4.0 Architektúra Intel 8051 a jej klony
Úlohou tejto kapitoly je oboznámenie sa s architektúrou Intel 8051, jej stručný opis a vysvetlenie jednotlivých základných funkčných blokov.
V závere je uvedený prehľad zaujímavých klonov architektúry 8051 zotriedený podľa výrobcov. V prehľade sú uvedené základné parametre jednotlivých klonov.
Intel 8051 je 8-bitový mikropočítač s Harvardskou architektúrou. Disponuje oddelenou pamäťou dát 128 B a 4 kB (prípadne viac) programovej pamäte PROM, alebo EEPROM. Taktovacia frekvencia je 12 MHz. Základná schéma mikropočítača je na obr. 4.1.
Obr. 4.1: Bloková schéma 8051
Pamäťový systém oddelenej dátovej a programovej pamäte je možné ďalej rozdeliť na internú a externú pamäť dát a internú a externú pamäť programu. Pamäťové oblasti externých a interných pamätí sa navzájom prekrývajú. Prístup k jednotlivým externým a interným pamätiam je realizovaný pomocou špecifických signálov a inštrukcií.
Mikropočítač disponuje internou pamäťou programu s veľkosťou 4 kB, prípadne 8 kB alebo s inou kapacitou v závislosti od modifikácie typu procesora.
Po resete je čítač inštrukcií - PC nastavený na hodnotu 0000H predstavujúcu počiatočnú adresu programovej pamäte od ktorej sa začína výkon programu. Pomocou vývodu mikropočítača EA (External Acces), ktorý je buď pripojený na napájacie napätie UCC alebo zem, je nastavené použitie výlučne externej programovej pamäte (EA = 0), alebo využitie internej aj externej programovej pamäte (EA = 1).
- nastavením vývodu EA = VCC, v prípade 4 kB verzie PROM, je program spúšťaný od adresy 0000H po adresu 0FFFH z internej pamäte a pokračuje načítavaním z externej pamäte od adresy 1000H po jej maximálnu adresu, napríklad pri 64kB verzii externej pamäte je to adresa FFFFH
- nastavením vývodu EA = VSS, je celý program spúšťaný z externej pamäte od adresy 0000H
Spôsob pripojenia externej pamäte programu je na obr. 4.2.
Obr. 4.2: Pripojenie externej pamäte EPROM ku mikropočítaču 8051
Pre komunikáciu mikroprocesora s externou pamäťou sú využité signály ALE a PSEN spolu s bránami P0 a P2 na ktoré je vyvedená 16-bitová adresová zbernica, pričom brána P0 je multiplexovaná s 8-bitovou dátovou zbernicou. Komunikácia prebieha v nasledujúcich krokoch znázornených graficky na ob. 4.3:
Obr. 4.3: Priebeh signálov pri komunikácii s externou programovou pamäťou
Pri požiadavke čítania programu z externej pamäte sú signály PSEN a ALE nastavené do hodnoty logickej 1. Na bránach P0 a P2 sa objaví 16-bitová adresa, obsah 16-bitového PC. Signálom ALE zabezpečíme zápis dolného polslova PCL adresy do LATCH obvodu, ktorý slúži ako vyrovnávací register. Výstup LATCH obvodu a brána P2 tak vytvárajú celú 16-bitovú adresu. Signál PSEN sa nastaví na hodnotu logickej 0, čím spustí proces čítania inštrukcie z pamäte. Signál PSEN je privedený na vstup pamäte OE (output enable) alebo CE (chip enable). Dáta privedené na výstup pamäte sú platné počas trvania tohto signálu.
Počas jedného inštrukčného cyklu je možné dvakrát zrealizovať čítanie z pamäte programu a tak zabezpečiť načítanie aj dvoj bytovej inštrukcie v jednom cykle.
Mikropočítač disponuje internou dátová pamäťou pozostávajúcou z priamo adresovateľných 128 bajtov od adresy 00H po 7FH. Od adresy 128H je po adresu 255H oblasť takzvaných SFR špeciálnych funkčných registrov. Oblasť SFR registrov obsahuje konfiguračné registre periférií, register stavu procesora, dátové registre periférií a podobne.
Interná priamo adresovateľná pamäť je delená do troch oblastí:
- štyri banky 0-3 registrov R0-R7, adresa od 00H po 1FH, celkovo 32B
- oblasť bitovo adresovateľnej pamäte, adresa od 20H po 2FH
- oblasť ľubovoľne využiteľnej pamäte od adresy 30H po 7FH
Vo všeobecnosti je celá pamäť, všetkých 128 bajtov voľne prístupná. Schéma rozdelenia internej RAM pamäte je na obr. 4.4.
Obr.
4.4: Mapa internej RAM mikropočítača 8051
Oblasť
pamäte obsahujúca SFR je opísaná v nasledujúcej kapitole, v ktorej
je vysvetlený aj zmysel jednotlivých SFR.
