BỘ CÔNG THƢƠNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SAO ĐỎ
*****
TÀI LIỆU HỌC TẬP
THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG
TRONG CƠ ĐIỆN TỬ
Dùng cho sinh viên đại học
Ngành: Kỹ thuật cơ điện tử
(Tài liệu lưu hành nội bộ)
NĂM 2023
BỘ CÔNG THƢƠNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SAO ĐỎ
*****
TÀI LIỆU HỌC TẬP
THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG
TRONG CƠ ĐIỆN TỬ
Dùng cho sinh viên đại học
Ngành: Kỹ thuật cơ điện tử
(Tài liệu lưu hành nội bộ)
NĂM 2023
MỤC LỤC
BẢNG TRA CỨU THUẬT NGỮ .....................................................................................
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................. 1
Phần 1. LÝ THUYẾT ...................................................................................................... 2
Chƣơng 1. GIỚI THIỆU CHUNG .................................................................................. 2
1.1. Các khái niệm về hệ thống nhúng ......................................................................... 2
1.1.1. Khái niệm về hệ thống nhúng ........................................................................ 2
1.1.2. Khái niệm về hệ thời gian thực ...................................................................... 3
1.2. Lĩnh vực ứng dụng của hệ thống nhúng .............................................................. 4
1.3. Đặc điểm công nghệ và xu hƣớng phát triển của hệ thống nhúng ...................... 8
1.3.1. Đặc điểm công nghệ ....................................................................................... 8
1.3.2. Xu thế phát triển và sự tăng trƣởng của hệ nhúng ....................................... 10
1.4. Kiến trúc điển hình của hệ thống nhúng ............................................................. 12
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 1 .................................................................................. 14
Chƣơng 2. CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ NHÚNG ................................................... 15
2.1. Các thành phần kiến trúc cơ bản ......................................................................... 15
2.1.1. Đơn vị xử lý trung tâm CPU ........................................................................ 15
2.1.2. Xung nhịp và trạng thái tín hiệu ................................................................... 17
2.1.3. Bus địa chỉ, dữ liệu và điều khiển ................................................................ 20
2.1.4. Bộ nhớ .......................................................................................................... 22
2.1.5. Ngoại vi ........................................................................................................ 25
2.1.6. Giao diện ...................................................................................................... 33
2.2. Một số nền phần cứng nhúng thông dụng .......................................................... 38
2.2.1. Chip vi xử lý/vi điều khiển nhúng ............................................................... 38
2.2.2. Chip DSP ...................................................................................................... 39
2.2.3. Một số loại chip khả trình ............................................................................ 41
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 2 .................................................................................. 48
Chƣơng 3. CƠ SỞ KỸ THUẬT PHẦN MỀM NHÚNG .............................................. 49
3.1. Đặc điểm phần mềm nhúng ................................................................................ 49
3.2. Biểu diễn số và dữ liệu ...................................................................................... 49
3.2.1. Các hệ thống cơ số ....................................................................................... 50
3.2.2. Số nguyên ..................................................................................................... 50
3.2.3. Số dấu phẩy tĩnh ........................................................................................... 52
3.2.4. Số dấu phẩy động ......................................................................................... 52
3.2.5. Một số phép tính cơ bản ............................................................................... 54
3.3. Tập lệnh .............................................................................................................. 58
3.3.1. Cấu trúc tập lệnh CISC và RISC .................................................................. 58
3.3.2. Định dạng lệnh ............................................................................................. 59
3.3.3. Các kiểu truyền địa chỉ toán tử lệnh ............................................................ 60
3.3.4. Nguyên lý thực hiện pipeline ....................................................................... 63
3.3.5. Hazard .......................................................................................................... 64
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 3 .................................................................................. 67
Chƣơng 4. HỆ ĐIỀU HÀNH NHÚNG ......................................................................... 68
4.1. Hệ điều hành ....................................................................................................... 68
4.2. Bộ nạp khởi tạo ................................................................................................... 69
4.3. Các yêu cầu chung .............................................................................................. 71
4.4. Hệ điều hành thời gian thực ................................................................................ 73
4.4.1. Hệ điều hành thời gian thực RTOS (Real Time Operating System) ........... 73
4.4.2. Hạt nhân điển hình cơ bản ........................................................................... 75
