Luận văn Thiết kế, thi công và viết chương trình điều khiển mạch thực hành cho Z80 CPU

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN (( LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đề tài: Thiết kế, thi công và viết chương trình điều khiển mạch thực hành cho Z80 CPU. Giao tiếp với máy tính qua ngõ máy in. Giáo viên hướng dẫn: Thầy Nguyễn Xuân Minh. Sinh viên thực hiện : Hoàng Lê Bình. Lưu Đình Dũng. Lớp : KSII_K6_T. Đề tài: Thiết kế, thi công và viết chương trình điều khiển mạch thực hành cho Z80 CPU với các đặc điểm sau: - Giao tiếp với máy tính qua ngõ máy in. - Giả lập ROM để nhận chương trình từ máy tính. - Có khả năng chạy từng bước từ bên máy tính. - Có khả năng thông báo trạng thái các thanh ghi về bên máy tính. - Có khả năng điều khiển một số cổng xuất nhập đơn giản. - Thi công mạch, thử mạch. - Viết chương trình và thử chạy theo từng chức năng. (( (( ( (( MỤC LỤC Mở đầu trang 4 Chương I Phân tích yêu cầu 1.1 Phân tích yêu cầu trang 5 1.2 Phương hướng giải quyết vấn đề trang 5 Chương II Thiết kế phần cứng ( 2.1. Phân tích các chức năng của cổng ghép nối với máy in trang 8 ( 2.2. Kiến trúc Z80 CPU. trang 10 ( 2.3. Thiết kế chi tiết. trang 48 ( 2.4. Nguyên lý hoạt động. trang 49 Chương III. Giới thiệu phần soạn thảo văn bản 3.1. Các thành phần chính của main menu trang 55 3.2. Hướng dẫn sử dụng trong màn hình soạn thảo trang 55 ( Chương IV. Giải thuật trang 57 ( Chương V. Chương trình nguồn 5.1. Chương trình đưa data ra RAM chung, Debug, Dump, Run trang 71 5.2. Chương trình con viết bằng ngôn ngữ con Assembler Z80 dùng đọc trạng thái các thanh ghi trang 109 5.3. Chương trình con viết bằng ngôn ngữ con Assembler Z80 dùng dump memory trang 111 5.4. Chương trình tạo tiện ích soạn thảo văn bản vàhỗ trợ chế độ chạy debug Z80 trang 111 5.5. Các chương trình ví dụ trang 133 ( Phụ lục A: Các thông báo lỗi. trang 142 ( Phụ lục B: Vi mạch 8255. trang 143 ( Tài liệu tham khảo. trang 145 (( ( (( Lời nói đầu Sự phát triển đi lên vượt bậc của ngành kỹ thuật máy tính và điện tử hiện nay đã được minh chứng cụ thể qua cuộc sống hằng ngày của chúng ta trong tất cả các lĩnh vực. Việc ứng dụng máy vi tính vào kỹ thuật đo lường và điều khiển đã đem lại những kết quả đầy tính ưu việt. Các thiết bị, hệ thống đo lường và điều khiển ghép nối với máy tính có độ chính xác cao, thời gian thu thập số liệu ngắn, nhưng đáng quan tâm hơn là mức độ tự động hoá trong việc thu nhận và xử lý dữ liệu. Kỹ thuật số ra đời đã khắc phục được các khuyết điểm của kỹ thuật tương tự, làm cho các bộ phận máy móc trở nên đơn giản, gọn nhẹ, ít tốn kém năng lượng và xử lý thông tin nhanh, chính xác hơn so với kỹ thuật tương tự. Tuy vậy, nếu sử dụng các bộ điều khiển dùng các IC số chúng vẫn còn mắc một số khuyết điểm mà so với kỹ thuật vi xử lý nó vẫn tồn tại như: - Kích thước lớn. - Năng lượng tiêu thụ lớn. - Tính mềm dẽo thấp, khó thay đổi. - Khó sửa chữa, bảo trì. Vi xử lý là một vi mạch điện tử có mật độ tích hợp cao, trong đó gồm các mạch số có khả năng nhận, xử lý và xuất dữ liệu. Đặc biệt là quá trình xử lý dữ liệu được điều khiển theo một chương trình gồm tập hợp các lệnh từ bên ngoài mà người sử dụng có thể thay đổi được một cách dễ dàng. Một vi xử lý có thể thực hiện rất nhiều yêu cầu điều khiển khác nhau. Kỹ thuật vi xử lý ra đời với sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm đã làm cho hoạt động của các mạch điện trở nên mềm dẽo hơn với những phần mềm rất linh hoạt mà ta có thể sửa chữa, thay đổi hoặc bổ sung làm cho chương trình điều khiển thêm phong phú tùy theo nhu cầu của người sử dụng. Kỹ thuật vi xử lý có tính phức tạp trong hoạt động, thiết kế nhưng lại rất kinh tế vì giá thành hạ và kích thước chiếm chỗ không nhiều, có dung lượng cao. Ngoài ra về mặt kỹ thuật cũng hơn hẳn kỹ thuật số vì quá trình hoạt động rất mềm dẽo, tốc độ xử lý cao và lại có thể mở rộng tính năng hoạt động sau này cho mạch điện. Đây là ưu điểm rất thuận lợi mà kỹ thuật vi xử lý mang lại. Chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Xuân Minh đã tận tình hướng dẫn để hoàn thành luận văn này. Chúng tôi cũng xin chân thành cảm ơn các bạn bè đã đóng góp ý kiến và chỉ dẫn trong khi thực hiện đề tài. Vì trình độ có hạn và đây làđề tài đầu tiên thực hiện một cách có hệ thống cho nên chắc chắn không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót. (( ( (( Chương I. Phân tích yêu cầu 1.1. Phân tích yêu cầu. 1.1.1. Đặc điểm của cổng ghép nối với máy in. Việc nối máy in với máy tính được thực hiện qua ổ cắm 25 chân ở phiá sau máy tính. Nhưng đây không chỉ là chỗ nối với máy in mà khi sử dụng máy tính vào mục đích đo lường và điều khiển thì việc ghép nối cũng thực hiện qua ổ cắm này. Qua cổng này dữ liệu được truyền đi song song nên đôi khi còn được gọi là cổng ghép nối song song và tốc độ truyền dữ liệu cũng đạt đến mức lớn đáng kể. Tất cả các đường dẫn của cổng này đều tương thích TTL, nghĩa là chúng đều cung cấp một mức điện áp nằm giữa 0V và 5V. Do đó ta còn cần phải lưu ý là ở các đường dẫn lối vào cổng này không được đặt các mức điện áp quá lớn. 1.1.2. Đặc điểm chung của Z80 CPU. Z80 CPU là một vi xử lý 8 bit của hãng ZILOG được thiết kế để có thể làm việc một cách độc lập, có thể giao tiếp với các bộ xử lý khác thông qua các thiết bị ngoại vi. Đặc điểm chung: - Data bus: 8 bits. - Addr bus: 16 bits. - Tập thanh ghi được phân thành 3 loại: . Tập thanh ghi chính (8 bit). . Tập thanh ghi phụ (8 bit). . Tập thanh ghi chuyên dụng (16 bits) - Tập lệnh CPU Z80 có thể chia làm nhiều nhóm khác nhau theo nhiều cách. Ở đây có thể chia thành 4 nhóm sau: . Nhóm lệnh xử lý dữ kiện. . Nhóm lệnh truyền dữ kiện. . Nhóm lệnh kiểm soát chương trình. . Nhóm lệnh kiểm soát trạng thái. Phần mô tả chi tiết Z80 CPU sẽ được nói kỹ trong chương II. 1.2. Phương hướng giải quyết vấn đề. 1.2.1. Giao tiếp giữa PC & KIT Z80. Để có thể thực hiện việc giao tiếp giữa máy tính và một KIT Z80 có thể dùng một trong hai phương pháp