Intel 8051

Intel 8051 - mikrokontroler stworzony przez firmę Intel w 1980 roku. Zapoczątkował rodzinę mikrokontrolerów MCS-51 (od ang. MicroComputer System) będących udoskonalonymi lub wyspecjalizowanymi mikrokontrolerami o tej samej, ośmiobitowej architekturze i kompatybilnej z pierwowzorem liście rozkazów. Mikrokontrolery należące do rodziny MCS-51 do dziś znajdują szerokie zastosowanie w niemal każdej dziedzinie elektroniki. Produkowane są m.in. przez firmy Dallas Semiconductor, Philips i Atmel.

Mikrokontrolery te są wykonane w zmodyfikowanej architekturze harwardzkiej. Należą do grupy mikrokontrolerów CISC.

Oprócz możliwości programowania mikrokontrolera w asemblerze rodziny MCS-51, istnieje również możliwość programowania w kompilowanych językach wysokiego poziomu - najczęściej wykorzystywany do tego celu jest język C.

[edytuj] Specyfikacja mikrokontrolera 8051

ośmiobitowa jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU)
cztery przełączane banki rejestrów roboczych (4 x R0...R7)
4 kB pamięci wewnętrznej ROM (pamięć zewnętrzna ROM do 64 kB)
128 B pamięci wewnętrznej RAM (pamięć zewnętrzna RAM do 64 kB)
zbiór rejestrów specjalnych SFR
układ generatora sygnału taktującego (czyli zegar procesora)
cztery ośmiobitowe równoległe porty P0...P3
jeden port szeregowy (obsługuje zarówno transmisję synchroniczną jak i asynchroniczną)
dwa liczniki/czasomierze działające w jednym z czterech trybów
jednobitowy procesor funkcji logicznych
system przerwań z układem priorytetów

[edytuj] Rejestry specjalne

Obszar pamięci o adresach od 0x80 do 0xFF nazywany jest obszarem rejestrów specjalnych (SFR - Special Function Registers). Rejestry te pozwalają na sterowanie różnymi funkcjami mikrokontrolera. Obszar ten nie jest ciągły (nie wszystkie adresy są zajęte) - umożliwia to ewentualne uzupełnienie obszaru o nowe funkcje.

[edytuj] Układ rejestrów w pamięci

* - adresowane bitowo (adresy podzielne przez 8)

Adres	Symbol	Bit 7	Bit 6	Bit 5	Bit 4	Bit 3	Bit 2	Bit 1	Bit 0
0xF0*	B
0xE0*	ACC
0xD0*	PSW	CY	AC	F0	RS1	RS0	OV	-	P
0xC0*	IP	-	-	-	PS	PT1	PX1	PT0	PX0
0xB0*	P3	/RD	/WR	T1	T0	/INT1	/INT0	TxD	RxD
0xA8*	IE	EA	-	-	ES	ET1	EX1	ET0	EX0
0xA0*	P2
0x99	SBUF
0x98*	SCON	SM0	SM1	SM2	REN	TB8	RB8	TI	RI
0x90*	P1
0x8D	TH1
0x8C	TH0
0x8B	TL1
0x8A	TL0
0x89	TMOD	GATE	C/T	M1	MO	GATE	C/T	M1	M0
0x88*	TCON	TF1	TR1	TF0	TR0	IE1	IT1	IE0	IT0
0x87	PCON	SMOD	-	-	-	GF1	GF0	PD	IDL
0x83	DPH
0x82	DPL
0x81	SP
0x80*	P0

[edytuj] Ważniejsze rejestry specjalne

ACC - akumulator, jeden z najczęściej wykorzystywanych rejestrów, gdyż obsługuje większość operacji arytmetycznych, logicznych, skoków warunkowych i wiele innych
B - dodatkowy rejestr, wykorzystywany w trakcie operacji mnożenia (MUL) i dzielenia (DIV)
PSW - rejestr stanu programu (Program Status Word), jest to zbiór różnych flag (wskaźników):
- PSW.1=F1 - począwszy od 8052 , flaga którą może zdefiniować użytkownik
- PSW.2=OV (Overflow) - przepełnienie , przekroczenie zakresu liczb w kodzie uzupełnienia do 2 (U2)
- PSW.3=RS0 (Register Bank Switch) młodszy bit numeru banku
- PSW.4=RS1 (Register Bank Switch) starszy bit numeru banku
- PSW.5=F0 - flaga ogólnego zastosowania
- PSW.6=AC (Auxiliary Carry) - przeniesienie z młodszej do starszej tetrady (istotne w rozkazach arytmetycznych BCD)
- PSW.7=CY (Carry) - przeniesienie z najstarszego bitu (oznacza np. przekroczenie zakresu przy sumowaniu NKB)
Porty P0-P3 - wykorzystywane są do komunikacji ze światem zewnętrznym (wszelkimi urządzeniami peryferyjnymi), niektóre mają jeszcze dodatkowe funkcje
- P0 i P2 - mogą zostać wykorzystanie jako wyprowadzenia szyny systemowej mikrokontrolera
- P1 - portu ogólnego zastosowania
- P3 - port posiada wyspecjalizowane linie (w SRF przedstawiane jako bity)
  - RD - odczyt pamięci danych
  - WR - zapis pamięci danych
  - T0,T1 - wejścia timerów zewnętrznych (zliczanie impulsów trybie pracy timerów jako liczniki)
  - INT0,INT1 - wejścia zewnętrznych przerwań
  - TxD, RxD - wysyłanie (Transmit) i odbieranie (Receive) danych (Data) przy transmisji szeregowej
Sterowanie przerwań
- IE - zezwolenia dla przerwań (Interrupt Enable)
  - EA - ogólne zezwolenie dla przerwań
  - ES - zezwolenie dla przerwań od transmisji szeregowej
  - ET0, ET1 - zezwolenie dla przerwań od timerów
  - EX0, EX1 - zezwolenie dla przerwań zewnętrznych
- IP - priorytety przerwań (Interrupt Priority)
  - PS - priorytet dla przerwań od transmisji szeregowej
  - PT0, PT1 - priorytet dla przerwań od timerów
  - PX0, PX1 - priorytet dla przerwań zewnętrznych
- TCON - tylko młodsze 4 bity
  - IF0, IF1 - flagi przerwań zewnętrznych (zgłoszenie zewnętrznego przerwania)
  - IT0, IT1 - sposób zewnętrznego przerwania (0 - poziom niski, 1 - opadające zbocze)

