Tổng quan về vi điều khiển, chương 1 pdf

CẤU TRÚC VI ĐIỀU KHIỂN

Chương 1: Sơ lược về vi xử lý
Trong những thập niên cuối thế kỉ XX, từ sự ra đời của công
nghệ bán dẫn, kĩ thuật điện tử đã có sự phát triển vượt bậc. Các
thiết bị điện tử sau đó đã được tích hợp với mật độ cao và rất cao
trong các diện tích nhỏ, nhờ vậy các thiết bị điện tử nhỏ hơn và
nhiều chức năng hơn. Các thiết bị điện tử ngày càng nhiều chức
năng trong khi giá thành ngày càng rẻ hơn, chính v
ì vậy điện tử có
mặt khắp mọi nơi.
Bước đột phá mới trong công nghệ điện tử, công ty trẻ tuổi
Intel cho ra đời bộ vi xử lý đầu tiên. Đột phá ở chỗ: "
Đó là một kết
cấu logic mà có thể thay đổi chức năng của nó bằng chương trình
ngoài ch
ứ không phát triển theo hướng tạo một cấu trúc phần cứng
chỉ thực hiện theo một số chức năng nhất định như trước
đây
"(trích từ dòng 17 đến 19, trang 3, 'Kĩ thuật VI XỬ LÝ và lập
trình ASSEMBLY cho hệ vi xử lý', tác giả Đỗ Xuân Tiến, nhà xuất
bản Khoa học và kĩ thuật). Tức là phần cứng chỉ đóng vai trò thứ
yếu, phần mềm (chương trình) đóng vai trò chủ đạo đối với các
chức năng cần thực hiện. Nhờ vậy vi xử lý có sự mềm dẻo hóa
trong các chức năng của mình. Ngày nay vi xử lý có tốc độ tính
toán rất cao và khả năng xử lý rất lớn.
Vi xử lý có các khối chức năng cần thiết để lấy dữ liệu, xử lý
dữ liệu và xuất dữ liệu ra ngoài sau khi đã xử lý. Và chức năng
chính của Vi xử lý chính là xử lý dữ liệu, chẳng hạn như cộng, trừ,
nhân, chia, so sánh.v.v Vi xử lý không có khả năng giao tiếp
trực tiếp với các thiết bị ngoại vi, nó chỉ có khả năng nhận và xử lý

dữ liệu mà thôi.

Để vi xử lý hoạt động cần có chương trình kèm theo, các
chương trình này điều khiển các mạch logic và từ đó vi xử lý xử lý
các dữ liệu cần thiết theo yêu cầu. Chương trình là tập hợp các lệnh
để xử lý dữ liệu thực hiện từng lệnh được lưu trữ trong bộ nhớ,
công việc thực hành lệnh bao gồm: nhận lệnh từ bộ nhớ, giải mã
l
ệnh và thực hiện lệnh sau khi đã giải mã.

Để thực hiện các công việc với các thiết bị cuối cùng, chẳng
hạn điều khiển động cơ, hiển thị kí tự trên màn hình đòi hỏi
phải kết hợp vi xử lý với các mạch điện giao tiếp với bên ngoài
được gọi là các thiết bị I/O (nhập/xuất) hay còn gọi là các thiết bị
ngoại vi. Bản thân các vi xử lý khi đứng một mình không có nhiều
hiệu quả sử dụng, nhưng khi là một phần của một máy tính, thì
hi
ệu quả ứng dụng của Vi xử lý là rất lớn. Vi xử lý kết hợp với các
thiết bị khác được sử trong các hệ thống lớn, phức tạp đòi hỏi phải
xử lý một lượng lớn các phép tính phức tạp, có tốc độ nhanh.
Chẳng hạn như các hệ thống sản xuất tự động trong công nghiệp,
các tổng đài điện thoại, hoặc ở các robot có khả năng hoạt động
phức tạp v.v
1.1.2.Từ Vi xử lý đến Vi điều khiển
Bộ Vi xử lý có khả năng vượt bậc so với các hệ thống khác về
khả năng tính toán, xử lý, và thay đổi chương trình linh hoạt theo
mục đích người dùng, đặc biệt hiệu quả đối với các bài toán và hệ
thống lớn.Tuy nhiên đối với các ứng dụng nhỏ, tầm tính toán
không đ
òi hỏi khả năng tính toán lớn thì việc ứng dụng vi xử lý

