng Đích đi 1. Toán hạng Đích có thể là byte hay word. Các cờ bị thay đổi: AF, OF, PF, SF, ZF. Ví dụ: MOV BX, 1200H ;chuyen 1200H vao BX DEC BX ;BX=11FFH 9. DIV – Division (chia không dấu) Dạng lệnh: DIV Nguồn Toán hạng Nguồn là số chia. Tuỳ theo độ dài toán hạng Nguồn ta có hai trường hợp bố trí phép chia. - Nếu Nguồn là là số 8 bit: AX/Nguồn, thương để vào AL, số dư để vào AH - Nếu Nguồn là số 16 bit: DXAX/Nguồn, thương để vào AX, số dư để vào DX Nếu thương không phải là số nguyên nó được làm tròn theo số nguyên sát dưới. Nếu Nguồn bằng 0 hoặc thương thu được lớn hơn FFH hoặc FFFFH (tuỳ theo độ dài của toán hạng Nguồn) thì 8086 thực hiện lệnh ngắt INT 0. Các cờ bị thay đổi: không. Ví dụ: MOV AX, 0033H ;chuyen 0033H vao AX MOV BL, 25 DIV BL ;AL=02H va AH=01H 10. INC – Increment (tăng toán hạng lên 1) Dạng lệnh: INC đích 40 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 Mô tả: Đích ← Đích + 1 Lệnh này tăng đích lên 1, tương đương với việc ADD đích, 1 nhưng chạy nhanh hơn. Các cờ bị thay đổi: AF, OF, PF, SF, ZF. Ví dụ: INC AL INC BX 11. MUL – Multiply unsigned byte or word (nhân số không dấu) Dạng lệnh: MUL Nguồn Thực hiện phép nhân không dấu với toán hạng Nguồn (ô nhớ hoặc thanh ghi) với thanh ghi tổng. - Nếu Nguồn là số 8 bit: AL*Nguồn. Số bị nhân phải là số 8 bit đặt trong AL, sau khi nhân tích lưu vào AX - Nếu Nguồn là số 16 bit: AX*Nguồn. Số bị nhân phải là số 16 bit đặt trong AX, sau khi nhân tích lưu vào DXAX. Nếu byte cao (hoặc 16 bit cao) của 16 (hoặc 32) bit kết quả chứa 0 thì CF=OF=0. Các cờ bị thay đổi: CF, OF. Ví dụ: MUL CX ;AXxCX → DXAX MUL BL ;ALxBL → AX 12. NEG – Negation (lấy bù hai của một toán hạng, đảo dấu của một toán hạng). Dạng lệnh: NEG Đích Mô tả: Đích←0-Đích NEG lấy 0 trừ cho đích (có thể là 1 byte hoặc 1 từ) và trả lại kết quả cho toán hạng đích, nếu ta lấy bù hai của -128 hoặc -32768 ta sẽ được kết quả không đổi nhưng OF=1 để báo là kết quả bị tràn vì số dương lớn nhất biểuợ diễn đư c là +127 và +32767. Các cờ bị thay đổi: AF, CF, OF, PF, SF, ZF Ví dụ: NEG AL ;AL←0-(AL) 13. SUB – Substract (trừ hai toán hạng) Dạng lệnh: SUB Đích, Nguồn Mô tả: Đích←Đích - Nguồn Toán hạng đích vào Nguồn phải chứa cùng một loại dữ liệu và không được đồng thời là hai ô nhớ, cũng không được là thanh ghi đoạn. Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 41 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 Các cờ bị thay đổi: AF, CF, OF, PF, SF, ZF. Ví dụ: SUB AL, 78H ;AL←AL-78H SUB BL, CL ;BL←BL-CL SUB DL, [SI] ;DL←DL-{DS:SI} 2.3.2.3 Nhóm các lệnh tính toán logic 14. AND (phép và logic) Dạng lệnh: AND Đích, Nguồn Mô tả: Đích ← Đích ^ Nguồn Thực hiện phép và logic hai toán hạng và lưu kết quả vào toán hạng đích. Người ta thường sử dụng để che đi/giữ lại một vài bit nào đó của một toán hạng bằng cách nhân logic toán hạng đó với toán hạng tức thì có các bit 0/1 ở các vị trí cần che đi/giữ lại tương ứng. Các cờ bị thay đổi: CF, OF, PF, SF, ZF. Ví dụ: AND DX, CX ;DX←DX AND CX theo tung bit AND AL, 0FH ;che 4 bit cao cua AL 15. NOT – Logical Negation (phủ định logic) Dạng lệnh: NOT Đích NOT đảo các giá trị của các bit của toán hạng đích. Các cờ bị thay đổi: không. Ví dụ: MOV AL, 02H ;AL=(0000 0010)B NOT AL ;AL=(1111 1101)B 16. OR – Logic OR (phép hoặc logic) Dạng lệnh: OR Đích, Nguồn Mô tả: Đích = Đích ∨ Nguồn Toán hạng Đích và Nguồn phải chứa dữ liệu cùng độ dài và không được phép đồng thời là hai ô nhớ và cũng không được là thanh ghi đoạn. Phép OR thường dùng để lập một vài bit nào đó của toán hạng bằng cách cộng logic toán hạng đó với các toán hạng tức thời có các bit 1 tại vị trí tương ứng cần thiết lập. Các cờ bị thay đổi: CF, OF, PF, SF, ZF. Ví dụ: OR AX, BX ;AX←AX∨BX theo tung bit OR CL, 30H ;lap bit b4 va b5 cua CL len 1 42 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 2.3.2.4 Nhóm các lệnh dịch, quay toán hạng 17. RCL – Rotate though CF to the Left (quay trái thông qua cờ nhớ) Dạng lệnh: RCL Đích, CL Mô tả: CF MSB LSB Lệnh này để quay toán hạng sang trái thông qua cờ CF, CL phải được chứa sẵn số lần quay. Trong trường hợp quay 1 lần có thể viết RCL Đích, 1 Nếu số lần quay là 9 thì toán hạng không đổi vì cặp CF và toán hạng quay đúng một vòng (nếu toán hạng đích là 8 bit). Sau lệnh RCL cờ CF mang giá trị cũ của MSB, còn cờ OF←1 nếu sau khi quay 1 lần mà bit MSB bị thay đổi so với trước khi quay, cờ OF sẽ không được xác định sau nhiều lần quay. Các cờ bị thay đổi: CF, OF, SF, ZF, PF. Ví dụ: MOV CL, 3 ;so lan quay la 3 RCL AL, CL Trước khi thực hiện lệnh: AL = 01011110, CF = 0. Sau khi thực hiện lệnh: AL = 11110001, CF = 0. 18. RCR – Rotate though CF to the Right (quay phải thông qua cờ nhớ) Dạng lệnh: RCR Đích, CL Mô tả: CF MSB LSB Lệnh này để quay toán hạng sang phải thông qua cờ CF, CL phải được chứa sẵn số lần quay. Trong trường hợp quay 1 lần có thể viết RCR Đích, 1 Nếu số lần quay là 9 thì toán hạng không đổi vì cặp CF và toán hạng quay đúng một vòng (nếu toán hạng đích là 8 bit). Sau lệnh RCR cờ CF mang giá trị cũ của LSB, còn cờ OF←1 nếu sau khi quay 1 lần mà bit MSB bị thay đổi so với trước khi quay, cờ OF sẽ không được xác định sau nhiều lần quay. Các cờ bị thay đổi: CF, OF, SF, ZF, PF. Ví dụ: MOV CL, 2 ;so lan quay la 2 RCR AL, CL Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 43 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 Trước khi thực hiện lệnh: AL = 11000010, CF = 1. Sau khi thực hiện lệnh: AL = 01110000, CF = 1. 