Tổng hợp bài giảng môn Kỹ thuật ghép nối máy tính| Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

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) http://BK-ict.com
http://www.ktmt.itbk.org/hoctaptrenlop/HK8/
Email: anhbq@soict.hut.edu.vn P&I 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, Addison- Wesley - RTOS - ... P&I 2 1 Softwares:
- TechHelp Ver. 4.0 / 6.0 - MSDN, Online Help.
- Design tools: OrCAD, Proteous, 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)...
- MicroChip.com/PIC (Peripherals Interface Controller)
- 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 2 Interfacing? 1. Hardware Central Sys. Adaptor Wide world Computerized CPU, Ports Dev: KB, Printer, Scanner, Mouse Mem, Controllers Bus, Specific Devices: HDC, CRTC HDD, CRT, ... Control- lers, Industry Objects: ADC, DAC Scale, Furnace, ... GenSet, Tanks,...
2. Software: Device Drivers: SLLs, DLLs, P&I 5 DRVs, VxDs, DCUs,...
Hình 0.2. Sơ đồ ghép nối thiết bị ngoại vi hiện đại P&I 6 3
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 4
YÊU CÂU đ/v HỌC VIÊN
- Cần có kiến thức cơ 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 ngôn ngữ lập trình thời gian thực.
- Kết thúc môn học, sinh viên phải hoàn 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 chương trinh, 60 tiết lý thuyết
Phần A. Kỹ thuật ghép nối (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 5
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:
• 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 môi trường Thời gian
thực – RTOS (Linux – QNX, Windows-CE, VxWorks...),
• Auto ID (Voice recognition, smartcard, barcode, RFIDs, Biometric...
• Đề tài có sản phẩm demo (không 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/PIC  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 , mô phỏng quá trình thực, viết chương trình : vi điều
khiển và PC: vẽ đồ thị, CSDL. P&I 12
• Điều khiển thiết bị qua mạng điện thoại, trả lời thông tin tự động 6
• 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 công nghệ DTMF/FSK/ PCM Codec...
• Ôtô/ Robot dò 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, mô phỏng quá 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 thông 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 7
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-Ch1:Architecture 1
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-Ch1:Architecture 2 1
1.1.1. a. Central Sub System – CS:
+ CPU: Central Processing Unit:
• Khái niệm: Là bộ điều khiển trung tâm, thực hiện
công 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.
• Công việc bao gồm:
– Tìm lệnh, giải mã lệnh, [tìm toán 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-Ch1:Architecture 3
Đặc trưng – Specifications: •
Kích thước toán 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):
• Atmel: ATmega nnn (8bit, RISC), AT91SAMnnn (ARM core) • MicroChip, PICxxx
• Cypress: PSoC... •
Pinning/Signalling (Data/Address - Mux, Control bus, IRQ, HRQ, RD/WR...), • Register set, •
Instruction set – Addressing Modes, •
Power Modes: Slow/ sleep/ power down modes, Mips/Wattage • ... P&I-Ch1:Architecture 4 2
+ Memories (Semiconductor): K/n & ROM: Khái niệm:
• Lưu thông 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 động P&I-Ch1:Architecture 5
Memories (Semiconductor): SRAM •
Lưu thông tin tạm thời, không lưu được khi mất điện,
đọc và ghi được, [Read/Write Mem], - Static RAM: nhanh (80..3 ns), byte/nibble package,
mật độ byte/chip nhỏ (upto 64/256 KB/ chip),
đắt, tiêu thụ công suất nhiều,
- CMOS RAM: chậm và tiêu thụ cực ít, less W.
Vdụ: MC 146818 RealTimeClock-CMOS RAM
• Dùng trong các hệ nhỏ, cache memory. P&I-Ch1:Architecture 6 3
Memories (Semiconductor): DRAM Dynamic RAM - DRAM:
 Tốc độ/Access time (50-70ns), [10..20ns] Pre-fetched
 Mật độ: bit/chip >> (1 Gbit/chip – 1996, Korea),
 bit package => DRAM bank,
 Tiêu thụ W, công suất nhỏ.
 Thông tin chỉ lưu được 10ms => refreshing DRAM với chu
ký @ 7,5ms => phức tạp.
 Dùng trong các hệ có dung lượng nhớ lớn: desktop, laptop, server… P&I-Ch1:Architecture 7
Memories (Semiconductor): FLASH & Others Flash memory:
- EAROM typed, đọc được, xoá từng bank, ghi lại được từng byte. -
Thông tin lưu được 20 năm, dùng nhiều hiện tại và tương lai:
BIOS, diskchip, USB stick Mem, uC... -
Serial EAROM/FLASH: dùng để lưu configuration, dùng 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-Ch1:Architecture 8 4
Memories (Semiconductor): Logically:
Bộ nhớ chưa thông tin gì?  Program memory:
 Chứa ch/tr đang thực hiện  Data memory:
 Các biến ngẫu nhiên, các biến có cấu trúc,
 các số liệu có kiểu truy nhập đặc biệt (FIFO, LIFO…) P&I-Ch1:Architecture 9
+Controllers: [Optional], vi mạch, nâng hiệu nang
(performance) hệ thống, bao gồm:
- Bộ điều khiển ưu tiên ngắt PIC – Priority Interrupt
Controller, Intel 8259A
- Bộ điều khiển truy nhập trực tiếp bộ nhớ DMAC –
Direct memory Access Controller, Intel 8237A.
