Mạch giao diện máy tính (tài liệu cung cấp các kiến thức liên quan đến các phương pháp cơ bản để ghép nối máy vi tính với thiết bị ngoại vi và các hệ thống chuyên biệt theo yêu cầu)

ThS. Lấ MINH C

MạCH GIAO DIệN MáY TíNH

TRNG I HC LÂM NGHIỆP - 2021


ThS. LÊ MINH ĐỨC

BÀI GIẢNG

MẠCH GIAO DIỆN MÁY TÍNH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - 2021



LỜI NĨI ĐẦU
Cơng nghệ kỹ thuật số đã và đang đóng vai trị then chốt trong cuộc cách
mạng khoa học kỹ thuật và công nghệ. Ngày nay, công nghệ số có mặt trong hầu hết
các thiết bị từ thiết bị dân dụng đến thiết bị công nghiệp, đặc biệt trong các lĩnh vực
điều khiển tự động, cơ điện tử, thông tin liên lạc... và kỹ thuật số đã và đang thay
thế dần kỹ thuật tương tự.
Vấn đề ghép nối máy tính với thiết bị ngoại vi tổng hợp xây dựng hệ thống
phần cứng cần sử dụng các kiến thức về kỹ thuật điện tử, điện tử số, kỹ thuật vi xử
lý, kiến trúc máy tính và kỹ năng lập trình qua mạng máy tính.
Mạch giao diện máy tính là mơn học chuyên ngành của ngành Công nghệ kỹ
thuật Cơ điện tử, cung cấp các kiến thức liên quan đến các phương pháp cơ bản để
ghép nối máy vi tính với thiết bị ngoại vi và các hệ thống chuyên biệt theo yêu cầu.
Nội dung bài giảng Mạch giao diện máy tính có 7 chương, được biên soạn cho
hệ Đại học chính qui ngành Cơng nghệ kỹ thuật Cơ điện tử nhằm giúp sinh viên có

các kiến thức cơ bản về ghép nối máy tính với thiết bị ngoại vi, các kỹ thuật biến
đổi tín hiệu, kỹ thuật truyền số liệu song song, nối tiếp và đặc biệt là phương thức
truyền số liệu qua cổng giao tiếp vạn năng USB đang rất phổ biến trong các hệ
thống thông tin số và dây truyền sản xuất tự động. Bài giảng Mạch giao diện máy
tính là tài liệu học tập chính thức cho sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật Cơ điện
tử và là tài liệu tham khảo cho các đối tượng khác quan tâm tới kỹ thuật truyền số
liệu và ghép nối thiết bị ngoại vi.
Nội dung bài giảng bao gồm:
- Kỹ thuật chuyển đổi tín hiệu tương tự - số, số - tương tự được trình bày ở các
chương 1, 2;
- Giao thức ghép nối qua các rãnh cắm mở rộng được trình bày ở các chương 3, 4;
- Kỹ thuật truyền dữ liệu song song, nối tiếp, USB và mô phỏng ghép nối thiết
bị cơ bản chuột và bàn phím được trình bày ở chương 5, 6 và 7.
Bài giảng được biên soạn phù hợp với chương trình mơn học Mạch giao diện
máy tính đã được Trường Đại học Lâm nghiệp phê duyệt.
Mặc dù đã rất cố gắng trong quá trình biên soạn và chỉnh sửa nội dung, song
đây là lần biên soạn đầu tiên nên chắc chắn không thể tránh được sai sót, rất mong
nhận được sự góp ý của các đồng nghiệp và các sinh viên để bài giảng được hoàn
thiện hơn trong những lần tái bản sau. Các ý kiến góp ý xin gửi về: Bộ mơn Kỹ thuật
điện & Tự động hóa, Khoa Cơ điện & Cơng trình, Trường Đại học Lâm nghiệp.
Tác giả
i


ii


MỤC LỤC
Lời nói đầu .................................................................................................................. i
Mục lục ...................................................................................................................... iii