Rovnako ako môžeme pripojiť externú programovú pamäť, tak je možné k 8051 pripojiť aj externú dátovú pamäť RAM s maximálnou kapacitou 64 kB. Prístup ku externej pamäti dát je obdobný princípu použitému v prípade externej programovej pamäte. Spôsob pripojenia externej dátovej RAM pamäte je na obr. 4.5
Obr. 4.5: Zapojenie 8051 a externej dátovej pamäte
Na prístup do externej RAM pamäte je opäť využitý signál ALE zabezpečujúci prepis adresy z portu P0 na adresovací vstup pamäte. Na adresovanie sú použité porty P0 a P2 tvoriace 16-bitovú adresovaciu zbernicu, pričom port P0 je multiplexovaný s 8-bitovou dátovou zbernicou. Pre voľbu režimu zápisu alebo čítania sú použité signály RD a WR. Priebehy signálov pre čítanie sú znázornené na obr. 4.6 a pre zápis sú na obr. 4.7.
Obr. 4.6: Priebeh signálov pre čítanie dát z externej RAM
Obr. 4.7: Priebeh signálov pre zápis dát do externej RAM
Pre čítanie a zápis dát z externej pamäte dát je využitá inštrukcia MOVX. Cyklus čítania/zápisu sa začína privedením aktívnej ALE, ktorou je prepísaná adresa A0-A7 z portu P0 na adresový vstup pamäte RAM. Na výstupe P2 je trvalo počas celého cyklu prítomná adresa A8-A15 privedená na adresový vstup pamäte. Po zaadresovaní pamäte nasleduje v závislosti od operácie (zápis/čítanie) aktívny signál RD alebo WR, privedený na príslušný vstup RAM pamäte. RD (Read Data – čítanie dát) aktivuje vstup OE (Output Enable – povolenie výstupu) pri čítaní dát a pri zápise dát WR (Write – zápis) aktivuje vstup WE (Write Enable – povolenie zápisu).
Inštrukčná sada obsahuje súbor všetkých inštrukcií známych mikropočítaču. Inštrukcie je možné deliť do viacerých skupín.
4.1.2.1
Presunové inštrukcie
Slúžia na presuny dát medzi vnútornou pamäťou dát a registrami navzájom, alebo medzi externými pamäťami dát a programu a internou pamäťou dát.
MOV – presun bajtu medzi ACC a registrami, alebo priamo a nepriamo adresovateľnou pamäťou dát
Príklad: MOV A, R1 – presunie dáta uložené v registri R1 aktuálne nastavenej banky registrov do ACC
MOVC – presun bajtu z programovej pamäte do ACC na základe adresy danej súčtom nepriamej adresy uloženej v A a obsahom registrov R0, R1, DPTR alebo PC
Príklad: MOVC A, @A+DPTR – presunie z programovej pamäte bajt a uloží ho do ACC
MOVX – presun bajtu z akumulátora do externej pamäte dát alebo opačne, adesa bajtu je daná nepriamo, uložená v registri R0, R1 alebo DPTR
Príklad: MOVX A, @DPTR – presunie bajt z externej dátovej pamäte do ACC z adresy danej nepriamo v DPTR
XCH – výmena obsahu akumulátora a registra Ri alebo adresovaného pamäťového miesta
Príklad: XCH A, 120 – vymení bajt uložený na adrese 100 s akumulátorom ACC
XCHD – výmena dolného polbajtu medzi ACC a nepriamo adresovateľným miestom v internej dátovej pamäti
Príklad: XCHD A, @Rn
PUSH – k ukazateľu zásobníka SP sa pričíta jednotka a dáta na uvedenej adrese s inštrukciou sú uložené na vrchol zásobníka
Príklad: PUSH 120 – do vrcholu zásobníka uloží dáta z adresy 120
POP – od ukazateľa zásobníka je odčítaná jednotka, z vrcholu zásobníka sú vyzdvihnuté dáta uložené na adresu uvedenú pri inštrukcii
Príklad: POP 120 – z vrcholu zásobníka sú dáta presunuté na adresu 120
Slúžia na realizáciu základných aritmetických operácií ako sú sčítanie, odčítanie, násobenie a delenie.
