Thiết kế vả thi công hệ thống test time tự động ứng dụng CPUZ80 part3 ppt

Luận văn tốt nghiệp
Hệ thống báo giờ tự động


 Nguyên lí hoạt động tổng quát:
Hệ thống báo giờ tự động là một hệ vi xử lí nên hoạt động của hệ thống là
sự kết hợp chặt chẽ giữa phần cứng và phần mềm.
Vi xử lí được đặt ở chế độ “auto reset” nên khi mới mở điện vi xử lí sẽ bắt
đầu đọc bộ nhớ tại đòa chỉ 0000h. Đây cũng là đòa chỉ bắt đầu của chương trình
hệ thống. Ngoài ra, mạch kiểm soát ngắt sẽ cấm tín hiệu Timer tác động vào
ngắt
NMI
của Z80 nhằm mục đích tránh việc tạo thời gian thực sai dẫn đến hệ
thống báo giờ sai.
Về mặt phần mềm:
Khi mới mở điện chương trình hệ thống sẽ khởi động mạch hiển thò (khởi tạo
8279) để mạch hiển thò sẵn sàng hiển thò dữ liệu thời gian thực từ vi xử lí gởi tới.
Ngoài ra, chương trình hệ thống còn reset mạch báo chuông …
Mạch bàn phím hoạt động khi chương trình con Keypro được gọi để phục vụ
cho Settime, Hottime hay Skiptime.
Phần “cấu tạo và nguyên tắt hoạt động của các khối mạch” sẽ giúp chúng ta
hiểu rõ hơn hoạt động của Hệ Thống. Bước đầu tiên trong việc thiết kế Hệ
Thống là phân bố bộ nhớ và thực hiện giải mã đòa chỉ cho các bộ phận của Hệ
Thống.
Luận văn tốt nghiệp
Hệ thống báo giờ tự động


2.2_Bộ nhớ Hệ Thống và giải mã đòa chỉ:
2.2.1_Bộ nhớ Hệ Thống:
Hệ Thống báo giờ tự động là một hệ vi xử lí nên việc phân bố bộ nhớ

Hệ Thống là hết sức cần thiết. Ngoài bộ nhớ ROM, RAM Hệ Thống còn có các
bộ phận: bàn phím, mạch hiển thò và mạch điều khiển báo hiệu. Các bộ phận
này được xem như bộ nhớ. Bộ vi xử lí sẽ truy xuất các khối mạch này giống như
truy xuất bộ nhớ (phương pháp ánh xạ bộ nhớ).
Do yêu cầu hoạt động với vùng nhớ nhỏ. Hệ Thống chỉ sử dụng 20KB
đầu tiên (0000h – 4FFFh) trong không gian 64KB mà Z80 quản lí. Với yêu cầu
trên bộ nhớ sẽ được phân chia thành các vùng nhớ dành cho ROM, RAM, vùng
nhớ dành cho mạch hiển thò, mạch báo hiệu và bàn phím.
Để đơn giản, bộ nhớ Hệ Thống sẽ chia thành 5 vùng với dung lượng
4KB/vùng được phân bố như sau:

4FFFh


4000h


MẠCH BÀN PHÍM


4KB
3FFFh


3000h


MẠCH BÁO HIỆU

4KB
2FFFh


2000h


MẠCH HIỂN THỊ


4KB

1FFFh


1800h


CHƯA DÙNG


2KB
17FFh


1000h


RAM

2KB
0FFFh


0000h


ROM


4KB

Hình 2: BẢN ĐỒ BỘ NHỚ HỆ THỐNG
Vùng nhớ từ đòa chỉ 0000h đến 0FFFh dành cho IC ROM chứa phần
mềm Hệ Thống và lưu trữõ các Restime. IC ROM được dùng là 2732 (4KBx8).
Bảng mô tả hoạt động và sơ đồ chân chức năng như sau:
Luận văn tốt nghiệp
Hệ thống báo giờ tự động



CHẾ ĐỘ CE
OE
\Vpp
Vcc OUTPUT
Read
Stand by
Program
Program verify

Program Inhibit

V
IL
V
IH
V
IL
V
IL
V
IH
V
IL
X
Vpp
V
IL
Vpp
Vcc
Vcc
Vcc
Vcc
Vcc
Dout
High Z
Din
Dout
High Z

Bảng 1 : BẢNG MÔ TẢ HOẠT ĐỘNG CỦA IC – ROM 2732
Hình 3: SƠ ĐỒ CHÂN CHỨC NĂNG CỦA IC-ROM 2732
Vùng nhớ từ 1000h đến 1FFFh là vùng nhớ RAM dùng để làm ngăn xếp
(Stack), vùng đệm, bảng Hottime và bảng Skiptime. Với yêu cầu hiện tại, Hệ
Thống chỉ sử dụng 2KB từ 1000h đến 17FFh khi có yêu cầu mở rộng 2KB còn
lại sẽ được dùng đến. IC- RAM được chọn là loại RAM tónh (Static Ram) 6116
(2KBx8). IC 6116 có bảng mô tả hoạt động và sơ đồ chân chức năng như sau:





Luận văn tốt nghiệp
Hệ thống báo giờ tự động



CHẾ ĐỘ
CE

OE

WE

DATA
Không chọn
Cấm xuất
Đọc (Read)
Ghi (Write)

H
L
L
L
X
H
L
H

X
H
H
L
High Z
High Z
Dout
Din

Bảng 2 : BẢNG MÔ TẢ HOẠT ĐỘNG CỦA IC – RAM 6116
Hình 4: SƠ ĐỒ CHÂN CHỨC NĂNG CỦA RAM 6116
Vùng nhớ còn lại được dành cho các bộ phận: bàn phím, hiển thò, điều
khiển báo hiệu.
2.2.2_ Mạch giải mã đòa chỉ:
Nhiệm vụ mạch giải mã đòa chỉ là thực hiện hoạt động giải mã để tạo ra
các tín hiệu : chọn IC nhớ ROM , RAM (CS chip select) và các tín hiệu điều
khiển chọn các bộ phận bàn phím, hiển thò, điều khiển báo hiệu.
Mạch giải mã đòa chỉ là một mạch giải mã từ 3 ra 8 đường sử dụng 3
đường đòa chỉ A12, A13, A14 để giải mã tạo 8 đường tín hiệu điều khiển và chọn
chip.
Bảng giải mã đòa chỉ chi tiết cùng các tín hiệu điều khiển như sau:

Luận văn tốt nghiệp
Hệ thống báo giờ tự động



A
15
A
14
A
13
A
12
A
11
A
10
……A
0
VÙNG NHỚ
TÍN
HIỆU

CHỨC
NĂNG
0
0
0
0
0

0
0 0 0
0 0 1
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
x x …… x
0 x …… x
1 x …… x
x x … x

x x … x
x x …… x
0000h – 0FFFh
1000h - 17FFh
1800h – 1FFFh
2000h – 2FFFh
3000h - 3FFFh
4000h - 4FFFh
1CS

2CS


DPL

BDR

KBD

Chọn IC ROM

Chọn IC RAM

Chưa dùng
Hiển thò
Báo hiệu
Đọc bàn phím

Bảng 3 : BẢNG GIẢI MÃ ĐỊA CHỈ BỘ NHỚ.
Mạch giải mã đòa chỉ dùng IC 74LS138 có 8 ngõ ra tác động mức thấp.
Tín hiệu
MERQ
từ P tác động vào 2 ngõ vào điều kiện G2A và G2B để điều
khiển việc giải mã chọn chip.
Hình 5: SƠ ĐỒ CHI TIẾT MẠCH GIẢI MÃ ĐỊA CHỈ.
2.2.3_Tóm tắt:
Mạch điện bộ nhớ Hệ Thống có cấu tạo như sau:






Luận văn tốt nghiệp
Hệ thống báo giờ tự động

Hình 6: SƠ ĐỒ CHI TIẾT MẠCH BỘ NHỚ
Các tín hiệu
1CS
,
2CS
thực hiện chọn IC ROM và IC RAM. Tín hiệu
RD
từ P điều khiển việc đọc dữ liệu trong ROM và RAM, tín hiệu
WR
cho
phép P ghi dữ liệu vào RAM.
Giản đồ thời gian các chu kì P đọc và ghi bộ nhớ như hình 7:
Luận văn tốt nghiệp
Hệ thống báo giờ tự động



