Bài giảng Điều khiển bằng máy tính - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

LỜI NĨI ĐẦU
Mơn học điều khiển bằng máy tính là một môn học chuyên ngành dùng giảng
dạy cho sinh viên năm cuối ngành Công nghệ kỹ thuật Điện, Điện tử, Cơng nghệ kỹ
thuật điều khiển và tự động hóa. Mơn học đề cập đến vấn đề ứng dụng máy tính (Máy
tính cá nhân PC, máy tính cơng nghiệp, và PLC) vào hệ thống điều khiển. Xu hướng
phát triển là dùng điều khiển dựa vào máy tính (PC-based Control) với hệ điều hành
mạnh, giao diện thân thiện, phần mềm dễ phát triển và giá thành hợp lý.
Để học tốt môn học này sinh viên cần phải học qua các môn: Cấu trúc máy tính
và giao diện, lý thuyết điều khiển tự động và vi xử lý. Bài giảng gồm các phần: khái
niệm chung, cấu trúc các cổng giao tiếp máy tính, giao tiếp qua cổng song song, giao
tiếp qua cổng nối tiếp và giao tiếp qua cổng USB, Các chuẩn truyền thơng và giao tiếp
máy tính, lập trình cho máy tính điều khiển, card thu thập dữ liệu và điều khiển, lập
trình giao tiếp nối tiếp, các bộ chuyển đổi dữ liệu A/D và D/A, điều khiển tuần tự, hệ
thống điều khiển số và mạng truyền thông công nghiệp.
Bài giảng này tác giả đã đọc và giảng dạy cho các lớp ngành Cơng nghệ kỹ thuật
điều khiển và tự động hóa từ khóa 2 đến khóa 7. Q trình biên soạn bài giảng khơng
tránh khỏi thiếu sót, nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn các nhận xét góp ý của các
thầy cô trong Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định,
cùng các bạn đồng nghiệp và bạn đọc để bài giảng ngày càng hoàn thiện hơn.

i


Mục lục
LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................................. i
CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG .............................................................................. 1
1.1. Máy tính trong điều khiển q trình ..................................................................... 1
1.1.1. Khái niệm cơ bản .......................................................................................... 1
1.1.2. Lịch sử phát triển ........................................................................................... 2
1.1.3. Hệ thống. ....................................................................................................... 4
1.1.4. Một số ứng dụng tiêu biểu của hệ thống điều khiển máy tính. ..................... 5

1.2. Điều khiển phân cấp và tích hợp hệ thống ........................................................... 7
1.3. Điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín. ....................................................... 8
1.3.1. Điều khiển vịng hở: ...................................................................................... 8
1.3.2. Điều khiển vịng kín (Điều khiển hồi tiếp): .................................................. 9
1.4. Các thành phần chính trong máy tính điều khiển ............................................... 10
1.4.1. Hệ thống máy tính ....................................................................................... 11
1.4.2. Bản mạch chính (Mainboard): .................................................................... 13
1.4.3. Bộ xử lý trung tâm (CPU) ........................................................................... 14
1.4.4. Bộ nhớ (Memory) ........................................................................................ 15
1.5. Câu hỏi và bài tập chương 1 ............................................................................... 15
CHƯƠNG 2. CẤU TRÚC NGOẠI VI GIAO TIẾP MÁY TÍNH ................................ 16
2.1. Giao tiếp qua rãnh cắm máy tính ....................................................................... 18
2.1.1 Giao tiếp qua rãnh cắm ISA ......................................................................... 18
2.1.2.Giao tiếp qua rãnh cắm PCI ......................................................................... 23
2.1.3. Giao tiếp qua Bus AGP. .............................................................................. 28
2.1.4. Giao tiếp qua Bus PCI Express (PCIe). ...................................................... 30
2.2. Cổng giao tiếp song song .................................................................................. 32
2.2.1.Giới thiệu về cổng giao tiếp song song ........................................................ 32
2.2.2. Cấu trúc của cổng song song ....................................................................... 33
2.3. Cổng giao tiếp nối tiếp (COM) .......................................................................... 37
2.3.1. Cấu trúc của cổng nối tiếp (COM) .............................................................. 38
2.3.2. Mạch chuyển mức ....................................................................................... 41
2.4. Cấu trúc cổng nối tiếp USB................................................................................ 42
2.4.1. Khái quát chung .......................................................................................... 42
2.4.2. Cấu trúc cổng USB ...................................................................................... 43
2.5 Giao tiếp không dây ............................................................................................ 48
2.5.1 Giao tiếp bluetooth ....................................................................................... 48
2.5.2. Giao tiếp hồng ngoại ................................................................................... 49
2.5.3. Giao tiếp qua mạng LAN hoặc Wifi ........................................................... 50
ii

2.6. Phương pháp chuyển đổi cổng USB sang UART ..............................................51
2.6.1. Mạch chuyển USB sang UART có chế độ chọn 3v3 và 5V dùng PL2303 .51
2.6.2. Mạch chuyển từ USB sang UART dùng CP 2102 ......................................52
2.6.3. Mạch chuyển đổi USB sang UART dùng IC Atmega 8 ............................. 53
2.6.4. Chuyển từ cổng USB Thành Cổng RS232 sử dụng cab chuyển đổi ...........55
2.7. Câu hỏi và bài tập chương 2 ...............................................................................57
CHƯƠNG 3. CÁC CHUẨN TRUYỀN THƠNG VÀ GIAO TIẾP MÁY TÍNH .........58
3.1. Chuẩn giao tiếp cổng song song .........................................................................58
3.2. Giao tiếp PC với PC ...........................................................................................62
3.2.1. Giao tiếp chế độ chuẩn ................................................................................62
3.2.2. Chế độ mở rộng ...........................................................................................63
3.2.3 Giao tiếp PC với thiết bị ngoại vi .................................................................64
3.3. Chuẩn kết nối ổ cứng ..........................................................................................64
3.3.1. Chuẩn kết nối IDE (EIDE) ..........................................................................64
3.3.2. Chuẩn kết nối SATA (Serial ATA) ............................................................. 65
3.4. Chuẩn giao tiếp RS-232......................................................................................67
3.4.1. Khái quát chung ...........................................................................................67
3.4.2. Quá trình truyền dữ liệu ..............................................................................69
3.4.3. Sơ đồ ghép nối RS232 ................................................................................70
3.5. Chuẩn RS 485 .....................................................................................................71
3.6. Chuẩn giao tiếp USB (Universal Serial Bus) .....................................................75
3.6.1. Kết nối USB với máy tính ...........................................................................75
3.6.2. Truyền dữ liệu của USB .............................................................................78
3.7. Chuẩn giao tiếp SPI ............................................................................................ 79
3.8. Chuẩn giao tiếp I2C (I²C) ...................................................................................80
3.9. Chuẩn giao tiếp không dây. ................................................................................82
3.10. Câu hỏi và bài tập chương 3 .............................................................................83
CHƯƠNG 4. LẬP TRÌNH GIAO TIẾP MÁY TÍNH...................................................85

4.1. Lập trình giao tiếp cổng song song.....................................................................85
4.1.1. Ghép nối hai máy tính bằng cổng song song...............................................85
4.1.2. Lập trình giao tiếp cổng song song với ngoại vi sử dụng Led đơn .............86
4.1.3. Lập trình ghép nối cổng song song với bộ điều khiển ĐC một chiều. ........90
4.2. Lập trình giao tiếp qua cổng nối tiếp ..................................................................91
4.2.1. Phương thức giao tiếp máy tính ..................................................................91
4.2.2. Ngơn ngữ lập trình và giao diện máy tính ...................................................92
4.2.3. Lập trình giao tiếp máy tính PC điều khiển thiết bị ngoại vi sử dụng phần
mềm Visual tạo ứng dụng và lập trình cho 8051. ...............................................101
iii


4.2.4. Lập trình giao tiếp PC với Arduino dùng VB.NET và cổng COM(USB) 111
4.2.5. Lập trình dùng Matlab ............................................................................... 119
4.2.6. Lập trình dùng LABVIEW ........................................................................ 129
2. Chức năng từng khối ....................................................................................... 133
4.3. Câu hỏi và bài tập chương 4 ............................................................................. 146
12. Lập trình giao tiếp máy tính PC với Adruino điều khiển các động cơ một chiều ứng
dụng trong rô bốt. ........................................................................................................ 146
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 147

iv


Danh mục các hình vẽ
Hình 1.1 Mơ hình q trình vật lý tổng quát ...................................................................1
Hình 1.2 Hoạt động của máy tính số ...............................................................................1
Hình 1.3 Máy tính trong điều khiển q trình .................................................................2
Hình 1.4 Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng máy tính ....................................................6
Hình 1.5 Cấu trúc điều khiển phân cấp máy CNC ..........................................................7

Hình 1.6 Điều khiển phân cấp xí nghiệp. ........................................................................8
Hình 1.7 Hệ thống điều khiển vịng hở ...........................................................................9
Hình 1.8 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển (HTĐK) vòng kín ...................................9
Hình 1.9 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển bằng máy tính. ......................................10
Hình 1.10 Q trình xử lý thơng tin trên máy tính ........................................................11
Hình 1.11 Các thành phần của máy tính........................................................................12
Hình 1.12 Sơ đồ khối đơn giản bản mạch chính của hệ vi tính PC ............................... 13
Hình 1.13 Cấu tạo chi tiết 1 bo mạch chủ (Mainboard) ................................................14
Hình 1.14 Một số loại CPU thơng dụng ........................................................................15
Hình 2.1 Sơ đồ hoạt động của hệ thống bus có vi mạch DMA .....................................17
Hình 2.2 Một số cổng giao tiếp với máy tính ................................................................ 18
Hình 2.3 Vị trí Bus ISA trên Mainboard .......................................................................19
Hình 2.4 Vị trí của Bus AGP 8x trên Mainboard ..........................................................29
Hình 2.5 Phân loại Bus AGP theo băng thơng .............................................................. 29
Hình 2.6 Truyền dữ liệu qua bộ Switch trong PCI Express ..........................................31
Hình 2.7 Phương thức truyền dữ liệu PCIe ...................................................................31
Hình 2.8 Các tiêu chuẩn PCIe .......................................................................................32
Hình 2.9 Sơ đồ chân cổng song song ............................................................................33
Hình 2.10 Sơ đồ kết nối và bắt tay. ...............................................................................35
Hình 2.11 Đồ thị đọc dữ liệu .........................................................................................35
Hình 2.12 Giao tiếp song song hai chiều qua cổng SPP ...............................................36
Hình 1.13 Vào 8 bit với 74LS157 .................................................................................37
Hình 2.14 Sơ đồ chân cổng nối tiếp ..............................................................................38
Hình 2.15 Sơ đồ trao đổi thơng tin ................................................................................40
Hình 2.16 Sắp xếp chân (a ) và sơ đồ cấu trúc (b) của vi mạch MAX232 ....................41
Hình 2.18 Kiến trúc phân tầng của USB ......................................................................44
Hình 2.19 Cấu trúc chân và cab của USB .....................................................................44
Hình 2.20 Các tín hiệu USB chuẩn 3.0 .........................................................................45
Hình 2.21 Các tín hiệu bên trong cáp USB 3.0 ............................................................. 46
Hình 2.22 Vị trí các tín hiệu chuẩn 3.0 trên cổng USB .................................................46

Hình 2.23 Kiến trúc bus đôi (dual bus) của USB 3.0. ...................................................47
v


Hình 2.24 Sơ đồ mạch chuyển từ USB sang UART ..................................................... 51
Hình 2.25 Sơ đồ mạch chuyển từ USB sang UART dùng CP 2102 ............................. 52
Hình 2.26 Sơ đồ mạch chuyển từ USB sang UART dùng IC mega8 ........................... 53
Hình 2.27 Thiết lập chọn cổng COM ............................................................................ 54
Hình 2.28 Thiết lập cài đặt ............................................................................................ 54
Hình 2.29 Cách nối cổng USB ...................................................................................... 55
Hình 2.30 Thiết lập cài đặt cho cab ............................................................................... 56
Hình 2.31 Một số Card giao tiếp máy tính .................................................................... 57
Hình 3.1 Sơ đồ giao tiếp chế độ chuẩn.......................................................................... 63
Hình 3.2 Chức năng các chân giao tiếp chế độ chuẩn................................................... 63
Hình 3.3 Sơ đồ giao tiếp và chức năng các chân của chế độ mở rộng .......................... 63
Hình 3.4 Sơ đồ Card giao tiếp thiết bị ngoại vi với máy tính ....................................... 64
Hình 3.5 Cáp PATA và ổ HDD chuẩn PATA .............................................................. 65
Hình 3.6 Cáp Serial ATA .............................................................................................. 66
Hình 3.7 Cáp chuẩn Serial ATA và chuẩn parallel EIDE ............................................. 67
Hình 3.8 Định dạng của một ký tự truyền theo chuẩn RS-232 ..................................... 68
Hình 3.9 Mạch giao tiếp chuẩn RS232 dùng Max232 .................................................. 70
Hình 3.10 Mạch giao tiếp chuẩn RS232 dùng DS275 .................................................. 71
Hình 3.12 Nguyên lý giao tiếp RS-485 ......................................................................... 72
Hình 3.13 Các bộ thu phát ............................................................................................. 73
Hình 3.14 Bộ chuyển đổi sử dụng vi mạch đổi mức điện áp ........................................ 73
Hình 3.15 Sơ đồ ngun lí khối phát với bộ chuyển đổi tín hiệu TTL thành RS485 ... 74
Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lí khối thu với bộ chuyển đổi tín hiệu TTL thành RS485 ..... 74
Hình 3.17 Cấu trúc giao thức USB ............................................................................... 76
Hình 3.18 Cấu trúc giao thức chuẩn SPI ....................................................................... 79
Hình 3.19 Đồ thị chế độ hoạt động chuẩn SPI .............................................................. 80

Hình 3.20 Sơ đồ kết nối chuẩn I2C ............................................................................... 82
Hình 4.1 Mạch điều khiển các led đơn .......................................................................... 86
Hình 4.2 Mạch điều khiển động cơ một chiều .............................................................. 90
Hình 4.3 Sơ đồ giao tiếp PC với PC .............................................................................. 91
Hình 4.4 Sơ đồ giao tiếp PC với thiết bị ngoại vi ......................................................... 92
Hình 4.5 Khai báo Import Actix X ................................................................................ 96
Hình 4.6 Thiết lập các thơng số cổng COM .................................................................. 97
Hình 4.7 Thiết lập thuộc tính MSComm ....................................................................... 98
Hình 4.8 Sơ đồ giao tiếp máy tính qua cổng truyền thông nối tiếp với VĐK 8051 ... 102
Hình 4.9 Khởi động Visual Basic và thiết lập thơng số .............................................. 102
Hình 4.10 Tạo giao diện trên Visual Basic. ................................................................ 104
vi


Hình 4.11 Ứng dụng chạy trên WINDOW ..................................................................106
Hình 4.12 Thiết lập giao diện dùng Visual Basic........................................................108
Hình 4.13 Ứng dụng chạy trên Window .....................................................................110
Hình 4.14 Board arduino .............................................................................................111
Hình 4.15 Cấu tạo Arduino .........................................................................................112
Hình 4.16 Chương trình Blink LED ............................................................................115
Hình 4.17 Giao diện chương trình nhận dữ liệu trên VB. NET ..................................116
Hình 4.18 Chương trình RS232 Communication ........................................................122
Hình 4.19 Cửa sổ GUIDE Quick Start trong Matlab ..................................................123
Hình 4.20 Giao diện GUI trong Matlab.......................................................................124
Hình 4.21 Giao diện tạo nút bấm.................................................................................125
Hình 4.22 Thay đổi các thuộc tính ..............................................................................126
Hình 4.23 Giao diện chọn hàm callbacks ....................................................................127
Hình 4.24 Kiểm tra kết quả trong Matlab....................................................................128
Hình 4.25 Cửa số Getting Started của LabVIEW .......................................................132
Hình 4.26 Cửa sổ Front Panel và Block Diagram .......................................................136

Hình 4. 27 Các kiểu dữ liệu cơ bản trong LabVIEW ..................................................138
Hình 4.28 Giao diện bảng điều khiển ..........................................................................138
Hình 4.29 Sơ đồ lập trình LabView ............................................................................139
Hình 4.30 Chức năng các khối lệnh được sử dụng .....................................................139

vii


Danh mục các bảng biểu

Bảng 2.1 Sơ đồ chân rãnh cắm ISA trên mainboard của máy IBMPC – XT,AT. ........ 21
Bảng 2.2 Các địa chỉ vào ra của máy vi tính IBMPC - AT........................................... 22
Bảng 2.3 Cho vị trí các tín hiệu trên slot ....................................................................... 25
Bảng 2.4 Sơ đồ chân rãnh cắm PCI 64 bit .................................................................... 25
Bảng 2.5 Lệnh PCI (từ C/BE#) ..................................................................................... 27
Bảng 2.6 Sơ đồ chân và ý nghĩa các chân của cổng SPP .............................................. 34
Bảng 2.7 Bảng tín hiệu trong cổng COM chuẩn RS-232C: .......................................... 39
Bảng 3.1 Bảng sơ đồ chân giao tiếp dữ liệu chuẩn SATA ............................................ 66

viii


CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG
1.1. Máy tính trong điều khiển quá trình
1.1.1. Khái niệm cơ bản
Ngày nay việc sử dụng máy tính nói riêng và vi xử lý nói chung trong các dây
chuyền sản xuất hiện đại đã là yêu cầu bắt buộc để tăng năng suất và chất lượng sản
phẩm. Trong các sản phẩm dân dụng việc sử dụng vi xử lý góp phần tăng tính thơng
minh của sản phẩm và tạo tiện lợi cho người sử dụng.
Để mô tả cụ thể của máy tính trong điều khiển quá trình, chúng ta cần định nghĩa

quá trình là gì. Quá trình vật lý (a physical process) là tổ hợp các tác vụ được thực thi
để tác động lên, thay đổi, một điều gì đó trong thế giới thực. Sự chuyển động, phản
ứng hóa học và truyền nhiệt là các quá trình. Sản phẩm (materials) và năng lượng
(energy) là thành phần cơ bản hiển nhiên của q trình vật lí.
Mơi trường
Nhiễu
Sản phẩm vào

Sản phẩm ra
Q trình vật lí

Năng lượng vào

Năng lượng ra

Thơng tin

Thơng tin

vào

ra

Hình 1.1 Mơ hình q trình vật lý tổng quát
Máy tính số là thiết bị quan trọng xử lí thơng tin (Hình 1.2) và có thể tác động lên
thơng tin liên quan đến q trình (Hình 1.3).
Thơng tin vào

Máy tính số

Thơng tin ra

Hình 1.2 Hoạt động của máy tính số

1


Vi xử lý được sử dụng trong điều khiển và đo lường dưới ba dạng:
- Máy tính điều khiển (Máy vi tính-MVT).
- Vi xử lý điều khiển nhúng (cịn gọi là vi điều khiển-VĐK), nghĩa là vi điều khiển
là một bộ phận không tách rời của thiết bị được điều khiển.
- Bộ điều khiển logic lập trình được PLC.
Cả ba dạng trên được thiết kế dựa trên cơ sở hoạt động của vi xử lý với chức năng xử
lý thông tin theo sơ đồ hình 1.3

Mơi trường

Nhiễu

Sản phẩm vào

Sản phẩm ra

Q trình vật lí
Năng lượng vào

Năng lượng ra
Tín hiệu đo lường
Và điều khiển

Thiết bị nhập
(bàn phím)

Máy tính

Thiết bị xuất
(Màn hình)

Hình 1.3 Máy tính trong điều khiển q trình

1.1.2. Lịch sử phát triển
Một ứng dụng đầu tiên của máy tính điều khiển quá trình là vào năm 1959; liên
quan đến một số chức năng ở nhà máy hóa dầu tại Port Arthur, Texas(UAS). Cơng
trình đầu tiên kết hợp giữa cơng ty Thomson ramo Woolridge và Texaco. RW300,
máy tính dùng đèn điện tử, kiểm sốt dịng chảy, nhiệt độ, áp suất và phân tử trong nhà
máy lọc (hóa dầu). Máy tính tính tốn tín hiệu điều khiển mong muốn dựa trên dữ liệu
vào và thay đổi điểm đặt của bộ hiệu chỉnh analog và chỉ thị người vận hành các điều
khiển được thực hiện bằng tay.
2


Độ tin cậy phần cứng thấp vì dùng đèn điện tử. Phần mềm được viết bằng lập trình
hợp ngữ. Phương pháp tốn học cổ điển dựa trên phân tích thời gian liên tục không thể
dùng trực tiếp cho thiết kế vịng lặp điều khiển để hiện thực trên máy tính. Điều khiển
máy tính ban đầu minh họa sự cần thiết cho lý thuyết điều khiển lấy mẫu, cung cấp
nền tảng cho sự phát triển. Chương trình khơng gian của Mỹ trong thập niên 1960 và
đặc biệt dự án Apollo đã hiện thực cho cơng trình lý thuyết và thực tiễn.
Vào năm 1962, ICI (Imperial Chemical Industries) giới thiệu khái niệm điều khiển
số trực tiếp DDC(Direct digital control); ý tưởng là thay vịng điều khiển analog thơng
thường bằng máy tính trung tâm. Ý tưởng của DDC vẫn còn được áp dụng trong nhiều

hệ thống điều khiển máy tính ngày nay.
Tên gọi điều khiển số trực tiếp nhằm nhấn mạnh rằng máy tính điều khiển q trình
một cách trực tiếp. Tính linh hoạt là thuận lợi của hệ thống DDC. Sự phát triển bán
dẫn trong thập niên 1960 dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của máy tính. Ba yếu tố: phần
cứng máy tính tốt hơn, q trình ít phức tạp hơn, và lý thuyết điều khiển phát triển,
được kết hợp lại gia tăng sự thành cơng của điều khiển máy tính.
Đây là thời kỳ máy tính mini. Các địi hỏi về máy tính điều khiển q trình gắn chặt
với sự phát triển của cơng nghệ mạch tích hợp. Có thể thiết kế hiệu quả hệ thống điều
khiển quá trình bằng máy tính mini. Máy tính q trình tiêu biểu thời kì này có độ dài
từ 16 bit. Bộ nhớ chính là 8-124 K words. Ổ đĩa được sử dụng thông thường là bộ nhớ
phụ. CDC 1700 là máy tính tiêu biểu thời kì này.
Các ứng dụng máy tính thơng dụng trong điều khiển công nghiệp là bus mở. Giao
tiếp (bus) giữa các mođun vận hành được nhấn mạnh. Phần cứng máy tính phát triển
mạnh mẽ, năng lực tính tốn mạnh, lý thuyết điều khiển phát triển: điều khiển hiện đại,
điều khiển thông minh (hệ mờ và mạng nơrôn). Các ứng dụng điều khiển máy tính gia
tăng. Phi thuyền thám hiểm mặt trăng Apollo 11 vào năm 1969 có máy tính với 64
KByte bộ nhớ chính.
Thời kỳ máy vi tính và sử dụng đa năng của điều khiển máy tính.
Việc sử dụng dễ dàng của điều khiển máy tính bị giới hạn trong hệ thống cơng
nghiệp lớn vì máy tính số chỉ dùng trong các máy đắt tiền, lớn, chậm và không tin cậy.
Sự phát triển của công nghệ vi điện tử tiếp tục cùng tiến bộ trong công nghệ VLSI;
năm 1990 bộ vi xử lý trở nên thông dụng. Thị trường lớn như là điện tử ô tô đã dẫn
đến sự phát triển của máy tính chuyên dụng được gọi là vi điều khiển, trong đó chip
máy tính chuẩn có sẵn A/D và D/A, thanh ghi và các đặc điểm khác làm cho giao tiếp
dễ dàng với thiết bị vật lý. Điều khiển q trình hiện thực dùng kỹ thuật khí nén hay
điện tử nhưng luôn là điều khiển dựa vào máy tính. Điều khiển số với thuật tốn PID.
Máy điều khiển số NC và điều khiển số bằng máy tính CNC cũng được phát triển.
3

Hệ thống điều khiển số phát triển, cả phần cứng và phần mềm. Cấu trúc của toàn
thể giải pháp gồm đơn vị phần cứng, mô đun phần mềm và truyền thơng là thách thức
chính.
Hệ thống tự động hóa cơng nghiệp truyền thống có hai thành phần là bộ điều
khiển và logic role. Bộ điều khiển logic lập trình được PLC được dùng nhiều trong các
dây chuyền cơng nghệ vì khả năng làm việc liên tục và trong môi trường khắc nghiệt.
Cơng nghệ vi xử lí đã nhấn mạnh vào cách máy tính áp dụng vào điều khiển tồn
bộ nhà máy sản xuất. Thật là hiệu quả kinh tế để phát triển hệ thống gồm nhiều máy vi
tính giao tiếp nhau chia sẻ tài nguyên. Những hệ thống như vậy gồm trạm quá trình,
điều khiển quá trình; trạm vận hành ở đó người vận hành q trình giám sát các hoạt
động; và nhiều trạm khác nữa, chẳng hạn cho cấu hình hệ thống và lập trình, lưu trữ dữ
liệu,vv… Hệ thống đầu tiên loại này là Honeywell TDC 2000 vào năm 1975 và nhanh
chóng được phát triển bởi các hãng khác. Thuật ngữ điều khiển phân bố được nhấn
mạnh.
Hệ thống điều khiển và giám sát diện rộng (SCADA). Máy tính cơng nghiệp
mạnh (IPC) làm nhiệm vụ giám sát, kết nối với PLC hay bộ điều khiển thu thập vào ra
hiện trường, các module I/O thông qua mạng Ethernet-TCP/IP hay bus trường . Phần
mềm giao diện người máy (HMI) cùng điều khiển và giám sát hệ thống. Tương lai tiến
đến là CIM, sản xuất tích hợp dùng máy tính. Điều khiển dựa vào máy tính (PC based
Control) là xu hướng phát triển chung hiện nay.
1.1.3. Hệ thống.
Hệ thống hiểu theo quan điểm hộp đen, nghĩa là ta chỉ cần biết quan hệ vào ra của
hệ thống, không quan tâm bên trong hệ hoạt động ra sao. Mục đích của hệ là đạt được
kết quả về định tính và định lượng cao hơn tổng kết quả của từng thành phần đơn.

Vào

Hệ thống
(hộp đen)

Ra

Hệ thống có nhiều loại: điện, hóa học, cơ khí và sinh học. Máy tính cá nhân là hệ
thống được xây dựng với các thành phần cơ bản gồm đơn vị xử lí trung tâm CPU, bộ
nhớ và thiết bị ngoại vi, bus hệ thống. Cùng với phần mềm thêm vào(phần mềm hệ
thống, phần mềm ứng dụng) chúng ta có máy tính mà nó có thể thực hiện nhiều thứ.
Cơ thể con người là hệ thống rất phức tạp được xây dựng với các phần hữu cơ mà thực
hiện các chức năng khác nhau.
Một khía cạnh quan trọng của tri thức hệ thống là hệ thống động.
Mơ hình cho điều khiển gồm có:
4


- Mô tả hệ liên tục.
- Mô tả hệ lấy mẫu.
- Hệ tuần tự hay sự kiện rời rạc.
- Hệ thống với sự không chắc chắn (thông tin khác chắc chắn).
Rõ ràng, có các cách tiếp cận khác nhau phụ thuộc vào mơ hình hệ được sử dụng như
thế nào. Bộ điều khiển khác nhau cần mơ hình đối tượng khác nhau. Chúng ta xem xét
hệ thống ở cả tiếp cận miền thời gian và tiếp cận miền tần số.
1.1.4. Một số ứng dụng tiêu biểu của hệ thống điều khiển máy tính.
Ứng dụng điều khiển máy tính q trình rất nhiều : cơng nghệ cơ khí chế tạo:
NC, CNC , FMS, robot; cơng nghiệp xử lý hóa, dầu khí, nhựa, giấy…; hệ thống năng
lượng điện; điều khiển đèn giao thơng ,vv…
Các q trình có sử dụng máy tính điều khiển rất đa dạng, thí dụ:
- Hệ thống điện.
- Dàn khoang dầu khí, nhà máy hóa dầu..
- Nhà máy hóa chất, xi măng, giấy, nhựa..
- Nhà máy cơ khí chế tạo và lắp ráp (NC, CNC, robot..), FMS.
- Hệ thống điều khiển giao thông.

Cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển bằng máy tính ở hình 1.4, và gồm có các
bộ phận sau :
- Bộ xử lí trung tâm (bao gồm vi xử lý, bộ nhớ..).
- Các kênh truyền thơng liên lạc giữa người-máy tính và máy-máy.
- Các thiết bị ghép nối và chuyển đổi tương tự-số, số - tương tự.
- Cảm biến (cảm biến nhiệt, áp suất, dịch chuyển, vận tốc..).
- Chấp hành(Relay, động cơ, van khí và thủy lực, xy lanh..).
- Quá trình vật lý.

5


Máy tính trung tâm
Người vận
hành

Máy vi tính
Giao diện
Tín hiệu
nhị phân

Đổi TT-số

Đổi số - TT

Khuếch đại cơng suất

Tín hiệu
nhị phân

Khuếch đại cơng suất

Chấp hành

Cảm biến

Q trình

Hình 1.4 Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng máy tính
Tùy theo độ phức tạp của đối tượng điều khiển ta có thể sử dụng một cơng cụ máy
tính hoặc là hệ thống nhiều máy tính ghép với nhau theo mạng phân bố và phân cấp.
Việc giao tiếp giữa các máy tính thường là giao tiếp tuần tự không đồng bộ. Giao tiếp
người-máy thực hiện qua bàn phím(keyboard, touch panel), màn hình (CRT, LCD)
hay kênh âm thanh.
Tín hiệu đo lường điều khiển có 2 dạng: nhị phân(on/off) và tương tự. Đối với
những tín hiệu tương tự từ cảm biến, cần sử dụng các bộ chuyển đổi ra dạng điện áp
hay dòng rồi chuyển từ tương tự sang số(ADC). Tín hiệu điều khiển dạng số cần
chuyển sang tương tự (DAC). Tùy theo loại cơ cấu chấp hành ta cần các bộ khuếch đại
công suất phù hợp (KĐCS lớp B, điều rộng xung, điều khiển pha, biến tần, khóa bán
dẫn, role).
Do bản chất làm việc của máy tính là tuần tự nên máy tính chỉ giao tiếp với bên
ngồi theo những khoảng thời gian rời rạc vì vậy hệ thống điều khiển dùng máy tính là
hệ thống điều khiển rời rạc(lượng tử) và các vấn đề phát sinh như thời gian lấy mẫu,
thời gian trễ do tính tốn xử lý, sai số do lượng tử vì độ phân giải có hạn của chuyển
đổi A/D và D/A cần phải được xét đến.

6


1.2. Điều khiển phân cấp và tích hợp hệ thống

Hệ thống điều khiển quá trình thực tế thường là hệ thống phức tạp bao gồm
Nhiều vi xử lí thể hiện dưới ba dạng máy vi tính, VĐK và PLC. Lấy thí dụ máy CNC
tức là máy cơng cụ điều khiển số bằng máy tính gồm các phần sau :
- Mức thấp nhất là các bản mạch điều khiển truyền động điện động cơ bước hay
động cơ chấp hành dùng để tạo chuyển động theo ba chiều. Các bản mạch này sử dụng
VĐK làm nhiệm vụ đo và điều khiển vị trí theo trị số đặt từ mức trên đưa xuống.
- Trên một mức là bộ điều khiển số NC sử dụng VĐK có màn hình tinh thể lỏng và
bàn phím ghép với các bản mạch điều khiển và ấn định độ dịch chuyển các trục. Các
khoảng dịch chuyển theo ba trục có thể đưa vào bằng bàn phím(điều khiển bằng tay),
băng đục lỗ hoặc từ máy tính chạy chương trình CAD/CAM đưa xuống. Quỹ đạo
dao(hai hay ba chiều ) được hiển thị trên màn hình tinh thể lỏng cịn các toạ độ hiển thị
dưới dạng nhị phân.
- Bên cạnh bộ điều khiển số có thể thêm một PLC làm các nhiệm vụ có tính chất
lặp và đơn điệu như phun chất giải nhiệt thay dao, điều khiển truyền động chính .. liên
laic với VĐK ở mức hai.
- Trên cùng là máy vi tính lập ra đường đi của dao cắt dựa trên yêu cầu gia công và
công nghệ cắt gọt. Máy vi tính sẽ chuyển xuống cho bộ điều khiển số chương trình gia
cơng.
Máy vi tính

Giao diện
người- máy

Bộ điều
khiển số

PLC

Bản mạch
Điều khiển

Bản mạch
Điều khiển

Máy cơng
cụ

Hình 1.5 Cấu trúc điều khiển phân cấp máy CNC
Mở rộng ra cho quá trình phức tạp thí dụ như nhà máy. Mức thấp nhất là các máy
và các đơn vị sản xuất tiếp xúc trực tiếp với quá trình (dây chuyền). Ở mức trên là các
7


tế bào sản xuất gồm nhiều máy kết hợp (phân xưởng). Lịch sản xuất của các phân
xưởng do phòng kế hoạch sản xuất đưa xuống trên cơ sở kế họach của hội đồng quản
trị và giám đốc (hình 1.6).

Quản lí

Điều khiển
sảnxuất

Điều khiển quá
trình

Điều khiển

Điều khiển

Điều khiển

cục bộ

cục bộ

cục bộ

Hình 1.6 Điều khiển phân cấp xí nghiệp.
Do tính chất đa dạng của các thiết bị về chủng loại và nhãn hiệu vấn đề ghép nối các
thiết bị nói trên (tích hợp hệ thống- system intergrator) địi hỏi phải có tiêu chuẩn
chung về cơ (kích thước), điện (điện áp, dịng, cáp nối), truyền thông. Hệ thống sản
xuất phức tạp thường cấu trúc theo mạng, thấp nhất là mạng PLC gồm nhiều PLC kết
nối qua mạng MPI, Profibus.. trong mạng có máy tính hay màn hình HMI. Cấp cao
hơn là mạng PLC+ máy tính SCADA(Supervisor Control and Data Acquisition), máy
tính làm nhiệm vụ chẩn đốn hư hỏng, hiển thị, thay đổi thơng số hoạt động của hệ
thống, lưu trữ và tường trình, có thể có nhiều máy tính kết nối theo mạng LAN. Một
dạng phân cấp khác là hệ thống điều khiển phân bố DCS(Distributed Control System),
trong mạng có máy tính giám sát, máy tính điều khiển q trình, PLC, RTU(Remote
Terminal Unit), FCU(Field Control Unit) hoạt động dưới một chương trình bảo đảm
năng suất, chất lượng sản phẩm, tránh ngừng dây chuyền sản xuất.
1.3. Điều khiển vịng hở và điều khiển vịng kín.
1.3.1. Điều khiển vòng hở:
Hệ thống điều khiển vòng hở (Hệ thống không hồi tiếp)
Thành phần của hệ thống điều khiển vòng hở thường được chia làm hai phần: bộ
điều khiển và q trình bị điều khiển (cịn gọi là đối tượng điều khiển).

8


Bộ điều

khiển

r(t)

u(t)

ĐTĐK

c(t)

Hình 1.7 Hệ thống điều khiển vịng hở
Trong đó : r(t) là tín hiệu vào, c(t) là tín hiệu ra, u(t) là tín hiệu điều khiển.
1.3.2. Điều khiển vịng kín (Điều khiển hồi tiếp):
Hệ thống điều khiển vịng kín (Hệ thống điều khiển có hồi tiếp).
Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển (HTĐK) vịng kín :

r(t)

e(t)

Bộ điều

Đối tượng,

u(t)

q trình điều khiển
(ĐT)

khiển

(ĐK)

c(t)

Bộ so sánh cn(t)

Cảm biến, thiết bị đo
lường
(ĐL)

Hình 1.8 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển (HTĐK) vịng kín
Trong đó: r(t) là tín hiệu vào; c(t) là tín hiệu ra; c*(t) là tín hiệu hồi tiếp và u(t) là tín
hiệu điều khiển.
Một hệ thống điều khiển bao gồm 3 thành phần cơ bản đó là đối tượng điều khiển,
cảm biến hay thiết bị đo lường và bộ điều khiển dùng để hiệu chỉnh các hành vi của
hệ.
Tín hiệu đầu ra bộ so sánh e(t) = r(t)- c*(t), là sai số, ở hình vẽ 1.9 cũng chính là tín
hiệu đầu vào của bộ điều khiển.
Hệ thống điều khiển số:
Hệ thống điều khiển bằng máy tính chứa cả tín hiệu liên tục và tín hiệu lấy mẫu hay
rời rạc theo thời gian. Những hệ thống như vậy về truyền thống được họi là hệ thống
lấy mẫu dữ liệu.
Hệ thống điều khiển bằng máy tính (Computer-controlled system) cịn được gọi là
hệ thống lấy mẫu dữ liệu (sampled-data system). Sơ đồ khối hệ như sau

9


Clock
Máy tính

{y(tk )đ}

A-D

Giải

{u(tk )đ}

D-A

thuật

U(y)

Q
trình

Y(t)

(đối
tượng)

Hình 1.9 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển bằng máy tính.
Thuật tốn điều khiển: PID, đặt cực, tối ưu tuyến tính dạng tồn phương (LQ).
Các thí dụ của hệ thống điều khiển bằng máy tính:
- Điều khiển vị trí.
- Điều khiển tốc độ.
- Điều khiển nhiệt độ.
- Điều khiển dòng (lưu lượng)(Flow control).

- Điều khiển áp suất.
- Điều khiển cơng suất, dịng điện, điện áp.
- Điều khiển cường độ sáng.
1.4. Các thành phần chính trong máy tính điều khiển
Mục đích chính của tập bài giảng là thể hiện quan điểm tích hợp của điều khiển máy
tính trong các q trình cơng nghiệp.
Các kiến thức lý thuyết nền tảng cần thiết mà người đọc cần biết :
- Tính tốn cơ bản.
- Lý thuyết mạch điện cơ bản.
- Lý thuyết điều khiển hồi tiếp cơ bản.
- Nguyên lý cơ bản về cấu trúc máy tính và hoạt động.
- Ngơn ngữ lập trình cấp cao như là Basic, Pascal, Fortran, C/C++, Visual
Basic, Delphi, Visual C++/Visual C#.
Khi sử dụng máy tính điều khiển q trình ta phải giải quyết các vấn đề sau:
- Ghép nối máy tính với ngoại vi (cảm biến và chấp hành).
- Lập trình điều khiển thời gian thực bao gồm các chương trình con đo, xử lý
số, thuật tốn điều khiển, xuất tín hiệu điều khiển.
- Truyền thông và mạng công nghiệp.
10


1.4.1. Hệ thống máy tính
Máy tính, hay gọi là máy vi tính, là những thiết bị hay hệ thống dùng để tính tốn
hay kiểm sốt các hoạt động mà có thể biểu diễn dưới dạng số hay quy luật lôgic.
Máy tính được lắp ghép bởi các thành phần có thể thực hiện các chức năng đơn giản
đã định nghĩa trước. Quá trình tác động tương hỗ phức tạp của các thành phần này tạo
cho máy tính một khả năng xử lý thơng tin. Nếu được thiết lập chính xác (thơng
thường bởi các chương trình máy tính) máy tính có thể mơ phỏng lại một số khía cạnh
của một vấn đề hay của một hệ thống. Trong trường hợp này khi được cung cấp một bộ
dữ liệu thích hợp nó có thể tự động giải quyết vấn đề hay dự đoán trước sự thay đổi

của hệ thống.
Trong phần lớn các máy tính ngày nay, trước hết, mọi vấn đề sẽ được chuyển thành
các yếu tố toán học bằng cách diễn tả mọi thông tin liên quan thành các số theo hệ nhị
phân (hệ thống đếm dựa trên các số 0 và 1 hay còn gọi là hệ đếm cơ số 2). Sau đó, mọi
tính tốn trên các thơng tin này được tính tốn bằng đại số Bool (Boolean algebra). Khi
máy tính kết thúc tính tốn một vấn đề, kết quả của nó được hiển thị cho người sử
dụng thấy thơng qua thiết bị xuất như: màn hình, máy in, ...
- Máy tính là cơng cụ xử lý thơng tin. Về cơ bản, q trình xử lý thơng tin trên máy
tính cũng giống như q trình xử lý thơng tin của con người gồm có 4 giai đoạn chính.

