Giáo trình Vi xử lý ngành Điện tử công nghiệp - Cao đẳng nghề (TS. KS Lê Văn Hùng biên soạn)

• Tác giả: Lê Văn Hùng
• Trường học: Trường Cao Đẳng Nghề Lilama 2
• Chuyên ngành: Điện tử công nghiệp
• Đề tài: Vi xử lý
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Đồng Nai

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình mô đun vi xử lý nghề điện tử công nghiệp

Giáo trình mô đun vi xử lý nghề điện tử công nghiệp trình độ cao đẳng là tài liệu đào tạo chuyên ngành do Bộ Lao động Thương binh Xã hội và Tổng cục Dạy nghề phê duyệt. Giáo trình được biên soạn theo chương trình khung chuẩn, với dung lượng đào tạo 120 giờ. Nội dung bao gồm bốn bài học chính: tổng quan về các hệ vi xử lý, các đơn vị vi xử lý trung tâm, bộ nhớ trong của hệ vi xử lý và thiết bị vào ra của hệ vi xử lý. Tài liệu do Trường Cao đẳng nghề Lilama 2 chủ trì biên soạn, ban hành theo Quyết định số 120/QĐ-TCDN ngày 25 tháng 02 năm 2013. Giáo trình hướng đến việc tích hợp kiến thức lý thuyết và kỹ năng thực hành một cách chặt chẽ, logic. Phương pháp biên soạn nhấn mạnh tính thực tiễn, gắn liền với nhu cầu sản xuất công nghiệp hiện đại. Người học được trang bị nền tảng vững chắc về hệ thống vi xử lý, từ nguyên lý số học máy tính đến cấu trúc phần cứng và ứng dụng thực tế trong môi trường điện tử công nghiệp.

1.1. Mục tiêu đào tạo của giáo trình vi xử lý cao đẳng

Giáo trình mô đun vi xử lý đặt ra các mục tiêu đào tạo rõ ràng cho sinh viên nghề điện tử công nghiệp trình độ cao đẳng. Người học phải trình bày được cấu trúc của các đơn vị vi xử lý, phân tích các chương trình có sẵn và thực hiện các ứng dụng thực tế thông qua các mô hình mô phỏng. Ngoài kiến thức chuyên môn, giáo trình còn rèn luyện tính tỉ mỉ, chính xác cho người học. Kỹ năng an toàn lao động và vệ sinh công nghiệp cũng được chú trọng. Mục tiêu cuối cùng là đào tạo nguồn nhân lực có khả năng vận hành, bảo trì hệ thống vi xử lý trong môi trường sản xuất công nghiệp hiện đại.

1.2. Cấu trúc nội dung và thời lượng chương trình đào tạo

Giáo trình vi xử lý được thiết kế với tổng thời lượng 120 giờ học, phân bổ hợp lý giữa lý thuyết và thực hành. Bài 24-01 giới thiệu tổng quan về các hệ vi xử lý, bao gồm hệ thập phân, nhị phân, thập lục phân và các phép chuyển đổi. Bài 24-02 đi sâu vào cấu trúc đơn vị vi xử lý trung tâm như µP 8085. Bài 24-03 trình bày về bộ nhớ trong của hệ vi xử lý. Bài 24-04 tập trung vào thiết bị vào ra. Mỗi bài đều có nội dung thực tập để người học củng cố và áp dụng kiến thức vào thực tế. Các trường có thể điều chỉnh thời gian tùy theo điều kiện cơ sở vật chất.

