›
›

Giáo trình Ghép nối thiết bị ngoại vi

pdf 110 trang phuongnguyen 4540
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Ghép nối thiết bị ngoại vi", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_ghep_noi_thiet_bi_ngoai_vi.pdf

Nội dung text: Giáo trình Ghép nối thiết bị ngoại vi

  1. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Bộ môn Công nghệ điều khiển tự động Phạm Đức Long Giáo trình GHÉP NỐI THIẾT BỊ NGOẠI VI Thái Nguyên 9 - 2007
  2. Chương I Tổng quan về máy tính, thiết bị ngoài của máy tính và các phương pháp trao đổi, biến đổi dữ liệu 1.1. Máy tính và các thành phần cấu thành 1.1.1. Hệ vi xử lý kinh điển - Bộ vi xử lý là 1 thành phần không thể thiếu được để xây dựng các hệ thống tính toán xử lý, nhưng chỉ riêng bộ vi xử lý thì chưa đủ, nó còn phải được kết hợp với các thành phần khác như bộ nhớ và thiết bị ngoại vi mới tạo nên hệ vi xử lý. - Hình 1.1 là sơ đồ tổng quát của hệ vi xử lý kinh điển được áp dụng cho các hệ tính toán nhỏ và các máy tính thế hệ đầu. Hình 1.1 Hệ vi xử lý kinh điển • CPU - Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit): Bộ não của máy tính gồm các mạch vi điện tử có độ tích hợp rất cao (hàng triệu tranzito trong 1 chíp). Nó gồm có các phần: + CU (Control Unit - Khối điều khiển có chức năng): đọc mã lệnh dưới dạng tập hợp các bit 0/1 từ các ô nhớ trong bộ nhớ. Giải mã các lệnh thành dãy các xung điều khiển để điều khiển các khối khác thực hiện như điều khiển ALU, điều khiển ra ngoài CPU. + ALU (Arithmetic Logic Unit - Khối tính toán số học và logic): Tổ hợp các mạch logic điện tử phức tạp cho phép thực hiện các thao tác trên các thanh ghi như +, -, *, /, AND, OR, NOT + Các thanh ghi (Registers): Một CPU có thể có nhiều thanh ghi: Thanh ghi gồm những phần tử nhớ thịt nhớ) liên hệ với nhau 1 cách hợp lý, có thể lưu giữ được 1 trong 2 trạng thái thông tin (0 hoặc 1). Thanh ghi thực chất là 1 bộ nhớ được cấy ngay trong CPU. Vì tốc độ truy cập các thanh ghi nhanh hơn là với bộ nhớ chính RAM nên nó được dùng để lưu trữ các dữ liệu tạm thời cho các quá trình tính toán, xử lý của CPU. CPU 808 có 14 thanh ghi. 2
  3. - Các thanh ghi đoạn 16 bit (8 bit phần thấp và 8 bit phần cao): CS: Code Segment Thanh ghi đoạn mã DS: Data Segment Thanh ghi đoạn dữ liệu SS: Stack Segment Thanh ghi đoạn Stack ES: extra Segment Thanh ghi đoạn dữ liệu mở rộng Nội dung các thanh ghi đoạn chỉ ra địa chỉ đầu (segmcnt) của 4 đoạn trộm bộ nhớ (địa chỉ cơ sở). Địa chỉ của các ô nhớ nằm trong đoạn tính được bằng cách cộng thêm vào địa chỉ cơ sở 1 giá trị gọi là địa chỉ lệch (offset) - Thanh ghi con trỏ lệnh IP (bộ đếm chương trình) chứa địa chỉ của lệnh sắt thực hiện: Các chương trình máy tính là tập hợp của các lệnh. CPU sẽ lấy từng lệnh ra để chạy. Để điều khiển chính xác việc thực hiện này cần có mộ bộ đếm chương trình- đó chính là IP. Thanh ghi con trỏ lệnh IP kết hợp với thanh ghi CS chỉ ra địa chỉ đầy đủ của lệnh sắp thực hiện là CS:IP. - Các thanh ghi dữ liệu: AX, BX, CX, DX. Chúng có độ dài 16 bit gồm 8 bit phần thấp và 8 bit phần cao (AX=AH+AL, BX=BH+BL, CX=CH+CL DX-DH+DL). - Các thanh ghi con trỏ, chỉ số 16 bit: SP, BP, SI, DI. - Thanh ghi cờ 16 bit sử dụng 9 bit cho phép biết trạng thái hoạt động của CPU và điều khiển cho phép hay không cho phép ngắt ngoài loại che được. Để xem các thanh ghi hoạt động ra sao la có thể dùng chương trình debug với lệnh T (Chạy từng bước) và lệnh R (xem các thanh ghi). Chẳng hạn: C:\debugfile.exe ↵ Ta cũng có thể dùng 1 chương trình Pascal đơn giản sau để xem hoạt động của các thanh ghi: begin Repeat asm xor ax,ax moy al,1 add Al,5 sub al,3 end; until keypressed end. 3
  4. ấn Alt+D rồi vào mục Registers. Sau đó ấn nhả phím F7 để chạy chương trình và xem các thanh ghi trong CPU đang hoạt động ra sao. Từ máy 386 các thanh ghi đa năng và thanh ghi cờ có độ lớn gấp đôi (32 bit), các thanh ghi đoạn (4 thanh ghi) độ lớn vẫn là 16 bit. • Bộ nhớ - Memory: Gồm có hai loại - ROM: Vi mạch nhớ ROM chứa các chương trình và số liệu cố định, không bị mất khi ngắt điện cung cấp. Trong một hệ vi xử lý, các chương trình khởi động hệ thống, các chương trình vào/ra cơ sở và có thể cả một số chương trình ứng dụng cụ thể được chứa trong ROM. - RAM: Vi mạch nhớ RAM khi ngắt điện nguồn nuôi sẽ bị mất nội dung lưu trữ. RAM có thể lưu giữ một phần chương trình hệ thống, một số số liệu của hệ thống, các chương trình ứng dụng, các kết quả trung gian của quá trình tính toán, xử lý. • Khối phối ghép vào/ra (I/O): Đây là khối phục vụ giao tiếp giữa các thiết bị ngoài và hệ trung tâm (hệ trung tâm bao gồm CPU + M). Các thiết bị ngoài có thể là thiết bị vào hoặc thiết bị ra. Thiết bị vào ví dụ như phím điều khiển để thay đổi thông số chương trình, điều khiển hoạt động của hệ vi xử lý. Thiết bị ra như các thiết bị hiển thị: LED 7seg, LCD (với các hệ vi xử lý nhỏ), màn hình (với máy tính PC). Do đặc điểm hoạt động của thiết bị ngoài và hệ trung tâm có sự khác nhau về tốc độ làm việc, mức vật lý, phương thức làm việc nên một số trường hợp (như với máy tính PC) cán có bộ phối ghép đệm, đảm bảo cho các khối thiết bị ngoài giao tiếp được với hệ trung tâm. Bộ ghép giữa bus hệ thống và thiết bị ngoài gọi là cổng. Mỗi cổng có một địa chỉ xác định. • Hệ thống bus: Là tập hợp các đường dây dẫn ghép nối các chân địa chỉ, dữ liệu, các chân tín hiệu điều khiển của 3 khối đã nêu trên. - Abus: Nối các đường dây địa chỉ của CPU với 2 khối M và I/O. Khả năng phân biệt địa chỉ của CPU phụ thuộc số chân địa chỉ của nó. Số này có thể là 16, 20, 24, 36 chân. Chỉ có CPU mới có khả năng phát ra tín hiệu địa chỉ. - Dbus: Dùng để vận chuyển dữ liệu. Độ rộng của nó 8, 16, 32, 64 bit. Dbus có tính 2 chiều. Các phần tử có đầu ra nối thẳng với bus dữ liệu đều phải được trang bị đầu ra 3 trạng thái để có thể làm việc bình thường với bus này. - Cbus: Gồm nhiều đường dây tín hiệu khác nhau. Mỗi tín hiệu có 1 chiều xác định. Các tín hiệu trên Cbus bao gồm các tín hiệu điều khiển từ CPU như đứt đọc viết tín hiệu trạng thái từ bộ nhớ, thiết bị ngoại vi báo cho CPU như INTR, HOLD • Hoạt động của hệ: Dữ liệu được dưa vào hệ xử lý có thể từ các thiết bị nhớ ngoài hoặc trực tiếp qua cổng vào đưa vào RAM. Chương trình xử lý có thể là chương trình đã nạp sẵn trong ROM hoặc được nạp từ bộ nhớ ngoài vào RAM. CPU thực hiện chương trình theo chu trình: 4
  5. + Lấy lệnh + Giải mã lệnh + Điều khiển thực hiện lệnh Trong quá trình thực hiện nếu có tác động ngắt hoặc yêu cầu DMA CPU sẽ đáp ứng các yêu cầu này sau đó lại quay trở lại chu trình hoạt động chính. 1.1.2. Máy tính PC hiện nay Hình 1.2. Sơ đồ khối máy tính PC hiện nay Máy tính PC hiện đại ngày này gồm các thành phần được nối với nhau qua các chipset (Ví dụ trên hình 1.2). Kiến trúc này nhằm thực hiện mục đích phân chia các cấu thành có tốc độ làm việc tương đương nhau vào cùng một nhóm nhằm khai thác triệt để khả năng hoạt động của CPU và các thành phần cấu thành trong hệ thống. - Chipset là 1 chíp tích hợp chức năng của nhiều con chíp làm nhiệm vụ điều khiển hoạt động giữa CPU và các lớp bộ nhớ, thiết bị ngoại vi có tốc độ làm việc khác nhau, giúp cho các lớp cấu thành có tốc độ làm việc, kiểu dữ liệu khác nhau có thể hoạt động đồng bộ trong hệ thống. Các chipset hiện nay được các hãng sản xuất mainboard tích hợp bằng công nghệ ASIC (Application Specific Integrated Circuit). - Chipset cầu bắc nối các thành phần có tốc độ làm việc cao như cầm đồ hoạ AGP, SDRAM, CPU. 5
  6. - Chipset cầu nam nối các thành phần có tốc độ tương đối cao như các thiết bị nối vào khe cắm PCI, USB, đĩa cứng ATA - Chipset phụ nối chipset cầu nam với các thiết bị có tốc độ chậm hơn như: bàn phím, đĩa mềm, cổng máy in song song, cổng truyền tin nối tiếp. - Kiến trúc này cho phép toàn bộ hệ thống phát huy hết năng lực hoạt động của mỗi cấu thành mà không ảnh hưởng đến nhau do tốc độ làm việc khác nhau cũng như kiểu dữ liệu khác nhau. 1.1.3. Hệ thống bus - Hệ thống bus đã được giới thiệu ở trên gồm 3 thành phần (bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển). Trong đó bus dữ liệu có tính 2 chiều hoàn toàn có nghĩa là dữ liệu có thể từ CPU tới bộ nhớ hoặc thiết bị ngoại vi và ngược lại dữ liệu có thể từ bộ nhớ hoặc thiết bị ngoại vi tới CPU trên mỗi dây bit. Trên bus địa chỉ chiều của tín hiệu chỉ là từ CPU tới bộ nhớ hoặc thiết bị ngoại vi-bus địa chỉ có tính một chiều. Trên bus điều khiển chiều của tín hiệu với từng dây bit cũng là một chiều nhưng có thể là từ CPU ra như các tín hiệu điều khiển đọc/viểt, tín hiệu trả lời ngắt, trả lời yêu cầu treo, và cũng có thể từ bộ nhớ hoặc thiết bị ngoại vi tới CPU như tín hiệu yêu cầu ngắt, yêu cầu treo, yêu cầu đợi, Có thể nói bus điều khiển có tính hai chiều không hoàn toàn. - Thiết bị 3 trạng thái: Dùng để tránh xung đột bus. Hình 1.3 Mạch 3 trạng thái Hình 1.3. Thiết bị ngoại vi và bộ nhớ nối vào bus qua mạch ba trạng thái Do việc bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi dùng chung bus khi giao tiếp với CPU nên cần có cơ chế đảm bảo sao cho tại một thời điểm sử dụng chỉ có một thiết bị vật lý (bộ nhớ, thiết bị ngoại vi) nối với bus. Tín hiệu điều khiển ENABLE cho phép bộ nhớ hoặc thiết bị ngoại vi nào nối với bus. Thiết bị không nối với bus sẽ ở trạng thái trở kháng cao không gây ảnh hưởng đến thiết bị nối với bus. 6
  7. Bảng 1.1 ENABLE IN OUT 0 0 0 1 1 1 1 0 z (trở kháng cao) 1 0 z (trở kháng cao) Có hai phương pháp truyền thông tin trên bus là phương pháp đồng bộ và phương pháp không đồng bộ, trong máy tính PC sử dụng truyền đồng bộ là chủ yếu do không cách giữa các đối tượng nội bộ không lớn. Trong phương pháp này CPU điều khiển toàn bộ quá trình truyền thông tin qua các tín hiệu điều khiển ghi/đọc. Quá trình truyền thông tin trên hệ thống bus được thực hiện trong các khoảng thời gian khác nhau. Chu kỳ bus là khoảng thời gian được CPU dùng để thực hiện một thao tác truyền thông tin nhất định với một đối tượng nhất định. Mỗi một chu kỳ bus kéo dài trên nhiều chu kỳ nhịp xung đồng hồ máy tính. Có các chu kỳ bus cơ bản như sau: nhập lệnh, đọc bộ nhớ, ghi bộ nhớ, đọc cổng vào/ra, ghi vào cổng vào/ra, ngắt. 1.2. Thiết bị ngoài của máy tính 1.2.1. Kiểu cơ - điện tử Bao gồm các thiết bị được tạo nên từ nhiều thành phần phối hợp với nhau: Các thành phần cơ cấu cơ khí thường đảm nhiệm các chức năng theo yêu cầu chính của thiết bị như in, vẽ, đóng cắt thiết bị Các thành phần cơ cấu điện, điện tử đảm nhiệm chức năng dẫn động, khuyếch đại công suất. Việc phối hợp hoạt động giữa các cơ cấu điện - điện tử - cơ khí do các chương trình trong máy tính hoặc trong các hệ vi xử lý thực hiện. 1.2.2. Kiểu từ - điện tử Thường được ứng dụng trong các thành phần lưu trữ thông tin. Đây là các vật thể trên bề mặt chứa lớp bột từ có tính từ dư. Thông tin cần lưu trữ được chuyển đổi sang các tín hiệu điện có mức điện áp "0" hoặc "1" sau đó cho các dòng điện này chạy trong cuộn dây đầu từ để hoá các lớp bột từ trên vật chứa thông tin. Đầu từ: làm chức năng viết vàolđọc ra thông tin trên vật chứa thông tin. Đầu từ được cấu tạo từ các vòng xuyến ferit có một khe hở để tập trung từ thông khi từ hoá các hạt từ trên bề mặt vật chứa thông tin. Nguyên lý ghi_đọc từ: • Gồm 2 thành phần chính: - Đầu từ: Là 1 lõi ferit hình xuyến, có khe từ. Trên lõi có quấn cuộn dây điện từ. Các đầu ra của cuộn dây nối vào mạch thulphát thông tin 7
  8. Hình 1.4 Nguyên lý đọc ghi từ - Đĩa từ: Là đĩa nhựa dẻo, trên bề mặt có phủ một lớp bột từ có đặc tính lưu giữ từ. • Hoạt động: - Ghi: Thông tin cần ghi vào đĩa ở dạng 0- 1 được biến đổi thành tín hiệu điện. (Ví dụ theo chuẩn TTL: 0 : 0 + 0,8 Volt 1 : + 2,8 + 5Volt) Các tín hiệu điện 0- 1 này chạy trên cuộn dây đầu từ sẽ tạo ra từ trường tỉ lệ với 0- 1. Trong khi địa từ quay quá trình từ hoá bề mặt đĩa theo thông tin đưa vào được thực hiện và kết quả là ở các vị trí khác nhau của đĩa sẽ lưu giữ các phần đĩa nhiễm từ với các mức độ khác nhau. - Đọc: Ngược với quá trình ghi 1.2.3. Kiểu quang - điện tử • Đĩa CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory) - Đĩa CD được phát minh vào năm 1982. Các tiêu chuẩn đầu tiên Reed Book hai hãng SONY và PHILIPS đưa ra. Với sự phát triển kỹ thuật các tiêu chuẩn nào cũng thay đổi; nhưng cơ bản vẫn dựa trên cơ sở Reed Book. - Đĩa CD ngày nay không những được sử dụng trong lĩnh vực nghe nhìn mà còn được dùng làm bộ nhớ dung lượng lớn. Sự khác nhau giữa CD Player (các mạng nghe nhạc dùng đĩa CDROM) và bộ đọc đĩa CD ROM ghép với máy tính PC các bộ đọc CD ROM này có thêm bộ ghép nối để truyền số liệu tới bus hệ thống của PC và các linh kiện ghép nối đảm bảo cho CPU truy nhập các số liệu từ đĩa với những lệnh phần mềm. Cấu tạo đĩa: Đường kính: 4.75 inches Dày: 1,2 mm Lỗ ở giữa có đường kính: 15mm 8