- Timer: mạch tạo các khoảng thời gian, PIT-
Programmable Interval Timer, Intel 8254.
- Mạch quản trị nhớ: MMU- Memory Management
Unit, sau này, thường được built on chip với CPU.
Bus controller/Arbitor P&I-Ch1:Architecture 10 5 System Bus: K/n
• PCB (Printed Circuit Board)/ Cable (Twisted pairs, flat..),
slot, connector... dùng để chuyển thong tin và năng lượng.
• Nối hơn 1 slave/master device, time sharing (dùng chung)
• Thông tin: Address, data, control, status, Power Supply
• Chiều (dir), 3 state (Hi Z), Loading • ADDRESS BUS:
– Từ các BusMaster (CPU, DMAC, PCI host Controller) đến
SlaveDevices (Mem, Ports) để chọn/ chỏ từng IO/ Mem location trong từng chu kỳ bus
– n Addr bit  2n Mem Locations & 2m IO Locations, mCPU 32bit, Addr và Data sharing - multiplexed P&I-Ch1:Architecture 11 System Bus : Data bus DATA BUS:
Số bit (thường) phù hợp với kích thước ALU (8/16/32/64 bit)
Chuyển Op-code (mã lệnh) trong chu kỳ máy M1,
- CPU <= Program Memory, trong các bus cycle M1 Vận chuyển data: - CPU <=> Data memory, - CPU <=> IO Ports và
- Data Memory <=> IO Ports, DMA P&I-Ch1:Architecture 12 6
System Bus : CONTROL/STATUS BUS:
gồm các tín hiệu – control bus:
Control/ Response: CPU to Others (MEMR, MEMW, IOR,
IOW, INTA, HLDA, BHE...), from CPU
Status/Request to CPU: IRQ, HRQ, Ready, ... to CPU P&I-Ch1:Architecture 13
System Bus: Power Supply:
+5V 5%, 10 đến 20 Amp, cấp cho các Vi mạch số,
RedWire. (3.3V and less)
Ground, Gnd, 0V, signal reference ground, chassis, BlackWire.
+12V 10%, 1Amp, cấp cho các mạch analog, motors,
RS232, YellowWire.
-12V  10%, 1Amp, (như trên), BlueWire.
- 5 V5%, 0.5 Amp, analog circuitries, WhiteWire. Power good: OrangeWire
- MicroControlled Power Supply P&I-Ch1:Architecture 14 7
1.1.1.B. THIẾT BỊ NGOẠI VI: Input, Output và dada Storage devices Data Input Devices:
- Key board/ Key pad, Touch SCR: số phím, công nghệ phím, kiểu dò
phím, output code, ghép nối CS - Mouse, track ball
- Scanner, Camera, Camcoder Optical Mouse, BarCode reader: Colors,
resolution, f, công nghệ CCD - Charge Couple Device, graphics file bit map - bmp.
- Digitizer, nhập graphics file vector - bản đồ - Light Pen, Joy stick (Games)
- Demodulator (MODEM): Giải điều chế Kiểu điều chế, tốc độ bps, kiểu nén - Microphone, -
Reader: RFID Radio Frequency Identification, Finger print - Laser/ LED
- Sensor, Transducers, Transmitters: Vật liệu, thiết bị,.. biến đổi các đại
lượng vật lý - không điện, thành tin shiệu điện độ nhậy, độ tuyến P&I-Ch1:Architecture 15 tính, dải đo...
1.1.1.B. T/BỊ NGOẠI VI: Data Output Devices:
- Displays: Kiểu hiển thị: Point/ 7Seg/ Text/ Graphics;
Mono Chrome/Color (color numbers); Size,
indoor/outdoor, Resolution, Rate of Refreshing... - Công nghệ:
- LED (Light Emitting Diodes): point, 7(16),
Segment, Matrix character box (Bill Board), - Outdoor LED Screen... - Organic LED,
- LCD (Liquid Crystal Display): single color, color,
active, TFT (thin film transistor - CRT (Cathode Ray Tube). P&I-Ch1:Architecture 16 8
1.1.1.B. T/BỊ NGOẠI VI: Data Output Devices: PRINTERS:
Spec: Text-Graphics, Mono-Color, Resolution, ppm –
page per minute, Size, Line-PostScript, media... : Pin Printer, Jet Printer, Laser Printer,
Thermal Transfer Printer, barcode Printer. High Speed Text Printer, ... P&I-Ch1:Architecture 17
1.1.1.B. T/BỊ NGOẠI VI: Data Output Devices: Others - Plotter, jet
- Modulator (MODEM) – điều chế - Speaker
- Actuator: Motor (dc/ac, Step), Relay, Valve, P&I-Ch1:Architecture 18 9
1.1.1.b. T/bị Ngoại vi: Massive Storages:
- Magnetic devices: FDD, HDD, RAID, Tape backup drive...
