Slide thiết bị ngoại vi kỹ thuật ghép nối bùi quốc anh

Môn học
Thiết bị ngoại vi & Kỹ thuật
ghép nối
(Peripherals & Interfacing
Technique)
By Bùi Quốc Anh,
Computer Engineering Dept.
(Tài liệu nội bộ - Confidence)

P&I

/>
Email:
(PREFERED CONTACT – VN UNICODE ONLY)
1


Tài liệu tham khảo
Sách:
-

Microprocessor Interfacing techniques, R. Zaks & A. Lease, Sybex
Micro Processor and Interfacing, D. Hall, McGraw Hill;
IBM PC AT Technical Reference (Buses, IO Ports), IBM;
Introduction to the PC Architecture, IBM PC Institute, 1997
Interfacing to IBM PC – L. C. Eggebrecht, IBM Corp.
Parallel Port Complete, J.Axelson, LakeViewResearch.
Mastering Serial Communication, P.W. Gofton, Sybex.
PC Intern (System Programming), M. Tischer, Abacus.
Programming & Interfacing the 8051 MC, S. Yeralan, AddisonWesley
RTOS

...

P&I

2


Softwares:
- TechHelp Ver. 4.0 / 6.0
- MSDN, Online Help.
- Design tools: OrCAD, Protel, Cadence, Mentor
Graphics...
- Programming Languages (C, Pascal, MASM, C++, VB,
Delphi, VC++...)
- ....

P&I

3


Websites/pdf files:
- IBM, Microsoft, Intel, Motorola ...
- ATMEL: atmel.com/product/microcontrollers 89Cxx
(51/52/2051/8252, AVR/ATmegaxx - RISC, MSC51)...
- RENESAS: T-Engine embedded system
- National Semiconductor:
National.com/products/interface/ ADC-DAC:ADC
0804, 0809, DAC0800/1210, S&H LM198)...
- INTERSIL: intersil.com/products/ICL7109, 7135...

- Analog Devices Inc.: adi.com/products/adc, S&H...:
AD574, AD1674
- USB: usb.org (pdf files for version 1.x & 2.x)
- Cypress – EZ USB, Developing Kit...
- ...
P&I

4


Interfacing
?
Central
Sys.

CPU,
Mem,
Bus,
Control
-lers,
...

1. Hardware
Adapto
r
Ports

Controller
s
HDC,

CRTC

ADC,
DAC

Wide
world
Computerized
Dev: KB,
Printer,
Scanner, Mouse
Specific
Devices: HDD,
CRT, ...
Industry
Objects: Scale,
Furnace,
GenSet,
Tanks,...

2. Software: Device Drivers: SLLs, DLLs,
DRVs,5 VxDs,
P&I


Hình 0.2. Sơ đồ ghép nối thiết bị ngoại vi hiện đại
P&I

6

H 0.3. Ví dụ về hệ nhúng Atmega 32, RISC
P&I

7


H 5.4. RTU –
Sub system
for Tele Data
acquision and
Control

P&I

8


Yêu cầu đ/v học viên
- Cn cú kin thc c bản các môn học: Lý thuyết mạch, Điện
tử, Điện tử số, Kiến trúc máy tính, Vi xử lý, Hệ điều hành, data
Base và các ngơn ngữ lập trình thời gian thực.
- Kết thúc mơn học, sinh viên phải hồn thành bài tập dài, tham
dự đủ các buổi lên lớp lý thuyết (theo qui chế), chữa bài tập,
kiểm tra định kỳ và các buổi thí nghiệm.

P&I

9

nội dung chơng trinh, 60 tiết lý th
Phần A. Kỹ thuË t ghÐp nèi (Interfacing technique)
Ch. 1. Kiến trúc MT: Cấu trúc hệ vi xử lý/MT và hoạt động,
Ch. 2. Giao thức ghép nối
Ch. 3. Các phương pháp trao đổi thông tin:
Polling, Interrupt và DMA,
Ch. 4. Buses: Bus, Standardized Buses: ISA, PCI, Local, SCSI,
USB, GPIB, I2C, IEEE 1394...
Ch. 5. Digital Interface: Cổng song song (PPI, LPT...), cổng nối
tiếp (USART, RS-232C, RS-485...),
Ch. 6. Analog Interface: điện tử analog, DACs và ADCs
Ch. 7. Hệ thống thông tin công nghiệp và các hệ nhúng (Vi điều
khiển): DAS, DCADA và DCS
Ch. 8. Chương trình điều khiển – Device Drivers:
P&I

10


Phần B. thiết bị ngoại vi (peripherals)

Ch. 9. Key-boards: Key-board, Key-pad
Ch. 10. Displays: LEDs, LCDs & CRT
Ch. 11. Massive Storages: Controllers: FDD&FDC, HDD/ CD
& HDC, Tape, DiskChip,
Ch. 12. Printers: Dot-Matrix (pin & thermal), Jet, Laser...
Ch. 13. Sound Devices: Sound card, ...
Ch. 14. Auto ID: Scanner, Camera, Web cam, barcode reader,
RFID, Biometric...