Hình 1.10 Q trình xử lý thơng tin trên máy tính
+ Nhận thơng tin (Receive input): thu nhận thông tin từ thế giới bên ngồi vào
máy tính. Thực chất đây là q trình chuyển đổi các thông tin (dạng số hoặc tương tự)
ở thế giới thực sang dạng biểu diễn thông tin trong máy tính thơng qua các thiết bị
đầu vào.
+ Xử lý thơng tin (process information):là q trình biến đổi, phân tích, tổng
hợp, tra cứu... những thơng tin ban đầu để có được những thông tin mong muốn.
+ Xuất thông tin (produce output) : đưa các thông tin kết quả (đã qua xử lý) ra
trở lại thế giới bên ngoài. Đây là quá trình ngược lại với q trình ban đầu, máy tính
11


sẽ chuyển đổi các thơng tin trong máy tính sang dạng thông tin ở thế giới thực thông
qua các thiết bị đầu ra.
+ Lưu trữ thông tin (store information): ghi nhớ lại các thơng tin đã được ghi
nhận để có thể đem ra sử dụng trong những lần xử lý về sau.
- Để đáp ứng 4 thao tác đó thì một máy tính thơng thường cũng gồm bốn thành
phần hợp thành, mỗi thành phần có một chức năng riêng:
+ Thiếp bị nhập (input device) : thực hiện thao tác đưa dữ liệu từ thế giới bên
ngoài vào, thường là bàn phím và con chuột, nhưng cũng có thể là các loại thiết bị

khác. Các thiết bị nhập có thể sẽ phải quaquá trình chuyển đổi ADC để phù hợp với
quá trình xử lý trong máy tính.
+ Thiết vị xử lý : hay đơn vị xử lý trung tâm - CPU thực hiện thao tác xử lý,
tính tốn các kết quả, điều hành hoạt động tính tốn của máy vi tính, có thể xem CPU
như một bộ não của con người.
+ Thiết bị xuất (Output) thực hiện thao tác gửi thông tin ra ngồi máy vi tính,
màn hình máy tính là thiết bị xuất chuẩn, có thể thêm một số khác như máy in, loa…
+ Thiết bị lưu trữ (storage devices) được dùng để cất giữ thông tin. Lưu trữ sơ
cấp (primary momery) là bộ nhớ trong (ROM, RAM) của máy tính dùng để lưu các
tập lệnh của chương trình, các thông tin dữ liệu sẵn sàng trong tư thế chuẩn bị làm
việc theo yêu cầu của CPU. Lưu trữ thứ cấp (secondary storage) là lưu trữ với mục
đích cất giữ dữ liệu thường dùng các thiết bị như đĩa cứng, đĩa mềm, CD,..

Hình 1.11 Các thành phần của máy tính

12


1.4.2. Bản mạch chính (Mainboard):
- Là bảng mạch điện quan trọng nhất bên trong máy tính, trên đó có các linh kiện và
những bộ phận tối cần thiết cho hoạt động của một máy tính. Hình 1.12 giới thiệu sơ
lược tổ chức một bản mạch chính hiện đại.

Hình 1.12 Sơ đồ khối đơn giản bản mạch chính của hệ vi tính PC
- Phần trung tâm của bản mạch là bộ vi xử lý. Hỗ trợ cho các hoạt động của máy
tính như điều khiển bus, điều khiển vào ra, bộ nhớ trước đây có các vi mạch hỗ trợ, cịn
ngày nay các vi mạch đó thường được tích hợp bên trong vi mạch tổng hợp mà thuật
ngữ thường dùng là chipset.

13

Hình 1.13 Cấu tạo chi tiết 1 bo mạch chủ (Mainboard)
Trên bản mạch chính cịn có bộ nhớ RAM, ROM, một loạt các khe cắm mở rộng để
người dùng có thể cắm thêm các thẻ bổ sung chức năng và các bộ phối ghép như bộ
phối ghép điều khiển đĩa cứng, đĩa mềm, điều khiển bàn phím, chuột, màn hình......
Liên lạc giữa các thiết bị trên được thực hiện thông qua hệ thống bus. Để hệ thống máy
tính làm việc được bình thường trên bản mạch chính cịn cần phải có một mạch tạo các
xung điện gọi là đồng hồ hệ thống (system clock) nhằm duy trì hoạt động và đồng bộ
hoá CPU với các bộ phận liên quan với nhau.
1.4.3. Bộ xử lý trung tâm (CPU)
- Đơn vị xử lý trung tâm (Central Processing Unit) - CPU là bộ não của máy vi tính,
tiến hành điều khiển mọi hoạt động, xử lý dữ liệu theo chương trình được thiết lập
trước. Nó là một mạch tích hợp phức tạp gồm hàng triệu transitor trên một bảng mạch
nhỏ. Một CPU có thể thi hành hàng triệu lệnh mỗi giây, để như vậy, trong một CPU
tiêu biểu phải có nhiều thành phần phức tạp với các chức năng khác nhau hoạt động
nhịp nhàng với nhau để hoàn thành các tập lệnh chương trình.
- CPU hiện nay khơng hàn vào Mainboard mà được cắm vào một đế cắm gọi là
Socket có khố chắc chắn. Ví dụ PGA470, PGA478 (Pentium 4), PGA 775, PGA1155
(vi xử lý đa nhân).