ADD – ku akumulátoru je pripočítaný obsah registra, nepriamo adresovaného miesta, hodnoty uloženej na priamej adrese alebo je ku akumulátoru pripočítaná priama hodnota
Príklad: nech v ACC je hodnota 10, ADD A, #149 – predstavuje pripočítanie priamej hodnoty 149 ku ACC, po ukončení operácie je výsledok uložený v ACC, čiže hodnota 159
ADDC – je inštrukcia sčítania podobná ADD s tým rozdielom, že ku ACC je pripočítavaný aj príznak carry – C v registri PSW
Príklad: Nech C=1, ACC=0, ADDC A, #255 – ku ACC je pričítané číslo 255 a C, súčet je 256, čo je číslo väčšie ako je možné uložiť do 8-bitového ACC, teda v ACC je uložená 0 a nastaví sa opäť bit C v PSW indikujúci prenos z nižšieho rádu
SUBB – odčíta od ACC bajt uložený v Rn, nepriamo adresovateľný, priamo adresovateľný alebo priamu hodnotu vrátane príznaku C v PSW, ktorý v tomto prípade znamená výpožičku pri odčítaní binárnych čísel
Príklad: Nech C=0, Rn=5, ACC=10, SUBB A, Rn – odčíta od hodnoty 10, hodnotu 5 uloženú v registri Rn, výsledok je uložený v ACC
DA – slúži na korekciu hodnoty uloženej v ACC pri operácii binárneho sčítavania dvoch dekadických čísel vyjadrených v BCD kóde, čím ako výsledok opäť dostaneme dve BCD čísla, realizuje sa to na základe nasledujúceho postupu:
- ak je hodnota v ACC na nižších 4 bitoch väčšia ako 9 alebo C=1, ku ACC je pripočítaná hodnota 6
- ak je v ACC na vyšších 4 bitoch hodnota väčšia ako 9 alebo C=1, ku ACC sa pripočíta hodnota 60H
Príklad: nech v ACC je binárna hodnota 10101111b, dolný polbajt je rovný 15 a horný 10, čiže oba sú väčšie ako 9, po vykonaní inštrukcie DAA A bude v ACC hodnota 01110101b, ktorá predstavuje dekadické BCD číslo 75
INC – inštrukcia inkrementuje, pričíta hodnotu jedna ku ACC, Rn, nepriamo a priamo adresovateľnému pamäťovému miestu alebo k DPTR
Príklad: nech v ACC je binárna hodnota 100b, INC A – v ACC po vykonaní inštrukcie bude hodnota 101b
DEC - inštrukcia inkrementuje, pričíta hodnotu jedna ku ACC, Rn, nepriamo a priamo adresovateľnému pamäťovému miestu
Príklad: nech v ACC je binárna hodnota 101b, DEC A – v ACC po vykonaní inštrukcie bude hodnota 100b
MUL – vynásobí dve 8-bitové čísla uložené v registroch A a B, po vykonaní inštrukcie je v B uložený dolný bajt a v A horný bajt výsledného 16-bitového výsledku
Príklad: nech A=10010=64H a B=310=3H, MUL AB – vynásobí tieto dve čísla bez znamienka, dostaneme 16-bitové číslo 300, v A je uložená hodnota
DIV – vykoná celočíselné delenie obsahu ACC a registra B, celočíselný podiel je uložený v ACC a zvyšok po delení je uložený v B
Príklad: A=51, B=4, DIV AB – po vykonaní inštrukcie je v A uložené číslo 12 a v B číslo 3, čiže zvyšok po celočíselnom delení
4.1.2.3 Inštrukcie logických operácií
Logické inštrukcie umožňujú vykonať základné logické operácie s operandmi.
ANL – inštrukcia vykoná logický súčin medzi akumulátorom a Rn, nepriamo alebo priamo adresovateľným operandom, priamou číselnou hodnotou, alebo medzi priamou adresou a akumulátorom alebo priamou číselnou hodnotou, výsledok je uložený do A
Príklad: A=10010110b, Rn=01101001b, ANL A, Rn – vykoná sa logický súčin, výsledok je uložený do A a je rovný A=00000000b
ORL – inštrukcia vykoná logický súčet medzi rovnakými operandmi ako inštrukcia ANL, výsledok je uložený do akumulátora
Príklad: A=01010101b, Rn=10101010b, ORL A, Rn – vykoná logický súčet, výsledok je uložený do A, je rovný A=11111111b
XLR – inštrukcia vykoná operáciu exkluzívneho súčtu EX-OR medzi rovnakými operandmi ako ANL inštrukcia, výsledok je uložený do A
Príklad: A=10101010b, Rn=00001111b, XLR A, Rn – vykoná EX-OR, výsledok je uložený do A, je rovný A=10100101b
CPL – inštrukcia neguje obsah akumulátora A, vytvára tak jednotkový doplnok
Príklad: A=10010110b, CPL A – vykoná invertovanie každého bitu v akumulátore, potom A=01101001b
CLR – inštrukcia nuluje obsah akumulátora A
Príklad: A=10010101b, CLR A – vynuluje obsah A, potom A=00000000b
RL – inštrukcia rotácie akumulátora A doľava
RC – inštrukcia rotácie akumulátora A doprava
RLC - inštrukcia rotácie akumulátora A doľava cez príznak C
RRC - inštrukcia rotácie akumulátora A doprava cez príznak C
Príklad použitia inštrukcií je znázornený na obr. 4.8. Majme v A uloženú hodnotu A=10010110b, vykonaním:
- RL A je v A=00101101b
- RR A je v A=01001011b
- RLC A, je v A=00101100b a v C=1
- RRC A, je v A=01001011b a v C=0
Obr. 4.8: Inštrukcie rotácie A
SWAP – inštrukcia navzájom prehodí obsah horného a dolného polbajtu uložených v akumulátore
Príklad: A=11000011b, SWAP A – vykoná prehodenie polbajtov v akumulátore, výsledok je uložený v A=00111100b
4.1.2.4 Inštrukcie bitových operácií
Inštrukcie pre bitové operácie slúžia na základné manipulácie s jednotlivými bitmi.
