NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ VI XỬ LÝ MÁY TÍNH VÀ PHÁT TRIỂN TRÊN CÁC HỆ VI XỨ LÝ TÍCH HỢP TRÊN CHIP(SoC)

ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG -0-0 - ĐỀ TÀI NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ VI XỬ LÝ MÁY TÍNH VÀ PHÁT TRIỂN TRÊN CÁC HỆ VI XỨ LÝ TÍCH HỢP TRÊN CHIP(SoC) Sinh viên: Nguyễn Văn Tùng MSV: 19810420022-D14 DT&KTMT Tiểu luận kết thúc học phần : Kỹ thuật vi xử lý Giảng viên : ThS Phan Thị Thanh Ngọc Hà Nội – 2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Độc lập - Tự - Hạnh phúc BÀI TIỂU LUẬN KẾT THÚC HỌC PHẦN Môn: Kỹ thuật vi xử lý Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Tùng Mã SV:19810420022 Lớp:D14 DT&KTMT Khoa:ĐTVT Ngành đào tạo: Công nghệ điện tử &Kỹ thuật máy tính Hệ đào tạo: Chính quy Đề bài: Nguyên lý hoạt động hệ vi xử lý máy tính phát triển ứng dụng hệ vi xử lý on-chip (SoC) Yêu cầu: Chủ yếu tự chốt kiến thức, hiểu nội dung chốt lại (có thể tự vẽ hình minh họa cắt hình tài liệu) Thời gian làm tiểu luận: Từ 6/10 đến 17/10 Ngày nộp: 17/10/2021 Hà Nội, ngày 16 tháng 10 năm 2021 Sinh viên Nguyễn Văn Tùng Điểm Giáo viên chấm Giáo viên chấm Mục lục A.Lời mở đầu………………………………………………………………………………….4 B.Nội dung…………………………………………………………………………… …… I Cấu trúc, nguyên lý hoạt động , nhiệm vụ hệ vi xử lý máy tính /CPU 1.Cấu trúc kết nối hệ vi xử lý máy tính/CPU……………………………………………….4 Nguyên lý hoạt động hệ vi xử lý máy tính/CPU…………………………………… 3.Nhiệm vụ hệ /CPU…………………………………………………………………… 3.1 Bản chất nhiệm vi hệ vi xử lý/CPU: Lấy lệnh (1) - Thực lệnh (2)…… 3.2 Triển khai tiếp pha :Lấy lệnh (1) thực lệnh (2)………………………6 3.3 Tập lệnh…………………………………………………………………………….8 4.CPU truy cập BN, đọc /ghi nhớ, đọc ghi I/O………………………………………… 10 4.1.Đọc chân bên RAM…………………………………………………….10 4.2.Truy cập nhớ………………………………………………………………… 10 4.3.CPU làm thực lệnh đọc nhớ……………… 11 5.Cấu trúc bên chip vi xử lý……………………………………………………………12 6.Sơ đồ chân bên kết nối hệ thống……………………………………………………14 7.Tổ chức nhớ & giải mã địa chỉ………………………………………………………… 14 8.Tổ chức vào (I/O)…………………………………………………………………………15 II Phát triển ứng dụng hệ vi xử lý on-chip (SoC) 1.Cấu trúc chung hệ vi xử lý on-chip(SoC)…………………………………………16 Giới thiệu Arduino……………………………………………………………………….16 Giới thiệu Shield Module hỗ trợ Arduino………………………………………….17 4.Giới thiệu cảm biến (sensor)…………………………………………………………….18 Phần cứng Arduino UNO R3…………………………………………………………18 6.Thông số kỹ thuật - UNO R3………………………………………………………………20 Tô chức I/O………………………………………………………………………………….20 8.Nguồn…………………………………………………………………………………………21 Cấu trúc ví dụ chương trình phần mêm IDE…………………………21 10.