janiczek.pdf

Spis

treści

Spis treści:

Dlaczego mikrokontrolery '51 ?

Co jest w środku ?

Od mikrokontrolera 8051 do 80515/535

Jak odczytywać i zapisywać dane z pamięci programu ROM

i zewnętrznej pamięci danych RAM

4.1

Odczyt danych z pamięci programu

4.2

Odczyt/zapis danych do zewnętrznej pamięci RAM

4.3

Dołączanie zewnętrznych pamięci do mikrokontrolera

Działanie mikrokontrołera

RAM czy SFR ?

6.1

Gdzie są rejestry R0 .. R7 ?

6.2

Co zawierają rejestry specjalne SFR ?

6.3

Bit, bajt, słowo

Porty

Przerwania

Liczniki

10.

Arytmetyka mikrokontrolerów

10.1

Instrukcje arytmetyczne - rejestr statusowy PSW

10.2

Dodawanie

10.3

Odejmowanie

10.4

Porównania

10.5

Mnożenie

10.6

Dzielenie

10.7

Korekcja dziesiętna

100

Programy, podprogramy, segmenty

105

12.

Port szeregowy

113

13.

Przetwornik analogowo-cyfrowy w mikrokontrolerze

SAB 80151/535

125

13.1

Wybór wejścia pomiarowego

127

13.2

Jaki podzakres pomiarowy

129

Spis treści

1. Dlaczego mikrokontrolery '51 ?

13.3

Pomiar

133

1. Dlaczego mikrokontrolery '51 ?

13.4

Przykład pomiaru napięcia

135

14.

Licznik T2 w 8051 i SAB 80515/535

137

Gwałtowny rozwój elektroniki spowodował, że komputery nie wywołują

już dreszczyka emocji. Stały się wręcz niezbędne i niezastąpione, a ich awarie

wprowadzają chaos w życiu codziennym. Bardzo złożone i rozbudowane kom-

putery, a tym samym bardzo drogie, przeznaczone są dla celów militarnych,

obliczeń naukowych oraz symulacji zjawisk fizycznych, chemicznych, meteoro-

logicznych itp. W tej grupie znajdują się również komputery tworzące tzw. e-

fekty specjalne w kinematografii i telewizji, do kreowania sztucznego, wirtual-

nego świata. Na drugim biegunie znajdują się proste, niedrogie, powszechnie

stosowane sterowniki mikroprocesorowe. Można znaleźć je na przykład w:

• sprzęcie powszechnego użytku, np. w odbiornikach radiowych i te-

lewizyjnych, magnetowidach; służą do programowania funkcji, czasu

włączenia i wyłączenia odbiornika, cyfrowego sterowania parame-

trami odbioru lub odtwarzania itd.

• technice motoryzacyjnej do kontroli i sterowania silników spalino-

wych z zapłonem iskrowym i samoczynnym, urządzeń klimatyzacyj-

nych, układów antypoślizgowych (np. ABS), testowania stopnia zu-

życia niektórych elementów, np. amortyzatorów,

• aparatach fotograficznych i kamerach video do określania optymal-

nych warunków naświetlania błony filmowej lub korekcji układów

optycznych sprzężonych z fotoelementami, ustawienia ostrości,

• artykułach gospodarstwa domowego, np. w automatycznych pralkach

do nadzoru temperatury i ilości wody, środków piorących, czasu

trwania poszczególnych faz prania (wstępne, zasadnicze i płukanie).

14.1

Licznik T2 w 8052

140

14.2

Licznik T2 w SAB 80515/535

143

14.2.1 Jak uzyskać długie odcinki czasu ?

147

14.2.2 Modulacja okresu i współczynnika wypełnienia

impulsów (PWM)

150

14.2.3 Zapamiętanie wartości chwilowej licznika 12

153

15.

Obniżanie poboru mocy

159

16.

Watchdog w 50151/535

163

17.

