Giáo trình vi xử lý

!"" Chương 1: Gi i thi u chung v b vi x lý Trư ng ðH Công nghi p Tp.HCM CHƯƠNG GI I THI U CHUNG V B I S PHÁT TRI N C A CÁC B VI X VI X LÝ LÝ: Th! h" (1971 $ 1973): ð • • • • c m chung c a vi x lý th h này: Bus d li u: bit Bus ñ"a ch#: 12 bit Cơng ngh ch t(o: PMOS T/c đ0 th1c hi n l nh: 10 – 60 5s/l nh v7i fCLOCK = 0,1 – 0,8 MHz M0t s/ b0 vi x lý ñ c trưng cho th h này: 4040 (Intel), PPSD4 (Rockwell International), … Th! h" (1974 $ 1977): ð • • • • c m chung c a vi x lý th h này: Bus d li u: bit Bus đ"a ch#: 16 bit Cơng ngh ch t(o: NMOS ho c CMOS T/c ñ0 th1c hi n l nh: – 5s/l nh v7i fCLOCK = – MHz M0t s/ b0 vi x lý ñ c trưng cho th h này: 6502 (Mos Technology), 6800/6809 (Motorola), 8080/8085 (Intel), Z80 (Zilog), … Th! h" (1978 $ 1982): ð • • • • c ñi m chung c a vi x lý th h này: Bus d li u: 16 bit Bus đ"a ch#: 20 D 24 bit Cơng ngh ch t(o: HMOS T/c ñ0 th1c hi n l nh: 0,1 – 5s/l nh v7i fCLOCK = – 10 MHz M0t s/ b0 vi x lý ñ c trưng cho th h này: 68000 / 68010 (Motorola), 8086 / 80186 / 80286 (Intel), … Th! h" (1983 $ nay): ð • • • • c m chung c a vi x lý th h này: Bus d li u: 32 D 64 bit Bus ñ"a ch#: 32 bit Cơng ngh ch t(o: HCMOS T/c đ0 th1c hi n l nh: 0,01 – 0,1 5s v7i fCLOCK = 20 – 100 MHz M0t s/ b0 vi x lý ñ c trưng cho th h này: 68020 / 68030 / 68040 / 68060 (Motorola), 80386 / 80486 / Pentium (Intel), … II SƠ ð) KH+I C A M T H VI X LÝ: ð"nh nghĩa h vi x lý: • KhN đưPc lQp trình đ thao tác d li u mà không cVn s1 can thi p c a ngưWi Chương 1: Gi i thi u chung v b vi x lý Trư ng ðH Cơng nghi p Tp.HCM • KhN lưu tr phXc hYi d li u TZng quát, h vi x lý gYm: • PhVn c\ng (Hardware): thi t b" ngo(i vi → ñ giao ti p v7i ngưWi • PhVn m]m (Software): chương trình → ñ x lý d li u CPU (Central Processing Unit): ñơn v" x lý trung tâm RAM (Random Access Memory): b0 nh7 truy xuct ngdu nhiên ROM (Read Only Memory): b0 nh7 ch# ñec Interface Circuitry: m(ch ñi n giao ti p Peripheral Devices (Input): thi t b" ngo(i vi (thi"t b$ nh%p) Peripheral Devices (Output): thi t b" ngo(i vi (thi"t b$ xu't) Address bus: bus ñ"a ch# Data bus: bus d li u Control bus: bus ñi]u n III ðƠN V- X LÝ TRUNG TÂM: CPU đóng vai trị ch đ(o h vi x lý, quNn lý tct cN ho(t đ0ng c a h th1c hi n tct cN thao tác d li u CPU m0t vi m(ch n t có đ0 tích hPp cao Khi ho(t ñ0ng, CPU ñ,c mã l nh ñưPc ghi dư7i d(ng bit bit tj b0 nh7, sau ñó sk th1c hi n gi/i mã l nh thành dãy xung ñi]u n tương \ng v7i thao tác l nh ñ ñi]u n kh/i khác th0c hi n tjng