Bài giảng Thiết bị ngoại vi và kỹ thuật ghép nối: Chương 1 - Bùi Quốc Anh

Ch.1 Kiến trúc hệ VXL – MT
ƒ Kiến trúc thiết bị hệ kinh điển, các hệ nhúng
ƒ Kiến trúc hệ máy tính ‘Hi Performance’ - desktop
ƒ Hoạt động của hệ thống.

P&I-Ch1:Architecture

1


1.1. Kiến trúc Hệ VXL, Máy tính kinh điển – Embedded systems
1.1.1. Sơ đồ:
3 phần:
- CS,
- Ngoại vi &
- Interface

P&I-Ch1:Architecture

2


1.1.1. a. Central Sub System – CS:
+ CPU: Central Processing Unit:
• Khái niệm: Là bộ điều khiển trung tâm, thực hiện
cơng việc được giao đặt trong bộ nhớ chương trình
bằng cách thực hiện các phép xử lý lên các biến nhị
phân và điều khiển thiết bị ngoại vi.
• Cơng việc bao gồm:
– Tìm lệnh, giải mã lệnh, [tìm tốn hạng, xử lý và cất kết
quả],

– In/Out với các port kiểu Interrupt và DMA để điều khiển
thiết bị ngoại vi.

P&I-Ch1:Architecture

3


¾Đặc trưng – Specifications:
• Kích thước tốn hạng (bit): 4, 8, 12, 16, 32, 64...
• Tốc độ xử lý: Mips, clock multiplier,
• Kiến trúc:
– RISC (Reduced Instruction Set Computer)vs CISC (Complex
Instruction Set Computer),
– DSP – Digital Signal Processor,
– Micro Controller (All in one)

• Pinning/Signalling (Data/Address - Mux, Control bus,
IRQ, HRQ, RD/WR...),
• Register set,
• Instruction set – Addressing Modes,
• Power: Slow/ sleep/ power down modes
• ...
P&I-Ch1:Architecture

4


+ Memories (Semiconductor): K/n & ROM:
Khái niệm:

• Lưu thơng tin (ch/tr và số liệu) dạng nhị phân,
• Dung lượng lớn (upto 100s Mega bit), tốc độ truy
nhập nhanh (downto ns access time).
– Physically: tính chất vật lý như thế nào?
• ROMs: Mask ROM, PROM, EPROM, EAROM, OTROM,
NonVolatile mem, ...
• Là bộ nhớ chỉ đọc, vẫn lưu thông tin khi mất điện,
• Package : byte
• Access time:100..120ns
• Ghi/nạp nội dung: T/bị chuyên dùng (ROM Burner
/Programmator)
• Shadow ROM?: copy nội dung từ ROM sang DRAM mỗi khi khởi
P&I-Ch1:Architecture
5
động


Memories (Semiconductor): SRAM
ắ Lu thông tin tạm thời, không lu đợc khi mất điện,
đọc và ghi đợc, [Read/Write Mem].
ắ Static RAM:
ắ nhanh (80..3 ns),
ắ byte/nibble package,
ắ mật độ byte/chip nhỏ (upto 64/256 KB/ chip),
ắ đắt, tiêu thụ công suất nhiều,
ắ CMOS RAM: chậm và tiêu thụ cực ít, less W.
Vdụ: MC 146818 RealTimeClock-CMOS RAM
ắ Dùng trong các hệ nhỏ, cache memory.
P&I-Ch1:Architecture

6


Memories (Semiconductor): DRAM
Dynamic RAM: DRAM:
ƒ Tèc ®é/Access time (50-70ns), [10..20ns] Pre-fetched
ƒ MËt ®é bit/chip >> (1 Gbit/chip – 1996, Korea),
ƒ bit package => DRAM bank,
Tiêu thụ công suất nhỏ.
Thông tin chỉ lu đợc 10ms => refreshing DRAM với
chu kỳ @ 7,5ms => phức tạp.
Dùng trong các h có dung lợng nhớ lớn: máy tính,
máy chủ...

P&I-Ch1:Architecture

7


Memories (Semiconductor): FLASH & Others
Flash memory:
EAROM typed, đọc đợc, xoá từng bank, ghi lại đợc
từng byte. Thông tin lu đợc 20 nm, dùng nhiều hiện
ti và tơng lai: BIOS, diskchip, USB stick Mem...
Serial EAROM/FLASH: dïng ®Ĩ l−u configuration, dïng
bus I2C (Philips). Ví dụ ứng dụng : thẻ vi mạch, TV, ...
Dual [Quad] Ported RAM: Switching Sys., PGA
RAM-DAC: VGA, VoiceChip
PCMCIA
....