Narzędzia programowania

169

17.1

Asembler firmy Keil

171

17.2

Wybrane polecenia asemblera

173

17.3

Deklaracje segmentów

174

17.4

Polecenia przypisania symbolowi wartości

176

17.5

Polecenia inicjacji i rezerwacji obszarów pamięci

178

17.6

Linker

180

Dodatek A. Alfabetyczna lista instrukcji - gdzie szukać w książce

184

Dodatek B. Tematyczna lista instrukcji - gdzie szukać w książce

186

Z pewnym uproszczeniem można założyć, że komputer klasy 1BM-PC

złożony jest z następujących elementów (rysunek 1-1):

• mikroprocesora realizującego wymagane programem obliczenia,

• pamięci programu i danych,

• różnego typu pamięci masowych takich jak: HDD, FDD, CD-ROM,

• układu bezpośredniego dostępu do pamięci (DMA) przy wymianie

danych bez pośrednictwa mikrokontrolera,

• układu kontrolera przerwań wraz z kontrolerem priorytetów,

• układów czasowych i liczników taktowanych wewnętrznym genera-

torem komputera,

• układów wejściowo-wyjściowych do komunikacji komputera z oto-

czeniem, przyjmowania danych i wysyłania efektów ich przetwarza-

nia, np. wejść-wyjść cyfrowych, interfejsu szeregowego (RS232), rów-

noległego (Centronics), a także układów sieciowych (Novell),

• układów lub dodatkowych kart przetworników A/C i C/A,.

Dodatek C. Rejestry i rejestry specjalne SFR - układ alfabetyczny

189

Dodatek D. Rejestry i rejestry specjalne SFR - układ tematyczny

190

Literatura

193

1. Dlaczego mikrokontrolery '51 ?

klawiatury, myszki itp.

karty graficznej zawierającej sterownik monitora oraz monitor np.

LCD,

innych kart zgodnie z wymaganiami użytkownika, np. dźwiękowej.

przy realizacji komputerów osobistych. To co jest zaletą w dużych systemach

jest wadą w małych. Rozproszone, małe systemy kontrołno-pomiarowe oprócz

samego mikroprocesora wraz z pamięcią programu i danych potrzebują najczę-

ściej także:

• wejść i wyjść cyfrowych,

• układu czasowego lub licznika taktowanego zewnętrznym sygnałem,

• łącza szeregowego do komunikacji z nadrzędnym komputerem,

• prostego kontrolera przerwań,

• układu redukcji mocy przy zasilaniu bateryjno-akumulatorowym,

• generatora taktującego, stabilizowanego rezonatorem kwarcowym.

pamięć

danych

pamięć

programu

kontroler

przerwań

układ

DMA

układy

koprocesor

arytmetyc7 ny

Producenci mikroprocesorów oferują również wszystkie, niezbędne układy ze-

wnętrzne. W prostych systemach komputerowych ich możliwości nie są wyko-

rzystywane. Należy również pamiętać, że każdy z układów zajmuje miejsce na

płytce drukowanej, wymaga niezbędnych połączeń z innymi układami. Kom-

plikuje to konstrukcję płytek drukowanych, zmniejsza niezawodność systemu

oraz, co jest równie ważne, zwiększa pobór prądu z zasilacza w porównaniu z

jednym układem, który pełniłby te same funkcje. Względy te oraz postęp w

technologii wytwarzania układów scalonych spowodowały, że niektóre elemen-

ty peryferyjne wykonano łącznie z mikroprocesorem na jednej płytce krzemu.

W ten sposób w 1977 roku firma Intel opracowała pierwszy 8-bitowy mikropro-

cesor jednoukładowy o symbolu 8048. Trzy lata później na rynku pojawił się

także 8-bitowy mikroprocesor jednoukładowy 8051, który zapoczątkował po-

wstanie całej rodziny mikroprocesorów oznaczonych symbolem '51. Ze wzglę-

du na możliwości i pełnione funkcje mikroprocesory jednoukładowe nazwano

mikrokontrolerami. Mówiąc o 8-bitowym mikrokontrolerze mówi się o wielko-

ści, liczbie linii magistrali danych, sposobie przetwarzania i przesyle informacji.

