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.

Intel P8051

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.

Intel nie produkuje już samodzielnie nowych chipów z serii MCS-51 od marca 2007 roku^[1]. Produkcją zajmują się firmy trzecie, m.in. Dallas Semiconductor, Philips i Atmel. Również różne firmy sprzedają układy z serii MCS-51 jako tzw. IP-core, najczęściej stosowane w bezpośrednio programowalnych macierzach bramek.

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

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.

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

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.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

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 że 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 tę samą wartość wpisać zarówno do rejestrów TH i TL

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.

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 4KB wewnętrzęj pamięci EPROM zamiast pamięci ROM

  

  Intel 87C51

• 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 niezgodne 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).