  9. Dung lượng phổ biến hiện nay: 650MB -700MB - Đĩa CD có những rãnh phản xạ ánh sáng được phủ bởi bột nhôm và sau đó phủ lớp sơn bóng để bảo vệ. - Khi đĩa CD chế tạo, thông tin được đưa vào trong đĩa CD dưới các rãnh được pa nhôm dưới dạng pits (Sự lõm xuống) và lands (Sự lồi lên); những lồi lõm nữ chính là biểu hiện của các bit. Pits và lands được sắp xếp dọc theo đường trôn ố quanh trục bao phủ toàn bộ bề mặt đĩa CD, lượn vòng từ trong ra ngoài. Khôn. như (ra hát các loại đĩa CD bắt đầu ghi từ mép trong ra ngoài. - Do có cất tạo đặc biệt nên tốc độ truyền dữ liệu và thời gian thâm nhập của đ, CD- ROM chưa cao so với đĩa cứng. Nguyên tắc hoạt động: Hình 1.5. Nguyên lý đọc đưa CDROM Sensor: Cảm biến Diode Laser: Đĩa phát lazer Be am Spliter: Bộ phân tích tia sáng Bit Signal: Tín hiệu số nhị phân(bit) Renected be am: Tia phản xạ Sensing beam: Tia tới Movable Mirror: Gương chuyển động Optical Disk:Đĩa quang Tia lazer từ một laser phát ra được hội tụ qua hệ thống quang học hội tụ lên các rãnh trên bề mặt đĩa CD- ROM. Ta đã biết thông tin được ghi bởi các pits và lands. Cường độ tia phản xạ sẽ yếu đi khi gặp chỗ lõm. Trong ổ đĩa có 1 sensor thu, nhạy với cường độ tia phản xạ. Cường độ tia phản xạ phụ thuộc vào các chỗ lồi lõm mà nó đi qua, tức là phụ thuộc các thông tin ghi trên đĩa. Đầu ra của sensor là các tín hiệu thông tin đã được chuyển sang dạng điện. • Đĩa CD-WR (ổ đĩa CD ghi - đọc) và đĩa DVD (Digital Versatile Disc). Đĩa quang công nghệ số đa dụng: DVD xuất hiện đầu tiên vào tháng 3 năm 1997. Một đĩa DVD có thể lưu trữ thông tin gấp 7 lần một đĩa CD. Đầu đọc đĩa DVD có thể dọc được đĩa CD ROM (ngược lại thì không). DVD có đường kính và độ dày giống như đĩa CD, chúng cùng được làm bằng vật liệu như nhau và phương pháp chế tạo như nhau. Giống 9
  10. như một đĩa CD, dữ liệu trong một DVD được mã hoá trong các chỗ lõm và lồi nhỏ dọc theo rãnh trên đĩa. Một DVD gồm có một vài lớp plastic, tổng cộng bề dày 1.2 mm. Mỗi một lớp được tạo bởi phun khuôn poly carbon plastic (created hy injection molding polycarbonate plastic). Các quá trình này định dạng một đĩa có các bướu vi nhỏ (bumps) xếp đơn, liên tục và dài xoắn theo rãnh dữ liệu. Một khi xoá các các mẩu polycarbon đã được định dạng, một lớp phản xạ mỏng thì được thổi tới đĩa, bao phủ các bướu. Nhôm được sử dụng sau các lớp bên trong, nhưng một lớp vàng bán phản xạ thì được sử dụng cho các lớp ngoài, cho phép tia laser chiếu vào xuyên qua lớp ngoài tới lớp trong. Sau tất cả các lớp đã được làm, chúng được phủ sơn và ổn định bằng tia hồng ngoại. Với các đĩa một mặt, nhãn của chúng được in lụa ở mặt không có dữ liệu. Với đưa hai mặt nhãn đĩa chỉ được in trên chỗ trống không ghi dữ liệu giữa đĩa. Mặt cắt các phần khác nhau của các kiểu đĩa khác nhau như các hình 1.6 Hình 1.6. Các dạng DVD và dung lượng Mỗi một lớp có thể viết của DVD có một rãnh xoắn chứa dữ liệu. Với loại DVD một mặt (single-layer DVD) rãnh xoắn luôn luôn chạy từ trong ra ngoài. Như vậy rãnh xoắn bắt đầu ở tâm nghĩa là DVD một mặt có thể nhỏ hơn 12c nếu yêu cầu. Hình 1.7. Đường ghi dữ liệu trên DVD 10
  11. Hình 1.8. Dữ liệu trên DVD Trên đĩa DVD các pits được thay bằng các các bướu (bumps) trên rãnh dữ liệu. Chúng xuất hiện như các pits trên mặt nhôm, nhưng ở phía tia laser đọc tới đúng là các bumps. Quan sát bằng kính hiển vi có thể thấy các bướu trên rãnh xoắn của DVD. Nếu trải rãnh xoắn này ra có thể tới chiều dài 48km (với DVD hai mặt, lớp đúp). Để đọc được các bướu nhỏ này cần phải có các cơ cấu cơ-điện tử chính xác trong thiết bị đọc địa. 1.2.4 Thiết bị xử lý tín hiệu Có thể kể ra đây các thiết bị như modem, các thiết bị phục vụ cho mạng, các bộ A/D, DIA. (Các bộ A/D và D/A sẽ được khảo sát kỹ ở chương sau). • MODEM: Có gốc từ các chữ tiếng Anh Modulator DEModulator. Là 1 thiết bị sử dụng để kết nối máy tính với đường truyền điện thoại, thông qua đó trao đổi thư điện tử, truy nhập mạng Intemet hoặc thực hiện bài toán đo lường điều khiển tới 1 vị trí ở xa Hình 1.9. Hoạt động của MODEM Tín hiệu từ máy PCI ra là tín hiệu số, các tín hiệu này qua bộ phận điều biến là tín hiệu Analog được truyền trên đường dây điện thoại. Trước khi vào máy PCn được giải điều biến(Điều chế) lại thành tín hiệu số để thích hợp với PCn. Quá trình truyền và 11
  12. nhận tín hiệu từ PCn đến PCI cũng tương tự. • Thiết bị phục vụ cho mạng máy tính: - REPEATER: Bộ chuyển tiếp tín hiệu. Repeater làm việc ở tầng vật lý trong mô hình OSI. Nó có một cổng vào và một cổng ra. Chức năng chính của nó là khuyếch đại tín hiệu, bù lại những suy giảm trên đường truyền. Repeater không có khả năng liên kết các LAN khác nhau về giao thức truyền thông ở tầng liên kết dữ liệu. - HUB: Là repeater nhiều cổng. Nó thực hiện chuyển tiếp tất cả các tín hiệu điện đến từ một cổng tới tất cả các cổng còn lại sau khi đã khuyếch đại. - ROUTER: Bộ chọn đường - làm việc trên tầng network của mô hình OSI. Routel thường có nhiều hơn 2 cổng. Nó tiếp nhận tín hiệu vật lý từ một cổng, chuyển đổi về dạng dữ liệu, kiểm tra địa chỉ của mạng rồi chuyển dữ liệu đến cổng tương ứng. Router dùng các bảng chọn đường (routing table) để lưu trữ các ánh xạ cổng - địa chỉ network. Router dùng để liên kết các LAN có thể khác nhau và chuẩn LAN nhưng dùng một giao thức mạng ở tầng Network. Chẳng hạn hai mạng Ethemet và Token ring cùng với giao thức truyền thông TCI/IP. Router cũng dùng để liên kết hai mạng ở rất xa nhau chẳng hạn bằng leased nhe hoặc IDSN. Trong trường hợp như vậy mỗi mạng phải dùng một router. Các route- dùng cho mục đích này gọi là remote router. - BRIDGE: Làm việc với tầng thứ hai của mô hình OSI - tầng liên kết dữ liệu. Nó được thiết kế để có khả năng nhận tín hiệu vật lý, chuyển đổi về dạng dữ liệu và chuyển tiếp dữ liệu. Bridge có 2 cổng. Sau khi nhận tín hiệu vật lý và chuyển đổi về dạng dữ liệu từ một cổng, bridge kiểm tra địa chỉ đích, nếu địa chỉ này là của một node liên kết với chính cổng nhận tín hiệu, nó bỏ qua việc xử lý. Trong trường hợp ngược lại dữ liệu được chuyển tới cổng còn lại, tại cổng này dữ liệu được chuyển đổi thành tín hiệu vật lý và gửi đi. Để kiểm tra một ngọc được liên kết với cổng nào của nó, bridge dùng một bảng địa chỉ cập nhật động. Vì nguyên lý hoạt động nói trên mà tốc độ truyền thông qua 2 cổng của bridge chậm hơn s với repeater. Bridge được dùng để liên kết các LAN có cùng giao thức tầng hê kết dữ liệu. Các LAN này có thể khác nhau về môi trường truyền dẫn vật lý Bridge cũng được dùng cho mục đích chia một LAN thành nhiều LAN thành phần, và mỗi mạng LAN thành phần này tập hợp những ngóc có tần suất giao tiếp với nhau thường xuyên, các mạng IAN thành phần có nhu cầu giao tiếp với nhau không thường xuyên. - SWITCH: Làm việc như một Bridge nhiều cổng. Khác với HUB - nhận tín hiệu từ một cổng rồi chuyển tiếp tới tất cả các cổng còn lại, switch nhận tín hiệu vật lý, chuyển đổi thành dữ liệu, từ một cổng, kiểm tra địa chỉ đích rồi gửi tới một cổng tương ứng. Switch được thiết kế để liên kết các cổng của nó với băng thông rất lớn. 1.3. Các chuẩn ghép nối 1.3.1. Định nghĩa 12
  13. • Đ/n: Các tiêu chuẩn ghép nối bao gồm các tiêu chuẩn về cơ khí và các thông số điện và các thủ tục về truyền tin sao cho thông tin ở các thiết bị ngoại vi và các hệ thống xử lý khác nhau có thể trao đổi được với nhau một cách an toàn và thuận tiện. • Phân bố địa chỉ cổng vào/ra trong máy vi tính: Theo kiến trúc máy tính IBM-PC 1 KB địa chỉ đầu tiên trong bản đồ bộ nhớ được dành cho địa chỉ của các thiết bị ngoại vi Bảng 1.2. Sắp xếp của vùng địa chỉ vào/ra của máy tính PC Địa chỉ (hexa) vào ra Chức năng 000-01F Bộ điều khiển DMA 1 (8232) 020-03F Bộ điều khiển ngắt (8259) 040-043 Bộ phát thời gian (8254) 060-06F Bộ kiểm tra bàn phím (8242) 070-07F Đồng hồ thời gian thực (MC 146818) 080-09F Thanh ghi trang DMA (LS 670) 0A0-0AF Bộ điều khiển ngắt 2 (8259) 0C-0CF Bộ điều khiển DMA 2(8237) 0E0-0EF Dự trữ cho mảng mạch chính 0F8-0FF Bộ đồng xử lý 80x87 1F0-1F8 Bộ điều khiển đĩacứng 200-20F Cống trò chơi 278-27F Cống song song 2 (LPT2) 2B0-2DF Card EGA 2 2E8-2EF Cống nối tiếp 4 (COM4) 2F8-2FF Cống nối tiếp 2 (COM2) 300-31F Dùng cho cam mở rộng 320-32F Bộ điều khiển đĩa cứng 3 60-3 6F Cổng nối mạng LAN 378-37F Cổng song song 1 (LPT1) 3 8 0-3 8F Cổng nối tiếp đồng bộ 2 3A0-3AF Cổng nối tiếp đông bộ 1 3B0-3B7 Màn hình đơn sắc 3C0-3CF Card EGA 3D0-3DF Card CGA 3E8-3EF Cổng nối tiếp 3 (COM3) 3F0-3F7 Bộ điều khiển đĩa mềm 3F8-3FF Cổng nối tiếp 1 (COM1) 13
  14. 1.3.2. Các đặc tả cho từng kiểu ghép nối • Chuẩn RS232, 485: Sau 1 thời gian dài không chính thức, đến năm 1962. Hiệp hội các nhà công nghiệp điện tử (EIA: The Electronics Industries Association) đã cho ban hành tiêu chuẩn RS- 32 áp dụng cho cổng nối tiếp (RS Recommended Standard - Tiêu chuẩn đã giới thiệu). Có 2 loại:RS 232B và RS232C. Tiêu chuẩn đang được áp dụng hiện nay là RS232C. Ở các nước Tây Âu chuẩn này còn gọi là chuẩn V.24 - Chuẩn cơ khí: Dùng các đầu nối DB25 hoặc DB9 Sẽ giới thiệu kỹ ở chương 5 - Chuẩn về điện: + Mức "1" các điện áp từ -3V đến -12V. Mức "0" các điện áp từ +3V đến + 12V + Tốc độ truyền nhận cực đại 100 kbit/giây + Tốc độ truyền chuẩn: 50, 75, 110, 150, 300 1200, 2400, 4800, 9600, 19.200, 28.800 56.000baud. SCSI: Small Computer System Interface. Do Macintox đề xuất năm 1984. Tốc độ chuyển vận dữ liệu max >320MB/s. Cho phép quản lý tới 16 thiết bị - Chuẩn cơ khí: 50 chân (có thể biến thể 68 hoặc 80 chân với một số loại SCSI khác). Hình 1.10. Đầu nối SCSI 50 chân - Cấu tạo: 14
  15. SCSI có ba loại cơ bản: - SCSI-1: Loại nguyên thuỷ được phát triển từ năm 1984, SCSI-1 hiện nay đã lỗi thời nó có độ rộng bus 8 bit và tốc độ xung nhịp làm việc 5 MHZ. - SCSI-2: Ra đời 1994, có đặc điểm kỹ thuật sử dụng Common Command Set (CCS) - gồm 18 lệnh dùng chung trợ giúp cho các loại SCSI. Có thể sử dụng xung nhịp đồng hồ gấp đôi tới 10MHZ (chế độ fast) hoặc sử dụng chế độ gấp đôi bề rộng bus dữ liệu (chế độ wide) hoặc chế độ gấp đôi cả hai thuộc tính (fast/wide). SCSI-2 cũng có thể thêm vào lệnh hàng đợi (command queuing), cho phép thiết bị lưu trữ và phân quyền ưu tiên từ máy tính chủ (host computer). SCSI-3: Xuất hiện đầu tiên 1995. Một tập các tiêu chuẩn được gọi là SCSI Parallel Interface (SPI), là cách các thiết bị SCSI truyền tin với các thiết bị khác. Đặc tả kỹ thuật phổ biến của SCSI-3 gắn thuật ngữ Ultra, như Ultra với SPI, Ultra2 với SPI-2 và Ultra3 với SPI-3. Bảng 1.3 Đặc tả kỹ Số Độ rộng Tên Tộc độ bus MBps thuật thiết bị bus Asynchronous - SCSI-1 8 8 bits 5 MHz 4 MBps Synchronous SCSI - SCSI -1 8 8 bits 5 MHz 5 MBps Wide - SCSI -2 16 16 b its 5 MHz 10 MBps Fast - SCSI -2 8 8 bits 10 MHz 10 Fast/wide - SCSI -2 16 16 b its 10 MHz 20 MBps 15
  16. Ultra SCSI-3 SPI 8 8 bits 20 MHz 20 MBps Ultra/Wide SCSI-3 SPI 8 16 bits 20 MHz 40 MBps Ultra2 SCSI-3 SPI 8 8 bits 40 MHz 40 MBps Ultra2/Wide SCSI-3 SPI2 16 16 bits 40 MHz 80 MBps Ultra3 SCSI-3 Spl-3 16 16 bits 40 MHz 160 MBps Ultra320 SCSI-3 Spl-4 16 16 bits 80 MHz 320 MBps Các kiểu SCSI truyền dữ liệu bit song song. Ultra320 SCSI sử dụng dữ liệu kiểu đóng gói (packeted dâm). Kiểu SCSI mới nhất hiện nay được gọi là Serial Attached SCSI (SAS), sử dụng các lệnh SCSI nhưng dữ liệu truyền nối tiếp. SAS sử dụng liên kết nối tiếp point-to-point di chuyển dữ liệu với tốc độ 3.0 gigabits trên giây, mỗi một cổng SAS có thể hỗ trợ hoạt động cho 128 thiết bị. Hình 1.12. SCSI controller 16
  17. • USB: Universal Serial Bus được phát minh 1997. Chuẩn công nghiệp mới này dùng 1 loại đầu nối vừa với tất cả để thay cho mọi cổng cũ khác trên PC. Ta có thể cắm nhiều loại thiết bị vào cổng USB: màn hình, bàn phím, chuột, modem, máy in, máy quét Ta còn có thể cắm 1 chuỗi thiết bị ngoại vi cái này nối cái kia, nghĩa là ta có 1 chuỗi thiết bị chạy từ 1 cổng duy nhất trên PC. Một số sản phẩm USB như máy quét và Camera số có thể hoạt động không cần dây cắm điện riêng - Dây nối USB có khả năng cung cấp nguồn điện. Cổng USB hoạt động nhanh gấp 10 lần cổng song song, gấp 100 lần cổng nối tiếp. Phiên bản USB hiện nay đang sử dụng là USB 2.0. • ISA: Rãnh cắm theo tiêu chuẩn ISA Industry Standard Architecture. có 32 chân x 2= 64 trên 2 mặt. Bề rộng bus dữ liệu 8 bit. Tốc độ truyền dữ liệu lớn nhất max= 8Mbit/giây với loại ISA mở rộng: 16 bộ và với EISA: 32 bit. Vùng địa chỉ thiết bị ngoại vi dành cho các cam mở rộng từ 300h đến 31Fh. Từ 1999 khe cắm ISA không còn được sử dụng cho máy tính PC nữa. • PCI: Do công ty Intel xây dựng nên. PCI hoạt động với bề rộng bus dữ liệu 32 bit. Hiện nay loại PCIX phát triển hơn hoạt động với bề rộng bus dử liệu 64 bit. • EIDE: Đầu nối cơ khí 40 chân (pins) thường được sử dụng trong các máy tính và trong các thiết bị recorder, các thiết bị thu thập dữ liệu. Để ghép nối các thiết bị với hệ trung tâm cần có IDE Controller. Một dây nối IDE cho phép cắm 2 thiết bị trên nó (một master, một slaver). • Giao diện cho thiết bị hiển thị chuẩn Hình 1.13. Các tín hiệu trên đầu nối ra màn hình CRT 1: Red Video 2: Green Video 3: Blue Video 4: Ground 5: Selftest 6: Red Ground 7: Green Ground 8: Blue Ground 9: No Connection 10: Digital Ground 11: Grouna 12: Reserved (SDA for DDC) 13: Horizontal Sync. 14: Vertical Sync. 15: No Connection (SCL for DDC) • Giao diện cho ổ đọc đĩa mềm: 34 chân dùng để nối bộ điều khiển đĩa mềm FDC 17
  18. Controller với ổ đọc đĩa mềm 1.4. Các phương pháp vào ra dữ liệu CPU thực hiện trao đổi thông tin với các thiết bị ngoại vi và thế giới bên ngoài thông qua thiết bị giao diện. Thiết bị giao diện là thiết bị có thể lập trình. Mỗi thiết bị giao diện đều có 3 loại thanh ghi, mỗi loại thực hiện 1 chức năng khác nhau: + data register (thanh ghi dữ liệu): thực hiện chức năng bộ đệm tạm chứa dữ liệu vào/ra. + status register (thanh ghi trạng thái): chứa thông tin phản ánh trạng thái làm việc của thiết bị giao diện và thiết bị ngoại vi + control register (thanh ghi điều khiển): nhận và chứa các từ điều khiển xác lập chế độ làm việc của thiết bị. Mỗi một thanh ghi có 1 địa chỉ xác định gọi là địa chỉ cổng. Khi CPU đưa một dữ liệu ra ngoài (thực hiện bằng lệnh OUT xuất dữ liệu ra cổng có địa chỉ xác định) thực chất là CPU đưa dữ liệu ra thanh ghi dữ liệu của thiết bị giao diện, thiết bị giao diện sẽ chuyển nó thành dạng thích hợp với thiết bị ngoại vi rồi mới đưa ra ngoài cho thiết bị ngoại vi. Khi thiết bị ngoại vi gửi một dữ liệu cho máy tính, dữ liệu này được đưa vào thanh ghi dữ liệu trong thiết bị giao diện. CPU nhập dữ liệu từ ngoài bằng cách đọc thanh ghi dữ liệu đệm này. Thiết bị giao diện chỉ giúp CPU kết nối một cách thích hợp về mặt vật lý với các thiết bị bên ngoài, nhưng chưa đảm bảo tính tin cậy của quá trình trao đổi thông tin. Điều này xuất phát từ một thực tế khách quan là nhịp làm việc của CPU khác xa với nhịp và tốc độ làm việc của thiết bị ngoại vi. Để CPU có thể thực hiện trao đổi thông tin với các thiết bị ngoại vi với độ tin cậy cao cần phải áp dụng các phương pháp trao đổi dữ liệu thích hợp, các. phương pháp này được gọi là các phương pháp vào/ ra dữ liệu. Có thể phân chia các phương pháp vào/ra dữ liệu thành 2 nhóm: - Vào ra do CPU chủ động: + Vào ra theo định trình + Vào ra có thăm dò (phương pháp hỏi vòng - polling) - Vào ra do thiết bị ngoại vi chủ động: + Vào ra bằng ngắt + Vào ra DMA 18
  19. 1.4.1 Vào/Ra theo định trình Đây là phương pháp mà trong đó quá trình vào/ra dữ liệu được thực hiện theo một chu kỳ xác định trước, nhờ các lệnh vào/ra (lệnh IN hoặc OUT) và CPU không quan tâm đến trạng thái của thiết bị vào/ra (bao gồm thiết bị giao diện và thiết bị ngoại vi). Hình 1.14. Sơ đồ vào ra theo định trình Phương pháp vào/ra theo định trình thích hợp với những quá trình vào/ra có chu kỳ cố định và có thể xác định trước. 1.4.2. Vào/Ra theo phương pháp hỏi vòng Trong mỗi thiết bị giao diện thường có ít nhất một thanh ghi trạng thái chứa thông tin phản ảnh trạng thái làm việc của thiết bị này và thiết bị ngoại vi. Khi thực hiện phương pháp vào/ra có thăm dò, chương trình vào ra dữ liệu luôn thực hiện kiểm tra trạng thái sẵn sàng làm việc của thiết bị trước khi thực hiện thực sự việc vào/ra dữ liệu. Hình 1.15. Sơ đồ vào ra kiểu thăm dò 19
  20. Quá trình vào/ra dữ liệu có thăm dò như sau: Hình 1.16. Thuật toán vào/ ra kiểu thăm dò với một thiết bị 20
  21. Quá trình vào/ra với nhiều thiết bị theo phương pháp thăm dò: Hình 1.17. Vào ra dữ liệu kiểu thăm dò với nhiều thiết bị Ưu điểm của phương pháp này: Do CPU luôn kiểm tra trạng thái sẵn sàng làm việc của thiết bị trước khi thực hiện vào/ra nên vào/ra dữ liệu kiểu này có độ tin cậy cao. Nhược điểm: Do CPU luôn phải kiểm soát lần lượt trạng thái làm việc của các thiết bị nên tốc độ vào/ra dữ liệu chậm. Hơn nữa nếu CPU chỉ làm 1 công việc là vào/ra dữ liệu (theo phương pháp thăm dò) thì hiệu quả không cao, ngược lại nếu CPU đồng thời phải thực hiện nhiều loại công việc hơn thì thời gian làm việc của CPU sẽ bị chia xẻ, đồng thời độ tin cậy của phương pháp vào/ra theo thăm dò cũng bị giảm đi rất nhiều. 1.4.3. Vào / Ra bằng ngắt Ngắt là việc CPU dừng chương trình chính đang thực hiện để thực hiện một chương trình con khác là chương trình con phục vụ ngắt (ISR Intenupt Service routine). Có hai loại ngắt cứng và ngắt mềm. Vào ra dữ liệu bằng ngắt cứng là phương pháp vào/ra dữ liệu trong đó thiết bị vào/ra chủ động quá trình vào/ra dữ liệu nhờ hệ 21
  22. thống ngắt cứng. Hình 1.18. Sơ đồ quá trình ngắt Thông thường quá trình vào/ra bằng ngắt cứng được trợ giúp bởi thiết bị điều khiển ngắt PIC (Programmable Interrupt Controller). PIC có chức năng ghi nhận các yêu cầu ngắt IRQ và cung cấp cho CPU số hiệu ngắt đại diện cho địa chỉ của chương trình con phục vụ ngắt và tương ứng yêu cầu ngắt IRQ. Cấu trúc của hệ thống ngắt cứng: Hình 1.19. Bộ điều khiển ngắt PIC trong hệ thống Quá trình vào/ra dữ liệu bằng ngắt cứng: - CPU đang thực hiện chương trình chính - Thiết bị vào/ra có yêu cầu phục vụ phát ra tín hiệu IRQ cho PIC. - Thiết bị PIC phát ra tín hiệu INT cho CPU, yêu cầu CPU phục vụ - CPU hoàn thành nết lệnh đang thực hiện - CPU phát tín hiệu INTA (Interrupt Acknowledge) trả lời PIC, báo sẵn sàng phục vụ quá trình ngắt. - PIC phát ra số hiệu ngắt (là con số đại diện cho địa chỉ của chương trình con phục vụ ngắt, và tương ứng với tín hiệu IRQ) cho CPU. - Dựa trên số ngắt này CPU kích hoạt và thực hiện chương trình con phục vụ ngắt 22
  23. ISR để thực hiện vào/ra dữ liệu - Khi ISR kết thúc thì CPU quay lại tiếp tục thực hiện chương trình chính đang thực hiện. Ưu điểm của phương pháp này: - CPU thực hiện vào/ra dữ liệu ngay khi có yêu cầu từ thiết bị vào/ra. Điều này làm cho quá trình vào/ra dữ liệu có độ tin cậy rất cao. - - CPU chỉ phục vụ thiết bị vào/ra khi có yêu cầu (khi thiết bị vào/ra đã sẵn sàng cho việc truyền dữ liệu), do vậy làm tăng hiệu quả làm việc của CPU. Do những ưu điểm này mà phương pháp vào/ra dùng ngắt cứng được dùng để vào/ra dữ liệu với phần lớn các thiết bị ngoại vi chuẩn của máy tính như: bàn phím, máy in, thiết bị vào ra nối tiếp Tuy nhiên với phương pháp này quá trình chuyển dữ liệu giữa bộ nhớ và thiết bị vào/ra vẫn phải qua CPU và quá trình vào/ra dữ liệu vẫn do CPU thực hiện, nên đây chưa phải là phương pháp vào/ra nhanh nhất. MỘT SỐ VÍ DỤ THAY VECTƠ NGẮT • Lập trình bằng Pascal uses dos,crt; var oldvec: pointer; { chua địa chi cua chuông trinh xu ly ngai cu } R: Registers; procedure thayngat; intenupt; begin writeln(" Hello "); end; asm mov ah,4Ch int 21h end; end; BEGIN getintvec($ 13,oldvec); setintvec($13,Add(thayngat)); intr($ 13,r); 23
  24. readln; setintvec($13,oldvec); END. • Lập trình bằng C: #include #include #include #define INTR OX1C /* The clock tick interrupt */ #ifdef _cplusplus #define_CPPARGS #else #define CPPARGS endif void interrupt (*oldhandler)(_CPPARGS); int count 0; void interrupt handler(_CPPARGS) { /* increase the global counter */ count++; /* call the old routine */ oldhandler(); } int main(void) { /* save the old interrupt vector */ oldhandler = getvect(INTR); /* install the new interrupt handler */ setvect(INTR, handler); /* loop until the counter exceeds 20 */ while (count < 20) printf("count is %d\n",count); /* reset the old ~nterrupt handler */ setvect(INTR, oldhandler); retum 0; } 24
  25. • Lập trình bằng hơp ngữ: Giới thiệu các hàm 35h, 25h của ngắt 21h: + Hàm 25h: Thiết lập vectơ ngắt Vào: AH=25h, AL: Số hiệu ngắt DS:DX= vectơ ngắt Ra: không + Hàm 35h: Lấy vectơ ngắt Vào: AH:35h AL: số hiệu ngắt Ra: ES:BX: vectơ ngắt ; Thủ tục cất vectơ ngắt cũ và thiết lập vectơ ngắt mới ; vào: AL: số hiệu ngắt DI = địa chỉ bộ đệm vectơ ngắt cũ SI = địa chỉ bộ đệm chứa vectơ ngắt mới ; cất cũ: mov an,35h mov ai, số hiệu ngắt cần lấy mov [di],bx mov [DI+2], ES ; thiết lập mới MOV DX,[SI] PUSH DS MOV DS,[SI+2] MOV AH,25h máy al, số hiệu ngắt cần thiết lập INT 21h POP DS RET 1.4.4. Vào / Ra theo phương pháp DMA Có nhiều quá trình trao đổi dữ liệu đòi hỏi tốc độ vào/ra dữ liệu nhanh hơn khả năng vào/ra dữ liệu của các phương pháp vào/ra dữ liệu bằng chương trình như đã 25
  26. trình bày ở trên, ví dụ quá trình chuyển dữ liệu từ các ổ đĩa vào bộ nhớ và ngược lại. Lúc này có thể sử dụng phương pháp vào/ra dữ liệu kiểu DMA, là quá trình vào/ra dữ liệu trực tiếp giữa bộ nhớ và thiết bị ngoại vi không qua CPU. Trong quá trình DMA việc chuyển dữ liệu không được điều khiển bởi CPU mà bởi một thiết bị phần cứng là bộ điều khiển DMAC (DMA Controller). Sơ đồ quá trình như sau: Hình 1.20. Vào ra dùng DMA - DMAC được xác lập chế độ làm việc, nhận thông tin về địa chỉ đầu khối nhớ chứa dữ liệu và kích thước khối dữ liệu cần truyền. - CPU đang hoạt động bình thường nếu giữa thiết bị vào/ra và bộ nhớ có yêu c ầu DMA thì: - Thiết bị vào/ra phát tín hiệu DRQ cho DMAC - DMAC phát tín hiệu HRQ = 1 đến chân HOLD của CPU, yêu cầu CPU đi vào chế độ DMA (yêu cầu treo CPU). - CPU thực hiện nốt chu kỳ máy. - CPU phát tín hiệu HLDA trả lời cho DMAC và tự tách ra khỏi hệ thống bus. - Quyền điều khiển hệ thống bus thuộc về DMAC - DMAC làm chủ bus hệ thống, tạo tín hiệu DACK trả lời thiết bị yêu cầu, phát địa chỉ ô nhớ lên bus địa chỉ, phát các tín hiệu điều khiển ghi/đọc thiết bị vào/ra và các tín hiệu điều khiển ghi/đọc bộ nhớ và thực hiện điều khiển toàn bộ quá trình chuyển dữ liệu giữa thiết bị vào/ra và bộ nhớ. - Kết thúc quá trình DMA, DMAC gìn tín hiệu HRQ = 0 đến chân HOLD trả lại quyền điều khiển bus cho CPU. - CPU tiếp tục trở lại kiểu hoạt động bình thường. 1.5. Các thiết bị chuyển đổi dữ liệu: 1.5.1. Khái niệm - Định lý lấy mẫu của Shannon 26
  27. Trong thực tế, các loại thông tin dữ liệu hầu hết ở dạng tương tự và liên tục' theo thời gian. Song thế giới bên trong máy vi tính hoàn toàn bằng số, và rời rạc. Để đưa các thông tin dữ liệu tương tự vào máy tính số cần phải có một thiết bị, có khả năng chuyển các tín hiệu tương tự này thành tín hiệu số. Thiết bị đó gọi là các bộ chuyển đổi AD (ADC- Analog Digital Convertor). Ngược lại, để khôi phục các mẫu tín hiệu đã lấy mẫu và sau khi xử lý đưa ra môi trường bên ngoài ta cần bộ chuyển đổi D/A (DAC - Digital Analog Convertor). Bộ chuyển đổi tương tự - số làm nhiệm vụ chuyển đổi những thông tin, dữ liệu tương tự biểu diễn đặc tính của các đại lượng vật lý trong thế giới tự nhiên sang dạng mã số. Mã số được dùng trong quá trình xử lý tin, tính toán trong hệ thống máy tính và các hệ thống đo điều khiển số. Nó thực hiện hai chức năng cơ bản là lượng tử hoá và mã hoá. Chuyển đổi tương tự - số thực hiện chức năng chuyển đổi thông tin dạng tương tự (thường là tín hiệu điện áp) sang dạng số (mã nhị phân). Mạch chuyển đổi tương tự - số có cấu trúc như Hình 1.21. Mạch ADC nhận tín hiệu tương tự dạng điện áp ở đầu vào và chuyển nó thành dạng số ở đầu ra. Độ rộng dữ liệu đầu ra có thể là 4, 8 bit, 12, 14 bit, Mạch ADC bao gồm bộ so sánh, logic điều khiển, thanh ghi điều khiển và mạch chuyển đổi số - tương tự DAC. - Mạch ADC thực hiện hai thao tác cơ bản là: lượng tử hoá và mã hoá Hình 1.21. Sơ đồ khối c ủa ADC - Lượng tử hoá là gán giá trị của tín hiệu tương tự - liên tục vào vùng các giá trị tương tự - rời rạc. Vùng giá trị này có nhiều mức, phụ thuộc chất lượng của ADC, mỗi mức tương tự - rời rạc cách nhau một khoảng lượng tử. - Mã hoá là gán một mã nhị phân cho từng giá trị tương tự - rời rạc đó. Bộ so sánh thực hiện chức năng lượng tử hoá, gán giá trị tương tự tại thời điểm lấy mẫu vào vùng các giá trị tương tự - rời rạc bằng cách liên tục sò sánh giá trị tương tự cần chuyển đổi với các giá trị tương tự được sinh ra trong quá trình chuyển đổi Khi hai giá trị này xấp 27