Ứng dụng Arduino đời sống……………………………………………………22 C.kết luận………………………………………………………………………………….23 A LỜI MỞ ĐẦU Nếu bạn người thường xuyên tiếp xúc với máy tính khái niệm hệ vi xử lý(CPU) khơng cịn xa lạ nhiên để hiểu chất nguyên lý hoạt động cách cặn kẽ sâu sắc lại chuyện khác Công nghệ Vi xử lý thành tựu khoa học đánh dấu bước ngoặt lịch sử phát triển ngành khoa học – cơng nghệ Nó đóng góp hàng loạt ứng dụng sản phẩm vào đời sống thực tiễn người, hầu hết tất lĩnh vực Đặc biệt công nghiệp hóa đại hóa nước ta Trước đây, hệ thống chẳng hạn hệ thống máy tính nhúng thường hình thành từ nhiều vi mạch gắn lên mạch , ghép nối với để thực chức hệ thống Ngày nay, nhờ phát triển nhanh chóng cơng nghệ bán dẫn kỹ thuật thiết kế mạch tích hợp, tích hợp hệ thống hồn chỉnh lên vi mạch đơn với kích thước tối đa inch2 Hệ thống tích hợp vi mạch đơn gọi Hệ thống chip (trong tiếng Anh gọi "System-on-Chip" viết tắt "SoC") Với ưu điểm mà công nghệ vi xử lý mang lại, cần phải khai thác phát phát triển rộng rãi hơn, để hiểu sử dụng cơng nghệ vào thực tiễn Là sinh viên ngành điện tử viễn thông , em vận dụng kiến thức , hiểu biết để viết tiểu luận : “Nguyên lý hoạt động hệ vi xử lý máy tính phát triển ứng dụng hệ vi xử lý on-chip” B.Nội dung I.Cấu trúc, nguyên lý hoạt động , nhiệm vụ hệ vi xử lý máy tính /CPU 1.Cấu trúc kết nối hệ vi xử lý máy tính/CPU Gồm Khối : CPU, RAM, ROM, I/O, đường dẫn Bus - CPU :Nắm quyền kiểm sốt tồn thành phần có hệ thống, thực thao tác liên quan tới phép tính tốn, xử lý, biến đổi dạng tín hiệu nhị phân hệ điều khiển chương trình cài đặt nhớ trung tâm hệ vi xử lý - Bộ nhớ o ROM : Không bị liệu , chứa liệu điều khiển hệ thống lúc khởi động o RAM :Mất liệu nguồn , chứa chương trình liệu tron trình - Bộ nhớ ngoài: o HDD, CD/USB, ổ mạng : Lưu toàn chương trình liệu dung cho máy tính - Các đường dẫn Bus: o Bus địa chỉ(address Bus) : Đây kênh chiều từ vi xử lý để quản lý thành phần có hệ cách gán cho thành (16, 20, 24, 32, 36 bit tùy thuộc vào vi xử lý) + Số ô nhớ đánh địa 2n o Bus liệu(data Bus): Đây kênh hai chiều dùng để trao đổi thông tin vi xử lý thành phần có hệ.( 8, 16, 32, 64 bit tùy thuộc vào vi xử lý) o Bus điều khiển: Đây tập hợp dây tín hiệu điều khiển để tạo liên lạc vi xử lý thành phần có hệ nhằm đồng hoá chế độ thao tác hệ thống - Phối ghép vào I/O: Thông tin số dùng để trao đỏi thông tin với thiết bị ngoại vi o Đối với thiết bị ngoại vi làm việc theo nguyên tắc phi số cần biến đổi dạng tín hiệu để hệ vi xử lý thiết bị ngoại vi hiểu Các biến đổi biến đổi tín hiệu liên tục sang tín hiệu số ADC (Analog To Digital Converter) biến đổi tín hiệu số sang tín hiệu liên tục DAC (Digital To Analog Converter) - Các thiết bị I/O: Màn hình, máy in, loa, thiết bị xuất: đưa liệu nhìn , nghe, đọc 2.Nguyên lý hoạt động hệ vi xử lý máy tính/CPU: - Hệ làm việc theo chương trình ( tự động ) Chương trình lập sẵn: lưu ROM/ BN ngồi ( RAM khơng lưu ) - Chương trình tập lệnh -> tập lệnh nạp vào RAM để hệ làm việc theo chương trình o RAM: chứa/ nhớ tập lệnh , tốc độ đọc ghi nhanh(sử dụng điện) ( ghi = thiết lập byte liệu 0/1) o RAM cung cấp ô nhớ ( thụ động, chờ để đọc/ ghi liệu vào/ ) o I/O cung cấp ô cổng (thụ động, chờ để đọc/ ghi liệu vào/ ra) o CPU nhận lệnh từ RAM: thực theo chương trình lập sẵn(ctr lưu ROM/BN ngoài) o CPU: điều khiển hệ thống bus đọc/ghi BN , đọc/ghi I/O 3.Nhiệm vụ hệ /CPU - Chương trình nạp vào RAM, CPU nhận thực lệnh lệnh  Nhiệm vụ Hệ/ CPU = thực chương trình = thực lệnh, lệnh ( RAM)=Lặp lặp lại: nhận lệnh (1)- Thực lệnh(2) 3.1 Bản chất nhiệm vi hệ vi xử lý/CPU: Lấy lệnh (1) - Thực lệnh (2)  - Việc chia CPU thành phần làm việc đồng thời có liên hệ với qua đệm lệnh làm tăng đáng kể tốc độ xử lý CPU - Các bus bên CPU có nhiệm vụ chuyển tải tín hiệu khối - Trong số bus có bus liệu 16 bit ALU, bus tín hiệu điều khiển EU bus hệ thống BIU - Để Chương trình chạy máy tính chương trình nạp vào RAM- Bản chất chương trình tập lệnh mã hóa dạng 0/1( bus liệu)  Bản chất lấy lệnh o Chương trình = tập lệnh ( nạp vào RAM) => CPU nhận lệnh từ hàng đợi lệnh(BIU) thực lệnh lệnh o EU lấy mã lệnh khối điều khiển , khối điều khiển xử lí lệnh giải mã , phân loại thành loại tập lệnh khác nhau(Các lệnh di chuyển liệu -Các lệnh logic số học - Các lệnh điều khiển chương trình)  Bản chất thực lệnh o Các loại liệu khối điều khiện sau phân loại đưa vào ghi ( chúng lưu trữ mã lệnh trước sau xử lý)=> phân loại tập lệnh để đưa q khối tính tốn (ALU) thực phép tốn học hay logic => kết xử lý ALU chuyển đến ghi ghi đa năng=>kết trỏ đến ghi đoạn trỏ lệnh 3.2 Triển khai tiếp pha :Lấy lệnh (1) thực lệnh (2) - CPU, RAM, IO kết nối với thông qua Bus Nhiệm vụ Hệ/ CPU = thực chương trình = thực lệnh, lệnh ( RA CPU (nhận từ (RAM)- thực thi) = đọc lệnh (1)-thực lệnh (2)( lập lại) (1) Đọc lệnh (RAM) :CPU nhận lệnh từ RAM(CPU điều khiển bus , chủ đạo)  Cpu điều khiển bus để nhận lệnh , chủ trì , điều khiển bus hệ thống  RAM (chỉ cung cấp ô nhớ( thụ động chờ đọc/ghi vào/ra)~ tương tự chức IO  CPU(3 khối) : nhiệm vụ chủ động đọc BN/IO  Đọc Lệnh = Đọc nhớ (2) Thực thi lệnh :Chương trình nạp vào RAM , CPU điều khiển bus để nhận lệnh thực tưng lệnh lệnh  VD: Phân thích ví dụ tính diện tích hình chữ nhật để hiểu rõ việc thực thi chương trình  Biên Dịch #include"stdio.h" #include"conio.h" int main() { int a,s,b; //(Cấp phát nhớ RAM) => ô nhớ: kích thước byte, chứa liệu kiểu nguyên printf ("Nhap chieu dai : "); //(in hình dịng chữ…) [ghi IO] scanf("%d",&a); (đọc cổng bàn phím) // chờ người sử dụng gõ vào giá trị => đọc mã scan phím , ghi vào ô a nhớ [đọc IO] → [ghi RAM (ô nhớ a)] printf(“Nhap chieu rong: “); // ( in hình dịng chữ …)[ghi IO] scanf("%d",&b); (đọc cổng bàn phím) // chờ người sử dụng gõ vào giá trị => đọc mã scan phím , ghi vào ô b nhớ [đọc IO] → [ghi RAM (ơ nhớ b)] s=a*b;// tính diện tích [đọc RAM (ô nhớ a)] ,đọc Ram (ô nhớ b) → tính tốn a*b [ALU] → [ghi RAM(ơ nhớ s)] printf("Dien tich hinh chu nhat la: %d",s);// xuất kết hình [đọc RAM (ơ nhớ s)] → (ghi cổng hình) [ghi IO] } => Bản chất chương trình gồm đủ thao tác : Nhận vào → xử lý tính tốn→ xuất kết =>Bản chất thực lệnh: Đọc BN Ghi BN Đọc IO Ghi IO Hoặc Tính tốn  Biên Dịch - Lệnh chương trình: + Lệnh tính tốn số học logic + Di chuyển liệu ghi nhớ printf ("Nhap chieu dai : "); => Biên dịch => ghi IO(OUT) [1 lệnh]=> dịch hệ 2: scanf("%d",&a);=>Biên dịch 1=> Đọc IO(IN),Ghi BN(MOV) [2 lệnh] =>dịch hệ printf(“Nhap chieu rong: “);=> Biên dịch 1=>Ghi IO(OUT) [1 lệnh]=> dịch hệ scanf("%d",&b);=>Biên dịch 1=> Đọc IO(IN),Ghi BN(MOV) [2 lệnh]=>dịch hệ s=a*b;=> biên dịch 1=> Tính Tốn: Đọc BN(MOV), tính nhân số a*b,Ghi BN[3 lệnh]=> dịch hệ printf("Dien tich hinh chu nhat la: %d",s);=> biên dịch 1=> Đọc BN(MOV), Ghi IO(OUT) [2 lệnh]=> dịch hệ Chương trình dùng 11 lệnh để thực chương trình Dùng bit để mã hóa biểu diễn 24 giá trị= 16 0000 lệnh 0001 lệnh … 1011 lệnh 11  Tóm lại Bản chất nhận lệnh : đọc nhớ Bản chất thực lệnh : Đọc BN Ghi BN Đọc IO Ghi IO Hoặc Tính tốn 3.3 Tập lệnh Từ ví dụ tập lệnh ta tìm hiểu chất lệnh di chuyển liệu :  Các lệnh di chuyển liệu:MOV, XCHG, POP, PUSH, POPF, PUSHF, IN, OUT,LDS, LEA, LES  MOV: - Đọc/Ghi Bộ nhớ dùng MOV - Đọc ghi nhớ ,chuyển liệu CPU(thanh ghi) Bộ nhớ - Chuyển liệu ghi ghi  POP , PUSH: - PUSH:Dùng để cất từ từ ghi ô nhớ vào ngăn xếp - POP: Dùng để lấy lại từ vào ghi ô nhớ từ đỉnh ngăn xếp => Đọc ngăn xếp ghi ngăn xếp( chất giống đọc/ ghi nhớ)  POPF: Lấy từ từ đỉnh ngăn xếp đưa vào ghi cờ=> đọc/ghi nhớ  PUSHF: Cất nội dung ghi cờ vào ngăn xếp=> đọc/ghi I/O  IN:Dùng để đọc byte , byte liệu từ cổng vào ghi AL AX => Đọc I/O  Out :Dùng để đưa 1byte ,2 byte liệu từ ghi AL AX cổng => Ghi I/O  LDS,LEA,LES:Chuyển địa => Lấy địa biến , nhãn , tên chương trình con(lưu nhớ) CPU =>Bản chất lệnh di chuyển liệu : đọc /ghi nhớ , đọc/ghi I/O  Các lệnh di chuyển chuỗi MOVS, MOVSB, MOVSW,LODS(B/W)( chuỗi đích , chuỗi nguồn) - Dùng để di chuyển chuỗi liệu,tiện lợi nhiều so với dung lệnh MOV( lệnh MOV di chuyển byte , 2byte, vào ghi )  Các lệnh số học: ADD, ADC, SUB, MUL, IMUL, DIV, IDIV, INC, DEC - ADD:Lệnh cộng toán hạng - ADC:Lệnh cộng có nhớ - SUB:Lệnh trừ - MUL:Lệnh nhân số khơng đấu - IMUL:Lệnh nhân số có dấu - DIV:Lệnh chia số không dáu - IDIV: chia số có dấu - INC:Lệnh cộng vào tốn hạng ghi ô nhớ - DEC:Lệnh trừ từ nội dun  Các lệnh logic: AND, OR, NOT, NEG, XOR =>Các lệnh logic số học chất dịch toán  Lệnh quay dịch : RCL(quay trái),RCR(quay phải) ,SAL(dịch trái),SAR(dịch phải),SHL,SHR  Lệnh so sánh : - CMP :Dùng để so sánh byte từ - CMPS: Dùng để so sánh phần tử chuỗi có phần từ loại 4.CPU truy cập BN, đọc /ghi nhớ, đọc ghi I/O 4.1.