Kĩ thuật vi điều khiển

ọi loại máy tính với điều kiện máy tính đó có chương trình dịch -Hệ lệnh: là các lệnh mà các bộ vi xử lí có thể thực hiện do nhà sản xuất cung cấp. Bộ vi xử lí chỉ thực hiện lệnh trong hệ lệnh Chương trình là 1 chuỗi lệnh trong hệ lệnh Nguyễn Anh Đức TĐH-56 Page 22 of 30 2.Các mode địa chỉ hóa Mode địa chỉ hóa là phương pháp địa chỉ hóa các vùng dữ liệu Operation Operand 1, Operand 2 (Toán tử) (Toán hạng) Ví dụ MOV B, A NOP RET Trong đó toán tử chỉ ra hành động, thao tác mà bộ vi xử lí phải thực hiện. Toán hạng chỉ ra địa chỉ của các dữ liệu để thực hiện lệnh Chú ý: Một lệnh có thể có nhiều toán hạng ngăn cách nhau bởi dấu “,” tuy nhiên cũng có lệnh có một hoặc không có toán hạng 2.1Các mode địa chỉ hóa -Khái niệm: Các cách để CPU tìm thấy toán hạng cho các lệnh của nó khi hoạt động, các mode địa chỉ được nhà sản xuất tạo ra ngay từ khi chế tạo và không thay đổi được -Các mode địa chỉ 8086, 8088 +Mode địa chỉ thanh ghi: Trong mode địa chỉ này người ta sử dụng các thanh ghi bên trong MP như các toán hạng để chứa các dữ liệu cần thao tác tức là thanh ghi được chỉ rõ trong câu lệnh, nôi dung của các thanh ghi sẽ là giá trị thật của toán hạng trong câu lệnh, các thanh ghi dùng trong mode địa chỉ này là: AX, BX, CX, SP, BP, SI, DI, CS, DS, ES, SS Ưu điểm:Tốc độ truy nhập cao Ví dụ: ADD Ax, Bx; Cộng nội dung thanh ghi Bx vào Ax kết quả lưu tại Ax +Mode địa chỉ tức thì hay mode địa chỉ hàng: trong mode địa chỉ này toán hạng đích là thanh ghi hay ô nhớ còn toán hạng nguồn là 1 hằng số, là giá trị thật của toán hạng nguồn trong câu lệnh Ví dụ: MOV BL, 88 +Mode địa chỉ bộ nhớ: các lệnh của CPU có thể làm việc trực tiếp với các dữ liệu trong bộ nhớ, khi một toán hạng bộ được xử dụng CPU phải tính được địa chỉ bộ nhớ dữ liệu, địa chỉ này là địa chỉ hiệu dụng EA. Dựa vào địa chỉ hiệu dụng CPU sẽ tính toán và chuyển sang địa chỉ vật lí để tiến hành truy xuất vùng nhớ, nội ung của vùng nhớ là giá trị thật của toán hạng trong câu lệnh Chú ý: Trong 1 câu lệnh không cho phép toán hạng nguồn và đích đều là toán hạng bộ nhớ (không hợp lệ). Tuy nhiên có thể thực hiện gián tiếp bằng cách chuyển 1 toán hạng trong bộ nhớ nguồn vào thanh ghi rồi chuyển nội dung thanh ghi vào toán hạng bộ nhớ đích. Mode địa chỉ trực tiếp Mode địa chỉ gián tiếp qua thanh ghi Mode địa chỉ tương đối cơ số Mode địa chỉ trương đối chỉ số Mode địa chỉ tương đối chỉ số cơ sở Chú ý: Trong các mode địa chỉ tương đối, trong địa chỉ không ghi ra thanh ghi đoạn thì thì thanh ghi đoạn của toán hạng bộ nhớ thuộc mode đỉa chỉ chỉ số. Ngầm định thanh ghi đoạn, các thanh ghi đoạn segmen, thanh ghi lệnh offset, được ngầm định đi kèm với nhau thành từng cặp để địa chỉ hóa các