sau: Phương pháp thứ nhất: Thực hiện việc bắt tay giữa máy tính và KIT Z80 khi thao tác truyền dữ liệu. Muốn thực hiện được điều này thì máy tính và KIT Z80 sẽ ở trong trạng thái sẵn sàng hoạt động trước khi thực hiện thao tác bắt tay để truyền dữ liệu. Như vậy trên KIT Z80 sẽ có một chương trình để có thể thực hiện thao tác này, việc ghép nối bus cùng với việc phát các tín hiệu bắt tay giữa máy tính và KIT Z80 sẽ do chương trình bên trong KIT Z80 và chương trình bên trong máy tính đảm nhiệm. Phương pháp này có ưu điểm là việc thu và nhận data sẽ diễn ra đồng bộ, nhanh chóng và chính xác nhưng lại hơi phức tạp trong việc thực hiện các thao tác bắt tay. Phương pháp thứ hai: Mọi thao tác truyền dữ liệu sẽ do máy tính chủ động, dữ liệu truyền sẽ được chứa trong RAM (được gọi là RAM chung). RAM này giả lập ROM để chạy chương trình từ máy tính. Để đơn giản cho việc thiết kế (cả phần cứng và phần mềm) và phù hợp với nội dung của yêu cầu đặt ra, người thiết kế lựa chọn phương pháp thứ hai để thực hiện yêu cầu của bài toán đặt ra. 1.2.2. Dừng và cho chạy Z80 CPU. Sử dụng các mức logic thích hợp đưa vào chân WAIT để tạm thời dừng hoạt động của Z80 CPU, đặt Z80 CPU vào trạng thái chờ hoặc cho Z80 CPU hoạt động ở chế độ bình thường. Khi chân WAIT ở mức logic '1', Z80 CPU hoạt động bình thư ờng. Khi mức logic tại chân WAIT là '0', Z80 CPU sẽ được đặt vào trạng thái chờ. Ở trạng thái này dữ liệu trên đường địa chỉ và data được giữ ổn định, đồng thời CPU liên tục đọc vào mức logic trên chân WAIT cho đến khi chân này đạt trở lại mức logic '1'. Sau khi thoát khỏi trạng thái WAIT Z80 CPU sẽ dành 2 chu kỳ xung clock để làm tươi bộ nhớ Ram động, sau đó thi hành bước kế tiếp của lệnh hoặc thi hành lệnh kế. Như vậy khi đặt Z80 CPU vào trạng thái chờ ta có thể đọc được dữ liệu trên data bus, address bus hoặc có thể can thiệp vào hoạt động của CPU bằng cách đặt một giá trị khác lên data bus trong thời gian CPU lấy mã lệnh hoặc truy xuất bộ nhớ chương trình (lúc này cần thiết phải cấm CS bộ nhớ chương trình (ROM chương trình)). 1.2.3. Hướng mở rộng đề tài. Do có ý đồ mở rộng đề tài theo hướng dùng KIT để sử dụng như là 1 thiết bị mô phỏng dùng cho Z80 CPU nên trong phần thiết kế đã cố gắng tránh can thiệp nhiều vào Z80 CPU. Để Z80 CPU có thể chạy được ở chế độ Debug chỉ cần lấy tín hiệu CSROM và M1 để điều khiển quá trình. Như vậy, có thể dùng KIT để làm 1 bộ mô phỏng ( simulator) cho các thiết kế khác có sử dụng Z80 CPU. Sơ đồ khối như sau : Addr bus : được lấy trực tiếp từ adress bus của KIT Data bus : được lấy trực tiếp từ data bus của KIT Ctrl bus gồm : Wait : nối vào chân số ( của 74LS74 (U8A) Reset : nối vào chân số ( của 74LS04 (U2E) Chú y : Trong chế độ Debug cần phải có biện pháp can thiệp vào chân interrupt của KIT Z80 bất kỳ, khi KIT này chạy ở chế độ có dùng ngắt. Cấm=’0’ : Khi chạy ở chế độ Debug(cấm ngắt). (( ( (( Chương II. Thiết kế phần cứng 2.1. Phân tích các chức năng của cổng ghép nối với máy in. Sự sắp