Đọc chân bên RAM  - Các đầu vào địa :A0,A1,A2, ,Am-1 (m ô nhớ ) Các đầu vào/ liệu:D0,D1,D2, ,Dn-1( ô nhớ lưu trữ n bít liệu) Cs chọn vi mạch WE WR(write) OE RD(read) Ví dụ : RAM 256 byte Bus địa :Cần bit địa đánh số từ -> 255(A0-> A7) Bus liệu :Cần bit (mỗi ô byte liệu =8 bit) (D0-> D7) 4.2.Truy cập nhớ -Nhận tín hiệu điều khiển từ ngồi vào ( CS , RD, WR) => Bản chất nhớ Ram là: để chứa/ nhớ liệu ( kho byte/ từ nhớ) - Chờ truy cập ( CS chọn ,khi chân mức tín hiệu cao hoạt động ) + Tín hiệu địa từ CPU đưa đến - Chờ lệnh CPU : ghi vào ô nào(write vào)/ đọc ô ra(read ra) =>Để CPU truy cập nhớ phải Đọc/ghi ơ: nhận địa ô nhớ cần đọc/ghi( từ CPU) + đọc/ghi nhận thông tin điều khiển CS , RD WR +Lệnh ĐỌC : nhận lênh đọc Ram đẩy liệu chân bus liệu D0 … Dn-1 +Lệnh GHI : nhận lệnh ghi lấy liệu từ chân bus đưa vào ô nhớ 4.3.CPU làm thực lệnh đọc nhớ( ghi/ đọc I/O , ghi /đọc bô nhớ)  Ghi Bộ nhớ + CPU: Gửi địa chỉra bus địa (bus Address) + CPU: Gửi tín hiệu M/IO (chip Select) => (M/IO = truy cập BN) + CPU: Gửi tín hiệu đk: WR = (WRITE: yêu cầu ghi) + BN chọn (CS = 0), nhìn tín hiệu điểu khiển WR (ghi) => Căn vào thông tin địa => Ghi liệu + CPU: Gửi liệu bus liệu  Đọc nhớ + CPU: Gửi địa bus địa (bus Address) + CPU: Gửi tín hiệu M/IO (chip Select) => (M/IO = truy cập BN) +CPU : gửi tín hiệu điều khiển : RD =0 ( READ : yêu cầu đọc) + BN chọn (CS=0) , nhìn tín hiệu điều khiển RD (đọc ) => vào thông tin địa => đọc liệu bus liệu + CPU :Nhận liệu vào từ bus liệu  Ghi IO + CPU: Gửi địa bus địa (bus Address) + CPU: Gửi tín hiệu M/IO (chip Select) => (M/IO = truy cập IO) + CPU: Gửi tín hiệu đk: WR = (WRITE: yêu cầu ghi) + IOđược chọn (CS = 0), nhìn tín hiệu điểu khiển WR (ghi) => Căn vào thông tin địa => Ghi liệu + CPU: Gửi liệu bus liệu  Đọc IO + CPU: Gửi địa chỉra bus địa (bus Address) + CPU: Gửi tín hiệu M/IO (chip Select) => (M/IO = truy cập IO) + CPU: Gửi tín hiệu đk: RD = (READ: yêu cầu đọc) + IO chọn (CS = 0), nhìn tín hiệu điểu khiển RD (đọc) => Căn vào thông tin địa => Đọc liệu gửi bus liệu + CPU: Nhận liệu vào từ bus liệu 5.Cấu trúc bên chip vi xử lý Nhiệm Vụ CPU: lấy lệnh (RAM) => Thực lệnh (LẶP) BIU EU =>BIU (lấy lệnh )=> Hàng đợi lệnh => EU(thực lệnh) - Gồm: Chia thành nửa EU BIU (EU: thực thi , BIU : giao tiếp) 14 ghi (16 bits), ALU, hàng đợi lệnh (6 bytes) => khối EU (khối thực lệnh) khối BIU (khối nhận lệnh) hoạt động với thông qua phận bên chip, từ hình thành nên pha hoạt động => (Các số, thơng