- Optical devices: CD [Writer] Drives, Magnetic Optic disk drive...
- Semiconductor devices: FlashChip, PCMCIA Card...
- Tốc độ truy nhập và dung lượng lớn P&I-Ch1:Architecture 19 1.1.1.c. Interface:
• Lý do cần interface: khác nhau giưa CS và wide world:
– Mức tín hiệu (dòng, áp, analog ... ), kiểu biểu diễn tin tức
(nhiệt độ, áp suất, level...  bit)
– Tốc độ làm việc/tốc độ trao đổi số liệu, – Không đồng bộ...
– Nên cần có mạch điện tử để thích ứng (Adapting - ports) và ch/tr điều khiển, gồm:
– Thiết bị (Hardware Circuitries - Adaptors): cổng IO:
• Input/Output Ports: (Parallel/Serial): ghep nối với Computerized
devices PPP (KB, Printer, Mouse, Scanner, Modem, camera,... dùng
VXL đa nang), character typed devices
• Controllers: thực chất là nhưng hệ VXL chuyên dùng - để ghép nối với
nhung thiết bị chuyên dùng FDC, HDC (IDE, EIDE), CRTC (EGA,
VGA, SVGA...), block typed devices
• Converter: để chuyển đổi tín hiệu số thành tương tự và ngược lại:
ADC, DAC, ví dụ sound card, CMOS sensor... P&I-Ch1:Architecture 20 10 IO buses:
• Expansion bus, IO bus, IO system, ...
• ISA, EISA, MC, PCI, USB, IEEE 1394, SSA, IEEE 488, SATA ... P&I-Ch1:Architecture 21 1.1.1.C. INTERFACE:
Ch/tr điều khiển – Device Driver: - K/n: Hardware or Software?
+ Software: sản phẩm của NN lập trinh
+ Hardware: luôn gan liền với IO hardware
Liên kết System Programs and/or Application Programs với IO hardware (SPIs và APIs).
Các hàm của thiết bị, BIOS, OS hoặc theo ứng dụng: SLLs, DLLs, DRVs, ... Hiện 1 xâu ký tự: – mov ah,9 mov ah,0 – mov dx,offset xau int 16h ; BIOS same – int 21h mov ah,1 – int 21h P&I-Ch1:Architecture 22 11 Case study PC layers
Fig. 1b: PC’s Layers (IBM PC Institute) a P&I-Ch1:Architecture 23
1.1.2. KIẾN TRÚC MÁY TÍNH HIỆU NĂNG CAO - HI PERFORMANCE
ARCHITECTURE (SERVER, DESKTOP, LAPTOP) P&I-Ch1:Architecture 24 12
1.1.2. HI-PER. ARCHITECTURE:1.1.2.a. Local Buses:
Ví dụ VESA VL-Bus 2.0 [late 1993], Memory [1985].
Also called system/host/processor bus.
Chỉ liên kết CPU, MMU (gồm Cache, DRAM, shadowed ROM ) và PCI Host [Bridge],
ít, gần, unbuffered (direct connected to Processor);
33, 66, 100, 133, 200, 400, 800 MHz... clock.
32 bit A/D (16 bit support also), burst mode, max 132 MBps, Addr D0 D1 D2 D3 D4 (data 4 byte)
H.1.3. Ví dụ burst mode: P&I-Ch1:Architecture 25
1.1.2. HI-PER ARCHITECTURE:1.1.2.b. Hi Speed Bus:
Peripheral Component Interconnect - PCI
- 5/1993, Intel Ver. 2.0, Open Standard,
- Local bus, mức trung gian giữa Local và các bus chuẩn
khác (ISA, MC, EISA) thông qua PIC Bridge/Controller.
- Có kiểm tra parity cho Addr và Data
- Auto configuration of all PCI devices, share the same IRQ.
- Disabling IRQ => cấm toàn bộ PCI devices.
- No DMA, device on PCI bus là bus master (Tốt cho việc dùng MultiTasking OS).
- Burst mode: 32 bit @33MHz --> 96..132MBps, tuỳ thuộc số
byte (từ 32 byte đến 4KB). Option 64bit @33MHz --> 264MBps
- Most Platforms use:Intel, DEC Alpha, PowerPC, Spark
- Modern OS: ‘Block Typed Devices’: tần suất vận chuyển cao, nhanh, data block P&I-Ch1:Architecture 26 13