CLR – vykoná nulovanie adresovaného bitu alebo príznaku C
SETB – vykoná nastavenie adresovaného bitu alebo C na logickú jednotku
CPL – vytvorí komplement k priamo adresovanému bitu alebo príznaku C
ANL – vytvorí logický súčin medzi príznakom C a priamo adresovaným bitom, v prípade lomítka pred adresovaným bitom je tento najprv negovaný
Príklad: C=1, bit_x – predstavuje adresu bitu v bitovo adresovateľnej pamäti a hodnota bit_x=0, ANL C,/bit_x – vykoná log. súčin negovaného bitu bit_x a C, výsledok je uložený do C
ORL – vykoná logický súčet medzi príznakom C a priamo adresovateľným bitom
MOV – inštrukcia umožňujúca presun jednotlivých bitov z priamej adresy bitu do C a opačne
Sú to inštrukcie pomocou ktorých je možné vykonať podmienené a nepodmienené skoky s určitou dĺžkou.
Nepodmienené skokové inštrukcie:
AJMP – inštrukcia vykoná skok na adresu v rozsahu 2 kB, používa sa 11-bitová adresa
LJMP – inštrukcia vykoná skok na adresu v rozsahu 64 kB, čiže celého adresovateľného priestoru, používa sa 16-bitová adresa
SJMP – inštrukcia vykoná skok v rozsahu 256 B, používa sa 8-bitová adresa
JMP – inštrukcia vykoná skok na adresu danú súčtom DPTR s obsahom akumulátora
Podmienené skokové inštrukcie:
JZ – inštrukcia vykoná skok na danú adresu v prípade, že obsah akumulátora je rovný nule
Príklad: JZ 0023H – vykoná skok na adresu 0023H, ak je akumulátor rovný nule
JNZ - inštrukcia vykoná skok na danú adresu v prípade, že obsah akumulátora nie je rovný nule
JC - inštrukcia vykoná skok na danú adresu v prípade, že bit C indikujúci prenos je rovný nule
JNC - inštrukcia vykoná skok na danú adresu v prípade, že bit C indikujúci prenos nie je rovný nule
JB – inštrukcia vykoná skok na danú adresu v prípade, že testovaný bit nastavený na logickú 1
JBC - inštrukcia vykoná skok na danú adresu v prípade, že testovaný bit nastavený na logickú 1 a daný bit následne nuluje
CJNE – inštrukcia porovnáva obsah akumulátora alebo registra Rn s priamou adresou alebo číselnou hodnotou, v prípade nerovnosti je vykonaný skok na relatívnu adresu
Príklad: nech A=20H, CJNE A, #21H, 36H – inštrukcia porovná obsah akumulátora s priamou číselnou hodnotou, keďže sa nerovnajú, vykoná sa skok na adresu 36H
DJNZ – inštrukcia dekrementuje obsah registra Rn alebo priamo adresovaného pamäťového miesta a ak hodnota na danej adrese je rôzna od nuly, vykoná sa skok na danú adresu
Príklad: nech R1=01H, DJNZ R1, 040H – dekrementuje sa obsah registra R1, je rovný nule, čiže sa nevykoná skok na adresu 040H, pokračuje sa výkonom nasledujúcej inštrukcie
4.1.2.6 Inštrukcie pre podprogramy
Inštrukcie pre podprogramy slúžia na zabezpečenie volania a návratu s podprogramu.
ACALL – volanie podprogramu v rozsahu 2 kB, používa sa 11-bitová adresa, pri volaní podprogramu je do vrcholu zásobníka uložená adresa posledne vykonanej inštrukcie hlavného programu
LCALL - volanie podprogramu v rozsahu 64 kB, používa sa 16-bitová adresa
RET – inštrukcia, ktorou je ukončený volaný podprogram, obsah zásobníka sa prepíše do PC, čím sa dostaneme na miesto v odkiaľ bol volaný podprogram, čím sa pokračuje v ďalšom výkone programu
RETI – inštrukcia pre návrat z podprogramu obsluhujúceho prerušenie
4.1.2.7 Iné inštrukcie
Medzi iné inštrukcie patrí inštrukcia NOP – prázdna operácia, použitím tejto inštrukcie sa nevykoná žiadna operácia počas jedného strojového cyklu, NOP inštrukcia je vhodná na realizáciu časového oneskorenia pri synchronizácii rôznych procesov
4.1.3
Časovanie mikroprocesora
Časovanie mikropočítača je realizované na základe synchronizačných impulzov odvodených od vnútorného oscilátora. Frekvencia oscilátora je menená na základe pripojeného kryštálu od 1,2 MHz d 12 MHz. Pre synchronizáciu je možné použiť aj externý oscilátor. Na obr. 4.9a je spôsob pripojenia kryštálu a na obr. 4.9b zdroja externých synchronizačných impulzov.