II. Phân tích nội dung hệ số và biểu diễn dữ liệu trong vi xử lý

Nội dung cốt lõi của giáo trình vi xử lý bắt đầu từ việc phân tích các hệ số đếm cơ bản. Hệ thập phân sử dụng mười chữ số từ 0 đến 9, là hệ quen thuộc trong đời sống hàng ngày. Hệ nhị phân chỉ dùng hai chữ số 0 và 1, đóng vai trò nền tảng cho mọi hoạt động xử lý trong máy tính điện tử. Hệ thập lục phân với mười sáu ký tự giúp biểu diễn gọn gàng các dãy nhị phân dài. Việc chuyển đổi lẫn nhau giữa các hệ đếm là kỹ năng thiết yếu mà sinh viên phải thành thạo. Giáo trình cũng trình bày cách mã hóa thông tin không số, bao gồm mã hiển thị LED 7 thanh và các loại mã ký tự. Biểu diễn dữ liệu số trong máy tính đòi hỏi hiểu biết về cách tổ chức và mã hóa thông tin dưới dạng nhị phân. Dữ liệu bao gồm số, văn bản, thông tin logic và đa phương tiện đều được số hóa để xử lý hiệu quả.

2.1. Các phép toán số học nhị phân và số bù hai

Các phép toán số học nhị phân là nền tảng quan trọng trong hoạt động của vi xử lý. Phép cộng nhị phân thực hiện theo quy tắc cộng từng bit từ phải sang trái, có nhớ khi tổng bằng 2 hoặc 3. Phép trừ nhị phân thường sử dụng phương pháp số bù hai để biến đổi thành phép cộng. Số bù hai được tạo bằng cách đảo tất cả các bit của số nhị phân rồi cộng thêm 1. Phương pháp này giúp đơn giản hóa thiết kế mạch tính toán trong CPU. Phép nhân và phép chia nhị phân cũng được thực hiện tương tự như hệ thập phân nhưng chỉ với hai chữ số 0 và 1, giúp mạch xử lý trở nên gọn nhẹ và nhanh chóng hơn.

2.2. Biểu diễn vật lý thông tin trong bộ nhớ máy tính

Thông tin sau khi mã hóa dạng nhị phân được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính theo nguyên tắc vật lý cụ thể. Mỗi bit thông tin được biểu diễn bằng một phần tử nhớ có hai trạng thái ổn định, tương ứng với giá trị 0 và 1. Bộ nhớ trong sử dụng các linh kiện bán dẫn như transistor để lưu trữ dữ liệu. Dữ liệu được tổ chức thành các đơn vị byte, bao gồm 8 bit liên tiếp. Mỗi vị trí trong bộ nhớ có một địa chỉ duy nhất để truy xuất. Quy ước về thứ tự bit cao và bit thấp cần được tuân thủ nghiêm ngặt để đảm bảo tính chính xác khi xử lý dữ liệu trong hệ vi xử lý công nghiệp.

III. Cấu trúc đơn vị vi xử lý trung tâm µP 8085 và giải pháp ứng dụng

Vi xử lý trung tâm µP 8085 đánh dấu bước phát triển đột phá trong lịch sử vi xử lý. So với các thế hệ trước như µP 8008 và µP 8080, vi xử lý 8085 tích hợp nhiều tính năng tiên tiến hơn. Cơ cấu ngắt theo nhiều mức khác nhau được hình thành qua khối điều khiển ngắt, tạo ra vector ngắt tránh sự chèn nhau do lệnh RETN trên bus dữ liệu. Tín hiệu nhận biết yêu cầu ngắt INTA được tạo trực tiếp từ khối điều khiển ngắt, không cần mạch phụ trợ bên ngoài. Các tín hiệu điều khiển ghi đọc WR và RD cũng được tạo ngay trong CPU từ bộ định thời và điều khiển chức năng. Điểm nổi bật là mạch tạo xung đồng hồ được tích hợp trong CPU, giúp giảm số linh kiện ngoại vi. Khối chức năng điều khiển vào ra nối tiếp cho phép µP 8085 thực hiện lệnh truyền dữ liệu nối tiếp hiệu quả, mở rộng khả năng giao tiếp với các thiết bị ngoại vi trong hệ thống công nghiệp.