19. ROL – Rotate all bit to the Left (quay vòng sang trái). Dạng lệnh: ROL Đích, CL. Mô tả: CF MSB LSB Lệnh này dùng để quay vòng toán hạng sang trái, MSB được đưa sang cờ CF và LSB. CL phải chứa sẵn số lần quay mong muốn. Trong trường hợp quay 1 lần có thể viết ROL Đích, 1. Nếu số lần quay là 8 (CL=8) thì toán hạng không đổi vì toán hạng quay đúng một vòng (nếu toán hạng đích là 8 bit), còn nếu CL=4 thì 4 bit cao đổi chỗ cho 4 bit thấp. Sau lệnh ROL cờ CF mang giá trị cũ của MSB, còn cờ OF←1 nếu sau khi quay 1 lần mà bit MSB bị thay đổi so với trước khi quay, cờ OF sẽ không được xác định sau nhiều lần quay. Lệnh này thường dùng để tạo cờ CF từ giá trị của MSB làm điều kiện cho lệnh nhảy có điều kiện. Các cờ bị thay đổi: CF, OF, SF, ZF, PF. Ví dụ: MOV CL, 2 ;so lan quay la 2 ROL AL, CL Trước khi thực hiện lệnh: AL = 11001100, CF = 1 Sau khi thực hiện lệnh: AL = 00110011, CF = 1 20. ROR – Rotate all bit to the Left (quay vòng sang phải). Dạng lệnh: ROR Đích, CL Mô tả: MSB LSB CF Lệnh này dùng để quay vòng toán hạng sang phải, LSB được đưa sang cờ CF và MSB. CL phải chứa sẵn số lần quay mong muốn. Trong trường hợp quay 1 lần có thể viết ROR Đích, 1. Nếu số lần quay là 8 (CL=8) thì toán hạng không đổi vì toán hạng quay đúng một vòng (nếu toán hạng đích là 8 bit), còn nếu CL=4 thì 4 bit cao đổi chỗ cho 4 bit thấp. Sau lệnh ROR cờ CF mang giá trị cũ của LSB, còn cờ OF←1 nếu sau khi quay 1 lần mà bit MSB bị thay đổi so với trước khi quay, cờ OF sẽ không được 44 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 xác định sau nhiều lần quay. Lệnh này thường dùng để tạo cờ CF từ giá trị của LSB làm điều kiện cho lệnh nhảy có điều kiện. Các cờ bị thay đổi: CF, OF, SF, ZF, PF. Ví dụ: MOV CL, 2 ;so lan quay la 2 ROR AL, CL Trước khi thực hiện lệnh: AL = 11001100, CF = 0 Sau khi thực hiện lệnh: AL = 00110011, CF = 0 21. SAL/SHL - Shift Arithmetically Left (dịch trái số học)/Shift Logically Left (dịch trái logic). Dạng lệnh: SAL Đích, CL SHL Đích, CL Mô tả: CF MSB LSB 0 Hai lệnh này có tác dụng dịch trái số học toán hạng (còn gọi là dịch trái logic). Mỗi lần dịch MSB được đưa vào CF còn 0 được đưa vào LSB. CL phải chứa sẵn số lần quay mong muốn. Trong trường hợp quay 1 lần có thể viết SAL Đích, 1 Sau lệnh SAL hoặc SHL cờ CF mang giá trị cũ của MSB, còn cờ OF←1 nếu sau khi quay 1 lần mà bit MSB bị thay đổi so với trước khi quay, cờ OF sẽ không được xác định sau nhiều lần quay. Lệnh này thường dùng để tạo cờ CF từ giá trị của MSB làm điều kiện cho lệnh nhảy có điều kiện. Các cờ bị thay đổi: SF, ZF, CF, OF, PF. Ví dụ: MOV CL, 2 ;so lan quay la 2 SAL AL, CL Trước khi thực hiện lệnh: AL = 11001100, CF = 0 Sau khi thực hiện lệnh: AL = 00110000, CF = 1 22. SHR – Shift logically Right (dịch phải logic) Dạng lệnh: SHR Đích, CL Mô tả: 0 MSB LSB CF Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 45 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 Lệnh này có tác dụng dịch phải logic toán hạng. Mỗi lần dịch LSB được đưa vào CF còn 0 được đưa vào MSB. CL phải chứa sẵn số lần quay mong muốn. Trong trường hợp quay 1 lần có thể viết SHR Đích, 1 Sau lệnh SHR cờ CF mang giá trị cũ của LSB, còn cờ OF←1 nếu sau khi quay 1 lần mà bit MSB bị thay đổi so với trước khi quay, cờ OF sẽ không được xác định sau nhiều lần quay. Lệnh này thường dùng để tạo cờ CF từ giá trị của LSB làm điều kiện cho lệnh nhảy có điều kiện. Các cờ bị thay đổi: SF, ZF, CF, OF, PF. Ví dụ: MOV CL, 2 ;so lan quay la 2 SHR AL, CL Trước khi thực hiện lệnh: AL = 11001100, CF = 1 Sau khi thực hiện lệnh: AL = 00110011, CF = 0 23. XOR – Exclusive OR (lệnh logic XOR (hoặc đảo)). Dạng lệnh: XOR Đích, Nguồn Mô tả: Đích←Đích⊕Nguồn. Lệnh XOR thực hiện logic XOR (hoặc đảo) giữa hai toán hạng và kết quả được lưu vào trong đích, một bit kết quả được đặt bằng 1 nếu nếu các bit tương ứng hai toán hạng là đối nhau. Nếu toán hạng đ ích trùng toán hạng Nguồn thì kết quả bằng 0, do đó lệnh này còn được dùng để xoá thanh ghi về 0 kèm theo các cờ CF và OF cũng bị xoá. Các cờ bị thay đổi: CF, OF, PF, SF, ZF. Ví dụ: XOR AX, AX XOR BX, BX MOV AX, 5857H MOV BX, 58A8H XOR AX, BX Trước khi thực hiện lệnh XOR Sau khi thực hiện lệnh XOR AX=5857H AX=00FFH BX=58A8H BX=58A8H 2.3.2.5 Nhóm các lệnh so sánh 24. CMP – Compare (so sánh) Dạng lệnh: CMP đích, Nguồn CMP trừ toán hạng đích cho toán hạng Nguồn, chúng có thể là các byte hoặc các từ, nhưng không lưu trữ kết quả. Các toán hạng không bị thay đổi. Kết quả của 46 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 lệnh này dùng để cập nhật các cờ và có thể được dùng để làm điều kiện cho các lệnh nhảy có điều kiện tiếp theo. Các cờ bị thay đổi: AF, CF, OF, PF, SF, ZF. Các cờ chính theo quan hệ đích và Nguồn khi so sánh hai số không dấu. So sánh CF ZF Đích = Nguồn 0 1 Đích > Nguồn 0 0 Đích < Nguồn 1 0 2.3.2.6 Nhóm các lệnh nhảy (rẽ nhánh) 25. JA/JNBE – Jump if Above/Jump if Not Below or Equal (nhảy nếu cao hơn/nhảy nếu không thấp hơn hoặc bằng). Dạng lệnh: JA NHAN JNBE NHAN Mô tả: IP←IP+dịch chuyển Hai lệnh trên biểu diễn cùng một thao tác nhảy có điều kiện tới NHAN nếu CF + ZF = 0. Quan hệ cao hơn/thấp là quan hệ dành cho việc so sánh (do lệnh CMP thực hiện) độ lớn hai số không dấu. NHAN phải nằm cách xa một khoảng -128 +127 byte so với lệnh tiếp theo sau lệnh JA/JNBE. Chương trình sẽ căn cứ vào vị trí NHAN để xác định giá trị dịch chuyển. Các cờ bị thay đổi: không. Ví dụ: CMP AX, 12ABH ;so sanh AX voi 12ABH JA THOI ;nhay den THOI neu AX cao hon 12ABH 26. JAE/JNB/JNC – Jump if Above or Equal/Jump if Not Below/Jump if No Carry (nhảy nếu lớn hơn hoặc bằng/nhảy nếu không thấp hơn/nhảy nếu không có nhớ). Dạng lệnh: JAE NHAN JNB NHAN JNC NHAN Mô tả: IP←IP+dịch chuyển Ba lệnh trên biểu diễn cùng một thao tác nhảy có điều kiện tới NHAN nếu CF = 0. Quan hệ cao hơn/thấp là quan hệ dành cho việc so sánh (do lệnh CMP thực hiện) độ lớn hai số không dấu. NHAN phải nằm cách xa một khoảng Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 47 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 -128 +127 byte so với lệnh tiếp theo sau lệnh JAE/JNB/JNC. Chương trình sẽ căn cứ vào vị trí NHAN để xác định giá trị dịch chuyển. Các cờ bị thay đổi: không. Ví dụ: CMP AL, 10H ;so sanh AL voi 10H JAE THOI ;nhay den THOI neu AL cao hon hoac bang 10H 27. JB/JC/JNAE – Jump if Below/Jump if Carry/Jump if Not Above or Equal (nhảy nếu thấp hơn/nhảy nếu có nhớ/nhảy nếu không cao hơn hoặc bằng). Dạng lệnh: JB NHAN JC NHAN JNAE NHAN Mô tả: IP←IP+dịch chuyển Ba lệnh trên biểu diễn cùng một thao tác nhảy có điều kiện tới NHAN nếu CF = 1. Quan hệ cao hơn/thấp là quan hệ dành cho việc so sánh (do lệnh CMP thực hiện) độ lớn hai số không dấu. NHAN phải nằm cách xa một khoảng -128 +127 byte so với lệnh tiếp theo sau lệnh JB/JC/JNAE. Chương trình sẽ căn cứ vào vị trí NHAN để xác định giá trị dịch chuyển. Các cờ bị thay đổi: không. Ví dụ: CMP AL, 10H ;so sanh AL voi 10H JB THOI ;nhay den THOI neu AL thap hon 10H 28. JBE/JNA – Jump if Below or Equal/Jump if Not Above (nhảy nếu thấp hơn hoặc bằng/nhảy nếu không cao hơn). Dạng lệnh: JBE NHAN JNA NHAN Mô tả: IP←IP+dịch chuyển Hai lệnh trên biểu diễn cùng một thao tác nhảy có điều kiện tới NHAN nếu CF +ZF = 1. Quan hệ cao hơn/thấp là quan hệ dành cho việc so sánh (do lệnh CMP thực hiện) độ lớn hai số không dấu. NHAN phải nằm cách xa một khoảng -128 +127 byte so với lệnh tiếp theo sau lệnh JBE/JNA. Chương trình sẽ căn cứ vào vị trí NHAN để xác định giá trị dịch chuyển. Các cờ bị thay đổi: không. Ví dụ: CMP AL, 10H ;so sanh AL voi 10H JBE THOI ;nhay den THOI neu AL thap hon hoac ;bang 10H 48 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 29. JE/JZ – Jump if Equal/Jump if Zero (nhảy nếu bằng nhau/nhảy nếu kết quả bằng không) Dạng lệnh: JE NHAN JZ NHAN Mô tả: IP←IP+dịch chuyển Lệnh trên biểu diễn thao tác nhảy có điều kiện tới NHAN nếu ZF = 1. NHAN phải nằm cách xa một khoảng -128 +127 byte so với lệnh tiếp theo sau lệnh JE/JZ. Chương trình sẽ căn cứ vào vị trí NHAN để xác định giá trị dịch chuyển. Các cờ bị thay đổi: không. Ví dụ: SUB AL, 10H ;tru AL cho 10H JE THOI ;nhay den THOI neu AL bang 10H 30. JMP – Unconditional Jump (lệnh nhảy không điều kiện). JMP trao quyền điều khiển cho vùng mục tiêu một cách không điều kiện. Lệnh này có các chế độ giống như lệnh CALL và nó cũng phân biệt nhảy gần, nhảy xa. Dạng lệnh: Sau đây là những cách viết lệnh không điều kiện. JMP NHAN Lệnh mới này bắt đầu địa chỉ ứng với NHAN. Chương trình sẽ căn cứ vào khoảng dịch giữa NHAN và lệnh nhảy để xác định xem nó là: + Nhảy ngắn: Trong trường hợp này NHAN phải nằm cách xa (dịch đi một khoảng). -128 127 byte so với lệnh tiếp theo sau lệnh JMP. Chương trình dịch sẽ căn cứ vào vị trí NHAN để xác định giá trị dịch chuyển. Do đó IP←IP+dịch chuyển Đây là lệnh nhảy trực tiếp vì dịch chuyển để trực tiếp trong mã lệnh. Để định hướng cho chương trình dịch làm việc nên viết lệnh dưới dạng: JMP SHORT NHAN + Nhảy gần: Trong trường hợp này NHAN phải nằm cách xa (dịch đi một khoảng) -32768 +32767 byte so với lệnh tiếp theo sau lệnh JMP. Chương trình dịch sẽ căn cứ vào vị trí NHAN để xác định giá trị dịch chuyển. Do đó IP←IP+dịch chuyển Đây là lệnh nhảy trực tiếp vì dịch chuyển để trực tiếp trong mã lệnh. Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 49 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 Để định hướng cho chương trình dịch làm việc nên viết lệnh dưới dạng: JMP NEAR NHAN + Nhảy xa: Trong trường hợp này NHAN nằm ở đoạn mã khác so với lệnh tiếp theo sau lệnh JMP. Chương trình sẽ căn cứ vào vị trí NHAN để xác định giá trị địa chỉ nhảy đến (CS:IP của NHAN). Sau đó: IP←IP của NHAN CS←CS của NHAN JMP BX Đây là lệnh nhảy gần, trước đó BX phải chứa địa chỉ lệch của lệnh định nhảy đến trong đoạn CS. Khi thực hiện lệnh này thì IP←BX. Đây là lệnh nhảy gián tiếp vì địa chỉ lệch nằm trong thanh ghi. Để định hướng cho chương trình dịch làm việc ta nên viết lệnh dưới dạng: JMP NEAR PTR BX JMP [BX] Đây là lệnh nhảy gần. IP mới được lấy từ nội dung 2 ô nhớ do BX và BX+1 chỉ ra trong đoạn DS (SI, DI có thể dùng thay chỗ của BX). Đây là lệnh nhảy gián tiếp vì địa chỉ lệch để trong ô nhớ. Để định hướng cho chương trình dịch làm việc ta nên viết lệnh dưới dạng: JMP WORD PTR [BX] Một biến dạng khác của lệnh trên thu được khi ta viết lệnh dưới dạng: JMP DWORD PTR [BX] Đây là lệnh nhảy xa. Địa chỉ nhảy đến ứng với CS:IP. Giá trị gán cho IP và CS được chứa trong 4 ô nhớ do BX và BX+1 (cho IP), BX+2 và BX+3 cho (CS) chỉ ra trong đoạn DS (SI, DI có thể sử dụng thay chỗ của BX) Đây cũng là lệnh nhảy gián tiếp vì địa chỉ lệch và địa chỉ cơ sở nằm trong ô nhớ. Các cờ bị thay đổi: không. 