Đồ án Vi mạch Trang BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM  KHOA ĐIỆN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ Giáo viên hướng dẫn : NGUYỄN ĐÌNH PHÚ Sinh viên thực hiện: NGUYỄN KIM HUY 2 Đồ án Vi mạch Trang TP. HCM 1 – … ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM oOo KHOA ĐIỆN ĐỒ ÁN VI MẠCH HỆ VI XỬ LÝ 8085A Giáo viên hướng dẫn : NGUYỄN ĐÌNH PHÚ Sinh viên thực hiện: NGUYỄN KIM HUY 1 – …. 3 Đồ án Vi mạch Trang Lời mở đầu òch sử phát triển của Vi xử lý gắn liền với sự phát triển của các vi mạch điện tử cùng với những công nghệ chế tạo nên chúng. Ngày nay, công nghệ Vi điện tử phát triển rất mạnh mẽ, sự ra đời của những vi mạch tích hợp cỡ lớn (LSI- Large Scale Integration) đến cực lớn (VLSI- Very Large Scale Integration) đã mang lại những thay đổi sâu sắc trong lónh vực kỹ thuật và dân dụng, đặc biệt trong lónh vực điều khiển tự động. Kỹ thuật Vi xử lý đã phát triển tạo nên sự bùng nổ công nghệ thông tin với sự ra đời các thế hệ máy tính hiện đại, các trang bò tối tân trong các ngành viễn thông, truyền hình, đặc biệt là sự ra đời của mạng siêu xa lộ thông tin INTERNET. L Để bắt kòp với công nghệ khoa học kỹ thuật tiên tiến, việc học tập và nghiên cứu Vi xử lý là công việc hết sức cần thiết đối với sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện- Điện tử. Với xu hướng đó, em thực hiện đề tài HỆ VI XỬ LÝ 8085A nhằm đáp ứng nhu cầu học hỏi của bản thân cũng như kiểm nghiệm lại các kiến thức lý thuyết đã học. Bộ vi xử lý đầu tiên có khả năng xử lý 4 bit dữ liệu, theo thời gian cũng với sự phát triển của công nghệ chế tạo bán dẫn, ngày nay đã có các bộ vi xử lý 8 bit, 16 bit, 32 bit. Sự phát triển về khả năng xử lý dữ liệu của Vi xử lý làm tăng thêm số lượng lệnh điều khiển và tính toán phức tạp. Đề tài thực hiện việc tìm hiểu, khảo sát cơ chế hoạt động của bộ Vi xử lý 8 bit, từ đó làm cơ sở cho việc khảo sát các bộ Vi xử lý 16 bit, 32 bit. Đề tài được thực hiện gồm ba phần chính: Phần I: Giới thiệu về Hệ thống Vi xử lý. Phần II: Giới thiệu về Vi xử lý 8085A. Phần III: Thiết kế Hệ vi xử lý 8085A. Trong khi thực hiện đề tài này, vì là lần đầu và khả năng cũng như kinh nghiệm bản thân còn hạn chế do đó khó tránh khỏi thiếu sót, em mong thầy cô và các bạn góp ý để đồ án này thêm hoàn thiện. Em xin chân thành cảm ơn thầy NGUYỄN ĐÌNH PHÚ-giáo viên trực tiếp hướng dẫn, các thầy cô-những người đã từng giảng dạy cung cấp những kiến thức q giá cho em, và các bạn sinh viên cùng khóa đã đóng góp những ý kiến cho em trong thời gian thực hiện đồ án này. TP. HCM, tháng 1 năm …. Sinh viên thực hiện NGUYỄN KIM HUY 4 Đồ án Vi mạch Trang NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN oOo 5 Đồ án Vi mạch Trang Mục Lục Trang Lời mở đầu 1 Phần I: Giới thiệu về Hệ Vi xử lý I. Sơ lược về Hệ thống Vi xử lý 1. Khối xử lý trung tâm 2 2. Bộ nhớ 2 3. Khối giao tiếp vào ra 3 4. Hệ thống Bus 3 II. Giới thiệu về Vi xử lý 3ù III. Cấu trúc và họat động của Vi xử lý 1. Cấu trúc cơ bản của một Vi xử lý 4 2. Các đặc điểm