BÀI GIẢNG môn học hệ NHÚNG CHƯƠNG 3 VI điều KHIỂN và lập TRÌNH FIRMWARE

• Được xây dựng trên cơ sở ký hiệu tập lệnh của bộ vi xử lý tương ứng.. • Mỗi lệnh là một chuỗi số nhị phân mà bộ xử lý/ vi điều khiển hiểu được để thực hiện một thao tác xác định.. Các

BÀI GIẢNG MÔN HỌC HỆ NHÚNG

Chương 3: Vi điều khiển và lập trình firmware

3.1 Tổng quan vi điều khiển

3.2 Vi điều khiển họ 8051

3.3 Vi điều khiển ARM

3.1 Tổng quan vi điều khiển

Vi điều khiển <> Vi xử lý

Vi điều khiển: Computer On Chip (bao gồm cả CPU, Bộ nhớ, cổng vào ra)

Tổng quan vi điều khiển

• Một số dòng vi điều khiển phổ biến hiện nay

• 8051 (AT89C51, AT89S51, AT89S52)

• AVR (ATMEGA8, ATMEGA16…)

• PIC (PIC16F877A, PIC18F4550, PIC18F2550…)

• ARM (ARM7, ARM9, ARM Cortex-Mx, ARM Cortex-Ax)

• …

3.2 Vi điều khiển họ 8051

• Kiến trúc vi điều khiển 8051

• Lập trình firmware cho vi điều khiển 8051

3.2.1 Kiến trúc vi điều khiển 8051

Do hãng Intel thiết kế năm 1981

Gồm 40 chân

Có 4 cổng vào ra, mỗi cổng rộng 8 bit: P0, P1, P2, P3

Nhóm chân nguồn, dao động và điều khiển

Ngoại vi: UART

6 nguồn ngắt (2 ngắt ngoài)

2 bộ Timer/Counter

4KB Flash, 128 Byte Ram

Tần số xung nhịp tối đa: 24

Đóng vỏ vi điều khiển 8051

Kiến trúc vi điều khiển 8051

Các thanh ghi của 8051

• Các thanh ghi dùng để lưu tạm thời dữ liệu hoặc địa chỉ

• Các thanh ghi này chủ yếu là thanh ghi 8 bit

• Các thanh ghi thường được sử dụng

• Thanh ghi A : thanh ghi tích lũy

• Thanh ghi R0->R7

• Thanh ghi con trỏ dữ liệu DPTR (16 bit)

• Thanh ghi bộ đếm chương trình PC (16bit)

3.2.2 Lập trình vi điều khiển 8051

• Giới thiệu về lập trình hợp ngữ

• Lập trình C

Giới thiệu lập trình hợp ngữ

• Ngôn ngữ máy:

• Chỉ được biểu diễn bằng số nhị phân.

• Bộ vi xử lý chỉ hiểu được các chương trình mã máy.

• Con người rất khó khăn để tạo lập hay đọc hiểu chương trình ngôn ngữ máy.

• Hợp ngữ (Assembly Language):

• Là ngôn ngữ lập trình bậc thấp (gần ngôn ngữ máy nhất).

• Được xây dựng trên cơ sở ký hiệu tập lệnh của bộ vi xử lý tương ứng.

• Phụ thuộc hoàn toàn vào bộ vi xử lý cụ thể.

• Ngôn ngữ lập trình bậc cao:

• Gần với ngôn ngữ tự nhiên hơn.

• Được xây dựng độc lập với cấu trúc của máy tính.

Tập lệnh

• Mỗi bộ xử lý/ vi điều khiển có một tập lệnh xác định (mang

tính kế thừa trong cùng một dòng họ).

• Tập lệnh thường có hàng chục đến hàng trăm lệnh.

• Mỗi lệnh là một chuỗi số nhị phân mà bộ xử lý/ vi điều khiển

hiểu được để thực hiện một thao tác xác định.

• Các lệnh được mô tả bằng các kí hiệu gợi nhớ  các lệnh hợp

ngữ.