31. JNE/JNZ – Jump if Not Equal/Jump if Not Zero (nhảy nếu không bằng nhau/nhảy nếu kết quả không rỗng). Dạng lệnh: JNE NHAN JNZ NHAN Mô tả: IP←IP+dịch chuyển Hai lệnh trên biểu diễn cùng một thao tác nhảy có điều kiện tới NHAN nếu ZF = 0. NHãN phải nằm cách xa (dịch đi một khoảng) -128 127 byte so với lệnh tiếp theo sau lệnh JNE/JNZ. Chương trình dịch sẽ căn cứ vào vị trí NHAN để xác định độ dịch chuyển. 50 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 Các cờ bị thay đổi: không. Ví dụ: CMP AL, 10H ;so sanh AL voi 10H JNE THOI ;nhay den THOI neu AL khac 10H 2.3.2.7 Nhóm các lệnh lặp 32. LOOP – Loop if CX is not 0 (lặp nếu CX ≠ 0) Dạng lệnh: LOOP NHAN Mô tả: Lệnh này dùng để lặp lại đoạn chương trình (gồm các lệnh nằm trong khoảng từ NHAN đến hết lệnh LOOP NHAN) cho đến khi số lần lặp CX=0. Điều này có nghĩa là trước khi vào vòng lặp ta phải đưa số lần lặp mong muốn vào CX, và sau mỗi lần lặp thì CX tự động giảm đi 1. NHAN phải nằm cách xa (dịch đi một khoảng) tối đa -128 byte so với lệnh tiếp theo sau lệnh LOOP. Các cờ bị thay đổi: không. Ví dụ: MOV AL, 0 ;xoa AL MOV CX, 10 ;nap so lan lap vao CX LAP: INC AL ;tang AL len 1 LOOP LAP ;lap lai 10 lan, AL=10 33. LOOPE/LOOPZ – Loop while CX=0 or ZF=0 (lặp lại đoạn chương trình cho đến khi CX=0 hoặc ZF=0). Dạng lệnh: LOOPE NHAN LOOPZ NHAN Mô tả: Lệnh này dùng để lặp lại đoạn chương trình (gồm các lệnh nằm trong khoảng từ NHAN đến hết lệnh LOOPE NHAN hoặc LOOPZ NHAN) cho đến khi số lần lặp CX=0 hoặc cờ ZF=0. Điều này có nghĩa là trước khi vào vòng lặp ta phải đưa số lần lặp mong muốn vào CX, và sau mỗi lần lặp thì CX tự động giảm đi 1. NHAN phải nằm cách xa (dịch đi một khoảng) tối đa -128 byte so với lệnh tiếp theo sau lệnh LOOPE/LOOPZ. Các cờ bị thay đổi: không. Ví dụ: MOV AL, AH ;AL=AH MOV CX, 50 ;nap so lan lap vao CX LAP: INC AL ;tang AL COMP AL, 16 ;so sanh AL voi 16 LOOPE LAP ;lap lai cho den khi AL≠16 hoac CX=0 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 51 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 34. LOOPNE/LOOPNZ – Loop while CX=0 or ZF=1 (lặp lại đoạn chương trình cho đến khi CX=0 hoặc ZF=1). Dạng lệnh: LOOPNE NHAN LOOPNZ NHAN Mô tả: Lệnh này dùng để lặp lại đoạn chương trình (gồm các lệnh nằm trong khoảng từ NHAN đến hết lệnh LOOPNE NHAN hoặc LOOPNZ NHAN) cho đến khi số lần lặp CX=0 hoặc cờ ZF=1. Điều này có nghĩa là trước khi vào vòng lặp ta phải đưa số lần lặp mong muốn vào CX, và sau mỗi lần lặp thì CX tự động giảm đi 1. NHAN phải nằm cách xa (dịch đi một khoảng) tối đa -128 byte so với lệnh tiếp theo sau lệnh LOOPNE/LOOPNZ. Các cờ bị thay đổi: không. Ví dụ: MOV AL, AH ;AL=AH MOV CX, 50 ;nap so lan lap vao CX LAP: INC AL ;tang AL COMP AL, 16 ;so sanh AL voi 16 LOOPNE LAP ;lap lai cho den khi AL=16 hoac CX=0 2.3.2.8 Nhóm các lệnh điều khiển, đặc biệt khác 35. CALL – Call a procedure (gọi chương trình con) Dạng lệnh: CALL Thủ_tục Mô tả: Lệnh này dùng để chuyển hoạt động của vi xử lý từ chương trình chính (CTC) sang chương trình con (ctc). Nếu ctc nằm trong cùng một đoạn mã với CTC ta có gọi gần (near call). Nếu ctc và CTC nằm ở hai đoạn mã khác nhau ta có gọi xa (far call). - Nếu gọi gần: Lưu vào Stack giá trị IP của địa chỉ trở về (vì CS không đổi) và các thao tác khi gọi ctc diễn ra như sau: + Nội dung thanh ghi SP giảm đi 2 byte, SP←SP – 2. + Nội dung thanh ghi IP được cất vào ngăn xếp (lưu địa chỉ trở về) {SP}←IP. + Địa chỉ lệch của ctc (lên tới ±32K) được lưu vào thanh ghi IP. + Khi gặp lệnh RET ở cuối ctc thì VXL lấy lại địa chỉ trở về IP từ Stack và tăng SP lên 2 byte. - Nếu gọi xa: Lưu vào Stack giá trị IP và CS của địa chỉ trở về và các thao tác khi gọi ctc diễn ra như sau: + Nội dung thanh ghi SP giảm đi 2 byte, SP←SP – 2 và CS được lưu vào ngăn xếp. 52 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 + Nội dung của CS được thay bằng địa chỉ đoạn của ctc được gọi. + Nội dung thanh ghi SP lại giảm đi 2 byte và IP được cất vào ngăn xếp. + Địa chỉ lệch của ctc được lưu vào thanh ghi IP. + Khi gặp lệnh RET ở cuối ctc thì VXL lấy lại địa chỉ trở về IP từ Stack và tăng SP lên 2 byte sau đó tiếp tục lấy lại CS và tăng SP lên 2 byte. Các cờ bị thay đổi: AF, CF, OF, PF, SF, ZF. Ví dụ: CALL NEAR CALL FAR 36. INT – Interrupt (lệnh gọi ngắt) Dạng lệnh: INT N (N=0 FFH) Các thao tác của 8086 khi chạy lệnh: INT N - Tạo địa chỉ mới của Stack, cất thanh ghi cờ vào Stack: SP←SP-2, {FR}→SP. - Cấm các ngắt khác tác động vào vi xử lý, cho vi xử lý chạy ở chế độ từng lệnh: IF←0, TF←0. - Tạo địa chỉ mới của Stack, cất địa chỉ đoạn của địa chỉ trở về vào Stack: SP←SP-2, SP←CS. - Tạo địa chỉ mới của Stack, cất địa chỉ lệch của địa chỉ trở về vào Stack: SP←SP- 2, SP←IP. - Vi xử lý lấy lệnh tại địa chỉ mới, địa chỉ con trỏ ngắt được tính toán như sau: {Nx4}→IP, {Nx4+2}→CS Ví dụ: với N = 8 thì CS←{0022H} và IP←{0020H} 37. IRET – Interrupt Return (trở về CTC từ ctc phục vụ ngắt) Dạng lệnh: IRET Trở về chương trình chính từ chương trình con phục vụ ngắt. Trả lại quyền điều khiển cho chương trình tại vị trí xảy ra ngắt bằng cách lấy lại các giá trị thanh ghi IP, CS và các cờ từ vùng Stack. - {SP}→IP, SP←SP+2 - {SP}→CS, SP←SP+2 - {SP}→FR, SP←SP+2 Các cờ bị thay đổi: tất cả các cờ (được phục hồi như trước khi diễn ra ngắt). 