  28. xỉ nhau thì một tín hiệu được sinh ra báo hiệu quá trình lượng tử hoá đã xong. Logic điều khiển cho phép khởi động và báo kết thúc quá trình chuyển đổi. Thanh ghi điều khiển thực hiện chức năng mã hoá, tạo giá trị số trong quá trình chuyển đổi. Quá trình chuyển đổi từ tín hiệu dạng điện áp tương tự sang dạng số được tiến hành trong chu kỳ lấy mẫu - chuyển đổi. Chu kỳ này được bắt đầu bởi tín hiệu bắt đầu chuyển đổi SOC (Suất of Conversion) và quá trình chuyển đổi báo hiệu kết thúc bằng tín hiệu EOC (End of Conversion). Lấy mẫu là sự biến đổi tín hiệu analog liên tục theo thời gian xâu) thành các mẫu rời rạc xa(n.Ts) thứ tự theo thời gian với khoảng thời gian lấy mẫu cách đều nhau là Ts giây, được biểu diễn bằng: {fn }={f(nT) tại tn=nT, n = 0, ∝, Một chu kỳ lấy mẫu là Ts giây và khi đó Fs=1/Ts Hz là tần số lấy mẫu. Với mọi Ts ' nào đi chăng nữa thì tín hiệu nhận được sau khi lấy mẫu vẫn luôn luôn là tín hiệu. rời rạc. Để khôi phục lại tín hiệu xoá) từ các mẫu xn(n.Ts) thì nảy sinh ra điều kiện ràng buộc đối với cách lựa chọn giá trị Ts. Điều kiện này được phát biểu thành định lý lấy mẫu Shannon-someya, nó giới hạn quan hệ giữa thời gian lấy mẫu và những đặc tính của tín hiệu cần lấy mẫu. Khi chúng ta lấy mẫu 1 cách tự do sẽ xảy ra sự bóp méo với với tín hiệu lấy mẫu. Một tín hiệu tương tự xa(t) có giải tần số giới hạn từ 0 đến FmaxHz, tín hiệu xa(t) sẽ được khôi phục lại bằng cách sử dụng các giá trị lấy mẫu xa(n.Ts) tại mọi khoảng thời gian 1/2Fmax giây như sau: Trong đó x(n/2Fmax) là giá tri lấy mẫu của xa(t) tại t = n/2Fmax; n=-∞, , ,∞; Ts= 1/2Fmax là chu kỳ lấy theo yêu cầu, và Fs = 2Fmax là tần số lấy mẫu cho phép nhỏ nhất. Trong trường hợp sóng âm truyền qua đường dây điện thoại có giải tần số với Fmax = 4kHz thì chu kỳ lấy mẫu sẽ là Ts = 1/2*4000 giây (hay Ts=1/8mili giây). Định lý Shannon Phát biểu như sau: Một tín hiệu tương tự xa(t) có giải phổ hữu hạn với giới hạn trên là Fmax(Hz) (tức là phổ bằng 0 khi f nằm ngoài giải - Fmax Fmax). Ta sẽ chỉ có thể khôi phục lại xa(t) 28
  29. một cách chính xác từ các mẫu xa(n.Ts) nếu như. Fs > = 2 Fmax hay Ts < = 1/(2 Fmax) Định lý Shannon cho chúng ta giới hạn nhỏ nhất của tần số lấy mẫu tín hiệu tươngtự chuyển đổi thành tín hiệu số để sau đó khôi phục lại các tín hiệu gốc từ tín hiệu số mà không bị sai lệch. 1.5.2. Chuyển đổi AfD Chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu của ADC: - Độ phân giải của ADC biểu thị bằng số bit của tín hiệu số đầu ra. Số bộ càng nhiều thì sai số lượng tử càng nhỏ, độ chính xác càng cao. - Tốc độ chuyển đổi: Tốc độ biển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số. Chủ yếu phụ thuộc kiểu ADC. - Các thông số khác: Mức logic của tín hiệu số đầu ra, khả năng chịu tải, Hệ số nhiệt độ, công suất tiêu hao a. A/D xấp xỉ tiệm cận Đặc điểm: Tốc độ chuyển đổi nhanh - đến vài chục micro giây. Giá thành đắt từ vài chục (ADC0809 - 40.000) đến vài trăm nghìn (ADI220 200.000) - (1/2005). AD574 (650.000 - 1/2005) Nguyên lý: Hình 1.22. Nguyên lý làm việc của ADC xấp xỉ tiệm cận COM: Bộ so sánh DAC: Chuyển đổi số tương tự CLK: Xung đồng hồ điều khiển Trước khi thực hiện chuyển đổi, bộ nhớ phải xoá về 0. Bắt đầu chuyển đổi, xung 29
  30. đồng hồ lập bit MSB trong bộ nhớ ở mức 1, Số liệu ra của bộ nhớ là 1000 0. Tín hiệu số này được DAC chuyển đổi thành điện áp tương tự Vo để đưa vào so sánh với điện áp vào cần chuyển đổi Vi. Nếu V0>V1 thì tín hiệu số quá lớn, trong bộ nhớ xấp xỉ tiệm cận bit MSB bị xoá về 0. Nếu V0<V1: bit MSB vẫn giữ nguyên = 1. Tiếp theo cũng với phương pháp như trên xung đồng hồ lập bit có trọng số tiếp theo = 1. Sau khi so sánh logic mạch xác định giá trị 1 này có duy trì không hay chuyền thành 0. Cứ như vậy tiếp tục cho đến bit LSB thì xong. Kết thúc quá trình giá trị số trong bộ nhớ chính là giá trị chuyển đổi cần mong muốn. quá trình tương tự quá trình cân 1 vật bằng cân. Các quả cân được lựa chọn từ to đến bé. Mạch ADC xấp xỉ tiệm cận điển hình ADC0809: Quét động 8 kênh bằng logic địa chỉ. - Độ phân giải 8 bit - Tốc độ chuyển đổi 100μs Hình 1.23. Mạch điện ADC 0809 Bảng 1.4. Tổ hợp tín hiệu chọn đầu vào của ADC0809: Kênh C B A chọn 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 30
  31. 1 D 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 Nguyên tắc làm việc: Điện áp chuẩn so sánh đưa vào chân số 12. Xung dao động đồng hồ đưa vào chân số 10. Tổ hợp trạng thái của các chân A, B, C: xác định đầu vào nào trong tám đầu IN0 IN7. Khi có xung dương kích hoạt chân START (Nối với ALE) ADC bắt đầu làm việc. Trong thời gian chuyển đổi chân EOC đứng ở mức LOW sau khoảng 100μs (Nếu CLOCK = 640 KHz) sẽ chuyển sang HIGH báo hiệu kết thúc quá trình biển đổi. Khi chân ENABLE (pin 9) được đưa lên mức HIGH có thể đọc dữ liệu ra ở các chân dữ liệu. Hình 1.24 là sơ đồ của một cảm ghép nối có sử dụng ADC0809 qua khe cắm ISA của máy tính PC. Nếu cần loại ADC nhiều đầu vào hơn người ta có thể chọn ADC08 16 hoặc 0817 có độ phân giải 8 bit với 16 đầu vào. Thời gian chuyển đổi một kênh của ADC là 100μs với clock 640kHz. Hình 1.24. Ghép nối ADC0809 trên cam qua khe cắm ISA b. A/D tích phân 2 sườn dốc 31
  32. VD ICL7 109, ICL7 107, ICL7 135 Đặc điểm: Độ chính xác cao, ổn định(10-14 bit). Tốc độ chuyển đổi chậm (vài trăm miligiây). Nguyên lý: Nhắc lại mạch tích phân Hình 1.25. Mạch tích phân Từ điều kiện cân bằng tại nút 2 Ir = Ic ta có: UrO là điện áp trên tụ C khi trôi là hằng số tích phân xác định từ điều kiện ban đầu). Thường khi t=0 Uv=0 và Ur=0 nên ta có: Với T = RC là hằng số tích phân của mạch. Khi tín hiệu vào thay đổi từng nấc, tốc độ thay đổi của điện áp ra sẽ bằng: Nghĩa là ở đầu ra bộ tích phân sẽ có điện áp tăng (hay giảm tuyến tính theo thời gian). Đối với tín hiệu hình sin bộ tích phân sẽ là bộ lọc tần thấp, quay pha tín hiệu hình sin đi 900 và hệ số khuyếch đại của nó tỉ lệ nghịch với tần số. Theo Hình 1.26 khi mạch logic điều khiển khoá K ở vị trí 1 thì Ux (Điện áp tương tự cần chuyển đổi) nạp điện cho tụ điện C thông qua điện trở R. Trên đầu ra mạch tích phân A1 có điện áp: Giả thiết thời gian nạp cho tụ là tỉ ta có điện áp hạ trên tụ sau thời gian tỉ là: 32
  33. Hình 1.26. Mạch nguyên lý của ADC tích phân hai sườn dốc UCtl tỉ lệ với Ux Tuỳ theo Ux lơn hay bé, đặc tuyến U'c(t) có độ dốc khác nhau như trên hình đặc tuyến. Trong thời gian t1 bộ đếm Z0 cũng đếm các xung nhịp. Hết thời gian t1 khoá K được mạch logic điều khiển sang vị trí 2 đồng thời tín hiệu từ mạch logic cũng được đưa đến mạch "AND" làm cho mạch này thông đối với xung nhịp. Tại thời điểm này mạch đếm ở đầu ra bắt đầu đếm, đồng thời mạch đếm Z0 được mạch lo tục điều khiển về vị trí nghỉ. Khi K ở vị trí 2 điện áp chuẩn Uch có giá trị ngược với Ux bắt đầu nạp điện cho tụ C theo chiều ngược lại, phương trình nạp là: Sau một khoảng thời gian t2 thì Giả thiết rằng sau thời gian t2 thì U''c = U'c nghĩa là điện áp trên tụ Uc bằng 0, (1) và (2): Do đó số xung nhịp đếm được nhờ mạch đếm ở đầu ra trong khoảng thời gian t2 là: sau thời gian t2 mạch đếm ra bị ngắt vì Uc = 0 và mạch logic đóng cổng "và": Theo công thức này ta thấy số xung đếm đầu ra tỷ lệ với điện áp tương tự cần 33
  34. chuyển đổi. Kết quả đêm không phụ thuộc vào thông số của mạch, không phụ thuộc vào tần số xung nhịp fn. Theo phương pháp này ta đã làm cho điện áp Ux tỷ lệ với thời gian (t1, t2) rồi đem số xung nhịp xuất hiện trong khoảng thời gian đó. ADC làm việc theo nguyên lý này có độ chính xác cao nhưng tốc độ chuyển đổi chậm. Hình 1.27. Ghép nối ICL 7109 với 8255A Giới thiệu ADC tích phân 2 sườn dốc ICL7 1 09 Đặc tính: - Là loại ADC tích phân 2 sườn dốc 12 bits (Polarity and Over ranger). - Có các đầu ra 3 trạng thái tương thích TTL và kiểu UART cho giao diện song song hoặc nối tiếp đơn giản. - Đầu vào RUNfHOLD và đầu ra STATUS có thể sử dụng cho kiểm tra và điều khiển chuyển đổi. - Dùng thạch anh 3,58MHz để làm dao động có thể thực hiện 7,5 chuyển đổi /giây. Có thể dùng các phần tử R và C lắp thành bộ dao động. - Giới hạn nhiệt độ sử dụng từ -550C tới +1250C. - Năng lượng tiêu thụ rất nhỏ (dòng điện tiêu thụ khi làm việc 3 mA). - Điện áp cung cấp +5V, -5V. ADC 7109 có thể làm việc ở 2 chế độ: Phụ thuộc điện áp đưa vào chân 21 (MODE): - Khi pin 21 = low: Chế độ "Direct". - Khi pin 21 = hgh: Chế độ sử dụng UART with Handshake. Các công thức tính toán: 34
  35. • OSILATOR FREQUENCY: fOSC = 0,45/RC Cosc >50pF; Rosc >50kΩ fosc(Typ) = 60kHz or fosc(Typ) =3,58MHZ • OSILATOR PERIOD tosc = RC/0,45 tosc= 113,58MHz Crystal • INTEGRATION CLOCK FREQUENCY fclock = fosc(RC Mode) fctock: fosc/58 (Crystal) tclock = 1/FCLOCK • INTEGRAnoN PERIOD TINT = 2048XtCLOCK • 60/50 REIECTION CRITERION t/INT/t60HZ or t/INT/t60HZ: Integer • OPTIMUM INTEGRATION CURRENT IINT: iINT = 20μA • FULL SCALE ANALOG INPUT VOLTAGE VINFS Typically = 200mV or 2V • INTEGRATE RESISTOR RINT = v/NFS/ iINT • INTEGRATE CAPACITOR CINT = (tINT) (iINT)/ VINT • INTEGRATOR OUTPUT VOLTAGE SWING VINT = (tINT) (IINT)/ CINT • VINT MAXIMUM SWING (V-+0,5V) < VINT < (V+-0,5V) VINT(TYP): 2V • DISPLAY COUNT COUNT = 2048xV/IN/Vref 35
  36. • CONVERSION CYCLE tCYC: tclock x 8192 (In Free Run Mode, Run/HOLD: 1) When fclock = 60kHz tCYC = 133 ms • COMMON MODE INPUT VOLTAGE (v-+2,0V) < VIN < (v+-2,0V). • AUTO-ZERO CAPACITOR 0,01μF < CAZ< 1μF • REFERENCE CAPACITOR 0,1μF < CREF< lμF • VREF Biased between V+ and V- VREF - v+- 2,8VV Regulation lost when V= to V- < = 6,4V VREF is not used, float output pin • POWER SUPPLY: DUAL ± 5,0V V+ = +5V to GND V = -5V to GND TOTAL CONVERSION TIME = 8192 x tTLOCK (IN FREE RUN - MODE) 36
  37. Hình 1.28 Mạch test ICL 7109 7109 được cấp nguồn dương (GND to V+) +6.0V và nguồn âm (GND to V-) -9V. Trong sử dụng thường áp dụng các mức điện áp V+ = +5V và V- = -5V. Dao động tạo xung nhịp cho 7109 đưa vào hai chân 22 và 23 có tần số 3.5795MHz. Sử dụng chân chân 21 "mode" để đặt chế độ làm việc trực tiếp (direct) hoặc chế độ bắt tay (handshake) giao tiếp với truyền tin nối tiếp. Điện áp analog đầu vào giữa chân 34 và 35. Tín hiệu digital 12 bit gồm 8 bit thấp từ B1 đến B8 (các chân 16-9) và 4 bit cao (các chân từ 8-5). Hai bit phân cực POL chân 3 và quá thang OR chân 4. Trong chế độ direct: Sau khi CELOAD tác động ở mức thấp quá trình chuyển đổi sau 330miligiây. Bằng cách cho các chân BLEN và HBEN tác động chúng ta sẽ đọc được 8 bit thấp và 4 bit cao của dữ liệu. Do các cổng nối vào bus của các vi xử lý thế hệ cũ và các vi điều khiển thường chỉ là 8 bit nên có thể ghép qua hai cổng của vi mạch 8255 như Hình 1.29 hoặc ghép vào một cổng như Hình 1.27 Quá trình đọc dữ liệu dù theo sơ đồ nào cũng phải thực hiện hai lần, đọc vào hai biến sau đó được xử lý để thu được giá trị thực tế. 37
  38. Hình 1.29. Ghép nối ICL7109 với 8255 và vi xử lý • Giới thiệu ADC AD574 Thông số kỹ thuật của ADC 5 74: +Độ phân giải 12 bit + Có giao diện bus 8 bộ và 16 bit với các bộ vi xử lý + Làm việc tuyên tính trong khoảng nhiệt độ từ 00C đến + 700C (loại AD574A J, K, L và từ -550C trên +1250C (loại AD574A s, T, U). + Thời gian chuyển đổi 25μs + Tương thích (cả về chân) với ADC chuyển đổi tốc độ cao AD674B (15μs) AD774B (10μs) +Tiêu thụ năng lượng thttp: 390mW 38
  39. Hình 1.30. Cấu tạo AD5 74A + AD574A có một đầu vào tương tự và đầu ra số 12 bit, có bộ tạo chuẩn và bộ tạo xung nhịp sẵn bên trong. Đầu ra có bộ đệm 3 trạng thái để ghép trực tiếp vào kênh dữ liệu của bộ vi xử lý. AD574A được thiết kế với thành phần chính là hai chíp LSI gồm cả hai mạch tương tự và số, điều này tạo cho vi mạch có đặc tính linh hoạt và hiệu suất cao với năng lượng thấp nhất. Chíp thứ nhất là bộ chuyển đổi ADC 12 bit AD 565A hiệu suất cao và bộ tạo điện áp chuẩn. Nó còn có bộ chuyển mạch dòng đầu ra tốc độ cao và tập hợp điện trở màng mỏng được tinh chỉnh bằng laser. Chíp thứ hai sử dụng mạch LSI gồm thanh ghi xấp xỉ liên tục, bộ điều khiển logic, bộ đệm ba trạng thái, bộ tạo xung nhịp và bộ hiệu chỉnh đầu vào, bộ so sánh có độ trôi thấp. Xem hình 2.5. + AD 574A có thể ghép nối với một trong các bus 8,12 hoặc 16 bit của hệ vi xử lý không cần bộ đệm cổng hoặc các phần tử điều khiển. Cả 12 bit dữ liệu đầu ra có thể đọc một lần hoặc hai lần mỗi lần 8 bit (lần đầu 8 bit dữ liệu lần sau 4 bit dữ liệu và 4 bit zero). 39
  40. Hình 1.31. AD574A với AD585 Sample and Hold Hình 1.32. Tín hiệu đầu vào đơn cực Khởi tạo ADC theo bảng 1.5 40
  41. Bảng 1.5. Bảng sự thật của ADC574A CE CS R/C 12/8 Ao Operation 0 X X X X None X 1 X X X None 1 0 0 X 0 Initiate 12-Bit Conversion 1 0 0 X 1 Initiate 8 Bit Conversion 1 0 1 Pin 1 X Enable 12-Bit. Parallel Output 1 0 1 Pin 15 1 Enable 8 Mot Significant Bit 1 0 1 Pin 15 0 Enable 4 BSBs + 4 Trailing Zeroes Các tín hiệu CE, CS và R/C điều khiển chuyển đổi của bộ chuyển đổi. Trạng thái R/C khi cả CE và CS xác nhận bộ chuyển đổi đang đọc hay đang chuyển đổi. Khi đọc thì R/C = 1 còn khi chuyển đổi R/C = 0. Các đầu vào thanh ghi A0 và 1218 điều khiển dạng dữ liệu và độ dài chuyển đổi. Đường A0 thường nối với bit LSB của bus địa chỉ. Nếu việc chuyển đổi bắt đầu với A0 = 0 thì ở đầu ra sẽ nhận được đủ cả 12 bit. Nếu A0= 1 thì chuyển đổi 8 bit thấp. Trong quá trình thao tác đọc dữ liệu, giá trị A0 còn xác định bộ đệm 3 trạng thái chứa 8 MSB (với A0 = 0) hoặc 4 LSB (khi A0= 1). Chân 12/8 xác định dữ liệu đầu ra được xếp thành 2 word 8 bit (12/8 nối với chân DIG COM) hoặc một wond đơn 12 bit (chân 12/8 nối với vlogic). Chân 12/8 không tương thích với TTL nên phải ghim về DIG hoặc vlogic. Dạng thức 8 bit (khi A0: 1) chứa 4 LSB giá trị biến đổi kèm theo 4 bit zero. Cách tổ chức này cho phép các đường dữ liệu ra hoàn toàn trùng hợp và giao diện trực tiếp với bus 8 bit mà không cần bộ đệm 3 trạng thái. Tín hiệu đầu ra STS chỉ thị trạng thái của bộ chuyển đổi. Khi STS = 1 là lúc bắt đầu chuyển đổi và STS= 0 khi chuyển đổi xong. Đặc tính thời gian chuyển đổi cơ bản của AD574A Bảng 1.6. Thời gian chuyển đổi - các kiểu chuyển đổi Symbol Parameter Min Typ Max Units tDSC STS Delay from CE 100 tHEC CE Pulse Width 300 ns tSSC CS to CE Setup 300 ns tHSC CS Low During CE High 200 ns tSRC R C to CE Setup 250 ns tHRC R C Low During CE High 200 ns tSAC A0 to CE Setup 0 Ns tHAC A0 Valid During CE High 300 ns tC Conversion Time 8-Bit Cycle 10 24 μs 12-Bit Cycle 15 35 μs 41
  42. Khi thao tác chuyển đổi, chân R/C cần ở mức thấp trước lúc CE và CS xuất hiện. Nếu R/C = 1 và thao tác đọc dữ liệu xuất hiện đồng thời có thể tạch thành sự tranh chấp trong bus hệ thống. Có thể dùng CE hoặc CS để khởi tạo một chuyển đổi. Nếu sử dụng CS để kích hoạt chuyển đổi ADC hoặc không có thời gian thiết lập riêng thì phải kéo dài thời gian hiệu lực của các tín hiệu cần thiết (thời gian đảm bảo ít nhất là 200ns trong khi R/C, cE và CS có hiệu lực). Đầu CE có thời gian trễ nhỏ hơn chân CS nên điều khiển chuyển đổi nhanh hơn. • Giới thiệu ADC 7106/7107 Là loại ADC tích phân 2 sườn dốc: + một đầu vào, độ phân giải 31/2 digit, tiêu thụ năng lượng thấp + cos thể ghép trực tiếp LCD và LED 7 đoạn. Rất thuận tiện cho các ứng dụng cần có hiển thị trong công nghiệp. + nhiệt độ làm việc 00C đến 700C. + Điện áp cung cấp: ICL7106, V+ to V- 5V. ICL7107, V+ to GND 6V, V- to GND 9V C = 0.1μF C = 0.02μF 1 5 C2 = 0.47μF R1 = 24kΩ R4 = 1kΩ C3 = 0.22μF R2 = 47kΩ R5 = 1 MΩ C4 = 100pF R3 = 100kΩ Hình 1.33. Mạch thử ICL 7107 42
  43. Hình 1.34. Phần hiển thị số của ICL7107 Chính xác cao, nhiễu thấp và giá thành thấp. Chúng được sử dụng rất tốt cho các băng tần đến 1MHz như tiếng nói, âm thanh. 1.5.3. Chuyển đổi D/A Chuyển đổi số - tương tự DAC thực hiện chức năng chuyển đổi thông tin dạng mã số (mã nhị phân) sang dạng tương tự (dạng điện áp một chiều). DAC có cấu trúc tổng quát như sau: Hình 1.37. Chuyển đổi DAC Đầu vào của DAC là dữ liệu ở dạng mã số (mã nhị phân). Độ rộng của dữ liệu vào (tính bằng bia xác định độ chính xác của đầu ra tương tự. Độ rộng dữ liệu của đầu vào 8bit, 10 bit, 12 bit, 16 bit tương ứng với khoảng tín hiệu tương tự có mức lượng tử từ 256 mức, 1024, 4096, 65536 mức. 43
  44. Thanh ghi có chức năng chốt dữ liệu cần chuyển đổi. Mạch xác định trọng số, bao gồm bộ chuyển mạch tương tự và mạch điện trở, cùng tín hiệu điện áp chuẩn Vref sẽ tạo đầu ra điện áp hoặc dòng điện có mức tương ứng với giá trị của mã số ở đầu vào. Mạch khuyếch đại thuật toán (OA) có chức năng chuyển đổi dòng- áp cho đầu ra tương tự. • DAC loại cộng Hình 1.38. Nguyên lý DAC loại cộng Mức logic ở đầu ra của thanh ghi quyết định việc kết nối điện áp chuẩn Vref lên các điện trở trong mạch điện trở trọng số ở đầu vào của mạch khuyếch đại thuật toán. Mạch khuyếch đại thuật toán đóng vai trò một bộ cộng Mạch điện trở trọng số được tổ chức như sau: 1R = 20R ứng với MSB - bit có ý nghĩa lớn nhất 2R = 21R 4R = 22R 2n-1R ứng với LSB - bit có ý nghĩa nhỏ nhất Điện trở phản hồi trên mạch khuyếch đại thuật toán có trị số 112 R với bi = 0 nếu bit tương ứng là "0" 44
  45. bi = 1 nếu bit tương ứng là "1" Từ đây ta có điện áp đầu ra: V 1 1 1 1 V = − ref ( b + b + b + + b ) 0 2 20 n−1 21 n−2 23 n−3 2n−1 0 Mạch chuyển đổi DAC được tạo ra bằng cách mắc thang điện trở này với mạch khuyếch đại thuật toán OA qua hệ thống chuyển mạch K;. Với cách mắc này dòng điện I; và các dòng nhánh qua các chuyển mạch K; là cố định(Ii/2, Ii/4 ) và không phụ thuộc vào vị trí của chuyển mạch do cả hai vị trí của K; đều được nối đất thật hoặc là qua lối vào khuyếch đại thuật toán OA (đất giả). Các chuyển mạch Ki được điều khiển bằng các bit di. Khi di = 1 chuyển mạch được đóng sang bên phải; khi di=0 chuyển mạch được đóng sang bên trái. Trên hình vẽ giá trị của các bit d3d2d1d0 là 1101. Với dữ liệu đầu vào có độ rộng n mạch thang điện trở-chuyển mạch- khuyếch đại thuật toán cho điện áp đầu ra Ura: • Sơ đồ sử dụng ADC 0808 45
  46. Giá trị đầu vào số được đưa vào qua các chân từ số 5 đến chân số 12. Điện áp đầu ra Out tại chân số 4 được tính theo công thức: Mạch điện lấy mẫu và giữ mẫu: Khi sử dụng ADC để số hóa các tín hiệu tương tự việc thực hiện gồm lượng tử hóa và mã hóa. Trong pha đầu có quá trình lấy mẫu. Nếu sử dụng các ADC có tốc độ chuyển đổi thấp để thực hiện thì không đảm bảo điều kiện định lý shanon khi khôi phục tín hiệu. Để đảm bảo quá trình lấy mẫu đỡ bị mất mát thông tin người ta sử dụng các mạch lấy mẫu và giữ mẫu. Trong hình này transitor trường kênh N là chuyển mạch lấy mẫu. NẾU VL ở mức cao thì T thông tín hiệu vào VI nạp cho tụ điện Ch thông qua RI và T. Giả sử R1 = Rf dòng điện đầu vào khuyếch đại thuật toán bằng 0. Khi đó sau quá trình nạp điện thì V0 = - VI = VC. Nếu VL về mức thấp rồi thì T ngắt. Do đó điện áp VC trên Ch và V0 duy trì một thời gian. Thời gian duy trì này càng dài nếu Ch không rò và trở kháng vào bộ khuyếch đại thuật toán càng lớn. Nhược điểm là tốc độ lấy mẫu thấp do CI nạp qua RI và T; mà RI không thể quá nhỏ do ảnh hưởng đến trở kháng vào của mạch khuyếch đại thuật toán. Mạch cải tiến dùng trong vi mạch lấy mẫu và giữ mẫu LF 198 như sau: 46
  47. Hình 1.41. Vi mạch lấy mẫu và giữ mẫu LF198 A1, A2 là các bộ khuyếch đại thuật toán. S là chuyển ma ạch điện tử, L là mạch điều khiển S. Khi S nối A1 và A2 công tác ở chế độ bộ lặp (hệ số khuyếch đại = 1 nên V0 = V'0 = VI. Tụ điện bên ngoài CK mắc nối tiếp với R2 (=300) thông xuống đất sẽ Có điện áp bằng VI. Khi VL = 0, S ngắt điện áp trên tụ, do đó điện áp ra vẻ duy trì. VI có thể biến thiên đáng kể trước khi S được nối thông trở lại cho lần là mẫu kế tiếp do đó. V0 có thể biến thiên rất lớn làm hỏng chuyển mạch S. D1 và D2 dùng để bảo vệ quá áp này. Nếu V'0 quá chên so với V0 thì điốt sẽ thông giảm V'0 trong phạm vi VI + VD với và là điện áp rơi trên một. Còn khi S thông - lúc lấy mẫu thì V'0 = V0 D1 và D2 đều hở mạch, mạch bảo vệ không ảnh hưởng gì đến việc lấy mẫu. Sơ với sơ đồ trên thì điện trở RI đã được thay bằng mạch KĐTT A1 có điện trở nhỏ hơn nhiều nên khi nạp cho CK sẽ nhanh hơn. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Kiến trúc "hi-performance" trong máy tính PC giải quyết vấn đề gì? 2. Chipset là gì? 3. Hãy mô tả khái niệm tần số bus ở mức vật lý? 4. So sánh các đặc điểm kỹ thuật chính của mỗi loại ADC với nhau: tốc độ chuyển đổi, độ phân giải, khả năng giao tiếp với thiết bị khác? 5. Thiết kế mạch chuyển đổi dùng ADC thông dụng như ADC0809, ADC0804 có ghép với mạch lấy mẫu và giữ mẫu? 6. Thiết kế mạch chuyển đổi dùng ADC ICL7109, 7107 đo nhiệt độ dùng sensor LM335. 47
  48. Chương II Cấu trúc chung của 1 modul ghép nối 2.1. Mô hình tổng thể Hình 2.1. Sơ đồ khối một khối ghép nối Việc trao đổi thông tin, dữ liệu giữa thiết bị ngoài và hệ trung tâm (CPU+bộ nhớ) cơ bản là viết vào và đọc ra. Khi đưa ra thì dữ liệu được đưa qua các thanh ghi đệm viết. Khi đọc vào thì dữ liệu được đưa qua các thanh ghi đệm đọc. Các tín hiệu giải mã địa chỉ và điều khiển đọc viết được phối hợp giữa bộ giải mã và điều khiển logic cho phép thiết bị nào hoạt động. Khi dùng phương pháp polling có thể kiểm tra điều kiện đưa dữ liệu vào hoặc viết dữ liệu ra thông qua các thanh ghi trạng thái. Nếu vào ra dữ liệu dùng ngắt thì tín hiệu yêu cầu ngắt ngoài từ thiết bị ngoại vi, thông qua bộ xử lý ngắt tác động đến chân INTR của CPU. Nếu CPU chấp nhận ngắt nó phát tín hiệu INTA ra ngoài, ngắt được thực hiện, dữ liệu được viết vào / đọc ra bằng chương trình của chúng ta thay cho chương trình phục vụ ngắt ISR. Có thể thực hiện kỹ thuật DMA để vào/ra dữ liệu được sự giám sát của DMAC (trong sơ đồ này không mô tả). 48
  49. 2.2. Cấu trúc các khối 2.2.1. Khối giải mã địa chỉ - nhiệm vụ, cấu tạo - Mục đích của giải mã địa chỉ là để xác định được ô nhớ hay thiết bị ngoại vi mà CPU cần làm việc. - Khối giải mã địa chỉ có nhiều đầu vào chân địa chỉ có thể kết hợp một số tín hiệu điều khiển và có một hoặc nhiều đầu ra giải mã địa chỉ. - Tín hiệu đầu ra của bộ giải mã địa chỉ có thể là mức thấp (LOW) hoặc mức cao (HIGH) Hình 2.2 Bộ giải mã địa chỉ - Các vi mạch thường được sử dụng để xây dựng bộ giải mã địa chỉ là các vi mạch AND, OR, NOT, NAND ghép nối với nhau theo yêu cầu cụ thể. - Có thể sử dụng các mảng logic lập trình (GAL, PAL) để xây dựng các bộ giải mã địa chỉ. - Có thể sử dụng vi mạch giải mã nhiều đầu ra chẳng hạn như 74LS138 Hoạt động của 74LS138 Hình 2.3. Vi mạch 74LS138 49
  50. Hình 2.4. Dùng 74138 giải mã địa chỉ cho 3 vi mạch Vi mạch có 8 đầu ra giải mã tác động ở mức thấp từ Y0 đến Y7. Việc chọn dầu ra giải mã nào do tổ hơp tín hiệu các chân A, B, C. Để vi mạch hoạt động tín hiệu ở các chân G2A, G2B, G1 phải đảm bảo đồng thời như sau: G2A=0, G2B=0 và G1=1 Bảng 2.1. Tác động của vi mạch Input Outputs Enable Select GG2* C B A Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 X H X X X H H H H H H H H L X X X X H H H H H H H H H L L L L L H H H H H H H H L L L H H L H H H H H H H L L H L H H L H H H H H H L L H H H H H H H H H H H L H L L H H H H L H H H H L H L H H H H H H L H H H L H H L H H H H H H H H H L H H H H H H H H H H L *G2 = G2A + G2B H = High Level, L = Low Level, X = Don't Care Ví dụ sử dụng vi mạch 74138 giải mã cho 3 vi mạch ROM 2764, địa chỉ của ô nhớ đầu tiên là F0000h tức là 1111 0000 0000 0000 0000 50
  51. Có nhiều phương án để giải mã cho một yêu cầu cụ thể khi sử dụng 74138. 2.2.2. Khối đệm dữ liệu - nhiệm vụ, cấu tạo Là khối trung gian để chứa dữ liệu trước khi được chuyển vào hay chuyển ra khỏi hệ trung tâm. - Các vi mạch hay được sử dụng: + Đệm 1 chiều: 74244 Vi mạch là bộ đệm gồm 2 nửa 4 bit. Nửa thứ nhất gồm các b ít vào là 1A1, , 1A4 và đầu ra là 1Y1, , 1Y4. Nửa thứ hai là 2A1, , 2A4 và các đầu ra là 2Y1, , 2Y4. Cho phép nửa thứ nhất làm việc khi chân điều khiển 1G (chân số 1) ở mức thấp Cho phép nửa thứ hai làm việc khi chân điều khiển 2G (chân số 19) ở mức thấp Như vậy bằng cách điều khiển các chân 1 và 19 có thể điều khiển dữ liệu qua hai nửa 4 bit riêng biệt hoặc đồng thời. + Đệm 2 chiều: 74245 Đây là bộ đệm hai chiều 8 bit. Để dữ liệu qua được bộ đệm chân E (chân số 19) phải mức thấp. Chiều dữ liệu qua bộ đệm phụ thuộc vào mi logic của chân DIR (chân số 1). Khi DIR = 0 Các bit dữ liệu chỉ được phép từ B qua A.Khi DIR = 1 Các bit dữ liệu chỉ được phép từ A qua B. Hình 2.6. Vi mạch 74LS245 + Mạch chốt 74373 Vi mạc chốt có đầu ra 3 trạng thái (TRI- STATE). Để vi mạch làm việc được thì chân OE (chân số 1) phải ở mức thấp. Khi LE (chân số 1) phải ở mức thấp. Khi LE (chân số 11) phải ở mức cao dữ liệu tới các đầu Di được đưa qua Qi. Khi LE ở mức thấp dữ liệu được chốt giữ lại không đưa ra cho đến khi LE ở mức cao. Hình 2.7. Vi mạch 74LS373 51
  52. + Vi mạch dồn kênh 74LS257 Tám bit vào (các chân 2,3,5,6,10,11,13,14) đến vi mạch, chỉ có 4 đường ra (ly,2Y,3Y,4Y) được điều khiển qua làm 2 lần bằng giá trị chân A/B: Lần 1 chân này =0 các bít thấp (D0-D3) qua; lần 2 A/B =1 các bít cao (D4- D7) qua. Một ví dụ sử dụng vi mạch 74LS257 có thể xem trong trang 58. Hình 2.8. Vi mạch 74LS257 + Vi mạch chuyển mạch CD4051 Để vi mạch làm việc chân INH (chân số 6) ở mức thấp. Thay đổi tổ hợp A B C sẽ chọn được các đầu X0 đến X7. Đầu vào có thể là X, đầu ra là một trong các đầu Xi (tách kênh) hoặc đầu vào là một trong các đầu Xi đầu ra là X (dồn kênh). Hình 2.9. Vi mạch CD4051 + Thanh ghi dịch 74LS164 Bảng 2.2. Hoạt động của 74LS164 OPERATING INPUTS OUTPUTS MR A B Q0 Q1- Q7 Reset (Clear) L X X L L - L H L L L q0 - q6 H L h L q0 - q6 Shift H h l L q0 - q6 Hình 2.10. Vi mạch 74LS164 H h h H q0 - q6 Tín hiệu nối tiếp đưa vào A, B hoặc A và B. Các đầu ra song song Q0 đến Q7. Xung nhịp làm việc được đưa vào CLK. Sau mỗi xung CLK trạng thái của Qi lại được chuyển đến Qi+1 và đầu vào được chuyển đến Q0. Chân MR (chân số 9) là chân xoá các đầu ra Q;. Khi MR ở mức thấp các đầu ra song song được xoá về 0. 52