• Ví dụ: Lệnh ADD A, #3Ah

0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0

Khuôn dạng của một lệnh máy

• Mã thao tác (Operation Code - Opcode): mã hóa cho thao

tác mà CPU phải thực hiện

• Tham chiếu toán hạng: mã hóa cho toán hạng hoặc nơi

chứa toán hạng mà thao tác sẽ tác động

• Toán hạng nguồn (Source Operand): dữ liệu vào của thao tác

Các chế độ địa chỉ

• Chế độ định địa chỉ thanh ghi

• Sử dụng thanh ghi để lưu trữ dữ liệu cần thao tác

• Thanh ghi nguồn và đích phải phù hợp về kích thước

• Không được chuyển dữ liệu giữa các thanh ghi R0->R7

• Ví dụ:

• MOV A, R0 ; Chuyển dữ liệu trong R0 vào A

Các chế độ địa chỉ

• Chế độ địa chỉ trực tiếp

• Toán hạng (nguồn hoặc đích) là địa chỉ của ô nhớ

• Trước địa chỉ ô nhớ không có dấu #

• Ví dụ:

• MOV A, 35h ;Dữ liệu trong ô nhớ có địa chỉ

; 35h được chuyển vào thanh ghi A

Các chế độ địa chỉ

• Chế độ định địa chỉ gián tiếp thanh ghi

• Địa chỉ ô nhớ chứa dữ liệu được chứa trong thanh ghi R0 hoặc R1

• Trước thanh ghi R0 hoặc R1 phải chèn thêm ký tự “@” để biểu thị cho chế độ địa chỉ này

• Ví dụ:

• MOV A,@R0 ;chuyển dữ liệu trong ô nhớ có ;địa chỉ được chỉ ra trong thanh ;ghi R0 vào thanh ghi A

Tập lệnh vi điều khiển 8051

Lệnh số học

ADD đích, nguồn Đích = đích + nguồn

ADDC đích, nguồn Đích = đích + nguồn + cờ nhớ

SUBB đích, nguồn Đích = đích – nguồn

INC nguồn Đích = đích + 1

DEC nguồn Đích = đích - 1

Tập lệnh vi điều khiển 8051

Lệnh truyền dữ liệu

MOV đích, nguồn Đích = nguồn (Bộ nhớ trong)

MOVX đích, nguồn Đích = nguồn (Thao tác bộ nhớ

ngoài)

XCHD Tráo đổi dữ liệu ( 4 bit thấp)

Tập lệnh vi điều khiển 8051

Lệnh rẽ nhánh

ACALL Gọi chương trình con, địa chỉ 11 bit

LCALL Gọi chương trình con, địa chỉ 16 bit

JZ, JNZ, JB, JNB… Lệnh nhảy có điều kiện (kiểm tra

bit)

Dữ liệu của chương trình

• Hợp ngữ cho phép biểu diễn dưới dạng:

• Số nhị phân: 1011b, 1011B,

• Số thập phân: 35, 35d, 35D,

• Số Hexa: 4Ah, 0ABCDh, 0FFFFH,

• Kí tự: "A", 'HELLO', "Bach Khoa",

• Tất cả các kiểu dữ liệu trên sau đó đều được trình dịch Assembler dịch ra mã nhị phân

• Mỗi kí tự được dịch thành mã ASCII tương ứng

• Chương trình không phân biệt 'A' với 41h hay 65

Một số lệnh cơ bản

• Lệnh ADD: cộng

• Cú pháp:

ADD A,nguồn ;cộng toán hạng

;nguồn vào thanh ghi A

• Lệnh MOV: chuyển dữ liệu

• Cú pháp

MOV đích, gốc ;chuyển dữ liệu từ toán hạng

;gốc vào toán hạng đích

Dịch và chạy chương trình

Ví dụ sử dụng lệnh ADD, MOV

ORG 000 ;Dia chi bat dau cua chuong trinh MOV R5, #25h ;Nap 25h vao R5

MOV R7, #34h ;Nap 34h vao R7

MOV A, #0 ;Nap 0 vao thanh ghi A

ADD A, R7 ;A=A+R7 (A=25h+34h)

HERE: SJMP HERE ;O lai trong vong lap

END

Sử dụng các lệnh ADD, MOV

3.3 Vi điều khiển họ ARM

• Kiến trúc tổng quan lõi vi xử lý ARM

• Kiến trúc vi điều khiển lõi ARM920T (S3C2440)