38. NOP – No Operation (CPU không làm gì) Dạng lệnh: NOP Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 53 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 Lệnh này không thực hiện một công việc gì ngoài việc làm tăng nội dung của IP và tiêu tốn 3 chu kỳ đồng hồ. Nó thường được dùng để tính thời gian trễ trong các vòng trễ hoặc để chiếm chỗ các lệnh cần thêm vào chương trình sau này mà không làm ảnh hưởng dến độ dài chương trình. Các cờ bị thay đổi: không. 39. RET – Return from Procedure to Calling Program (trở về chương trình chính từ chương trình con). Dạng lệnh: RET hoặc RET N (N là số nguyên dương) Mô tả: RET được đặt cuối ctc để vi xử lý lấy lại địa chỉ trở về, mà nó đã được tự động cất tại ngăn xếp khi có lệnh gọi ctc. Đặc biệt nếu dùng lệnh RET n thì sau khi đã lấy lại được địa chỉ trở về (chỉ có IP hoặc cả IP và CS) thì SP←SP+n (dùng để nhảy qua mà không lấy lại các thông số khác của chương trình còn lại trong ngăn xếp. Các cờ bị thay đổi: không. 40. STC – Set the Carry Flag (lập cờ nhớ) Dạng lệnh: STC Mô tả: CF←1 STC thiết lập cờ nhớ bằng 1 và không ảnh hưởng đến các cờ khác. Các cờ bị thay đổi: CF=1. 2.4 Lập trình hợp ngữ (Assembly) cho vi xử lý 80x86 Tham khảo “[12]” 2.4.1 Giới thiệu chung về hợp ngữ Hợp ngữ (assembly language) là một ngôn ngữ cấp thấp dùng để viết các chương trình máy tính. Cách dùng các thuật nhớ (mnemonics) thân thiện để viết chương trình đã thay thế cách lập trình trực tiếp lên máy tính bằng mã máy dạng số (numeric machine code) - từng áp dụng cho những máy tính đầu tiên - vốn rất mệt nhọc, dễ gây lỗi và tốn nhiều thời giờ. Một chương trình viết bằng hợp ngữ sẽ được dịch sang ngôn ngữ máy bằng một tiện ích gọi là trình hợp dịch. Lưu ý rằng, trình hợp dịch khác hoàn toàn với trình biên dịch, vốn dùng để biên dịch các ngôn ngữ cấp cao sang các chỉ thị lệnh cấp thấp mà sau đó sẽ được trình hợp dịch chuyển đổi sang ngôn ngữ máy. Các chương trình hợp ngữ thường phụ thuộc chặt chẽ vào một ki ến trúc máy tính xác định, nó khác với ngôn ngữ cấp cao thường độc lập đối với các nền tảng ki ến trúc phần cứng. Nhiều trình hợp dịch phức tạp ngoài các tính năng cơ bản còn cung cấp thêm các cơ chế giúp cho việc viết chương trình, kiểm soát quá trình dịch cũng như việc gỡ rối được dễ dàng hơn. Hợp ngữ đã từng được dùng rộng rãi trong tất cả các khía cạnh lập trình, nhưng ngày nay nó có xu hướng chỉ được 54 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 dùng trong một số lãnh vực hẹp, chủ yếu để giao tiếp trực tiếp với phần cứng hoặc xử lý các vấn đề liên quan đến tốc độ cao điển hình như các trình điều khiển thiết bị, các hệ thống nhúng cấp thấp và các ứng dụng thời gian thực 2.4.2 Các bước khi lập trình Lập trình trên phần mềm emu8086 - Bước 1: Mở chương trình emu8086, chọn file \ new Với các lựa chọn: New com template, new exe template, new bin template, new boot template. - Bước 2: Viết mã nguồn - Bước 3: dịch và gỡ rối (bấm F5) - Bước 4: tạo file tự chạy: assembler \ Compile Dịch, liên kết, chạy và chẩn lỗi chương trình từ dấu nhắc DOS: Cần có các file: tasm.exe (dịch), tlink.exe (liên kết), td.exe (chẩn lỗi). Các bước như sau: B1. Thiết lập đường dẫn path = %path%; B2. Biên dịch từ file .ASM sang file .OBJ Tasm .ASM B3. Biên dịch từ file .OBJ sang file .EXE Tlink .OBJ B4: chạy chương trình: .EXE B5: chẩn lỗi (nếu cần thiết) Td .EXE Để tự động hóa, ta có thể tạo file .BAT chứa các lệnh trên. Ví dụ: Tạo file RunASM.bat trong cùng thư mục với tập tin .ASM với nội dung như sau : tasm %1 tlink %1 %1 (%1 là lấy tham số thứ nhất trong command line) Sau đó để biên dịch, liên kết và thực thi chương trình hello.ASM ta chỉ cần gõ : RunASM hello Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 55 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 Chương trình emu8086: Chương trình emu8086 là chương trình lập trình mô phỏng cho 8086 (tương thích Intel và AMD) bao gồm bộ dịch ASM và giáo trình (tiếng anh) cho người mới bắt đầu. Chương trình có thể chạy hết hoặc chạy từng bước, ta có thể nhìn thấy các thanh ghi, bộ nhớ, stack, biến, Hình 2-5. Emu8086 - Môi trường soạn thảo Hình 2-6. Emu8086 - Giá trị các cờ và màn hình hiển thị 56 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 Hình 2-7. Emu8086 - Màn hình Debug chương trình 2.4.3 Cấu trúc chung của chương trình hợp ngữ 2.4.3.1 Cấu trúc của một lệnh hợp ngữ Tham khảo “[9]” Một dòng lệnh trong chương