Bài giảng powerpoint kỹ thuật ghép nối máy tính full (6 chương)

Môn học cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản về kỹ thuật giao tiếp giữa máy tính với thiết bị ngoại vi thông qua các giao diện như ISA, LPT, PCI, COM, USB... qua đó đưa ra cách thiết kế các modul ghép nối giao tiếp với máy tính, xây dựng các chương trình điều khiển thiết bị cho các modul ứng dụng trong dân dụng và điều khiển các quá trình công nghiệp. Tổng quan kỹ thuật ghép nối máy tính; Các phương pháp trao đổi thông tin; Giới thiệu về các chuẩn giao tiếp cơ bản; Ghép nối tín hiệu tương tự; Ghép nối bus và khe cắm mở rộng; Ghép nối song song; Ghép nối nối tiếp; Các thiết bị ngoại vi cơ bản, các loại card ghép nối như: modem, net card, AD/DA card, card đo tần số, … Một số ví dụ ứng dụng cụ thể.

Trang 1

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ TỔ CHỨC

MÁY TÍNH

Trang 2

DCE - Lecture Notes Computer Interfacing 2 10/2005

 Quan niệm của người dùng

 Quan niệm của người lập trình

 Những lợi ích của các ngôn ngữ lập trình bậc cao

 Tại sao chương trình lại dịch

Trang 3

Sơ đồ khối máy tính đơn giản

 Các phần chính: CPU, Memory, I/O

 Buses: address bus, data bus, và control bus.

Trang 4

Cấu trúc máy tính theo mô hình Von Neumman

 Các thế hệ máy tính điện tử đầu tiên, việc “lập trình”

ứng với việc đấu dây và thiết lập mạch cứng -> Không

có chương trình được lưu trữ

 Cấu trúc máy tính Von Neumman có 3 đặc trưng

chính:

(1) Gồm 3 hệ thống phần cứng: một bộ xử lý trung tâm (CPU);

một hệ thống bộ nhớ chính (main memory) và một hệ thống vào ra (I/O system)

(2) Có khả năng lưu trữ một dãy các câu lệnh xử lý

(3) Có một luồng đơn (có thể là vật lý hoặc logic) nối giữa các thành phần hệ thống

 Bộ xử lý trung tâm bao gồm có một đơn vị điều khiển (control unit), một đơn vị xử lý toán học (ALU), một tập các thanh ghi

và một bộ đếm chương trình (program counter)

Trang 5

Cấu trúc máy tính theo mô hình Von Neumman

Trang 6

Chu kỳ thực hiện lệnh

(1) Đơn vị điều khiển nạp lệnh kế tiếp từ bộ nhớ, sử dụng bộ đếm chương trình

để xác định lệnh đó được đặt ở đâu

(2) Lệnh được giải mã thành ngôn ngữ mà ALU có thể hiểu được

(3) Bất kỳ toán hạng nào cần để thực hiện câu lệnh đều được nạp vào từ bộ

nhớ và đặt vào các thanh ghi trong CPU

(4) ALU thực thi các câu lệnh và đặt kết quả vào thanh ghi hoặc bộ nhớ

Trang 7

Central Processing Unit (CPU)

 Giải mã lệnh

 Thực hiện lệnh tuần tự

 Bao gồm

 CU – Control Unit

 ALU – Arithmetic and Logic Unit

 Bus Interface Unit - Bus nội bộ

Trang 8

Khối điều khiển (CU - Control Unit)

 Điều khiển hoạt động của CPU và các thành phần khác

 Đọc lệnh từ chương trình trong bộ nhớ chính (instruction fetch)

 Giải mã lệnh (instruction decode)

 Thực thi lệnh đã giải mã một cách tuần tự (instruction excution)

Trang 9

Khối tính toán (ALU - Arithmetic Logic Unit)

 Thực hiện các phép toán số học và logic

 Số dấu phảy tĩnh (fixed point number)

 Số dấu phảy động (floating point number)

Trang 10

Tập thanh ghi (Registers)

 Là bộ nhớ nhỏ, tốc độ nhanh

 Lưu trữ toán hạng, kết quả và các thông số khác trong quá trình tính toán của CPU

 Con trỏ chương trình (PC - Program Counter)

 Các thanh ghi đa chức năng

 Thanh ghi chỉ số (index register)

 Thanh ghi cờ (flag register)

Trang 11

Bộ nhớ chính (main memory)

