Kỹ thuật ghép nối máy tính

Nguyn Tun Linh BM KTMT Khoa Điện tử Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Kỹ thuật ghép nèi m¸y tÝnh Tháng 9/2007 Nguyễn Tuấn Linh – BM KTMT – Khoa Điện Tử Bài giảng môn học: Kỹ thuật ghép nối máy tính Chương Đại cương kỹ thuật ghép nối máy tính 1.1 1.2 Cấu trúc chung hệ thống Yêu cầu trao đổi tin máy vi tính mơi trường bên ngồi 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.3 Dạng loại tin trao đổi máy vi tính thiết bị ngồi (TBN) .8 1.3.1 1.3.2 1.4 Vai trò Nhiệm vụ Cấu trúc chung hệ ghép nối máy tính 11 1.5.1 1.5.2 1.6 Dạng tin (số) Các loại tin .8 Vai trò nhiệm vụ khối ghép nối (KGN) 1.4.1 1.4.2 1.5 Yêu cầu trao đổi tin với người điều hành Yêu cầu trao đổi tin với thiết bị hệ đo lường – điều khiển Yêu cầu trao đổi tin mạng máy tính .8 Cấu trúc đường dây KGN với MVT .11 Cấu trúc chung khối ghép nối 11 Chương trình phục vụ trao đổi tin cho khối ghép nối 12 1.6.1 1.6.2 1.6.3 Lập trình hợp ngữ (assembly) 12 Lập trình Pascal 13 Lập trình C/C++ 13 Chương Giao tiếp với tín hiệu tương tự .15 2.1 2.2 Khái niệm tín hiệu analog hệ đo lường điều khiển số 15 Chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự DACs 15 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.3 Các tham số DAC 15 DAC chia điện trở (Resistive Divider DACs) .17 DAC trọng số nhị phân (Binary Weighted DACs) 17 DAC điều biến độ rộng xung (PWM DACs) 18 Chuyển đổi tín hiệu tương tự - số ADCs: 18 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 Các tham số ADC 19 A/D xấp xỉ tiệm cận .20 Tích phân sườn dốc 21 Flash ADC .21 Chương Thủ tục trao đổi tin máy vi tính 23 3.1 3.2 Các chế độ trao đổi tin máy vi tính 23 Trao đổi tin ngắt vi xử lý 24 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.3 Các loại ngắt máy vi tính PC 24 Xử lý ngắt cứng IBM - PC: 27 Lập trình xử lý ngắt cứng: 30 Trao đổi tin trực tiếp khối nhớ 32 3.3.1 3.3.2 3.3.3 Cơ chế hoạt động: 32 Hoạt động DMAC: 32 Chip điều khiển truy nhập nhớ trực tiếp DMAC 8237 .33 Chương Rãnh cắm mở rộng 39 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 Đặt vấn đề 39 Bus PC 40 Bus ISA (16 bit) .40 Bus PCI 43 Ghép nối qua khe cắm mở rộng 43 Nguyễn Tuấn Linh – BM KTMT – Khoa Điện Tử 4.5.1 4.5.2 Một số đặc điểm Card ISA 43 Giải mã địa kết nối Bus liệu 43 Chương Ghép nối trao đổi tin song song 45 5.1 5.2 Khối ghép nối song song đơn giản 45 Các vi mạch đệm, chốt (74LS245, 74LS373) 46 5.2.1 5.2.2 5.3 Vi mạch PPI 8255A 46 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.4 Vi mạch đệm 74LS245: 46 Vi mạch chốt 74LS373: 46 Giới thiệu chung 47 Các lệnh ghi đọc cổng ghi điều khiển 48 Các từ điều khiển 48 Ghép nối 8255A với MVT TBN 52 Ghép nối song song qua cổng máy in 55 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 