xếp các chân ra ở cổng máy in với tất cả các đường dẫn được mô tả trên hình 2.1. Chân Ký hiệu Vào/Ra Mô tả 1 STB Output Bit 0 của thanh ghi điều khiển 2 D0 Output Đường dữ liệu D0 3 D1 Output Đường dữ liệu D1 4 D2 Output Đường dữ liệu D2 5 D3 Output Đường dữ liệu D3 6 D4 Output Đường dữ liệu D4 7 D5 Output Đường dữ liệu D5 8 D6 Output Đường dữ liệu D6 9 D7 Output Đường dữ liệu D7 10 ACK Input Bit 6 của thanh ghi trạng thái 11 BUSY Input Bit 7 của thanh ghi trạng thái 12 PE Input Bit 5 của thanh ghi trạng thái 13 SLCT Input Bit 4 của thang ghi trạng thái 14 AF Output Bit 1 của thanh ghi điều khiển 15 ERROR Input Bit 3 của thanh ghi trạng thái 16 INIT Output Bit 2 của thanh ghi điều khiển 17 SLCTIN Output Bit 3 của thanh ghi điều khiển 18 GND 19 GND 20 GND 21 GND 22 GND 23 GND 24 GND 25 GND Hình 2.1. Bố trí chân ở cổng máy in ở máy tính PC. Ta thấy bên cạnh 8 bit dữ liệu còn có những đường dẫn tín hiệu khác, tổng cộng người sử dụng có thể trao đổi một cách riêng biệt với 17 đường dẫn, bao gồm 12 đường dẫn ra và 5 đường dẫn vào. Bởi vì 8 đường dẫn dữ liệu D0 - D7 không phải là đường dẫn 2 chiều trong tất cả các loại máy tính, nên ta sẽ sử dụng D0 - D7 như là lối ra. Các lối ra khác nữa là STB, AF, INIT và SLCTIN. Các đường dẫn lối vào là: ERROR, SLCT, PE, ACK, BUSY. Tất cả các đường dẫn tín hiệu vừa được giới thiệu cho phép trao đổi qua các địa chỉ bộ nhớ của máy tính PC. 17 đường dẫn của cổng máy in sắp xếp thành 3 thanh ghi: thanh ghi data, thanh ghi trạng thái, thanh ghi điều khiển. Hình 2.2 chỉ ra sự sắp xếp của các đường dẫn tín hiệu tới các bit dữ liệu riêng biệt của thanh ghi. Thanh ghi data (Địa chỉ cơ bản) D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D0 (pin 2) D1 (pin 3) D2 (pin 4) D3 (pin 5) D4 (pin 6) D5 (pin 7) D6 (pin 8) D7 (pin 9) Thanh ghi trạng thái (Địa chỉ_cơ bản + 1) D7 D6 D5 D4 D3 0 0 0 ERROR (pin 15) SLCT (pin 13) PE (pin 12) ACK (pin 10) BUSY (pin 11) Thanh ghi điều khiển (Địa chỉ cơ bản + 2) D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 STB (pin 1) AF (pin 14) INIT (pin 16) SLCTIN (pin 17) IRQ-Enable Hình 2.2. Thanh ghi ở cổng máy in của máy tính PC. Địa chỉ đầu tiên đạt đến được của cổng máy in được xem như là địa chỉ cơ bản. Ở các máy tính PC địa chỉ cơ bản của cổng máy in được sắp xếp như sau: LPT1 (Cổng máy in thứ nhất) => Địa chỉ cơ bản = 378H Hoặc là 3BCH ở máy Laptop LPT2 (Cổng máy in thứ hai) => Địa chỉ cơ bản = 278H Địa chỉ cơ bản đồng nhất với thanh ghi dữ liệu. Thanh ghi trạng thái có địa chỉ = địa chỉ cơ bản + 1. Cần chú ý rằng mức logic của BUSY (chân 11) được sắp xếp ngược với bit D7 của thanh ghi trạng thái. Thanh ghi điều khiển với 4 đường dẫn lối ra của nó có địa chỉ = địa chỉ cơ bản + 2. Ở đây lại cần chú ý tới sự đảo ngược của các tín hiệu: STB, AF, SLCTIN. 