 Chứa chương trình và dữ liệu đang xử lý

 Được kết nối và có thể trao đổi dữ liệu trực tiếp với CPU

 Được tổ chức thành các ngăn nhớ, đánh địa chỉ trực tiếp bởi CPU

 ROM (Read Only Memory)

‐ CPU chỉ đọc bộ nhớ này

‐ Chứa các chương trình, dữ liệu cơ bản của máy tính

 RAM (Random Access Memory)

‐ CPU có thể đọc và ghi bộ nhớ này

‐ Chứa dữ liệu, chương trình được nạp, đang thực hiện

Trang 12

Memory

 Là một chuỗi có thứ tự của các byte

 Số thứ tự trong chuỗi gọi là địa chỉ nhớ (memory address)

 Bộ nhớ định địa chỉ theo byte

‐ Mỗi byte có một địa chỉ riêng

‐ Hầu hết các vi xử lý hỗ trợ chế độ này

 Không gian nhớ

 Xác định bởi độ rộng bus dữ liệu

 Pentium có bus dữ liệu 32 bit

‐ Không gian địa chỉ = 4GB (2 32)

 Itanium hỗ trợ bus địa chỉ 64-bit

‐ Không gian địa chỉ 2 64 byte

Trang 13

Memory (cont’d)

Trang 14

Trang 15

Memory (cont’d)

 Chu kỳ đọc

1 Đặt địa chỉ lên bus địa chỉ

2 Kích hoạt tín hiệu điều khiển đọc địa chỉ (/MEMR)

3 Chờ bộ nhớ đọc xong dữ liệu

‐ Introduce wait states if using a slow memory

4 Đọc dữ liệu trên bus dữ liệu

Trang 16

Memory (cont’d)

1 Đặt địa chỉ lên bus địa chỉ

2 Đặt dữ liệu lên bus dữ liệu

3 Kích hoạt tín hiệu ghi bộ nhớ (/MEMW)

4 Chờ bộ nhớ gị xong dữ liệu

‐ Introduce wait states if necessary

5 Xoá tín hiệu ghi bộ nhớ

 Với VXL Pentium, một lần ghi bộ nhớ chiếm 3 chu kỳ đồng hồ

‐ Clock 1: bước 1 và 3

‐ Clock 2: bước 2

‐ Clock 3 : bước 4 và 5

Trang 17

Trang 18

 Di chuyển dữ liệu trong hệ thống

 Từ:

 Thiết bị vào tới CPU

 CPU tới bộ nhớ

 Từ bộ nhớ tới thiết bị ra

 Giống như hệ thống đường cao tốc

 Các bit được di chuyển trên đường

 Tốc độ và độ rộng bus

 Buses operate at different speeds and have different widths

‐ Original PC had buses at 4.77 MHz

 8 bits wide

‐ Became a standard, called ISA

‐ Improved over time

 Became 16 bits wide and 8 MHz

‐ 1990’s Intel introduced the PCI bus

 Originally 32 bits wide

 Now, 64 bits and runs at 133 MHz

Bus

Trang 19

Chương 2

C ác phương pháp trao đổi

tin

Trang 20

Các vấn đề trong trao đổi tin

 Các thiết bị ngoài rất đa dạng

 Lượng dữ liệu trao đổi khác nhau rất nhiều (keyboard x disk drive)

 Khác nhau về tốc độ – Thời gian truy cập, tốc độ truyền dữ liệu

 Khác nhau về định dạng dữ liệu

 Khác nhau về phương thức truyền tin

 Hầu như tất cả các các thiết bị ngoài có thời gian truy cập ( access time )

chậm hơn CPU và RAM, nhưng một số có tốc độ truyền dữ liệu ( transfer

rates ) rất cao

 Cần có một khối ghép nối để giao tiếp giữa thiết bị với CPU và bộ nhớ

 Cần các chương trình điều khiển thiết bị ( device drivers ) – Là phần mềm làm nhiệm vụ điều khiển truyền thông giữa CPU và thiết bị

Trang 21

Các phương pháp vào/ra

Mục đích:

 Tối thiểu hoá thời gian sử dụng của CPU với chi phí chấp nhận được

 Đảm bảo tốc độ truyền dữ liệu mà không mất mát dữ liệu

Các phương pháp chính:

 Hỏi vòng (Programmed I/O – Polling)– Hoàn toàn do CPU điều khiển

 Ngắt vi xử lý (Interrupt-driven I/O)– CPU điều khiển truyền dữ liệu nhưng

do thiết bị ngoài khở xướng

 Trực tiếp khối nhớ (Direct Memory Access - DMA) – Không sử dụng CPU nhằm tối ưu tốc độ truyền dữ liệu giữa TBN và bộ nhớ

 Kênh vào ra (I/O Channels - Dedicated Peripheral Computers)- CPU chỉ đưa ra các lệnh vào ra ở mức cao, điều khiển truyền dữ liệu sẽ do một thiết bị chuyên dụng đảm nhiệm

Trang 22

 Kiểm tra trạng thái sẵn sàng

Nếu chưa, MVT lại đọc và kiểm tra trạng thái sẵn sàng.