bư7c thao tác tj t(o xung đi]u n cho tồn h ! Chương 1: Gi i thi u chung v b vi x lý Trư ng ðH Công nghi p Tp.HCM IR (Instruction Register): ghi l nh PC (Program Counter / Instruction Pointer): b0 đ m chương trình / trm l nh Instruction decode and control unit: ñơn v" giNi mã l nh ñi]u n ALU (Arithmetic and Logic Unit): ñơn v" s/ hec logic Registers: ghi Tóm l(i, ho(t đ0ng CPU sk th1c hi n liên tXc thao tác: tìm n=p l nh gi/i mã – th0c hi n l nh • Thao tác tìm n=p l nh: N0i dung c a ghi PC ñưPc CPU ñưa lên bus ñ"a ch# (1) Tín hi u đi]u n đec (Read) chuy n sang tr(ng thái tích c1c (2) Mã l nh (Opcode) tj b0 nh7 ñưPc ñưa lên bus d li u (3) Mã l nh ñưPc chuy n vào ghi IR CPU (4) N0i dung c a ghi PC tăng lên m0t ñơn v" ñ chunn b" tìm n(p l nh k ti p tj b0 nh7 • Thao tác gi/i mã – th0c hi n l nh: Mã l nh tj ghi IR ñưPc ñưa vào ñơn v" giNi mã l nh ñi]u n ðơn v" giNi mã l nh ñi]u n sk th1c hi n giNi mã opcode t(o tín hi u đ đi]u n vi c xuct nhQp d li u gi a ALU ghi (Registers) Căn c\ tín hi u ñi]u n này, ALU th1c hi n thao tác ñã ñưPc xác ñ"nh M0t chuoi l nh (Opcode) k t hPp l(i v7i ñ th1c hi n m0t cơng vi c có ý nghĩa ñưPc gei chương trình (Program) hay phVn m]m (Software) IV B NH BÁN D=N: B0 nh7 bán ddn m0t b0 phQn khác rct quan treng c a h vi x lý, chương trình d li u ñ]u ñưPc lưu gi b0 nh7 B0 nh7 bán ddn h vi x lý gYm: • ROM: b0 nh7 chương trình → lưu gi chương trình đi]u n ho(t đ0ng c a tồn h th/ng • RAM: b0 nh7 d li u → lưu gi d li u, m0t phVn chương trình đi]u n h th/ng, \ng dXng k t quN tính tốn " Chương 1: Gi i thi u chung v b vi x lý Trư ng ðH Công nghi p Tp.HCM Sơ lưPc v] ccu trúc phân lo(i ROM – RAM: • ROM (Read Only Memory): b0 nh7 ch# đec, thơng tin ROM sk khơng b" mct cN nguYn n cung ccp cho ROM khơng cịn Ccu trúc ROM: Phân lo(i m0t s/ lo(i ROM: MROM (Mask ROM): ROM m t n( PROM (Programmable ROM): ROM lQp trình đưPc EPROM (Eraseable PROM): ROM lQp trình xóa đưPc UVDEPROM (Ultra Violet EPROM): ROM xóa bsng tia c1c tím EEPROM (Electric EPROM): ROM lQp trình xóa bsng tín hi u n Flash ROM: ROM lQp trình xóa bsng tín hi u n • RAM (Random Access Memory): b0 nh7 truy xuct ngdu nhiên (b* nh+ ghi đ-c), thơng tin RAM sk b" mct ñi nguYn ñi n cung ccp cho RAM khơng cịn Ccu trúc RAM: Phân lo(i m0t s/ lo(i RAM: DRAM (Dynamic RAM): RAM ñ0ng SRAM (Static RAM): RAM tĩnh Cách xác ñ"nh dung lưPng b0 nh7 bán ddn bit s dXng cho chip vi ñi]u n 8051 sau: • D1a vào s/ lưPng chân đ"a ch#: Dung lư?ng = 2N , v7i N s/ ñưWng ñ"a