Giáo Trình Vi Điều Khiển: Tài Liệu Học Tập và Nghiên Cứu

Giáo trình về vi điều khiển, biên soạn theo chương trình đào tạo chuẩn, hệ thống hóa kiến thức từ cơ bản đến nâng cao., phục vụ nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

• Trường học: Trường Cao Đẳng Nghề Số 20/QK3
• Chuyên ngành: Điện Tử
• Đề tài: Giáo Trình Vi Điều Khiển: Hướng Dẫn Chi Tiết và Ứng Dụng
• Loại tài liệu: tài liệu

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. BÀI 1: SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA VI ĐIỀU KHIỂN
• 1.1. Lịch sử phát triển
• 1.2. Vi điều khiển
• 1.3. Lĩnh vực và ứng dụng
• 1.4. Hướng phát triển
• 2. BÀI 2: CẤU TRÚC HỌ VI ĐIỀU KHIỂN 8051
• 2.1. Cấu trúc Port I/O
• 2.2. Tổ chức bộ nhớ
• 2.2.1. Bộ nhớ chương trình (ROM)
• 2.2.2. Bộ nhớ dữ liệu
• 2.2.3. Các thanh ghi chức năng đặc biệt
• 3. BÀI 3: TẬP LỆNH 8051
• 3.1. Các cách định địa chỉ
• 3.2. Nhóm lệnh số học
• 3.3. Nhóm lệnh logic
• 3.4. Nhóm lệnh truyền dữ liệu
• 3.5. Nhóm lênh Boolean (xử lý bít)
• 3.6. Nhóm lệnh rẽ nhánh chương trình
• 4. BÀI 4: BỘ ĐỊNH THỜI
• 4.1. Thanh ghi SFR của timer
• 4.2. Thanh ghi chế độ TMOD
• 4.3. Thanh ghi điều khiển TCON
• 4.4. Các chế độ làm việc
• 4.4.1. Chế độ Timer 13 bit (chế độ 0)
• 4.4.2. Chế độ Timer 16 bit (chế độ 1)
• 4.4.3. Chế độ tự nạp lại 8 bit (Chế độ 2)
• 4.4.4. Chế độ tách biệt Timer (Chế độ 3)
• 4.5. Nguồn cung cấp xung cho Timer
• 4.6. Chức năng định thời
• 4.7. Chức năng đếm sự kiện
• 4.8. Khởi động, dừng, điều khiển Timer
• 4.9. Khởi tạo và truy xuất thanh ghi Timer
• 4.10. Đọc thời gian đang hoạt động
• 4.11. Thời gian ngắn và thời gian dài
• 4.12. Timer 2 của 8052
• 5. BÀI 5: CỔNG NỐI TIẾP
• 5.1. Thanh ghi điều khiển
• 5.2. Chế độ làm việc
• 5.2.1. Thanh ghi dịch 8 bit
• 5.2.2. Chế độ UART 8 bit có tốc độ baud thay đổi
• 5.2.3. UART 9 bit với tốc độ baud cố định
• 5.2.4. Chế độ UART với tốc độ baud cố định
• 5.3. Khởi tạo và truy suất thanh ghi PORT nối tiếp
• 5.3.1. Cho phép nhận
• 5.3.2. Bít dữ liệu thứ 9
• 5.3.3. Thêm vào bít chẵn - lẻ
• 5.3.4. Truyền thông đa xử lý
• 5.4. Tốc độ BAUD
• 6. BÀI 6: NGẮT
• 6.1. Tổ chức ngắt của 8051
• 6.2. Thiết kế chương trình dùng ngắt
• 6.3. Ngắt cổng nối tiếp
• 6.4. Đồ thị thời gian của ngắt
• 7. BÀI 7: PHẦN MỀM HỢP NGỮ
• 7.1. Hoạt động của Assembler
• 7.2. Cấu trúc chương trình dữ liệu
• 7.3. Tính biểu thức trong khi hợp dịch
• 7.4. Các điều khiển Assembler
• 7.5. Hoạt động liên kết
• 7.6. Macro
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Giáo Trình Vi Điều Khiển Hướng Dẫn Chi Tiết

Giáo trình Vi điều khiển là tài liệu quan trọng cho sinh viên ngành Điện tử. Tài liệu này không chỉ cung cấp kiến thức lý thuyết mà còn hướng dẫn thực hành, giúp sinh viên nắm vững các khái niệm cơ bản về vi điều khiển. Việc hiểu rõ về giáo trình điện tử sẽ tạo nền tảng vững chắc cho việc nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế.

1.1. Lịch Sử Phát Triển Của Vi Điều Khiển

Vi điều khiển đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ những năm 1970. Intel đã giới thiệu chip 8748 vào năm 1976, đánh dấu sự ra đời của vi điều khiển đầu tiên. Sự phát triển này đã mở ra nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như tự động hóa và điều khiển.

