Luận văn tốt nghiệp Phần trang1 GIỚI THIỆU CHUNG CHƯƠNG DẪN NHẬP _ oOo _ Ngày nay, giới khoa học kỹ thuật phát triển nhanh chóng, đặc biệt ngành điện_điện tử Những tiến ngày ứng dụng rộng rãi công nghiệp đời sống sinh hoạt ngày người Hệ thống vi xử lý hay gọi máy tính điện tử ứng dụng đó, thiết bị xử lý thông tin, điều khiển thiết bị bên hay thiết bị công nghiệp cách tự động Trước nhu cầu thực tế, kit vi xử lý công cụ dạy học giúp cho sinh viên nghiên cứu học tập, mà ứng dụng mô hoạt động máy tính điện tử, đưa tiến khoa học kỹ thuật dẫn vào đời sống đại Trong khả kiến thức học, tâm thực đề tài: “THIẾT KẾ – THI CÔNG KIT VI XỬ LÝ 8086” để đáp ứng nhu cầu Vi xử lý hệ thống số dựa sở linh kiện chủ yếu vi xử lý (CPU) Tùy thuộc vào cấu trúc vi xử lý riêng biệt phần điều khiển mà ta bao gồm nhiều loại vi mạch Dưới điều khiển chương trình vi xử lý thực phép tính số học logic, đồng thời tạo tín hiệu điều khiển cho nhớ thiết bị vào Những mệnh lệnh gọi chương trình nguồn chứa nhớ đọc (ROM), điện liệu nhớ không bị mất, Reset máy chương trình thi hành trước tiên khởi tạo cho máy làm việc Khi làm việc CPU đọc lệnh thực chúng Do ta nói vi xử lý cấu trúc phần cứng xử lý phần mềm Đề tài không giúp cho sinh viên hòan thành luận văn tốt nghiệp mà hình thành sinh viên kinh nghiệm, sáng tạo động Sau đề tài kết hợp với ngành chuyên môn khác để phát triển mô hình hoàn thiện GVHD: NGUYỄN ĐÌNH PHÚ SVTH: NGÔ VĂN BÌNH Luận văn tốt nghiệp trang2 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ LUẬN _ oOo _ I XÂY DỰNG ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN: 1) Xác định nhiệm vụ nghiên cứu: Việc chọn đề tài xuất phát từ hai lý do: - Khách quan: công nghiệp có nhu cầu đại hóa thiết bị theo xu hướng cải tiến hóa thiết bị khí sang thiết bị điều khiển tự động ứng dụng kỹ thuật điện tử - Chủ quan: nhu cầu học tập, nghiên cứu, rèn luyện kỹ thực hành, ứng dụng vốn kiến thức khoa học kỹ thuật tiên tiến trực tiếp vào lónh vực sản xuất Nhiệm vụ nghiên cứu nhằm đạt mục đích chủ yếu: + Mục đích trước mắt: thỏa mãn yêu cầu đề theo phương châm “Học đôi với hành” + Mục đích sau cùng: Tích lũy kinh nghiệm, rèn luyện nâng cao lực, tạo lónh để sẵn sàng tham gia lao động sản xuất, hòa nhập vào bước tiến hệ 2) Phân tích tài liệu liên hệ: Trong thời gian nghiên cứu đề tài, người nghiên cứu thống tham khảo số tài liệu có liên quan khoảng thời gian cho phép - Phương pháp luận nghiên cứu khoa học: tìm hiểu cấu trúc hình thức đề tài nghiên cứu khoa học phương pháp tư để giải vấn đề - Kỹ thuật vi xử lý Trần Văn Trọng: Tài liệu cung cấp cấu trúc vi xử lý 8086 - Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn Dương Minh Trí: cung cấp sơ đồ chân bảng trạng thái họat động IC linh kiện bán dẫn - Cấu trúc máy tính: Lê Anh Việt: Tài liệu cung cấp kiến thức cấu trúc máy tính, tổ chức CPU, hợp ngữ cách lập trình - The 8086/8088 Family Design Programing and Interfacing – John