Chương 1. ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT GHÉP NỐI MÁY TÍNH .................. 1
1.1. Cấu trúc chung của hệ thống ........................................................................... 1
1.2. Yêu cầu trao đổi tin của máy vi tính đối với mơi trường bên ngồi ................ 3
1.2.1. u cầu trao đổi tin với người điều hành .................................................. 3
1.2.2. Yêu cầu trao đổi tin với thiết bị ngoài trong hệ đo lường - điều khiển ..... 3
1.2.3. Yêu cầu trao đổi tin trong mạng máy tính................................................. 3
1.3. Dạng và các loại tin trao đổi giữa máy vi tính và thiết bị ngồi (TBN) .......... 3
1.3.1. Dạng tin (số).............................................................................................. 3
1.3.2. Các loại tin ................................................................................................ 3
1.4. Vai trò và nhiệm vụ của khối ghép nối (KGN) ............................................... 4
1.4.1. Vai trò ........................................................................................................ 4
1.4.2. Nhiệm vụ .................................................................................................... 4
1.5. Cấu trúc chung của một hệ ghép nối máy tính ................................................ 6
1.5.1. Mơ hình chung của một khối ghép nối ...................................................... 6
1.5.2. Cấu tạo và nhiệm vụ các khối ................................................................... 7
1.6. Phần mềm phục vụ điều khiển giữa máy tính và khối ghép nối .................... 18
1.6.1. Lập trình hợp ngữ (assembly) ................................................................. 19
1.6.2. Lập trình Pascal ...................................................................................... 20
1.6.3. Lập trình C/C++ ..................................................................................... 20
Câu hỏi và bài tập chương 1 ..................................................................................... 21
Tài liệu tham khảo chương 1 .................................................................................... 23
Chương 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU ......................... 24
2.1. Khái niệm tín hiệu analog và hệ đo lường điều khiển số .............................. 24
2.2. Chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự DAC................................................... 25
2.2.1. Các tham số chính của một bộ DAC ....................................................... 26
2.2.2. Các phương pháp biến đổi số - tương tự ................................................ 30
2.2.3. Một số vi mạch DAC thơng dụng ............................................................ 39
2.3. Chuyển đổi tín hiệu tương tự - số ADC ......................................................... 46
2.3.1. Các tham số chính của một ADC ............................................................ 46
2.3.2. Các bước chuyển đổi AD......................................................................... 47

iii


2.3.3. Các phương pháp AD ...............................................................................48
2.3.4. Một số vi mạch ADC thông dụng .............................................................57
Câu hỏi và bài tập chương 2......................................................................................64
Tài liệu tham khảo chương 2.....................................................................................66
Chương 3. THỦ TỤC TRAO ĐỔI DỮ LIỆU CỦA MÁY TÍNH .......................67
3.1. Các chế độ trao đổi dữ liệu của máy tính .......................................................67
3.1.1. Chế độ trao đổi tin của máy tính với thiết bị ngồi .................................68
3.1.2. Thủ tục trao đổi tin trong chế độ chương trình .......................................68
3.2. Trao đổi tin ngắt vi xử lý ................................................................................70
3.2.1. Các loại ngắt của máy vi tính PC ............................................................71
3.2.2. Xử lý ngắt cứng trong IBM - PC ..............................................................75
3.2.3. Lập trình xử lý ngắt cứng .........................................................................79
3.3. Trao đổi tin trực tiếp bộ nhớ ...........................................................................82
3.3.1. Cơ chế họat động .....................................................................................82
3.3.2. Họat động của DMAC ..............................................................................83
3.3.3. Chip điều khiển truy nhập bộ nhớ trực tiếp DMAC 8237 ........................84
Câu hỏi và bài tập chương 3......................................................................................90
Chương 4. GHÉP NỐI QUA RÃNH CẮM MỞ RỘNG ......................................93
4.1. Đặt vấn đề .......................................................................................................93
4.2. Bus PC ............................................................................................................94
4.3. Bus ISA 16 bit ................................................................................................95
4.4. Bus PCI ...........................................................................................................98
4.5. Bus AGP (Accelerated Graphics Port) .........................................................104
Tài liệu tham khảo chương 4...................................................................................108
Chương 5. GHÉP NỐI TRAO ĐỔI TIN SONG SONG ....................................109
5.1. Khối ghép nối song song đơn giản ...............................................................109
5.1.1. Cổng vào đơn giản .................................................................................109

5.1.2. Cổng ra đơn giản ...................................................................................109
5.2. Các vi mạch đệm, chốt (74LS245, 74LS373) ..............................................110
5.2.1. Vi mạch đệm 74LS245 ............................................................................110
5.2.2. Vi mạch chốt 74LS373 ...........................................................................111
5.3. Vi mạch PPI 8255A ......................................................................................112
5.3.1. Giới thiệu chung .....................................................................................112
iv