P&I-Ch1:Architecture

8


Memories (Semiconductor): Logically:
Bé nhí chøa th«ng tin gì?
ƒ Program memory:
ƒ chứa ch/tr đang đợc thực hiện
Data memory:
các biến ngÉu nhiªn,
ƒ biÕn cã cÊu tróc,
ƒ sè liƯu cã kiĨu truy nhập đặc biệt FIFO, LIFO (Stack
memory).

P&I-Ch1:Architecture

9


+ Controllers: [Optional], vi mạch, nâng hiệu nang
(performance) hệ thống, bao gồm:
ã Bộ điều khiển u tiên ngắt PIC Priority Interrupt
Controller, Intel 8259A
ƒ Bé ®iỊu khiĨn truy nhËp trùc tiÕp bé nhí DMAC – Direct
memory Access Controller, Intel 8237A.
ƒ Timer: mạch tạo các khoảng thời gian, PITProgrammable Interval Timer, Intel 8254.
Mạch quản trị nhớ: MMU- Memory Management Unit,
sau này, thờng đợc built on chip với CPU.

Bus controller/Arbitor
...

P&I-Ch1:Architecture

10


+ System Bus: K/n & Addr bus
• PCB (Printed Circuit Board)/ Cable (Twisted pairs,
flat..), slot, connector... dïng ®Ĩ chun thong tin
và năng lợng.
ã Nối hơn 1 slave/master device, time sharing
(dùng chung)
ã Thông tin: Address, data, control, status, Power
Supply
ã Chiều (dir), 3 state (Hi Z), Loading
ADDRESS BUS:
– Tõ c¸c BusMaster (CPU, DMAC, PCI host
Controller) ®Õn SlaveDevices (Mem, Ports) ®Ĩ
chän/ chá tõng IO/ Mem location trong tõng chu kú
bus
– n Addr bit Î 2n Mem Locations & 2m IO Locations,
m
P&I-Ch1:Architecture

11

System Bus : Data bus
ƒ Data bus:
ƒ Sè bit (th−êng) phï hỵp víi kÝch th−íc ALU
(8/16/32/64 bit)
ƒ Chun Op-code (m∙ lƯnh) trong chu kú m¸y M1,
- CPU <= Program Memory, trong c¸c bus cycle M1
ƒ VËn chun data:
- CPU <=> Data memory,
- CPU <=> IO Ports vµ
- Data Memory <=> IO Ports, DMA

P&I-Ch1:Architecture

12


System Bus : Control/Status bus:

ƒ gåm c¸c tÝn hiƯu – control bus:
ƒ Control/ Response: CPU to Others (MEMR,
MEMW, IOR, IOW, INTA, HLDA, BHE...), from CPU
ƒ Status/Request to CPU: IRQ, HRQ, Ready, ... to
CPU

P&I-Ch1:Architecture

13


System Bus: Power Supply:

+5V ±5%, 10 ®Õn 20 Amp, cÊp cho các Vi mạch số,
RedWire. (3.3V and less)
Ground, Gnd, 0V, signal reference ground, chassis,
BlackWire.
ƒ +12V ±10%, 1Amp, cÊp cho các mạch analog,
motors, RS232, YellowWire.
-12V 10%, 1Amp, (nh trªn), BlueWire.
ƒ - 5 V±5%, 0.5 Amp, analog circuitries, WhiteWire.
ƒ Power good: OrangeWire.
ƒ Nguån th«ng minh: AXT
P&I-Ch1:Architecture

14


1.1.1.b. Thiết bị Ngoại vi: Input, Output và dada
Storage devices
Data Input Devices:
- Key board/ Key pad, Touch SCR: sè phÝm, công nghệ phím,
kiểu dò phím, output code, ghép nối CS
- Mouse, track ball
- Scanner, Camera, Camcoder Optical Mouse, BarCode
reader: Colors, resolution, f, c«ng nghƯ CCD - Charge
Couple Device, graphics file bit map - bmp.
- Digitizer, nhËp graphics file vector - bản đồ
- Light Pen, Joy stick (Games)
- Demodulator (MODEM): Giải ®iỊu chÕ KiĨu ®iỊu chÕ, tèc ®é
bps, kiĨu nÐn
- Microphone,
- Reader: RFID Radio Frequency Identification, Finger print Laser/ LED

- Sensor, Transducers, Transmitters: Vật liệu, thiết bị,.. biến
đổi các đại lợng vật lý - không điện, thành tin shiệu điện độ
nhậy, ®é tuyÕn tÝnh, d¶i
®o...
P&I-Ch1:Architecture
15


1.1.1.B. T/bị Ngoại vi: Data Output Devices:
- Displays: Kiểu hiển thÞ: Point/ 7Seg/ Text/ Graphics;
Mono Chrome/Color (color numbers); Size,
indoor/outdoor, Resolution, Rate of Refreshing...
- C«ng nghƯ:
- LED (Light Emitting Diodes): point, 7(16) Segment,
Matrix character box (Bill Board), Outdoor LED
Screen...
- Organic LED,
- LCD (Liquid Crystal Display): single color, color,
active, TFT (thin film transistor
- CRT (Cathode Ray Tube).