3 MVT trao đổi tin với TBN.

Chương trình

TBN đã sẵn sàng ?

Trao đổi tin

Đ S

Trang 23

Ngắt vi xử lý (Interrupt)

1 MVT đang thưc hiện chuỗi lệnh

của một chương trình nào đó

2 TBN có yêu cầu trao đổi tin, sẽ gửi

tín hiệu yêu cầu trao đổi tin ( yêu cầu ngắt INTR)

5 Chương trình chính lai tiếp tục

Trang 24

Ngắt trong máy PC

 Ngắt cứng: còn gọi là ngắt ngoài vì do nguyên nhân bên ngoài

‐ Ngắt NMI ( Non maskable Interrupt) - Ngắt không che được

‐ Ngắt INTR

‐ Ngắt reset

 Ngắt mềm: (hay ngắt bên trong do lệnh của chương trình)

‐ Ngắt do lệnh: đó là ngắt khi thực hiện các lệnh CALL, HLT, INT

‐ Ngắt logic hay các ngoại trừ

‐ Ngắt của hệ điều hành (INT 10, INT 16, INT 21, v.v .)

Trang 25

Các ngắt cứng trong máy PC

08 Hardware IRQ0 System Timer

09 Hardware IRQ1 Keyboard 0A Hardware IRQ2 Redirected 0B Hardware IRQ3 Serial Comms COM2/COM4 0C Hardware IRQ4 Serial Comms COM1/COM3 0D Hardware IRQ5 Reserved/Sound Card

0E Hardware IRQ6 Floppy Disk Controller 0F Hardware IRQ7 Parallel Comms

70 Hardware IRQ8 Real Time Clock

71 Hardware IRQ9 Redirected IRQ2

72 Hardware IRQ10 Reserved

74 Hardware IRQ12 PS/2 Mouse

75 Hardware IRQ13 Math's Co-Processor

76 Hardware IRQ14 Hard Disk Drive

Trang 26

Thủ tục xử lý (đáp ứng) ngắt cứng

Khi có một tin hiệu yêu cầu ngắt chương chình đưa vào chân yêu cầu ngắt (INTR), quá trình ngắt chương trình được diễn ra theo các bước sau:

 Lưu giữ tin về trạng thái của VXL lúc có tín hiệu yêu cầu ngắt và nơi

chương trình bị gián đoạn.

 VXL gửi tín hiệu xác nhận hay cho phép ngắt – INTA và đọc vector ngắt.

 Chuyển sang chương trình phục vụ ngắt.

 Trở về chỗ chương trình chính bị ngắt và tiếp tục thực hiện chương trình đó.

Trang 27

Cơ chế thực hiện ngắt cứng

RAM

KGN1VXL

System bus

.

Trang 28

Sơ đồ khối PIC 8259

Bộ đệm

dữ liệu

Logic đọc/ghi

Bộ so sánh

và nối tầng

Logic điều khiển

Thanh ghi phục

vụ (ISR)

Giải quyết ưu tiên (PR)

Thanh ghi yêu cầu ngắt

Thanh ghi che ngắt (IMR)

D0 – D7

A0

/RD /WR

/CS

/SP

IR0 .