5.3.2. Các lệnh ghi/đọc các cổng và các thanh ghi điều khiển ....................... 113
5.3.3. Các từ điều khiển................................................................................... 114
5.3.4. Ghép nối 8255A với máy tính và thiết bị ngồi..................................... 119
5.4. Ghép nối song song qua cổng máy in .......................................................... 122
5.4.1. Giới thiệu chung .................................................................................... 122
5.4.2. Cấu trúc cổng máy in ............................................................................ 124
5.4.3. Các thanh ghi của cổng máy in ............................................................. 125
5.4.4. EPP - Enhanced Parallel Port .............................................................. 128
5.4.5. Điều khiển ra ngoài qua cổng song song .............................................. 133
5.4.6. Đưa dữ liệu vào máy vi tính qua cổng song song ................................. 146
Câu hỏi và bài tập chương 5 ................................................................................... 149
Tài liệu tham khảo chương 5 .................................................................................. 151
Chương 6. GHÉP NỐI TRAO ĐỔI TIN NỐI TIẾP ......................................... 152
6.1. Đặt vấn đề .................................................................................................... 152
6.2. Yêu cầu và thủ tục trao đổi tin nối tiếp ........................................................ 152
6.2.1. Yêu cầu .................................................................................................. 152
6.2.2. Trao đổi tin đồng bộ (Synchronous) ..................................................... 153
6.2.3. Trao đổi tin không đồng bộ - Asynchronous ......................................... 154
6.3. Truyền thông nối tiếp sử dụng giao diện RS-232 ........................................ 155
6.3.1. Quá trình truyền một byte dữ liệu ......................................................... 155
6.3.2. Cổng nối tiếp RS-232 ............................................................................ 156

6.4. Giao tiếp USB của máy PC ......................................................................... 176
6.4.1. Giới thiệu chung .................................................................................... 176
6.4.2. Mô tả hệ thống USB .............................................................................. 176
6.4.3. Giao diện vật lý ..................................................................................... 178
6.4.4. Sự điểm danh ......................................................................................... 183
6.4.5. Các kiểu truyền USB ............................................................................. 184
6.4.6. Giao thức USB....................................................................................... 185
6.4.7. Khn dạng các gói tin ......................................................................... 188
Câu hỏi và bài tập chương 6 ................................................................................... 191
Tài liệu tham khảo chương 6 .................................................................................. 193

v


Chương 7. GIAO TIẾP VỚI CÁC THIẾT BỊ NGOẠI VI CƠ BẢN ...............194
7.1. Giao tiếp với bàn phím và chuột...................................................................194
7.1.1. Bàn phím ................................................................................................194
7.1.2. Chuột ......................................................................................................200
7.2. Giao tiếp PC Game .......................................................................................202
7.3. Monitor và card giao diện đồ họa .................................................................203
7.3.1. Nguyên lý hiện ảnh trên monitor............................................................203
7.3.2. Card giao tiếp đồ họa ............................................................................205
Tài liệu tham khảo chương 7...................................................................................215
Đáp án câu hỏi và bài tập ........................................................................................216

vi


Chương 1
ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT GHÉP NỐI MÁY TÍNH

Mục tiêu:
Hiểu được cấu trúc tổng quan của hệ vi xử lý; vị trí, chức năng và cấu trúc
chung của khối ghép nối trong một hệ thống máy tính trong đo lường điều khiển.
Xác định được yêu cầu, các thành phần và lập trình điều khiển cho khối ghép nối.
Tóm tắt chương:
+ Cấu trúc chung của hệ thống;
+ Yêu cầu trao đổi tin của máy vi tính đối với mơi trường bên ngoài;
+ Dạng và các loại tin trao đổi giữa máy vi tính và thiết bị ngồi (TBN);
+ Vai trị và nhiệm vụ của khối ghép nối (KGN);
+ Cấu trúc chung của một hệ ghép nối máy tính;
+ Chương trình phục vụ trao đổi tin cho khối ghép nối.
1.1. Cấu trúc chung của hệ thống
Máy vi tính hay hệ vi xử lý đều có cấu trúc chung do Von Newman đề xuất
gồm khối xử lý trung tâm (CPU), bộ nhớ (Memory) và các cổng vào/ra (I/O), như
Hình 1.1. Ngồi ra, máy tính cịn cần phải trao đổi dữ liệu với mơi trường bên
ngồi, ví dụ như giao tiếp với người sử dụng qua bàn phím, màn hình, trao đổi dữ
liệu với các thiết bị ngoại vi thông dụng, các thiết bị ngoài trong hệ đo - điều khiển
và các máy tính khác trong mạng. Do đó, các khối ghép nối (KGN) thiết bị ngoại vi
được xây dựng, gồm:
+ KGN các thiết bị vào chuẩn như bàn phím, chuột…
+ KGN các thiết bị ra chuẩn như màn hình, máy in…
+ KGN các bộ nhớ ngoài chuẩn như ổ cứng, ổ CD…
+ KGN với các máy tính khác trong mạng nhiều máy tính;
+ KGN với hệ vi điều khiển, vi xử lý;
+ KGN với hệ đo - điều khiển.
Trong đó:
VXL: Vi xử lý;
1