Obr. 4.9: Zdroje hodinových impulzov pre 8051
Na základe schémy na nasledujúcom obr. 4.10 je definovaný termín strojový cyklus.
Obr. 4.10: Časovanie inštrukcií
Strojový cyklus je najkratší možný časový okamžik za ktorý je vykonaná inštrukcia. Inštrukcia môže trvať aj dva strojové cykly. Strojový cyklus je rozdelený do šiestich stavov S1 až S6. Každý stav trvá dva takty, P1 a P2. Z toho vyplýva, že strojový cyklus trvá 12 taktov oscilátora, rovnako aj inštrukcia trvajúca jeden strojový cyklus, pričom sa vykoná za čas t = 1ms ak použijeme taktovaciu frekvenciu fCLK 12 MHz.
Spustenie jednocyklovej inštrukcie trvá jeden strojový cyklus. Načítanie operačného kódu je počas stavu S1. Druhý výber nasleduje počas stavu S4. Prevedenie inštrukcie je úplné počas stavu S6 toho istého strojového cyklu.
Inštrukcia MOVX je dvojcyklová, trvá dva strojové cykly.
SFR sú umiestnené v internej dátovej RAM pamäti od adresy 80H po 7FH. Prístupné sú iba priamym adresovaním. SFR obsahujú registre súvisiace s konfiguráciou a nastavením mikropočítača a jeho periférií, prípadne registre s inou špecifickou funkciou.
Zoznam SFR spolu z ich adresami je v nasledujúcej tab. 4.1.
Tab. 4.1:Zoznam SFR 8051
ALU (Arithmetic Logic Unit – aritmeticko-logická jednotka) mikropočítača 8051 je akumulátorovo orientovaná. Znamená to, že všetky aritmeticko-logické operácie sú realizované pomocou akumulátora. Akumulátor obsahuje stále jeden operand, alebo výsledok aritmetickej alebo logickej operácie. Akumulátor je bitovo adresovateľný.
Príklad: SUBB A,#data – po odčítaní je výsledok uložený do akumulátora
Pri realizácii operácií násobenia a delenia slúži B register na uloženie jedného z operandov a súčastne po zrealizovaní týchto operácií obsahuje spolu s akumulátorom aj ich výsledok.
Príklad: DIV
AB – po vydelení čísel uložených v A a B je do A uložený
celočíselný podiel a do B zvyšok po celočíselnom delení
4.2.1.3
PSW – (Program Status Word) – Stavové slovo mikroprocesora
Bitovo adresovateľný register slúžiaci na indikáciu stavu ALU po zrealizovaní výpočtu, alebo na nastavenie aktuálnej banky registrov R0-R7.
Rozloženie jednotlivých bitov je znázornené na obrázku.
Obr. 4. 11: Register PSW
Význam jednotlivých bitov je nasledovný:
C - prenos (Carry) indikuje pri aritmetických operáciách prenos z ôsmeho bitu do deviatého
AC – (Auxiliary Carry) – čiastočný prenos, nastavuje sa pri indikácii prenosu medzi 4. a 5. bitom akumulátora A, príznak sa využíva jedine pri inštrukcii DAA – dekadickej korekcie pri počítaní s číslami vyjadrenými v BCD kóde
F0 – je príznakom, ktorý môže užívateľ ľubovoľne využívať
RS0,RS1 – (Register Select) – slúžia na nastavenie banky 0-3 registrov R0-R7, ktoré budú momentálne používané, spôsob nastavenia je v nasledujúcej tab. 4.2.
Tab. 4.2: Nastavenie banky registrov
OV – (Overflow) je príznakom pretečenia a nastavuje sa pri aritmetickej operácii sčítania alebo odčítania v prípade práce so znamienkovými číslami, ak 8. bit predstavuje znamienko.
Pri sčítaní sa bit nastaví ak pri sčítaní dvoch záporných čísel dôjde k prenosu medzi 8. a 7. bitom a nedošlo k prenosu medzi 7. a 6. bitom, čiže výsledok je kladný. Pri sčítaní dvoch kladných čísel, ak je výsledok záporný, čiže došlo k prenosu medzi 7. a 6. pričom nedošlo k prenosu medzi bitmi 8. a 7.
OV sa taktiež využíva pre indikáciu delenia nulou pri delení a pri násobení.
P – (Parity Flag) – logickou jednotkou indikuje párny počet jednotiek v akumulátore A
4.2.1.4
SP (Stack Pointer) – Ukazateľ zásobníka
Ukazateľ zásobníka - SP je 8-bitový register, v ktorom je uložená adresa na ktorej je umiestnený začiatok zásobníka. Zásobník sa môže nachádzať kdekoľvek v internej dátovej pamäti. Po resete je SP implicitne nastavený na hodnotu 07H, čiže začiatok zásobníka sa začína od registra R0 banky 1.