trình hợp ngữ gồm có các trường sau: Tên Lệnh Toán hạng Chú thích A: Mov AH, 10h ; Đưa giá trị 10h vào thanh ghi AH Trường “tên” chứa nhãn, tên biến hay tên thủ tục. Các tên nhãn có thể chứa tối đa 31 ký tự, không chứa ký tự trắng (space) và không được bắt đầu bằng số. Các nhãn được kết thúc bằng dấu ':'. Trường “lệnh” chứa các lệnh sẽ thực hiện. Các lệnh này có thể là các lệnh thật (MOV) hay các lệnh giả (PROC). Các lệnh thật sẽ được dịch ra mã máy. Trường “toán hạng” chứa các toán hạng cần thiết cho lệnh (AH,10h). Trường “chú thích” phải được bắt đầu bằng dấu ';'. Trường này chỉ dùng cho người lập trình để ghi các lời giải thích cho chương trình. Chương trình dịch sẽ bỏ qua các tất cả những gì nằm phía sau dấu ; Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 57 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 . Cấu trúc thông thường của một chương trình hợp ngữ dạng file *.exe TITLE Chương trình hợp ngữ .MODEL Kiểu kích thước bộ nhớ ; Khai báo quy mô sử dụng bộ nhớ .STACK Kích thước ; Khai báo dung lượng đoạn stack .DATA ; Khai báo đoạn dữ liệu msg DB 'Hello$' .CODE ; Khai báo đoạn mã main PROC CALL Subname ; Gọi chương trình con main ENDP Subname PROC ; Định nghĩa chương trình con RET Subname ENDP END main • Quy mô sử dụng bộ nhớ: Thông thường, các ứng dụng đơn giản chỉ đòi hỏi mã chương trình không quá 64 KB và dữ liệu cũng không lớn hơn 64 KB nên ta sử dụng ở dạng Small: .MODEL SMALL CPU 8086 có thể truy nhập tối đa 1MB bộ nhớ RAM. Dung lượng này là thừa để sử dụng cho bất kỳ loại máy tính nào. Bản đồ bộ nhớ của máy tính IBM PC Giải thích vắn tắt Địa chỉ vật lý của vùng nhớ (HEX) Vector ngắt. Bộ mo phỏng sẽ load file này: 00000 - 00400 c:\emu8086\INT_VECT tại địa chỉ vật lý 000000 00400 - 00500 Vùng thông tin hệ thống. Một vùng nhớ tự do. Mỗi khối là 654,080 byte. Tại đây có 00500 - A0000 thể load chương trình Vùng nhớ màn hình cho VGA, monochrome, và cho các bộ A0000 - B1000 điều hợp khác B1000 - B8000 Dự trữ 58 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 Bản đồ bộ nhớ của máy tính IBM PC Giải thích vắn tắt Địa chỉ vật lý của vùng nhớ (HEX) 32kb nhớ màn hình cho chế độ đồ họa màu (CGA). Bộ mô phỏng sử dụng vùng nhớ này để lưu 8 trang vùng nhớ màn hình. Màn hình mô phỏng có thể thay đổi kích thước, nên B8000 - C0000 bộ nhớ tối thiểu được yêu cầu cho mỗi trang, mặc dù bộ mô phỏng luôn luôn sử dụng 1000h (4096 byte) cho mỗi trang (xem ngắt 10h, AH=05h) C0000 - F4000 Dự trữ ROM BIOS và mở rộng. Bộ mô phỏng tải file BIOS_ROM F4000 - 10FFEF tại địa chỉ vật lý 0F4000h. Địa chỉ của bảng vector ngắt chỉ tới vùng nhớ này để tạo hàm ngắt mô phỏng. Bảng vector ngắt (vùng nhớ từ 00000h đến 00400h) Số hiệu Địa chỉ Địa chỉ của chương trình con BIOS ngắt (HEX) vector ngắt (address of BIOS sub-program ) 00 00x4 = 00 F400:0170 – CPU tạo, lỗi chia 04 04x4 = 10 F400:0180 - CPU tạo, phát hiện INTO tràn 10 10x4 = 40 F400:0190 – Hàm video 11 11x4 = 44 F400:01D0 – Nhận danh sách thiết bị BIOS 12 12x4 = 48 F400:01A0 – Nhận kích thước bộ nhớ 13 13x4 = 4C F400:01B0 - Các hàm về đĩa 15 15x4 = 54 F400:01E0 – Các hàm BIOS 16 16x4 = 58 F400:01C0 - Các hàm bàn phím 17 17x4 = 5C F400:0400 – Máy in 19 19x4 = 64 FFFF:0000 – Khởi động lại 1A 1Ax4 = 68 F400:0160 – Hàm thời gian 1E 1Ex4 = 78 F400:AFC7 – vector tham số đĩa 20 20x4 = 80 F400:0150 – Hàm DOS: Kết thúc chương trình 21 21x4 = 84 F400:0200 – Các hàm của DOS 33 33x4 = CC F400:0300 – Các hàm chuột Các hàm khác ??x4 = ?? F400:0100 – Các ngắt mặc định Vùng thông tin hệ thống (Bộ nhớ từ 00400h to 00500h) Địa chỉ (HEX) Kích thước Giải thích Danh sách thiết bị BIOS Trường bit BIOS tìm thấy phần cứng được cài: 0040h:0010 WORD bit(s) Giải thích 15-14 Số thiết bị song song 13 Dự trữ Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 59 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 Bản đồ bộ nhớ của máy tính IBM PC Giải thích vắn tắt Địa chỉ vật lý của vùng nhớ (HEX) 12 Cổng game được cài 11-9 Số thiết bị nối tiếp 8 Dự trữ 7-6 Số đĩa mềm (trừ 1): 00 Đĩa mềm đơn; 01 Hai dĩa mềm; 10 Ba đĩa mềm; 11 Bốn đĩa mềm; 5-4 Khởi tạo chế độ Video: 00 EGA,VGA,PGA, hoặc on-board video BIOS khác; 01 40x25 CGA màu. 10 80x25 CGA màu (Mô phỏng mặc định). 11 80x25 đen trắng. 3 Dữ trữ. 2 Chuột PS/2. 1 Bộ xử lý toán học; 0 Được cài khi khởi động từ đĩa mềm. kilobytes bắt đầu vùng nhớ liên tiếp tại địa chỉ 00000h 0040h:0013 WORD từ này cũng được trả về AX bởi INT 12h giá trị này được đặt là 0280h (640KB) Số cột trên màn hình. 0040h:004A WORD Mặc định là 0032h (50 cột) Địa chỉ bắt đầu trang màn hình hiện hành trong bộ nhớ màn 0040h:004E WORD hình (sau 0B800:0000) Giá trị mặc định: 0000h Bao gồm vị trí hàng và cột cho con trỏ trong mỗi của tám 0040h:0050 8 WORD trang nhớ màn hình. Giá trị mặc định: 00h (cho tất cả 8 từ (words) Số trang màn hình hiện hành 0040h:0062 BYTE Mặc định: 00h (trang đầu tiên) Hàng trên màn hình trừ 1 0040h:0084 BYTE Giá trị mặc định: 13h (19+1=20 cột) Bảng 2-4. Bản đồ bộ nhớ, địa chỉ ngắt của 8086 • Khai báo kích thước stack: Khai báo stack dùng để dành ra một vùng nhớ dùng làm stack (chủ yếu phục vụ cho chương trình con), thông thường ta chọn khoảng 