CLOCK

A0-A15 VALID ADDRESS
MERQ

RD


D0-D7 DATA IN

WR

D0-D7 DATA OUT

Hình 7: CHU KÌ  P ĐỌC VÀ GHI BỘ NHỚ.
Hoạt động đọc, ghi bộ nhớ của P như sau:

HOẠT ĐỘNG CỦA P
MERQ

CS
RD
WR
Đọc bộ nhớ L L L H
Ghi bộ nhớ L L H L

Các bộ phận bàn phím, hiển thò và điều khiển báo hiệu thiết kế theo
nguyên tắt ánh xạ bộ nhớ. Hoạt động của P truy xuất các bộ phận này như sau:

HOẠT ĐỘNG CỦA 
P
ĐỊA CHỈ
MERQ

TÍN HIỆU
ĐIỀU KHIỂN
Hiển thò 2000h – 2FFFh L
DPL
= L
Điều khiển báo hiệu 3000h – 3FFFh L
BDR

= L
Đọc bàn phím 4000h – 4FFFh L
KBD
= L



Luận văn tốt nghiệp
Hệ thống báo giờ tự động


2.3_ Khảo sát tính chất ngắt
NMI
:
(NON_ MASKABLE INTERRUPT)
Ngắt NMI (ngắt không thể che bằng phần mềm) của Z80 là ngắt có độ ưu
tiên tuyệt đối. Khi có ngắt
NMI
tác động, chương trình Hệ Thống sẽ tạm dừng
công việc hiện tại để thực hiện chương trình phục vụ ngắt
NMI
bắt đầu tại đòa
chỉ 0066h.
Với yêu cầu đặt ra là Hệ Thống làm việc với thời gian thực, nên đòi hỏi việc
đếm thời gian phải thực hiện chính xác và được ưu tiên hàng đầu. Do đó, ngắt
NMI dành cho việc đếm thời gian thực. Tuy nhiên, ngoài hoạt động đếm thời
gian thực chương trình Hệ Thống còn phải thực hiện các công việc khác như:
phục vụ bàn phím, phục vụ việc báo hiệu cũng như hiển thò. Ngắt
NMI
không

được làm ảnh hưởng đến các hoạt động trên .
Công việc thăm dò ngắt
INT
và
NMI
được Z80 thực hiện tại chu kì đồng hồ
cuối cùng ở chu kì máy cuối cùng của một chu kì lệnh (gọi là các thời điểm to).

Chu kì máy cuối Chu kì máy lệnh kế

to


Hình 8: GIẢN ĐỒ NHẬN NGẮT NMI
Theo hình 8, nếu có tín hiệu gọi ngắt
NMI
(hoặc ngắt
INT
) xuất hiện tại các
thời điểm khác với các thời điểm to thì chương trình Hệ Thống sẽ không nhận
được ngắt NMI và chương trình phục vụ ngắt để tạo thời gian thực sẽ không
được thực hiện.
Phần mềm Hệ Thống bao gồm nhiều loại lệnh và các lệnh này được thực
hiện với số chu kì đồng hồ khác nhau. Do vậy, xung gọi ngắt
NMI
phải đủ rộng
để việc thăm dò ngắt NMI được thực hiện một cách hoàn hảo. Nếu xung gọi
ngắt NMI có độ rộng lớn hơn mức cần thiết thì điều gì xảy ra ?
Qua thử nghiệm người viết nhận thấy, khi có ngắt
NMI

chương trình Hệ
Thống tạm dừng công việc hiện tại và thực hiện chương trình phục vụ ngắt NMI ,
nếu tín hiệu ngắt
NMI
tiếp tục được giữ ở mức logic thấp thì sau khi chương
trình phục vụ ngắt
NMI
thực hiện xong, P sẽ trở về thực hiện công việc dở
dang trước khi phục vụ ngắt mà không bận tâm đến tín hiệu ngắt NMI dù lúc
Luận văn tốt nghiệp
Hệ thống báo giờ tự động


này vẫn đang ở mức tích cực thấp. Để nhận ngắt trở lại, chân
NMI
của Z80 phải
được kéo lên mức logic cao trước khi có tín hiệu ngắt kế tiếp.
Như vậy có thể nói rằng, khi tín hiệu
NMI
ở mức thấp và P nhận ngắt thì
việc thăm dò ngắt sẽ không được thực hiện cho đến khi tín hiệu
NMI
lên mức
cao. Việc cho tín hiệu NMI lên mức cao trước khi có tín hiệu ngắt kế tiếp tương
đương với việc khôi phục hoạt động thăm dò ngắt của P .
Tóm lại, để hoạt động đếm thời gian thực không ảnh hưởng đến các hoạt
động khác của Hệ Thống (trong đó có việc P nhận ngắt
INT
) thì độ rộng xung
gọi ngắt gọi ngắt