• Lập trình ứng dụng trên hệ điều hành Linux nhúng

Kiến trúc tổng quan lõi vi xử lý ARM

• ARM là dòng vi xử lý 32 bit được thiết kế theo kiến trúc tập lệnh RISC (Reduced Instruction Set Computer)

• ARM viết tắt của

• Advanced RISC Machine

• Acorn RISC Machine

• ARM là kiến trúc được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống nhúng: Mobile phones, PDAs, thiết bị điện tử gia dụng…

Kiến trúc tổng quan vi xử lý lõi ARM

• Kế thừa các đặc điểm của kiến trúc tập lệnh RISC

• Số lượng thanh ghi lớn và có kích thước giống nhau

• Tập lệnh load/store, không cho phép các thao tác xử lý dữ liệu trực tiếp trên

bộ nhớ

• Chế độ địa chỉ đơn giản (ít chế độ địa chỉ hơn kiến trúc CISC)

• Phát triển các đặc trưng mới của ARM

• Các lệnh có kết hợp với lệnh dịch hoặc các lệnh logic

• Chế độ địa chỉ tự động tăng-giảm để tối ưu hóa các vòng lặp

• Nạp và lưu (load/store) nhiều lệnh cùng lúc cho phép nâng cao thông lượng

Kiến trúc tổng quan lõi vi xử lý ARM

• Thumb Instruction Set: tập lệnh 16 bit cho phép tăng mật độ lệnh

• Jazelle: công nghệ cho phép tăng tốc các ứng dụng viết bằng Java

• SIMD, NEON: công nghệ nâng cao hiệu năng cho các ứng dụng Video/Audio

• TrustZone: công nghệ nâng cao tính bảo mật

Công nghệ đặc trưng

So sánh hiệu năng các dòng ARM

Kiến trúc tổng quan vi xử lý lõi ARM

• ARM được rất nhiều hãng phát triển và sản xuất, ở Việt Nam phổ biến chip ARM của các hãng

• ATMEL: AT91SAM7, AT91SAM9…

• NXP: LPC2138, LPC2148, LPC2300…

• TI (Texas Instrument): TMS470, TMS570…

• SAMSUNG: S3C2440

• …

Kiến trúc vi điều khiển S3C2440

• Đặc điểm của chip S3C2440

• Core:

• ARM920T core , 16 Kbytes Data Cache, 16 Kbytes Instruction cache

• Xung nhịp tối đa: 400 MHz

• Memories

• Giao diện bus AMBA (Advanced Micro controller Bus Architecture)

• 4 KByte SRAM nội

Lõi vi xử lý ARM920T

Kiến trúc vi điều khiển S3C2440

• Đặc điểm của chip S3C2440 (tiếp)

• Multimedia Card Interface

• ADC 10 bit 8 kênh

• Giao tiếp cảm biến ảnh (Image Sensor)

• Điều khiển LCD

• Điều khiển AC97 audio codec

Kiến trúc vi điều khiển S3C2440

• Đặc điểm của chip S3C2440(tiếp)

• Hệ thống

• 4 kênh DMA (Direct Memory Access)

• Boot hệ thống từ NOR Flash, NAND Flash, SDCard, Ethernet

• Bộ điều khiển ngắt nâng cao AIC(Advanced Interrupt Controller)

• Vào ra

• 130 chân vào ra lập trình được

Tập thanh ghi và chế độ hoạt động

Thanh ghi trạng thái chương trình

Các cờ kết quả hoạt động của ALU

Điều khiển cho phép/cấm ngắt

Thiết lập chế độ hoạt động

Mode bits

Tập lệnh của S3C2440

• Tập lệnh ARM chia thành các nhóm lệnh

• Lệnh rẽ nhánh (Branch)

• Lệnh xử lý dữ liệu (Data Processing)

• Trao đổi thanh ghi trạng thái (Status Register Transfer)

• Nạp và lưu (Load and Store)

• Phát sinh ngoại lệ (Exception-Generating)

Bản đồ bộ nhớ

• Bus địa chỉ 32 bit

• Địa chỉ bắt đầu: 0x00000000

• Địa chỉ kết thúc: 0x40000000

• Chia thành nhiều bank nhớ, mỗi bank 128 MB, tổng không gian bộ nhớ 1GB

• 6 bank nhớ cho ROM, SRAM

• 2 bank nhớ cho ROM, SRAM, SDRAM, ….