Trang 29

Sơ đồ ghép nối nối tầng PIC trong IBM - PC

MPU

IR0 IR1 IR2 IR3 IR7

INT

/INTA

IR0 IR1 IR2

IR7

INT

/INTA CAS0-2

IRQ7

IRQ8 IRQ9 IRQ10

Trang 30

Cấu trúc chương trình vào ra bằng ngắt

{Chương trình con phục vụ ngắt)

Program ISR;

uses Crt, Dos;

const {PIC Constants}

MasterPIC = $20;

MasterOCW1 = $21;

var OldVector: procedure;

{$F+}

procedure MyISR; interrupt;

var InputLetter: Char;

begin {Thân chương trình con ngắt}

Port[MasterOCW1] and $EF;

{Put the old ISR vector back in}

SetIntVec($0C,@OldVector);

Port[MasterOCW1] :=

Port[MasterOCW1] or $10;

END

Trang 31

Cơ chế hoạt động DMA

Trang 32

Hoạt động của DMAC

Disk Controller

HOLD

HLDA

DACK DREQ

Data Bus

Address Bus Control Bus (IOR, IOW, MEMR, MEMW)

Trang 33

Truyền một khối dữ liệu từ bộ nhớ ra TBN

1 Bước 1 : TBN yêu cầu DMA bằng cách đặt tín hiệu DREQ lên mức cao

2 Bước 2 : DMAC đặt tín hiệu mức cao vào chân HRQ (Hold Request) gửi tín hiệu yêu cầu treo bus cho VXL, báo cho VXL biết DMAC cần sử

dụng bus.

3 Bước 3 : VXL kết thúc chu kỳ bus hiện tại, chuyển các cổng ghép nối với bus sang mức trở kháng cao và trả lời yêu cầu DMA bằng tín hiệu mức cao ở chân HDLA ( Hold Acknoledge) báo cho DMAC được quyền

sử dụng bus

4 Bước 4 : DMAC kích hoạt tín hiệu DACK báo cho TBN biết nó sẽ bắt đầu điều khiển việc truyền dữ liệu.

5 Bước 5 : DMAC bắt đầu truyền dữ liệu từ bộ nhớ tới TBN như sau:

DMAC đặt địa chỉ của byte đầu tiên của khối dữ liệu lên bus địa chỉ

Kích hoạt tín hiệu /MEMR để đọc byte dữ liệu từ bộ nhớ lên bus dữ liệu

Đặt địa chỉ của cổng TBN lên bus địa chỉ

Kích hoạt tín hiệu IOW để ghi byte dữ liệu đang có trên bus dữ liệu ra TBN

Giảm giá trị đếm và tăng giá trị địa chỉ

6 Lặp lại quá trình trên cho tới khi giá trị đếm bằng 0.

7 Sau khi quá trình DMA kết thúc, DMAC xoá giá trị HRQ xuống mức thấp, trả quyền điều khiển bus cho VXL.

Trang 34

Kỹ thuật ghép nối máy tính

Chương 3:

Ghép nối tín hiệu tương tự

Trang 35

Chương 2: Ghép nối tín hiệu tương tự

Tín hiệu tương tự?

Các đặc trưng của một bộ chuyển đổi Chuyển đổi tín hiệu số thành tương tự Chuyển đổi tín hiệu tương tự thành số

Trang 36

Giới thiệu chung

 Việc sử dụng phương pháp số trong xử lý thông tin và điều khiển đang ngày càng hiệu quả và thuận lợi

 Hầu hết các tín hiệu trong thực tế là tín hiệu dạng tương tự.

 Các thiết bị số muốn giao tiếp với thế giới thực phải xử lý được các tín hiệu tương tự

 Phải có khả năng chuyển đổi các thông tin tương tự thành dạng số và ngược lại

Trang 37

Tín hiệu tương tự là gì?

 Tín hiệu tương tự là các tín hiệu “liên tục”

 Được thể hiện bằng sự thay đổi liên tục của các đại lương vật lý

 Độ chênh lệch giữa các mức của tín hiệu là không xác định

rõ ràng

 Ví dụ: Nhiệt độ, áp suất, sức căng, điện áp, lưu lượng, …

Trang 38

Tín hiệu số là gì?

 Tín hiệu số là các tín hiệu “rời rạc”

 Các mức của tín hiệu được phân biệt rõ ràng và cố định

 Các đơn vị được biểu diễn bằng các “bit” (BInary digiT)

 Các bit được biểu diễn bởi một trong hai trạng thái xác định: on/off, true/false, “1” / ”0”

Trang 39

Các thành phần cơ bản của một hệ thống xử lý tín hiệu tương tự bằng phương pháp số

Trích, giữ

mẫu

Chuyển đổi tín hiệu tương tự -

Chuyển đổi số - tương tự

Điều khiển logic Đầu vào

Trang 40

Digital to Analog Converter (D/A)

 Bộ chuyển đổi D/A chuyển đổi dữ liệu số thành dạng tín hiệu liên tục (điện áp tương tự) để phục vụ cho mục đích hiển thị hoặc điều khiển