3.1. Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của µP 8085

Sơ đồ khối cấu trúc của µP 8085 bao gồm các khối chức năng chính được tích hợp trên một chip bán dẫn duy nhất. Khối số học logic ALU thực hiện các phép tính số học và phép xử lý logic. Khối thanh ghi bao gồm các thanh ghi đa dụng để lưu trữ tạm thời dữ liệu trong quá trình xử lý. Bộ định thời và điều khiển chức năng đảm bảo đồng bộ hóa hoạt động của toàn bộ hệ thống. Khối điều khiển ngắt quản lý các yêu cầu ngắt từ thiết bị ngoại vi. Bus địa chỉ và bus dữ liệu là kênh truyền thông tin giữa CPU với bộ nhớ và thiết bị vào ra. Nguyên lý hoạt động dựa trên chu kỳ lấy lệnh, giải mã và thực hiện lệnh tuần tự theo xung đồng hồ.

3.2. Phương pháp phân tích và lập trình ứng dụng vi xử lý

Phương pháp phân tích chương trình vi xử lý đòi hỏi sinh viên hiểu rõ tập lệnh của µP 8085. Mỗi lệnh bao gồm mã lệnh và toán hạng, được mã hóa dạng nhị phân và lưu trữ trong bộ nhớ. Quá trình lập trình bắt đầu từ việc xác định bài toán, vẽ lưu đồ thuật toán rồi chuyển sang mã assembly. Công cụ mô phỏng và kit thực hành giúp sinh viên kiểm tra chương trình trước khi chạy trên thiết bị thật. Giáo trình khuyến khích phương pháp học qua thực hành, từ các bài tập đơn giản đến phức tạp. Kỹ năng gỡ lỗi chương trình cũng được rèn luyện để người học có khả năng xử lý lỗi trong môi trường sản xuất thực tế.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của giáo trình vi xử lý trong đào tạo nghề

Giáo trình mô đun vi xử lý nghề điện tử công nghiệp trình độ cao đẳng đã hoàn thành tốt vai trò đào tạo nguồn nhân lực kỹ thuật chất lượng cao. Nội dung giáo trình bám sát chương trình khung do Tổng cục Dạy nghề phê duyệt, đảm bảo tính chuẩn hóa và hệ thống. Phương pháp tích hợp kiến thức lý thuyết với kỹ năng thực hành giúp sinh viên nắm vững nguyên lý và có khả năng ứng dụng ngay vào công việc thực tế. Giáo trình được biên soạn với văn phong ngắn gọn, dễ hiểu, phù hợp với đối tượng học nghề. Trong quá trình sử dụng, các trường có thể điều chỉnh thời gian và bổ sung kiến thức mới phù hợp với sự phát triển của khoa học công nghệ. Sự phát triển liên tục của công nghệ vi xử lý đòi hỏi giáo trình cần được cập nhật thường xuyên. Các ý kiến đóng góp từ giảng viên và người học sẽ giúp hoàn thiện tài liệu đào tạo ngày càng tốt hơn, đáp ứng yêu cầu nhân lực cho ngành điện tử công nghiệp.

4.1. Tính phát huy và kế thừa trong phát triển công nghệ vi xử lý

Sự phát triển công nghệ vi xử lý tuân theo nguyên tắc phát huy và kế thừa. Các thế hệ vi xử lý mới luôn tương thích ngược với thế hệ trước, giúp bảo vệ đầu tư phần mềm của người dùng. Chương trình ứng dụng chuẩn viết cho µP 8085 có thể chạy được trên các máy vi tính xây dựng từ thế hệ vi xử lý mới hơn. Nguyên tắc này đảm bảo tính bền vững trong đào tạo và ứng dụng thực tế. Sinh viên được học nền tảng vững chắc trên vi xử lý cổ điển trước khi tiếp cận công nghệ mới. Phương pháp tiếp cận từ cơ bản đến nâng cao giúp người học xây dựng tư duy hệ thống toàn diện, sẵn sàng thích ứng với công nghệ thay đổi nhanh chóng trong ngành điện tử công nghiệp hiện đại.