Zápisom do zásobníka sa SP automaticky inkrementuje, alebo pri vyberaní zo zásobníka sa zas automaticky dekrementuje. V zásobníku je uložená návratová adresa po vykonaní podprogramu, takže SP stále ukazuje na miesto kde je uložená aktuálna návratová adresa.
4.2.1.5
DPTR – (Data Pointer)
DPTR je 16-bitový register slúžiaci na nepriame adresovanie externej dátovej RAM pamäte alebo aj externej programovej pamäte. Pozostáva z dvoch 8 bitových registrov DPL – dolné polslovo a DPH – horné polslovo.
Príklad: MOVX A, @DPTR
PC je 16-bitový register, programovo nie je priamo prístupný. Po resete je implicitne nastavený na hodnotu 00000H. PC určuje adresu od ktorej je začaté načítavanie programu z programovej pamäte. Obsah PC je možné meniť inštrukciami volania podprogramu, alebo inštrukciami skoku, keď je nutné zmeniť miesto od ktorého pokračuje výkon programu.
4.2.1.7
Čítače – časovače
Mikropočítač 8051 obsahuje dva 16-bitové čítače/časovače. Sú to dva identické obvody, čítač/časovač 0 a čítač/časovač 1 (ďalej už iba ako C/T0 a C/T1). V závislosti od nastavenia majú dvojakú použiteľnosť, buď na meranie času, alebo na počítanie impulzov.
Činnosť C/Ti, (i=0,1) je konfigurovaná pomocou SFR TMOD a TCON. TCON slúži na konfiguráciu režimu a TMOD na nastavenie príslušného módu činnosti.
TMOD je SFR slúžiaci na nastavenie módov C/Ti. Je rozdelený na dve polovice pre každý C/Ti jedna. Význam jednotlivých bitov TMOD je nasledovný:
Obr. 4.11: Register TMOD
GATE – je riadenie C/Ti buď výlučne programovo pomocou bitu TRn v TCON ak je GATE=0, alebo ak GATE = 1 je riadenie doplnené o možnosť riadenia softvérovo, ale aj vonkajším signálom na vstupe INTi, i=0,1.
C/T – voľba režimu prevádzky, ak C/T = 0, tak je nastavený režim časovača so synchronizačným signálom odvodeným od hodinového vydeleného hodnotou 12. V prípade, že C/T=1, nastavený je režim čítača impulzov z externého vstupu Ti.
M0,M1 – dva bity slúžiace na nastavenie módu C/Ti
Tab. 4.3: Nastavenie módov časovačov 0 a 1
SFR TCON riadime prevádzku C/Ti. Rovnako ako TMOD, aj TCON obsahuje konfiguračné bity pre oba C/Ti a ich význam je nasledovný:
Obr. 4.12: Register TCON
TF0, TF1 – indikujú pretečenie C/Ti, sú nastavené prechodom C/Ti z maximálnej hodnoty na nulu. Spustením obslužného podprogramu pre prerušenie sa automaticky bit TFi nuluje.
TR0, TR1 – bity zabezpečujúce softvérové spúšťanie a zastavenie činnosti C/Ti. V prípade ak GATE = 1, riadenie je kombinované so vstupom INTi.
IE0, IE1 – tieto bity sú automaticky nastavené pri zostupnej hrane alebo logickej 0 na vstupe externého prerušenia INTi v závislosti od nastavenia bitu ITi. Bity sa automaticky nulujú pri skokudo obslužného podprogramu prerušenia.
IT0, IT1 – nastavenie bitu ITi na log.0 spôsobí aktiváciu prerušenia na vstupe INTi pri úrovni log. 0. Pri dostatočne dlhom trvaní danej logickej úrovne na vstupe INTi, teoreticky sa môže obslužný podprogram vyvolať aj viackrát za sebou. Ak však je ITi = 1, tak prerušenie sa vyvolá iba v prípade detekcie zostupnej hrany signálu na vstupe INTi, zabezpečíme tak spustenie obslužného podprogramu iba raz v momente prechodu signálu z log.1 do log.0 na vstupe INTi. Prerušenie sa opäť vyvolá až pri rovnakej zmene signálu.
Obsah C/Ti je uložený v ďalších SFR a to v TLi a THi, i = 0,1. TLi je dolné 8-bitové polslovo a THi je horné 8-bitové polslovo.
V závislosti od nastavenia hodnôt v TMOD a TCOM rozlišujeme štyri módy činnosti:
Mód 0: sa nastavuje pomocou M0 = 0, M1 = 0 a predstavuje 13-bitový C/Ti, pozostáva s 8-bitového čítača THi a 5-bitového TLi, číta vzostupne, pri pretečení sa vyvolá prerušenie a nastaví sa príznakový bit TFi v TCON
Obr. 4.13: Mód 0 čítača/ časovača
Mód 1: sa nastavuje pomocou M0 = 1 a M1 = 0, je identický ako mód 0 až na to, že oba čítače THi a TLi sú 8-bitové, tvoriace tak spolu 16-bitový čítač
Obr. 4.14: Mód 1 čítača/ časovača
Mód 2: M0 = 0, M1 = 1, pracuje v režime s prednastavením, čítač TLi počíta vzostupne až do pretečenia, keď sa vyvolá prerušenie, po obslúžení prerušenia sa prepíše obsah THi, ktorý slúži na uloženie hodnoty prednastavenia do TLi od ktorej opäť TLi počíta až do pretečenia.