••

mikroproce sor

ejściowo\

wyjściowe

pamięć masowa:

FDD, HDD, CD-ROIV

układy czasówo-licznikowe

>•

•

interfejsy: szeregowy,

równoległy, siecic

karta graficzna, sterownik

monitora, monitor

Obecnie rodzina mikrokontrolerów '51 liczy kilkadziesiąt typów i znajdu-

je się w ofercie dużych jak i mniejszych, światowych producentów mikroproce-

sorów takich jak: Intel, AMD, Philips, Signetics, Siemens, Oki, Matra/Harris,

Dallas, Atmel itd.

wejścia-wyjścia cyfrowe

przetworniki A/C i C/J \

karta muzyczna,...

Mikrokontroler 8051 w zamierzeniach jego twórców nie był strukturą

zamkniętą i już od początku przygotowany był do rozbudowy. Pierwsza zmia-

na wprowadzona przez samą firmę Intel związana była z rozszerzeniem we-

wnętrznej pamięci RAM oraz pamięci programu i wprowadzenie trzeciego u-

kładu czasowego, licznika T2(8052). Kolejne zmiany były już tylko kwestią cza-

su.

klawiatura, myszka,...

Rys. 1-1

Uproszczony schemat blokowy komputera klasy IBM-PC.

Mikroprocesor jako programowalny układ scalony o dużym stopniu in-

tegracji zawiera jedynie jednostkę arytmetyczno-logiczną i część układu stero-

wania. Pozostałe elementy traktowane są jako układy zewnętrzne. W rozbudo-

wanych komputerach taki podział ułatwia zadanie konstruktorom sprzętu i

oprogramowania ze względu na budowę modułową. Taką koncepcję przyjęto

Podstawowymi zaletami mikrokontrolera 8051 są:

• stała lista instrukcji, niezależnie od rozbudowy układów wewnętrz-

nych,

• sprzętowe procedury mnożenia i dzielenia,

1. Dlaczego mikrokontrolery Ł 51 ?

2 Co jest w środku ?

• wewnętrzna pamięć programu i danych,

• dwa programowalne układy czasowo-licznikowe,

• niezależny od jednostki arytmetyczno-logicznej układ transmisji sze-

regowej,

• duża liczba, jak na tamte czasy, wejść i wyjść cyfrowych,

• wewnętrzny generator sterujący działaniem mikrokontrolera,

• priorytetowy, 2-poziomowy układ kontroli przerwań, wystarczający

przy niewielkiej liczbie wewnętrznych układów.

2. Co jest w środku ?

Mikroprocesor jest układem o dużym stopniu scalenia (dużej skali inte-

gracji), którego działanie zależy od programu, ciągu rozkazów. Program może

być dowolnie zmieniany przez użytkownika w ramach dostępnej listy rozka-

zów. Dla mikrokontrolerów rodziny '51 lista rozkazów jest stała, nie zależy od

liczby wewnętrznych układów i liczy 111 instrukcji. Realizowany program i

przetwarzane dane przechowywane są w:

• pamięci stałej programu, której zawartość nie jest zmieniana w trakcie

wykonywania programu; oprócz samego programu w pamięci tej

przechowywane są również niektóre stałe, tablice kodujące itp.,

• pamięci danych, której zawartość jest ciągle modyfikowana, zmienia-

na; pamięć ta zawiera dane do obliczeń i wyniki tych obliczeń.

Wielu konstruktorom mikroprocesorowych sterowników brakowało

możliwości szybkiej wymiany danych, współpracy z innymi zewnętrznymi u-

kładami na wspólnej szynie (np. tryb DMA-bezpośredniego dostępu do pamię-

ci) oraz współpracy z wolniej (w stosunku do mikrokontrolera) działającymi

układami zewnętrznymi lub pamięciami. Obie wady zostały częściowo usunię-

te. Tryb DMA wprowadziła firma Philips w mikrokontrolerach PCF

8xC592/598. Programowanie czasu trwania sygnałów RD (ReaD) i WR

(WRite) sterujących zewnętrznymi pamięciami RAM możliwe jest w mikrokon-

trolerach firmy Dallas, np. DS8xC320 lub DS8xC5xO. Firma ta wprowadziła w

mikrokontrolerze DS8xC530 dodatkowy wewnętrzny układ RTC (Real Time

Clock) oraz rozbudowane i energooszczędne tryby pracy, co jest szczególnie

ważne przy zasilaniu bateryjnym.