cần cân nhắc. Bởi vì hệ thống dù lớn hay nhỏ, nếu dùng vi xử lý thì
c
ũng đòi hỏi các khối mạch điện giao tiếp phức tạp như nhau. Các
khối này bao gồm bộ nhớ để chứa dữ liệu và chương trình thực
hiện, các mạch điện giao tiếp ngoại vi để xuất nhập và điều khiển
trở lại, các khối này cùng liên kết với vi xử lý thì mới thực hiện
được công việc. Để kết nối các khối này đ
òi hỏi người thiết kế phải
hiểu biết tinh tường về các thành phần vi xử lý, bộ nhớ, các thiết bị
ngoại vi. Hệ thống được tạo ra khá phức tạp, chiếm nhiều không
gian, mạch in phức tạp và vấn đề chính là trình độ người thiết kế.
Kết quả là giá thành sản phẩm cuối cùng rất cao, không phù hợp để
áp dụng cho các hệ thống nhỏ.
Vì một số nhược điểm trên nên các nhà chế tạo tích hợp một
ít bộ nhớ và một số mạch giao tiếp ngoại vi cùng với vi xử lý vào
m
ột IC duy nhất được gọi là Microcontroller-Vi điều khiển. Vi
điều khiển có khả năng tương tự như khả năng
của vi xử lý, nhưng
cấu trúc phần cứng dành cho người dùng đơn giản hơn nhiều. Vi
điều khiển ra đời mang lại sự tiện lợi đối với người d
ùng, họ không
cần nắm vững một khối lượng kiến thức quá lớn như người dùng vi
x
ử lý, kết cấu mạch điện dành cho người dùng cũng trở nên đơn
giản hơn nhiều và có khả năng giao tiếp trực tiếp với các thiết bị
bên ngoài. Vi điều khiển tuy được xây dựng với phần cứng d
ành
cho người sử dụng đơn giản hơn, nhưng thay vào lợi điểm này là
kh

ả năng xử lý bị giới hạn (tốc độ xử lý chậm hơn và khả năng tính
toán ít hơn, dung lượng chương trình bị giới hạn). Thay vào đó, Vi
điều khiển có giá th
ành rẻ hơn nhiều so với vi xử lý, việc sử dụng
đơn giản, do đó nó được ứng dụng rộng r
ãi vào nhiều ứng dụng có
chức năng đơn giản, không đòi hỏi tính toán phức tạp.
Vi điều khiển được ứng dụng trong các dây chuyền tự động
loại nhỏ, các robot có chức năng đơn giản, trong máy giặt, ôtô
v.v

Năm 1976 Intel giới thiệu bộ vi điều khiển (microcontroller)
8748, một chip tương tự như các bộ vi xử lý và là chip đầu tiên
trong h
ọ MCS-48. Độ phức tạp, kích thước và khả năng của Vi
điều khiển tăng th
êm một bậc quan trọng vào năm 1980 khi intel
tung ra chip 8051, bộ Vi điều khiển đầu tiên của họ MCS-51 và là
chu
ẩn công nghệ cho nhiều họ Vi điều khiển được sản xuất sau
này. Sau đó rất nhiều họ Vi điều khiển của nhiều nhà chế tạo khác
nhau lần lượt được đưa ra thị trường với tính năng được cải tiến
ngày càng mạnh.
1.1.3.HỌ MSC-51
Hiện nay có rất nhiều họ Vi điều khiển trên thị trường với
nhiều ứng dụng khác nhau, trong đó họ Vi điều khiển họ MCS-51
được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới và ở Việt nam.
Vào năm 1980 Intel công bố chíp 8051(80C51), bộ vi điều
khiển đầu tiên của họ vi điều khiển MCS-51. Nó bao gồm 4KB
ROM, 128 byte RAM, 32 đường xuất n

