Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong giai đoạn cuối thế kỷ 20, sự phát triển của công nghệ vi điện tử và kỹ thuật số đã đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc nâng cao chất lượng đào tạo thực hành cho sinh viên khối ngành kỹ thuật. Tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, môn học Vi mạch số giữ vai trò nền tảng trong chương trình đào tạo kỹ sư và cử nhân kỹ thuật Điện - Điện tử. Tuy nhiên, điều kiện thực tế tại phòng thí nghiệm của trường vào thời điểm năm 2000 gặp nhiều khó khăn do thiếu thốn các thiết bị chuyên dụng phục vụ các bài thí nghiệm chuyên sâu. Các bộ thực tập vi mạch hiện có chỉ giải quyết được các bài toán cơ bản, chưa đáp ứng được nhu cầu thực tế như: nạp dữ liệu 8 bit cho các bộ nhớ ROM, RAM, mạch biến đổi số - tương tự (DAC), vi xử lý, vi điều khiển, hoặc tạo nguồn xung đồng hồ (Clock) chuẩn có chu kỳ thay đổi linh hoạt theo ý muốn.

Trước thực trạng các thiết bị thực tập đa năng hầu hết phải nhập khẩu từ nước ngoài với chi phí cao, đề tài "Thiết Kế Máy Thu Phát Ký Tự 8 Bit" được thực hiện nhằm nghiên cứu, chế tạo một thiết bị phần cứng thay thế tương đương bằng linh kiện điện tử sẵn có trên thị trường trong nước.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  1. Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của thiết bị mô phỏng Máy phát từ 16 bit (Word Generator) trong phần mềm phân tích mạch Electronics Workbench (EWB 5.0).
  2. Đề xuất sơ đồ khối và tính toán thiết kế phần cứng cho một Máy thu phát ký tự 8 bit độc lập, sử dụng bộ vi xử lý và các vi mạch ghép nối chuyên dụng.
  3. Thiết kế các khối chức năng hoàn chỉnh: khối nguồn ổn áp, khối vi xử lý trung tâm và bộ nhớ, khối bàn phím và màn hình hiển thị LED, khối giao tiếp ngoại vi truyền thông nối tiếp và song song, khối tạo xung clock định thời.
  4. Xây dựng chương trình điều khiển hệ thống (chương trình Monitor) bằng hợp ngữ, nạp vào bộ nhớ EPROM để quản lý toàn bộ hoạt động của thiết bị.
  5. Thi công, thử nghiệm mạch thực tế và biên soạn tài liệu hướng dẫn vận hành thiết bị.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài được xác định:

  • Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị mô phỏng Word Generator trong phần mềm EWB 5.0 và hệ thống phần cứng vi xử lý 8 bit họ Intel (trọng tâm là vi xử lý 8085A cùng các vi mạch ngoại vi 8255A, 8251A, 8253, 8279).
  • Phạm vi kỹ thuật: Truyền dữ liệu qua đường truyền hữu tuyến; thu phát song song 8 bit có bắt tay và không bắt tay; thu phát nối tiếp đồng bộ và bất đồng bộ theo chuẩn RS-232C; tạo xung clock từ 1 Hz đến 3 MHz; hỗ trợ các chế độ làm việc STEP, CYCLE, BREAK POINT, BURST và PATTERN.
  • Thời gian thực hiện: 6 tuần lễ (từ ngày 01/01/2000 đến ngày 28/02/2000) tại Khoa Điện - Bộ môn Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp giữa lý thuyết vi mạch số, kiến trúc máy tính, kỹ thuật vi xử lý và truyền số liệu. Nền tảng thiết kế xuất phát từ cấu trúc công cụ Word Generator trong phần mềm Electronics Workbench 5.0 (EWB 5.0) — công cụ cho phép phát chuỗi bit nhị phân để kích thích mạch số. Tác giả chuyển đổi mô hình 16 bit mô phỏng thành mô hình phần cứng 8 bit thực tế nhằm tối ưu hóa khả năng tương thích với các vi mạch xử lý 8 bit phổ dụng.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Phương pháp tham khảo tài liệu: Tổng hợp lý thuyết từ sổ tay linh kiện của Intel, tài liệu kỹ thuật vi mạch số họ TTL/CMOS, kỹ thuật ghép nối máy tính và lập trình hợp ngữ 8085.
  • Phương pháp quan sát mô phỏng: Sử dụng EWB 5.0 để kích hoạt máy phát từ ảo, phân tích chu trình hoạt động của các chế độ STEP, CYCLE, BREAK POINT, BURST, PATTERN và ghi nhận các thông số điều khiển.
  • Phương pháp thực nghiệm phần cứng: Sử dụng kit vi xử lý 8085A kết hợp với kit mở rộng bàn phím, màn hình và breadboard (textboard) để lập trình, chạy thử từng chương trình con điều khiển cho các IC 8255A, 8253, 8251A, 8279, 74LS221, MC1488, MC1489 trước khi tích hợp lên bo mạch hoàn chỉnh.
  • Nguồn dữ liệu tham khảo: 19 tài liệu giáo trình và cẩm nang kỹ thuật chuyên ngành từ các nhà xuất bản khoa học kỹ thuật trong nước và quốc tế (như Intel Corporation Data Book, Prentice-Hall, Multitech Industrial Corp).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống "Máy thu phát ký tự 8 bit" được tổ chức thành 5 khối chức năng chính liên kết chặt chẽ qua hệ thống bus dữ liệu, bus địa chỉ và bus điều khiển.