Im bardziej złożone obliczenia lub sterowanie tym większa liczba danych musi

być przechowywana w pamięci danych. Ze względu na niezbyt dużą we-

wnętrzną pamięć danych w mikrokontrolerach rodziny '51, konieczne jest dołą-

czenie zewnętrznej pamięci danych. Ten sam problem występuje w przypadku

pamięci programu. Mikrokontrolery rodziny '51 umożliwiają dołączenie zew-

nętrznych pamięci programu i danych, tak jak przedstawiono to na rysunku

2-1.

Nowe konstrukcje mikrokontrolerów 16-bitowych, np. 8xC251 firmy Intel

lub 8xC51XA firmy Philips, są zgodne układowo i programowo z mikrokontro-

lerem 8051. To świadczy o zakresie zastosowań mikrokontrolerów rodziny '51,

przyzwyczajeniach programistów, niezbyt wysokich kosztach oprogramowania

wspomagającego testowanie i uruchamianie oraz bardzo bogatej biblioteki o-

programowania, kompilatorów języków wyższego poziomu itd.

mikrokontroler

wewnętrzna

pamięć

programu

jednostka

arytmetyczno-

-logiczna

wewnętrzna

pamięć

danych

adresy ł

Mikrokontroler 8051 potęgą jest i basta.

zewnętrzna

pamięć

programu

zewnętrzna

pamięć

danych

sterowanie

układ sterowania

układy

wejściowe

układy

wyjściowe

generator

:E_I

-.t,,.„> * wviścia"

I wejścia

cyfrowe

zewnętrzne

sygnały

sterujące

' wyjścia"

cyfrowe

Rys. 2-1

Magistrale mikrokontrolera 8051.

iż.

2. Co jest w środku ?

Wewnętrzna lub zewnętrzna pamięć programu jest pamięcią typu ROM

(Read Only Memory). Jej zawartość jest ustalana w trakcie produkcji mikrokon-

trolera. Takie rozwiązanie jest możliwe jedynie w przypadku długich, liczących

co najmniej kilka tysięcy mikrokontrolerów z tym samym programem. Jeśli se-

rie są krótsze, a w szczególności są to pojedyncze egzemplarze, prototypy, jako

pamięci wykorzystuje się:

• pamięci EPROM, programowane elektrycznie ale kasowane optycznie

przez naświetlanie promieniami UV (promieniowanie ultrafioletowe);

wiele pamięci jednokrotnie programowanych (OTP) jest wykonywa-

nych jako pamięci EPROM,

• pamięci flash ROM, programowane i kasowane elektrycznie, które są

znacznie tańsze niż pamięci EPROM, a ich kasowanie trwa kilkanaście

ms (kasowanie pamięci EPROM trwa zwykle kilka minut).

• magistrala sterująca jest bardzo zróżnicowana. Liczba linii tworzących

tę magistralę zależy od typu układu. Dla pamięci jest to 1 lub 2 linie, dla

układu sterowania znacznie więcej, zależnie od typu mikrokontrolera

(liczników, przerwań itp.).

Struktura wewnętrzna mikrokontrolera 8051 jest bardziej złożona niż

przedstawiono to na rysunku 2-1. Złożoność jest efektem większej liczby we-

wnętrznych elementów niż udostępnionych użytkownikowi, programiście. Są

to przede wszystkim dodatkowe rejestry wykorzystywane przez jednostkę a-

rytmetyczno-logiczną w trakcie wykonywania niektórych wewnętrznych prze-

słań, bufory portów PO .. P3, układy korekcji stanu licznika rozkazów, rejestry

dekodujące realizowane instrukcje itd. Schemat blokowy mikrokontrolera 8051

przedstawia rysunek 2-2.