1.2. Các Loại Vi Điều Khiển Phổ Biến

Có nhiều loại vi điều khiển khác nhau, bao gồm 8-bit, 16-bit và 32-bit. Mỗi loại có những đặc điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Việc lựa chọn loại vi điều khiển phù hợp là rất quan trọng trong thiết kế hệ thống.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Ứng Dụng Vi Điều Khiển

Mặc dù vi điều khiển mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số thách thức trong quá trình ứng dụng. Các vấn đề như khả năng xử lý hạn chế và yêu cầu về thiết kế mạch điện phức tạp có thể gây khó khăn cho người dùng. Việc hiểu rõ những thách thức này sẽ giúp sinh viên chuẩn bị tốt hơn cho thực tế.

2.1. Khó Khăn Trong Thiết Kế Mạch Điện

Thiết kế mạch điện cho vi điều khiển yêu cầu kiến thức sâu rộng về các thành phần điện tử. Việc kết nối các khối mạch phức tạp có thể dẫn đến sai sót trong quá trình thực hiện.

2.2. Giới Hạn Về Tốc Độ Xử Lý

Tốc độ xử lý của vi điều khiển thường thấp hơn so với vi xử lý. Điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu tính toán nhanh.

III. Phương Pháp Lập Trình Vi Điều Khiển Hiệu Quả

Lập trình vi điều khiển là một kỹ năng quan trọng. Việc sử dụng các phần mềm lập trình chuyên dụng giúp tối ưu hóa quá trình phát triển ứng dụng. Các phương pháp lập trình như lập trình hướng đối tượng và lập trình hàm có thể được áp dụng để nâng cao hiệu quả.

3.1. Sử Dụng Phần Mềm Lập Trình

Các phần mềm như Keil và MPLAB được sử dụng phổ biến trong lập trình vi điều khiển. Những phần mềm này cung cấp nhiều công cụ hỗ trợ giúp lập trình viên dễ dàng hơn trong việc phát triển ứng dụng.

3.2. Kỹ Thuật Tối Ưu Hóa Mã Lệnh

Tối ưu hóa mã lệnh là một phần quan trọng trong lập trình vi điều khiển. Việc sử dụng các kỹ thuật như giảm thiểu số lượng lệnh và tối ưu hóa vòng lặp có thể giúp cải thiện hiệu suất của chương trình.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Vi Điều Khiển Trong Cuộc Sống

Vi điều khiển được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như tự động hóa, điện tử tiêu dùng và robot. Những ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn tiết kiệm chi phí sản xuất. Việc nắm vững các ứng dụng thực tiễn sẽ giúp sinh viên có cái nhìn rõ hơn về ngành nghề của mình.

4.1. Ứng Dụng Trong Tự Động Hóa

Trong ngành tự động hóa, vi điều khiển được sử dụng để điều khiển các thiết bị như máy móc và dây chuyền sản xuất. Điều này giúp tăng năng suất và giảm thiểu lỗi trong quá trình sản xuất.

4.2. Ứng Dụng Trong Thiết Bị Điện Tử Tiêu Dùng

Nhiều thiết bị điện tử tiêu dùng như máy giặt, tivi và điện thoại di động đều sử dụng vi điều khiển. Việc tích hợp vi điều khiển giúp các thiết bị này hoạt động hiệu quả và thông minh hơn.

V. Kết Luận Tương Lai Của Vi Điều Khiển

Tương lai của vi điều khiển hứa hẹn sẽ phát triển mạnh mẽ với sự gia tăng ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ cao. Việc nghiên cứu và phát triển các loại vi điều khiển mới sẽ mở ra nhiều cơ hội cho sinh viên và các nhà nghiên cứu. Sự phát triển này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn giảm chi phí sản xuất.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Công Nghệ Vi Điều Khiển

Công nghệ vi điều khiển đang hướng tới việc tích hợp nhiều tính năng hơn trong một chip. Điều này sẽ giúp giảm kích thước và tăng hiệu suất của các thiết bị điện tử.

5.2. Cơ Hội Nghề Nghiệp Trong Ngành Vi Điều Khiển

Với sự phát triển của vi điều khiển, nhu cầu về nhân lực trong ngành này ngày càng tăng. Sinh viên có cơ hội việc làm rộng mở trong các lĩnh vực như thiết kế mạch điện, lập trình và phát triển sản phẩm.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Vi Điều Khiển do Bộ môn Điện tử thuộc Khoa Điện – Điện tử - Tin học, Trường Cao đẳng nghề số 20/QK3 tổ chức biên soạn, phục vụ trực tiếp cho chương trình đào tạo chuyên ngành Điện tử công nghiệp và ngành Sửa chữa thiết bị tự động hóa. Trong cấu trúc chương trình đào tạo kỹ thuật, mô đun Vi điều khiển đóng vai trò là học phần kỹ thuật chuyên ngành cốt lõi, kết nối giữa kiến thức điện tử số cơ bản với các ứng dụng điều khiển tự động hóa trong thực tế sản xuất và đời sống.