4.2. Ứng dụng mô đun vi xử lý trong sản xuất công nghiệp hiện đại

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH XÃ HỘI TỔNG CỤC DẠY NGHỀ GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN: VI XỬ LÝ NGHỀ: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số:120/QĐ-TCDN ngày 25 tháng 02 năm 2013 của Tổng cục trưởng Tổng cục Dạy nghề Năm 2013 1 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. 2 LỜI GIỚI THIỆU Để thực hiện biên soạn giáo trình đào tạo nghề Điện tử công nghiệp ở trình độ Cao Đẳng Nghề và Trung Cấp Nghề, giáo trình Vi xử lý là một trong những giáo trình môn học đào tạo chuyên ngành được biên soạn theo nội dung chương trình khung được Bộ Lao động Thương binh Xã hội và Tổng cục Dạy Nghề phê duyệt. Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức và kỹ năng chặt chẽ với nhau, logíc. Khi biên soạn, nhóm biên soạn đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới có liên quan đến nội dung chương trình đào tạo và phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết và thực hành được biên soạn gắn với nhu cầu thực tế trong sản xuất đồng thời có tính thực tiễn cao. Nội dung giáo trình được biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo 120 giờ gồm có: Bài 24-01: Tổng quan về các hệ vi xử lý. Bài 24-02: Các đơn vi vi xử lý trung tâm. Bài 24-03: Bộ nhớ trong của hệ vi xử lý. Bài 24-04: Thiết bị vào ra của hệ vi xử. Trong quá trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu cũng như khoa học và công nghệ phát triển có thể điều chỉnh thời gian và bổ sung những kiên thức mới cho phù hợp. Trong giáo trình, chúng tôi có đề ra nội dung thực tập của từng bài để người học cũng cố và áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ năng. Tuy nhiên, tuy theo điều kiện cơ sở vật chất và trang thiết bị, các trường có thề sử dụng cho phù hợp. Tuy nhiên, tùy theo điều kiện cơ sở vật chất và trang thiết bị, các trường có thề sử dụng cho phù hợp. Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng được mục tiêu đào tạo nhưng không tránh được những khiếm khuyết. Rất mong nhận được đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hoàn thiện hơn. Các ý kiến đóng góp xin gửi về Trường Cao đẳng nghề Lilama 2, Long Thành Đồng Nai Đồng Nai, ngày 15 tháng 06 năm 2013 Tham gia biên soạn 1. Chủ biên :TS. Kỹ sư Lê Văn Hùng 3. Kỹ sư Nguyễn Văn Tuấn 3 MỤC LỤC TRANG TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN.1 LỜI GIỚI THIỆU. 3 Bài 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ VI XỬ LÝ. Hệ thập phân (Decimal Number System):. Hệ nhị phân (Binary Number System):. Hệ thập lục phân (Hexadecimal Number System):. Mã hiển thị Led 7 thanh (7-segment display):. Chuyển đổi lẫn nhau giữa các hệ đếm:. Hệ nhị phân và hệ thập phân:. Hệ nhị phân và hệ hex:. Mã hóa các thông tin không số:. Xét trường hợp biểu diễn số:. Biểu diễn dữ liệu số trong máy tính:. Biểu diễn vật lý của thông tin trong