2.2. Kiến trúc Z80 CPU. 2.2.1. Sơ đồ khối Z80 CPU. Bus dữ kiện 8 bits Bus nội Tín hiệu điều khiển Kiểm soát CPU hệ thống & CPU Bus địa chỉ 16 bits Hình 1-1: Sơ đồ khối Z80 CPU. Sơ đồ khối của kiến trúc bên trong Z80 CPU được cho trong hình 1-1. Sơ đồ này trình bày tất cả các phần tử chính trong CPU và nó sẽ được xem xét kỹ qua các phần mô tả sau. 2.2.2. Các thanh ghi của CPU. Z80 CPU chứa một bộ nhớ R/W 208 bit. Bộ nhớ này có thể được truy xuất bởi người lập trình. Hình 1-2 cho thấy bộ nhớ này được cấu tạo bởi 8 thanh ghi 8 bit và 4 thanh ghi 16 bit. Tất cả các thanh ghi của Z80 CPU đều dùng RAM tĩnh. Cac thanh ghi bao gồm 2 tập 6 thanh ghi đa dụng, tập các thanh ghi này có thể được sử dụng độc lập như là các thanh ghi 8 bit hoặc từng cặp như là các thanh ghi 16 bit. Có hai tập ( chính và phụ) thanh ghi tích lũy, thanh ghi cờ và sáu thanh ghi đặc biệt. Tập các thanh ghi đặc biệt. Program Counter (PC): giữ địa chỉ mười sáu bit của lệnh hiện tại đang được lấy về từ bộ nhớ. PC tự động tăng sau khi nội dung của nó được đặt lên bus địa chỉ. Khi 1 lệnh nhảy xảy ra, 1 giá trị mới được tự động đặt vào trong PC thay cho giá trị sẽ được tăng của nó. Stack pointer (SP): giữ địa chỉ 16 bit của đỉnh ngăn xếp hiện hành trong bộ nhớ RAM ngoài. Bộ nhớ ngăn xếp bên ngoài được tổ chức như là 1 file vào sau ra trước (LIFO). Dữ liệu có thể được đẩy vào ngăn xếp từ các thanh ghi xác định của CPU hay được lấy ra khỏi ngăn xếp để đưa vào các thanh ghi xác định của CPU qua việc thi hành các lệnh Push và Pop. Dữ liệu được lấy ra từ ngăn xếp luôn luôn là dữ liệu được đẩy vào ngăn xếp sau cùng. Ngăn xếp cho phép đơn giản hóa việc thi hành các loại ngắt quãng không giới hạn các chương trình con lồng nhau và đơn giản hóa nhiều kiểu thao tác trên dữ liệu. Hai thanh ghi chỉ mục (IX và IY): Hai thanh ghi chỉ mục độc lập giữ địa chỉ cơ bản 16 bit được dùng trong chế độ định địa chỉ chỉ mục. Trong chế độ này, một thanh ghi chỉ mục được dùng như là một vị trí cơ bản chỉ đến một vùng trong bộ nhớ nơi mà dữ liệu bắt đầu được chứa hay được khôi phục. Byte được thêm trong câu lệnh chỉ mục để xác định khoảng cách đến vị trí cơ bản. Khoảng cách này được xác định bằng phép bù 2 một số nguyên có dấu. Chế độ này làm đơn giản đi rất nhiều cho chương trình. Đặc biệt cho các bảng dữ liệu được sử dụng. Thanh ghi địa chỉ trang ngắt (I) Z80 CPU có thể được điều khiển trong 1 chế độ mà ở đó một lệnh gọi trực tiếp đến bất kỳ vùng nào của bộ nhớ có thể được thực hiện bằng cách đáp ứng ngắt. Thanh ghi I được dùng cho mục đích này để chứa 8 bit cao của địa chỉ trực tiếp trong khi thiết bị ngắt cung cấp 8 bit địa chỉ thấp. Đặc điểm này cho phép chương trình phục vụ ngắt định vị nhanh tới bất kỳ vùng nhớ nào với thời gian truy xuất đến chương trình là nhỏ nhất. Thanh ghi làm tươi bộ nhớ (R): Z80 CPU chứa 1 bộ đếm làm tươi bộ nhớ để cho phép bộ nhớ động được dùng dễ dàng như bộ nhớ tĩnh. Bảy trong 8 bit của thanh ghi này được tự động tăng sau mỗi lần lấy lệnh. Bit thứ 8 còn lại được lập trình như là kết quả của lệnh LD R,A. Data trong bộ đếm làm tươi được gởi lên phần thấp của bus địa chỉ kèm theo một tín hiệu làm tươi trong khi CPU