Ghới thiệu chung 55 Cấu trúc cổng máy in 56 Các ghi cổng máy in: 58 EPP - Enhanced Parallel Port 60 Chương Ghép nối trao đổi tin nối tiếp 67 6.1 6.2 Đặt vấn đề 67 Yêu cầu thủ tục trao đổi tin nối tiếp: 67 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.3 Truyền thông nối tiếp sử dụng giao diện RS-232: 69 6.3.1 6.3.2 6.4 Yêu cầu: 67 Trao đổi tin đồng bộ: Synchronous 68 Trao đổi tin không đồng - Asynchronous: 68 Quá trình truyền byte liệu: 69 Cổng nối tiếp RS 232 70 Giao tiếp USB máy PC: 85 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4 6.4.5 6.4.6 6.4.7 Giới thiệu chung 85 Mô tả hệ thống USB 85 Giao diện vật lý 87 Sự điểm danh 92 Các kiểu truyền USB 93 Giao thức USB 94 Khn dạng gói tin 96 Chương Giao tiếp với thiết bị ngoại vi 99 7.1 Giao tiếp với bàn phím mouse 99 7.1.1 7.1.2 7.2 7.3 Giao tiếp PC Game .105 Monitor card giao diện đồ hoạ 107 7.3.1 7.3.2 Bàn phím 99 Chuột 104 Nguyên lý ảnh monitor 107 Card giao tiếp đồ họa 108 Nguyễn Tuấn Linh – BM KTMT – Khoa Điện Tử Giới thiệu mơn học • Tên mơn học: Kỹ thuật ghép nối máy tính (Computer Interfacing) • Mục tiêu: - Trang bị cho sinh viên kiến thức ghép nối máy tính vai trị ghép nối máy tính hệ thống tự động - Nghiên cứu giao tiếp máy tính với thiết bị ngoại vi như: khe cắm (ISA, PCI, ), cổng vào (LPT, COM, USB,…) - Thiết kế xây dựng hệ thống ghép nối máy tính đáp ứng yêu cầu cụ thể đặt thực tế • Tài liệu tham khảo - Ngô Diên Tập, Kỹ thuật ghép nối máy tính, NXB KHKT, - Ngơ Diên Tập, Đo lường điều khiển máy tính, NXB KHKT - Nguyễn Mạnh Giang, Kỹ thuật ghép nối máy vi tính, NXB Giáo dục, tập - Đỗ Xuân Tiến, Kỹ thuật lập trình điều khiển hệ thống, NXB KHKT - Ngơ Diên Tập, Lập trình ghép nối máy tính Windows, NXB KHKT Nguyễn Tuấn Linh – BM KTMT – Khoa Điện Tử Nguyễn Tuấn Linh – BM KTMT – Khoa Điện Tử Chương 1: Đại cương kỹ thuật ghép nối máy tính Chương Đại cương kỹ thuật ghép nối máy tính 1.1 Cấu trúc chung hệ thống Máy vi tính hay hệ vi xử lý có cấu trúc chung Von Newman đề xuất gồm khối xử lý trung tâm (CPU), nhớ (Memory) cổng vào/ra (I/O), hình 1.1 Ngồi ra, MVT cần phải trao đổi liệu với mơi trường bên ngồi, ví dụ giao tiếp với người sử dụng qua bàn phím, hình, trao đổi liệu với thiết bị ngoại vi thông dụng, thiết bị hệ đo – điều khiển, MVT khác mạng Do khối ghép nối thiết bị ngoại vi xây dựng, gồm: • KGN thiết bị vào chuẩn bàn phím, chuột, … • KGN thiết bị chuẩn hình, máy in, … • KGN nhớ ngồi chuẩn ổ cứng, ổ CD, … • KGN với máy tính khác mạng nhiều máy tính • KGN với hệ vi điều khiển, vi xử lý • KGN với hệ đo – điều khiển Trong đó: VXL: Vi xử lý RAM: Random Access Memory – Bộ nhớ RAM ROM: Read-only Memory – Bộ nhớ ROM BGN: Bộ ghép nối, khối ghép nối CN: Công nghiệp ĐK: Điều khiển