Obr. 4.15: Mód 2 čítača/ časovača
Mód 3: využíva TH0 a TL0 ako dva samostatné 8-bitové čítače. Čítač TL0 je riadený signálmi C/T, GATE, TR0, INT0 a TF0. Čítač TH0 pracuje ako časovač riadený iba signálom TR1, pri pretečení nastavuje TF1, tým pádom sú využité obe prerušenia a tak C/T1 môže byť využitý iba ako generátor prenosovej rýchlosti pre sériový kanál
Obr. 4.16: Mód 3 čítača/ časovača
4.2.1.8
Prerušovací systém
Na zvýšenie efektivity spolupráce mikropočítača s perifériami slúži systém prerušení. 8051 disponuje celkom piatimi zdrojmi prerušení konfigurovateľnými pomocou registra IE. Tento SFR slúži na globálne povolenie alebo zakázanie prerušení a na povolenie a zakázanie toho konkrétneho prerušenia. Význam jednotlivých bitov v IE je následovný:
Obr. 4.17: Register IE
EA – pre EA=0, zakážeme všetky prerušenia, ak je EA=1, všetky prerušenia sú povolené
Nasledujúce bity v prípade, že sú nastavené, tak povoľujú prerušenia pre jednotlivé periférie
ES – sériová linka
ET1 – čítač/časovač 1
EX1 – externý vstup 1
ET0 – čítač/časovač 0
EX0 - externý vstup 1
Prerušenia sa vykonávajú s prioritou v nasledujúcom poradí:
Tab. 4.4: Priorita prerušení
Význam spočíva v tom, že nadradené prerušenie s vyššou prioritou môže prerušiť obsluhu prerušenia s nižšou prioritou, nie však opačne. V prípade, že potrebné danú prioritu zmeniť, systém disponuje dodatočnou možnosťou zmeny priority v dvoch úrovniach nastavením v SFR IP. Priradením logickej 1 je zvýšená priorita príslušného zariadenia.
Obr.4.18: Register IP
Význam príslušnosti jednotlivých bitov nastavujúcich prioritu príslušného zariadenia v IP je nasledovný:
PS – sériový kanál
PT1 - čítač/časovač 1
PX1 - externý vstup 1
PT0 - čítač/časovač 0
PX0 - externý vstup 1
Vektor prerušenia – je adresa ukazujúca na miesto v pamäti, kde je uložený obslužný podprogram pre dané prerušenie. Pri mikropočítači 8051 má každé prerušenia pevne pridelenú adresu v pamäti programu na ktorú sa uloží skoková inštrukcia s adresou príslušného obslužného podprogramu. Znázornenie je na obr. 4.19:
Obr. 4.19: Vektory prerušenia mikropočítača 8051
Na adrese 000H je uložená skoková inštrukcia JMP START, ktorá vykoná skok na začiatok programu po štarte mikropočítača. Prvé prerušenia začína od adresy 003H, kde je uložená skoková inštrukcia JUMP na podprogram pre obsluhu prerušenia 0 a každé ďalšie je s odstupom 8 pamäťových miest. V nasledujúcej tabuľke sú uvedené prerušenia spolu s príslušnými adresami.
Tab. 4.5: Adresy prerušení 8051
4.2.1.9 Sériový kanál
Integrovaný, plne duplexný sériový kanál s možnosťou nastavenia viacerých režimov činnosti umožňuje prepojenie daného mikropočítača s inými zariadeniami ako je napríklad PC. Sériový kanál umožňuje voľbu 8 alebo 9 bitového režimu v synchrónnom aj asynchrónnom móde prevádzky. Ako ostatné periférie je aj sériový kanál prístupný skrz príslušné SFR. Na nastavenie a riadenie prevádzky slúži SCON a na príjem a vysielanie dát SBUF. Register SCON je zobrazený na nasledujúcom obrázku.
Obr. 4.20:Register SCON
SFR SCON obsahuje konfiguračné bity s nasledovným významom:
SM0, SM1 – sú konfiguračné bity na nastavenie jedného zo štyroch módov činnosti sériového kanálu, možnosti sú:
Tab. 4.6: Možnosti nastavenia sériovej linky
SM2 – nastavením tohto bitu povoľujeme multiprocesorovú komunikáciu, čo znamená prepojenie viacerých mikroprocesorov skrz sériový kanál, daný bit má význam iba v nastavení v móde 2 a 3
REN – povolenie príjmu ak REN=1
TB8 – je 9. bitom pri vysielaní v móde 2 a 3, nastavuje sa programovo
RB8 – je 9. bitom pri prijímaní v móde 2 a 3, pri nastavení SM2=1 v móde 1 má význam STOP bitu
TI – je bit nastavený bezprostredne po odvysielaní posledného bitu s vyrovnávacieho registra SBUF pre sériový kanál v synchrónnom režime alebo po vyslaní STOP bitu v ostatných asynchrónnych režimoch
RI – je bit nastavený po príjme posledného bitu dát v synchrónnom režime alebo po prijatí STOP bitu v asynchrónnom režime
Po nastavení bitov RI a TI sa vyvolá prerušenie od sériového kanála, je nutné programovo detekovať či sa jednalo o prenos alebo príjem a to priamo zistením stavu týchto bitov.