256 byte là đủ để sử dụng (nếu không khai báo thì chương trình dịch tự động cho kích thước stack là 1 KB): .STACK 256 60 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 Khai báo đoạn dữ liệu: Đoạn dữ liệu dùng để chứa các biến và hằng sử dụng trong chương trình. • Khai báo đoạn mã: Đoạn mã dùng chứa các mã lệnh của chương trình. Đoạn mã bắt đầu bằng một chương trình chính và có thể có các lệnh gọi chương trình con (CALL). Một chương trình chính hay chương trình con bắt đầu bằng lệnh PROC và kết thúc bằng lệnh ENDP (đây là các lệnh giả của chương trình dịch). Trong chương trình con, ta sử dụng thêm lệnh RET để trả về địa chỉ lệnh trước khi gọi chương trình con. Chương trình được kết thúc bằng lệnh END trong đó tên chương trình phía sau lệnh END sẽ xác định đó là chương trình chính. Nếu sau lệnh END không chỉ ra chương trình nào cả thì sẽ lấy chương trình con ở đàu đoạn mã làm chương trình chính. Ví dụ: Chương trình sau in ra màn hình dòng chữ “Hello !” .model small .stack 100h .data s DB “Hello !$” ; khai báo xâu kí tự cần in .code mov AX,@data ; lấy địa chỉ data segment ghi vào DS mov DS,AX ; Vì model small, đây cũng là địa chỉ ; segment của xâu s. ; xuất chuỗi: mov DX, OFFSET s ; lấy địa chỉ offset ghi vào DX mov AH , 9 int 21h ; gọi hàm 9, ngắt 21h để in mov AH, 4Ch ; Thoát khỏi chương trình int 21h end Lưu ý: - Mọi chương trình đều phải có đoạn CODE thoát khỏi chương trình, nếu không chương trình sẽ không dừng khi hết chương trình của mình. 2.4.3.2 Khung chương trình dịch ra .exe Các tập tin .EXE và .COM DOS chỉ có thể thi hành được các tập tin dạng .COM và .EXE. Tập tin .COM thường dùng để xây dựng cho các chương trình nhỏ còn .EXE dùng cho các chương trình lớn. Tập tin .EXE - Nằm trong nhiều đoạn khác nhau, kích thước thông thường lớn hơn 64 KB. - Có thể gọi được các chương trình con dạng near hay far. - Tập tin .EXE chứa một header ở đầu tập tin để chứa các thông tin điều khiển cho tập tin. Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 61 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 data segment ; add your data here! pkey db "press any key to exit $" ends stack segment dw 128 dup(0) ends CODE segment start: ; set segment registers: MOV ax, data MOV ds, ax MOV es, ax ; add your CODE here lea dx, pkey MOV ah, 9 int 21h ; output string at ds:dx ; wait for any key MOV ah, 1 int 21h MOV ax, 4c00h ; exit to operating system. int 21h ends END start ; set entry point and stop the assembler. 2.4.3.3 Khung chương trình dịch ra .com - Tập tin .COM chỉ có một đoạn nên kích thước tối đa của một tập tin loại này là 64 KB. - Tập tin .COM được nạp vào bộ nhớ và thực thi nhanh hơn tập tin .EXE nhưng chỉ áp dụng được cho các chương trình nhỏ. - Chỉ có thể gọi các chương trình con dạng near. Khi thực hiện tập tin .COM, DOS định vị bộ nhớ và tạo vùng nhớ dài 256 byte ở vị trí 0000h, vùng này gọi là PSP (Program Segment Prefix), nó sẽ chứa các thông tin cần thiết cho DOS. Sau đ ó, các mã lệnh trong tập tin sẽ được nạp vào sau PSP ở vị trí 100h và đưa giá trị 0 vào stack. Như vậy, kích thước tối đa thực sự của tập tin .COM là 64 KB – 256 byte PSP – 2 byte stack. Tất cả các thanh ghi đoạn đều chỉ đến PSP và thanh ghi con trỏ lệnh IP chỉ đến 100h, thanh ghi SP có giá trị 0FFFEh. 62 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 ; You may customize this and other start-up templates; ; The location of this template is ;c:\emu8086\inc\0_com_template.txt CSEG SEGMENT ; code segment starts here. org 100h ; add your CODE here ret Khai báo dữ liệu Khi khai báo dữ liệu trong chương trình, nếu sử dụng số nhị phân, ta phải dùng thêm chữ B ở cuối, nếu sử dụng số thập lục phân thì phải dùng chữ H ở cuối. Chú ý rằng đối với số thập lục phân, nếu bắt đầu bằng chữ A F thì phải thêm vào số 0 ở phía trước. Ví dụ: 1011b ; Số nhị phân 1011 ; Số thập phân 1011d ; Số thập phân 1011h ; Số thập lục phân Khai báo hằng, biến Cú pháp: D hoặc D dup( ) Các kiểu dữ liệu: B (1 byte), W (2 bytes), D (4 bytes) Nếu không khởi tạo, dùng dấu hỏi “?” Ví dụ: Khai báo trong C Khai báo biến trong hợp ngữ char ch; ch DB ? char ch = ‘a’; ch DB ‘a’ char ch = 5; ch DB 5 Char s[]=”\nhello world!” s DB 10,13,”hello world!$” int i=100; i DW 100 long L; L DD ? char a[] = {1,2,3}; a DB 1,2,3 char a[100]; a DB 100 dup(?) char a[100][50]; a DB 100 dup(50 dup(?)) Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 63 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 Hằng số: Khai báo hằng số trong chương trình hợp ngữ bằng lệnh EQU. Ví dụ: A1 EQU 02, 11 A2 EQU 19, 81 Toán tử trong hợp ngữ Toán tử số học Trong đó bt, bt1, bt2 là các biểu thức hằng, n là số nguyên. Toán tử logic: Bao gồm các toán tử AND, OR, NOT, XOR Toán tử quan hệ: Các toán tử quan hệ so sánh 2 biểu thức, cho giá trị true (1) nếu điều kiện thoả và false (0) nếu không thoả. Toán tử cung cấp thông tin: - Toán tử SEG: SEG bt ; Toán tử SEG xác định địa chỉ đoạn của biểu thức bt. bt có thể là biến, nhãn, hay các toán hạng bộ nhớ. - Toán tử OFFSET: OFFSET bt ;Toán tử OFFSET xác định địa chỉ offset của biểu thức bt. bt có thể là biến, nhãn, hay các toán hạng bộ nhớ. VD: MOV AX,SEG A ; Nạp địa chỉ đoạn và địa chỉ offset MOV DS,AX ; của biến A vào cặp thanh ghi MOV AX,OFFSET A ; DS:AX - Toán tử chỉ số [ ]: (index operator) Toán tử chỉ số thường dùng với toán hạng trưc tiếp và gián tiếp. 64 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 - Toán tử (:) (segment override operator) Segment:bt ; Toán tử : quy định cách tính địa chỉ đối với segment được chỉ. Segment là các thanh ghi đoạn CS, DS, ES, SS. Chú ý rằng khi sử dụng toán tử : kết hợp với toán tử [ ] thì segment: phải đặt ngoài toán tử [ ]. VD: Cách viết [CS:BX] là sai, ta phải viết CS:[BX] - Toán tử TYPE: TYPE bt ;Trả về giá trị biểu thị dạng của biểu thức bt. Nếu bt là biến thì sẽ trả về 1 nếu biến có kiểu byte, 2 nếu biến có kiểu word, 4 nếu biến có kiểu double word. Nếu bt là nhãn thì trả về 0FFFFh nếu bt là near và 0FFFEh nếu bt là far. Nếu bt là hằng thì trả về 0. - Toán tử LENGTH: LENGTH bt ;Trả về số đơn vị bộ nhớ cấp cho biến bt - Toán tử SIZE: SIZE bt ;Trả về tổng số các byte cung cấp cho biến bt VD: A DD 100 DUP(?) MOV AX,LENGTH A ; AX = 100 MOV AX,SIZE A ; AX = 400 Các toán tử thuộc tính: - Toán tử PTR: Loai PTR bt ; Toán tử này cho phép thay đổi dạng của biểu thức bt. Nếu bt là biến hay toán hạng bộ nhớ thì Loai là byte, word hay dword. Nếu bt là nhãn thì Loai là near hay far. VD: A DW 100 DUP(?) B DD ? MOV AH,BYTE PTR A ; Đưa byte đầu tiên trong mảng A vào ;thanh ghi AH MOV AX,WORD PTR B ; Đưa 2 byte thấp trong biến B vào thanh ;ghi AX - Toán tử HIGH, LOW: HIGH bt LOW bt Cho giá trị của byte cao và thấp của biểu thức bt, bt phải là một hằng. VD: A EQU 1234h MOV AH,HIGH A ; AH ← 12h MOV AH,LOW A ; AH ← 34h Chương trình con Chương trình con (PROC) là một phần của mã nguồn mà có thể gọi chúng trong chương trình của bạn để làm một vài nhiệm vụ nhất định nào đó. Chương trình con làm cho chương trình có cấu trúc hơn và dễ hiểu hơn. Thông thường, chương trình con trở lại ngay sau điểm đã gọi nó. Cấu trúc một chương trình con như sau: Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 65 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 TÊN PROC ; đây là mã lệnh của chương trình con RET TÊN ENDP TÊN là tên của chương trình con, tên phải giống nhau ở trên và dưới của chương trình con, đó là cách để kiểm tra điểm kết thúc của chương trình con. Hầu như chắc chắn, bạn đã biết rằng lệnh RET được sử dụng để trở về hệ điều hành. Lệnh tương tự cũng được sử dụng để trở về từ chương trình con (thực sự, OS coi chương trình của chúng ta như một chương trình con đặc biệt) PROC và ENDP là các định hướng chương trình dịch, nên chúng không được dịch ra mã máy. Chương trình dịch nhớ địa chỉ của chương trình con. Lệnh CALL được sử dụng để gọi chương trình con Đây là một ví dụ: ORG 100h CALL ta MOV AX, 2 RET ; Trở về OS ta PROC MOV BX, 5 RET ; Trở về sau điểm đã gọi. ta ENDP END Ví dụ trên gọi chương trình con ta, để thực hiện lệnh “MOV BX, 5” , và trở về sau lệnh gọi nó “MOV AX, 2” Có vài cách để truyền tham số cho chương trình con, cách đơn giản nhất là sử dụng các thanh ghi, dưới đây là một ví dụ khác về cách gọi chương trình con và cách truyền tham số cho nó qua thanh ghi AL và BL, nhân hai tham số với nhau và trả kết quả về trong thanh ghi AX: ORG 100h MOV AL, 1 MOV BL, 2 CALL m2 CALL m2 CALL m2 CALL m2 RET ; Trở về HĐH m2 PROC MUL BL ; AX = AL * BL. RET ; Trở về sau điểm gọi nó. m2 ENDP END 66 Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
Bài giảng Chương 2 Vi xử lý - Vi điều khiển Họ vi xử lý Intel 80x86 Trong ví dụ trên, giá trị của thnh ghi AL được cập nhật mỗi lần chương trình con được gọi, thanh ghi BL không thay đổi, nên thuật toán trên là tính 24, kết quả lưu trong AX là 16 (hay 10h) Dưới đây là một ví dụ khác, sử dụng chương trình con để in xâu “PICAT.dieukhien.net” : ORG 100h LEA SI, tbao_tw ; Lấy địa chỉ của msg vào SI. CALL In_Xau RET ; trở về hệ điều hành. ;=== ; Chương trình này in 1 xâu, xâu phải kết thúc ; bằng ký tự null (phải có 0 cuối xâu) ; địa chỉ của xâu phải được đặt trong thanh ghi SI: In_Xau PROC next_char: CMP b.[SI], 0 ; kiểm tra nếu = 0 thì dừng JE stop ; MOV AL, [SI] ; lấy ký tự tiếp theo. MOV AH, 0Eh ; số hiệu in ký tự. INT 10h ; sử dụng ngắt để in ký tự trong AL. ADD SI, 1 ; Tăng con trỏ cần in lên 1. JMP next_char ; trở lại, in ký tự tiếp. stop: RET ; trở về sau điểm gọi. print_me ENDP ; === tbao_tw DB 'PICAT.dieukhien.net',0; xâu kết thúc: null. END Tiếp đầu ngữ “b.” trước [SI] nghĩa là so sánh byte, không phải từ. Nếu bạn cần so sánh từ, bạn dùng tiếp đầu ngữ “w.” thay thế vào. Khi một toán hạng đã nằm trong thanh ghi, nó không yêu cầu nữa. Lệnh bó (Macro) Macro tương tự như chương trình con nhưng không thực sự là chương trình con. Macro nhìn có vẻ như chương trình con, nhưng chúng chỉ tồn tại cho đến khi chương trình được dịch, sau khi chương trình được dịch tất cả các macro được thay thế bằng lệnh thực sự. Nếu bạn khai báo một macro và không bao giờ sử dụng chúng trong mã nguồn, chương trình dịch sẽ bỏ qua nó. Khai báo: name MACRO [tham số, ] ENDM Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện tử 67 Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp