THÔNG TIN THƯ MỤC HỌC THUẬT VÀ NỘI DUNG GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN: VI XỬ LÝ (MÃ MÔ ĐUN: MĐ 24)

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình mô đun Vi xử lý (Mã mô đun: MĐ 24) là tài liệu đào tạo chuyên ngành thuộc chương trình đào tạo nghề Điện tử công nghiệp ở trình độ Cao đẳng nghề và Trung cấp nghề. Tài liệu được ban hành kèm theo Quyết định số 120/QĐ-TCDN ngày 25 tháng 02 năm 2013 của Tổng cục trưởng Tổng cục Dạy nghề (Bộ Lao động - Thương binh và Xã hội), do TS. Kỹ sư Lê Văn Hùng (Chủ biên) và Kỹ sư Nguyễn Văn Tuấn biên soạn tại Trường Cao đẳng nghề Lilama 2, Long Thành, Đồng Nai.

Trong chương trình đào tạo nghề Điện tử công nghiệp, mô đun Vi xử lý là môn học bắt buộc và được bố trí giảng dạy ở giai đoạn cuối khóa học. Vị trí này yêu cầu người học phải hoàn thành các môn học nền tảng trước đó bao gồm: Linh kiện điện tử, Đo lường điện tử, Kỹ thuật xung - số và Điện tử công suất.

Mục tiêu học tập của giáo trình được xác định trên ba phương diện:

  • Kiến thức: Trình bày nguyên lý các hệ đếm, các phương pháp mã hóa thông tin trong máy tính; phân tích cấu trúc, tập lệnh và cơ chế hoạt động của các bộ vi xử lý Intel (từ các dòng 8-bit, 16-bit đến 32/64-bit); giải thích nguyên lý làm việc của các hệ thống điều khiển ứng dụng vi xử lý.
  • Kỹ năng: Viết và phân tích chương trình bằng ngôn ngữ hợp ngữ (Assembly); thực hiện ghép nối phần cứng giữa vi xử lý với bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi (bàn phím Hex, LED 7 đoạn, màn hình CRT); xử lý các sự cố kết nối và phát triển hệ thống điều khiển cơ bản.
  • Thái độ: Rèn luyện tác phong công nghiệp, tính tỷ mỉ, chính xác và tuân thủ các quy tắc an toàn vệ sinh công nghiệp.

Giáo trình được thiết kế với tổng thời lượng 120 giờ, phân bổ thành 30 giờ lý thuyết, 85 giờ thực hành và 5 giờ kiểm tra. Cấu trúc nội dung được tổ chức theo quy trình logic từ nền tảng biểu diễn dữ liệu, kiến trúc đơn vị xử lý trung tâm, thiết kế hệ thống bộ nhớ đến kỹ thuật phối ghép vào/ra phục vụ sản xuất công nghiệp.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Nội dung giáo trình được phân chia thành 4 bài học chính với tiến trình phát triển kiến thức từ mức độ vi mạch cơ bản đến cấu trúc hệ thống hoàn chỉnh:

[Bài 1: Tổng quan hệ vi xử lý] 
[Bài 2: Các đơn vị vi xử lý trung tâm] 
[Bài 3: Bộ nhớ trong của hệ vi xử lý] 
[Bài 4: Thiết bị vào/ra của hệ vi xử lý]
          (Ghép nối bàn phím Hex, quét LED 7 đoạn, bộ điều khiển CRT)
  • Bài 1: Tổng quan về các hệ vi xử lý (10 giờ: 4 LT, 5 TH, 1 KT): Cung cấp cơ sở toán học và logic của hệ thống số. Nội dung bao gồm các hệ đếm thập phân (Decimal), nhị phân (Binary), thập lục phân (Hexadecimal); phương pháp chuyển đổi giữa các hệ đếm; mã BCD; bảng mã LED 7 thanh ($a, b, c, d, e, f, g$); mã ký tự ASCII (chuẩn 7-bit và mở rộng 8-bit); biểu diễn số nguyên có dấu/không dấu; phép tính số bù một, số bù hai; các phép toán số học (cộng, trừ, nhân bằng giải thuật cộng - dịch phải, chia bằng phép trừ/cộng số bù hai - dịch trái); các phần tử logic phần cứng (cổng logic, cổng đệm 3 trạng thái, chốt Latch, D-Flipflop, thanh ghi dịch, bộ đếm nhị phân 4 bit, khối số học - logic ALU); thiết bị logic lập trình được (PLA, PAL, PROM); cấu trúc tổng quát của hệ vi xử lý (CPU, ROM, RAM, I/O) và ba loại bus hệ thống (Bus địa chỉ một chiều, Bus dữ liệu hai chiều, Bus điều khiển).
  • Bài 2: Các đơn vị vi xử lý trung tâm (40 giờ: 10 LT, 29 TH, 1 KT): Đi sâu vào kiến trúc vi xử lý 8-bit và 16-bit điển hình.
    • Vi xử lý Intel 8085: Sơ đồ 40 chân, khối điều khiển ngắt đa mức với tín hiệu $\overline{\text{INTA}}$, các tín hiệu điều khiển $\overline{\text{RD}}$, $\overline{\text{WR}}$, mạch dao động tích hợp, khối truyền dữ liệu nối tiếp, giản đồ thời gian (Timing diagram), cơ chế truy nhập bộ nhớ trực tiếp (DMA), tập lệnh và vi chương trình.
    • Vi xử lý họ Intel 80x86 (trọng tâm 8086): Sơ đồ chân, cấu trúc hai khối chức năng EU (Execution Unit) và BIU (Bus Interface Unit), hệ thống thanh ghi (AX, BX, CX, DX, SI, DI, BP, SP, CS, DS, SS, ES, IP, Flags), chế độ hoạt động cực tiểu (MIN) và cực đại (MAX), phương thức quản lý bộ nhớ phân đoạn (Segment:Offset), các chế độ định địa chỉ, định địa chỉ vào/ra, các mạch dồn kênh (Multiplexer), giải mã (Decoder) và giới thiệu lập trình hợp ngữ (Assembly).
    • Vi xử lý hiện đại: Cấu trúc vi xử lý Pentium, kiến trúc tập lệnh phức hợp (CISC) so với tập lệnh rút gọn (RISC), bộ quản lý bộ nhớ (MMU), kỹ thuật xử lý đường ống (Pipeline) và hệ thống bộ nhớ đệm (Cache L1 I-Cache, D-Cache).
  • Bài 3: Bộ nhớ trong của hệ vi xử lý (30 giờ: 6 LT, 23 TH, 1 KT): Khảo sát cấu trúc phần tử nhớ, vi mạch nhớ, khái niệm từ nhớ (Word) và dung lượng bộ nhớ; phân loại chip nhớ bán dẫn ROM (PROM, EPROM, EEPROM) và RAM (SRAM, DRAM); nguyên lý tổ chức không gian bộ nhớ vật lý, kỹ thuật phân bổ đường bus địa chỉ/dữ liệu và phương pháp thiết kế mạch giải mã chọn chip (CS - Chip Select) để tạo vỉ nhớ hoàn chỉnh cho vi xử lý.
  • Bài 4: Thiết bị vào ra của hệ vi xử lý (40 giờ: 10 LT, 28 TH, 2 KT): Trình bày kỹ thuật ghép nối thiết bị ngoại vi thông qua các cổng I/O (cổng nhập dùng đệm 3 trạng thái, cổng xuất dùng vi mạch chốt). Nội dung bao gồm ghép nối và quét ma trận bàn phím Hex, hệ thống bàn phím máy tính PC; thiết kế mạch điều khiển và lập trình quét đèn hiển thị LED 7 đoạn; cấu tạo màn hình ống tia âm cực (CRT) và nguyên lý ghép nối với vi xử lý thông qua bộ điều khiển màn hình CRTC (CRT Controller).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xác lập hệ thống cơ sở lý thuyết kỹ thuật điện tử số và khoa học máy tính thông qua:

  1. Lý thuyết biểu diễn dữ liệu nhị phân: Mô hình tổ chức dữ liệu nhị phân từ mức Bit, Nibble (4 bit), Byte (8 bit), Word (16 bit) đến Double Word (32 bit); cơ chế xác định bit có trọng số lớn nhất (MSB) và nhỏ nhất (LSB).
  2. Đại số nhị phân và số học máy tính: Hệ thống hóa các thuật toán xử lý số bù hai cho phép chuyển đổi toàn bộ phép trừ số học thành phép cộng với số đối, giảm thiểu độ phức tạp trong thiết kế khối ALU.
  3. Mô hình kiến trúc máy tính: Phân tích nguyên lý Von Neumann với chu trình tìm nạp và thực thi lệnh (Fetch - Execute sequence), cơ chế điều khiển tuần tự bằng thanh ghi con trỏ chương trình (PC/IP) và bộ giải mã lệnh (Instruction Decoder).
  4. Không gian địa chỉ và phân đoạn bộ nhớ: Cơ chế định địa chỉ $2^n$ ô nhớ tương ứng với $n$ đường bus địa chỉ (ví dụ: bus địa chỉ 20-bit của 8086 quản lý 1 MB bộ nhớ; bus địa chỉ 32-bit của 80386/Pentium quản lý 4 GB bộ nhớ vật lý).

Kỹ năng phát triển

Người học hoàn thiện các nhóm năng lực kỹ thuật:

  • Kỹ năng phần mềm: Đọc hiểu, phân tích giản đồ thời gian thực thi lệnh, lập trình hợp ngữ cho các tác vụ tính toán số học, xử lý chuỗi và điều khiển cổng I/O trên vi xử lý 8085 và họ 80x86.
  • Kỹ năng phần cứng: Tính toán thiết kế sơ đồ liên kết bus, sử dụng vi mạch dồn kênh, giải mã địa chỉ để ghép nối các chip nhớ SRAM/ROM và mạch giao tiếp ngoại vi.
  • Kỹ năng đo kiểm và ứng dụng: Lắp ráp, thử nghiệm các mô hình điều khiển thực tế, lập trình điều khiển quét hiển thị LED 7 đoạn, nhận tín hiệu từ bàn phím ma trận và giải quyết xung đột bus trong hệ thống vi xử lý.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Phương pháp sư phạm tích hợp

Giáo trình áp dụng mô hình đào tạo nghề tích hợp (Integrated Vocational Training), kết hợp chặt chẽ giữa giờ học lý thuyết chuyên môn và giờ thực hành thao tác kỹ năng. Trong tổng số 120 giờ của mô đun, thời lượng thực hành chiếm 85 giờ (tương đương 70,8% tổng thời lượng), lý thuyết chiếm 30 giờ (25%) và kiểm tra định kỳ chiếm 5 giờ (4,2%). Tỷ lệ phân bổ này phản ánh định hướng trọng tâm vào kỹ năng ứng dụng và lắp ráp mạch phần cứng.

Bài học Mã bài Tổng số giờ Lý thuyết (giờ) Thực hành (giờ) Kiểm tra (giờ)
Bài 1: Tổng quan về các hệ vi xử lý MĐ24-01 10 4 5 1
Bài 2: Các đơn vị vi xử lý trung tâm MĐ24-02 40 10 29 1
Bài 3: Bộ nhớ trong của hệ vi xử lý MĐ24-03 30 6 23 1
Bài 4: Thiết bị vào ra của hệ vi xử lý MĐ24-04 40 10 28 2
Tổng cộng 120 30 85 5

Bài tập và nội dung thực hành

Hệ thống bài tập trong giáo trình được xây dựng theo hình thức bài toán kỹ thuật gắn với dữ liệu thực tế:

  • Bài tập tính toán và chuyển đổi hệ đếm: Thực hiện chuyển đổi số học giữa các hệ Decimal, Binary, Hexadecimal, mã BCD; tính toán phép cộng/trừ nhị phân bằng phương pháp số bù hai (ví dụ: chuyển đổi các số $12\text{D}, 24\text{D}, 192\text{D}, 2079\text{D}$ sang hệ nhị phân và Hex; thực hiện phép trừ $77 - 88$ và $15 - 13$ thông qua biểu diễn mã bù hai 8-bit).
  • Thực hành trên mô hình thí nghiệm: Khảo sát các cổng logic, mạch chốt (Latch), Flip-flop D, bộ đếm nhị phân 4 bit, khối ALU; đo đạc và khảo sát tín hiệu trên sơ đồ chân vi xử lý $\mu\text{P } 8085$ và $\mu\text{P } 8086$; kết nối vỉ nhớ RAM/ROM với bus hệ thống; lắp ráp và chạy thử nghiệm mạch hiển thị LED 7 đoạn và bàn phím ma trận Hex.

Phương pháp đánh giá

Quy trình đánh giá kết quả học tập được tiêu chuẩn hóa theo từng bài học:

  • Đánh giá kiến thức: Kiểm tra viết tự luận hoặc trắc nghiệm khách quan về nguyên lý mạch, tập lệnh, cấu trúc thanh ghi và phương thức định địa chỉ.
  • Đánh giá kỹ năng: Kiểm tra thực hành trên mô hình/kit vi xử lý, viết mã hợp ngữ giải quyết bài toán giao tiếp ngoại vi, thiết kế và kết nối chính xác sơ đồ giải mã bộ nhớ.
  • Đánh giá thái độ: Chấm điểm dựa trên tính cẩn thận, độ chính xác của sơ đồ nối dây, quy trình an toàn điện và vệ sinh công nghiệp trong xưởng thực hành.

Hướng dẫn tự học

Người học cần hoàn thành các bài tập tính toán số học nhị phân cuối mỗi bài học, tự tra cứu tập lệnh hợp ngữ của bộ vi xử lý 8085/8086, vẽ và phân tích sơ đồ chân, giản đồ thời gian đọc/ghi bộ nhớ trước khi thực hiện các bài thực hành ghép nối phần cứng trên lớp.

Điểm nổi bật và tiến trình công nghệ

Phân tích tiến trình phát triển của các thế hệ vi xử lý

Giáo trình hệ thống hóa lịch sử phát triển của vi xử lý từ những năm 1970 qua 4 thế hệ công nghệ phần cứng chính:

  • Thế hệ 1 (Đầu thập niên 1970): Khởi đầu với vi xử lý 4-bit và 8-bit như Intel 4004, 4040, 8008, TMS 1000 (Texas Instruments), Central Air Data Computer (Garrett AiResearch), IMP-16 (National Semiconductor). Đặc điểm: công nghệ PMOS mật độ tích hợp thấp, tốc độ xử lý $10 - 60,\mu\text{s/lệnh}$, tần số xung nhịp $f_{\text{clk}} = 0{,}1 - 0{,}8\text{ MHz}$, tập lệnh đơn giản, cần nhiều IC phụ trợ bên ngoài.
  • Thế hệ 2 (1974 – 1977): Các vi xử lý 8-bit đại diện gồm Intel 8080, 8085, Motorola 6800, 6809 và Zilog Z80. Đặc điểm: công nghệ NMOS hoặc CMOS mật độ tích hợp cao hơn, tốc độ $1 - 8,\mu\text{s/lệnh}$, tần số $f_{\text{clk}} = 1 - 5\text{ MHz}$, tập lệnh mở rộng.
  • Thế hệ 3 (1978 – 1982): Các dòng vi xử lý 16-bit như Intel 8086, 80186, 80286, Motorola 68000, 68010. Đặc điểm: công nghệ HMOS/CMOS, tốc độ $0{,}1 - 1,\mu\text{s/lệnh}$, tần số $f_{\text{clk}} = 5 - 10\text{ MHz}$, bổ sung các lệnh nhân, chia phần cứng và thao tác chuỗi ký tự.
  • Thế hệ 4 (Từ 1983): Các dòng vi xử lý 32-bit và 64-bit như Intel 80386, 80486, Pentium, Motorola 68020 đến 68060, cùng kiến trúc RISC (Alpha của Digital, PowerPC của Apple-Motorola-IBM). Đặc điểm: bus địa chỉ 32-bit (quản lý 4 GB bộ nhớ), hỗ trợ bộ nhớ ảo, tích hợp đơn vị quản lý bộ nhớ (MMU), bộ nhớ đệm (Cache L1), cơ chế xử lý đường ống (Pipeline) và tích hợp khối đồng xử lý toán học (FPU) trực tiếp trên chip.

Bảng thông số kỹ thuật các bộ vi xử lý Intel trong giáo trình

Tài liệu cung cấp các bảng đối chiếu thông số phần cứng của các dòng vi xử lý Intel:

1. Các bộ vi xử lý 16-bit của Intel:

Thông số Intel 8086 Intel 8088 Intel 80286
Năm sản xuất 06/1978 1979 02/1982
Tần số nhịp tối đa ($f_{\text{clk max}}$) 10 MHz 10 MHz 20 MHz
Tốc độ xử lý (MIPS) 0,33 0,33 1,2
Số lượng Transistor 29.000 29.000 134.000
Bus dữ liệu / Bus địa chỉ 16 bit / 20 bit 8 bit / 20 bit 16 bit / 24 bit
Khả năng quản lý bộ nhớ 1 MB 1 MB 16 MB
Số chân cắm 40 chân 40 chân 68 chân
Hỗ trợ bộ nhớ ảo / MMU nội Không / Không Không / Không Có / Có
Chip đồng xử lý toán học 8087 8087 80287

2. Các bộ vi xử lý 32-bit của Intel:

Thông số 386DX 386SX 486DX 486SX 486DX2 Pentium
Năm sản xuất 10/1985 06/1988 04/1989 04/1991 03/1992 05/1993
$f_{\text{clk max}}$ 40 MHz 33 MHz 50 MHz 25 MHz 66 MHz 100 MHz
Hiệu năng (MIPS) 6 2,5 20 16,5 52 112
Số Transistor 275.000 275.000 1,2 triệu 1,18 triệu 1,2 triệu 3,1 triệu
Bộ nhớ Cache Ngoài (82385) Ngoài (82385) 8 KB I/D 8 KB I/D 8 KB I/D 8KB I + 8KB D
Bus dữ liệu / địa chỉ 32 / 32 bit 16 / 24 bit 32 / 32 bit 32 / 32 bit 32 / 32 bit 64 / 32 bit
Không gian địa chỉ 4 GB 16 MB 4 GB 4 GB 4 GB 4 GB
Số chân cắm 132 chân 100 chân 168 chân 168 chân 168 chân 273 chân
Đồng xử lý toán học 80387DX 80387SX Bên trong 80487SX Bên trong Bên trong

Ứng dụng thực tế trong công nghiệp

Giáo trình phân loại rõ ràng các miền ứng dụng của kỹ thuật vi xử lý trong thực tế:

  • Hệ thống đo lường và điều khiển tự động: Ứng dụng vi xử lý dưới dạng vi mạch đơn chip (Single-chip Microcomputer) trong các thiết bị gia dụng (máy giặt, điều hòa không khí, tivi) và các hệ thống phức tạp như hệ thống tự động lái máy bay (Autopilot), điều khiển tàu thủy, tên lửa, dây chuyền sản xuất công nghiệp.
  • Hệ thống xử lý dữ liệu và tính toán khoa học: Phân biệt rõ giữa máy vi tính PC đa năng (sử dụng hệ điều hành phức tạp như MS-DOS, Windows để quản lý dữ liệu văn phòng, kinh doanh) và các hệ thống vi xử lý chuyên dụng trong công nghiệp (thường chỉ vận hành bằng chương trình giám sát Monitor lưu cố định trong bộ nhớ ROM).

Đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình được biên soạn phục vụ các nhóm đối tượng cụ thể trong hệ thống giáo dục nghề nghiệp và kỹ thuật ứng dụng:

  1. Học sinh, sinh viên:
    • Học viên trình độ Cao đẳng nghề và Trung cấp nghề chuyên ngành Điện tử công nghiệp.
    • Sinh viên các ngành kỹ thuật liên quan như Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật điện tử có nhu cầu học tập về phần cứng vi xử lý và ghép nối máy tính.
    • Yêu cầu tiên quyết: Người học phải nắm vững kiến thức các môn cơ sở: Linh kiện điện tử, Đo lường điện tử, Kỹ thuật xung - số, Điện tử công suất.
  2. Giảng viên và cơ sở đào tạo:
    • Giảng viên sử dụng làm tài liệu giảng dạy chuẩn, định hướng phân chia thời lượng lý thuyết (30h), thực hành (85h) và tổ chức các bài kiểm tra đánh giá theo khung quy định của Tổng cục Dạy nghề.
    • Các trường đào tạo nghề căn cứ vào điều kiện trang thiết bị và cơ sở vật chất thực tế để điều chỉnh các bài tập thực hành trên kit thí nghiệm phù hợp với mục tiêu mô đun.
  3. Kỹ thuật viên và cán bộ kỹ thuật:
    • Dùng làm tài liệu tham khảo cho kỹ thuật viên vận hành, bảo trì các hệ thống điều khiển công nghiệp có sử dụng vi điều khiển và vi xử lý để tra cứu tập lệnh, sơ đồ phân bố bus và cấu trúc cổng ghép nối vào/ra.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này được thiết kế cho cấp độ và ngành học nào?

Giáo trình được phê duyệt theo khung chương trình của Tổng cục Dạy nghề dành cho trình độ Cao đẳng nghề và Trung cấp nghề thuộc ngành Điện tử công nghiệp, đồng thời dùng làm tài liệu tham khảo cho các ngành kỹ thuật liên quan đến điều khiển tự động.

2. Cần hoàn thành những môn học nào trước khi học mô đun này?

Học viên bắt buộc phải học xong 4 môn học cơ bản: Linh kiện điện tử, Đo lường điện tử, Kỹ thuật xung - số và Điện tử công suất.

3. Giáo trình tập trung vào các dòng vi xử lý cụ thể nào?

Trọng tâm kỹ thuật của giáo trình tập trung vào vi xử lý 8-bit Intel 8085, dòng 16-bit Intel 8086/8088/80286, đồng thời giới thiệu tổng quan cấu trúc các dòng vi xử lý 32-bit (80386, 80486), vi xử lý Pentium và kiến trúc RISC/CISC.

4. Thời lượng thực hành của giáo trình được phân bổ ra sao?

Mô đun có thời lượng 120 giờ, trong đó thời gian thực hành chiếm 85 giờ (hơn 70% tổng thời lượng), tập trung vào thao tác lắp ráp mạch, kiểm tra tín hiệu bus, quét LED 7 đoạn, giao tiếp phím Hex và kết nối bộ nhớ.

5. Làm thế nào để tự học và nắm vững kiến thức trong giáo trình?

Người học cần kết hợp giải đầy đủ các bài tập chuyển đổi hệ số, tính toán số bù hai, tra cứu bảng mã ASCII/LED 7 đoạn, đồng thời đối chiếu giữa sơ đồ nguyên lý lý thuyết với sơ đồ chân thực tế của các IC vi xử lý và vi mạch phụ trợ.

Kết luận

Giáo trình mô đun Vi xử lý (MĐ 24) của Tổng cục Dạy nghề là tài liệu giảng dạy chuẩn hóa, cung cấp cấu trúc kiến thức hoàn chỉnh về hệ vi xử lý từ cơ sở toán học nhị phân, cấu trúc phần cứng vi xử lý Intel (8085, 8086 đến Pentium), phương pháp tổ chức bộ nhớ bán dẫn RAM/ROM đến kỹ thuật ghép nối thiết bị ngoại vi vào/ra công nghiệp. Với cơ cấu thời lượng ưu tiên 85 giờ thực hành trên tổng số 120 giờ, giáo trình định hướng hình thành năng lực lập trình hợp ngữ cơ bản, thiết kế sơ đồ liên kết bus và xử lý các kết nối phần cứng trong hệ thống điều khiển điện tử công nghiệp.