bên trong Vi xử lý 4 3. Vi xử lý 8 bit 5 4. Tập lệnh của Vi xử lý 8 Phần II: Vi xử lý 8085A I. Giới thiệu 1. Đặc tính 10 2. Sơ đồ chân và sơ đồ logic 10 II. Tập lệnh 8085A 16 Phần III: Thiết kế Hệ Vi xử lý 8085 I. Phương án thiết kế 22 II. Phần cứng 22 1. Khảo sát các IC dùng trong thiết kế 22 2. Kết nối 31 III. Phần mềm 1. Chương trình quét phím 36 2. Chương trình quét đèn 36 3. Chương trình minh họa 36 Phụ lục 43 Mục lục 49 6 Đồ án Vi mạch Trang PHỤ LỤC 1. TÀI LIỆU THAM KHẢO 2. SƠ ĐỒ KHỐI 3. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 4. MẠCH IN LỚP TRÊN 5. MẠCH IN LỚP DƯỚI 6. SƠ ĐỒ LẮP LINH KIỆN 7 Đồ án Vi mạch Trang TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Kỹ thuật Vi xử lý 8085A Trần Văn Trọng Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM – 1995 2. Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn Dương Minh Trí Sở Giáo Dục và Đào Tạo TP.HCM – 1992 3. Kỹ thuật Vi xử lý Văn Thế Minh NXB Giáo Dục – 1997 4. Thiết kế và lắp ráp máy vi tính CPU Z80 Hồng Minh Nhựt NXB Giáo Dục 5. Các đồ án/luận văn tốt nghiệp của sinh viên khóa trước. 8 Đồ án Vi mạch Trang PHẦN I: Giới thiệu về Hệ vi xử lý I. Sơ lược về Hệ thống Vi xử lý: Hệ thống Vi xử lý bao gồm: bộ xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit), bộ nhớ và bộ giao tiếp thiết bò ngoại vi. Các khối này liên lạc với nhau thông qua các bus đòa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển. Sơ đồ khối của một hệ Vi xử lý Chức năng của từng khối: 1. Khối xử lý trung tâm (CPU:Central Processing Unit): Là khối quan trọng nhất và được xem là bộ não của cả hệ thống. Các hệ Vi xử lý, các máy tính sử dụng các bộ Vi xử lý làm đơn vò trung tâm xử lý dữ liệu (CPU). CPU điều khiển tất cả các linh kiện còn lại trong hệ thống thông qua mã lệnh. CPU có rất nhiều chức năng như thực hiện giao tiếp với bên ngoài, thực hiện các phép toán số học-logic, vận chuyển số liệu, xuất kết quả, điều khiển giao tiếp với các thiết bò khác. 2. Bộ nhớ (Memory): Có vai trò quan trọng trong một hệ vi xử lý, là nơi lưu trữ chương trình điều khiển, các dữ liệu, kết quả trung gian trong qúa trình tính toán, xử lý. Được chia thành hai loại: - ROM (Read Only Memory): chứa chương trình điều khiển của hệ thống, các dữ liệu nạp trong ROM không bò xóa đi khi hệ Vi xử lý hoạt động và không bò mất đi khi hệ thống bò mất nguồn điện cung cấp. - RAM (Random Access Memory): khi hệ Vi xử lý hoạt động thì chương trình hệ thống sẽ thiết lập trong RAM những vùng nhớ cần thiết cho hoạt động của hệ thống để chứa một phần chương trình ứng dụng và các kết quả của chương trình. 9 Bộ xử lý trung tâm CPU Bộ nhớ (Memory) ROM-RAM Bộ giao tiếp vào ra (I/O) Các thiết bò vào ra Bus đòa chỉ Bus điều khiển Bus dữ liệu Đồ án Vi mạch Trang 3. Khối giao tiếp vào-ra (I/O Interface): Đây là chiếc cầu nối giữa CPU với thế giới bên ngoài. Một hệ thống Vi xử lý muốn đưa dữ liệu ra để điều khiển các thiết bò bên ngoài hoặc muốn nhận các dữ liệu từ bên ngoài vào để xử lý thì phải thông qua bộ giao tiếp vào ra. Các bộ giao tiếp còn được gọi là các bộ xử lý ngoại vi (PPU: Peripheral Processing Unit). 