giải mã và thực thi lệnh vừa được lấy về. Cách thức làm tươi này hoàn toàn dễ hiểu đối với người lập trình và không làm chậm hoạt động của CPU. Người lập trình có thể lấy thanh ghi R cho mục đích kiểm tra, nhưng thanh ghi này thì thường không được người lập trình dùng. Trong thời gian làm tươi, nội dung của thanh ghi I được đặt lên 8 bit cao của bus địa chỉ. Thanh ghi tích lũy và thanh ghi cờ: CPU bao gồm hai thanh ghi tích lũy độc lập và được kết hợp với các thanh ghi cờ 8 bit. Thanh ghi tích lũy lưu giữ kết quả của phép toán logic và số học trong khi thanh ghi cờ cho biết các điều kiện xác định khi thực hiện các phép toán 8 bit hay 16 bit như là cho biết kết quả của 1 phép tính có bằng 0 hay không. Người lập trình lựa chọn thanh ghi tích lũy và thanh ghi cờ với 1 lệnh hoán chuyển đơn vì có thể làm việc với một trong hai cặp. Các thanh ghi đa dụng: Có 2 tập đối xứng các thanh ghi đa dụng. Mỗi tập chứa 6 thanh ghi 8 bit hay như cặp thanh ghi 16 bit. Tập thứ nhất được gọi là BC, DE và HL trong khi tập lệnh tương ứng được gọi là BC’, DE’ và HL’. Trong bất kỳ thời điểm nào người lập trình có thể chọn 1 trong các tập thanh ghi để làm việc qua 1 lệnh hoán chuyển đơn. Trong các hệ thống yêu cầu đáp ứng ngắt nhanh, một tập của tập thanh ghi đa dụng và một thanh ghi cờ /tích lũy có thể được dự trữ để giải quyết chương trình rất nhanh này. Chỉ cần một lệnh đơn giản được thực thi để chạy giữa các chương trình. Điều này thu giảm thời gian phục vụ ngắt do việc loại bỏ yêu cầu cất và khôi phục nội dung thanh ghi ở ngăn xếp trong thời gian ngắt hay xử lý chương trình con. Các thanh ghi đa dụng này được dùng cho nhiều ứng dụng bởi người lập trình. Thanh ghi tích lũy A  Thanh ghi cờ F  Thanh ghi tích lũy A’  Thanh ghi cờ F’   B  C  B’  C’   D  E  D’  E’   H  L  H’  L’   Interrup vertor I  Memory refresh R   Thanh ghi chỉ mục IX   Thanh ghi chỉ mục IY   Con trỏ ngăn xếp SP   Đếm chương trình PC   2.2.3. Đơn vị logic số học (ALU): Các lệnh logic và số học 8 bit của CPU được thực hiện trong ALU. Giao tiếp giữa ALU với các thanh ghi và data bus bên ngoài được thực hiện trên data bus bên trong. Các chức năng ALU gồm: Cộng Trừ Logic AND Logic OR Logic XOR So sánh Dịch trái, dịch phải hay quay ( Số học và logic) Phép toán tăng Phép toán giảm Set bit Reset bit Test bit 2.2.4. Điều khiển CPU và thanh ghi lệnh. Mỗi 1 lệnh được lấy về từ bộ nhớ, nó được đặt vào trong thanh ghi lệnh và được giải mã. Các phần điều khiển thi hành chức năng này, phát và cấp các tín hiệu điều khiển cần thiết để đọc hoặc ghi data từ (hoặc đến) các thanh ghi, điều khiển ALU và đáp ứng các yêu cầu của tín hiệu điều khiển bên ngoài. 2.2.5. Chức năng các chân của Z80. a. Giới thiệu. Sơ đồ các chân của Z80 CPU được mô tả trong hình sau : b. Chức năng các chân: A15 (A0: Bus địa chỉ (out put, active high, 3 trạng thái), A15 (A0 tạo thành bus địa chỉ 16 bit. Bus địa chỉ cung cấp địa chỉ cho bộ nhớ để trao đổi data (lên đến 64 Kbyte) và cho thiết bị I/O.