RAM (Random Access Memory): Bộ nhớ trong RAM;
ROM (Read Only Memory): Bộ nhớ trong ROM;
BGN: Bộ ghép nối, khối ghép nối;
CN: Công nghiệp;
VĐK: Vi điều khiển.
Đặc biệt, trong hệ đo lường - điều khiển, máy tính nhận dữ liệu trạng thái vật
lý của hệ thống (nhiệt độ, áp suất, điện áp, dịng điện…) dưới dạng tín hiệu điện, từ
đầu dị các bộ cảm biến (sensor), bộ chuyển đổi (tranducer), bộ phát hiện (detector).
Và máy tính cịn nhận thơng tin về trạng thái sẵn sàng hay bận của thiết bị đo.
Máy tính sau đó đưa tín hiệu chấp nhận trao đổi dữ liệu với TBNV, thu thập
và xử lý dữ liệu, tính tốn các tín hiệu điều khiển đưa ra các cơ cấu chấp hành (các
van đóng mở, các rơ le trong mạch điện, các mạch động lực điều tốc động cơ
điện…), hay đưa ra các thông số kỹ thuật cho thiết bị.

Hình 1.1. Cấu trúc của hệ ghép nối máy tính với thiết bị ngoại vi
Ngồi ra, máy tính cịn cần lưu trữ dữ liệu trên ổ cứng, đĩa compact (CD ROM) để tra cứu lúc cần, hiển thị kết quả đo dưới dạng bảng số liệu, dạng đồ thị
hay hình vẽ đồ họa trên màn hình.
2


1.2. Yêu cầu trao đổi tin của máy vi tính đối với mơi trường bên ngồi
1.2.1. u cầu trao đổi tin với người điều hành
Người điều hành trao đổi thông tin với máy tính thơng qua các thiết bị
nhập/xuất cơ bản như chuột, bàn phím, màn hình. Việc trao đổi được thực hiện
thơng qua một giao diện trên màn hình máy tính. Trạng thái họat động của hệ thống
được thể hiện trên giao diện, người sử dụng tác động vào hệ thống qua giao diện
này sử dụng các thiết bị nhập như chuột, bàn phím…
Việc trao đổi thơng tin với người sử dụng cần đảm bảo nhanh, chính xác đồng
thời phải thuận tiện, an toàn cho người sử dụng.
1.2.2. Yêu cầu trao đổi tin với thiết bị ngoài trong hệ đo lường - điều khiển

Trong hệ đo lường - điều khiển, máy tính nhận dữ liệu trạng thái vật lý của hệ
thống (nhiệt độ, áp suất, điện áp, dòng điện...) dưới dạng tín hiệu điện, từ các bộ
cảm biến (sensor), bộ chuyển đổi (transducer), bộ phát hiện (detector) và máy tính
cịn nhận thơng tin về trạng thái sẵn sàng hay bận của thiết bị.
Máy tính sau đó trao đổi dữ liệu với thiết bị ngoại vi, thu thập và xử lý dữ liệu,
tính tốn các tín hiệu điều khiển đưa ra các cơ cấu chấp hành (các van đóng mở, các
rơ le trong mạch điện, các mạch động lực điều tốc động cơ điện...) hay đưa ra các
thông số thiết lập chế độ họat động cho thiết bị.
Ngoài ra, máy tính cịn làm nhiệm vụ lưu trữ dữ liệu để tra cứu, thống kê hoặc
hiển thị kết quả trạng thái họat động của thiết bị dưới dạng đồ thị hay các hình vẽ.
1.2.3. Yêu cầu trao đổi tin trong mạng máy tính
Một máy tính trong mạng cần trao đổi tin với nhiều người sử dụng mạng, với
nhiều máy vi tính khác, với nhiều thiết bị ngoài như: các thiết bị đầu cuối, các thiết
bị nhớ ngoài, các thiết bị lưu trữ và biểu diễn tin.
1.3. Dạng và các loại tin trao đổi giữa máy vi tính và thiết bị ngồi (TBN)
1.3.1. Dạng tin (số)
Máy tính chỉ trao đổi tin dưới dạng số với các mức logic 0 và 1.
Thiết bị ngoài lại trao đổi tin với nhiều dạng khác nhau như dạng số, dạng ký
tự, dạng tương tự, dạng âm tần hình sin tuần hồn.
1.3.2. Các loại tin
a) Máy tính đưa ra thiết bị ngoài
3