uffnbeck: tài liệu cung cấp kỹ thuật kết nối vi xử lý phần mềm ứng dụng - Kỹ thuật vi xử lý – Văn Thế Minh: tài liệu cung cấp kỹ thuật giao tiếp với thiết bị ngoại vi GVHD: NGUYỄN ĐÌNH PHÚ SVTH: NGÔ VĂN BÌNH Luận văn tốt nghiệp trang3 II KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU: 1) Dàn ý nghiên cứu: Phần I: Giới thiệu chung Phần II: Thiết kế phần cứng Kit 8086 Phần III: Xây dựng phần mềm hệ thống Phần IV: Thi công Kit 8086 2) Đối tượng nghiên cứu: Vi xử lý trung tâm điều khiển đối tượng, điều khiển hệ thống máy tự động, dây chuyền sản xuất… Để hệ thống xử lý thi hành chức điều khiển mong muốn, phải lập trình ngôn ngữ tương ứng với hệ vi xử lý Vì đối tượng nghiên cứu thiết kế khối điều khiển tương quan phần cứng phần mềm để vận hành chức họat động thực máy GVHD: NGUYỄN ĐÌNH PHÚ SVTH: NGÔ VĂN BÌNH Luận văn tốt nghiệp trang4 CẤU TRÚC BỘ VI XỬ LÝ 8086 Chương I _ oOo _ I CẤU TẠO: Bên gồm hai khối chính: Khối thực EU (Execution Unit) Khối giap tiếp bus (Bus Interface Unit) Bus địa Bus liệu Điều khiển bus tạo địa Các bus hệ thống  AHALBHBL CHCLDHDL BPDISISP 6543214321 Hàng đợi lệnh CSESSSDSIP Các ghi đoạn Bus liệu nội Arithmetic logic unit (ALU) Các cờ Excution Unit (EU) Bus Interface Unit (BIU) Hình 1.1: Sơ đồ khối 8086 GVHD: NGUYỄN ĐÌNH PHÚ SVTH: NGÔ VĂN BÌNH Luận văn tốt nghiệp trang54321 Bộ vi xử lý thực lệnh theo bước sau: Lấy lệnh từ nhớ Đọc toán hạng (nếu lệnh yêu cầu) Thực lệnh Ghi kết 1) Khối thực hiện: Nhiệm vụ khối thực lệnh thực lệnh chương trình Nó gồm có khối số học – logic (ALU) cho phép thực phép tính số học (+ , - , * , /) phép logic (AND, OR, NOT…) Trong khối thực có số ô nhớ gọi ghi dùng để chứa liệu cho phép tính Mỗi ghi giống ô nhớ ngoại trừ chúng đặt tên thay dùng số để địa EU (Execution Unit) có ghi công dụng chung chia thành hai nhóm: nhóm ghi liệu nhóm ghi số  Các ghi liệu (Data Register): AHALBHBLCHCLDHDL AX (Accumulator) BX (Base) CX (Count) DX (Data)  Các ghi số trỏ (Index & Pointer Register): SPBPSIDI  Con troû Stack (Stack Pointer) Con trỏ (Base Pointer) Chỉ số nguồn (Source Index) Chỉ số đích (Destnation Index) Các ghi đoạn (Segment Register): CSDSSSES Đoạn mã (Code Segment) Đoạn liệu (Data Segment) Đoạn Stack (Stack Segment) Đoạn thêm (Extra Segment)  Các ghi trạng thái điều khiển (Status & Control Register): IPFlag Con trỏ lệnh (Intruction Pointer) Cờ  Các ghi liệu: Có bốn ghi liệu ký hiệu là: AX, BX, CX, DX, người lập trình sử dụng cho thao tác với liệu Mặc dù vi xử lý thao tác với liệu nhớ, lệnh thực nhanh ghi (cần chu kỳ đồng hồ hơn) Đó nguyên nhân vi xử lý đại có xu hướng nhiều ghi GVHD: NGUYỄN ĐÌNH PHÚ SVTH: NGÔ VĂN BÌNH Luận văn tốt nghiệp trang6 Các byte cao byte thấp ghi truy cập độc lập: Byte cao ghi AX gọi AH byte thấp gọi AL Tương tự cho byte cao byte thấp ghi BX CX DX BH & BL CH & CL, DH & DL Nhờ điều mà ta có nhiều ghi làm việc với số liệu có kích thước byte dài Trong đa số lệnh ghi liệu chọn