Khối chức năng Linh kiện phần cứng chính Chức năng kỹ thuật
Khối nguồn Biến áp 220V/24VAC đối xứng, Diode cầu, Tụ lọc, IC ổn áp 78H05, 78H12, 79H12 Cung cấp nguồn cố định +5VDC (cho CPU, TTL, EPROM, RAM), +12VDC và -12VDC (cho MC1488, MC1489), tích hợp mạch pin dự phòng (Back-up) nuôi RAM
Khối vi xử lý & Bộ nhớ CPU 8085A, EPROM 2764 (8KB), SRAM HM6264 (8KB), 74LS373, 74LS244, 74LS245, 74LS138, 74LS221, 7414 Điều khiển trung tâm, chốt/đệm bus địa chỉ và dữ liệu, giải mã địa chỉ dạng Memory-mapped, bảo vệ dữ liệu RAM khi ấn Reset và tạo xung ngắt TRAP
Khối bàn phím & Hiển thị 02 IC 8279C, 02 IC giải mã 74LS154, Transistor PNP A1015, Transistor NPN C945, 29 LED 7 đoạn, LED đơn Quét ma trận bàn phím 35 phím + 2 công tắc gạt; điều khiển quét đa hợp 29 LED 7 đoạn Anode chung hiển thị địa chỉ, dữ liệu, tần số, trạng thái
Khối giao tiếp ngoại vi PPI 8255A, USART 8251A, MC1488, MC1489, Cổng DB-25F, Cổng DB-9F Thu phát dữ liệu 8 bit song song qua Port A/C của 8255A; thu phát dữ liệu nối tiếp đồng bộ/bất đồng bộ qua 8251A theo chuẩn RS-232C
Khối tạo xung Clock PIT 8253, 74LS221, CD4017, 74LS244, Công tắc chuyển sườn xung Chia tần số từ xung 3 MHz của 8085A tạo dải tần Hz, kHz, MHz; chuyển đổi đơn vị xung và cấp xung cho 8251A và thiết bị ngoài

Bản đồ phân bố địa chỉ hệ thống

Toàn bộ hệ thống sử dụng phương pháp giải mã địa chỉ kiểu bộ nhớ (Memory-Mapped I/O) thông qua vi mạch giải mã 3 sang 8 đường 74LS138 kết nối với các đường địa chỉ cao $A_{13}, A_{14}, A_{15}$ và tín hiệu $IO/\overline{M}$.