máy tính:. Các phép toán số học đối với số hệ nhị phân:. Phép cộng và phép trừ:. Số bù hai:. Phép nhân và phép chia:. Cấu trúc của hệ vi xử lý và máy vi tính:. Lịch sử phát triển các trung tâm vi xử lý:. Cấu trúc cơ bản của hệ vi xử lý:. Từ hệ Vi xử lý đến máy vi tính PC:.44 Bài 2: CÁC ĐƠN VI VI XỬ LÝ TRUNG TÂM. Trung tâm vi xử lý P 8085:. Các nhóm tín hiệu trong µ8085:. Khái niệm và bản chất vật lý của các bus trong hệ vi xử lý:.Các mạch 3 trạng thái, mạch chốt và mạch khuyếch đại BUS 2 chiều:. Biểu đồ Timing thực hiện lệnh của CPU µP8085:. Truy nhập trực tiếp bộ nhớ (Direct Memory Access - DMA):. Vi chương trình (Microprogram) và tập lệnh của µP8085:. Vài nét về lập trình cho 8085:. Các trung tâm vi xử lý họ 80x86:. Mô tả chân của P 8086 và các tín hiệu:.2 Cấu trúc Trung tâm Vi xử lý họ 80x86:.3 Hệ thống thanh ghi trong các µP80x86:. Các chế độ làm việc MIN/MAX:. Phương thưc quản lý bộ nhớ, các mode địa chỉ:. Phương thức đánh địa chỉ thiết bị ngoại vi:. Các mạch multiplexer, decoder, PLA:. Sơ lược về lập trình hợp ngữ:. Cấu trúc và tính năng của một số chíp vi xử lý hiện đại:.1 Cấu trúc chip Vi xử lý Pentium:. Cấu trúc RISC, CISC:.3 Quản lý bộ nhớ:. Bộ nhớ cache:.149 Bài 3: BỘ NHỚ TRONG CỦA HỆ VI XỬ LÝ. Bộ nhớ trong hệ vi xử lý:. Phần tử nhớ, vi mạch nhớ, từ nhớ và dung lượng bộ nhớ:. Vài nét về bộ nhớ trong của hệ vi xử lý và máy tính:.3 Phân loại các chip nhớ ROM, RAM :. Tổ chức bộ nhớ cho hệ vi xử lý:. Tổ chức bộ nhớ vật lý:. Thiết kế vỉ nhớ cho hệ vi xử lý:.161 Bài 4: THIẾT BỊ VÀO RA CỦA HỆ VI XỬ LÝ. Bàn phím HEX (keyboard):. Ghép nối bàn phím với hệ vi xử lý:. Hệ thống bàn phím của máy vi tính:. Quá trình truyền dữ liệu từ bàn phím cho CPU:. Mạch điều khiển và lập trình chỉ thị 7-segment:.1 Màn hình ống tia âm cực CRT (Cathode Ray Tube):.2 Ghép nối màn hình với hệ Vi xử lý:. Bộ điều khiển màn hình CRTC:.183 5 6 MÔ ĐUN VI XỬ LÝ Mã mô đun: MĐ 24  Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của mô đun: - Vị trí của mô đun: Mô đun được bố trí dạy cuối chương trình sau khi học xong các môn học cơ bản như linh kiện điện tử, đo lường điện tử, kỹ thuật xung - số, điện tử công suất. - Tính chất của mô đun: Là mô đun bắt buộc. - Ý nghĩa của mô đun: sau khi học xong mô đun Vi xử lý, người học phải biết lập trình một số ứng dụng từ đơn giản đến phức tạp và xử lý được các kết nối máy tính với thiết bị ngoại vi. - Vai trò của mô đun: Giáo trình mô đun “Vi xử lý” nhằm cung cấp cho người học những kiến thức về lập trình và giao tiếp với máy tính bằng vi xử lý.  