Mục tiêu học tập của giáo trình tập trung vào việc cung cấp cho người học hệ thống tri thức hoàn chỉnh về phần cứng vi điều khiển (lấy họ MCS-51 làm chuẩn công nghệ), cơ chế quản lý bộ nhớ, nguyên lý hoạt động của các cổng vào/ra (Port I/O), và cấu trúc tập lệnh hợp ngữ (Assembly). Sau khi hoàn thành học phần, người học có khả năng phân tích sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển, tính toán chu kỳ máy, thiết kế ghép nối bộ nhớ và ngoại vi, đồng thời lập trình điều khiển các khối chức năng nội vi như Bộ định thời (Timer/Counter), Cổng truyền thông nối tiếp (UART) và Hệ thống ngắt (Interrupt).

Cấu trúc giáo trình gồm 7 bài học được sắp xếp theo trình tự sư phạm chặt chẽ: từ lịch sử phát triển, kiến trúc phần cứng, tập lệnh cho đến các khối ngoại vi tích hợp và phần mềm dịch hợp ngữ. Điểm đặc thù của tài liệu là phương pháp tiếp cận trực quan, đi sâu vào cấu trúc thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR), phân tích chi tiết từng chu kỳ tìm - nạp lệnh thông qua giản đồ thời gian và cung cấp ví dụ tường minh cho từng chỉ lệnh hợp ngữ.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình được triển khai qua 7 bài học chuyên đề với tiến trình phát triển từ lý thuyết phần cứng đến kỹ thuật lập trình hệ thống:

• Bài 1: Sơ lược về lịch sử và hướng phát triển của vi điều khiển (Trang 5 - 8): Phân tích sự khác biệt cơ bản giữa bộ vi xử lý (Microprocessor) và bộ vi điều khiển (Microcontroller). Trình bày mốc lịch sử từ chip Intel 8748 (họ MCS-48 năm 1976) đến chip Intel 8051 (họ MCS-51 năm 1980). Khảo sát hai mô hình kiến trúc bộ nhớ: kiến trúc Von Neumann (dùng chung bus cho dữ liệu và chương trình) và kiến trúc Harvard (phân tách độc lập bus dữ liệu và bus chương trình). Đánh giá phạm vi ứng dụng trong thiết bị gia dụng, viễn thông và tự động hóa.
• Bài 2: Cấu trúc họ vi điều khiển 8051 (Trang 9 - 24): Mô tả chi tiết sơ đồ chân vỏ 40 chân và chức năng của 4 cổng xuất/nhập 8-bit ($P0, P1, P2, P3$), các chân điều khiển chuyên dụng ($PSEN, ALE, \overline{EA}, RST, XTAL1, XTAL2$). Phân tích cấu trúc bộ nhớ nội gồm Flash ROM (từ 4KB đến 20KB tùy mã chip như AT89S52, AT89S53), 128 Byte RAM nội (chia thành 4 bank thanh ghi $R0-R7$, 128 bit định địa chỉ bit từ $20H-2FH$, và vùng RAM đa năng $30H-7FH$). Khảo sát tập thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR) gồm $PSW, ACC, B, SP, DPTR, P0-P3, TCON, TMOD, SCON, IE, IP$. Hướng dẫn kỹ thuật mở rộng bộ nhớ ngoài 64KB ROM và 64KB RAM sử dụng IC chốt 74373 và IC giải mã địa chỉ 74138, cùng giải pháp gối không gian nhớ chương trình và dữ liệu qua cổng logic AND.
• Bài 3: Tập lệnh 8051 (Trang 25 - 60): Trình bày 8 chế độ định địa chỉ: thanh ghi, trực tiếp (direct), gián tiếp (@Ri), tức thời (#data), tương đối (offset 8-bit có dấu từ -128 đến +127), tuyệt đối (trang 2KB với ACALL/AJMP), dài (không gian 64KB với LCALL/LJMP) và theo chỉ số (@A+DPTR). Phân loại chi tiết các nhóm lệnh:
  • Nhóm lệnh số học: ADD, ADDC, SUBB, INC, DEC, MUL AB, DIV AB, DA A.
  • Nhóm lệnh logic: ANL, ORL, XRL, CLR, CPL, RL, RLC, RR, RRC, SWAP.
  • Nhóm lệnh truyền dữ liệu: MOV, MOVX, MOVC, XCH.
  • Nhóm lệnh xử lý bit Boolean và Nhóm lệnh rẽ nhánh chương trình.
• Bài 4: Bộ định thời (Trang 61 - 73): Cơ chế vận hành của Timer 0, Timer 1 và Timer 2 (trên dòng 8052). Cấu hình thanh ghi chế độ $TMOD$ và thanh ghi điều khiển $TCON$. Phân tích 4 chế độ làm việc: Chế độ 0 (13-bit), Chế độ 1 (16-bit), Chế độ 2 (Tự nạp lại 8-bit), Chế độ 3 (Tách biệt Timer). Kỹ thuật tạo xung định thời và đếm sự kiện ngoại vi.
• Bài 5: Cổng nối tiếp (Trang 74 - 84): Nguyên lý truyền thông UART qua thanh ghi đệm $SBUF$ và thanh ghi điều khiển $SCON$. Phân tích 4 chế độ truyền thông: Chế độ 0 (Thanh ghi dịch 8-bit), Chế độ 1 (UART 8-bit có tốc độ baud thay đổi theo Timer 1), Chế độ 2 (UART 9-bit tốc độ baud cố định), Chế độ 3 (UART 9-bit tốc độ baud thay đổi). Kỹ thuật truyền thông đa xử lý và cách tạo bit kiểm tra chẵn/lẻ.
• Bài 6: Ngắt (Trang 85 - 102): Cơ chế xử lý ngắt phần cứng và phần mềm của 8051. Cấu hình thanh ghi cho phép ngắt $IE$ và thanh ghi ưu tiên ngắt $IP$. Thiết kế chương trình phục vụ ngắt cho ngắt ngoài ($\overline{INT0}, \overline{INT1}$), ngắt bộ định thời (Timer 0, Timer 1, Timer 2) và ngắt cổng nối tiếp ($RI/TI$). Phân tích giản đồ thời gian đáp ứng ngắt.
• Bài 7: Phần mềm hợp ngữ (Trang 103 - 129): Quy trình xử lý của trình dịch Assembler, cấu trúc chương trình nguồn, các quy tắc tính toán biểu thức trong quá trình hợp dịch, chỉ thị điều khiển trình biên dịch (Assembler Directives), hoạt động liên kết (Linker) và kỹ thuật lập trình Macro.