toán hạng trong các vùng của bộ nhớ Nguyễn Anh Đức TĐH-56 Page 23 of 30 3: Tập lệnh và phân loại tập lệnh 8088, 8086 Có khoảng 115 lệnh chia thành các nhóm chính: Lệnh vận chuyển số liệu MOV A,Bx Lệnh số học ADD A,Bx Lệnh thao tác bit SAL Ax, CL Dịch trái đích một số lần CL Lệnh thao tác với dãy byte MOV SV Copy 1 byte từ ô nhớ PS:SI vào ô nhớ DS:EI Lệnh chuyển điều khiển JMP IH Nhảy đến địa chỉ có nhãn TH Các lệnh thao tác với C CLI Xóa cờ ngắt Chương 8: Các phương pháp điều khiển vào ra dữ liệu -Có 3 phương pháp chính: Điều khiển vào ra bằng chương trình Vào ra dữ liệu bằng cách ngắt MP Điều khiển bằng phần cứng phụ đề thâm nhập trực tiếp bộ nhớ 1.Vào/ra dữ liệu bằng chương trình Nhận xét: Đây là phương pháp đơn giản nhất sử dụng lệnh vào/ra trong chương trính để trao đổi dữ liệu với cổng vào/ra. Khi MP thực hiện chương trình nếu gặp lệnh vào/ra thì MP điều khiển trao đổi dữ liệu với thiết bị ngoại vi qua cổng vào ra, các lệnh thực hiện nhận/gửi từng byte một. Việc trao đổi dữ liệu theo phương pháp này chỉ thuận tiện khi thiết bị ngoại vi lúc nào cũng ở trạng thái sẵn sang làm việc với CPU -Các thức trao đổi: Để trao đổi dữ liệu với thiết bị ngoại vi MP sẽ kiểm tra thiết bị đó có ở trạng thái sẵn sang làm việc không, nếu thiết bị sẵn sang mới tiến hành trao đổi. CPU luôn kiểm tra trạng Nguyễn Anh Đức TĐH-56 Page 24 of 30 thái sẵn sang làm việc của thiết bị ngoại vi nên nó phải dành hầu hết thời gian để kiểm tra các cổng vào ra nên chỉ thích hợp với hệ máy công nghiệp đơn giản. -Nguyên lí hoạt động: Khi thiết bị vào có 1 byte dữ liệu cần trao đổi thì nó phát ra tín hiệu sẵn sàng làm việc là D0 = 1 tới cổng vào số 0 dùng để đọc trạng thái của thiết bị ngoại vi. Khi thăm dò trạng thái của các cổng, thông qua việc đọc cổng số 0, nhận được tín hiệu sẵn sàng làm việc từ cổng này, CPU đọc byte dữ liệu của cổng rồi phát tín hiệu điều khiển, xóa tín hiệu D0 về 0 để chuẩn bị cho làm việc tiếp theo. Việc đưa dữ liệu ra cổng ra được thực hiện tương tự với tín hiệu sẵn sang cổng ra là D1 = 1 2.Ngắt trong hệ vi xử lí 2.1Khái niệm: ngắt là cơ chế bắt CPU dừng công việc hoặc dừng chương trình mà nó đang thực hiện để làm công việc khác 2.2Sự cần thiết ngắt CPU: trong hệ vi xử lí, CPU có tốc độ nhanh nhất còn các thiết bị khác có tốc độ chậm hơn, nhất là các thiết bị ngoại vi nên khi trao đổi dữ liệu với thiết bị ngoại vi, CPU có nhiều thời gian rỗi. Nhằm tận dụng khả năng của CPU để có thể làm công việc khác, chỉ khi có yêu cầu trao đổi dữ liệu thì mới yêu cầu CPU tạm dừng công việc hiện tại để phục vụ trao dổi dữ liệu. Sau khi hoàn thành việc trao đổi dữ liệu CPU lại quay về làm tiếp công việc bị gián đoạn. Cách làm việc này gọi là ngắt CPU để trao đổi dữ liệu Để làm được điều này cần có cách tổ chức hệ thống để có thể thực hiện các chương trình phục vụ ngắt tại các địa chỉ xác định của CPU 2.3Thực chất của ngắt Ngắt là rẽ nhánh bằng chương trình xử lí còn gọi là chương trình xử lí ngắt khi có yêu cầu ngắt, rẽ nhánh bằng chương trình được thực hiện ở thời điểm bất kì khi có yêu cầu ngắt -Ngắt trong 8086 +Ngắt cứng:cho phép các thiết bị phần cứng ngắt các thao tác CPU Yêu cầu ngắt: tín hiệu từ bên ngoài đặt vào CPU từ các cận INTR, NMI Ngắt cứng NMI là yêu cầu ngắt không che được Các lệnh CLI: lệnh xóa cờ ngắt IS STI: lập cờ ngắt IS INT XX: Gọi ngắt mềm số XX IRET: Câu lệnh trờ về khi kết thúc chương trình xử lý ngắt HLT: Treo CPU cho đến khi có ngắt hoặc khởi động lại Ngắt cứng INTR: yêu cầu ngắt che được Các lệnh CLI,STI có ảnh hưởng trực tiếp tới trạng thái cờ IS trong bộ vi xử lí. Ảnh hưởng tới việc CPU có nhận biết được yêu cầu ngắt tại chân này hay không Tín hiệu ngắt không che được NMI dùng trong tình trạng khẩn cấp như lỗi phần cứng Tín hiệu ngắt thông thường INTR dùng để điều khiển thiết bị, CPU có thể chậm trễ khi xử lý tín hiệu này Ví dụ: Khi nhấn 1 phím thuộc bàn phím , CPU được báo để đọc mã phím vào bộ nhớ đệm bàn phím. Bàn phím gửi tín hiệu yêu cầu ngắt tới CPU, CPU dừng công việc đang thực hiện rồi chuyển điều khiển cho chương trình phục vụ ngắt. chương trình phục vụ ngắt cùng với việc đọc bộ đệm bàn phím vào bộ nhớ bàn phím. Điều khiển được trả về cho chương trình đang được thi hành tại thời điểm dừng chương trình +Ngắt mềm Yêu cầu ngắt mềm được các chương trình sử dụng để đòi hỏi sự phục vụ của hệ thống. Một ngắt mềm xảy ra khi chương trình gọi 1 yêu cầu ngắt bằng lệnh ngắt INT Nguyễn Anh Đức TĐH-56 Page 25 of 30 +Ngắt ngoại lệ: là các ngắt do lỗi nảy sinh trong quá trình hoạt động của CPU chia cho 0, tràn thanh ghi 2.4Tổ chức ngắt 1Phương pháp tổ chức Do tín hiệu ngắt có thể đến bất kì lúc nào, thì CPU sẽ kiểm tra xem có tín hiệu yêu cầu ngắt không sau khi thực hiện 1 lệnh. Khi phát hiện tín hiệu yêu cầu ngắt, CPU chấp nhận bằng cách gửi tín hiệu chấp nhận ngắt INTA. Thiết bị yêu cầu ngắt, hay chương trình yêu cầu ngắt gửi trả lời bằng một số N trên bus địa chỉ gọi là số hiệu ngắt. Mỗi thiết bị hay chương trình sử dụng một số hiệu ngắt khác nhau để xác định. Ta nói ngắt N xảy ra khi một thiết bị hay chương trình số hiệu ngắt N ngắt CPU. Nếu tại cùng 1 thời điểm có nhiều yêu cầu ngắt cùng lúc đòi hỏi được phục vụ thì khi đó CPU xử lí yêu cầu ngắt theo thứ tự ưu tiên trên ngắt, ngắt nào có mức ưu tiên cao hơn sẽ được CPU nhận biết và phục vụ trước Mức ưu tiên do hệ thống quy định hoặc do các mạch tổ chức ưu tiên bên ngoài hệ thống quy địnhb) điều khiển ngắt Xác định mức độ ưu tiên cho từng ngắt, cho phép hoặc không cho phép ngắt hoạt động 2.5Điều khiển ngắt -Xác định mức ưu tiên cho ngắt -Cho phép hoặc không cho phép ngắt hoạt động 2.6Chương trình con xử lí ngắt Khi có ngắt xảy ra, thì chương trình chính liên hệ với chương trình con xử lí ngắt thông qua các địa chỉ xác định của chương trình con xử lí ngắt. Tương ứng với mỗi kiểu ngắt N, thông qua bảng vectơ ngắt do hệ thống quy định Chương trình con kết thúc bằng lệnh IRET và quay lại chương trình chính 8086 có 256 kiểu ngắt, mỗi kiểu ngắt ứng với một vectơ ngắt quy định nằm trong RAM đầu tiên bắt đầu từ địa chỉ 00000 (H) và dài 1 KB Khi một ngắt điều khiển tiếp nhận CPU không cần biết địa chỉ chương trình con xử lí ngắt mà chỉ biết đến số hiệu thứ i của ngắt và số này chỉ đến phần tử thứ i của vectơ ngắt 3.Truy nhâp trực tiếp bộ DMA 3.1Nhược điểm việc trao đổi thông tin qua MP Trong việc trao đổi dữ liệu qua thiết bị ngoại vi và MP, quá trình dữ liệu đưa ra từ thiết bị ngoại vi: Từ bộ nhớ thông tin qua MP để xử lí rồi ghi vào thiết bị ngoại vi hoặc khi đọc thì MP đọc từ thiết bị ngoại vi rồi ghi vào bộ nhớ. Tốc độ trao đổi dữ liệu phụ thuộc nhiều vào quá trình đọc ghi thông tin của MP MP phải giải mã và thực hiện lệnh: +tính địa chỉ bộ nhớ +tính địa chỉ thiết bị ngoại vi +lệnh đọc ghi + Trao đổi thông tin qua thanh AX trung gian Nguyễn Anh Đức TĐH-56 Page 26 of 30 3.2Khái niệm Truy nhập trực tiếp bộ nhớ là phương pháp trao đổi thông tin nhanh dung lượng lớn, giữa bộ nhớ và thiết bị ngoại vi không qua CPU. Việc trao đổi thông tin được vi mạch điều khiển truy nhập trực tiếp vào bộ nhớ DMAC Ví dụ: chip 8237A5 dùng cho 8086 Việc chuyển 1 byte trong mảng dữ liệu từ bộ nhớ ra thiết bị ngoại vi mất 4 chu kì đồng thời Còn 8088 thực hiện mất 39 chu kì 3.3Đặc điểm chính giải pháp DMA Chip DMAC hoàn toàn thay thế bộ vi xử lí để điều khiển sự trao đổi thông tin hay nó dành toàn quyền sử dụng bus trong quá trình trao đổi thông tin, bộ vi xử lí bị cô lập ở trạng thái trở kháng cao không lien hệ với bus ngoài. Khi nào trao đổi thông tin xong DMAC trả lại quyền sử dụng bus cho bộ vi xử lí 3.4Thủ tục trao đổi dữ liệu DMA -Thiết bị ngoại vi đưa ra yêu cầu DREQ = 1 -DMAC ghi nhận xét thứ tự ưu tiên và đưa ra yêu cầu treo HRQ = 1 cho bộ vi xử lí đề nghị chiếm dụng bus bởi một trong hai tín hiệu sau : tín hiệu HOLD cho các vi xử lí 8086 ở chế độ min và RQ phủ định = 0 cho chế độ max 8086 -Vi xử lí hoàn thành lệnh đang thực hiện, ngắt chương trình để chuyển sang chương trình con DMA bao gồm: ghi lại địa chỉ chương trình đang thực hiện vào bộ nhớ, lượng thông tin trao đổi, hướng thay đổi địa chỉ và tín hiệu xác nhận treo GT phủ định hay HLDA chấp nhận và tự treo ở trạng thái trợ kháng cao để nhường quyền sử dụng bus cho DMAC -Đưa ra tín hiệu xác nhận DACK = 1 cho thiết bị ngoại vi cho phép trao đổi dữ liệu kiểu DMA -Tiến hành trao đổi dữ liệu -Khi quá trình trao đổi dữ liệu kết thúc, DMAC đưa ra tín hiệu DREQ = 0 cho bộ vi xử lí, trả lại quyền điều khiển bus cho bộ vi xử lí MP nhận biết sự kết thúc quá trình trao đổi với tín hiệu HOLD = 0 và kết thúc tín hiệu HLDA dành lại quyền sử dụng bus 3.5Các chế độ trao đổi dữ liệu DMA Nguyễn Anh Đức TĐH-56 Page 27 of 30 *Chế độ truyền đơn -Thiết bị được lập trình để chỉ thực hiện 1 thao tác truyền. Từ đếm giảm dần, địa chỉ giảm dần (hoặc tăng) sau mỗi thao tác truyền. Khi từ đếm giảm từ 0 sang FFFFH, quá trình truyền kết thúc -DREQ phải giữ ở mức tích cực cho đến khi DACK được xác nhận. Nếu DREQ giữ ở mức tích cực trong suốt quá trình truyền đơn thì HRQ sẽ chuyển sang mức thụ động và giải phóng buýt cho hệ thống. Quá trình tiếp tục cho đến nhận được tín hiệu HLDA mới và, thao tác truyền được tiếp tục *Chế độ truyền theo khối -Bộ điều khiển DMA được kích hoạt bởi DREQ và liên tục truyền trong quá trình phục vụ yêu cầu cho đến khi kết thúc do bộ đếm từ chuyển từ 0 về FFFFH hoặc do tín hiệu EOP từ bên ngoài. -DREQ chỉ cần giữ tích cực cho đến khi nhận được DACK. Chế độ truyền theo yêu cầu -Thực hiện việc truyền liên tục cho đến khi bộ đếm chuyển sang FFFFH hoặc nhận được EOP hoặc DREQ chuyển sang thụ động. *Chế độ xếp tầng *Dùng để mở rộng hệ thống Chương 9 Vi điều khiển 1.Các khái niệm 1.1Khái niệm: Vi điều khiển à một vi mạch đơn chứa bên trong một CPU và các mạch khác để tạo nên 1 hệ vi xử lí đầy đủ 1.2 Sự khác biệt giữa vi điiều khiển và vi xử lí đa nhiệm -Cấu trúc Ngoài CPU vi điều khiển còn chứa sẵn ROM, RAM, các cổng và ra nối tiếp, song song các bộ định thời, các bộ điều khiển ngắt tất cả được tích hợp trong 1 chíp duy nhất -Ứng dụng Được thiết kế cho các hoạt động có hướng điều khiển, hoạt động xác định như nhiệt độ, máy in Đặc trưng đơn vị dữ liệu : đơn vị dữ liệu là bit. Do mạch giao tiếp cho nhiều cổng vào ra chỉ sử dụng 1 bit -Khả năng lập trình Trong vi điều khiển thì việc lập trình được thực hiện cho 1 công việc cụ thể và không thay đổi được dẫn đến sự khác biệt về cấu trúc giữa hệ vi xử lí đa nhiệm và vi điều khiển Trong máy tính thì tỉ lệ RAM/ROM cao ROM = const trong khi có thể nâng cao RAM liên tục Nguyên nhân, ROM nhỏ do chương trình với phần cứng nhỏ. VD : chương trình khởi động, chương trình vào ra cơ bản. Còn chương trình của người sử dụng thực hiện trong RAM. Trong bộ vi điều khiển tỉ lệ ROM/RAM cao. Chương trình điều khiển được lưu trong ROM còn RAM được sử dụng như bộ nhớ tạm thời 1.3Các họ vi điều khiển gồm 4 họ lớn do 4 hãng lớn sản xuất Motorola 6811 Intel 