Vùng địa chỉ (Hex) Thiết bị / Vi mạch Chức năng chi tiết
0000H - 1FFFH EPROM 2764 (8 KByte) Lưu trữ chương trình điều khiển hệ thống (Monitor)
2000H - 3FFFH SRAM HM 6264 (8 KByte) Vùng dữ liệu soạn thảo, ngăn xếp (khởi tạo tại 3FFFH), bộ đệm
4000H USART 8251A Thanh ghi đệm dữ liệu thu/phát nối tiếp
4001H USART 8251A Thanh ghi điều khiển / trạng thái
6000H Timer 8253 Bộ đếm 0 (Chia tần số mức MHz)
6001H Timer 8253 Bộ đếm 1 (Chia tần số mức kHz)
6002H Timer 8253 Bộ đếm 2 (Chia tần số mức Hz)
6003H Timer 8253 Thanh ghi từ điều khiển 8253
8000H PPI 8255A Cổng A (Xuất/Nhập dữ liệu 8 bit song song)
8001H PPI 8255A Cổng B (Nhập dữ liệu)
8002H PPI 8255A Cổng C (Tín hiệu bắt tay Handshake)
8003H PPI 8255A Thanh ghi từ điều khiển 8255A (Khởi tạo giá trị 8BH)
A000H 8279 (I) Thanh ghi dữ liệu RAM hiển thị cho 16 LED 7 đoạn đầu
A001H 8279 (I) Thanh ghi điều khiển / trạng thái 8279 (I)
C000H 8279 (II) Thanh ghi dữ liệu RAM hiển thị cho 13 LED 7 đoạn còn lại
C001H 8279 (II) Thanh ghi điều khiển / quét ma trận bàn phím
E000H 74LS244 Đệm đọc trạng thái mạch chọn đơn vị tần số Clock (Hz, kHz, MHz)

Thiết kế mạch nguyên lý và tính toán thông số

  1. Mạch vi sai và ổn áp: Sử dụng biến áp vi sai $220\text{V}/24\text{VAC}$ điểm giữa $0\text{V}$, nắn dòng bằng diode và lọc phẳng bằng tụ điện hóa. Các IC ổn áp tích hợp gồm $78\text{H}05$ ($+5\text{V}$ cấp vi xử lý và IC số), $78\text{H}12$ ($+12\text{V}$) và $79\text{H}12$ ($-12\text{V}$) cấp cho mạch kích thu phát đường truyền RS-232C ($MC1488, MC1489$), dòng tải danh định toàn hệ thống đạt $4\text{A}$.
  2. Mạch bảo vệ dữ liệu RAM và Reset: Sử dụng mạch $RC$ định thời ($R=10\text{ k}\Omega, C=22\ \mu\text{F}$) tạo thời gian trễ reset $t_1 \approx 0{,}05\text{s}$. Tín hiệu Reset qua cổng đảo Schmitt trigger 7414 để đưa mức cao tức thời đến các chân cho phép ghi và chọn chip của SRAM, ngăn chặn vi xử lý ghi đè dữ liệu ngẫu nhiên vào RAM khi có sự cố nguồn hoặc bấm nút Reset.
  3. Mạch tạo xung đơn ổn ngắt TRAP: Sử dụng vi mạch $74\text{LS}221$ kích hoạt bởi sườn âm từ nút bấm PAUSE để tạo xung đơn ổn có độ rộng $T = 50\text{ ms}$ ($R = 10\text{ k}\Omega, C = 22\text{ pF}$) đưa vào chân ngắt không che TRAP của 8085A nhằm tạm dừng thực thi chương trình.
  4. Mạch khuếch đại dòng LED:
    • Transistor chọn LED 7 đoạn: Dùng transistor PNP $A1015$ ($P_{\max}=400\text{mW}, I_{C\max}=150\text{mA}, \beta=70$). Dòng qua 7 đoạn LED cực đại $I_C = 70\text{ mA}$. Điện áp cực B chọn $V_B = 0{,}4\text{V}$, suy ra $V_{EB} = 5\text{V} - 0{,}7\text{V} - 0{,}4\text{V} = 3{,}9\text{V}$. Điện trở định thiên cực B: $R_B = 3{,}9\text{V} / (70\text{mA} / 70) = 1{,}1\text{ k}\Omega$ (chọn chuẩn $1\text{ k}\Omega$).
    • Transistor đệm LED đơn: Dùng transistor NPN $C945$ ($\beta=180$). Với dòng LED $10\text{ mA}$, sụt áp LED $V_{\text{LED}} = 1{,}7\text{V}$, điện trở hạn dòng cực C được tính $R_C = (5\text{V} - 0{,}2\text{V} - 1{,}7\text{V}) / 10\text{ mA} = 310\ \Omega$. Điện trở cực B chọn thực tế $10\text{ k}\Omega$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Dẫn nhập

Chương 1 phân tích tính cấp thiết của thiết bị tạo mã trong các bài thực hành môn Vi mạch số tại phòng thí nghiệm trường đại học. Tác giả chỉ ra hạn chế của các bộ thí nghiệm hiện có khi thiếu nguồn ký tự 8 bit khả trình và nguồn xung clock linh hoạt. Chương này xác định mục tiêu thiết kế máy thu phát ký tự 8 bit bằng linh kiện trong nước, giới hạn đề tài trong phạm vi truyền dữ liệu hữu tuyến 8 bit, tốc độ xung clock từ 1 Hz đến 3 MHz và thời gian thực hiện 6 tuần.