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                      TIẾN TRÌNH NỘI DUNG GIÁO TRÌNH 8051                     |
+-------------------------------------------------------------------------------+
| Bài 1: Tổng quan Kiến trúc -> Bài 2: Phần cứng & SFR -> Bài 3: Tập lệnh ASM   |
+---------------------------------------+---------------------------------------+
                                        |
                                        v
+-------------------------------------------------------------------------------+
| Các khối chức năng nội vi:                                                   |
| - Bài 4: Bộ định thời (Timer 0, 1, 2)                                         |
| - Bài 5: Cổng nối tiếp (UART & Baudrate)                                      |
| - Bài 6: Hệ thống ngắt (Interrupts & SFR IE/IP)                              |
+---------------------------------------+---------------------------------------+
                                        |
                                        v
+-------------------------------------------------------------------------------+
| Bài 7: Phần mềm hợp ngữ, Trình dịch Assembler, Liên kết Linker & Macro         |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xây dựng nền tảng kiến trúc phần cứng hệ thống dựa trên mô hình xử lý 8-bit tiêu chuẩn. Hệ thống lý thuyết cốt lõi bao gồm:

• Nguyên lý đa hợp bus địa chỉ và bus dữ liệu (Multiplexed Bus) trên Port 0 thông qua tín hiệu chốt địa chỉ $ALE$, giúp tiết kiệm chân vi mạch trong vỏ đóng gói 40 chân.
• Tổ chức phân tầng bộ nhớ với không gian địa chỉ vật lý độc lập giữa bộ nhớ chương trình nội/ngoại ($PSEN$) và bộ nhớ dữ liệu nội/ngoại ($RD, WR$).
• Cơ chế quản lý trạng thái hệ thống thông qua từ trạng thái chương trình ($PSW$) chứa các cờ nhớ ($C, AC$), cờ tràn ($OV$), cờ chẵn lẻ ($P$) và các bit chọn bank thanh ghi ($RS0, RS1$).

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng phân tích phần cứng: Đọc hiểu giản đồ xung chu kỳ tìm - nạp lệnh, tính toán chu kỳ máy dựa trên tần số thạch anh (chu kỳ máy bằng 12 chu kỳ dao động; với thạch anh 12MHz, một chu kỳ máy tương ứng $1\mu s$). Thiết kế sơ đồ mạch ghép nối giải mã địa chỉ sử dụng các IC phụ trợ tiêu chuẩn (74373, 74138, ROM 2764, RAM 6264).
• Kỹ năng lập trình cấp thấp: Sử dụng hợp ngữ Assembly để thao tác trực tiếp trên từng ô nhớ RAM, từng bit đơn lẻ và thanh ghi chức năng; chuyển đổi định dạng dữ liệu giữa số nhị phân, số Hex và số thập phân mã hóa nhị phân (BCD) bằng lệnh DA A.
• Kỹ năng điều khiển ngoại vi: Lập trình khởi tạo và điều khiển chính xác thời gian trễ bằng Timer, cấu hình truyền nhận dữ liệu bất đồng bộ qua UART và xây dựng chương trình xử lý sự kiện thời gian thực bằng vector ngắt.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình áp dụng phương pháp sư phạm kỹ thuật kết hợp chặt chẽ giữa mô tả cấu trúc phần cứng và thực hành lệnh lập trình. Tiến trình bài giảng được thiết kế theo các bước:

1. Trình bày sơ đồ khối chức năng và cấu trúc thanh ghi liên quan.
2. Phân tích cú pháp lệnh, dung lượng chiếm dụng bộ nhớ ROM (1 byte, 2 byte hoặc 3 byte) và số chu kỳ máy tiêu tốn để thực thi (1, 2 hoặc 4 chu kỳ máy).
3. Cung cấp đoạn mã ví dụ kèm theo phân tích trạng thái trước và sau khi thực thi của các ô nhớ và cờ hiệu trong thanh ghi $PSW$.

Tài liệu cung cấp các bài tập tình huống kỹ thuật cụ thể như:

• Mở rộng bộ nhớ RAM 1KB (chia thành 4 trang 256 byte) kết nối với vi điều khiển bằng cách sử dụng các chân $P2.0$ và $P2.1$ để chọn trang và dùng lệnh MOVX để truy xuất.
• Thiết kế mạch gối không gian nhớ ROM và RAM sử dụng cổng logic AND kết hợp tín hiệu $PSEN$ và $RD$ để phục vụ việc nạp chương trình vào RAM và gỡ lỗi (debug) trực tiếp trên hệ thống đích.
• Cấu hình các bộ định thời $T0, T1$ để đo khoảng thời gian sự kiện hoặc tạo xung nhịp chuẩn cho cổng nối tiếp $UART$.

Đối với người học, giáo trình yêu cầu phương pháp tự học dựa trên việc tự tính toán offset cho các lệnh nhảy tương đối (SJMP), xác định địa chỉ vật lý khi lập trình các lệnh nhảy tuyệt đối (AJMP, ACALL) trong phạm vi trang 2KB, và lập bảng phân bổ vùng nhớ RAM nội để tránh xung đột giữa vùng ngăn xếp ($SP$), vùng định địa chỉ bit và các bank thanh ghi công tác.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

• Phân định ranh giới kỹ thuật giữa Vi xử lý và Vi điều khiển: Tài liệu phân tích rõ lý do vi điều khiển được lựa chọn cho các hệ thống nhúng quy mô vừa và nhỏ: việc tích hợp CPU, bộ nhớ và các khối ngoại vi xuất/nhập trên cùng một chip IC đơn giúp tối giản kích thước mạch in, giảm độ phức tạp thiết kế và hạ giá thành sản phẩm so với hệ thống vi xử lý rời.
• So sánh hai mô hình kiến trúc máy tính: Phân tích ưu thế của kiến trúc Harvard (vùng nhớ dữ liệu và chương trình tách biệt, cho phép truy xuất song song) so với kiến trúc Von Neumann (dùng chung một bus địa chỉ và dữ liệu tuyến tính).
• Cập nhật các biến thể vi điều khiển Flash ROM: Ngoài cấu trúc 8051 truyền thống, giáo trình bổ sung các đặc tính kỹ thuật của các dòng vi mạch hiện đại hơn như AT89S52, AT89S53 với bộ nhớ Flash ROM cho phép xóa/nạp bằng điện lên đến 10.000 lần.
• Phân tích cải tiến của họ 8032/8052: Làm rõ hai điểm nâng cấp phần cứng then chốt: mở rộng thêm 128 Byte RAM nội tại vùng địa chỉ $80H-FFH$ (chỉ truy xuất qua định địa chỉ gián tiếp @Ri để không xung đột với vùng SFR) và tích hợp thêm bộ định thời 16-bit Timer 2 điều khiển qua thanh ghi $T2CON$.

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                  BẢNG SO SÁNH KIẾN TRÚC VÀ CẢI TIẾN PHẦN CỨNG                |
+--------------------+----------------------------+-----------------------------+
| Tiêu chí           | Vi điều khiển 8051 chuẩn   | Vi điều khiển 8052 / Cải tiến|
+--------------------+----------------------------+-----------------------------+
| RAM nội            | 128 Byte (00H - 7FH)       | 256 Byte (thêm 80H - FFH)   |
| Bộ định thời       | 2 Timer (Timer 0, Timer 1) | 3 Timer (thêm Timer 2)      |
| Kiểu bộ nhớ ROM    | ROM mặt nạ / EPROM         | Flash ROM (nạp/xóa 10.000 l)|
| Không gian mở rộng | 64KB ROM / 64KB RAM ngoài  | 64KB ROM / 64KB RAM ngoài   |
| Đa hợp bus         | P0 (AD0-AD7) qua ALE       | P0 (AD0-AD7) qua ALE        |
+--------------------+----------------------------+-----------------------------+

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình được biên soạn phục vụ các nhóm đối tượng cụ thể sau:

• Sinh viên hệ Cao đẳng và Đại học kỹ thuật: Đặc biệt là sinh viên theo học các ngành Điện tử công nghiệp, Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Sửa chữa thiết bị tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật máy tính.
• Điều kiện tiên quyết: Người học cần có kiến thức nền tảng về Kỹ thuật số (đại số logic Boolean, hệ đếm nhị phân, thập lục phân Hex, cấu tạo cổng logic, mạch chốt flip-flop, thanh ghi dịch) và Mạch điện tử cơ bản.
• Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy lý thuyết chuẩn hóa, khung tham chiếu để thiết kế bài giảng thực hành phòng thí nghiệm, đề tài môn học và đồ án kỹ thuật vi điều khiển.
• Kỹ thuật viên và Kỹ sư thực hành: Sử dụng như tài liệu tra cứu cứu cánh về tập lệnh Assembly, cấu trúc bảng thanh ghi chức năng đặc biệt SFR, sơ đồ phân bố chân và phương pháp ghép nối vi mạch phần cứng.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp cho đối tượng người học nào?

Giáo trình phục vụ sinh viên khối ngành kỹ thuật như Điện tử công nghiệp, Tự động hóa, Sửa chữa thiết bị cơ điện và các ngành kỹ thuật liên quan cần học tập mô đun vi điều khiển phần cứng và lập trình hợp ngữ.

2. Cần chuẩn bị những kiến thức nền tảng nào trước khi học giáo trình?

Người học cần nắm vững kiến thức về Kỹ thuật số (hệ đếm Hex, Binary, các phép toán logic AND/OR/XOR, mạch logic tuần hoàn, bộ đếm) và nguyên lý mạch điện tử cơ bản.

3. Giáo trình tập trung vào dòng vi điều khiển cụ thể nào?

Trọng tâm của giáo trình là họ vi điều khiển MCS-51 tiêu chuẩn (Intel 8051, 8031, 8032, 8052) và các phiên bản cải tiến có bộ nhớ Flash ROM từ hãng Atmel (như AT89C51, AT89S52, AT89S53).

4. Giáo trình hướng dẫn lập trình bằng ngôn ngữ gì?

Giáo trình tập trung hướng dẫn chuyên sâu lập trình bằng Hợp ngữ (Assembly MCS-51) nhằm giúp người học hiểu rõ mối liên hệ giữa câu lệnh, mã máy (Opcode), chu kỳ xung clock và kiến trúc phần cứng bên trong chip.

5. Nội dung giáo trình có đề cập đến phần mềm dịch hợp ngữ không?

Có. Bài 7 của giáo trình dành riêng để phân tích chi tiết về hoạt động của trình dịch Assembler, cấu trúc chương trình nguồn, các chỉ thị biên dịch (Directives), quá trình liên kết (Linker) và kỹ thuật sử dụng Macro.

---

Kết luận

Giáo trình Vi Điều Khiển của Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử - Tin học, Trường Cao đẳng nghề số 20/QK3 cung cấp hệ thống kiến thức hoàn chỉnh, có tính học thuật và kỹ thuật chính xác về họ vi điều khiển MCS-51. Tài liệu kết nối liền mạch từ cấu trúc phần cứng, nguyên lý vi mạch, cơ chế quản lý bus và bộ nhớ cho đến tập lệnh hợp ngữ và lập trình điều khiển ngoại vi (Timer, UART, Ngắt). Đây là tài liệu giảng dạy và tra cứu kỹ thuật tiêu chuẩn, cung cấp nền tảng kiến trúc hệ thống phục vụ công tác đào tạo và nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật điều khiển nhúng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI NÓI ĐẦU Cùng với các mô đun của ngành Điện tử công nghiệp, mô đun Vi điều khiển là mô đun kỹ thuật chuyên ngành quan trọng của ngành điện tử, hiện nay mô đun được ứng dụng rộng rãi trong ngành kỹ thuật và các lĩnh vực điều khiển khác. Mô đun được ứng dụng cho tất cả sinh viên ngành Sửa chữa thiết bị tự động hóa của trường ta. Bởi vậy để tạo điều kiện cho việc học tập và nghiên cứu mô đun của học viên được thuận lợi trong quá trình học tập. Bộ môn Điện tử thuộc Khoa Điện – Điện tử - Ti học Trường cao đẳng nghề số 20/QK3 tổ chức biên soạn tài liệu: “ Vi điều khiển ” làm bài giảng lưu hành hội bộ.

Trong quá trình biên soạn chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, bởi vậy tôi mong nhận được sự thông cảm và góp ý chân thành của các bạn đồng nghiệp để cho giáo trình ngày càng hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! 1 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 MỤC LỤC 2 BÀI 1: SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA 5 VI ĐIỀU KHIỂN 1. Lịch sử phát triển 5 2. Vi điều khiển 6 3.

Lĩnh vực và ứng dụng 7 4. Hướng phát triển 7 BÀI 2: CẤU TRÚC HỌ VI ĐIỀU KHIỂN 8051 9 1. Cấu trúc Port I/O 12 4. Tổ chức bộ nhớ 12 4.

Bộ nhớ chương trình (ROM) 12 4. Bộ nhớ dữ liệu 13 5. Các thanh ghi chức năng đặc biệt 15 6. Bộ nhớ ngoài 18 6.1 Truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài 19 6.2 Truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài 20 6.

Giải mã địa chỉ 22 6.4 Các không gian nhớ chương trình và dữ liệu gối nhau 22 7. Các cải tiến của 8032/8052 23 8. Hoạt động Reset 24 BÀI 3: TẬP LỆNH 8051 25 1. Các cách định địa chỉ 25 2.

Định địa chỉ bằng thanh ghi 25 2. Định địa chỉ trực tiếp 26 2. Định địa chỉ gián tiếp 26 2. Định địa chỉ tức thời 26 2.

Định địa chỉ tương đối 26 2. Định địa chỉ tuyệt đối 27 2. Định địa chỉ dài 28 2. Định địa chỉ theo chỉ số 28 3.

Nhóm lệnh số học 28 3. Nhóm lệnh logic 37 3. Nhóm lệnh truyền dữ liệu 46 3. Nhóm lênh Boolean (xử lý bít) 52 3.

Nhóm lệnh rẽ nhánh chương trình 54 BÀI 4: BỘ ĐỊNH THỜI 61 1. Thanh ghi SFR của timer 63 2. Thanh ghi chế độ TMOD 63 2. Thanh ghi điều khiển TCON 64 3.

Các chế độ làm việc 65 3. Chế độ Timer 13 bit (chế độ 0) 65 3. Chế độ Timer 16 bit (chế độ 1) 66 3. Chế độ tự nạp lại 8 bit (Chế độ 2) 66 3.

Chế độ tách biệt Timer (Chế độ 3) 66 4. Nguồn cung cấp xung cho Timer 67 4. Chức năng định thời 67 4. Chức năng đếm sự kiện 67 5.

Khởi động, dừng, điều khiển Timer 68 6. Khởi tạo và truy xuất thanh ghi Timer 69 6. Đọc thời gian đang hoạt động 69 6. Thời gian ngắn và thời gian dài 70 7.

Timer 2 của 8052 72 BÀI 5: CỔNG NỐI TIẾP 74 1. Thanh ghi điều khiển 75 3. Chế độ làm việc 75 3. Thanh ghi dịch 8 bit 76 3.

Chế độ UART 8 bit có tốc độ baud thay đổi 78 3. UART 9 bit với tốc độ baud cố định 80 3. Chế độ UART với tốc độ baud cố định 80 4. Khởi tạo và truy suất thanh ghi PORT nối tiếp 81 4.

Cho phép nhận 81 4. Bít dữ liệu thứ 9 81 4. Thêm vào bít chẵn - lẻ 81 4. Truyền thông đa xử lý 82 6.

Tốc độ BAUD 83 BÀI 6: NGẮT 85 1. Tổ chức ngắt của 8051 86 3. Thiết kế chương trình dùng ngắt 89 5. Ngắt cổng nối tiếp 95 6.

Đồ thị thời gian của ngắt 101 BÀI 7: PHẦN MỀM HỢP NGỮ 103 1. Hoạt động của Assembler 104 3. Cấu trúc chương trình dữ liệu 106 4. Tính biểu thức trong khi hợp dịch 110 5.

Các điều khiển Assembler 123 6. Hoạt động liên kết 125 7. Macro 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO 130 4 BÀI 1: SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA VI ĐIỀU KHIỂN 1. Lịch sử phát triển Bộ Vi xử lý có khả năng vượt bậc so với các hệ thống khác về khả năng tính toán, xử lý, và thay đổi chương trình linh hoạt theo mục đích người dùng, đặc biệt hiệu quả đối với các bài toán và hệ thống lớn.Tuy nhiên đối với các ứng dụng nhỏ, tầm tính toán không đòi hỏi khả năng tính toán lớn thì việc ứng dụng vi xử lý cần cân nhắc.

Bởi vì hệ thống dù lớn hay nhỏ, nếu dùng vi xử lý thì cũng đòi hỏi các khối mạch điện giao tiếp phức tạp như nhau. Các khối này bao gồm bộ nhớ để chứa dữ liệu và chương trình thực hiện, các mạch điện giao tiếp ngoại vi để xuất nhập và điều khiển trở lại, các khối này cùng liên kết với vi xử lý thì mới thực hiện được công việc. Để kết nối các khối này đòi hỏi người thiết kế phải hiểu biết tinh tường về các thành phần vi xử lý, bộ nhớ, các thiết bị ngoại vi. Hệ thống được tạo ra khá phức tạp, chiếm nhiều không gian, mạch in phức tạp và vấn đề chính là trình độ người thiết kế.

Kết quả là giá thành sản phẩm cuối cùng rất cao, không phù hợp để áp dụng cho các hệ thống nhỏ. Vì một số nhược điểm trên nên các nhà chế tạo tích hợp một ít bộ nhớ và một số mạch giao tiếp ngoại vi cùng với vi xử lý vào một IC duy nhất được gọi là Microcontroller-Vi điều khiển. Vi điều khiển có khả năng tương tự như khả năng của vi xử lý, nhưng cấu trúc phần cứng dành cho người dùng đơn giản hơn nhiều. Vi điều khiển ra đời mang lại sự tiện lợi đối với người dùng, họ không cần nắm vững một khối lượng kiến thức quá lớn như người dùng vi xử lý, kết cấu mạch điện dành cho người dùng cũng trở nên đơn giản hơn nhiều và có khả năng giao tiếp trực tiếp với các thiết bị bên ngoài.