ch# c a b0 nh7 Ví d0: B0 nh7 bán ddn bit có 10 đưWng đ"a ch# Cho bi t dung lưPng c a b0 nh7 bao nhiêu? N = 10 → Dung lưPng = 210 = 1024 = KB # Chương 1: Gi i thi u chung v b vi x lý Trư ng ðH Cơng nghi p Tp.HCM • D1a vào mã s/ c a b0 nh7: Mã s/: XX YYYY XX: lo(i b0 nh7 27: UVDEPROM 28: EEPROM 61,62: SRAM 40,41: DRAM YYYY: dung lưPng b0 nh7 Dung lư?ng = YYYY (Kbit) ho c Dung lư?ng = YYYY / (KB) Ví d0: B0 nh7 có mã s/ 27256, dung lưPng c a b0 nh7 ? 27 → B0 nh7 UVFEPROM 256 → Dung lưPng = 256 (Kbit) = 32 (KB) V CÁC THIKT B- NGOLI VI (CÁC THIKT B- XUMT NHNP): M(ch ñi n giao ti p (Interface Circuitry) thi t b" xuct nhQp hay thi t b" ngo(i vi (Peripheral Devices) t(o khN giao ti p gi a h vi x lý v7i th gi7i bên B0 phQn giao ti p gi a bus h th/ng c a h vi x lý v7i th gi7i bên ngồi thưWng đưPc gei cZng (Port) Như vQy tùy theo tjng lo(i thi t b" giao ti p mà ta có cZng nhQp (Input) đ lcy thơng tin tj ngồi vào h cZng xuct (Output) đ đưa thơng tin tj h ngồi TZng qt, ta có lo(i thi t b" xuct nhQp sau: • Thi t b" lưu tr l7n: băng tj, đĩa tj, đĩa quang, … • Thi t b" giao ti p v7i ngưWi: hình, bàn phím, máy in, … • Thi t b" ñi]u n / ki m tra: b0 kích thích, b0 cNm bi n, … VI H TH+NG BUS: Bus tQp hPp đưWng dây mang thơng tin có ch\c Vi c truy xuct thơng tin t7i m0t m(ch n xung quanh CPU s dXng lo(i bus: bus đ"a ch#, bus d li u bus ñi]u n CPU s dXng h th/ng bus ñ th1c hi n thao tác đec (READ) ghi (WRITE) thơng tin gi a CPU v7i b0 nh7 ho c thi t b" ngo(i vi • Bus đ"a ch# (Address bus): ð chuy n tNi thơng tin c a bit đ"a ch# Là lo(i bus chi]u (CPU → MEM hay I/O) ð xác ñ"nh b0 nh7 ho c thi t b" ngo(i vi mà CPU cVn trao đZi thơng tin ð xác ñ"nh dung lưPng b0 nh7 ho c ngo(i vi mà CPU có khN truy xuct • Bus d li u (Data bus): ð chuy n tNi thông tin c a bit d li u Là lo(i bus chi]u (CPU ↔ MEM hay I/O) ð xác ñ"nh s/ bit d li u mà CPU có khN x lý m0t lúc • Bus đi]u n (Control bus): ð chuy n tNi thông tin c a bit ñi]u n (moi ñưWng dây m0t tín hi u đi]u n khác nhau) Là lo(i bus chi]u (CPU → MEM5I/O ho6c MEM5I/O → CPU) ð ñi]u n kh/i khác h nhQn tín hi u đi]u n tj kh/i đ ph/i hPp ho(t đ0ng $ Chương 1: Gi i thi u chung v b vi x lý VII VI X Trư ng ðH Công nghi p Tp.HCM LÝ – VI ðI U KHI N: ð phân bi t b0 vi x lý b0 vi ñi]u n ta có th d1a y u t/ sau: Y!u tP phân loSi Ccu trúc phVn c\ng (Hardware architecture) Các \ngdXng (Applications) Các ñ c trưng c a tQp l nh (Instruction set feature) CPU ROM RAM M(ch giao ti p n/i ti p M(ch giao ti p song song