Chương 2: Cơ sở lý luận

Chương 2 trình bày dàn ý, đối tượng và phương pháp nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu mô phỏng là công cụ Word Generator trong EWB 5.0. Phương pháp thực hiện kết hợp tra cứu tài liệu vi xử lý 8085A, giải tích mạch mô phỏng và thực nghiệm trên các bộ kit vi xử lý của trường kết hợp breadboard để kiểm tra các vi mạch ghép nối 8255A, 8253, 8251A, 8279, 74LS221.

Chương 3: Lý thuyết cơ sở thiết kế

Chương 3 khảo sát chi tiết giao diện và nguyên lý của Máy phát từ 16 bit trong EWB 5.0 (các ô hiển thị INITIAL, FINAL, EDIT, CURRENT, BINARY, ASCII, FREQUENCY và các nút chức năng CYCLE, STEP, BREAK POINT, BURST, PATTERN). Từ đó, tác giả đề xuất sơ đồ khối máy phát từ 8 bit phần cứng tương đương, lựa chọn CPU 8085A làm bộ xử lý trung tâm, bàn phím máy tính điện dung và LED 7 đoạn làm giao diện nhập xuất. Cuối chương, cấu trúc máy phát được phát triển mở rộng thành "Máy thu phát ký tự 8 bit" tích hợp cổng truyền thông nối tiếp và song song có bắt tay.

Chương 4: Tính toán thiết kế máy thu phát ký tự 8 bit

Chương 4 là chương trọng tâm về phần cứng, trình bày chi tiết sơ đồ nguyên lý và tính toán thông số kỹ thuật cho từng khối:

  • Thiết kế bộ nguồn đối xứng $+5\text{V}$, $\pm12\text{V}$ có mạch pin nuôi RAM.
  • Thiết kế khối xử lý trung tâm 8085A: mạch chốt địa chỉ 74LS373, đệm 74LS244/74LS245, giải mã bộ nhớ 74LS138, mạch bảo vệ dữ liệu RAM khi Reset và mạch ngắt đơn ổn 74LS221.
  • Thiết kế khối hiển thị và quét phím sử dụng hai vi mạch 8279 kết hợp hai IC giải mã 74LS154, tính toán transistor công tắc $A1015$ cho 29 LED 7 đoạn và transistor $C945$ cho LED đơn sắc.
  • Thiết kế khối giao tiếp ngoại vi: lập trình 8255A ở Mode 0 xuất nhập song song qua cổng DB-25F; lập trình 8251A USART kết hợp vi mạch chuyển đổi mức $MC1488/MC1489$ chuẩn RS-232C qua cổng DB-9F; lập trình vi mạch định thời 8253 (Mode 2/3) kết hợp CD4017 và 74LS244 để tạo và chọn tần số xung clock.

Chương 5: Xây dựng chương trình Monitor

Chương 5 thuyết minh kiến trúc phần mềm hệ thống viết bằng hợp ngữ 8085. Chương trình khởi tạo ngăn xếp tại 3FFFH, thiết lập chế độ làm việc cho các IC ngoại vi, cài đặt mặt nạ ngắt (RST 5.5, RST 6.5, RST 7.5), kiểm tra mật khẩu truy cập (PASSWORD), quét bàn phím và xuất dữ liệu ra màn hình hiển thị. Tác giả trình bày chi tiết lưu đồ thuật giải và mã nguồn của các chương trình con cốt lõi:

  • KEYBRD và KYCHCK: Quét và đọc mã phím bấm theo kỹ thuật hỏi vòng (polling).
  • DOIMA, DOIMA1, DOIMA2: Chuyển đổi mã nhị phân/hexa từ bộ đệm sang mã LED 7 đoạn.
  • DATAOUT: Xuất dữ liệu ra cổng song song và cập nhật hiển thị.
  • BRPTCK: Kiểm tra và điều khiển dừng tại các điểm ngắt trong chế độ BREAK POINT.
  • Xử lý các chế độ công tác: STEP (phát từng bước), CYCLE (phát tuần hoàn), BURST (phát chuỗi một lần), PATTERN (thực hiện phép dịch trái, dịch phải, đếm lên, đếm xuống, xóa bộ đệm).