DPTR - 16-bitowy wskaźnik adresu danych
- DPH - starszy bajt wskaźnika
- DPL - młodszy bajt wskaźnika
SP - wskaźnik stosu (Stack Pointer)

[edytuj] Timery 8051

Sterowanie timerów:

TMOD - młodsze 4 bity odpowiadają timerowi 0, starsze - timerowi 1
- GATE - bramkowanie, zliczanie impulsów kiedy GATE=0
- C/T - tryb pracy timera (0 - timer wewnętrzny, 1 - licznik impulsów zewnętrznych)
- M0, M1 - ustalają trybu pracy licznika

M0	M1	Tryb
0	0	0	licznik 13-bitowy
0	1	1	licznik 16-bitowy
1	0	2	licznik 8-bitowy z autoprzeładowaniem
1	1	3	T0 i T1 jako osobne liczniki 8 bitowe

W trybie 3 działa de facto tylko TLx ( młodsze 8 bitów licznika ), w momencie wygenerowania sygnału przepełnienia, do TLx ładowana jest wartość THx który w tym trybie pełni funkcje rejestru stałej.

TCON - starsze 4 bity
- TF0, TF1 - flaga przepełnienia timera
- TR0, TR1 - flaga pracy timera (0 - stop, 1 - zliczanie)

Timery generują sygnał TFx przy przekroczeniu maksymalnej wartości - odpowiednio 2^13, 2^16, 2^8. jako, ze są to liczniki zliczające w przód, oraz ich inkrementacja następuję co jeden cykl zegarowy w celu kontrolowania odmierzanego przez nie czasu Tx jako wartość początkowa do TH | TL należy wpisać wartość

Tx = (maksimum zakresu w danym trybie-X)*12 *Tsoc

gdzie: maksimum zakresu w trybie 16 bit = 65 536, 8-bitowym = 256, a Tosc = 1/Częstotliwość układu taktującego W trybie 2 należy ta samą wartość wpisać zarówno do rejestrów TH i TL

[edytuj] Inne mikrokontrolery rodziny MCS-51

Oryginalny układ 8051 firmy Intel jest przestarzały i od dawna nieużywany w nowych konstrukcjach. Jednakże na rynku istnieje wiele udoskonalonych wersji tego mikrokontrolera - od prostych klonów kompatybilnych elektrycznie (pin-to-pin) z pierwowzorem, aż po rozbudowane układy, w których rdzeń 8051 stanowi jedynie małą część systemu. Zmiany w stosunku do oryginalnego układu 8051 obejmują przede wszystkim:

znacznie zmniejszony pobór mocy, szczególnie w tzw. trybach uśpienia
zwiększoną częstotliwość taktowania
miniaturyzację obudów, zwiększenie lub zmniejszenie (w wersjach uproszczonych) liczby wyprowadzeń
udoskonaloną interpretację sygnałów wejścia-wyjścia oraz sygnału reset (umożliwiającą bardziej elastyczne wykorzystanie portów i zwiększającą odporność na zakłócenia)
powiększoną pamięć kodu, może to być zarówno pamięć stała (ROM), jak i programowalna jednorazowo lub wielokrotnie (EPROM, EEPROM, FLASH)
dodatkowe elementy służące do zapisywania zawartości tej pamięci w specjalnych programatorach lub w docelowym układzie (In System Programming - ISP)
zwiększoną pamięć RAM
dodatkowe rejestry specjalne SFR, związane m.in. z nowymi układami czasowo - licznikowymi, dodatkowymi wskaźnikami adresów, dodatkowymi portami wejścia / wyjścia, w tym n.p. interfejsami szeregowymi, wejściami przerwań, przetwornikami analogowo - cyfrowymi, zegarami czasu rzeczywistego, układami szyfrującymi itp.

Swój sukces rodzina MCS-51 zawdzięcza m.in. wyjątkowej łatwości rozbudowy, nie wymagającej jakiejkolwiek modyfikacji listy rozkazów. Wiąże się to ze sposobem uwzględniania dodatkowych elementów w przestrzeni adresowej mikrokontrolera - jest w niej wiele niewykorzystanych adresów, ułatwiających dostęp do nowych elementów za pośrednictwem dodatkowych rejestrów specjalnych (SFR).