tùy ý ghi lại có chức riêng cố định số lệnh  Thanh ghi tích lũy AX (Accumulator): Là ghi sử dụng nhiều lệnh số học – logic truyền liệu việc sử dụng ghi tạo mã máy ngắn Trong thao tác nhân chia số hạn tham gia phải chứa AH AL, thao tác vào/ra sử dụng ghi AH AL  Thanh ghi sở BX (Base): Thanh ghi BX dùng cho tính toán địa phương pháp định địa gián tiếp  Thanh ghi đếm CX (Count): Việc thực chương trình lập thực dễ dàng nhờ ghi CX, CX đóng vai trò đếm vòng lập Một thí dụ khác việc sử dụng ghi CX lệnh REP (Repeat) lệnh điều khiển lớp lệnh chuyên thao tác chuỗi CL sử dụng biến đếm lệnh dịch hay quay bit  Thanh ghi liệu DX (Data): DX dùng để định địa gián tiếp thao tác vào ra, sử dụng chứa toán hạn, kết phép nhân chia  Thanh ghi trỏ số: Các ghi SP, BP, SI, DI thường trỏ tới ô nhớ (tức chức địa offset ô nhớ đó) Khác với ghi đoạn, ghi trỏ ngăn xếp sử dụng thao tác số học số thao tác khác  Thanh ghi trỏ – ngăn xếp SP (Stack Pointer): Di chuyển từ địa cao đến địa thấp, dùng để kết hợp với ghi đoạn Stack SS (Stack Segment) để lưu trữ địa trở liệu vào ngăn xếp  Thanh ghi trỏ sở BP (Base Pointer): Thanh ghi dùng để truy cập liệu ngăn xếp mà không làm thay đổi SP Tuy nhiên, khác với SP ghi BP sử dụng đễ truy cập liệu đoạn khác  Thanh ghi số nguồn SI (Source Index): Thanh ghi SI sử dụng để trỏ tới ô nhớ đoạn liệu định ghi đoạn liệu DS (Data Segment), truy cập dễ dàng ô nhớ liên tiếp cách tăng SI  Thanh ghi số đích DI (Destination Index): GVHD: NGUYỄN ĐÌNH PHÚ SVTH: NGÔ VĂN BÌNH Luận văn tốt nghiệp trang7 Thanh ghi DI có chức tương tự ghi SI dùng kết hợp với ghi đoạn thêm ES (Extra Segment) Cả hai DI SI thích hợp thao tác chép, di chuyển so sánh khối liệu có dung lượng đến 64KB  Thanh ghi trỏ lệnh IP (Intruction Pointer): 8086 không thực lệnh trực tiếp nhớ mà lệnh lấy hàng đợi lệnh có cấu tạo giống ghi dịch (FIFO: First In First Out: vào trước trước) chứa mã lệnh cung cấp khối BIU Thanh ghi IP đến lệnh chưa nhập vào hàng đợi lệnh dùng kết hợp với ghi CS Thanh ghi IP cập nhật có lệnh thực xong, khác với ghi khác, IP không bị tác động trực tiếp lệnh  Thanh ghi cờ (Flag Register): Thanh ghi cờ 8086 có độ dài 16bit (2byte) byte thấp chứa bit trạng thái giống 80854321 phản ánh trạng thái vi xử lý, byte cao chứa 1bit trạng thái bit 11 bit điều khiển dùng để điều khiển hoạt động vi xử lý Sau cấu tạo ghi cờ 8086: 154321 O D I T S Z A P C Thanh ghi cờ 8086: C: carry flag P: parity flag A: auxiliary flag Z: zero flag S: sign flag T: trap flag I: interrupt enable flag D: direction flag O: overflow flag + Cờ nhớ CF: Cờ nhớ CF thiết lập có số nhớ từ bit MSB Trong phép cộng số thiếu phép trừ (MSB lệnh byte bit lệnh word bit 154321) cờ CF bị ảnh hưởng lệnh quay dịch + Cờ chẳn lẻ PF: Sau lệnh số học logic lệnh byte số lượng số ‘1’ byte kết chẳn cờ PF thiết lập ‘1’ ngược lại ‘0’nếu lẻ, lệnh word xét byte thấp + Cờ nhớ phụ AF: GVHD: NGUYỄN ĐÌNH PHÚ SVTH: NGÔ VĂN BÌNH Luận văn tốt nghiệp trang8 Cờ nhớ phụ thiết lập có nhớ (cộng) có thiếu (trừ) từ phân nửa đến phân nửa toán hạn (đối với lệnh byte bit lệnh word bit 7) cờ AF sử dụng thao tác với số BCD + Cờ zero ZF: Cờ zero thiết lập kết + Cờ dấu SF: Cờ dấu ‘1’ bit MSB kết ‘1’ tức số âm, lệnh byte MSB bit lệnh word bit 154321 + Cờ bẫy TF: Tạo khả thực chương trình theo bước, TF ‘1’ 8086 phát sinh ngắt loại (ngắt cứng) Chương trình DEBUG sử dụng thi hành lệnh T (trace) để chạy bước lệnh Đầu tiên DEBUG thiết lập cờ TF chuyển điều khiển cho lệnh Sau lệnh thi hành vi xử lý phát sinh ngắt TF lập DEBUG sử dụng phục vụ ngắt để lấy quyền điều khiển từ vi xử lý + Cờ ngắt IF: Cờ ngắt sử dụng để điều khiển ngắt phần cứng bên ngoài, cờ thiết lập ngắt phần cứng ngắt 8086 Khi xóa IF, ngắt bên không tác dụng (bị che) Thực ngắt cứng không che NMI (Non Maskable Interrupt) Trước vi xử lý trao quyền điều khiển cho phục ngắt xóa IF TF, phục ngắt không bị ngắt Tất nhiên phục vụ ngắt đổi cờ phép ngắt thi hành + Cờ tràn OF: Cờ tràn ‘1’ có tượng tràn ngược lại ‘0’ Hiện tượng tràn cho thấy thật phạm vi biểu diễn số máy tính có giới hạn Phạm vi biểu diễn số có dấu word từ –32768 đến +32767 byte từ –126 đến +127 Đối với số không dấu từ đến 65432154321354321 cho word từ đến 25432154321 cho byte Nếu kết phép tính vượt phạm vi tượng tràn xảy kết nhận bị cắt bớt kết + Cờ điều khiển DF: Là ba cờ điều khiển dùng điều khiển thao tác vi xử lý công dụng DF dịch hướng cho thao tác chuỗi, thao tác thực hai ghi số SI & DI, nội dung hai ghi tự động tăng lên DF = giảm xuống DF =1 2) Khối giao tiếp (BIU): Khối giao tiếp làm đơn giản việc liên lạc EU nhớ vi mạch vào Nó có nhiệm vụ gởi địa chỉ, số liệu tín hiệu điều khiển vào bus, BIU & EU liên hệ với bus nội bộ, EU thi hành lệnh, BIU nạp byte mã lệnh vào đặt chúng vào hàng đợi lệnh, mục GVHD: NGUYỄN ĐÌNH PHÚ SVTH: NGÔ VĂN BÌNH Luận văn tốt nghiệp trang9 đích việc làm tăng tốc độ vi xử lý Nếu EU cần liên lạc với nhớ hay thiết bị ngoại vi, BIU treo lệnh nhận trước thực thực thao tác cần thiết BIU cấu tạo gồm ghi đoạn trỏ lệnh dùng để chứa địa ô nhớ a) Các ghi đoạn: Được dùng để lưu trữ địa lệnh liệu nhớ, vi xử lý dựa giá trị để truy cập nhớ Bộ nhớ tập hợp byte ô nhớ, byte có địa xác định 8086 gán cho ô nhớ địa vật lý 20 bit Như vậy, định địa đến 220 byte (tương đương 1MB) ô nhớ, byte nhớ có địa sau: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0000 0000 0000 0000 0010 0000 0000 0000 0000 0011 0000 0000 0000 0000 0100 Để đơn giản, địa thường biểu diễn số thập lục phân sau: 00000H 00001H 00002H ………… H tiếp tục giá trị lớn FFFFFH Do địa lớn (20 bit) chứa ghi 8086 (16 bit) nên 8086 chia nhớ thành đoạn nhớ (Memory Segment) Một đoạn nhớ khối gồm 16 (64K) ô nhớ liên tiếp nhau, đoạn xác định địa đoạn địa 0, địa đoạn số 16 bit nên địa đoạn lớn FFFF Bên đoạn số ô nhớ xác định địa tương đối (offset), số byte tính từ đầu đoạn, với đoạn 64K offset số 16 bit, byte