P&I

11


Phần C. bài tập lớn, Gồm các chủ đề sau:

ã Tìm hiểu các thiết bị ngoại vi mới, các chuẩn ghép nối mới (buses,
ports...),
• Xây dựng mạch ghép nối với hệ vi xử lý hoặc máy tính nhúng
(Embedded System) hoặc PC,
• Xây dựng các chương trình điều khiển dưới mơi trường Thời gian
thực – RTOS (Linux – QNX, Windows-CE, VxWorks...),
• Auto ID (Voice recognition, smartcard, barcode, RFIDs,
Biometric...
• Đề tài có sản phẩm demo (khơng bắt buộc), làm tốt được cộng
điểm:
•Tìm hiểu – thiết kế, lập trình ứng dụng các hệ nhúng (RENESAS, ARM,
ATMEL, PIC, INTEL , MOTOROLA, ...)
•Ghép nối PC (comm port)  Atmel 8951  8 channel analog in and/or out,
mmo phỏng quâ trình thực, viết chương trình : DD, vẽ đồ thị, CSDL.
• Ghép nối PC (comm port)  Atmel 8951 keypad+display (LED 7 seg,
LCD...) và đếm xung , mơ phỏng q trình thực, viết chương trình : vi điều
khiển và PC: vẽ đồ thị, CSDL.
P&I
• Điều khiển thiết bị qua mạng điện thoại, trả lời thông tin12
tự động

• Truyền số liệu qua modem: PC  modem [telephone network] 
modem  AT8951  thu thập thông tin, điều khỉển thiết bị,
• Thiết kế giao thức và truyền tin/điều khiển thiết bị hồng ngoại,
• Điều khiển thiết bị qua mạng điện thoại hoặc trả thông tin qua mạng
điện thoại, dùng cơng nghệ DTMF/FSK/ PCM Codec...
• Ơtơ/ Robot dị đường: step/ dc motor theo hành trình, đường đi,
• Robot Hand, tham gia ROBOTCON – có giải được miễn thi.
• Mạch Multi-IO ghép nối ISA bus: Digital In/Out, Multi channel
Analog In, Analog Out, mơ phỏng q trình thực
• Ghép nối ICL 7135 với hệ Vi điều khiển/ISA bus.
• Ghép nối ICL 7109 (binary) với hệ Vi điều khiển/ISA bus.
• Ghép nối AD 574 (12 bit, 35 us) với hệ Vi điều khiển/ISA bus.
• Bảng thơng tin điên tử - quang báo
• I2C bus, Blue Tooth: ghép nối các thiết bị nhúng
• ...

P&I

13


• Phần D. Thí nghiệm:
• Cổng nối tiếp: truyền tin và điều khiển thiết
bị qua Comm port RS-232C,
• Cổng song song:điều khiển thiết qua LPT,
• DAC và phát hàm,
• ADC và hệ thu thập số liệu.
• USB

P&I

14


Ch.1 Kiến trúc hệ VXL – MT
 Kiến trúc thiết bị hệ kinh điển, các hệ nhúng
 Kiến trúc hệ máy tính ‘Hi Performance’ - desktop
 Hoạt động của hệ thống.

P&I

15


1.1. Kiến trúc Hệ VXL, Máy tính kinh điển – Embedded systems
1.1.1. Sơ đồ:
3 phần:
- CS,
- Ngoại vi &
- Interface

P&I

16


1.1.1. a. Central Sub System – CS:
+ CPU: Central Processing Unit:
• Khái niệm: Là bộ điều khiển trung tâm, thực hiện
cơng việc được giao đặt trong bộ nhớ chương trình

bằng cách thực hiện các phép xử lý lên các biến nhị
phân và điều khiển thiết bị ngoại vi.
• Cơng việc bao gồm:
– Tìm lệnh, giải mã lệnh, [tìm tốn hạng, xử lý và cất kết
quả],
– In/Out với các port kiểu Interrupt và DMA để điều khiển
thiết bị ngoại vi.