- Tin về địa chỉ: Đó là các tin của địa chỉ TBN hay chính xác hơn, là địa chỉ
các thanh ghi (register) của khối ghép nối đại diện cho TBN.
- Tin về lệnh điều khiển: Đó là các tín hiệu để điều khiển khối ghép nối hay
TBN như đóng mở thiết bị, đọc hoặc ghi một thanh ghi, cho phép hay trả lời yêu
cầu hành động...
- Tin về số liệu: Đó là các số liệu cần đưa ra cho thiết bị ngồi.

b) Máy tính nhận tin vào từ TBN về một trong hai loại tin
- Tin về trạng thái của TBN: Đó là tin về sự sẵn sàng hay yêu cầu trao đổi tin,
về trạng thái sai lỗi của TBN.
- Tin về số liệu: Đó là các số liệu cần đưa vào máy tính.
1.4. Vai trị và nhiệm vụ của khối ghép nối (KGN)
1.4.1. Vai trò
Khối ghép nối nằm giữa máy tính và TBN đóng vai trị biến đổi và trung
chuyển tin giữa chúng.
Nguồn

Nguồn
nhận

Nguồn
phát

MVT
Nguồn
nhận

Nguồn
nhận
TBN

Nguồn
phát

Nguồn
nhận

Ghép nối đường dây máy vi tính

Nguồn
phát

Ghép nối đường dây thiết bị ngồi

Hình 1.2: Vị trí và vai trị khối khớp nối
Hình 1.2.
Vị trí và vai trò khối khớp nối

1.4.2. Nhiệm vụ
a) Phối hợp về mức và cơng suất tín hiệu
- Mức tín hiệu của máy tính thường là mức TTL (0 ÷ 5V) trong khi TBN có
nhiều mức khác nhau, thơng thường cao hơn (±15V, ± 48V) hay mức điện công
nghiệp (220V/380V hoặc lớn hơn).
- Cơng suất đường tín hiệu máy tính nhỏ (cỡ chục mA), trong khi công suất
cần cho TBN thường rất lớn, đặc biệt trong cơng nghiệp.
- Do đó, KGN phải biến đổi điện áp và khuếch đại công suất cho phù hợp giữa
máy tính và thiết bị.
4


- Phía máy tính thường dùng các vi mạch 3 trạng thái để ghép nối tín hiệu
vào/ra. Đầu vào/ra sẽ ở mức trở kháng cao khi khơng có trao đổi dữ liệu, để cơ lập
thiết bị với máy tính, hạn chế tiêu thụ cơng suất đường tín hiệu và bảo vệ máy tính.
b) Phối hợp về dạng dữ liệu
Trao đổi tin của máy tính thường là song song ở dạng số, có thể truyền theo 8,
16 hoặc 32 bit, của TBN đôi khi là nối tiếp hoặc chủ yếu là tín hiệu tương tự.
c) Phối hợp về tốc độ trao đổi tin

Máy tính thường họat động với tốc độ cao (tần số lên tới hàng GHz) trong khi
thiết bị thường họat động chậm hơn nhiều. Do đó, cần phải thực hiện đồng bộ về
mặt tốc độ. Việc này thường có sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm. Trên
KGN phải có bộ nhớ đệm để đệm dữ liệu giữa máy tính và thiết bị. KGN nhận từ
máy tính và lưu dữ liệu bộ nhớ đệm rồi truyền cho thiết bị theo nhịp chậm của thiết
bị, giải phóng cho máy tính làm nhiệm vụ khác (phục vụ thiết bị khác, xử lý dữ liệu
hoặc điều khiển hiển thị...). Tương tự, KGN nhận dữ liệu từ thiết bị và chờ máy tính
đọc dữ liệu vào.
d) Phối hợp về phương thức trao đổi tin
Để đảm bảo trao đổi tin một cách tin cậy giữa máy tính và TBN, cần có KGN
và cách trao đổi tin diễn ra theo trình tự nhất định.
e) Việc trao đổi tin do máy tính khởi xướng
(1) Máy tính đưa lệnh để khởi động TBN hay khởi động KGN.
(2) Máy tính đọc trả lời sẵn sàng trao đổi hay trạng thái sẵn sàng của TBN.
Nếu có trạng thái sẵn sàng mới trao đổi tin, nếu không, chờ và đọc lại trạng thái.
(3) Máy tính trao đổi khi đọc thấy trạng thái sẵn sàng.
f) Việc trao đổi tin do TBN khởi xướng
(1) Để giảm thời gian chờ đợi trạng thái sẵn sàng của TBN, máy tính có thể
khởi động TBN rồi thực hiện nhiệm vụ khác.
(2) TBN đưa yêu cầu trao đổi tin vào bộ phận xử lý ngắt của KGN, để đưa yêu
cầu ngắt chương trình cho máy tính.
(3) Nếu có nhiều TBN đưa u cầu đồng thời, KGN sắp xếp theo ưu tiên định
sẵn, rồi đưa yêu cầu trao đổi tin cho máy tính.
(4) Máy tính nhận yêu cầu, sửa soạn trao đổi và đưa tín hiệu xác nhận sẵn sàng
trao đổi.
5