đoạn có offset byte cuối FFFF Một ô nhớ xác định địa đoạn:địa tương đối đoạn (segment:offset) gọi địa logic Thí dụ: ô nhớ A4FB:4872 có địa đoạn A4FB địa offset 4872 Để tìm địa vật lý ô nhớ trước tiên ta dịch địa đoạn bên trái bit sau cộng với địa offset, địa vật lý ô nhớ A4FB:4872 tính sau: A4FB0 4872 A9822 b) Sắp xếp đoạn: GVHD: NGUYỄN ĐÌNH PHÚ SVTH: NGÔ VĂN BÌNH Luận văn tốt nghiệp trang10 Trong nhớ đoạn địa 0000:0000 = 00000 kết thúc 0000:FFFF = 0FFFF, đoạn địa 0001:0000 = 00010 kết thúc địa 0001:FFFF = 1000F Như vậy, có nhiều chồng đoạn Các đoạn địa cách 16byte địa đầu đoạn kết thúc số 16byte gọi khúc (Paragraph), địa chia hết cho 16 (các địa kết thúc 0) biên giới khúc (Paragraph Boundary) c) Các đoạn chương trình: Mỗi đoạn chương trình ngôn ngữ máy bao gồm lệnh liệu, vùng đặc biệt RAM gọi ngăn xếp (stack) Mã lệnh, liệu ngăn xếp chương trình nạp vào đoạn nhớ khác đoạn mã (code segment), đoạn liệu (data segment), đoạn ngăn xếp (stack segment) Để theo dõi đoạn khác chương trình 8086 cung cấp ghi đoạn để chứa địa đoạn, ghi CS, DS, SS lần lược chứa địa đoạn mã, đoạn liệu, đoạn ngăn xếp Nếu chương trình muốn truy cập đến liệu thứ hai sử dụng ghi đoạn thêm ES (extra segment) Một chương trình cần chiếm hết đoạn 64KB, đặc điểm chồng đoạn cho phép đoạn chương trình nhỏ 64KB đặt gần lại với Tại thời điểm, có ô nhớ định địa ghi đoạn truy cập, nghóa có đoạn nhớ tác động Tuy nhiên nội dung ghi đoạn thay đổi chương trình để truy cập đến đoạn khác d) Hàng đợi lệnh: Như ta biết, để tăng tốc độ vi xử lý, khối BIU tiếp nhận lệnh đưa vào hàng đợi lệnh (Queue) khối EU thi hành lệnh Hàng đợi lệnh nhận byte mã lệnh, lệnh 8086 có độ dài từ đến byte, lệnh chưa vào đầy đủ hàng đợi lệnh khối EU chờ lệnh nạp hết vào hàng đợi lệnh II CHỨC NĂNG CỦA 8086: 1) Sơ đồ chân 8086: 8086 vi xử lý 16 bit gồm 16 đường liệu 20 đường địa chỉ, đường liệu từ D0 đến D154321 đường địa từ A0 đến A154321 hoạt động theo phương pháp đa lộ thời gian 8086 làm việc hai chế độ: Chế dộ Minimum Chế độ Maximum Trong chế độ minimum, 8086 điều khiển thiết bị tín hiệu điều khiển nó, chế độ hỗ trợ xử lý toán học 8087 Trong chế độ maximum cần thiết phải kết hợp với vi mạch điều khiển bus 8288 để tạo tín hiệu đọc – ghi cho nhớ thiết bị ngoại vi chế độ cho phép làm việc với 8087 GVHD: NGUYỄN ĐÌNH PHÚ SVTH: NGÔ VĂN BÌNH ... loại sau: GVHD: NGUYỄN ĐÌNH PHÚ SVTH: NGÔ VĂN BÌNH Luận văn tốt nghiệp trang20 - Định địa ghi - Định địa tức thời - Định địa trực tiếp - Định địa gián tiếp - Định địa tương đối Bằng cách kết hợp... đây: - Yêu cầu xảy tr? ?-? ?c T2 - Chu kỳ hành byte thấp word (ở địa lẻ) - Chu kỳ hành không trạng thái chấp nhận ngắt - Không có thị khóa Nếu bus không bận có yêu cầu có hai trường hợp xảy - Bus... (output): GVHD: NGUYEÃN ĐÌNH PHÚ SVTH: NGÔ VĂN BÌNH Luận văn tốt nghiệp trang154321 Ngõ cho biết trạng thái hàng đợi lệnh, thông tin cần thiết cho Co-processor QS0 0 1 QS1 1 MN/ M/ +Vcc Trạng