4. Hệ thống Bus: Hệ thống các Bus (nhóm nhiều dây hay tín hiệu có cùng chức năng liên lạc) đảm bảo cho sự liên lạc được thông suốt giữa CPU, các bộ nhớ và bộ giao tiếp ngoại vi. Có ba loại bus: - Bus đòa chỉ (address bus): dùng để xác đònh vò trí, dò tìm thông tin trên bộ nhớ, bộ giao tiếp ngoại vi, chỉ có một chiều là truyền từ CPU ra. - Bus dữ liệu (data bus): được nối song song từ CPU ra các bộ nhớ và bộ giao tiếp ngoại vi. Bus này là hai chiều nhưng tại một thời điểm chỉ là thu hoặc phát thông tin. - Bus điều khiển (control bus): là bus chỉ đònh cho nhiều động tác khác nhau. CPU dùng để điều khiển trạng thái các linh kiện bên ngoài. Mỗi đường trong Control bus chỉ là hoặc ra hoặc vào đối với CPU. II. Giới thiệu về Vi xử lý: Vi xử lý là một vi mạch điện tử có mật độ tích hợp cao, trong đó bao gồm các vi mạch số có khả năng nhận, xử lý và xuất dữ liệu. Vi xử lý có chức năng hoạt động như là một đơn vò xử lý trung tâm (CPU - Central Processing Unit) trong máy tính số. Hoạt động chính của Vi xử lý là xử lý dữ liệu, quá trình này được điều khiển theo một chương trình gồm tập hợp các lệnh từ bên ngoài mà người sử dụng có thể thay đổi tùy theo yêu cầu của công việc. Một Vi xử lý có khả năng hiểu và thực hiện rất nhiều yêu cầu điều khiển khác nhau một cách chính xác trong thời gian rất ngắn. Vi xử lý phải nằm trong một Hệ thống Vi xử lý thì nó mới phát huy được tác dụng, có nghóa là Vi xử lý phải được kết nối với các mạch điện bên ngoài và các thiết bò giao tiếp khác. Chức năng chính của Vi xử lý là xử lý dữ liệu. Để thực hiện được công việc này, Vi xử lý phải có các mạch logic cho việc xử lý, điều khiển dữ liệu và các mạch logic điều khiển khác. Các mạch logic sẽ chuyển dữ liệu từ nơi này đến nơi khác và thực hiện các phép toán trên dữ liệu còn mạch điều khiển sẽ quyết đònh mạch điện nào cho việc xử lý dữ liệu. Các công việc mà Vi xử lý thực hiện được điều khiển bằng một hay nhiều lệnh. Tập hợp các lệnh để thực hiện xong một yêu cầu đặt ra được gọi là một chương trình. Quá trình thực hiện một lệnh của Vi xử lý là đầu tiên Vi xử lý sẽ đón lệnh từ bộ nhớ, sau đó các mạch logic điều khiển sẽ giải mã lệnh nhằm xác đònh xem lệnh này yêu cầu Vi xử lý thực hiện công việc gì, cuối cùng Vi xử lý sẽ thực hiện đúng công việc của các lệnh đã yêu cầu. 10 Đồ án Vi mạch Trang III. Cấu trúc và hoạt động của Vi xử lý: 1. Cấu trúc cơ bản của một Vi xử lý: Một Vi xử lý về cơ bản gồm có ba khối chức năng: Đơn vò thực thi, bộ điều khiển tuần tự và bus giao tiếp. Sơ đồ khối cấu trúc cơ bản của một Vi xử lý. 2. Các đặc điểm bên trong của Vi xử lý: a. Chiều dài từ dữ liệu: Đặc điểm quan trọng nhất của Vi xử lý là chiều dài từ dữ liệu. Vi xử lý đầu tiên có chiều dài từ dữ liệu là 4 bit, các Vi xử lý sau này có chiều dài từ dữ liệu là 8 bit, 16 bit, 32 bit và 64 bit. Độ dài của từ dữ liệu nói lên tốc độ làm việc và khả năng truy xuất bộ nhớ của Vi xử lý. Nếu Vi xử lý có chiều dài