 Đầu ra của DAC có thể được sử dụng để điều khiển các thiết

bị ngoài cần tín hiệu điều khiển dạng tương tự

Trang 41

Các thông số chính của một DAC

Độ phân giải và độ tuyến tính

– Xác định bởi số lượng các bit

Được cho bởi điện áp tương ứng với bước nhỏ nhất– Độ tuyến tính cho biết mức độ lệch của điện áp ra với đường thẳng nối giữa 0 và Vmax

Thời gian ổn định

– Thời gian để ổn định trong khoảng ± ½ LSB

Trang 42

Độ tuyến tính

Trang 43

Digital to Analog Converter DAC



NMAX bit DAC

Input code = n 0110001

0100010 0100100 0101011 :

: :

Output voltage = Vout(n)

V+ref

V-ref

Trang 44

Chuyển đổi số / tương tự

Điều hoà tín hiệu Đầu ra tương tự

Trang 45

D/A chia điện trở

Trang 46

 Tín hiệu số đầu vào xác định tín hiệu điện áp nào được nối với bộ khuếch đại thông qua các các bộ chuyển mạch.

 Đơn giản, dễ hiểu

 Kém hiệu quả với các bộ DAC có độ phân giải cao

 Mỗi bit thêm vào cho độ phân giải của DAC đòi hỏi tăng gấp đôi số điện trở và công tắc

 VD: DAC 12 bit thì phải cần tới 4095 điện trở và 4096 công tắc

Trang 48

DAC trọng số nhị phân

AnalogOutput

6.25K

Cần một dải rộng giá trị điện trở

Trang 49

DAC thang điện trở

Trang 50

 Khi độ phân giải của DAC đạt tới 6 hay 7 bit, kiến trúc thang điện trở thường cho một

phương pháp hiệu quả hơn

 Không cần sử dụng nhiều điện trở và công tắc

 Chỉ sử dụng 2 loại điện trở là R và 2R

Trang 51

DAC điều biến độ rộng xung

Trang 52

DAC điều biến độ rộng xung

 Là phương pháp rất đơn giản và hầu như hoàn toàn

sử dụng phương pháp số,

sử dụng rất ít mạch tương tự

 PWM điều chỉnh điện áp đầu

ra sử dụng chuỗi xung tần số cao với độ rộng xung có thể thay đổi được để thay đổi giá trị điện áp đầu ra

Trang 53

DAC0808

Trang 55

Sơ đồ mạch ứng dụng DAC0808

Trang 56

Chuyển đổi tín hiệu tương tự - số

Đầu vào tương tự - đầu ra số

– Chuyển đổi tín hiệu điện áp hoặc dòng điện

Tín hiệu gì cần được chuyển đổi?

– Điện áp (Voltage), dòng điện (Current) , áp lực, thời gian (Time), …

– Xử lý đầu vào tương tự để …

 Biến đổi các giá trị đo của các bộ cảm biến

Trang 57

Chuyển đổi tín hiệu tương tự - số

 Các đặc trưng chính

– Độ phân giải (Resolution)

– Dải động (Dynamic range)

– Băng thông (Bandwidth)

– Thời gian chuyển đổi (Conversion time)

 Độ tuyến tính

– Tích phân (tương đối)

– Vi phân (Differential)

 Kiểu chuyển đổi

– Xấp xỉ tiệm cận (Successive approximation)

– Tích phân sườn dốc (Slope integration)

– Flash

– Sigma Delta

Trang 58

Độ phân giải

 Mỗi ADC có khả năng xử lý n bit

 Xác định sự thay đổi nhỏ nhất mà ADC có thể nhận ra

 Bit có ý nghĩa thấp nhất thể hiện đô phân giải của ADC

 Tương ứng với giá trị toàn thang nếu ADC là tuyến tính là

Trang 59

Ví dụ các mức đầu ra tương ứng với độ phân giải

1-bit A/D Converter

1

0 +10v

Trang 60

Ví dụ các mức đầu ra tương ứng với độ phân giải

4-bit A/D Converter +10v

0v

1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000

12-bit A/D Converter

Tiêu đề	Powerpoint Lecture on Computer Join Technique Full (6 Chapters)
Trường học	Unknown University
Chuyên ngành	Computer Engineering
Thể loại	Lecture notes
Năm xuất bản	2005
Thành phố	Unknown City

Định dạng
Số trang	199
Dung lượng	2,61 MB