  53. Hình 2.11. Mạch điều khiển đèn sáng dần bằng 74LS164 Để hiểu sự làm việc của 74LS164 ta có thể xem sơ đồ hình Chân A và B nối với +5V qua điện trở 2.7K tương đương với đưa mức 1 vào A, B. Xung nhịp làm việc từ một bộ dao động khác đưa vào chân CLK. Khi bắt đầu làm việc các đầu Qi (Q0 đến Q7) ở mức thấp các đèn T0 đến T7 khoá nên các LED không sáng. - Khi có xung CLK đầu tiên mức 1 của A, B được đưa vào Q0. Đèn T0 mở → LED0 sáng. Trạng thái của Q0 được chuyển sang Q1, Q1 chuyển sang Q2, Các đèn T1 T7 vẫn khoá và các LED1 LED1 vẫn không sáng. - Khi có xung CLK thứ hai → đèn T0 mở trạng thái Q0 được chuyển sang Q1 → đèn T1 mở LED0, LED1sáng - - Sau xung thứ 8 đèn T7 mở, các đèn đều sáng. Trạng thái 1 của Q7 được đưa về MR làm cho các đầu Qi trở lại bằng 0 và lại bắt đầu một chu kỳ mới. + Vi mạch giải mã 74LS154 Vi mạch hoạt động khi G1 (chân số 18) và G2 (chân số 19) ở mức thấp. Tuỳ theo tổ hợp ABCD nào mà các đầu ra (từ chân 1 đến chân 17) sẽ được kích hoạt ở mức thấp. 53
  54. Giới thiệu mạch bảng chữ điện tử Quét hàng dùng 74154 Quét cột dùng 74164 2.2.3. Khối logic điều khiển thiết bị - nhiệm vụ, cấu tạo - Đảm bảo sự phối hợp hoạt động của các vi mạch trong thiết bị 1 cách đúng đắn để việc đưa dữ liệu vào/ra giữa hệ trung tâm và thiết bị ngoại vi thực hiện được. - Các tín hiệu điều khiển của khối này gồm: + WR: Điều khiển đọc + RD: Điều khiển viết + ALE: Xung cho phép chốt địa chỉ + IO/M: Phân biệt truy nhập bộ nhớ hay thiết bị ngoại vi + RESET: Tín hiệu khởi động lại CPU + AEN: Phân biệt kiểu vào ra dữ liệu AEN=1 Thực hiện DMA, AEN =0 vào ra qua CPU. Các ghép nối trong khối cần đảm bảo sao cho: + Khi tín hiệu giải mã địa chỉ đưa vào khối giải mã địa chỉ đúng thì các vi mạch đệm, cổng phải mở ra + Các tín hiệu điều khiển đọc/ viết của CPU phải nối vào các chân điều khiển đọc/viết của các vi mạch. RD đảm bảo chiều dữ liệu vào. WR đảm bảo chiều dữ liệu ra. Tín hiệu reset của CPU phải được nối vào các chân reset của các vi mạch cổng. + Dữ liệu thông qua vi mạch đệm nối vào bus dữ liệu của hệ thống. 2.3. Phần mềm điều khiển thiết bị 54
  55. - Dùng để điều khiển việc vào ra dữ liệu, được viết bằng các ngôn ngữ lập trình (C, C++, Pascal, delphi, VB, assembly, ) truy nhập qua các cổng điều khiển thiết bị. - Chương trình điều khiển thiết bị phải được viết tương ứng với phần cứng. Nếu phần mềm điều khiển của thiết bị này dùng cho thiết bị khác thì sẽ không thực hiện được việc điều khiển. Có hai loại phần mềm điều khiển: + Viết theo yêu cầu riêng, cụ thể với một phần cứng không thông dụng (Giống như "may đo"). Các phần mềm này không tích hợp được vào hệ điều hành. + Các driver là các chương trình điều khiển thiết bị được viết theo các qui chuẩn để có thể tích hợp vào các hệ điều hành. Các phần mềm điều khiển thiết bị, cụ thể được viết để chạy trên nền hệ điều hành nào đó đảm bảo việc vào ra dữ liệu cho 1 thiết bị phần cứng cụ thể. Các nhà cung cấp thiết bị rời như cam màn hình, cam âm thanh, các Ổ USB, modem, máy in, máy quét đã viết sẵn các driver cho mỗi loại thiết bị. Họ có thể bắt tay với nhà cung cấp hệ điều hành - như Microsoft chẳng hạn để thống nhất mã sản phẩm của mình VID (Vendor ID). Khi ghép thiết bị vào hệ thống, chương trình của hệ điều hành sẽ thông qua các mã này để phát hiện ra thiết bị nào của hãng nào được ghép vào hệ thống để khởi động driver tương ứng đã cung cấp cho nhà sản xuất hệ điều hành. Điều này giải thích việc các hệ điều hành của Microsoft gần đây như Windows 2000, XP tự động nhận biết được hầu hết các thiết bị ngoại vi thông dụng. - Một số giao diện không cho phép lập trình trực tiếp mà phải thông qua các hàm API như các giao diện PCI, USB. - Một số hệ điều hành không cho phép lập trình trực tiếp vào các địa chỉ cổng mà phải thông qua các hàm API như Windows XP. Các hệ điều hành mới như windows NT, 2000, XP không cho phép đọc viết trực tiếp các cổng. Để truy nhập cổng cần thông qua các hàm API hoặc qua các thư viện của từng ngôn ngữ lập trình trên windows. Trong chương tiếp theo có giới thiệu chi tiết sử dụng thư viện inoutport. du lập trình với VB truy nhập cổng song song của máy tính PC. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Hãy liệt kê các vi mạch đệm (1 chiều, 2 chiều), cách sử dụng mà bạn biết? 2. Một vi mạch đệm và một vi mạch chốt khác nhau cơ bản ở điểm nào? 3. Hãy liệt kê các vi mạch dồn/tách kênh, cách sử dụng? 4. Hãy liệt kê các vi mạch giải mã, cách sử dụng? 5. Hãy liệt kê các vi mạch thanh ghi dịch, cách sử dụng? 55
  56. 6. Dữ liệu từ trong bộ nhớ máy tính ra ngoài thiết bị ngoại vi và ngược lại có phải là liên tục không hay gián đoạn? Vai trò của khối logic với vấn đề này? 7. Tại sao hệ điều hành tại nhận diện được thiết bị ngoại vi của các hãng khác nhau? Hãy cho biết mã VID một số thiết bị trên máy tính của bạn: ổ cứng, bàn phím, cam mạng, ? 8. Xây dựng mạch quét sử dụng ROM và 74LS154 đê điều khiển dãy đèn 9. Tìm hiểu sử dụng Inpout32.dll? 56
  57. Chương III Thiết kế các ghép nối máy tính qua các giao diện 3.1. Ghép nối máy tính qua các giao diện 3.1.1. Ghép nối qua cổng song song a) Các thanh ghi của giao diện vào ra song song Đặc điểm: - Cùng 1 thời điểm truyền được 4, 8, 16, 32 bộ dữ liệu (Mỗi bit dữ liệu có 1 đường dẫn dữ liệu riêng). - Gửi nhanh, nhận nhanh. - Khoảng cách trao đổi thông tin ngắn do ảnh hưởng của điện dung ký sinh, do mức điện áp, do kinh tế. Điển hình trong máy tính đó là cổng song song (Cổng LPT - Line PrinTer port). Hiện nay trong máy tính PC sử dụng giao diện song song chuẩn Centronics do hãng Centronics thiết kế. Có 4 cổng song song với các địa chỉ 3BCh, 378h, 278h, 2BCh Khi máy tính mới bật lên, BIOS (Basic Input Output System) sẽ quyết định số hiệu địa chỉ cổng máy in song song. Đầu tiên nó sẽ tìm ở địa chỉ 3BCh nếu tìm thấy cổng song song ở đây thì cổng LPT1 sẽ là 3BCh. Sau đó BIOS tìm tiếp cổng song song ở địa chỉ 378h; nếu có đây sẽ là LPT2 Nhưng ở bước đầu nếu không thấy cổng song song ở 3BCh thì 378h sẽ là địa chỉ của cổng LPT1. Trên mainboard máy tính PC hiện nay do vấn đề giảm giá thành và do xuất hiện các giao diện vào/ra mới có nhiều tính năng ưu việt nên các nhà sản xuất chỉ chế tạo một cổng máy in song ghép với địa chỉ 378h. Các thanh ghi: Cổng máy in song song có 3 thanh ghi: - Thanh ghi địa chỉ cơ sở: 378h, 278h, 3BCh, 2BCh là thanh ghi dữ liệu (Data Register). Dữ liệu từ trong máy tính được đưa ra qua thanh ghi này. Có 1 số hãng cho phép có thể đưa dữ liệu vào máy tính qua thanh ghi này. Đó là cổng song song kiểu vào ra hai chiều (bi-directional mode). - Thanh ghi Địa chỉ cơ sở + 1: 379h, 279h, 3BDh, 2BDh có 5 bit vào máy tính Có thể sử dụng các bit vào này để kiểm tra trạng thái của các thiết bị ngoại vi hoặc đưa dữ liệu vào máy tính. - Thanh ghi địa chỉ cơ sở + 2: Thanh ghi điều khiển địa chỉ 37Ah, 27Ah 3BCh, 2 57
  58. BCh. Gồm 5 bit ra. Hình 3.1. Các thanh ghi của cổng máy in song song Giao diện song song trên các máy vi tính hiện nay thường được ghép với máy in ở địa chỉ 378h. Giao diện song song còn cho phép khả năng truyền nhận dữ liệu ra vào máy tính trong các ứng dụng đo lường và điều khiển bằng máy tính. Hình dáng bên ngoài của đầu nối cổng song song loại 25 chân trên hình vẽ - Nhìn vào máy tính, chân hình vuông là số 1. Hình 3.2. Đầu nối cổng máy in 25 chân trên máy tính Các chân như sau. (Thứ tự từ 1 - 25) STROBE: Lối ra (Output) (1) D0 Lối ra dữ liệu D0 (2) D1 Lối ra dữ liệu D1 (3) D2 Lối ra dữ liệu D2 (4) D3 Lối ra dữ liệu D3 (5) D4 Lối ra dữ liệu D4 (6) D5 Lối ra dữ liệu D5 (7) D6 Lối ra dữ liệu D6 (8) D7 Lối ra dữ liệu D7 (9) 58
  59. ACK Lối vào Input (10) BUSY Lối vào Máy in bận (11) PE Lối vào Hết giấy (12) SLCT Lối vào Select (Lựa chọn) (13) AF Lối ra Autofeed (Tự chọn) (14) ERROR Lối vào error (Lỗi) (15) INIT Lối ra Đặt lại máy in (16) SLCTIN Lối ra Select in (17) Các chân từ 18 đến 25 GND Nối đất Nếu bạn quan sát kỹ có thể thấy số hiệu các chân được in nổi trên đầu cắm nhựa. b) Điều khiển ra ngoài qua cổng song song - Đặc điểm: Công suất ra của các đường tín hiệu không lớn, nếu cần điều khiển công suất lớn cần ghép thêm các mạch phụ. - VD: Hãy khảo sát một mạch điện điều khiển qua cổng máy in song song đơn giản nhất như sau. Đây là mạch điện khoá dùng tranzixtor. Bình thường tranzixtor ở chế độ khoá, không có dòng colector(giống như công tắc ở vị trí ngắt điện), không có dòng chạy qua R2, qua LED nên đèn LED tắt. Khi ta đưa mức điện áp "1" vào R1 tranzixtor dẫn điện(giông như công tắc ở vị trí dẫn điện), dòng chạy qua R2, qua LED, sẽ làm đèn LED sáng. Muốn đèn tắt ta đưa Hình 3.3. Mạch điện đóng/mở LED tín hiệu mức "0" tới R1. • Chương trình điều khiển LED có thể viết bằng Pascal Muốn đưa 1 giá trị ra cổng ta dùng port[$địa chỉ cổng]:= giá trị; Muốn đọc giá trị của cổng vào 1 biến ta dùng biến:=port[$địa chỉ cổng]; • Nếu sử dụng ngôn ngữ C: 59
  60. Để đưa 1 byte ra cổng có thể dùng outportb(Địa chỉ cổng, giá trị); VD: outportb(0x378,0x80) hoặc để đưa 1 word ra cổng dùng outport(Địa chỉ cổng, giá trị); Muốn đọc cổng có thể dùng biến = inportb(Địa chỉ cổng); hoặc biến = inport(Địa chỉ cổng) VD: val = inportb(Ox3F8); • Nếu dùng hợp ngữ, để đưa 1 giá trị ra 1 cổng: mov dx, cổng mov ai, giá trị out dx, al Để đọc cổng mov dx,cổng in al, dx mov biến, al Frogram controlLED; uses crt; const n=500; begin clrscr; Write (' Chuong trinh dieu khien đen LED '); repeat port [$378]:= port [$378] or $01; {chân điều khiển nối với D0} delay (n); port [$378]:=$00; delay (n); until keypressed; port [$378]:=$00 end. 60
  61. Lập trình trên Windows: Nếu viết các chương trình điều khiển bằng Pascal, C trên DOS hoặc hợp ngữ như trên thì chương trình điều khiển của chúng ta chỉ chạy được trên Windows 9X, còn trên Windows NT, 2000, XP thì không chạy được vì các hệ điều hành này không cho phép đọc viết trực tiếp các cổng. Có thể viết chương trình thực hiện truy xuất dữ liệu qua cổng song song chạy trên các hệ điều hành windows bằng cách sử dụng thư viện liên kết động Inpout32.dll của tác giả Jan Axelson ( Thư viện này có một số đặc điểm như sau: + Làm việc với các phiên bản windows (WIN 98, NT, 200 and XP) + Sử dụng phương pháp điều khiển được nhúng trong dự + Không yêu cầu phần mềm hoặc điều khiển thiết bị đặc biệt nào đi kèm + Các hàm điều khiển sẽ được tự động cài đặt và cấu hình khi dò được nạp vào + Không sử dụng hàm API nào đi kèm mà chỉ sử dụng hai hàm Inp32 và Out32 + Dễ dàng sử dụng với VC++ và VB Sơ đồ làm việc như Hình 3.4 Hình 3.4. Hoạt động của Inpout32.dll Có hai khối xây dựng sẵn quan trọng của DLL: 61
  62. 1) Một điều khiển thiết bị kiểu nhân được nhúng trong DLL ở dạng nhị phân được thông qua Hwinterface. sys cho phép gọi 3 hàm 'DriverEntry', 'hwinterfaceunload', 'hwinterface Device Control' thực hiện nạp gỡ điều khiển thiết bị và liên kết với Deviceiocontrol API thực hiện đọc viết tuỳ theo mã chương trình sử dụng. 2) Bản thân DLL: Các hàm trong Inpout32.dll được thực hiện trong hai file "inpout32drv.cpp" và "osversion.cpp", osversion.cpp kiểm tra phiên bản của hệ điều hành còn "inpout32drv.cpp" thì cài đặt điều khiển thiết bị kiểu nhân (đã nói trên), nạp nó, thực hiện đọc/viết qua cổng song song Hai hàm chính thực hiện là: 1) 'Inp32', đọc dữ liệu từ thanh ghi cổng song song. Cú pháp: OutPortAddress, ValueToWrite Ví dụ: Out &h378, &h55 2) 'Out32', viết dữ liệu vào thanh ghi cổng song song. Cú pháp: ValueRead = Inp(PortAddress) Ví dụ: ValueRead = Inp(&h378) Ngoài ra còn một số hàm khác có thể thực hiện trong Inpout32.dll như: 1) 'DllMain', được gọi khi dò được nạp hay gỡ, khi dò được nạp nó kiểm tra hệ điều hành và nạp nếu cần thiết. 2) 'Closedriver', đóng các điều khiển thiết bị đã mở trước khi gỡ điều khiển thiết bị (driver). 3) 'Opendriver', mở một liên kết tới điều khiển thiết bị hwinterface. 4) 'inst', lấy ra 'hwinterface.sys' từ dạng nhị phân đưa tới thư mục 'systemroot\drivers' và tạo một dịch vụ. Hàm này được gọi khi hàm 'Opendriver' thực hiện không thành công. 5) 'start', khởi động dịch vụ hwinterface sử dụng Control Manager APIS. 6) 'Systemversion' Kiểm tra phiên bản hệ điều hành và trả về mã thích hợp. Có thể dowload do này và mã nguồn từ trang web http:"www.logix4u.nét/ sau đó thực hiện theo hướng dẫn của tác giả để sử dụng. Trên đây chúng ta đã đề cập đến việc điều khiển ra ngoài qua công máy in với 8 bit. Để tăng số bộ điều khiển ra có thể kết hợp sử dụng các vi mạch giải mã, chuyển kênh như 4051, 74154 Sơ đồ sử dụng 74154 cho phép điều khiển ra ngoài 64 bit qua cổng máy in song song như hình 3.5: 62
  63. Hình 3.5. Điệu khiến 64 tin qua công máy in Điều khiển anh LED 7segment qua cổng máy in Hình 3.6. Dùng vi mạch giải mã BCD- 7seg hiển thị tĩnh đèn 7 đoạn Chân A của 7447 được nối với D0 của 378h Chân B của 7447 được nối với D1 của 378h Chân C của 7447 được nối với D2 của 378h Chân D của 7447 được nối với D3 của 378h Các số hiển thị từ 0 đến 9 được đổi ra số BCD rồi đưa vào ABCD Muốn hiển thị số 0 đưa vào 0000 các thanh a, b, c, d, e, f sẽ sáng Muốn hiển thị số 1 đưa vào 0001 các thanh b, c sẽ sáng 63
  64. Muốn hiển thị số 9 đưa vào 1001 các thanh a, b, c, f, g sẽ sáng. Theo cách này với 8 bít của cổng 378h có thể hiển thị hai LED. Nếu sử dụng thêm các mạch phụ có thể tăng thêm số bộ điều khiển qua cổng 378h. Chẳng hạn có thể sử dụng thêm mạch dồn kênh, 8255A Tuy nhiên việc điều khiển cũng vẫn bị hạn chế. Để tăng số LED điều khiển được ta có thể sử dụng sơ đồ sau, về mặt lý thuyết có thể điều khiển được số LED không hạn chế theo phương pháp hiển thị ảnh và dữ liệu truyền cho các LED nối tiếp qua 1 bít của cổng LPT. Hoạt động của mạch điện như sau: Để 5 đèn LED sáng sử dụng 5 vi mạch 7447 và 3 vi mạch 74164. Các số cần hiển thị ra các đèn LED 7 đoạn được đổi ra số BCD sau đó được truyền nối tiếp qua các bít Dl của cổng máy in đến vi mạch 74164 và vi mạch 7447 rồi mới tới đèn LED. Vi mạch 74164 là thanh ghi dịch nên sau khi đưa từng bít vào chân A,B tiếp theo đưa xung CLK =1 (Qua bit D0 của 378h) vào chân CP, các bít dữ liệu đầu vào sẽ được đưa vào thanh ghi dịch và được dịch dần sang phải, mỗi xung clock dịch một bit. Như vậy thì số. cuối cùng của dãy số cần hiện sẽ được hiển thị ở đèn LED đầu tiên sau đó cứ dịch dần đến đèn LED cuối cùng. Khi các bít được đưa ra hết thì các đèn sẽ hiện các con số theo yêu cầu. Hình 3.7. Hiển thị nhiều LED bằng 2 bit điều khiển Điều khiển hiển thị động LED 7segment qua cổng máy in. Khi sử dụng hiển thị tĩnh dòng điện tiêu thụ để đất LED rất lớn do các LED sáng liên tục. Để giảm dòng điện sử dụng, tăng số LED điều khiển có thể dùng phương pháp hiển thị động như sơ đồ sau: 64
  65. Hình 3.8. Hiển thị động 3 đèn LED 7 đoạn Thực hiện: Các LED không được cấp nguồn sáng liên tục mà được cấp sáng 60 lần/giây. Do tính lưu ảnh trên võng mạc của người mà ta có cảm giác các đèn sáng liên tục không nhấp nháy trong khi năng lượng tiêu thụ cho đèn giảm đi rất nhiều. Các bit Do đến D3 vào 4 đầu 7447 hiển thị các số từ 0 đến 9. Các bit D4, D4, D6 sẽ cho đèn nào thông → đèn 7 đoạn đó sẽ sáng VD cần hiển thị số 178. Thuật toán điều khiển như sau: B1: + Cổng 378h nhận giá trị 0001 0001 - (Các đèn đều có thể sáng số 1 nhưng chỉ đèn 1 có thể sáng). + Trễ 2ms B2: + Cổng 378h nhận giá trị 0010 0111 - (Các đèn đều có thể sáng số 7 nhưng chỉ đèn 2 có thể sáng). + Trễ2ms + Cổng 378h nhận giá trị 0100 1000 - (Các đèn đều có thể sáng số 8 nhưng chỉ đèn 3 có thể sáng). + Trễ 2ms Việc này lặp 60 lần / giây Với bit D7 ta có thể mắc thêm 1 đèn 7 đoạn nữa Điều khiển LCD: Ví dụ này được áp dụng cho tất cả các loại cổng máy in song song dù có phải là loại Bi-direct hay không. LCD được ghép vào cổng song song là loại LCD hai đường 16 ký tự 65
  66. rất thông dụng có thể mua trên thị trường với giá khoảng 70 nghìn VNĐ (1-2007). Hình 3.9. Mạch điện LCD ghép với cổng máy in song song Các chân Enable (chân E số 6) và chân Register Select (chân RS số 4) được nối với bit STROUBE và Select Printer của thanh ghi điều khiển. Thanh ghi này có đầu ra open collector / open drain output. Hầu hết các các cổng song song đều có các điện trở kẻo lên ở bên trong, một số thì không có. Vì vậy nếu thêm vào một điện trở kẻo lên lớn sẽ làm mạch có thể dùng cho nhiều thể loại máy tính khác nhau. Chân 5 của LCD được nối đất để nó chỉ làm việc ở mo de hiển thị Điều chỉnh độ tương phản của LCD bằng chiết áp LCD nối các chân 1, 2, 3. Nguồn cung cấp là +5V, chú ý cho thêm tụ lọc. LCD hai đường 16 ký tự có thể sử dụng loại thông dụng HD44780. Mã nguồn của chương trình điều khiển: Programming - Source Code /* LCD Module Software */ /* l7th May 1997 */ /* Copyright 1997 Cung Peacock */ /* WWW - http: //www.senet.com.au/cpeacock*/ /* Email - cpeacock@senet.com.au*/ /* */ /* Register Select must be connected to Select 66
  67. Printer (PIN 17) * / /* Enable must be connected to Strobe (PINI) */ /* DATA 0: 7 Connected to DATA 0: 7 * / #include # include #define PORTADDRESS 0x378/*Enter Your Port Address Here */ #define DATA PORTADDRESS+0 #define STATUS PORTADDRESS+1 #define CONTROL PORTADDRESS+2 void main (void) { char string [ ] = { "Testing 1, 2, 3 " "It' Works ! " char init [10]; int count; int len; init [0]: 0x0F; /* Init Display */ init [1] = 0x01; / * Clear Display * / init [2] = 0x38t;/* Dual Line / 8 Bits */ outportb (CONTROL, inportb (CONTROL) & 0XDF); /* Reset Control Port - Make sure Forward Direction */ outportb (CONTROL, inportb (CONTROL) | 0x08); /* Set Select Printer (Register Select) */ for (count: 0; count <= 2; count ++) { outportb (DATA, init [count]); outportb (CONTROL, inportb (CONTROL) | 0x01); /* Set Strobe (Enable) */ delay (20); 67
  68. /* Larger Delay for INIT */ outportb (CONTROL, inportb (CONTROL) & 0xFE), /* Reset Strobe (Enable) */ delay (20); /* Larger Delay for INIT */ outportb (CONTROL, inportb (CONTROL) & 0xF 7); /* Reset Select Printer (Register Select) */ len = strlen (string); for (count = 0; count < lent; count++) { outportb (DATA, string [count]); outportb (CONTROL, inportb (CONTROL) | 0x01); /* Set Strobe */ delay (2); outportb (CONTROL, inportb (CONTROL) & 0xFE); /* Reset Strobe */ delay (2); Chương trình trên được viết bằng Borland C, nếu muốn sử dụng bộ dịch của Microsoft thì thay outportb() bằng outp() và inportb() bằng inp(). Vòng lặp đầu tiên thực hiện bật và khởi tạo LCD. Các lệnh này gửi tới thanh ghi lệnh (Instruction Register) của LCD được điều khiển bởi chân lựa chọn thanh ghi (chân 4). Khi chân 4 ở mức thấp thanh ghi lệnh được chọn, khi nó ở mức cao thanh ghi dữ liệu được chọn. Đường Select Printer của cổng máy in song song có mạch đảo nên khi ta viết '1' tới bit 3 thì đường Select Printer ở mức thấp. Câu lệnh: outportb (CONTROL, inportb (CONTROL) 10 x 08); sẽ 1àm set bit 3 và không thay đổi các bit khác. Sau khi đặt một byte dữ liệu vào các chân dữ liệu phải ra lệnh cho modul LCD đọc dữ liệu. Để làm việc này sử dụng chân Enable. Dữ liệu được đưa vào module LCD trong mức cao hoặc mức thấp. Chân Strobe cũng có mạch đảo vì vậy sét bit 0 của thanh ghi điều khiển (Control Register) chúng ta nhận được đường Strobe ra mức thấp. Sau khi đợi một khoảng thời gian trễ dường này trở lại mức cao cho byte tiếp theo. Sau khi khởi tạo modul LCD chúng ta muốn gửi text tới nó. Các ký tự được gửi tới cổng dữ liệu (Data Port) của LCD, vì vậy chúng ta muốn xoá bit 3. Một lần nữa chúng ta lại phải thay đổi một bit sử dụng câu lệnh outportb (CONTROL, inportb(CONTROL) & 68
  69. 0xF7);. khi đó chúng ta thiết lập một vòng lặp for khác đọc một byte từ chuỗi và gửi nó tới LCD. Việc này lặp với độ dài của chuỗi. Sự trễ phù hợp với các máy phổ biến nhất. Nếu các LCD không được khởi tạo tương thích thì cần tăng trễ lên, tương tự như vậy nếu panel là các ký tự bỏ cách ví dụ Tst hoặc bị lặp ký tự như TTTeessttiinngg là chúng ta có thể có lỗi kết nối Enable và cần kiểm tra lại Enable và Strobe. • Điều khiển motor bước qua cổng máy in. Động cơ bước là động cơ khi chuyển động dịch chuyển từng bước một. Mỗi bước có thể 0.90, 1.80, 3.60 tuỳ loại động cơ. Động cơ bước có thể hai pha, bốn pha hoặc nhiều pha. Đông cơ bước thực chất là một động cơ không đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rô to và có khả năng cố định rô to vào những vị trí cần thiết. Ta có thể dùng 4 bit của thanh ghi 378h cổng máy in kết hợp với mạch công suất để điều khiển để điều khiển một động cơ bước 4 pha như sơ đồ hình 3.10 như các bit D0, D1, D2, D3 được nối vào các đầu vào điều khiển của mạch công suất. VI ạch điện cho phép thực hiện điều khiển động cơ theo các phương pháp : + Cả bước + Nửa bước + Vi bước Việc kích các cuộn dây có thể lcuộn, 2 cuộn Bảng 3.1. Tín hiệu kích các cuộn dây Kích 1 pha Kích 2 pha Kích 1 - 2 pha D1 D2 D3 D0 D1 D2 D3 D0 D1 D2 D3 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 69
  70. Hình 3.10. Mạch điện điều khiển mô tơ bước 4 cuộn dây • Ðiều khiển một mạch DAC qua cổng máy in Xem Hình 1.40 • Ghép 8255 với cổng máy in song song Hình 3.11. Ghép 8255A với cổng máy in • Dữ liệu được đưa từ máy tính sang máy in trong quá trình in: c) Đưa dữ liệu vào máy vi tính qua cổng song song 70
  71. - Thanh ghi dữ liệu của cổng máy in song song Hình 3.12. Đưa dữ liệu số vào máy tính qua thanh ghi 379h của cổng máy in Một số cổng máy in sử dụng giao diện bi-direct cho phép truyền dữ liệu 8bit qua thanh ghi dữ liệu theo hai hướng. Với loại này, để cho phép nhận dữ liệu vào qua địa chỉ cơ sở người ta phải thiết lập bit D5 (hoặc có thể D6 - hoặc cả hai) [] lên mức cao. Nói chung trong thực tế các hãng sản xuất mainhoard không phải khi nào cũng chế tạo giao diện song song Centronics kiểu bi-direct. Theo một số báo cáo thực nghiệm [3] cho thấy khi thiết lập bit D6 rồi thì cổng 378h chỉ vào được 4 bit thấp thậm chí một số trường hợp không tác dụng gì. (Xem thêm các sơ đồ ghép nối 8255A, ADC 7109, 8254, với cổng song song trong các tài liệu tham khảo). 3.1.2. Ghép nối qua cổng nối tiếp a) Giao diện RS232, 485 • Giao diện RS-232: Chuẩn RS 232 là giao diện phổ biến do EIA (Electro Industrie American) đưa ra từ năm 1969. Do tính thuận tiện của nó nên hầu hết các thiết bị khi cần 1 giao diện ghép nối máy tính người ta hay sử dụng RS232, nó có mặt trong rất nhiều thiết bị. - Truyền tin nối tiếp: Trong kiểu truyền tin nối tiếp, dữ liệu vào/ra máy tính theo từng bit. (Giải thích "truyền"). - Truyền tin nối tiếp có 2 kiểu: đồng bộ và không đồng bộ - Chuẩn cơ khí: Dùng 2 loại DB9 và DB29 Ma le và Female Hình 3.13. Đầu nối cơ khí DB25 và DB9 71
  72. Bảng 3.2. Chức năng các chân tín hiệu giao diện nối tiếp DB9 DB25 Chức năng 1 8 DCD- Data Carrier Detect Lối vào 2 3 RxD - Receive Data Lối vào 3 2 TxD - Transmit Data Lối ra 4 20 DTR - Data Temlinal Ready Lối ra 5 7 GND - Nối đất 6 6 DSR - Data Sét Ready Lối vào 7 4 RTS - Request to Send Lối ra 8 5 CTS - Clear to Send Lối vào 9 22 RI - Ring Indicator Lối vào - Mức tín hiệu logic nằm trong khoảng - 12V đến + 12V Mức 1: -3 V đến - 12V Mức 0: Từ +3V đến + 12V - Tốc độ truyền: 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19.200. Thường dùng nhất là 4800 và 9600 baud. Với tín hiệu có hai mức 0 và 1 một baud = 1bit/giây. - Khi không có thiết bị phụ trợ thì khoảng cách truyền an toàn qua RS 232 giữa 2 thiết bị chỉ từ 15-20m mặc dù về lý thuyết cho phép truyền đến 100feet. • Giao diện RS-422 - Giao diện truyền tin nối tiếp RS-422 có tốc độ cao hơn: đến 10Mbit/giây và khoảng cách truyền lớn hơn: Đến 1200m. Mức logic không tính theo sự thay đổi mức điện áp tín hiệu so với mass mà tính theo điện áp vi sai giữa hai dây dẫn. Bộ đệm đường dẫn của RS-422 tạo ra một điện áp vi sai khoảng 5V truyền qua hai dây xoắn. Bộ phối hợp mức bên nhận sẽ đo điện áp vi sai để phân biệt hai mức "1" và "0". Hình 3.14. Tín hiệu của chuẩn RS 422 - Trong chuẩn RS-422 một cặp tín hiệu được sử dụng để truyền dữ liệu chứ không 72
  73. phải 1 tín hiệu. Cặp này là: + Tín hiệu không đảo A + Tín hiệu đảo B Chênh lệch điện áp giữa A và B trong khoảng 2V đến 6V. Khi A âm so với B có mức "1". Khi A dương so với B có mức "0". • Giao diện RS-423A Sử dụng điện áp không đối xứng. Tiêu chuẩn chỉ dùng một đường dẫn để truyền, giống như trong RS-232. Tuy vậy các thông số đã được cải tiến để có tốc độ truyền cao hơn, độ dài truyền xa hơn. Giá trị mức điện áp từ 0-6V: 0V: mức "1"; 6V: mức "0". Điện áo tín hiệu so với mass • Giao diện RS – 485: Là sự mở rộng của RS-422. Tuy nhiên có sự cải tiến: cùng độ dài đường truyền và tốc độ tiêu chuẩn, ghép nối này cho phép nhiều hơn hai thành viên tham gia (có thể tới 32 thành viên tham gia) Mức "1" chênh lệch điện áp vi sai: - 1.5V đến -6V Mức "0" chênh lệch điện áp vi sai: +1.5V đến +6V Tốc độ truyền đến 10MBaud • Bộ ghép nối RS232- RS485 Hình 3.16. Chuyển đổi RS232-RS485 Phối hợp hai chiều 73