Sériový kanál môže pracovať v týchto módoch:
Mód 0: 8 bitový synchrónny sériový kanál s prenosovou rýchlosťou odvodenou od hodinového, ako 1/12 frekvencie tohto signálu.
Mód 1: 8 bitový asynchrónny sériový kanál s prenosovou rýchlosťou danou vzťahom
SMOD bit je umiestnení v SFR PCON. Vysielanie začína štart bitom a končí STOP bitom uloženým v RB8 registra SCON, takže celkovo sa prenesie 10 bitov.
Mód 2: 9-bitový asynchrónny sériový kanál, vyslaným 9. bitom je bit TB8 s registra SCON, ktorý sa na prijímacej strane uloží opäť do registra SCON ale na miesto bity RB8. Prenosová rýchlosť je daná ako 1/32 alebo 1/64 taktovacej frekvencie mikropočítača v závislosti od nastavenia bitu SMOD v PCON.
Mód 3: je totožný s módom 2 až na možnosť riadenia prenosovej rýchlosti pomocou čítača/časovača 1 a hodnotou bitu SMOD
Princíp vysielania a príjmu prostredníctvom sériového kanála spočíva pri vysielaní v zápise dát do registra SBUF a pri prijímaní zas z čítania dát uložených po príjme v registri SBUF.
4.2.1.10 Riadenie príkonu procesora
Pomocou SFR registra PCON môžeme riadiť spotrebu mikropočítača v dvoch režimoch.
Obr . 4.21: Register PCON
Režim IDLE – sa aktivuje nastavením bitu IDL v PCON. Bezprostredne na to je zastavená činnosť jadra procesora, pričom periférie ako sériový kanál, čítače/časovače a podobne ostávajú aktívne. Taktiež sa zachováva obsah registrov ako SP, PC a obsah internej RAM pamäte. Vstupne/výstupné brány majú nastavený posledný stav. Tento stav procesora je možné zrušiť vyvolaním nemaskovateľného prerušenia, napríklad prijatím dát po sériovom kanále keď je bit IDL nulovaný, alebo resetovaním procesora.
Režim Power Down spustený nastavením bitu PD v PCON úplne zastaví činnosť procesoru vrátane periférií. Obsah SFR a RAM ostáva uchovaný. Návrat z tohto režimu je možný jedine signálom reset, čím stratíme všetky údaje v SFR, no obsah RAM sa uchováva.
Mikropočítač disponuje 40 vývodmi, ktorých význam je znázornený na obr. 4.22.
Obr. 4.22: Zapojenie mikropočítača 8051
Na
brány P0 a P2 je vyvedená adresová zbernica pre prístup do externých
pamätí, pričom P0 je navyše multiplexovaná s externe vyvedenou dátovou
zbernicou. Brána P3 je zdieľaná s externe vyvedenými signálmi a sériovou
linkou. Brána P1 je univerzálne použiteľná. Samostatne sú vyvedené signály
PSEN, ALE, EA, RESET a vývody na pripojenie externého kryštálu oscilátora.
RESET signál spôsobí reštart mikropočítača, čiže znovuspustenie systému. Čítač inštrukcií PC je nastavený na nulovú hodnotu, program sa vykonávať opäť od počiatočnej adresy 0000H.
Signálom RESET je možné ošetriť aj takzvané „zablúdenie“ programu, ak mikropočítač prestane korektne vykonávať program. Táto chyba môže nastať napríklad v dôsledku rušenia okolitými elektronickými zariadeniami alebo vplyvom iných negatívnych vplyvov pôsobiacich na mikropočítačový systém. Signál RESET v tomto prípade generuje externe pripojený dohliadací obvod (watchdog).
Signál RESET je možné generovať manuálne (obr. 4.23) alebo elektronickým obvodom (obr. 4.24).
Obr. 4.23: Obvod signálu reset
Po pripojení napájacieho napätia je generovaný signál RESET pomocou RC článku zloženého z odporu 8,2 kW a elektrolytického kondenzátora 10 mF. V prípade pomalého nárastu napájacieho napätia môže dôjsť k prípadu, že RESET signál sa nevygeneruje. Odstránenie tohto javu je možné použitím špecializovaných obvodov zabezpečujúcich korektné spustenie mikropočítača po pripojení napájacieho napätia. Tieto obvody sú opísané bližšie v kapitole venujúcej sa periférnym obvodom mikropočítačových systémov.