(5) KGN nhận và truyền tín hiệu xác nhận cho TBN.
(6) TBN trao đổi tin với KGN và KGN trao đổi tin với máy tính (nếu đưa

tin vào).
(7) Máy tính trao đổi tin với TBN qua KGN (nếu đưa tin ra).
1.5. Cấu trúc chung của một hệ ghép nối máy tính
1.5.1. Mơ hình chung của một khối ghép nối

A0 ÷ An

Lệnh đọc
Lệnh viết

Giải mã
địa chỉ - lệnh

WR

Các lệnh
chọn chip
(CS)

RD

Xác nhận (INTA)
Lệnh đọc

Thanh ghi
trạng thái
Cấm ngắt

Lệnh viết

Thanh ghi
điều khiển

D0 ÷ Dn

Thanh ghi
đệm viết
DI0 ÷ DIn

Lệnh viết

Yêu cầu A
Yêu cầu B

Điều khiển A

Đường dây thiết bị ngoài

Xử lý ngắt

Phối hợp đường dây thiết bị ngồi

Phối hợp đường dây máy tính

Đường dây máy tính (System bus)

u cầu (INTR)

Điều khiển B

D0 ÷ Dn

DI0 ÷ DIn

Thanh ghi
đệm đọc
Lệnh đọc

Hình 1.3. Cấu trúc chung 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 họat 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.
6


Nếu vào/ra dữ liệu dùng ngắt thì tín hiệu u cầu ngắt ngồi từ thiết bị ngoại vi,
thơng 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 dưới sự giám sát của DMAC
(trong sơ đồ này không mô tả).
1.5.2. Cấu tạo và nhiệm vụ các khối
1.5.2.1. Khối giải mã địa chỉ
- 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 1.4. 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.

Hình 1.5. Vi mạch 74LS138
7


Vi mạch có 8 đầu ra giải mã tác động ở mức thấp từ Y0 đến Y7. Việc chọn đầu
ra giải mã nào do tổ hợp tín hiệu các chân A, B, C. Để vi mạch họat động tín hiệu ở
các chân G2A, G2B, G1 phải đảm bảo đồng thời như sau: G2A = 0, G2B = 0 và G1 = 1.
Bảng 1.1. Họat động của vi mạch
Các đầu vào
Hiệu lực

Các đầu ra

Lựa chọn

G1

G2*

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

L

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

L

H

H

L

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

L

*G2 = G2A + G2B
H = High Level (mức cao), L = Low Level (mức thấp), X = Don’t Care (khơng
xác định).
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.

Hình 1.6. Dùng 74138 giải mã địa chỉ cho 3 vi mạch ROM
8


Có nhiều phương án để giải mã cho một yêu cầu cụ thể khi sử dụng 74138;
chẳng hạn trong Hình 1.6 có thể đưa A19 vào đầu vào của mạch NAND và nối chân
G1 với +5V qua một điện trở (tạo mức “1”).
1.5.2.2. Khối đệm dữ liệu
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:
a) Đệm 1 chiều 74244 (Hình 1.7)

:
Hình 1.7. Vi mạch 74LS244
Vi mạch là bộ đệm gồm 2 nửa 4 bit. Nửa thứ nhất gồm các bit vào là 1A1, 1A2,
1A3 và 1A4; đầu ra là 1Y1, 1Y2, 1Y3 và 1Y4, làm việc khi chân điều khiển 1G (chân
số 1) ở mức thấp. Nửa thứ hai là 2A1, 2A2, 2A3 và 2A4; các đầu ra là 2Y1, 2Y2, 2Y3
và 2Y4, làm việc khi chân điều khiển 2G (chân số 19) ở mức thấp.