Nguyễn Tuấn Linh – BM KTMT – Khoa Điện Tử Chương 1: Đại cương kỹ thuật ghép nối máy tính 1.2 Yêu cầu trao đổi tin máy vi tính mơi trường bên 1.2.1 Yêu cầu trao đổi tin với người điều hành Người điều hành (người sử dụng) máy vi tính (MVT) cần đưa lệnh (dưới dạng chữ) số liệu thơng qua bàn phím Khi người điều hành bấm vào phím bàn phím mã tạo truyền vào nhớ MVT đồng thời hiển thị lên hình chữ số bấm 1.2.2 Yêu cầu trao đổi tin với thiết bị hệ đo lường – điều khiển Trong hệ đo lường – điều khiển, máy tính nhận liệu trạng thái vật lý hệ thống (nhiệt độ, áp suất, điện áp, dòng điện, ) dạng tín hiệu điện, từ cảm biến (sensor), chuyển đổi (transducer), phát (detector), máy tính cịn nhận thơng tin vể trạng thái sẵn sàng hay bận thiết bị Máy tính sau trao đổi liệu với thiết bị ngoại vi, thu thập xử lý liệu, tính tốn tín hiệu điều khiển đưa cấu chấp hành (các van đóng mở, rơ le mạch điện, mạch động lực điều tốc động điện, ) hay đưa thông số thiết lập chế độ hoạt động cho thiết bị Ngồi máy tính cịn làm nhiệm vụ lưu trữ liệu để tra cứu, thống kê hiển thị kết trạng thái hoạt động thiết bị dạng đồ thị hay hình vẽ trực quan 1.2.3 Yêu cầu trao đổi tin mạng máy tính Một máy tính mạng cần trao đổi tin với nhiều người sử dụng mạng, với nhiều máy vi tính khác, với nhiều thiết bị ngồi như: thiết bị đầu cuối, thiết bị nhớ ngoài, thiết bị lưu trữ biểu diễn tin 1.3 Dạng loại tin trao đổi máy vi tính thiết bị ngồi (TBN) 1.3.1 Dạng tin (số) MVT trao đổi tin dạng số với mức logic Thiết bị lại trao đổi tin với nhiều dạng khác dạng số, dạng ký tự, dạng tương tự, dạng âm tần hình sin tuần hồn 1.3.2 Các loại tin • MVT đưa thiết bị loại tin: Tin địa chỉ: Đó tin địa TBN hay xác hơn, địa ghi đệm khối ghép nối đại diện cho TBN Tin lệnh điều khiển: Đó tín hiệu để điều khiển khối ghép nối hay TBN đóng mở thiết bị, đọc ghi ghi, cho phép hay trả lời yêu cầu hành động, vv Nguyễn Tuấn Linh – BM KTMT – Khoa Điện Tử Chương 1: Đại cương kỹ thuật ghép nối máy tính Tin số liệu: Đó số liệu cần đưa cho thiết bị ngồi • Máy tính nhận tin vào từ TBN hai loại tin: Tin trạng thái TBN: Đó tin sẵn sàng hay yêu cầu trao đổi tin, trạng thái sai lỗi TBN Tin số liệu: Đó số liệu cần đưa vào MVT 1.4 Vai trò nhiệm vụ khối ghép nối (KGN) 1.4.1 Vai trò Khối ghép nối nằm MVT TBN đóng vai trị biến đổi trung chuyển tin chúng Nguồn Nguồn nhận Nguồn phát MVT Nguồn nhận TBN Nguồn nhận Nguồn phát Ghép nối đường dây MVT Nguồn nhận Nguồn phát Ghép nối đường dây TBN Vị trí vai trị khối ghép nối 1.4.2 Nhiệm vụ • Phối hợp mức cơng suất tín hiệu - Mức tín hiệu MVT thường mức TTL (0V – 5V) TBN có nhiều mức khác nhau, thông thường cao (± 15V, ± 48V) hay mức điện công nghiệp (220V/380V lớn hơn) - Công suất đường dây MVT nhỏ (cỡ chục mA), công suất