tin, giọng nói, hình ảnh ) đưa vào máy tính hệ VXL chuyển hóa thành dạng nhị phân (0; 1) từ bắt đầu thực công việc cụ thể  Thanh ghi - Có độ dài 1byte/ từ/ từ(32 bit)/64 bit … Tùy vi xử lý - ghi đa năng: AX(accumulator): chứa kết phép tính, kết bit chưa AL BX(base): chứa địa sở CX(count): dung để chứa số lần lặp lệnh lặp, CL để chứa số lần dịch quay lệnh dịch quay ghi DX(data):chứa liệu phép tính nhân chia số 16 bit , DX dung để chứa địa cổng lệnh vào liệu (IN/OUT) - ghi đoạn: CS: Dùng để chứa đoạn mã DS: Dùngđể chứa đoạn liệu SS: Dùng để chứa đoạn ngăn xếp ES:Dùng để chứa đoạn liệu phụ - ghi trỏ: SP: Chứa địa thời đỉnh ngăn xếp BP: Chứa địa liệu đoạn ngăn xếp SS đoạn khác IP: chứa địa lệnh đoạn mã lệnh CS - ghi số: SI : Chứa địa liệu nguồn đoạn liệu DS lệnh chuỗi DI : Chứa địa liệu đích đoạn liệu DS lệnh chuỗi - ghi cờ  Hàng đợi lệnh( byte với 8088/ byte với 8086) - Intel 8086 (6 bytes) - Xử lý có pipelining (xử lý nhiều lệnh lúc) => CPU ngày có hang đợi lệnh mở rộng thành nhớ Cache => Chứa lệnh (BIU nhận lệnh - để hàng đợi lệnh -chờ EU thực thi)  ALU - Thực phép toán logic: (AND, OR, XOR, NOT, NOR, NAND) - Thực phép toán số học: Cộng , trừ , nhân ,chia… 6.Sơ đồ chân bên kết nối hệ thống 7.Tổ chức nhớ & giải mã địa  Tổ chức nhớ Bộ nhớ không bị liệu - ROM, PROM, EPROM, Flash, EEPROM, FeRAM, MRAM Bộ nhớ bị liệu SRAM, SBSRAM, DRAM, FPDRAM, EDO DRAM, SDRAM, DDR-SDRAM, RDRAM Đặc điểm SRAM - Đắt, bị liệu nguồn - Thời gian đọc ghi nhanh - Liên tục tiêu thụ lượng - Kích thước: 16 Mbits - Không dùng cho thiết bị chạy pin - Bộ nhớ nhỏ nhanh (cache) Xử lý có pipelining (xử lý nhiều lệnh lúc) CPU ngày có hang đợi lệnh mở rộng thành nhớ Cache => Bộ nhớ Cache lấy tất lệnh lúc CPU lấy thực thi Đặc điểm DRAM - Rẻ, nhiên việc điều khiển trình làm tươi làm tăng giá thành DRAM - Chỉ tiêu thụ lượng trình làm tươi truy nhập - Thời gian đọc ghi tương đối nhanh - Mỗi hàng phải làm tươi sau 4ms - Kích thước: Gbits - Được dùng làm nhớ hệ vi xử lý  Giải mã địa - Dùng cổng NAND, dùng giải mã, dùng PROM, dùng PAL 8.Tổ chức vào (I/O) -Thiết bị vào có khơng gian địa cách biệt (Vào liệu lệnh IN, OUT) - Thiết bị vào có khơng gian địa với nhớ (Vào liệu lệnh di chuyển liệu CPU nhớ) II Phát triển ứng dụng hệ vi xử lý on-chip (SoC) 1.Cấu trúc chung hệ vi xử lý on-chip(SoC) - SoC tích hợp một vi điều khiển với tất hệ tích hợp chip Giới thiệu Arduino - - Arduino giống máy tính nhỏ để người dung lập trình thực dự án điện tử mà khơng cần phải có cơng cụ chun biệt để phục vụ việc nạp Phần cứng bao gồm bo mạch nguồn mở thiết kếtrên tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, ARM Atmel32-bit Ngôn ngữ lập trình cho Arduino dựa Wiring ( ngơn ngữ Arduino) viết phần mềm Arduino IDE Hiện phần