• Hỗ trợ cả hai kiểu lưu trữ: little endian, big endian

Giới thiệu KIT nhúng mini2440

Giới thiệu KIT nhúng mini2440

Giới thiệu KIT nhúng mini2440

• Thông số kỹ thuật

Giới thiệu KIT nhúng mini2440

Môi trường phát triển ứng dụng

Môi trường phát triển ứng dụng

• Chạy chương trình trên nền hệ điều hành Linux nhúng

• Trên KIT cài TFTP client

• Trên máy phát triển, cài TFTP server

• Trên KIT dùng lệnh TFTP để download chương trình

Demo

Thảo luận

Lập trình ứng dụng trên Linux

• Cài đặt môi trường phát triển

• Xây dựng chương trình HelloWorld

• Lập trình vào ra căn bản

• Lập trình xử lý ngắt

• Lập trình giao tiếp cổng COM

• Lập trình ứng dụng đồ họa

Cài đặt môi trường phát triển

• Môi trường phát triển

• Hệ điều hành Linux (Ubuntu 9.04)

• Trình biên dịch chéo: ARM Linux GCC 4.3.2

Xây dựng chương trình Hello World

Bước 1: viết code chương trình

Bước 2: dịch chương trình

-Cách 1: dùng lệnh make

-Cách 2: dùng lệnh tường minh

arm-linux-gcc –o OutputFile Source.c

Bước 3: dùng tftp download chương trình xuống dưới KIT

tftp –l localfile –r remotefile –g ServerIP

Bước 4: chạy chương trình trên KIT

Lập trình giao tiếp cổng COM

• Khởi tạo: Khai báo thư viện

• Bước 1: Mở cổng

• Bước 2: Thiết lập tham số

• Bước 3: Đọc, ghi cổng

• Bước 4: Đóng cổng

Khai báo thư viện

• #include <stdio.h>

• #include <stdlib.h>

• #include <string.h>

• #include <unistd.h> // UNIX standard function

• #include <fcntl.h> // File control definitions

• #include <errno.h> // Error number definitions

• #include <termios.h> // POSIX terminal control

• #include <time.h> // time calls

Bước 1: Mở cổng

• Sử dụng lệnh mở file

int fd = open ("/dev/ttyUSB0", O_RDWR);

• Fd >0 nếu mở file thành công

• Fd<0 nếu mở file thất bại

Bước 2: Thiết lập tham số

port_settings.c_cflag &= ~PARENB;

port_settings.c_cflag &= ~CSTOPB;

port_settings.c_cflag &= ~CSIZE;

port_settings.c_cflag |= CS8;

tcsetattr(fd, TCSANOW, &port_settings);

Bước 3: Đọc, ghi cổng

• Đọc cổng: sử dụng lệnh đọc file

n=read(fd,&result,sizeof(result));

N: số ký tự đọc được

Result: chứa kết quả

• Ghi cổng: sử dụng lệnh ghi file

n=write(fd,“Hello World\r",12);

N:số ký tự đã ghi

Fd: file id (có được từ thao tác mở file thành công)

Lập trình ứng dụng đồ họa

• Sử dụng nền tảng QT của Nokia

• Ứng dụng đa nền: Desktop, mobile, embedded computer

• Viết code 1 lần duy nhất, chạy trên nhiều nền tảng khác nhau

• Sử dụng ngôn ngữ C/C++

• Hỗ trợ các nền tảng: Windows, Linux, Embedded Linux, Win CE, Symbian, Maemo…

• Có thể tích hợp với các IDE thông dụng: Visual Studio, Eclipse

• Tham khảo: qt.nokia.com; qtcentre.org

Ứng dụng QT

Kiến trúc QT SDK

Cơ chế Signals and Slot của QT

• Signals: tương tự Event

• Slot: tương tự Event Handler

connect(sender, SIGNAL(signal), receiver, SLOT(slot));

VD: đồng bộ hai điều khiển trên QT

Môi trường phát triển

• IDE

1) QT Creator

2) Tích hợp vào Visual Studio, Eclipse

• Chương trình dịch: qmake

1) Qmake for Windows

2) Qmake for Linux

3) Qmake for Embedded Linux

…

QT Creator

Demo

Thảo luận