4.5. Ngôn ngữ và môi trƣờng phát triển .................................................................... 76
4.5.1. Ngôn ngữ ...................................................................................................... 76
4.5.2. Biên dịch ...................................................................................................... 77
4.5.3. Simulator ...................................................................................................... 83
4.5.4. Emulator ....................................................................................................... 83
4.5.5. Thiết kế hệ thống bằng máy tính .................................................................. 83
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 4 .................................................................................. 86
Chƣơng 5. KỸ THUẬT LẬP TRÌNH NHÚNG............................................................ 87
5.1. Tác vụ và quá trình ............................................................................................. 87
5.2. Lập lịch ............................................................................................................... 87
5.2.1. Các khái niệm ............................................................................................... 87
5.2.2. Các phƣơng pháp lập lịch phổ biến .............................................................. 89
5.2.3 Kỹ thuật lập lịch ............................................................................................ 91
5.3. Truyền thông và đồng bộ .................................................................................... 92
5.3.1. Semaphore .................................................................................................... 92
5.3.2. Monitor ......................................................................................................... 95
5.4. Xử lý ngắt ........................................................................................................... 96
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 5 ................................................................................ 100
Chƣơng 6. THIẾT KẾ HỆ NHÚNG, TỔ HỢP PHẦN CỨNG VÀ MỀM ................. 101
6.1. Quy trình phát triển ........................................................................................... 101
6.2. Mô hình hóa sự kiện và tác vụ .......................................................................... 101
6.2.1. Phƣơng pháp mô hình Petrinet ................................................................... 101
6.2.2. Quy ƣớc biểu diễn mô hình Petrinet .......................................................... 102
6.2.3. Mô tả các vấn đề hoạt động cơ bản với Petrinet ........................................ 103
6.2.4. Ngôn ngữ mô tả phần cứng ........................................................................ 106
6.3. Thiết kế phần mềm điều khiển .......................................................................... 107
6.3.1. Mô hình thực thi bộ điều khiển nhúng ....................................................... 107
6.3.2. Triển khai bộ điều khiển PID số ................................................................ 109
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 6 ................................................................................ 112
Phần 2. THỰC HÀNH ................................................................................................ 113
Bài 1. thiết kế, lập trình, mô phỏng mạch điều khiển led đơn..................................... 113
Bài 2. thiết kế, lập trình, mô phỏng mạch điều khiển led 7 thanh theo phƣơng
pháp quét ......................................................................................................... 117
Bài 3. thiết kế, lập trình, mô phỏng mạch điều khiển led 7 thanh theo phƣơng pháp
dùng ic giải mã ............................................................................................................ 121
Bài 4. thiết kế, lập trình, mô phỏng mạch điều khiển led 7 thanh theo phƣơng pháp
ghi dịch ........................................................................................................................ 124
Bài 5. thiết kế, lập trình, mô phỏng mạch điều khiển giao tiếp lcd 16x2 .................... 128
Bài 6. thiết kế, lập trình, mô phỏng mạch giao tiếp ma trận phím hiển thị led 7 thanh ......... 132
Bài 7. thiết kế, lập trình, mô phỏng mạch giao tiếp ma trận phím hiển thị lcd 16x2 ....... 136
Bài 8. thiết kế, lập trình, mô phỏng mạch đo nhiệt độ dùng adc0804 và lm35 hiển thị
led 7 thanh ................................................................................................................... 141
Bài 9. thiết kế, lập trình, mô phỏng mạch đo nhiệt độ dùng adc0804 và lm35 hiển thị
lcd16x2 ........................................................................................................................ 145
Bài 10. thiết kế, lập trình, mô phỏng mạch điều khiển đèn giao thông ngã tƣ ............ 149
Bài 11. thiết kế, lập trình, mô phỏng mạch giao tiếp .................................................. 153
cảm biến siêu âm ......................................................................................................... 153
Bài 12. thiết kế, lập trình, mô phỏng mạch điều khiển động cơ điện một chiều theo
phƣơng pháp pwm ....................................................................................................... 158
Bài 13. thiết kế, lập trình, mô phỏng mạch điều khiển động cơ bƣớc theo kiểu
full bƣớc ..................................................................................................................... 163
Bài 14. thiết kế, lập trình, mô phỏng mạch điều khiển ................................................ 169
động cơ bƣớc theo phƣơng pháp vi bƣớc .................................................................... 169
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 175