14


Hình 1.14 Một số loại CPU thơng dụng
1.4.4. Bộ nhớ (Memory)
 Bộ nhớ trong
- Cơng việc chính của CPU là thi hành các mã lệnh của chương trình, nhưng trong
cùng thời điểm CPU chỉ có khả năng giải quyết một ít trong phần dữ liệu. Như vậy phần
còn lại của dữ liệu được đọc vào phải cần một chỗ nào đó để lưu giữ lại sẵn sàng cho

CPU xử lý, do đó RAM hay bộ nhớ chính sẽ nhận nhiệm vụ này. Bộ nhớ này thuộc thiết
bị lưu trữ sơ cấp (primary storage) và sẽ mất dữ liệu khi mất nguồn cung cấp.
 Bộ nhớ ngồi
- Máy tính có các thiết bị ngoại vi có khả năng nhận và xuất dữ liệu, đó là các ổ đĩa
máy tính, nơi ghi nhớ các thông tin dữ liệu. Nhũng thiết bị này gọi là các thiết bị lưu trữ
thứ cấp (secondary starage). Khác với thiết bị lưu trữ sơ cấp, bộ nhớ thứ cấp này có thể
lưu dữ liệu ngay cả khi khơng có nguồn cung cấp.Về mặt lý thuyết, dữ liệu trên loại này
có thể tồn tại vĩnh viễn và có thể được đọc, ghi, sửa hay xóa bất cứ thời điểm nào.
1.5. Câu hỏi và bài tập chương 1
1. Trình bày đặc trưng của hệ thống máy tính trong điều khiển quá trình.
2. Lịch sử phát triển của điều khiển máy tính q trình.
3. Hệ thống là gì? Cho ví dụ minh họa.
4. Trình bày cấu trúc hệ thống điều khiển bằng máy tính.
5. Trình bày hệ thống thu thập dữ liệu.
6. Cấu trúc điều khiển phân cấp máy CNC.
7. Bài tốn điều khiển máy tính q trình tiêu biểu cần có những đáp ứng nào.
8. Trình bày hệ thống điều khiển liên tục và số.
15


CHƯƠNG 2
CẤU TRÚC NGOẠI VI GIAO TIẾP MÁY TÍNH
Giới thiệu chung
Máy tính tương thích IBM là loại máy tính phổ biến trên thế giới, tuỳ theo ứng dụng
có thể phân thành :
- Máy tính để bàn.
- Máy tính cơng nghiệp.
- Máy tính panel.
- Máy tính kiểu nhúng.
Giao tiếp với máy tính có các cách sau:

- Card chuyển đổi A/D và D/A cắm vào rãnh cắm ISA hay PCI.
- Cổng song song.
- Cổng nối tiếp.
- Cổng USB.
- Wireless, Bluetooth, hồng ngoại.
CPU dùng 2 cách để liên lạc với các bộ phận vào ra:
+ Cách thứ nhất thường được dùng: là cách dùng một vùng địa chỉ của bộ nhớ làm
vùng địa chỉ của các ngoại vi. Khi đọc hay viết vào vùng địa chỉ này của bộ nhớ là
liên hệ đến các ngoại vi.
+ Cách thứ hai, dùng mã lệnh riêng biệt cho vào/ra (tức là có các lệnh vào/ra riêng,
khơng trùng với lệnh đọc hay viết vào ô nhớ). Trong trường hợp này, bộ xử lý gửi một
tín hiệu điều khiển cho biết địa chỉ đang dùng là của một ngoại vi. Vi mạch Intel 8086
và máy IBM 370 là các ví dụ về bộ xử lý dùng lệnh vào/ra riêng biệt.
- Dù dùng cách nào để định vị vào/ra thì mỗi bộ phận vào/ra đều có các thanh ghi để
cung cấp thông tin về trạng thái và về điều khiển. Có 2 phương pháp để vi xử lý điều
khiển và kết nối với ngoại vi là phương háp thăm dò và phương pháp ngắt
+ Phương pháp thăm dò (polling): Bộ phận vào/ra dùng bit trạng thái “sẵn sàng” để
báo cho bộ xử lý nó sẵn sàng nhận số liệu. Định kỳ bộ xử lý xem xét bít này để biết bộ
phận vào ra có sẵn sàng hay khơng. Nhược điểm của phương pháp này là làm mất thời
gian của bộ xử lý vì định kỳ phải thăm dị tính sẵn sàng của các thiết bị ngoại vi. đã
dẫn đến phát minh ra ngắt quãng (interrupt)
+ Phương pháp ngắt: việc dùng ngắt để báo cho bộ xử lý biết lúc có một bộ phận
vào/ra cần được phục vụ làm cho bộ xử lý khơng mất thời gian thăm dị xem các ngoại
vi có u cầu phục vụ hay khơng. Thơng thường việc trao đổi số liệu giữa ngoại vi và
CPU thông qua vi mạch thâm nhập trực tiếp bộ nhớ trong (DMA: Direct Memory
Access) được dùng trong nhiều máy tính để chuyển một khối nhiều từ mà khơng có sự
16


can thiệp của CPU.

Hình 2.1 Sơ đồ hoạt động của hệ thống bus có vi mạch DMA
- DMA là một vi mạch chức năng đặc biệt, có nhiệm vụ chuyển số liệu giữa ngoại
vi và bộ nhớ trong, trong lúc đó CPU rãnh rỗi để làm cơng việc khác. DMA nằm
ngoài CPU và tác động như là một chủ của bus. Bộ xử lý khởi động các thanh ghi của
DMA, các thanh ghi này chứa địa chỉ ô nhớ và số byte cần chuyển. DMA chủ động
chuyển số liệu và khi chấm dứt thì trả quyền điều khiển cho bộ xử lý.
- Vi mạch DMA càng thơng minh thì cơng việc của CPU càng nhẹ đi. Nhiều vi
mạch được gọi là bộ xử lý vào/ra (hay bộ điều khiển vào/ra) thực hiện cơng việc mình
theo một chương trình cố định (chứa trong ROM), hay theo một chương trình mà hệ
điều hành nạp vào bộ nhớ trong. Hệ điều hành thiết lập một hàng chờ đợi gồm các
khối điều khiển các bộ phận vào/ ra. Các khối chứa các thông tin như là vị trí của số
liệu (nguồn và đích) và số số liệu. Các bộ xử lý vào/ra lấy các thông tin này trong
hàng chờ đợi, thực hiện các việc cần phải làm và gửi về CPU tín hiệu ngắt khi đã thực
hiện xong cơng việc.
- Một máy tính có bộ xử lý vào/ra được xem như một máy tính đa xử lý vì DMA
giúp cho máy tính thực hiện cùng lúc nhiều quá trình. Tuy nhiên bộ xử lý vào/ra
khơng tổng qt bằng các bộ xử lý vì chúng chỉ làm được một số việc nhất định. Hơn
nữa bộ xử lý vào/ra không xử lý số liệu như các bộ xử lý thường làm. Nó chỉ di
chuyển số liệu từ nơi này sang nơi khác.
Thuật ngữ cổng (port) biểu thị một giao diện giữa máy tính và thiết bị ngoại vi. Các
cổng vào/ra thường là các mạch điện phức tạp. Các cổng này thường có các thanh ghi
dùng để chứa các số liệu (các thanh ghi đệm số liệu), các thanh ghi chứa các từ dữ liệu
ra điều khiển và các thanh ghi lưu trữ từ chỉ trạng thái hiện tại của cổng. Hình minh
hoạ các cổng giao tiếp ở phía sau máy tính. Các cổng giao tiếp thơng dụng:

17