Hình 1.7. Vi mạch 74LS244
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.
9


b) Đệm 2 chiều 74245 (Hình 1.8)
Đây là bộ đệm hai chiều 8 bit, để dữ liệu qua được bộ đệm chân E (chân số
19) phải ở mức thấp. Chiều dữ liệu qua bộ đệm phụ thuộc vào mức logic của chân
DIR (chân số 1).
- Khi DIR = 0: Các bit dữ liệu chỉ được phép truyền từ B qua A.
- Khi DIR = 1: Các bit dữ liệu chỉ được phép truyền từ A qua B.

Hình 1.8. Vi mạch 74LS245
c) Mạch chốt 74373 (Hình 1.9)
Vi mạch 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 11) 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 1.9. Vi mạch 74LS373
10

d) Vi mạch dồn kênh 74LS257 (Hình 1.10)
IC 74LS257 có 8 bit vào (các chân 2, 3, 5, 6, 10, 11, 13, 14) đến vi mạch, chỉ
có 4 đường ra (1Y, 2Y, 3Y, 4Y) được điều khiển qua làm 2 lần bằng giá trị chân
A/B: Lần 1 chân này = 0 các bit thấp (D0 - D3) được truyền qua; lần 2 A/B = 1 các
bit cao (D4 - D7) được truyền qua.

Hình 1.10. Vi mạch 74LS257
e) Vi mạch chuyển mạch CD4051 (Hình 1.11)
Để vi mạch làm việc chân INH (chân số 6) ở mức thấp. Thay đổi tổ hợp ABC 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 1.11. Vi mạch CD4051
11


f) Thanh ghi dịch 74LS164
Bảng 1.2. Họat động của 74LS164
Inputs

Chế độ
Reset (Clear)

Outputs

MR

A

B

Q0

Q1-Q7

L

X

X

L

L-L

H

L

L

L

Q 0 - Q6

H

L

L

L

Q 0 - Q6

H

H

L

L

Q 0 - Q6

H

H

H

H

Q 0 - Q6

Shift

Hình 1.12. Vi mạch 74LS 164
Tín hiệu nối tiếp được 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 xóa các đầu ra Qi. Khi MR ở mức thấp các đầu ra song song được xóa về 0.

Hình 1.13. Mạch điều khiển đèn sáng dần bằng 74LS164
12


Để hiểu sự làm việc của 74LS164 ta có thể xem sơ đồ Hình 1.13. Chân A và B
nối với +5V qua điện trở 2,7 K 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 khóa nên các LED khơng 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 khóa và các LED1,..., LED7 tắt.
- Khi có xung CLK thứ hai → đèn T0 mở, trạng thái Q0 được chuyển sang Q1
→ đèn T1 mở ...LED0, LED1 sáng...
- 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.
g) Vi mạch giải mã 74LS154 (Hình 1.14)
Vi mạch họat động khi G1 (chân số 18) và G2 (chân số 19) ở mức thấp.
Tùy theo tổ hợp ABCD nào mà các đầu ra (từ chân 1 đến chân 17) sẽ được
kích họat ở mức thấp.

Hình 1.14. Vi mạch 74154
h) Giới thiệu mạch bảng chữ điện tử
Bảng chữ điện tử dùng các đèn LED là một công cụ hiển thị các thông tin hoặc
làm biển quảng cáo rất tiện lợi với giá thành rẻ. Hiện nay, các bảng quảng cáo hiển
thị không dùng các diode phát quang đơn lẻ ghép thành ma trận hoặc thành chữ mà
dùng các biển LCD có độ sáng và độ mịn của ảnh cao, tuy nhiên giá thành của loại

bảng này đắt hơn). Các đèn LED có thể ghép từ các LED rời hoặc từ các khối ghép
13


sẵn kích thước 8x8 hoặc 16x16. Ví dụ: Ở Hình 1.15 mơ tả hiển thị dịng chữ “15
Volt” trên 3 khối ghép 8x8 LED.

Hình 1.15. Hiển thị ký tự trên bảng chữ điện tử
Một khối ma trận LED 8x8 gồm các đèn được ghép như Hình 1.16.