P&I-Ch1:Architecture

16


1.1.1.b. T/bị Ngoại vi: Data Output Devices:
Printers:
- Spec: Text-Graphics, Mono-Color, Resolution, ppm –
page per minute, Size, Line-PostScript, media... :

- Pin Printer,
- Jet Printer,
- Laser Printer,
- Thermal Transfer Printer, barcode Printer.
- High Speed Text Printer,
- ...

P&I-Ch1:Architecture

17


1.1.1.b. T/bị Ngoại vi: Data Output Devices: Others

-

Plotter, jet
Modulator (MODEM), ®iÒu chÕ
Speaker
Actuator: Motor (dc/ac, Step), Relay, Valve,

P&I-Ch1:Architecture

18


1.1.1.b. T/bị Ngoại vi: Massive Storages:

- Magnetic devices: FDD, HDD, RAID, Tape backup
drive...

- Optical devices: CD [Writer] Drives, Magnetic Optic
disk drive...
- Semiconductor devices: FlashChip, PCMCIA Card...
- Tèc ®é truy nhËp cao, dung l−ỵng lín

P&I-Ch1:Architecture

19


1.1.1.c. Interface:
Lý do cần interface: khác nhau gia CS và wide world:
Mức tín hiệu (dòng, áp, analog ... ), kiểu biểu diễn tin tức
(nhiệt độ, áp suất, level... bit)
Tốc độ làm việc/tốc độ trao đổi số liệu,
Không đồng bộ...
Nên cần có mạch điện tử để thích ứng (Adapting - ports) và
ch/tr điều khiển, gồm:

Thiết bị (Hardware Circuitries - Adaptors): cỉng IO:
• Input/Output Ports: (Parallel/Serial): ghep nối víi
Computerized devices PPP (KB, Printer, Mouse,
Scanner, Modem, camera,... dïng VXL đa nang)
ã Controllers: thực chất là nhng hệ VXL chuyên
dùng - để ghép nối với nhung thiết bị chuyên
dùng FDC, HDC (IDE, EIDE), CRTC (EGA, VGA,
SVGA...)
P&I-Ch1:Architecture
20
ã Converter: để chuyển

đổi tín hiệu số thành tơng
tự và ngợc lại: ADC, DAC – vÝ dô sound card


IO buses:
• Expansion bus, IO bus, IO system, ...
• ISA, EISA, MC, PCI, USB, IEEE 1394,
SSA, IEEE 488 ...

P&I-Ch1:Architecture

21


1.1.1.c. Interface:

Ch/tr ®iỊu khiĨn – Device Driver:
- K/n: Hardware or Software?
+ Software: sản phẩm của NN lập trinh
+ Hardware: luôn gan liền với IO hardware
ã Liên kết System Programs and/or Application Programs
với IO hardware (SPIs và APIs).
ã Các hàm của thiết bị, BIOS, OS hoặc theo ứng dụng:
SLLs, DLLs, DRVs, ...
ã Hiện 1 xâu ký tự:
mov ah,9
mov dx,offset xau
int 21h

mov ah,0

int 16h ; BIOS same
mov ah,1
int 21h
P&I-Ch1:Architecture

22


Case study PC layers

Fig. 1b: PC’s Layers (IBM PC Institute)
P&I-Ch1:Architecture

23


1.1.2.
kiến trúc máy tính hiệu năng cao
hi performance architecture (server, desktop, laptop)

P&I-Ch1:Architecture

24


1.1.2. Hi-Per. Architecture:1.1.2.a. Local Buses:
VÝ dô VESA VL-Bus 2.0 [late 1993], Memory [1985].
Also called system/host/processor bus.
ChØ liªn kÕt CPU, MMU (gồm Cache, DRAM, shadowed
ROM ) và PCI Host [Bridge],

ít, gần, unbuffered (direct connected to Processor);
33, 66, 100, 133, 200, 400, 800 MHz... clock.
32 bit A/D (16 bit support also), burst mode, max 132
MBps,

Addr

D0

D1
D2
(data 4 byte)

D3

D4

H.1.3. VÝ dô burst mode:
P&I-Ch1:Architecture

25