cứng Arduino có tất phiên bản, Tuy nhiên phiên thường sử dụng nhiều Arduino Uno Arduino Mega Giới thiệu Shield Module hỗ trợ Arduino  Arduino Ethernet Shield : sử dụng chip W5100 cho tốc độ khả kết nối ổn định Bộ thư viện kèm phần cứng với kết nối dễ dàng, cho phép Arduino board kết nối internet đơn giản  Arduino LCD Module : module thiết kế cho Arduino, tương thích với Arduino Uno Arduino Mega  Arduino Driver Module : sử dụng IC L298N, điều khiển động DC Ngồi cịn có extension shield (mạch mở rộng) Các shield giúp tăng tính linh hoạt Arduino 4.Giới thiệu cảm biến (sensor) Phần cứng Arduino UNO R3  Sơ đồ chi tiết Uno R3 - Arduino Uno là bo mạch vi điều khiển dựa chip Atmega328P Uno có 14 chân I/O digital ( có chân xuất xung PWM), chân Input analog, thạch anh 16MHz, cổng USB, jack nguồn DC, nút reset  Vi điều khiển & nhớ Vi điều khiển ATMEGA328cung cấp cho người dung: - - - 2KB nhớ Flash: đoạn lệnh lập trình lưu trữ nhớ Flash vi điều khiển Thường có khoảng vài KB số dùng cho bootloader đừng lo, cần 20KB nhớ 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị biến khai báo lập trình lưu Khai báo nhiều biến cần nhiều nhớ RAM Tuy vậy, thực nhớ RAM lại trở thành thứ phải bận tâm Khi điện, liệu SRAM bị 1Kb cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): giống ổ cứng mini – nơi đọc ghi liệu vào mà lo bị cúp điện giống liệu SRAM 6.Thông số kỹ thuật - UNO R3 Tô chức I/O Sơ đồ chân vi điều khiển Atmega328 ♦ Digital: Các chân I/O digital (chân số – 13 ) sử dụng làm chân nhập, xuất tín hiệu số thơng qua hàm : pinMode(), digitalWrite(), digitalRead() Điện áp hoạt động 5V, dòng điện qua chân chế độ bình thường 20mA, cấp dịng 40mA phá hỏng vi điều khiển ♦ Analog :Uno có chân Input analog (A0 – A5), độ phân giải chân 10 bit (0 – 1023 ) Các chân dùng để đọc tín hiệu điện áp – 5V (mặc định) tương ứng với 1024 giá trị, sử dụng hàm analogRead().  ♦ PWM : chân đánh số 3, 5, 6, 9, 10, 11; có chức cấp xung PWM (8 bit) thông qua hàm analogWrite() ♦ UART: Atmega328P cho phép truyền liệu thông qua hai chân (RX) chân (TX) 8.Nguồn - Có hai cách cấp nguồn cho bo mạch Uno : cổng USB jack DC Giới hạn điện áp cấp cho Uno – 20V Tuy nhiên, dải điện áp khuyên dùng – 12 V (tốt 9V) Lý nguồn cấp 7V điện áp ‘chân 5V’  thấp 5V mạch hoạt động khơng ổn định; nguồn cấp lớn 12V gấy nóng bo mạch phá hỏng Các chân nguồn Uno: -  Vin : cấp nguồn cho Uno thơng qua chân Cách cấp nguồn sử dụng  5V : Chân cho nguồn 5V từ bo mạch Uno Việc cấp nguồn vào chân hay chân 3.3 V phá hỏng bo mạch  3.3V : Chân cho nguồn 3.3 V dòng điện maximum 50mA  GND: chân đất Cấu trúc ví dụ chương trình phần mêm IDE Gồm có phần  Phần : Khai báo biến : Đây phần khai báo kiểu biến, tên biến, định nghĩa chân board số kiểu khai