từ dữ liệu lớn thì tốc độ xử lý công việc nhanh và khả năng truy xuất bộ nhớ lớn, được dùng trong các công việc xử lý dữ liệu, điều khiển phức tạp. Nếu Vi xử lý có chiều dài từ dữ liệu nhỏ hơn thì sẽ có tốc độ xử lý công việc chậm hơn và khả năng truy xuất bộ nhớ cũng bò hạn chế hơn, được dùng trong các công việc điều khiển và xử lý đơn giản. Các Vi xử lý 8 bit như: 8080A, 8085A của Intel; MC6800, MC6802 của Motorola; Z80 của Zilog; TMS9985 của Texas Instrument; Các Vi xử lý 16 bit như 8086, 8088 của Intel; MC68000 của Motorola; Z8000 của Zilog; b. Độ dài từ đòa chỉ: Dung lượng bộ nhớ mà Vi xử lý có thể truy xuất là một phần trong cấu trúc của Vi xử lý. Để truy xuất được bộ nhớ thì Vi xử lý phải biết được đòa chỉ của từng ô nhớ cụ thể, đòa chỉ của ô nhớ được xác đònh bằng từ đòa chỉ. Độ dài của từ đòa chỉ cho biết số lượng ô nhớ mà Vi xử lý có thể liên hệ trực tiếp, độ dài của các thanh ghi rất cần thiết cho việc đònh đòa chỉ cũng phải có khả năng tương ứng. c. Tốc độ làm việc: Tần số xung clock cung cấp cho Vi xử lý làm việc quyết đònh tốc độ làm việc của Vi xử lý, tốc độ này được cho bởi nhà chế tạo. Tốc độ xung clock càng cao thì Vi xử lý làm việc với tốc độ càng lớn và khả năng xử lý lệnh càng nhanh. 11 Data Register Address Register ALU Instruction Decoder Program Counter Control Logic [...]... hơn bởi vi c sử dụng các thanh ghi được linh động và đa dạng, điều này làm tăng tốc độ và khả năng xử lý chương trình của Vi xử lý e Tập lệnh: Bất kì một Vi xử lý nào muốn hoạt động được thì phải có tập lệnh Do cấu tạo phần cứng khác nhau nên mỗi Vi xử lý có tập lệnh khác nhau Tập lệnh của Vi xử lý là một trong những yếu tố cơ bản để đánh giá tốc độ làm vi c của Vi xử lý Nếu Vi xử lý có nhiều mạch điện... 12 Đồ án Vi mạch d Các thanh ghi: Trong cấu trúc củaVi xử lý, các thanh ghi giữ một vai trò quan trọng, chúng được dùng để xử lý dữ liệu Có nhiều loại thanh ghi trong Vi xử lý với các chức năng khác nhau, số lượng thanh ghi đóng vai trò rất quan trọng đối với Vi xử lý và người lập trình Nếu Vi xử lý có số lượng thanh ghi càng nhiều thì người lập trình có thể vi t các chương trình điều khiển Vi xử lý. .. tiếp: toán hạng là đòa chỉ của dữ liệu cần được xử lý - Đònh đòa chỉ tức thời: toán hạng chính là dữ liệu cần được xử lý - Đònh đòa chỉ ngầm đònh: vò trí hoặc giá trò của dữ liệu cần được xử lý được hiểu ngầm nhờ mã công tác Trang 17 Đồ án Vi mạch PHẦN II: Vi xử lý 8085A I Giới thiệu: Vi xử lý 8085A được hãng Intel chế tạo vào năm 1974 Đây là một Vi xử lý 8 bit, có chiều dài từ dữ liệu là 8 bit, chiều... lệnh xuất, nhập Mỗi lệnh của Vi xử lý là dữ liệu ở dạng số nhò phân Khi Vi xử lý nhận được một lệnh thì từ dữ liệu nhò phân này yêu cầu Vi xử lý thực hiện công vi c mà lệnh yêu cầu Chiều dài của một lệnh bằng với chiều dài từ dữ liệu của Vi xử lý Mỗi lệnh mà Vi xử lý thực hiện gồm hai yếu tố: - Mã công tác: cho biết thao tác mà Vi xử lý phải thực hiện - Toán hạng: được vi t theo sau mã công tác, cho... Nếu Vi xử lý có nhiều mạch điện logic