Oba typy pamięci mogą być pamięciami zarówno wewnętrznymi jak i ze-

wnętrznymi.

Mikrokontroler 8051 oferowany jest przez wiele firm w obudowie z 40

wyprowadzeniami. Jeśli policzyć wszystkie elementy struktury wewnętrznej

mikrokontrolera, które mikrokontroler wykorzystuje do komunikowania się z

układami zewnętrznymi, tzn.:

• 8-bitową magistralę danych,

• 16-bitową magistralę adresową,

• linie sterujące dostępem do zewnętrznej pamięci programu (EA,

PSEN ) i zewnętrznej pamięci danych (RD, WR),

• cztery 8-bitowe porty pełniące rolę wejść lub wyjść cyfrowych (PO, .. ,

P3),

• wejście i wyjście układu transmisji szeregowej,

• po dwie linie sterujące pracą każdego z dwóch wewnętrznych liczni-

ków,

• dwa wejścia zewnętrznych przerwań,

• dwie linie do dołączenia rezonatora kwarcowego, jedna linia sprzęto-

wego zerowania mikrokontrolera oraz dwa wyprowadzenia do dołą-

czenia zasilania mikrontrolera,

to okaże się, że liczba wyprowadzeń mikrokontrolera jest znacznie mniejsza niż

wymienione potrzeby. Takie rozwiązanie jest możliwe wskutek pełnienia wielu

różnych funkcji przez jedno i to samo wyprowadzenie:

• porty PO i P2 służą do przesyłania adresów do zewnętrznej pamięci

programu i danych,

• przez port PO przesyłane są dodatkowo wszystkie dane z/do ze-

wnętrznej pamięci programu i danych,

• port P3 pełni rolę wejść wewnętrznych liczników, łącza szeregowego,

wejść kontrolera przerwań oraz steruje kierunkiem przesyłem danych

z/do zewnętrznej pamięci danych (linie RD, WR ).

Do przechowywania danych, które są zmieniane w trakcie wykonywania

programu służą pamięci RAM (Random Access Memory). Wewnętrzna pamięć

RAM w mikrokontrolerze 8051 liczy tylko 128 bajtów, a w mikrokontrolerze

8052 i nowszych zwykle 256 bajtów. Rozmiar zewnętrznej pamięci danych zale-

ży tylko od potrzeb użytkownika ale nie może przekroczyć 64 KB(ajtów). Pro-

blem polega na tym, że do wymiany danych z zewnętrzną pamięcią RAM kon-

struktorzy mikrokontrolera przewidzieli tylko 2 rozkazy do zapisu danych i 2

rozkazy do ich odczytu. We wszystkich wymianach bierze udział wyłącznie

jeden wyspecjalizowany wewnętrzny rejestr. Powoduje to znaczne spowolnie-

nie wykonywanego programu. Dlatego jeśli czas wykonywania obliczeń ma być

krótki, to do przechowywania danych należy wykorzystywać tylko we-

wnętrzną pamięć danych.

Magistrale (adresowa, danych i sterująca) występujące w mikrokontrole-

rach rodziny '51 mają różną wielkość, w zależności od tego, czy dotyczą wnę-

trza mikrokontrolera, czy komunikują się z zewnętrznymi pamięciami

(rysunek 2-1):

• magistrala adresowa:

—> jeśli współpracuje z wewnętrzną lub zewnętrzną pamięcią programu

ROM oraz z zewnętrzną pamięcią danych RAM liczy 16 linii, co po-

woduje, że maksymalna wielkość tych pamięci ograniczona jest do

2 = 64 KB(ajtów); pełny adres zawierają 2 bajty,

-> jeśli współpracuje z wewnętrzną pamięcią danych RAM i we-

wnętrznymi układami peryferyjnymi (liczniki, łącze szeregowe itp.)

liczy tylko 8 linii; z tego powodu wewnętrzna pamięć RAM ograni-

czona jest do 2 =256 bajtów,

• wewnętrzną i zewnętrzną magistralę danych tworzy 8 linii; dane prze-

syłane są więc bajtowo,

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: