Giáo trình vi xử lý và vi điều khiển tại Trường Cao đẳng Kỹ thuật Lý Tự Trọng

Giáo trình về vi xử lý 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

• Người hướng dẫn: ThS. Huỳnh Ngoïc Mai
• Trường học: Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Lý Tự Trọng
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Giáo Trình Vi Xử Lý - Vi Điều Khiển
• Loại tài liệu: Giáo Trình
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: VI XỬ LÝ Z80
• 1.1. Bài 1: Cấu trúc hệ vi xử lý và tổ chức bên trong của CPU
• 1.1.1. Sơ đồ khối của 1 hệ vi xử lý
• 1.1.2. Cấu trúc của CPU
• 1.1.3. Khảo sát sơ đồ chân và sơ đồ logic Z80
• 1.2. Bài 2: Tập lệnh của CPU và hợp ngữ
• 1.2.1. Các thành phần của 1 lệnh
• 1.2.2. Các phương pháp định vị địa chỉ (Address Methods)
• 1.2.3. Các bước thi hành 1 lệnh
• 1.2.4. Phân tích tập lệnh
• 1.3. Bài 3: Giải mã địa chỉ
• 1.3.1. Các phương pháp giải mã địa chỉ
• 1.4. Bài 4: Bộ giao tiếp nhập xuất - bộ nhớ bán dẫn
• 1.4.1. Khảo sát chip giao tiếp thông dụng 8255
• 1.4.2. Bộ nhớ bán dẫn
• 1.4.3. Tổ chức bộ nhớ
• 1.4.4. Hoạt động tổng quát của bộ nhớ
• 1.4.5. Bộ nhớ ROM
• 1.4.6. Bộ nhớ RAM
• 2. CHƯƠNG 2: HỌ VI ĐIỀU KHIỂN MCS-51
• 2.1. Bài 5: Cấu trúc phần cứng VĐK họ MCS-51
• 2.1.1. Giới thiệu họ vi điều khiển MCS-51
• 2.1.2. Tóm tắt phần cứng vi điều khiển họ MCS-51
• 2.1.3. Khảo sát cấu trúc bên trong của vi điều khiển 89C51
• 2.1.4. Chức năng các chân của 89C51
• 2.2. Bài 6: Cấu trúc bộ nhớ của Vi Điều Khiển
• 2.2.1. Tổ chức bộ nhớ
• 2.2.2. Các bank thanh ghi
• 2.2.3. RAM có thể truy xuất từng bit
• 2.2.4. RAM đa dụng
• 2.2.5. Các thanh ghi có chức năng đặc biệt
• 2.2.6. Các byte nhớ có địa chỉ 80H, 90H, A0h, B0h
• 2.2.7. Byte nhớ có địa chỉ 81h
• 2.2.8. Byte nhớ có địa chỉ 82h và 83h
• 2.2.9. Byte nhớ có địa chỉ 87h
• 2.2.10. Các byte nhớ có địa chỉ từ 88h đến 8Dh
• 2.2.11. Các byte nhớ có địa chỉ từ 98h đến 99h
• 2.2.12. Các byte nhớ có địa chỉ từ A8h đến B9h
• 2.2.13. Thanh ghi trạng thái chương trình (Program Status Word)
• 2.2.14. Thanh ghi B
• 3. CHƯƠNG 3: TẬP LỆNH CỦA VI ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. Bài 7: Các khái niệm về chương trình, lệnh và tập lệnh, ngôn ngữ gợi nhớ
• 3.1.1. Khái niệm về chương trình, lệnh và tập lệnh
• 3.1.2. Ngôn ngữ gợi nhớ
• 3.2. Bài 8: Các kiểu định địa chỉ truy xuất bộ nhớ của Vi Điều Khiển
• 3.2.1. Kiểu định địa chỉ dùng thanh ghi (Register Addressing)
• 3.2.2. Kiểu định địa chỉ trực tiếp (Direct Addressing)
• 3.2.3. Định địa chỉ gián tiếp (Indirect Addressing)
• 3.2.4. Định địa chỉ tức thời (Immediate Addressing)
• 3.2.5. Định địa chỉ tương đối
• 3.2.6. Định địa chỉ tuyệt đối (Absolute Addressing)
• 3.2.7. Định địa chỉ dài (Long Addressing)
• 3.2.8. Định địa chỉ chỉ số (Index Addressing)
• 3.3. Bài 9: Khảo sát tập lệnh của VĐK MCS-51
• 3.3.1. Nhóm lệnh di chuyển dữ liệu (8 bit)
• 3.3.2. Nhóm lệnh số học
• 3.3.3. Nhóm lệnh logic
• 3.3.4. Nhóm lệnh chuyển quyền điều khiển
• 3.3.5. Nhóm lệnh xử lý bit
• 4. CHƯƠNG 4: TIMER - COUNTER CỦA VI ĐIỀU KHIỂN
• 4.1. Bài 10: Các kiểu hoạt động và điều khiển Timer - Counter
• 4.1.1. Thanh ghi chọn kiểu làm việc cho timer/counter
• 4.1.2. Thanh ghi điều khiển timer
• 4.1.3. Các kiểu hoạt động của timer và cờ tràn
• 4.1.4. Các nguồn xung đếm
• 4.1.5. Điều khiển các timer: đếm, ngừng đếm
• 4.1.6. Khởi tạo và truy xuất các thanh ghi của timer/counter
• 4.1.7. Timer/counter T2 của họ MCS-52
• 5. CHƯƠNG 5: HOẠT ĐỘNG NGẮT
• 5.1. Bài 11: Tổ chức ngắt - xử lý ngắt
• 5.1.1. Tổ chức ngắt (Interrupt Organization)
• 5.1.2. Xử lý ngắt
• 5.2. Bài 12 (Bài đọc thêm): Truyền dữ liệu nối tiếp
• PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình vi xử lý vi điều khiển cho sinh viên

Giáo trình vi xử lý vi điều khiển cho sinh viên giữ vai trò nền tảng trong khối kiến thức kỹ thuật điện tử và tự động hóa. Tài liệu xây dựng cầu nối giữa lý thuyết mạch số và ứng dụng điều khiển thực tế. Cấu trúc giáo trình bắt đầu từ mô hình điện toán cơ bản của vi xử lý Z80. Tiếp theo, nội dung mở rộng sang cấu trúc tích hợp hoàn chỉnh của họ vi điều khiển MCS-51. Người học tiếp cận tường minh sơ đồ khối, chu kỳ máy và các bus truyền dữ liệu. Tài liệu phân định rõ ranh giới giữa chip vi xử lý độc lập và vi điều khiển tích hợp ngoại vi. Vi xử lý đòi hỏi ghép nối bộ nhớ ngoài và mạch giao tiếp như 8255. Ngược lại, vi điều khiển tích hợp sẵn RAM, ROM và các cổng xuất nhập trên cùng một vi mạch. Cách tiếp cận tuần tự này giúp sinh viên hiểu sâu kiến trúc máy tính. Giáo trình đồng thời rèn luyện tư duy logic thông qua ngôn ngữ Assembly cấp thấp. Nền tảng này tạo tiền đề vững chắc cho các môn học chuyên sâu về sau.

1.1. Cấu trúc nền tảng vi xử lý Z80 và hệ thống ngoại vi

Vi xử lý Z80 đại diện cho kiến trúc máy tính 8-bit kinh điển. Chip Z80 bao gồm đơn vị số học luận lý ALU, tập thanh ghi đa dụng và khối điều khiển. Khối ALU thực hiện các phép tính cộng, trừ, logic AND hoặc OR. Khối điều khiển tạo xung nhịp đồng bộ chu kỳ lệnh. Giáo trình trình bày chi tiết sơ đồ chân, bus địa chỉ 16-bit và bus dữ liệu 8-bit. Việc mở rộng hệ thống đòi hỏi kết nối bộ nhớ bán dẫn ROM, RAM qua mạch giải mã địa chỉ. Chip giao tiếp lập trình 8255 đóng vai trò cầu nối mở rộng cổng vào ra. Mô hình Z80 giúp người học nắm vững bản chất điều phối phần cứng cơ sở.

1.2. Kiến trúc họ vi điều khiển MCS 51 và chip 89C51

Họ vi điều khiển MCS-51 tiêu biểu là chip 89C51 đánh dấu bước tiến công nghệ vượt bậc. Thiết bị tích hợp CPU 8-bit cùng bộ nhớ chương trình Flash ROM và RAM nội trên một tinh thể bán dẫn. 89C51 sở hữu 4 cổng xuất nhập song song P0 đến P3 với 32 chân tín hiệu. Không gian bộ nhớ RAM nội 128 byte chia thành ba khối chức năng rõ ràng. Bốn bank thanh ghi từ R0 đến R7 phục vụ lưu trữ tạm thời. Vùng RAM định vị từng bit hỗ trợ các thao tác logic nhị phân nhanh chóng. Khối thanh ghi chức năng đặc biệt SFR điều khiển bộ định thời timer và cổng nối tiếp. Kiến trúc này mang lại giải pháp nhúng nhỏ gọn.

II. Thách thức khi học giáo trình vi xử lý vi điều khiển hiện nay

Sinh viên thường đối mặt nhiều rào cản lớn khi tiếp thu giáo trình vi xử lý vi điều khiển. Khó khăn đầu tiên xuất phát từ kiến thức phần cứng trừu tượng. Việc ghi nhớ giản đồ xung, chu kỳ máy và quan hệ bus tín hiệu đòi hỏi tư duy hình không gian cao. Nhiều sinh viên chưa nắm vững kỹ thuật số cơ bản nên dễ mất phương hướng trước các cổng logic phức tạp. Rào cản thứ hai nằm ở ngôn ngữ Assembly cấp thấp. Lập trình hợp ngữ không có các cấu trúc giải thuật trực quan như ngôn ngữ bậc cao. Người học phải trực tiếp can thiệp vào từng thanh ghi và ô nhớ RAM cụ thể. Bên cạnh đó, việc quản lý không gian ngăn xếp Stack Pointer thường gây ra nhiều lỗi logic nghiêm trọng. Việc sử dụng sai lệnh PUSH hoặc POP dễ làm tràn bộ nhớ và treo vi điều khiển. Hơn nữa, sự chênh lệch giữa mô phỏng phần mềm và mạch thực tế tạo nên tâm lý e ngại. Mạch phần cứng dễ bị nhiễu nguồn hoặc sai chân kết nối ngoại vi. Nếu thiếu phương pháp học tập khoa học, sinh viên dễ nản lòng và không đạt kết quả mong đợi.

2.1. Độ phức tạp trong quản lý ngăn xếp và con trỏ dữ liệu

Quản lý bộ nhớ ngăn xếp SP và con trỏ dữ liệu DPTR là trở ngại lớn đối với sinh viên. Khi khởi động lại chip 89C51, thanh ghi SP tự động nhận giá trị 07H. Dữ liệu ghi tiếp theo sẽ nạp vào ô nhớ 08H thuộc Bank 1. Nếu người lập trình quên tái cấu hình SP, nguy cơ ghi đè dữ liệu lên các Bank thanh ghi rất cao. Tình trạng này phá hỏng cấu trúc các biến đang hoạt động của chương trình. Ngoài ra, con trỏ dữ liệu DPTR 16-bit gồm hai thanh ghi DPH và DPL. Việc nhầm lẫn byte cao và byte thấp khi truy xuất RAM ngoại dẫn đến sai lệch địa chỉ dữ liệu. Việc kiểm soát từng byte đòi hỏi sự cẩn trọng tuyệt đối.

2.2. Trở ngại khi tối ưu hóa tập lệnh và định địa chỉ

Tập lệnh hợp ngữ của vi xử lý Z80 và 8051 đòi hỏi hiểu biết sâu về phương pháp định địa chỉ. Các chế độ định địa chỉ tức thời, trực tiếp, gián tiếp và chỉ số có cú pháp rất khác nhau. Sinh viên thường nhầm lẫn giữa giá trị hằng số và nội dung ô nhớ khi sử dụng lệnh MOV hoặc ADD. Ngoài ra, việc tính toán chu kỳ máy để định thời gian delay phần mềm dễ gây sai số lớn. Một lệnh rẽ nhánh điều kiện sai sẽ làm lệch hoàn toàn tiến trình điều khiển thiết bị. Thiếu kỹ năng gỡ lỗi từng dòng mã khiến việc tìm kiếm nguyên nhân lỗi phần mềm mất rất nhiều thời gian học tập.

III. Phương pháp tiếp cận giáo trình vi xử lý vi điều khiển chuẩn

Nghiên cứu giáo trình vi xử lý vi điều khiển đòi hỏi phương pháp tiếp cận khoa học và thực nghiệm liên tục. Trước hết, người học cần củng cố kiến thức nền tảng về đại số Boolean, hệ thống số nhị phân và mạch logic số. Việc hiểu rõ cách thức mã hóa nhị phân giúp đơn giản hóa việc giải mã địa chỉ bộ nhớ. Bước tiếp theo là xây dựng lưu đồ giải thuật chi tiết trước khi viết từng dòng lệnh code. Lưu đồ trực quan hóa luồng dữ liệu, các điểm rẽ nhánh và cấu trúc vòng lặp. Điều này hạn chế tối đa các sai sót logic trong mã nguồn. Mô phỏng trên máy tính là phương pháp kiểm chứng an toàn và hiệu quả cao. Phần mềm Proteus hoặc Keil C cho phép quan sát trực tiếp giá trị từng thanh ghi, cờ trạng thái và xung tín hiệu. Sau khi mô phỏng thành công, người học tiến hành nạp chương trình lên kit phát triển phần cứng thực tế. Quá trình thao tác với mạch linh kiện giúp nâng cao kỹ năng xử lý nhiễu điện áp và ghép nối ngoại vi. Sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết tài liệu và đo kiểm thực hành mang lại hiệu quả học tập vượt bậc.

3.1. Thiết kế lưu đồ giải thuật trước khi lập trình điều khiển

Lập trình điều khiển vi xử lý luôn bắt đầu bằng việc xây dựng lưu đồ thuật toán. Lưu đồ phân tách bài toán lớn thành các bước giải quyết tuần tự và rõ ràng. Người thiết kế xác định rõ điều kiện khởi tạo, chu kỳ quét phím bấm và vòng lặp hiển thị. Ví dụ, bài toán đếm sản phẩm hiển thị trên led 7 đoạn cần quy định rõ nhãn lặp và điều kiện tăng thanh ghi. Nhờ lưu đồ, việc chuyển đổi thuật toán sang các chỉ thị hợp ngữ như CJNE, DJNZ hoặc JZ trở nên chính xác. Cấu trúc chương trình mạch lạc giúp quá trình theo dõi luồng thực thi và kiểm thử mã nguồn diễn ra thuận lợi.

3.2. Kết hợp mô phỏng phần mềm và thực nghiệm trên kit phần cứng

Môi trường mô phỏng cung cấp công cụ trực quan hóa toàn bộ phần cứng vi điều khiển. Sinh viên thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch, nạp tệp mã hex và chạy kiểm thử không rủi ro cháy hỏng linh kiện. Phần mềm hỗ trợ đo dạng sóng xung nhịp và kiểm tra trạng thái từng chân I/O. Sau khi chương trình hoạt động đúng, việc chuyển giao mã nguồn sang mạch thật củng cố tư duy thực tế. Người học rèn luyện kỹ năng hàn mạch, cấp nguồn ổn áp và chống nhiễu đường truyền tín hiệu. Quá trình đối chiếu giữa phần mềm và thực tế hoàn thiện năng lực giải quyết sự cố kỹ thuật nhúng.

IV. Ứng dụng thực tiễn từ giáo trình vi xử lý vi điều khiển mở rộng

Kiến thức từ giáo trình vi xử lý vi điều khiển mở ra phạm vi ứng dụng rộng lớn trong nền công nghiệp hiện đại. Sinh viên làm chủ các module ngoại vi sẽ dễ dàng tích hợp cảm biến nhiệt độ, áp suất và cảm biến khoảng cách. Dữ liệu thu thập từ cảm biến được vi xử lý tính toán và truyền tín hiệu điều khiển tới cơ cấu chấp hành. Các động cơ bước, rơ le công suất và màn hình hiển thị LCD được kích hoạt chuẩn xác theo chương trình cài đặt sẵn. Đây là nguyên lý cốt lõi của mọi hệ thống tự động hóa dây chuyền sản xuất. Bên cạnh công nghiệp, công nghệ vi điều khiển định hình cuộc sống hàng ngày qua các thiết bị điện tử gia dụng thông minh. Máy giặt, tủ lạnh, lò vi sóng và máy điều hòa đều tích hợp khối điều khiển nhúng chuyên dụng. Sự hiểu biết sâu sắc về kiến trúc phần cứng 8-bit tạo bàn đạp vững chắc để tiếp cận các dòng chip 32-bit hiện đại như ARM Cortex hoặc ESP32. Giáo trình hoàn thiện tư duy kỹ thuật, giúp kỹ sư tương lai thích ứng linh hoạt với cuộc cách mạng Internet of Things.

4.1. Tự động hóa công nghiệp và hệ thống nhúng thông minh

Trong môi trường công nghiệp, vi điều khiển đảm nhiệm vai trò trung tâm điều khiển các dây chuyền tự động. Thiết bị liên tục thu thập tín hiệu cảm biến quang, cảm biến tiệm cận và công tắc hành trình. Khối xử lý trung tâm giải mã dữ liệu, thực hiện thuật toán điều khiển PID và kích hoạt biến tần hoặc động cơ servo. Nhờ khả năng phản hồi thời gian thực với độ trễ cực thấp, hệ thống duy trì độ chính xác cao trong quá trình đóng gói và phân loại sản phẩm. Kỹ sư nhúng áp dụng kiến thức ghép nối ngoại vi để thiết kế các bộ điều khiển logic nhỏ gọn, tin cậy và tiết kiệm chi phí.

4.2. Lộ trình nâng cao sang kiến trúc vi điều khiển hiện đại

Nền tảng kiến trúc 8-bit tạo bước đệm hoàn hảo để tiếp cận các dòng chip tiên tiến. Sinh viên chuyển dịch thuận lợi sang lập trình vi điều khiển 32-bit như ARM Cortex-M hoặc vi điều khiển tích hợp Wi-Fi như ESP32. Kiến thức về thanh ghi, ngắt phần cứng interrupt và định thời timer giúp việc học ngôn ngữ Embedded C trở nên dễ dàng. Người học nhanh chóng làm chủ các giao thức truyền thông phức tạp như SPI, I2C, CAN và UART. Kỹ năng làm chủ phần cứng vi xử lý là vũ khí cốt lõi giúp người học tự tin phát triển các thiết bị IoT và xe tự hành thông minh.

Nội dung chính

GIÁO TRÌNH VI XỬ LÝ - VI ĐIỀU KHIỂN

Tổng quan về giáo trình (250-300 từ)

Giáo trình Vi xử lý - Vi điều khiển là tài liệu học tập và nghiên cứu lưu hành nội bộ do ThS. Huỳnh Ngọc Mai chủ biên, được Khoa Điện Tử thuộc Trường Cao đẳng Kỹ thuật Lý Tự Trọng (Ủy ban Nhân dân Thành phố Hồ Chí Minh) nghiệm thu và ban hành ngày 20/10/2010. Môn học giữ vị trí kỹ thuật chuyên ngành then chốt trong chương trình đào tạo bậc Cao đẳng Kỹ thuật (bao gồm hệ chính quy và hệ liên thông) của ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử và kỹ thuật tự động hóa.

Mục tiêu đào tạo của giáo trình tập trung trang bị cho sinh viên hệ thống kiến thức cơ sở về cấu trúc phần cứng vi xử lý và vi điều khiển, cơ chế vận hành của hệ thống bus, phương pháp giải mã bộ nhớ, đồng thời cung cấp đầy đủ tập lệnh hợp ngữ (Assembly) phục vụ lập trình điều khiển thiết bị ngoại vi. Đây là nền tảng lý thuyết trực tiếp cho các bài thí nghiệm, thực hành trên trang thiết bị hiện có tại xưởng thực hành của nhà trường.

Về mặt cấu trúc, tài liệu được tổ chức theo tiến trình từ hệ vi xử lý độc lập sang hệ vi điều khiển vi mạch tích hợp: phần đầu phân tích lý thuyết cơ sở vi xử lý thông qua vi mạch CPU Z80 của hãng Zilog; phần tiếp theo đi sâu vào kiến trúc vi điều khiển đơn chip họ MCS-51 (tiêu biểu là chip 89C51 của hãng Atmel). Điểm đặc sắc của giáo trình là bám sát chương trình khung kỹ thuật ứng dụng, kết hợp chặt chẽ giữa sơ đồ logic phần cứng (sơ đồ chân, bảng thanh ghi, vi mạch giải mã 74138, vi mạch giao tiếp PPI 8255) với các đoạn mã hợp ngữ mẫu và phần phụ lục tóm tắt toàn bộ tập lệnh vi điều khiển hỗ trợ tra cứu kỹ thuật.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi (500-600 từ)

Các chương/chủ đề chính

Giáo trình có kết cấu gồm 5 chương lý thuyết, các bài thực hành giải thuật và hệ thống phụ lục tra cứu:

• Chương 1: Vi xử lý Z80 (Bài 1 đến Bài 4): Trình bày sơ đồ khối hệ vi xử lý, cấu trúc bên trong CPU (tập thanh ghi đa năng A, B, C, D, E, H, L; thanh ghi con trỏ lệnh PC, con trỏ ngăn xếp SP; khối số học và logic ALU; khối giải mã lệnh bằng microcode ROM); khảo sát 40 chân và sơ đồ logic của CPU Z80 (Zilog); phân tích tập lệnh và 10 phương pháp định vị địa chỉ; quy trình các bước thi hành một lệnh máy (Op-code fetch); các phương pháp giải mã địa chỉ dùng cổng logic và vi mạch 74138 cho bộ nhớ EPROM 2716, RAM 6116; khảo sát chip giao tiếp song song lập trình được PPI 8255 (Intel) và phân loại bộ nhớ bán dẫn (MROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash ROM, SRAM, DRAM).
• Chương 2: Họ Vi Điều Khiển MCS-51 (Bài 5 và Bài 6): Giới thiệu tiến trình phần cứng họ MCS-51 (80C31, 80C51, 87C51, 89C51) và họ MCS-52; khảo sát chi tiết sơ đồ khối, 40 chân của chip 89C51 với 24 chân tác dụng kép (Port 0 đa hợp địa chỉ/dữ liệu AD0–AD7, Port 1 thuần I/O, Port 2 dẫn địa chỉ cao A8–A15, Port 3 tích hợp các chức năng ngắt cứng, timer và truyền thông nối tiếp; các chân điều khiển PSEN, ALE, EA, RST); tổ chức không gian bộ nhớ phân tách gồm RAM nội 256 byte và khả năng định tuyến 64 Kbyte bộ nhớ chương trình, 64 Kbyte bộ nhớ dữ liệu mở rộng bên ngoài.
• Chương 3: Tập Lệnh Của Vi Điều Khiển (Bài 7 đến Bài 9): Hệ thống hóa khái niệm chương trình, lệnh, mã gợi nhớ; phân tích 8 kiểu định vị địa chỉ (thanh ghi, trực tiếp, gián tiếp, tức thời, tương đối, tuyệt đối, dài, chỉ số) và 5 nhóm lệnh thao tác của họ MCS-51 (nhóm lệnh di chuyển dữ liệu 8-bit, nhóm lệnh số học, nhóm lệnh logic, nhóm lệnh rẽ nhánh chuyển quyền điều khiển và nhóm lệnh xử lý bit).
• Chương 4: Timer - Counter Của Vi Điều Khiển (Bài 10): Nguyên lý hoạt động và phương pháp lập trình điều khiển mạch định thời/bộ đếm thông qua thanh ghi chế độ TMOD và thanh ghi điều khiển TCON; các chế độ hoạt động đếm xung nội, đếm sự kiện ngoại, xử lý cờ tràn; phân tích hoạt động của Timer 2 trên họ MCS-52.
• Chương 5: Hoạt Động Ngắt (Bài 11 và Bài 12): Cấu trúc phân cấp và vector ngắt của 5 nguồn ngắt tiêu chuẩn thông qua thanh ghi cho phép ngắt IE và thanh ghi mức ưu tiên ngắt IP; quy trình xử lý phục vụ ngắt; chuyên đề đọc thêm về kỹ thuật truyền dữ liệu nối tiếp thông qua thanh ghi SCON và SBUF.
• Tiến trình logic: Nội dung phát triển tuần tự từ mô hình kiến trúc vi xử lý mở (CPU kết hợp bus và vi mạch phụ trợ) sang mô hình vi điều khiển SoC tích hợp nguyên khối, tiếp nối bằng ngôn ngữ hợp ngữ điều khiển, kết thúc ở các module ngoại vi chuyên sâu (Timer, Counter, Interrupt, Serial I/O).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xác lập hệ thống lý thuyết phần cứng máy tính và kỹ thuật số chuyên sâu:

• Hệ thống lý thuyết nền tảng (Fundamental theories): Nguyên lý hoạt động của cấu trúc 3 đường bus (Address Bus, Data Bus, Control Bus); phân loại kiến trúc CPU theo tập lệnh CISC và RISC; cơ chế quản lý ngăn xếp (Stack) theo nguyên tắc LIFO (Last In First Out) với quy tắc giảm địa chỉ trên Z80 và tăng địa chỉ trên 8051; cơ chế làm tươi (Refresh) của bộ nhớ RAM động (DRAM) theo định kỳ 2, 4 hoặc 8 ms.
• Nguyên lý cốt lõi (Core principles): Cơ chế thực thi lệnh theo các trạng thái xung nhịp máy (Machine Cycle M1, T-states); kỹ thuật đa hợp và giải đa hợp bus địa chỉ/dữ liệu bằng tín hiệu ALE và IC chốt; phương pháp phân định không gian nhớ thông qua tín hiệu chọn chip CE/CS và giải mã địa chỉ cục bộ/toàn phần bằng vi mạch 74138.
• Mô hình cấu trúc thiết yếu (Essential frameworks): Kiến trúc Harvard phân tách hoàn toàn giữa bộ nhớ chương trình (Code) và bộ nhớ dữ liệu (Data); quy hoạch bản đồ bộ nhớ RAM nội 89C51 gồm 4 bank thanh ghi R0–R7 (00H–1FH), vùng RAM định địa chỉ từng bit (20H–2FH), RAM đa dụng (30H–7FH) và 21 thanh ghi chức năng đặc biệt SFR (80H–FFH); mô hình ghép nối ngoại vi theo phương thức I/O-mapped và Memory-mapped qua các tín hiệu RD, WR, MERQ, IORQ.

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Thiết kế sơ đồ nguyên lý ghép nối CPU Z80 với bộ nhớ bán dẫn (2716, 6116) và vi mạch giao tiếp PPI 8255; cấu hình từ điều khiển (Control Word) để thiết lập chế độ vào/ra cho các cổng PA, PB, PC; thiết lập giá trị khởi tạo cho các thanh ghi SFR (TMOD, TCON, IE, IP, SCON, DPTR, SP).
• Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích giản đồ thời gian đọc/ghi tín hiệu bus; tính toán giá trị nạp đếm cho bộ định thời (Timer) dựa trên tần số thạch anh dao động (12 MHz – 24 MHz); tính toán khoảng cách địa chỉ offset trong định vị tương đối (PC mới = PC cũ + 2 + Operand) trong phạm vi -128 đến +127 byte.
• Năng lực ứng dụng thực tế (Practical competencies): Xây dựng lưu đồ giải thuật và viết chương trình hợp ngữ điều khiển quét LED 7 đoạn theo quy luật thập phân, giải thuật quét ma trận phím, thuật toán tìm giá trị cực đại trong khối 256 ô nhớ, cùng các phép toán nhân/chia số học nhiều byte.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập (300-350 từ)

Giáo trình triển khai phương pháp tiếp cận sư phạm kỹ thuật vi điện tử thực nghiệm. Khái niệm lý thuyết trừu tượng được trực quan hóa thông qua sơ đồ logic khối, bảng chân trị và sơ đồ chân thực tế của từng IC (CPU Z80, PPI 8255, VĐK 89C51). Các bước hoạt động bên trong của phần cứng – chẳng hạn chu trình nạp lệnh Op-code Fetch hay quá trình giải đa hợp bus của tín hiệu ALE – được diễn giải tuần tự theo từng chu kỳ xung nhịp và mức logic (0 và 1) của các đường tín hiệu điều khiển RD, WR, MERQ, IORQ.

Nội dung lý thuyết đi liền với các case study và bài tập lập trình mẫu có cấu trúc hoàn chỉnh:

• Chương trình điều khiển công tắc tại Port B và xuất hiển thị ra Port A thông qua vi mạch 8255 PPI tại địa chỉ cổng 4000h–4003h.
• Thuật toán nhân hai giá trị chứa trong thanh ghi A và B, lưu kết quả 16-bit vào cặp thanh ghi HL của CPU Z80.
• Thuật toán chia số học có thương số đặt ở H và số dư đặt ở L.
• Chương trình chuyển đổi một byte số Hexa sang mã hiển thị LED 7 đoạn thông qua bảng tra (Table Lookup) kết hợp con trỏ chỉ số IX/IY và chương trình con trễ thời gian (Delay).

Các bài tập thực hành yêu cầu người học vẽ lưu đồ giải thuật chi tiết trước khi chuyển đổi sang mã máy hoặc mã gợi nhớ. Tài liệu cung cấp các bài toán mở rộng như điều khiển hệ thống 2 đèn LED đếm tăng thập phân và mạch ma trận nút nhấn kết hợp các đường Port A và Port C.

Phương pháp đánh giá bám sát năng lực phân tích mã lệnh (xác định chế độ định vị địa chỉ, dung lượng byte mã máy, tác động lên các cờ trạng thái trong thanh ghi F hoặc PSW) và khả năng thiết kế mạch ghép nối phần cứng chuẩn xác. Đối với tự học, giáo trình định hướng người học sử dụng hệ thống câu hỏi, bài tập giải thuật ở cuối mỗi bài học và đối chiếu với phần phụ lục tóm tắt tập lệnh để tự kiểm tra tiến trình tích lũy kiến thức.

---

Điểm nổi bật và cập nhật (250-300 từ)

Giáo trình Vi xử lý - Vi điều khiển phản ánh bước chuyển đổi công nghệ vi điều khiển tại thời điểm biên soạn thông qua việc so sánh các thế hệ chip trong cùng dòng kiến trúc. Thay vì chỉ dừng lại ở các vi điều khiển thế hệ cũ như 80C31 (không có bộ nhớ chương trình nội), 80C51 (bộ nhớ PROM chỉ nạp được một lần) hoặc 87C51 (bộ nhớ EPROM phải xóa bằng nguồn tia cực tím chuyên dụng), giáo trình tập trung vào vi điều khiển 89C51 tích hợp 4 Kbyte bộ nhớ Flash ROM. Đặc tính này cho phép người học nạp và xóa chương trình bằng xung điện hàng ngàn lần trực tiếp trong quá trình thí nghiệm. Tài liệu cũng giới thiệu các cải tiến mở rộng ở dòng MCS-52 (tích hợp 3 bộ Timer/Counter và nhân đôi dung lượng ROM nội lên 8 Kbyte) và dòng chip 82551 có tính năng nạp nối tiếp.

Về xu hướng kỹ thuật, giáo trình cập nhật việc phân loại kiến trúc xử lý hiện đại theo hai trường phái CISC (Complete Instruction Set Computer) và RISC (Reduced Instruction Set Computer), đồng thời phân tích cơ chế truyền dữ liệu nối tiếp thông qua cổng giao tiếp COM với máy tính phục vụ công tác lập trình và giám sát.

Về liên hệ thực tiễn và ứng dụng công nghiệp, toàn bộ các mạch giao tiếp và ví dụ phần mềm trong giáo trình được liên kết trực tiếp với các hệ thống tự động hóa công nghiệp và thiết bị điện tử dân dụng: dây chuyền sản xuất tự động, bộ điều khiển thang máy, hệ thống đóng mở cửa tự động, mạch điều khiển máy giặt, máy điều hòa nhiệt độ và cột bơm xăng tự động. Kiến thức lý thuyết được thiết kế đồng bộ với cấu hình module thí nghiệm thực tế đang được vận hành tại Khoa Điện Tử của Trường Cao đẳng Kỹ thuật Lý Tự Trọng.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình (200-250 từ)

Giáo trình được thiết kế phục vụ trực tiếp cho sinh viên năm thứ hai và năm thứ ba theo học chương trình Cao đẳng Kỹ thuật chính quy cũng như hệ Cao đẳng liên thông thuộc chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử và ngành Kỹ thuật Tự động hóa tại Trường Cao đẳng Kỹ thuật Lý Tự Trọng.

Để tiếp thu hiệu quả nội dung giáo trình, người học bắt buộc phải hoàn thành các môn học tiên quyết thuộc khối cơ sở kỹ thuật, bao gồm:

• Kỹ thuật số: Nắm vững đại số logic, hệ thống số nhị phân/Hexa, cổng logic, mạch đếm và mạch giải mã.
• Tin học cơ bản: Hiểu rõ tư duy thuật toán, cấu trúc rẽ nhánh, vòng lặp và tổ chức dữ liệu.
• Cảm biến: Nắm bắt nguyên lý chuyển đổi tín hiệu vật lý sang tín hiệu điện phục vụ ghép nối đầu vào.
• Anh văn chuyên ngành: Khả năng đọc hiểu các thuật ngữ phần cứng, tên chân tín hiệu (RD, WR, ALE, PSEN) và các từ khóa mã lệnh hợp ngữ.

Đối với giảng viên, tài liệu là căn cứ chuẩn hóa khung bài giảng lý thuyết và xây dựng các bài tập thực hành chuyên đề vi xử lý. Đối với kỹ thuật viên và người tự học, tài liệu cung cấp nguồn tư liệu tra cứu độc lập về sơ đồ chân vi mạch, giản đồ thời gian bus, bản đồ địa chỉ thanh ghi SFR và phương pháp lập trình điều khiển mức thanh ghi.

---

Câu hỏi thường gặp (250-300 từ)

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng nào?
Tài liệu được biên soạn cho sinh viên bậc Cao đẳng Kỹ thuật chính quy và liên thông ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử, kỹ thuật tự động hóa, cùng các kỹ thuật viên cần tài liệu tham khảo về phần cứng vi xử lý Z80 và vi điều khiển 89C51.

2. Cần chuẩn bị những kiến thức nền tảng nào trước khi học?
Người học cần hoàn thành 4 môn học cơ sở: Kỹ thuật số (hệ đếm nhị phân, cổng logic, mạch tuần tự), Tin học cơ bản (lưu đồ thuật giải), Kỹ thuật cảm biến (thu nhận tín hiệu) và Anh văn chuyên ngành (đọc hiểu tài liệu kỹ thuật vi mạch).

3. Điểm khác biệt cơ bản giữa hai phần kiến thức Z80 và MCS-51 trong giáo trình là gì?
Phần Z80 tập trung phân tích nguyên lý hệ thống vi xử lý mở (cần ghép nối ngoại vi qua các bus địa chỉ, dữ liệu, giải mã địa chỉ bằng 74138 và chip giao tiếp 8255). Phần MCS-51 đi sâu vào cấu trúc vi mạch tích hợp đơn chip (SoC) với ROM Flash, RAM, Timer và Port I/O tích hợp sẵn trên một vỏ vi mạch 40 chân.

4. Làm sao để tự học và nắm vững các tập lệnh trong giáo trình một cách hiệu quả?
Người học cần kết hợp việc phân tích bảng thanh ghi trạng thái (F đối với Z80, PSW đối với 89C51) với việc vẽ lưu đồ giải thuật cho từng bài toán mẫu (quét phím, quét LED 7 đoạn, xử lý chuỗi), đồng thời tra cứu cấu trúc lệnh và chế độ định vị địa chỉ trong phụ lục.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo giáo trình không?
Giáo trình tích hợp sẵn phần Phụ lục tóm tắt toàn bộ tập lệnh của họ vi điều khiển MCS-51 ở cuối sách, hỗ trợ tra cứu nhanh mã gợi nhớ, mã máy Hexa, số byte và chu kỳ thực thi của từng lệnh.

---

Kết luận (150 từ)

Giáo trình Vi xử lý - Vi điều khiển do ThS. Huỳnh Ngọc Mai chủ biên cung cấp hệ thống tri thức hoàn chỉnh và chuẩn mực về mặt kỹ thuật phần cứng, kết nối mạch lạc giữa cấu trúc vi xử lý kinh điển Z80 và họ vi điều khiển công nghiệp MCS-51. Giá trị học thuật của tài liệu thể hiện ở tính chuẩn xác của các tham số kỹ thuật, cấu trúc lệnh, bản đồ bộ nhớ và các mạch ghép nối ngoại vi cụ thể.

Lộ trình học tập đề xuất cho người học bao gồm: tiếp cận kiến thức cấu trúc CPU, hệ thống bus và giải mã địa chỉ ở Chương 1; chuyển tiếp sang nghiên cứu cấu trúc phần cứng, không gian bộ nhớ RAM nội/SFR của họ MCS-51 ở Chương 2; làm chủ kỹ thuật lập trình hợp ngữ ở Chương 3; và hoàn thiện năng lực ứng dụng thông qua module định thời Timer/Counter và cơ chế ngắt ở Chương 4 và Chương 5. Phần phụ lục tóm tắt tập lệnh và danh mục tài liệu tham khảo chuyên ngành là công cụ bổ trợ trực tiếp cho quá trình học tập và thực hành kỹ thuật điện tử.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I: Vi xiv iy Z80 " CALL.Dija chi Cte <> (PUSH PC ae JP nn (Dia chi CTC) " RET (Không có Operand) <=. POP PC - Lưu ý : Lệnh RET chính là POP.PC © trong đoạn chương trình chính SP phải cố định, nghĩa là không cỏ sự vì phạm nào ở Stack.8 - Gọi và trở về của chương trình con e Nhóm lệnh chuỗi : - LDI <© HL € HL+1&DE€DE+1 BC € BC-1 - LDIR : Lặp lại LDI đến khi BC =0 < chuyển dữ liệu (từ) vùng nhớ từ (HL) sang (DE) với chiều dai BC.CPIR © - |HL< HL+I b.3 BC=0? Sau đó xét Cờ Z để xem A = (HL) hay BC =0. Sau lệnh CPIR thì ô nhớ có địa chí (HL) ~1 là ô nhớ đầu tiên = A Giáo trình Vi xử lý - Vi điều khiển 21 Cuuuuy > V1 XU Ly Z8U Và lưu ý: Nếu BC > 1 và ô nhớ cuối cùng là ô cần tìm thì kết quả không đúng. - Tương tự cho 2 lệnh CPD và CPDR.

e Cac lénh Restart : - Dang:RST p = CALL p Với p có thể là : (00,08,10,18,20,28,30,38)h. -_ Nó có ưu điểm là mã lệnh chỉ có 1 byte. Ví dụ : Cho một bắng tra mã 7 đoạn có địa chỉ đầu là table. Viết chương trình - đổi 1 byte số Hexa trong thanh ghỉ A ra 2 byte mã 7 đoạn chứa vào H và L.

Giải : + Xét trường hợp đổi 1 Nibble ra mã 7 đoạn. 0zF ‡ 0 X <=> Mã 7 đoạn là nội dung của ô nhớ có địa chỉ là table + X. + Xét trường hợp đổi 1 byte : 0 X < > 0 Y Shift phai 4 AND với bit 0Fh Chương trình : LD H,A AND 0 Fh } A =0Y=L LD L,A SRL H SRL H H=0X SRL H SRL H CALL Nibble LD L,A LD A,H CALL Nibble LD H,A HALT Lập lại 2 lần cho việc đổi 1 nibble trong A ra mã 7 đoạn ‘Nibble : LD IX, Tabl CALL Addr Tra dd bang Giáo trình Vi xử lý — Vi điều khiển 22 Chương 1: VI XƯ ly Z8U LD A, (IX) RET | Addr: : LD B, 00h LDC,A | KEKEA _ ADD IX,BC. RET Giáo trình Vị xử lý — Vi điều khiển 23 KkHUƠNG L: Y1 XU 1ÿ LSU BÀI 3 GIẢI MÃ ĐỊA CHỈ 3.1 Dat van dé: Khi ghép nhiều linh kiện vào một CPU người thiết kế phải kiểm soát sao cho: Với một giá trị trên Addr Bus thì chỉ cho phép 1 trong các chân CE của các linh kiện là bằng mức logic tích cực (thường là mức 0).

Vấn đề này được giải quyết bằng cách dùng những đường chỉ cao (còn dư) để điểu khiển các chân CE.2 Các phương pháp giải mã địa chỉ : Ví dụ: Xét vấn đề ghép IROM 2K (@716)và IRAM 2K_ (6116) vào CPUZ80 $ Cách 1: Dùng 1 đường địa chỉ cao để kiểm soát 1 chân CE. _ROM Ag Ag —\\ Ab Ag AIS > AO aio A RAM CPU D6 <—> D0 D0 D0C 7-80 D7 D7 D7 Dz — — —>+ __ — RB——*|0E RÐĐ L—>+ RD *l0E_ | WR >|WE_ WR CE CE — An ) 3 | Abs) Hinh 3.1 ~ Đối với ROM : Aus, Aja, Ay, Ay, An, Ajo, Ag seteeeeeensee Ao +Địa chđầu:0 0 0 0 0 0 0. 0 =0000h +Địa chỉ cuố:0 0 0 0 1 1 1. =07FFh - Đối với RAM : + Địa chỉ đầu : 1800h + Địa chỉ cuối : 1FFFh $ Cách2: Dùng các mạch giải mã có sẵn.

ROM RAM 74138 CE” CE Ais A Yo Aw 3}B 0 Yy Pp ——————— — | : Ais Veo | C HỈ j MERQ.2 Giáo trình Vi xử lý — Vi điểu khiển 24 Chương 1: V1 xứ lý ⁄80 - Đối với RƠM: + Địa chỉ đầu: - _ + Dia chicudi: .