M(ch ñi]u n ngyt Các m(ch đi]u n khác zng dXng l7n, tính tốn ph\c t(p zng dXng nhm, tính tốn đơn giNn Các ki u ñ"nh ñ"a ch# ð0 dài tj d li u x lý Vi xU lý (Microprocessor) X Vi ñiXu khiZn (Microcontroller) X X X X X X X X X Nhi]u Ít Byte, Word, Double word, … Bit, Byte VIII MINH H[A KIKN TRÚC C A M T H VI ðI U KHI N: WDT (Watch5Dog Timer): B0 ñ"nh thWi WatchDDog OSC., OSC/N (Oscillator): B0 dao ñ0ng (N: h s/ chia tVn) Timer: B0 ñ"nh thWi A/D (Analog/Digital): B0 bi n đZi tín hi u tương t1/s/ SFR Registers (Special Function Register): Các ghi ch\c ñ c bi t RAM Memory: B0 nh7 d li u % Chương 1: Gi i thi u chung v b vi x lý Trư ng ðH Công nghi p Tp.HCM Program Memory: B0 nh7 chương trình EEPROM: B0 nh7 EEPROM I/O Ports: Các port xuct/nhQp Instruction Decoder: B0 giNi mã l nh ALU: ðơn v" logic s/ hec Accumulator: Thanh ghi tích lũy Control Logic: ði]u n logic Program Counter: B0 đ m chương trình Instructions/Addresses: Các l nh / ñ"a ch# IX L A CH[N B VI ðI U KHI N KHI THIKT KK: Có b/n he vi đi]u n thông dXng th" trưWng hi n là: 68xxx c a Motorola, 80xxx c a Intel, Z8xx c a Zilog PIC16xxx c a Microchip Technology Moi lo(i vi đi]u n đ]u có m0t tQp l nh ghi riêng nên chúng không tương thích ldn VQy ta ti n hành thi t k m0t h th/ng s dXng vi ñi]u n ta cVn d1a nh ng tiêu chunn nào? Có ba tiêu chnn chính: • Tiêu chu@n thA nhBt là: ðáp \ng u cVu tính tốn m0t cách hi u quN kinh t Do vQy, trư7c tiên ta cVn phNi xem xét b0 vi ñi]u n bit, 16 bit hay 32 bit thích hPp nhct M0t s/ tham s/ k€ thuQt cVn ñưPc cân nhyc chen l1a là: TDc ñ : t/c ñ0 l7n nhct mà vi ñi]u n ho trP KiFu IC: ki u 40 chân DIP, QFP ki u đóng vm khác (DIP: v8 d9ng hai hàng chân, QFP: v8 vuông d?t) Ki u đóng vm rct quan treng có u cVu v] không gian, ki u lyp ráp t(o mdu th cho sNn phnm cu/i Công suBt tiêu thG: m0t tiêu chunn cVn ñ c bi t lưu ý n u sNn phnm dùng pin ho c ñi n áp lư7i Dung lưPng b0 nh7 ROM RAM tích hPp s‚n chip S/ chân vào/ra b0 ñ"nh thWi chip KhN dƒ dàng nâng cao hi u suct ho c giãm công suct tiêu thX Giá thành m0t ñơn v" mua s/ lưPng l7n Vì vcn đ] có Nnh hư…ng đ n giá thành cu/i c a sNn phnm • Tiêu chu@n thA hai là: Có s‚n cơng cX phát tri n phVn m]m, ch†ng h(n chương trình mơ phmng, trình biên d"ch, trình hPp d"ch g‡ r/i • Tiêu chu@n thA ba là: KhN ñáp \ng v] s/ lưPng … hi n t(i … tương lai ð/i v7i m0t s/ nhà thi t k tiêu chunn thQm chí cịn quan treng cN hai tiêu chunn & & Giáo trình Vi x* lý $ # ! ! ! ! ! ! ! ! ! & & # '! '! '! '! '! '! '! '! %$ ! $ ' & '#& '($# '($# '# '# ' ' '! '! '! '! '! '! '! '! Ph l c 2: Thi t k kit vi ñi u n 8051 ! ! ! ! ! ! $ # ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! % % ! % ) ! ) " " " " " " " " 226 % % ! ! ! ! ! ! ! ! $ # & # &, - ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! % ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Biên so/n: Ph/m Quang Trí #$ % (!!!! ) *** + % (.!!! )1*** + !" ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Trư ng ðH Công nghi p Tp.HCM Ph l c 3: Thi t k ngo i vi Trư ng ðH Công nghi p Tp.HCM PH L C THI T K NGO I VI I T NG QUÁT: Các thi t b ngo i vi hay thi t b xu t nh p c a b vi ñi u n cho ta ñư ng truy n thơng gi!a b vi u n th gi#i bên Các thi t b ngo i vi ñư&c k t n'i tr(c ti p ho)c gián ti p v#i b vi u n thơng qua c+ng xu t,nh p (các port) c a b vi ñi u n Các thi t b ngo i vi ln ln ch u s( u n (nh n d li u) s( ki m tra (cung c p d li u) c a b vi u n T3 t o nên kh5 giao ti p gi!a vi ñi u n v#i th gi#i bên Phân lo i ngo i vi: ngo i vi ñi u n logic ngo i vi u n cơng su t Chú ý: m t s' thông s' k: thu t c;n ý c a chip vi ñi u n 8051 thi t k ngo i vi: VOL (Output Low Voltage) = 0.45 V VOH (Output High Voltage) = 4.5 V VIL (Input Low Voltage) = V … V VIH (Input High Voltage) = 2V V VCC (Operating Voltage) = V … V IO(MAX) (DC Output Current) = 25 mA (Port 0) IO(MAX) (DC Output Current) = 15 mA (Port 1, 2, 3) II NGO I VI ðI)U KHI*N LOGIC: xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Ví d : vi m ch s' (TTL, CMOS), LED, b chuy n đ+i tín hiGu (ADC, DAC), bàn phím, … Giáo trình Vi x# lý 227 Biên so n: Ph m Quang Trí Ph l c 3: Thi t k ngo i vi Trư ng ðH Công nghi p Tp.HCM ! ! Giao ti/p v2i LED: $% " # # ) % & Giao ti/p v2i LED ño7n (ch/ ñ: hi;n th< tĩnh): ( &! &' &! & ! ! % # # $% " Giáo trình Vi x# lý 228 Biên so n: Ph m Quang Trí Ph l c 3: Thi t k ngo i vi , , Trư ng ðH Cơng nghi p Tp.HCM Ưu đi"m: c u trúc nguyên tIc ñi u n ñơn gi5n Như&c ñi"m: S' lư&ng Led ño n k t n'i v#i vi u n khơng nhi u mOi Led đo n ph5i có m t vi m ch gi5i mã; tiêu t'n lư&ng r t nhi u (vì mu)n Led đo,n sáng ph.i có dịng ñi n liên t c ñi qua) Giáo trình Vi x# lý 229 Biên so n: Ph m Quang Trí Giáo trình Vi x# lý ! ! Ph l c 3: Thi t k ngo i vi &! &! &' # # % & & % & % " $% ! ! ! ! * * 230 % & ! ! * % & ! ! * % & ! ! * % & ! ! * % & ! ! * Biên so n: Ph m Quang Trí % & ! ! * Trư ng ðH Công nghi p Tp.HCM Ph l c 3: Thi t k ngo i vi Trư ng ðH Công nghi p Tp.HCM Giao ti/p v2i LED ño7n (ch ñ; hi