NMI
(đếm thời gian) phải được chọn thích hợp và chương trình
phục vụ ngắt
NMI
phải không được quá dài. Đây là yêu cầu quan trọng đối với
hoạt động của Hệ Thống .
2.4_Cấu tạo và nguyên tắt hoạt động các khối mạch:
2.4.1_Mạch tạo xung đồng hồ:
Mạch tạo xung đồng hồ có vai trò như quả tim đập nhòp cho hoạt động của
Hệ Thống. Viêäc tạo thời gian thực sẽ càng chính xác nếu tần số xung clock cấp
cho P càng cao. Tuy nhiên, Hệ Thống sẽ hoạt động khó ổn đònh ở tần số cao do
nhiễu xuất hiện trên đường mạch in. Do vậy, tần số xung clock được chọn sau
cho giảm thiểu sai số trong việc tạo thời gian thực và tránh được nhiễu xuất hiện
trên mạch in để Hệ Thống hoạt động ổn đònh. Tần số xung clock được chọn là
500KHz.
Căn cứ vào tần số xung clock đã chọn và tính chất ngắt
NMI
của P là sẽ
nhận ngắt khi phải thực hiện xong lệnh còn đang dang dở ta tính được sai số về
thời gian cực đại do việc tạo thời gian thực như sau:
Thời gian thực hiện lệnh dài nhất t = 23x1/fck
= 23/500000
= 0.46s
Sai số trong 1 phút = 60 x t
= 60 x 0.46
= 27,6S
Tính tương tự ta có sai số cực đại trong một năm = 365 x 24 x 60 x 60 x t
= 365 x 24 x 60x 60 x27,6
= 870s
Luận văn tốt nghiệp

Hệ thống báo giờ tự động


Sai số này là sai số max, thực tế không phải lúc nào tín hiệu gọi ngắt
NMI
cũng ngay vừa lúc P nhận một lệnh dài nhất nên tần số hoạt động của Hệ
Thống = 500KHz là chấp nhận được.
Tần số xung clock này cũng được cấp cho IC 8279 để hiển thò.
Để tận dụng số lượng cổng logic trên mạch cũng như đơn giản trong thiết kế,
mạch dao động được thiết kế như sau:
Hình 9: SƠ ĐỒ MẠCH TẠO XUNG ĐỒNG HỒ
2.4.2_Mạch đònh thời.
Mạch đònh thời có nhiệm vụ tạo ra xung nhòp tuần hoàn phục vụ cho việc
đếm thời gian thực. Việc đếm thời gian thực đòi hỏi phải thực hiện một cách
chính xác và ổn đònh. Do đó, mạch đònh thời phải tạo ra tín hiệu đònh thời có tần
số thật chính xác và có tính ổn đònh cao.
Tín hiệu đònh thời tác động vào ngắt
NMI
. Khi có ngắt
NMI
chương trình
tạo thời gian thực sẽ tăng lên 1 đơn vò thời gian (1 giây).
Để có được tín hiệu đònh thời tần số 1Hz có độ chính xác và tính ổn đònh cao
mặc nhiên không thể sử dụng mạch dao động RC vì giá trò R,C không ổn đònh
theo thời gian cũng như nhiệt độ.
Có thể dùng mạch dao động thạch anh để có được tín hiệu đònh thời ổn đònh
và chính xác. Tuy nhiên, giá trò thạch anh bán ngoài thò trường ít nhất cũng vài
trăm KHz, cho nên phải tốn thêm mạch chia tần số thì mới có được tín hiệu đònh
thời tần số 1Hz.
Chính vì vậy người viết chọn mạch dao động trong đồng hồ GIMIKO, đây là

mạch chuyên dùng nên đảm bảo được tính ổn đònh và chính xác của tín hiệu
đònh thời.