cần cho TBN thường lớn, đặc biệt cơng nghiệp - Do KGN phải biến đổi điện áp khuếch đại công suất cho phù hợp máy tính thiết bị - Phía máy tính thường dùng vi mạch trạng thái để ghép nối tín hiệu vào/ra Đầu vào/ra mức trở kháng cao khơng có trao đổi liệu, để lập thiết bị với máy tính, hạn chế tiêu thụ công suất đường dây bảo vệ máy tính • Phối hợp dạng liệu: Trao đổi tin MVT thường song song dạng số, truyền theo 8, 16 32 bít, TBN nối tiếp chủ yếu tín hiệu tương tự Nguyễn Tuấn Linh – BM KTMT – Khoa Điện Tử Chương 1: Đại cương kỹ thuật ghép nối máy tính • Phối hợp tốc độ trao đổi tin Máy tính thường hoạt động với tốc độ cao (tần số lên tới hàng GHz) thiết bị thường hoạt động chậm nhiều Do cần phải thực đồng mặt tốc độ Việc thường có kết hợp phần cứng phần mềm Trên KGN phải có nhớ đệm để đệm liệu giưa máy tính thiết bị KGN nhận từ máy tính lưu liệu nhớ đệm truyền cho thiết bị theo nhịp chậm thiết bị, giải phóng cho máy tính làm nhiệm vụ khác (phục vụ thiết bị khác, xử lý liệu điều khiển hiển thị, ) Tương tự, KGN nhận liệu từ thiết bị chờ máy tính đọc liệu vào • Phối hợp phương thức trao đổi tin Để đảm bảo trao đổi tin cách tin cậy MVT TBN, cần có KGN cách trao đổi tin diễn o trình tự định Việc trao đổi tin máy tính khởi xướng (1) MVT đưa lệnh dể khởi động TBN hay khởi động KGN (2) MVT đọc trả lời sẵn sàng trao đổi hay trạng thái sẵn sàng TBN Nếu có trạng thái sẵn sàng trao đổi tin, không, chờ đọc lại trạng thái (3) MVT trao đổi đọc thấy trạng thái sẵn sàng Việc trao đổi tin TBN khởi xướng: (1) Để giảm thời gian chờ đợi trạng thái sẵn sàng TBN, MVT khởi động TBN thực nhiệm vụ khác Việc trao đổi tin diễn khi: (2) TBN đưa yêu cầu trao đổi tin vào phận xử lý ngắt KGN, để đưa yêu cầu ngắt chương trình cho MVT (3) Nếu có nhiều TBN đưa yêu cầu đồng thời, KGN xếp o ưu tiên định sẵn, đưa yêu cầu trao đổi tin cho MVT (4) MVT nhận yêu cầu , sửa soạn trao đổi đưa tín hiệu xác nhận sẵn sàng trao đổi (5) KGN nhận truyền tín hiệu xác nhận cho TBN (6) TBN trao đổi tin với KGN KGN trao đổi tin với MVT (nếu đưa tin vào) (7) MVT trao đổi tin với TBN qua KGN (nếu đưa tin ra) - 10 Nguyễn Tuấn Linh – BM KTMT – Khoa Điện Tử ... học: Kỹ thuật ghép nối máy tính (Computer Interfacing) • Mục tiêu: - Trang bị cho sinh viên kiến thức ghép nối máy tính vai trị ghép nối máy tính hệ thống tự động - Nghiên cứu giao tiếp máy tính. .. Điện Tử Bài giảng môn học: Kỹ thuật ghép nối máy tính Chương Đại cương kỹ thuật ghép nối máy tính 1.1 1.2 Cấu trúc chung hệ thống Yêu cầu trao đổi tin máy vi tính mơi trường bên 1.2.1... BM KTMT – Khoa Điện Tử Chương 1: Đại cương kỹ thuật ghép nối máy tính Chương Đại cương kỹ thuật ghép nối máy tính 1.1 Cấu trúc chung hệ thống Máy vi tính hay hệ vi xử lý có cấu trúc chung Von