Chương 6: Thi công

Chương 6 tổng kết quy trình thi công phần cứng và phần mềm. Phần cứng bao gồm lắp ráp bo mạch nguồn, bo mạch xử lý trung tâm, bo mạch bàn phím - hiển thị và bo mạch giao tiếp ngoại vi; lập bảng dự trù vật tư linh kiện. Phần mềm được biên dịch từ file mã nguồn hợp ngữ Monitor.asm bằng chương trình MACRO-80, xuất ra mã máy dạng file danh sách Monitor.prn và nạp vào chip nhớ EPROM 2764.

Chương 7: Hướng dẫn sử dụng máy thu phát ký tự 8 bit

Chương 7 hướng dẫn quy trình vận hành thiết bị:

  • Quy trình khởi động nguồn và nhập chuỗi mật mã bảo vệ hệ thống.
  • Thao tác chọn vùng soạn thảo địa chỉ đầu (INITIAL), địa chỉ cuối (FINAL), ô nhớ hiện hành (EDIT) và nạp dữ liệu (CURRENT DATA).
  • Hướng dẫn chuyển đổi các chế độ hoạt động (STEP, CYCLE, BURST, PATTERN, BREAK POINT) và sử dụng các công tắc chọn nguồn xung clock (EXT/INT) cùng chế độ kích sườn xung (UP/DOWN).

Chương 8: Tóm tắt - Đề nghị - Kết luận

Chương 8 tổng kết toàn bộ kết quả đạt được sau 6 tuần nghiên cứu: hoàn thiện thiết kế lý thuyết, tính toán thông số mạch, xây dựng phần mềm Monitor hoàn chỉnh. Tác giả đề xuất hướng phát triển mở rộng thiết bị lên chuẩn 16 bit, bổ sung các chế độ truyền dữ liệu tầm xa và tích hợp thêm các cổng giao tiếp máy tính thế hệ mới.

Phụ lục và Tài liệu tham khảo

  • Phụ lục 1: Giới thiệu thông số chân và giản đồ thời gian của các IC chính: 8085A, 8255A, 8251A, 8253, 8279.
  • Phụ lục 2: Bản in toàn bộ mã nguồn chương trình Monitor (Monitor.prn) gồm 16 trang biên dịch hợp ngữ với đầy đủ địa chỉ bộ nhớ, mã máy, nhãn và bảng tra mã phím KEYLED.
  • Tài liệu tham khảo: Danh mục 19 giáo trình, tài liệu chuyên khảo về mạch số, vi xử lý, cấu trúc máy tính và truyền dữ liệu.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Thiết kế hoàn chỉnh hệ thống phần cứng máy thu phát ký tự 8 bit trên nền tảng vi xử lý 8085A, tích hợp đồng bộ 8 vi mạch chuyên dụng (8085A, 2764, HM6264, 8255A, 8251A, 8253, hai IC 8279) cùng hệ thống IC số bổ trợ (74LS373, 74LS244, 74LS245, 74LS138, 74LS154, 74LS221, 7414, 4017, MC1488, MC1489).
  • Giải quyết bài toán hiển thị phức tạp bằng việc điều khiển thành công ma trận 29 LED 7 đoạn Anode chung và các LED chỉ thị trạng thái thông qua việc ghép nối song song hai IC 8279C và hai IC giải mã 74LS154.
  • Thiết kế bộ tạo xung clock định thời linh hoạt dựa trên vi mạch 8253, cung cấp nguồn xung chuẩn có dải tần điều chỉnh từ 1 Hz đến 3 MHz, hỗ trợ đầy đủ các tốc độ baud chuẩn cho truyền thông nối tiếp (75, 110, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600 bit/s).
  • Xây dựng thành công bộ chương trình Monitor dung lượng dưới 8 KByte bằng hợp ngữ 8085, thực thi ổn định toàn bộ các thuật toán quét phím, đổi mã hiển thị, kiểm tra mật mã, quản lý điểm dừng và thực thi đầy đủ 5 chế độ phát dữ liệu: STEP, CYCLE, BREAK POINT, BURST, PATTERN.

Đóng góp thực tiễn của đề tài

  • Hiện thực hóa mô hình mô phỏng ảo của phần mềm EWB 5.0 thành một thiết bị vật lý cụ thể, phục vụ trực tiếp cho công tác giảng dạy và thực hành tại các phòng thí nghiệm Vi mạch số, Vi xử lý, Vi điều khiển của nhà trường.
  • Đưa ra giải pháp công nghệ sử dụng linh kiện sẵn có, giá thành thấp để thay thế các thiết bị ngoại nhập đắt tiền trong bối cảnh trang thiết bị giáo dục còn nhiều hạn chế vào năm 2000.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Thời gian nghiên cứu và thực hiện đồ án ngắn (6 tuần lễ), việc thi công bo mạch hoàn chỉnh phải thực hiện trong giai đoạn chờ bảo vệ luận văn.
  • Thiết bị chỉ mới hỗ trợ truyền thông dữ liệu qua đường truyền hữu tuyến (cáp đồng), chưa mở rộng sang các phương thức truyền thông số khác (như vô tuyến hay cáp quang).
  • Do thiết kế tối ưu cho vi xử lý 8 bit, hệ thống chưa xử lý trực tiếp các từ mã 16 bit nhị phân độc lập như nguyên mẫu Word Generator gốc trên máy tính.
  • Các tính năng nâng cao của chế độ PATTERN như lưu tập tin ra đĩa (SAVE) và mở tập tin (OPEN) chưa được tích hợp trên phần cứng độc lập.

Hướng nghiên cứu mở rộng

  • Nâng cấp cấu trúc phần cứng lên hệ vi xử lý/vi điều khiển 16 bit hoặc 32 bit để tăng tốc độ xử lý và độ rộng từ dữ liệu.
  • Mở rộng giao thức truyền thông nối tiếp tốc độ cao và phát triển phần mềm giao tiếp máy tính cá nhân (PC) để đồng bộ hóa dữ liệu trực tiếp từ máy tính xuống thiết bị.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tư liệu học thuật và kỹ thuật có giá trị tham khảo chuyên sâu cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Máy tính, Tự động hóa: Cung cấp tài liệu mẫu mực về phương pháp tính toán, thiết kế một hệ vi xử lý 8 bit hoàn chỉnh từ sơ đồ khối đến mạch nguyên lý chi tiết; phương pháp tính toán điện trở định thiên transistor, giải mã bộ nhớ và chống nhiễu nguồn.
  • Giảng viên và kỹ thuật viên phòng thí nghiệm: Sử dụng làm tài liệu tham khảo để chế tạo các module thực hành vi xử lý, vi mạch số, ghép nối ngoại vi (8255A, 8251A, 8253, 8279).
  • Lập trình viên hệ thống nhúng / hợp ngữ: Tham khảo toàn bộ tập mã nguồn hợp ngữ 8085 (Monitor.prn trong Phụ lục 2) với các kỹ thuật lập trình kinh điển như: khởi tạo ngăn xếp, quét bàn phím bằng kỹ thuật hỏi vòng, giải thuật chuyển đổi mã hiển thị LED 7 đoạn, xử lý ngắt và quản lý bộ nhớ RAM.

Câu hỏi thường gặp

1. Thiết bị "Máy thu phát ký tự 8 bit" được phát triển dựa trên đối tượng tham chiếu nào?

Thiết bị được thiết kế dựa trên nguyên mẫu mô phỏng công cụ "Máy phát từ 16 bit" (Word Generator) trong phần mềm phân tích mạch Electronics Workbench 5.0 (EWB 5.0). Tác giả đã chuyển đổi và phát triển mô hình mô phỏng ảo này thành một thiết bị phần cứng thực tế chuẩn 8 bit sử dụng vi xử lý Intel 8085A và các vi mạch ngoại vi chuyên dụng.

2. Không gian địa chỉ bộ nhớ và các vi mạch ngoại vi được phân bổ như thế nào?

Hệ thống sử dụng vi mạch 74LS138 để giải mã địa chỉ theo phương thức Memory-Mapped:

  • 0000H - 1FFFH: EPROM 2764 (8KB ROM chứa chương trình Monitor).
  • 2000H - 3FFFH: SRAM HM6264 (8KB RAM chứa dữ liệu soạn thảo và ngăn xếp).
  • 4000H - 4001H: USART 8251A (Truyền thông nối tiếp).
  • 6000H - 6003H: Bộ định thời 8253 (Tạo xung clock).
  • 8000H - 8003H: PPI 8255A (Giao tiếp song song 8 bit).
  • A000H - A001H: 8279 (I) (Điều khiển 16 LED 7 đoạn đầu).
  • C000H - C001H: 8279 (II) (Điều khiển 13 LED 7 đoạn còn lại và quét bàn phím).
  • E000H: IC đệm 74LS244 (Đọc trạng thái mạch chọn đơn vị tần số).

3. Hệ thống điều khiển 29 LED 7 đoạn và bàn phím 35 phím bằng giải pháp phần cứng nào?

Do một IC 8279 chỉ hỗ trợ tối đa 16 LED hiển thị, hệ thống sử dụng đồng thời hai vi mạch 8279 kết hợp hai vi mạch giải mã 4 sang 16 đường 74LS154:

  • IC 8279 thứ nhất dùng 4 đường quét $SL_0 - SL_3$ qua 74LS154 để quét hiển thị cho 16 LED 7 đoạn đầu tiên.
  • IC 8279 thứ hai dùng 4 đường quét qua 74LS154 kết hợp với 8 đường phản hồi $RL_0 - RL_7$ tạo thành ma trận quét 32 phím bấm và điều khiển hiển thị 13 LED 7 đoạn còn lại.
  • Bàn phím gồm 31 phím quét ma trận, 4 phím chức năng độc lập không qua quét (SHIFT, RESET, PAUSE, UNIT) và 2 công tắc gạt cơ khí (EXT/INT, UP/DOWN).

4. Khối tạo xung Clock định thời của hệ thống hoạt động như thế nào?

Khối tạo xung Clock sử dụng vi mạch định thời 8253 nhận xung clock 3 MHz từ chân CLK OUT của CPU 8085A:

  • Bộ đếm 0 chia tần số để tạo dải tần đơn vị MHz.
  • Bộ đếm 1 nhận tín hiệu từ Bộ đếm 0 để chia tần số tạo dải tần đơn vị kHz.
  • Bộ đếm 2 chia tiếp để tạo dải tần đơn vị Hz. Vi mạch CD4017 kết hợp phím ấn UNIT và IC đệm 74LS244 cho phép người dùng lựa chọn đơn vị tần số hiển thị và cấp xung đồng bộ cho USART 8251A hoặc xuất ra cọc đo ngoại vi.

5. Cơ chế bảo vệ dữ liệu trong bộ nhớ RAM khi ấn nút Reset được thực hiện ra sao?

Khi ấn nút Reset, xung nhiễu điện áp có thể khiến vi xử lý ghi đè dữ liệu ngẫu nhiên làm sai lệch nội dung trong bộ nhớ RAM. Để khắc phục, hệ thống trang bị cổng đệm đảo Schmitt trigger 7414 nối từ nút Reset tới các chân điều khiển cho phép ghi ($\overline{\text{WR}}$) và chọn chip ($\overline{\text{CS}}$) của RAM HM6264, đưa các chân này lên mức cao logic ngay khi nút Reset được tác động, khóa hoàn toàn hoạt động ghi để bảo vệ an toàn vùng dữ liệu đã soạn thảo.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết Kế Máy Thu Phát Ký Tự 8 Bit" của tác giả Mai Đăng Khoa là công trình nghiên cứu và chế tạo phần cứng vi xử lý hoàn chỉnh, giải quyết thành công bài toán thiếu thốn trang thiết bị thực hành môn Vi mạch số tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM vào năm 2000. Bằng việc làm chủ kiến trúc vi xử lý 8085A, phối ghép chuẩn xác các vi mạch ngoại vi kinh điển và xây dựng chương trình Monitor bằng hợp ngữ tối ưu, tác giả đã cung cấp một thiết bị thực tập có tính ứng dụng thực tiễn cao, phục vụ hiệu quả cho đào tạo kỹ thuật. Bản thuyết minh đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị cao về phương pháp luận thiết kế hệ thống nhúng và kỹ thuật ghép nối phần cứng.