Hình 1.16. Ma trận LED 8x8
Ma trận gồm 8 hàng và 8 cột. Các LED trên cùng một hàng được nối các chân
Anode với nhau. Các LED trên cùng một cột được nối các chân Cathode với nhau.
Trạng thái sáng (tối) của một LED được quyết định bởi điện áp trên đồng thời
cả hai cực Anode và Cathode của LED. Để LED sáng thì Cathode phải nối âm (nối
cột với mức điện áp “0”), khi đó trên cột này nếu Anot của đèn nào ở mức “1” thì
đèn đó sẽ sáng.
Ví dụ: Trên Hình 1.15 để sáng ký tự “1” trong chuỗi “15 Volt” thì việc qt
dịng và qt cột như sau:
- Đưa điện áp cột thứ nhất về 0.
Sau đó, quét lần lượt các hàng 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8:
 Điện áp đưa vào hàng 1 là 0V → đèn 1 trên cột 1 tắt;
 Điện áp đưa vào hàng 2 là 5V → đèn 2 trên cột 1 sáng;
 Điện áp đưa vào hàng 3 là 0V → đèn 3 trên cột 1 tắt;
14


 Điện áp đưa vào hàng 4 là 0V → đèn 4 trên cột 1 tắt;
 Điện áp đưa vào hàng 5 là 0V → đèn 5 trên cột 1 tắt;
 Điện áp đưa vào hàng 6 là 0V → đèn 6 trên cột 1 tắt;

 Điện áp đưa vào hàng 7 là 0V → đèn 7 trên cột 1 tắt;
 Điện áp đưa vào hàng 8 là 0V → đèn 8 trên cột 1 tắt.
+ Đưa điện áp cột thứ hai về 0.
Sau đó, quét lần lượt các hàng 1, 2 , 3, 4, 5, 6, 7, 8:
+ Điện áp đưa vào hàng 1 là 5V → đèn 1 trên cột 1 sáng;
+ Điện áp đưa vào hàng 2 là 5V → đèn 2 trên cột 1 sáng;
+ Điện áp đưa vào hàng 3 là 5V → đèn 3 trên cột 1 sáng;
+ Điện áp đưa vào hàng 4 là 5V → đèn 4 trên cột 1 sáng;
+ Điện áp đưa vào hàng 5 là 5V → đèn 5 trên cột 1 sáng;
+ Điện áp đưa vào hàng 6 là 5V → đèn 6 trên cột 1 sáng;
+ Điện áp đưa vào hàng 7 là 5V → đèn 7 trên cột 1 sáng;
+ Điện áp đưa vào hàng 8 là 5V → đèn 8 trên cột 1 sáng.
Tiếp tục quét với các cột 3,..., 8 bằng cách như trên sau đó chuyển sang các
khối ma trận 8x8 thứ hai và thứ 3. Như vậy, về thực chất là tại một thời điểm chỉ có
1 điểm ảnh được xác định trạng thái. Muốn để nhận biết được thông tin không nhấp
nháy thì quá trình quét và hiển thị phải thực hiện để sao cho tần số hiển thị một
điểm ảnh phải lớn hơn 24 - 25 lần/s (trong thực tế muốn chất lượng ảnh đẹp, rõ thì
có thể phải tăng đến 50 - 60 lần/s).

Hình 1.17. Quét cột bằng 74HC595
15


Hình 1.17 mơ tả dùng một thanh ghi dịch để quét cột. Tùy theo mạch phần
cứng thiết kế để sử dụng thanh ghi dịch nào chẳng hạn 74164, 74595... Trong Hình
1.17 sử dụng vi mạch 74595. Nếu các đầu ra QAQBQC...QH = 1 thì các transitor
tương ứng (mỗi transitor nối với một cột) sẽ dẫn điện và các Cathode trên cùng cột
đó được nối với đất (0V).

Hình 1.18. Qt hàng bằng cổng B của PIC 16F877A

Việc quét hàng có thể dùng trực tiếp từ cổng của một vi điều khiển ra (trên
hình vẽ dùng cổng B của vi điều khiển PIC 16F877A) hoặc dùng qua các vi mạch
giải mã 74154 (để quét được 16 hàng).
Dữ liệu hiển thị bằng bảng chữ điện tử có thể là cố định hoặc có thể cập nhật
từ máy tính PC. Khi đó, việc truyền dữ liệu giữa PC và hệ vi xử lý điều khiển bảng
chữ được thực hiện qua đường truyền nối tiếp. Thông qua một phần mềm giao tiếp
trên PC người sử dụng nhập các thông tin cần hiển thị qua bàn phím hoặc từ CSDL
để gửi sang hiển thị trên bảng chữ điện tử.
16