Mục tiêu của mô đun: - Về kiến thức: + Trình bày được về hệ đếm và mã hóa trong máy tính, tương tác giữa máy tính và vi xử lý, các bộ vi xử lý intel đang được ứng dụng. + Giải thích được nguyên lý làm việc các hệ điều khiển ứng dụng vi xử lý. - Về kỹ năng: + Lập trình hợp ngữ một số bài tập cơ bản một cách thành thạo. + Xử lý được một số dạng kết nối máy tính với vi xử lý và các thiết bị ngoại vi. + Phát triển được các hệ điều khiển trên cơ sở khối trung tâm là vi xử lý. - Về thái độ: Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác và an toàn vệ sinh công nghiệp Thời gian Mã bài Tên các bài trong mô đun Tổng Lý Thực Kiểm số thuyết Hành tra Tổng quan về các hệ vi xử MĐ24-01 10 4 5 1 lý 1. Các hệ đếm 2 1,2 0,8 7 Chuyển đổi lẫn nhau giữa các 2. Mã hóa thông tin 3 1 2 Các phép tính trong hệ đếm 4. 3 0,8 1,7 0,5 nhị phân Cấu trúc của hệ vi xử lý và 5. 1 0,5 0,5 máy vi tính Các đơn vi vi xử lý trung MĐ24-02 40 10 29 1 tâm 1. Trung tâm vi xử lý P 8085 15 4 11 Các trung tâm vi xử lý họ 2. 15 4 11 80x86 Cấu trúc và tính năng của một 3. 10 2 7 1 số chíp vi xử lý hiện đại MĐ24-03 Bộ nhớ trong của hệ vi xử lý 30 6 23 1 1. Bộ nhớ trong hệ vi xử lý 15 3 12 Tổ chức bộ nhớ cho hệ vi xử 2. 15 3 11 1 lý MĐ24-04 Thiết bị vào ra của hệ vi xử 40 10 28 2 1. Bàn phím HEX (keyboard) 8 2 6 Ghép nối bàn phím với hệ vi 2. 12 4 8 xử lý Mạch điều khiển và lập trình 3. 8 1,5 5,5 1 chỉ thị 7 thanh 4. Màn hình 12 2,5 8,5 1 Tổng cộng 120 30 85 5 8 BÀI 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ VI XỬ LÝ Mã bài: MĐ24-01 Giới thiệu Khoa học kỹ thuật đang ngày càng phát triển rất mạnh mẽ, các công nghệ mới thuộc các lĩnh vực khác nhau nhờ đó đã ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu của xã hội và kỹ thuật Vi xử lý cũng nằm trong số đó. Hiện nay kỹ thuật Vi xử lý đã được giảng dạy rộng rãi ở các trường Đại học và Cao đẳng trong cả nước, tuy nhiên lĩnh vực mới này (Vi xử lý) vẫn đang còn rất mới mẻ, và những ứng dụng của nó vẫn chưa được khai thác triệt để trong các hệ thống điều khiển, đo lường và điều chỉnh của các dây chuyền công nghiệp. Mục tiêu: - Trình bày được một số hệ đếm, và các mã thường dùng trong hệ vi xử lý. - Tính toán, chuyển đổi được các phép toán nhị phân. - Trình bày được cách biểu diễn thông tin trong các hệ vi xử lý. - Rèn luyện tính tư duy, tác phong trong công nghiệp. Các hệ đếm: Mục tiêu: Trình bày được một số hệ đếm, và các mã thường dùng trong hệ vi xử lý.  Nguyên lý của việc viết số. - Một số được viết bằng cách đặt kề nhau các ký hiệu, được chọn trong một tập hợp xác định. Mỗi ký hiệu trong một số được gọi là số mã (số hạng, digital). Ví dụ: Trong hệ thống thập phân (cơ số 10) tập hợp này gồm 10 ký hiệu rất quen thuộc, đó là các con số từ 0 đến 9: S10= {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9} - Khi một số gồm nhiều số mã được viết, giá trị của các số mã tùy thuộc vị trí của nó trong số đó. Giá trị này được gọi là trọng số của số mã. - Trong triển khai, số mũ của đa thức chỉ vị trí của một ký hiệu trong một số với quy ước vị trí của hàng đơn vị là 0, các vị trí liên tiếp về phía trái là 1, 2, 3, . Nếu có phần lẻ, vị trí đầu tiên sau dấu phẩy là -1, các vị trí liên tiếp về phía phải là -2, -3, .Ta thấy, số 9 đầu tiên (sau số 1) có trọng số là 900 trong khi số 9 thứ hai chỉ là 90.