Intel 8051

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Intel P8051

Intel 8051mikrokontroler 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.

Specyfikacja mikrokontrolera 8051[edytuj | edytuj kod]

  • 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

Rejestry specjalne[edytuj | edytuj kod]

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.

Układ rejestrów w pamięci[edytuj | edytuj kod]

* – 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

Ważniejsze rejestry specjalne[edytuj | edytuj kod]

  • 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.0=P – parzystość, flaga jest ustawiana gdy wynikiem operacji jest liczba parzysta,
    • 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 – port ogólnego zastosowania,
    • P3 – port posiada wyspecjalizowane linie (w SFR 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,
      • IE0, IE1 – 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),

Timery 8051[edytuj | edytuj kod]

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
M1 M0 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 następuje 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 *Tosc

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

Inne mikrokontrolery rodziny MCS-51[edytuj | edytuj kod]

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. Mikrokontrolery rodziny MCS-51 kompatybilne z 8051 co do pinów oraz na poziomie asemblera

  • 8052 wersja posiada
    • dodatkowy obszar 128 bajtów wewnętrznej pamięci RAM o adresach identycznych z rejestrami specjalnymi. Dla rozróżnienia jest on adresowany indeksowo
    • 8KB wewnętrzne pamięci ROM (4 strony)
    • trzeci 16-bitowy licznik / czasomierz (timer)
    • dodatkowe rejestry specjalne SFR do obsługi trzeciego licznika
  • 8031 wersja bez wewnętrznej pamięci ROM
  • 83C51 wersja z wewnętrzną pamięcią OTP
  • 87C51 wersja z wewnętrzną pamięcią EPROM
  • AT89C51 wersja z wewnętrzną pamięcią Flash EEPROM
  • AT89S51 wersja AT89C51 programowana szeregowo za pomocą SPI

Mikrokontrolery rodziny MCS-51 kompatybilne z 8051 co do pinów, ale nie zgodne na poziomie asemblera

  • z rodziny Atmel AT89
    • AT90S44 - 4KB pamięci Flash, 256B pamięci EEPROM, 256B pamięci RAM
    • AT90S8515 - 8KB pamięci Flash, 512B pamięci EEPROM, 512B pamięci RAM
  • z rodziny Atmel AVR
    • ATMEGA161 - 16KB pamięci Flash, 512B pamięci EEPROM, 1KB pamięci RAM

Zmiany w stosunku do oryginalnego układu 8051 obejmują także:

  • 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)
  • dodatkowe rejestry specjalne SFR, związane m.in. z nowymi układami czasowo – licznikowymi, dodatkowymi wskaźnikami adresów, dodatkowymi portami wejścia / wyjścia, w tym np. 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).

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]