Vi điều khiển tuy được xây dựng với phần cứng dành cho người sử dụng đơn giản hơn, nhưng thay vào lợi điểm này là khả năng xử lý bị giới hạn (tốc độ xử lý chậm hơn và khả năng tính toán ít hơn, dung lượng chương trình bị giới hạn). Thay vào đó, Vi điều khiển có giá thành rẻ hơn nhiều so với vi xử lý, việc sử dụng đơn giản, do đó nó được ứng dụng rộng rãi vào nhiều ứng dụng có chức năng đơn giản, không đòi hỏi tính toán phức tạp. Vi điều khiển được ứng dụng trong các dây chuyền tự động loại nhỏ, các robot có chức năng đơn giản, trong máy giặt, ôtô v. Năm 1976 Intel giới thiệu bộ vi điều khiển (microcontroller) 8748, một chip tương tự như các bộ vi xử lý và là chip đầu tiên trong họ MCS-48.

Độ phức tạp, kích thước và khả năng của Vi điều khiển tăng thêm một bậc quan trọng vào năm 1980 khi intel tung ra chip 8051, bộ Vi điều khiển đầu tiên của họ MCS-51 5 và là chuẩn công nghệ cho nhiều họ Vi điều khiển được sản xuất sau này. Sau đó rất nhiều họ Vi điều khiển của nhiều nhà chế tạo khác nhau lần lượt được đưa ra thị trường với tính năng được cải tiến ngày càng mạnh. Vi điều khiển 2. Nguyên lý cấu tạo Điểm cần lưu ý về vi điều khiển là sơ đồ khối cấu tạo của nó.

Cấu tạo một họ microcontroller chủ yếu dựa trên một kiểu tiêu chuẩn bao gồm các tính năng quan trọng nhất, nhiều chủng loại phù hợp với các lĩnh vực ứng dụng đặc biệt khác nhau, có thể kết hợp thêm thiết bị ngoại vi để tăng khả năng hoặc giảm nhỏ kích thước đến mức tối thiểu trong các ứng dụng chuyên biệt như: Kết nối bus, kết nối video hoặc điều khiển trực tiếp các cơ cấu hiển thị LCD.Với kiểu tiêu chuẩn cũng đủ dùng cho hầu hết các ứng dụng 2. Các kiểu cấu trúc bộ nhớ Các bộ vi xử lý và vi điều khiển hiện nay chủ yếu được chế tạo theo 2 kiểu cấu trúc khác nhau: Cấu trúc Von Neumann và Harvard. Cấu trúc Von Neumann Trong cấu trúc Von Neumann chỉ có một vùng địa chỉ tuyến tính bao gồm tất cả dữ liệu và lệnh điều khiển, độ lớn của vùng địa chỉ phụ thuộc vào chiều dài của bộ đếm chương trình, nếu không trang bị thêm linh kiện phụ thì việc định địa chỉ bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu không độc lập với nhau. Trong cấu trúc này chỉ tồn tại một bus dữ liệu và một bus địa chỉ để đọc-ghi dữ liệu và đọc lệnh điều khiển chương trình và không có khả năng thực hiện song song (truy xuất đồng thời bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình) 6 2.

Cấu trúc Harvard Gồm hai vùng địa chỉ riêng biệt cho bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình nên có thể truy xuất song song dữ liệu và lệnh điều khiển, cấu trúc này đặc biệt thích hợp với các vi điều khiển 16 và 32 bít vì làm tăng tốc độ làm việc. Nếu chỉ có một hệ thống bus như thường thấy ở vi điều khiển 8 bít thì việc truy xuất bộ nhớ dữ liệu hoặc bộ nhớ chương trình sẽ được thực hiện thông qua các tín hiệu điều khiển, nếu không có yêu cầu ghi vào bộ nhớ chương trình thì cấu trúc này còn cho phép tăng tính an toàn của chương trình 3. Lĩnh vực và ứng dụng - Hầu hết các thiết bị điện tử hiện nay đều sử dụng các chip vi điều khiển - Ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau: + Điện thoại di động + Các thiết bị đo lường điện tử + Tivi, CD players, radio,… + Bàn phím PC + Các hệ thống bảo vệ, báo cháy…. Hướng phát triển Yêu cầu đặt ra cho vi điều khiển hiện nay là tăng lĩnh vực ứng dụng với tốc độ xử lý ngày càng nhanh và kích thước nhỏ gọn, công suất tiêu thụ thấp.

Vấn đề đặt ra là liệu với vi điều khiển 8 bít có còn phù hợp hay không ? hoặc trong tương lai phải thay bằng các vi điều khiển 16/32 bít. Khác với vi xử lý việc phát triển luôn kèm theo việc nâng cao khả năng tính toán bằng cách mở rộng hệ thống bus. Đối với vi điều khiển không nhất thiết phải như thế, một vi điều khiển 8 bít cũng đủ cho rất nhiều ứng dụng và vi 7 điều khiển 16 bít là hoàn toàn quá dư thừa, trong trường hợp cần giảm giá thành, kích thước và công suất tiêu thụ thì vi điều khiển 4 bít là giải pháp tối ưu.