báo biến thông dụng: * #define *Khai báo kiểu biến khác như: int (kiểu số nguyên), float, :  Phần 2: Thiết lập (void setup()) Phần dùng để thiết lập tốc độ truyền liệu, kiểu chân chân hay chân vào Trong đó: Serial.begin(9600); pinMode(biến, kiểu vào ra);  Phần 3: Vòng lặp Dùng để truyền liệu từ board Arduino lên máy tính Dùng để xác định kiểu chân vào hay Một chương trình hiển thị cửa sổ giao diện gọi sketch.Sketch tạo từ hai hàm setup () loop () : - Setup() : Hàm gọi sketch khởi động, sử dụng để khởi tạo biến, đặt chế độ chân ( nhận hay xuấttín hiệu ), khởi động thư viện … Hàm setup() chạy lần, sau cấp nguồn reset mạch - Loop(): Sau khởi tạo hàm setup(), hàm loop() khởi tạo thiết lập giá trị ban đầu Chức tương tự vòng lặp while() C,hàm loop() điều khiển tồn mạch  Sau ví dụ mô Arduino UNO kết nối , điều khiển LED nháy đơn  Source code 10.Ứng dụng Arduino đời sống - Làm Robot Arduino có khả đọc thiết bị cảm biến, điều khiển động cơ,… nên thường dùng để làm xử lý trung tâm nhiều loại robot Điều khiển đèn tín hiệu giao thơng, làm hiệu ứng đèn Led nhấp nháy biển quảng cáo… Điều khiển thiết bị cảm biến ánh sáng, âm C.Kết Luận Qua số ví dụ hệ vi xử lý để làm rõ nhiệm vụ hệ vi xử lý máy tính chia làm pha:Nhận lệnh Thực lệnh hiểu bản chất nhiệm vụ ,nguyên lý hoạt động hệ vi xử lý máy tính(CPU) ,cấu tạo tổ chức vi xử lý Và tìm hiểu thêm hệ vi xử lý on-chip (SoC), cụ thể tìm hiểu Arduino UNO R3 vi điều khiển ATmega328p biết cách thức hoạt động tổ chức I/O Nhìn chung nhờ trải nghiệm người dùng đơn giản dễ tiếp cận, Arduino sử dụng hàng nghìn dự án ứng dụng nhiều đời sống người Vớ i nhữ ng mà ng em đượ c họ c tiếp thu, cù ng vớ i nhiệt tình củ a Ngọ c trình truyền đạ t kiến thứ c, em hoà n nh bà i tiểu luậ n mộ t cá ch dễ dà ng Do hạ n chế kiến thứ c, kinh nghiệm tà i liệu nên khô ng trá nh khỏ i nhữ ng thiếu só t Em rấ t mong đượ c thầ y cô bỏ qua cho em nhữ ng nhậ n xét , đá nh giá để em rú t kinh nghiệm cho nhữ ng bà i tiểu luậ n Em xin châ n nh m ơn cô Ngọ c cũ ng cá c thầ y khoa i riêng nhà trườ ng i ng tạ o điều kiện mô t trườ ng tố t để ng em họ c tậ p rèn luyện  ... vào thực tiễn Là sinh vi? ?n ngành điện tử vi? ??n thông , em vận dụng kiến thức , hiểu biết để vi? ??t tiểu luận : “Nguyên lý hoạt động hệ vi xử lý máy tính phát triển ứng dụng hệ vi xử lý on-chip” B.Nội... trao đỏi thông tin với thiết bị ngoại vi o Đối với thiết bị ngoại vi làm vi? ??c theo nguyên tắc phi số cần biến đổi dạng tín hiệu để hệ vi xử lý thiết bị ngoại vi hiểu Các biến đổi biến đổi tín hiệu... lặp lại: nhận lệnh (1)- Thực lệnh(2) 3.1 Bản chất nhiệm vi hệ vi xử lý/CPU: Lấy lệnh (1) - Thực lệnh (2)  - Vi? ??c chia CPU thành phần làm vi? ??c đồng thời có liên hệ với qua đệm lệnh làm tăng đáng