  74. Hình 3.17. Phối hợp 2 chiều RS232-RS485 Sử dụng chuẩn 485 có thể ghép thành bus Hình 3.18. Thiết bị ghép vào bus RS485 b) Vào ra dữ liệu bằng Polling-truyền tin qua cổng nối tiếp • Các thanh ghi UART8250: Tốc độ truyền tính qua cổng truyền tin nối tiếp điều khiển được nhờ vào việc chọn xung đồng hồ vào X tall và việc chọn số chia của tần số này (Để tại thanh ghi LSB và MSB). Ví dụ nếu ta dùng tần số đồng hồ 1.8432 MHz tại X tall ta muốn tốc độ phát là 9600 baud ta tìm số chia để ghi vào LSB và MSB như sau: Số chia = Tần số vàm(Tốc độ phát x 16) = 1.8432. 106/(9600*16) = 12 Vi mạch có 8 thanh ghi-trong đó thanh ghi địa chỉ cơ sở tuỳ theo giá trị của bit DLAB thịt D7 của thanh ghi điều khiển đường truyền) có thể làm chức năng đệm thu, đệm phát hoặc là thanh ghi cho phép tạo yêu cầu ngắt, thanh ghi số chia phần thấp như trong bảng sau: Bảng 3.3. Các thanh ghi cổng truyền tin nối tiếp DLA A2 A1 A0 Chọn ra 0 0 0 0 Thanh ghi đệm thu, Thanh ghi giữ phát(XF8) 0 0 0 1 Thanh ghi cho phép tạo yêu cầu ngắt (IER) XF9 74
  75. 1 0 0 0 Thanh ghi cho số chia phần thấp(LSB) 1 0 0 1 Thanh ghi cho số chia phần cao(MSB) x 0 1 0 Thanh ghi nhận dạng nguồn gốc yêu cầu ngắt x 0 1 1 Thanh ghi điều khiển đường dây (LSR - XFB) x 1 0 0 Thanh ghi điều khiển modem (MCR) x 1 0 1 Thanh ghi trạng thái đường dây (LSR XFD) x 1 1 0 Thanh ghi trạng thái modem x 1 1 1 Thanh ghi nháp dành cho CPU ít sử dụng Trong các ứng dụng thu phát thông thường, sử dụng Topology Point - To - Point Nghe Modem sử dụng 3 dây các thanh ghi được sử dụng là: - Thanh ghi địa chỉ cơ sở XF8 - Thanh ghi LSR địa chỉ XFD Ta sẽ giới thiệu 2 thanh ghi này • Thanh ghi địa chỉ cơ sở là thanh ghi tại đây ta có thể nhận 1 dữ liệu đến từ 1 hệ vi xử lý(máy tính) khác hoặc phát đi 1 dữ liệu. Vùng đệm có độ lớn 1 byte. Đây là vùng đệm kép, bao gồm đệm giữ và đệm phát: Trong khi 1 ký tự đang được truyền đi ở đệm phát thì 1 ký tự khác có thể được đưa từ CPU sang đệm giữ. Trong máy tính PC có 4 cổng truyền tin nối tiếp. Địa chỉ cơ sở của các cổng như sau: - COM1: 3F8-3FFh dùng IRQ4 - COM2: 2F8-2FFh dùng IRQ3 - COM3: 3E8-3EFh dùng IRQ4 - COM4: 2E8-2EFh dùng IRQ3 Trong các Mainboard thường chỉ có sẵn 2 cổng COM1 và COM2. Muốn sử dụng COM3 và COM4 ta phải cắm thêm 1 cam phối ghép I/O ngoài. Thanh ghi trạng thái đường truyền LSR (Line Status Register): có địa chỉ = Địa chỉ cơ sở +5. Dạng thức của thanh ghi D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D0: RXDR: Receiver dâm ready: = 1 đã nhận được 1 dữ liệu và để nó trong thanh ghi đệm thu RBR. bit này bị xoá 75
  76. khi CPU đọc dữ liệu ở RBR. D1: OR - Lỗi do thu đè D2: PE – Lỗi Parity D3: FE – Lỗi khung D4: BI - Có sự gián đoạn trong khi truyền D5: THRE: Transmitter holding register empty (Thanh ghi phát rỗng) = 1 khi ký tự đã được chuyển từ THR sang TSR bit này bị xoá khi CPU đưa ký tự tới thanh ghi THR. D6: TSRE - Thanh ghi dịch phát rỗng. D7 luôn bằng 0. Việc truyền tin qua các cổng nối tiếp của máy tính PC được tiến hành theo các bước sau: - Init các cổng: Tên cổng truyền (nhận), tốc độ phát (thu), khuôn dạng gói tin. - Test thanh ghi LSR với các bit trạng thái tương ứng để quyết định gửi, nhận dữ liệu theo 1 giao thức nào đó. Ví dụ: 1 đoạn chương trình khởi đầu cho COM2: mov al, 80h mov dx, 2fbh out dx, al mov al, 24; tốc độ 4800 mov dx, 2f8h out dx, al mov al, 0 mov dx, 2f9h out dx, al mov al, lah; từ khuôn dạng dữ liệu: Parity chẵn, 1 bit stop, 7 bit mã mov dx, 2fb out dx, al Nếu dùng Pascal: 76
  77. (* chuong trinh doi thu ky tu tu 1 PC khac den 11/14/2000*) uses crt, dos; var kytu: byte; i,j : longint; BEGIN port [$3fb]: =$80; port [$3f8]: =12; port [$3f9]: =0; port [$3fb]: =2; i =1; j: =0; Repeat clrscr; port [$3fd]:= port [$3fd] and $01; if port [$3fd] <>$01 then { DOI THU } begin gotoxy (30,12); writeln (' Dang doi thu tin hieu '); delay(50); end else THU KY TU} begin kyt u::port [$3f 8 ]; writeln ('Ky tu nhan duoc: ', chr (kytu), ' So ky tu thu duoc: ',); delay (10); {port [$3f8]:=$5; } i =i+l; end; { PHAT TRA LAI } asm @ 1: mov dx, 03 fdh in al, dx and al, 20h cmp al, 20h je @2 77
  78. jmp @1 @ 2: máy ai, kytu mov dx, 3f8h out dx, al end; Until keypressed; { writeln (' So ky tu nhan sai ', j); } END. uses crt, dos; const a=$2f8; var kt_phat, kt_thu:byte; begin {writeln; writeln (' Write (' Dang phai chu U '); } port [a+3]:=$80; port ra]:=12; {9600} port [ a + 1]: =0; port [ a+3 ]: = 2; { none parity, 7 } {i:=1, j:=0;} repeat port [a]:-$55; delay(1); Repeat port [$3fd]:= port [$3fd] and $01; until port [$3fd]-$01; kt_thu: =port [$ 3f 8]; writeln (' Thu được ', chi (kt_ thu)); until keypressed; end. • Thu dữ liệu qua cổng nối tiếp Có thể sử dụng cổng nối tiếp để thu dữ liệu. Một trong những trường hợp dễ thấy là sử dụng modem để truyền nhận tin qua cổng nối tiếp. Khi đó phải lập trình cho modem với các hệ lệnh riêng. Ở đây chỉ giới thiệu một số khả năng ghép nối trực tiếp 78
  79. thiết bị với cổng truyền tin nối tiếp. + Ghép nối ADC ICL7 109 với cổng truyền tin nối tiếp + Ghép nối ADC MAX 186 với cổng truyền tin nối tiếp c) Vào ra dữ liệu dùng ngắt So sánh sử dụng polling và ngắt + Polling chiếm thời gian CPU, chậm + Dùng ngắt đáp ứng kịp thời nhu cầu truyền tin có dung lượng lớn + Viết chương trình ngắt phức tạp bởi liên quan đến các vấn đề: cấm ngắt, cho ngắt, nhận dạng nguồn ngắt, thay vectơ ngắt • Các nguồn gây ngắt trong 8250A và mức ưu tiên: Có thể cấm hoặc cho phép ngắt 8250A bằng thanh ghi ĐCCS +l khi bit DLAB =0. Khuôn dạng thanh ghi cho phép ngắt (IER Interrupt enable register) 0 0 0 0 MODE RLINE TXEMP RXRD MODEM = 1 Cho phép các thay đổi trạng thái của modem gây ngắt RLINE = 1 Cho phép các tín hiệu trạng thái báo đường dây thu gây ngắt TXEMPTY =1 Cho phép gây ngắt khi đệm giữ phát rỗng RxRDY = Cho phép gây ngắt khi đệm thu đầy 8250A chỉ có 1 đầu tác động ngắt đến CPU trong khi đó nó 4 nguồn gây ra ngắt vì vậy cần sử dụng thanh ghi nhận dạng nguồn ngắt IIR - Intenupt Indentification Register. ID0 = 0 Có yêu cầu ngắt = 1 Không có 0 0 0 0 0 IDI ID2 IDO Tổ hợp ID1 và ID2 mã hoá yêu cầu ngắt có mức ưu tiên cao nhất đang chờ được phục vụ. Bảng 3.4. Các nguồn ngắt nối tiếp và giá trị các bộ thanh ghi nhận dạng nguồn ngắt ID2 ID1 Mức Tên loại ngắt Nguồn gốc ngắt IDi bị xoá khi Trạng thái đường Lỗi khung, thu đè, lỗi panty 1 1 1 Đọc LSR thu gián đoạn khi thu 1 0 2 Đệm thu đầy Đệm thu đầy Đọc RBR Đọc IIR ghi 0 1 3 Đệm giữ phát rỗng Đệm giữ phát rỗng THR 0 0 4 Trạng thái modem ΔCTS, ΔDSR, ΔRI, ΔRLSD Đọc MSR 79
  80. Trình tự của một chương trình thu/ phát dùng ngắt + Cấm báo ngắt cứng + Xoá nguồn báo ngắt + Đặt khuôn dạng truyền + Đặt số chia + DLAB=0 + Xoá báo ngắt phát + Xoá báo ngắt nhận + Đặt nguồn ngắt là thu hay phát + Bảo vệ ngắt cũ + Thay vectơ ngắt mới + Cho phép báo ngắt cứng Các lệnh thu hay nhận dữ liệu được viết trong chương trình của chúng ta dưới dạng chương trình phục vụ ngắt. Khi có ngắt (thu hay nhận) chương trình này sẽ thực hiện thu hay nhận dữ liệu. 3.1.3. Ghép nối qua cổng USB a) Cấu tạo của hệ thống USB Được phát triển từ năm 1995. Phiên bản USB đầu tiên là USB 1.0 và phiên bản đang sử dụng hiện nay (2005) là USB 2.0. Mục đích chính là tạo ra một bus ngoài mở rộng ghép nối các thiết bị ngoại vi một cách dễ dàng. Các thiết bị USB có thể được cắm chồng lên nhau, cắm không cần tắt điện hay khởi động lại máy tính. Có thể ghép vào một bản mạch máy tính 127 thiết bị USB - Tuy nhiên hiện nay trên các mainboard thường nhà chế tạo chỉ làm sắn 2,4 hoặc 8 đầu nối USB. Số lượng chủng loại thiết bị ghép với máy tính hiện nay đã có hàng trăm loại bao gồm máy in, máy ảnh, bàn phím, con chuột, modem, máy quét, ổ flash Có các loại USB: - Low speed: Tốc độ 10-100 kb/s. Ví dụ như bàn phím, con chuột, bút từ, điều khiển trò chơi (joystick). 80
  81. - Medium speed: Tốc độ 500kb/s - 10Mb/s như IDSN, pho ne, audio, compressed Video (Videonén). - Hình speed: Tốc độ 25-480Mb/s như Video, disk. • Kiến trúc USB: - Bus topology: Là cách nối các thiết bị USB với host USB. Topology của USB là hình sao thứ bậc. Một hun là trung tâm của sao. Kết nối giữa các đoạn dây dẫn là liên kết điểm - điểm. (Root tier trên main board - Hub: các bộ tập trung-Node: các thiết bị USB). Cần nhắc lại cấu trúc hiện đại của PC với sự tham gia của USB. - USB host: Trong mỗi hệ USB chỉ có một. Có giao diện đến host Computer: Bộ điều khiển host (USB host controller) có nhiệm vụ chuyển đổi dữ liệu giữ format dữ liệu sử dụng và format USB, nó có thể được thực hiện trong một tỉ hợp phần cứng, phần mềm hoặc firmware. Một loạt hun cung cấp 1 hoặc một si điểm liên kết vào. - Giao diện vật lý: Hình 3.21. Kiến trúc HUB USB - Giao diện cơ khí, điện: Hình 3.22. Hai kiểu đầu nối USB chính Ngoài ra còn có một số kiểu đầu nối "mini" như sau: 81
  82. Hình 3.23. Đầu nối USB kiểu mini Hình 3.24. Dây cáp USB Vbus (1) Red Nguồn cung cấp cho USB (+5v) D- (2) White Hai dây D+ và D- là hai dây truyền dữ liệu vi sai D+ (3) Green GND (4) Black Dây nối đất (Vỏ máy) 0V 82
  83. Hình 3.25. Các kết nối điện của đầu ra host hoặc Hub + Mã hoá USB Dữ liệu truyền trên bus USB được mã hoá theo kiểu NRZI (Non Return to Zero Invert - Không đảo về không) theo sơ đồ sau với luật: 0 → 1: Không đổi; 1 → 0: Thay đổi; Nếu có 2 tín hiệu 0 liên tiếp: thay đổi. 83
  84. Hình 3.26. Sơ đồ mã hoá NRZI • Phần mềm USB: Phần mềm hệ thống USB chứa hai lớp + Một lớp trên của các điều khiển thiết bị USB + Một lớp dưới của các hàm USB Lớp thấp của các hàm USB thực hiện bởi các tác vụ: + Điều khiển các hàm truyền tin giữa các thiết bị USB và Host + Nạp và gỡ các điều khiển thiết bị tại những thời điểm thích hợp + Truyền nhận các Frame và các packet USB Khi thiết kế một thiết bị ngoại vi trao đổi dữ liệu qua USB các hàm điều khiển nhập xuất dữ liệu là các hàm có sẵn của các ngôn ngữ lập trình bậc cao chạy trên windows. Tuỳ theo ngôn ngữ VC hoặc Delphi, C# các hàm này có khuôn dạng khác nhau. Khi sử dụng ngôn ngữ. nào chúng ta có thể tham khảo trợ giúp của ngôn ngữ đó để sử dụng các hàm USB thích hợp: b) Ví dụ sợ đồ ghép nối USB Mạch điện sử dụng AVR AT90 S2313-10 có thể thu các mã hồng ngoại Hình 3.2.7. A VR ghép với máy tính qua USB Hoạt động: Các dữ liệu D0 D7 có thể được thu vào vi điều khiển AT90S2313-10 được 84
  85. chương trình nạp trong vi điều khiển biến đổi thành dữ liệu dạng NRZI (như đã nói ở trên) rồi đưa tới máy tính PC qua hai dây D+ và D-. Chương trình trên máy tính PC (Được viết bằng các ngôn ngữ có giao diện truy nhập API như VC++, Delphi, C#) đọc các dữ liệu này chuyển thành dạng dữ liệu thông thường sau đó ghi vào file, hiển thị tuỳ theo yêu cầu cụ thể. Trên sơ đồ có sử dụng một bộ dò hồng ngoại cho phép nhận tín hiệu điều khiển qua mạch phát hồng ngoại. Khi có tín hiệu hồng ngoại sẽ gây ra ngắt vi điều khiển. Chương trình phục vụ ngắt sẽ thực hiện nhiệm vụ thu dữ liệu (hoặc tác động khác theo yêu cầu cụ thể). 3.1.4. Ghép nối qua các khe cắm ở rộng a) Ghép nối qua khe cắm ISA • ISA: Sử dụng với độ rộng bus 8 bit theo tiêu chuẩn ISA(Industry Standard Architecture): có 62 đường tín hiệu trên 2 mặt trên đó có các đường địa chỉ, dữ liệu, tín hiệu điều khiển, cấp nguồn • EISA: ISA mở rộng thêm 1 rãnh thứ 2 gồm 36 chân cho phép sử dụng độ rộng bus dữ liệu 16bit, 32 bit. • Giải mã cho 1card mở rộng qua khe cắm EISA: Máy vi tính PC dành 1 kB địa chỉ cho các thiết bị ngoại vi. Mỗi thiết bị có 1 địa chỉ riêng. VD: Các cổng COM: 3F8h, 2F8h, 3E8h, 2E8h Các cổng máy in: 3BCh, 378h, 278h, 2BCh Cổng bàn phím: 60h Ổ đĩa cứng : 1F0h, 3F0h Card mở rộng của chúng ta cần giải mã vào các địa chỉ khác với các địa chỉ của các thiết bị ngoại vi (Nếu giải mã trùng vào sẽ xung đột cổng). Các địa chỉ từ 300h đến 31Fh được dành cho cam mở rộng. Việc giải mã được thực hiện qua 10 bộ địa chỉ A0 A9 và tín hiệu AEN. AEN=1 Truy nhập DMA AEN =0 Truy nhập qua vi xử lý. Khi giải mã cho cam ta sử dụng AEN =0. Các tín hiệu giải mã tuỳ theo tín hiệu chọn chíp có thể là mức thấp hoặc mức cao. VD: Giải mã cho 1 cam tại địa chỉ 300h 85
  86. Hình 3.28. Sơ đồ card ghép nối qua giao diện ISA Khi các tín hiệu địa chỉ vào đúng: A8, A9 =l, A2, A3, A4, A5, A6, A7 =0 sẽ cho tín hiệu đầu ra của mạch giải mã (đưa vào CS của 8255) là mức thấp cho phép mạch làm việc. Giải thích tác dụng của câu lệnh là tín hiệu địa chỉ b) Ghép nối qua khe cắm PCI • Cấu hình một hệ thống bus PCI Bus nội bộ Pheripheral Component Interconnect (PCI) là mmột giao diện truyền dữ liệu giữa các cấu thành điều khiển ngoại vi và hệ trung tâm (vi xử lý + bộ nhớ). Bus PCI là một bus dữ liệu và địa chỉ 32, 64 bit. Để có thể hiểu đầy đủ về kiến trúc phần cứng của PCI cần quan tâm đến các chủ đề: + Không gian địa chỉ + Kích thước dữ liệu + Byte thứ tự + Các vectơ ngắt + Các thiết bị đa năng 86