hập, 1 port nối tiếp và 2 bộ
định thời 16 bit. Tiếp theo sau đó l
à sự ra đời của chip
8052,8053,8055 với nhiều tính năng được cải tiến
Hiện nay Intel không còn cung cấp các loại Vi điều khiển
họ MCS-51 nữa, thay vào đó các nhà sản xuất khác như Atmel,
Philips/signetics, AMD, Siemens, Matra&Dallas, Semiconductors
được cấp phép làm nhà cung cấp thứ hai cho các chip của họ MSC-
51. Chip Vi điều khiển được sử dụng rộng rãi trên thế giới cũng
như ở Việt Nam hiện nay là Vi điều khiển của h
ãng Atmel với
nhiều chủng loại vi điều khiển khác nhau.
Hãng Atmel có các chip Vi điều khiển có tính năng tương
tự như chip Vi điều khiển MCS-51 của Intel, các mã số chip được
thay đổi chút ít khi được Atmel sản xuất. M
ã số 80 chuyển thành
89, ch
ẳng hạn 80C52 của Intel khi sản xuất ở Atmel mã số thành
89C52 (Mã s
ố đầy đủ: AT89C52) với tính năng chương trình
tương tự như nhau. Tương tự 8051,8053,8055 có mã số tương
đương ở Atmel là 89C51,89C53,89C55. Vi điều khiển Atmel sau
này ngày càng được cải tiến và được
bổ sung thêm nhiều chức
năng tiện lợi hơn cho người d
ùng.
Bảng 1
Dung lượng RAM Dung lượng ROM
Chế độ nạp
89C51 128 byte 4 Kbyte song song

89C52 128 byte 8 Kbyte song song
89C53 128 byte 12 Kbyte song song
89C55 128 byte 20 Kbyte song song

Sau kho
ảng thời gian cải tiến và phát triển, hãng Atmel
tung ra th
ị trường dòng Vi điều khiển mang số hiệu 89Sxx với
nhiều cải tiến và đặc biệt là có thêm khả năng nạp chương trình
theo ch
ế độ nối tiếp rất đơn giản và tiện lợi cho người sử dụng.
Bảng 2
Dung lượng RAM Dung lượng ROM Chế độ nạp
89S51 128 byte 4 Kbyte nối tiếp
89S52 128 byte 8 Kbyte nối tiếp
89S53 128 byte 12 Kbyte nối tiếp
89S55 128 byte 20 Kbyte nối tiếp
Tất cả các Vi điều khiển trên đều có đặc tính cơ bản giống
nhau về phần mềm (các tập lệnh lập trình như nhau), còn phần
cứng được bổ sung với chip có mã số ở hai số cuối cao hơn, các Vi
điều khiển sau n
ày có nhiều tính năng vượt trội hơn Vi điều khiển
thế hệ trước. Các Vi điều khiển 89Cxx như trong bảng 1 có cấu
tạoROM và RAM như 98Sxx trong bảng 2, tuy nhiên 98Sxx được
bổ sung một số tính năng và có thêm chế độ nạp nối tiếp.
Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại sách hướng dẫn về Vi
điều khiển với nhiều loại khác nhau như 8051, 89C51, 89S8252,
89S52 v.v các sách này đều hướng dẫn cụ thể về phần cứng cũng
như cách thức lập tr
ình. Chương trình phần mềm dành cho các Vi

điều khiển này là như nhau, vì vậy bạn có thể tham khảo thêm về
Vi điều khiển ở các sách n
ày.
Các ph
ần thực hành trên phần cứng thực tế, chúng tôi sẽ cùng
các b
ạn thực hành với Vi điều khiển 89S52 (Mã đầy đủ:AT89S52;
AT là viết tắt của nhà sản xuất ATMEL) vì :

Các Vi điều khiển 89Sxx được cải tiến từ dòng 89Cxx

Chương trình viết dành cho 89Cxx đều chạy được với 89Sxx
89Sxx rẻ hơn 89Cxx
89Sxx có chế độ nạp nối tiếp với mạch nạp đơn giản có khả
năng nạp ngay tr
ên bo mạch mà không cần tháo chip vi điều khiển
sang mạch khác để nạp chương trình và nhiều tính năng cải tiến
khác.