8051 Zinod Z8 Microchip techlono PIC 16X Đặc điểm các vi điều khiển 8 bit do các hãng có tập lệnh và thanh ghi khác nhau nên không tương thích nhau. Sau này phát triển lên 16 và 32 bit Nguyễn Anh Đức TĐH-56 Page 28 of 30 2.Vi điều khiển 8051 Chip Dung lượng ROM Dung lượng RAM Số lượng Timer/Counter 8051 4 KB 128 byte 2 8031 0KB 128 byte 2 8751 4K EPROM 128 byte 2 8052 8 KB 256 byte 3 8032 0 KB 256 byte 3 8752 8KBEROM 256 byte 3 Các chân : có 40 chân ở dạng con rết trong có 32 chân cho 4 cổng vào ra 8 bit từ P0 => P3 (chân 1-32) 2 chân cho bộ tạo dao động thanh anh ngoài chân 18-19 2 chân nguồn 20-GND 40-+ 5V 4 chân dùng cho tín hiệu điều khiển là chân 9 là chân RESET RST Chân 31 là cân EA (External Access)phủ định : truy nhập bộ nhớ ngoài Chân chốt địa chỉ ALE (Address Latch Enable) là chân 30 Chân 29PSEN (Program Store Enable) là tín hiệu ngõ ra, nó là tín hiệu điều khiển để cho phép bộ nhớ chương trình mở rộng -Các thanh ghi đa năng 8051:Có 2 loại thanh ghi 8 bit và 16 bit. Các thanh ghi 16 bit: +Thanh PC (con trỏ chương trình) +DPRT (data pointer register-con trỏ dữ liệu). Các thanh ghi 8 bit là các thanh ghi chứa A,B và 4 băng thanh ghi 0=>3, mỗi băng gồm 8 thanh ghi R0 => R7. Các thanh ghi này là phần đầu của RAM -Bộ định thời : 8051 có 2 bộ định thời T0 và T1, nó có thể làm việc ở chế độ Timer hay Counter. Việc chọn chế độ làm việc được thực hiện với bit C\T của thanh ghi TMOD. Khi làm việc ở mode Nguyễn Anh Đức TĐH-56 Page 29 of 30 Timer các bộ định thời bản chất là bộ đếm xung thời gian tạo trễ với xung CLOCK của 8051. Khi tín hiệu ứng với các sự kiện xảy ra do bộ tạo xung từ nguồn ngoài cung cấp -Chế độ địa chỉ : 8051 có 5 chế độ địa chỉ Chế độ địa chỉ tức thời Chế độ địa chỉ thanh ghi Chế độ địa chỉ trực tiếp Chế độ địa chỉ gián tiếp qua thanh ghi Chế độ địa chỉ chỉ số -Hệ lệnh gồm 5 loại: Lệnh số học, lệnh magic, lệnh di chuyển dữ liệu, lệnh sử dụng bit, lệnh rẽ nhánh -Ngôn ngữ lập trình Ngôn ngữ bậc thấp gồm mã máy và mã nhớ (hợp ngữ, biểu trưng) Thông thường người ta thường hay sử dụng hợp ngữ Để 8051 hiểu được chương trình bằng hợp ngữ cần dịch từ hợp ngữ sang mã máy. Chương trình dịch của hợp ngữ trong 8051 là ASM51 Ngôn ngữ bậc cao : C, Basic là 1 ngôn ngữ có cấu trúc gồm cấu trúc con người để máy hiểu được cần có chương trình biên dịch -Các cờ 8051 có 1 thanh ghi cờ là thanh ghi 8 bit có 6 bit được sử dụng còn 2 bit lưu trữ người sử dụng có thể định nghĩ BIT Tên Địa chỉ Chức năng PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 PSW.2 PSW.1 PSW.0 CY AC F0 RS1 RS0 OV - P D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Cờ nhớ. Cờ nhớ phụ. Cờ Zero. Chọn tập thanh ghi. Chọn tập thanh ghi. Cờ tràn. Dự phòng. Cờ chẵn lẻ.