bên trong để thực hiện thì số lượng lệnh điều khiển của Vi xử lý càng nhiều, khi đó Vi xử lý càng lớn và độ phức tạp càng lớn Tập lệnh của Vi xử lý càng nhiều thì rất có ích cho người lập trình khi vi t chương trình điều khiển cho Vi xử lý 3 Vi xử lý 8 bit: Mỗi loại Vi xử lý sẽ có cấu trúc khác nhau nhưng thường có các khối chính như sau: - Khối đơn vò số học/logic... Yêu cầu ngắt được phép IE = [0]: Vi xử lý không chấp nhận yêu cầu ngắt = [1]: Vi xử lý chấp nhận yêu cầu ngắt I 7.5 -I 6.5 - I 5.5 = [0]: Cho biết không có yêu cầu ngắt = [1]: Cho biết yêu cầu ngắt đang chờ SID : Chứa dữ liệu của ngõ vào nối tiếp SID Trang 29 Đồ án Vi mạch PHẦN III: Thiết kế Hệ Vi xử lý 8085 I Phương án thiết kế: Yêu cầu đặt ra là thiết kế hệ Vi xử lý 8085 có 40 phím, hiển thò tám... DQ4 CE1\ CE2 OE\ WE\ Sơ đồ chân và sơ đồ logic 6264 DQ0-DQ7 Trang 31 Đồ án Vi mạch Mode \ Pin Not Select Output Disable Read Write WR\ x x H H L CE1\ H x L L L CE2 x L H H H OE\ x x H L H Output Hi-Z Hi-Z Dout Din Bảng trạng thái c Vi mạch giao tiếp ngoại vi 8255A: Vi mạch 8255A là vi mạch giao tiếp ngoại vi lập trình được Nó được dùng để kết nối giao tiếp song song giữa Vi xử lý và thiết bò điều khiển... ba loại: Đồ án Vi mạch Trang 15 - Bus đòa chỉ: có nhiệm vụ đònh ra đòa chỉ của thiết bò cần truy xuất nên mang tính một chiều, chỉ có Vi xử lý mới đưa dữ liệu lên bus đòa chỉ - Bus dữ liệu: dùng để kết nối các thanh ghi bên trong Vi xử lý và ALU, tất cả dữ liệu di chuyển bên trong Vi xử lý từ khối này đến khối khác đều thông qua bus dữ liệu, do đó bus dữ liệu mang tính hai chiều Khi Vi xử lý cần truy... chương trình xử lý sai Thanh ghi đòa chỉ (Address Register): khi Vi xử lý cần truy xuất bộ nhớ, thanh ghi đòa chỉ phải tạo ra đúng đòa chỉ mà Vi xử lý mong muốn Ngõ ra của thanh ghi đòa chỉ được đặt lên bus đòa chỉ, bus đòa chỉ dùng để lựa chọn một ô nhớ hay một port I/O cần truy xuất Thanh ghi lệnh (Instruction Register): dùng để chứa lệnh Vi xử lý đang thực hiện Thanh ghi này do Vi xử lý sử dụng,... Data line (output) Ngõ ra dữ liệu nối tiếp được xác đònh bởi lệnh SIM Vcc Nguồn nuôi +5V Vss Mass Trang 22 Đồ án Vi mạch Cấu tạo 8085A: Cấu tạo bên trong của Vi xử lý 8085A có đầy đủ tất cả các khối của một Vi xử lý 8 bit đã được giới thiệu, nhưng có một số điểm khác biệt được thể hiện qua sơ đồ khối sau: INTR INTA\ RST 7.5 RST 6.5 RST 5.5 TRAP SID INTERRUPT CONTROL SOD SERIAL I/O CONTROL 8 BIT INTERNAL . về Vi xử lý 3ù III. Cấu trúc và họat động của Vi xử lý 1. Cấu trúc cơ bản của một Vi xử lý 4 2. Các đặc điểm bên trong Vi xử lý 4 3. Vi xử lý 8 bit 5 4. Tập lệnh của Vi xử lý 8 Phần II: Vi xử lý. máy vi tính CPU Z80 Hồng Minh Nhựt NXB Giáo Dục 5. Các đồ án/ luận văn tốt nghiệp của sinh vi n khóa trước. 8 Đồ án Vi mạch Trang PHẦN I: Giới thiệu về Hệ vi xử lý I. Sơ lược về Hệ thống Vi xử lý: Hệ. 5 Đồ án Vi mạch Trang Mục Lục Trang Lời mở đầu 1 Phần I: Giới thiệu về Hệ Vi xử lý I. Sơ lược về Hệ thống Vi xử lý 1. Khối xử lý trung tâm 2 2. Bộ nhớ 2 3. Khối giao tiếp vào ra 3 4. Hệ thống