P&I

17


Đặc trưng – Specifications:
• Kích thước tốn hạng (bit): 4, 8, 12, 16, 32, 64...
• Tốc độ xử lý: Mips/Gips, clock multiplier,
• Kiến trúc:
– RISC (Reduced Instruction Set Computer)vs CISC (Complex
Instruction Set Computer),
– DSP – Digital Signal Processor,
– Micro Controller (Micro Computer One Chip - All in one)

• Pinning/Signalling (Data/Address - Mux, Control bus,
IRQ, HRQ, RD/WR...),
• Register set,
• Instruction set – Addressing Modes,
• Power: Slow/ sleep/ power down modes
• ...
P&I

18


+ Memories (Semiconductor): K/n & ROM:
Khái niệm:
• Lưu thơng tin (ch/tr và số liệu) dạng nhị phân,
• Dung lượng lớn (upto 100s Mega bit), tốc độ truy
nhập nhanh (downto ns access time).
– Physically: tính chất vật lý như thế nào?
• ROMs: Mask ROM, PROM, EPROM, EAROM, OTROM,
NonVolatile mem, ...
• Là bộ nhớ chỉ đọc, vẫn lưu thông tin khi mất điện,
• Package : byte
• Access time:100..120ns
• Ghi/nạp nội dung: T/bị chuyên dùng (ROM Burner
/Programmator)
• Shadow ROM?: copy nội dung từ ROM sang DRAM mỗi khi khởi
P&I động
19


Memories (Semiconductor): SRAM
Lu thông tin tạm thời, không lu đợc khi mất
điện, đọc và ghi đợc, [Read/Write Mem].
Static RAM:
 nhanh (80..3 ns),
 byte/nibble package,
 mËt ®é byte/chip nhá (upto 64/256 KB/
chip),
đắt, tiêu thụ công suất nhiều,

CMOS RAM: chậm và tiêu thụ cực ít, less
W. Vdụ: MC 146818 RealTimeClockCMOS RAM
 Dïng trong c¸c hƯ nhá, cache memory.20
P&I


Memories (Semiconductor): DRAM
Dynamic RAM: DRAM:
 Tèc ®é/Access time (50-70ns), [10..20ns]
Pre-fetched
 MËt ®é bit/chip >> (1 Gbit/chip – 1996,
Korea),
 bit package => DRAM bank,
Tiêu thụ công suất nhỏ.
Thông tin chỉ lu đợc 10ms => refreshing
DRAM với chu kỳ @ 7,5ms => phức tạp.
Dùng trong các h có dung lợng nhớ lớn: máy
tính, máy chủ...
P&I

21


Memories (Semiconductor): FLASH &
Others
Flash memory:
EAROM typed, đọc đợc, xoá từng bank, ghi lại
đợc từng byte. Thông tin lu đợc 20 nm, dùng
nhiều hiện ti và tơng lai: BIOS, diskchip,
USB stick Mem, uC...

Serial EAROM/FLASH: dïng ®Ĩ lu configuration,
dïng bus I2C (Philips). Ví dụ ứng dụng : thẻ vi
mạch, TV, ...
Dual [Quad] Ported RAM: Switching Sys., PGA
RAM-DAC: VGA, VoiceChip
PCMCIA
....
P&I

22


Memories (Semiconductor): Logically:
Bé nhí chøa th«ng tin gì?
 Program memory:
 chứa ch/tr đang đợc thực hiện
Data memory:
các biến ngÉu nhiªn,
 biÕn cã cÊu tróc,
 sè liƯu cã kiĨu truy nhập đặc biệt FIFO,
LIFO (Stack memory).

P&I

23


+ Controllers: [Optional], vi mạch, nâng hiệu
nang (performance) hệ thống, bao gồm:
ã Bộ điều khiển u tiên ngắt PIC Priority

Interrupt Controller, Intel 8259A
 Bé ®iỊu khiĨn truy nhËp trùc tiÕp bé nhí
DMAC – Direct memory Access Controller, Intel
8237A.
 Timer: mạch tạo các khoảng thời gian, PITProgrammable Interval Timer, Intel 8254.
Mạch quản trị nhớ: MMU- Memory
Management Unit, sau này, thờng đợc built on
chip với CPU.
Bus controller/Arbitor
...
P&I

24


+ System Bus: K/n & Addr bus
• PCB (Printed Circuit Board)/ Cable
(Twisted pairs, flat..), slot, connector...
dïng ®Ĩ chun thong tin và năng lợng.
ã Nối hơn 1 slave/master device, time
sharing (dùng chung)
ã Thông tin: Address, data, control, status,
Power Supply
ã Chiều (dir), 3 state (Hi Z), Loading
ADDRESS BUS:

– Tõ c¸c BusMaster (CPU, DMAC, PCI host
Controller) ®Õn SlaveDevices (Mem, Ports)
®Ĩ chän/ chá tõng IO/ Mem location trong
tõng chu kú bus

– n Addr bit  2n Mem Locations & 2m IO
Locations, m
P&I

25