Vorwort. Bernd-Dieter Schaaf, Peter Wissemann, Stephan Böcker. Mikrocomputertechnik

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1 Vorwort Bernd-Dieter Schaaf, Peter Wissemann, Stephan Böcker Mikrocomputertechnik Aktuelle Controller 8051: Funktionsweise, äußere Beschaltung und Programmierung ISBN (Buch): ISBN (E-Book): Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel. Carl Hanser Verlag, München

2 Vorwort des Herausgebers Was können Sie mit diesem Buch lernen? Wenn Sie dieses Lernbuch durcharbeiten, dann erwerben Sie umfassende Erkenntnisse und Qualifikationen, die Sie zur Handlungsfähigkeit in der Mikrocomputertechnik mit Mikrocontrollern führen. Der Umfang dessen, was wir Ihnen anbieten, orientiert sich an den Studienplänen der Fachhochschulen für Technik, den Lehrplänen der Fachschulen für Technik in den Bundesländern, den Anforderungen der beruflichen Praxis, dem Stand der Technik. Sie werden systematisch und schrittweise mit der spezifischen Hard- und Software eines Mikrocomputersystems mit Mikrocontrollern vertraut gemacht. Sie können Programme konstruieren und Anwenderprogramme der Automatisierungstechnik nutzen. Dabei gehen Sie folgenden Fragen nach: Welche Struktur der Baugruppen und ihrer Programmierung kennzeichnet einen Mikrocontroller? Wie kann man ein Entwicklungssystem konstruieren? Welche Erweiterungen lässt das Mikrocontrollersystem zu? Wie programmiert man das System mit der Hochsprache C? Wer kann mit diesem Buch lernen? Jeder, der sich weiterbilden möchte, die Grundlagen der Datenverarbeitung kennt, Kenntnisse in den Grundlagen der Elektrotechnik besitzt. Das können sein: Studenten an Fachhochschulen und Berufsakademien, Studenten an Fachschulen für Technik, Schüler an beruflichen Gymnasien und Berufsoberschulen, Schüler in der Assistentenausbildung, Facharbeiter, Gesellen und Meister während und nach der Ausbildung, Umschüler und Rehabilitanden, Teilnehmer an Fort- und Weiterbildungskursen, Autodidakten,

3 6 Vorwort des Herausgebers vor allem in den Bereichen: Elektrische Energietechnik, Prozessautomatisierung, Prozessleittechnik Informations- und Kommunikationstechnik. Wie können Sie mit diesem Buch lernen? Ganz gleich, ob Sie mit diesem Buch in Hochschule, Schule, Betrieb, Lehrgang oder zu Hause im stillen Kämmerlein lernen, es wird Ihnen Freude machen. Warum? Ganz einfach, weil Ihnen hier ein Buch empfohlen wird, das in seiner Gestaltung die Grundgesetze des menschlichen Lernens beachtet. Ein Lernbuch also! Sie setzen sich kapitelweise mit den Lerninhalten, Lehrstoffen auseinander, schrittweise dargestellt, in überschaubaren Lernsequenzen. Wo es möglich ist, wird der Lehrstoff ausführlich beschrieben auf der linken Spalte der Buchseite und umgesetzt in die technischwissenschaftliche Darstellung auf der rechten Spalte der Buchseite. Die weitgehende Zuordnung der behandelten Lerninhalte in den beiden Spalten erleichtert das Lernen wesentlich, Umblättern ist zum Beispiel in der Regel nicht nötig. An Beispielen konkretisiert und veranschaulicht der Autor die neuen Lerninhalte. Ein unterrichtsbegleitendes Lehrbuch mit Beispielen! Jetzt können und sollten Sie sofort die Übungsaufgaben lösen, um das Neugelernte zu festigen, zu vertiefen und mit bisher Gelerntem zu verknüpfen. Die wesentlichen Schritte der Lösung und das Ergebnis der jeweiligen Übung sind am Ende des Buches vom Autor für Sie aufgeschrieben. Also auch ein Arbeitsbuch mit Übungen und Lösungen! Für das Aufsuchen entsprechender Kapitel steht Ihnen das Inhaltsverzeichnis am Anfang des Buches zur Verfügung. Für die Suche bestimmter Begriffe hat der Autor für Sie am Ende des Buches das Sachwortregister angelegt. Selbstverständlich mit Inhaltsverzeichnis und Sachwortregister! Sicherlich werden Sie durch die intensive Arbeit mit dem Buch Ihre Bemerkungen zur Sache unterbringen wollen und die Lösungen der Übungen an den jeweiligen Stellen zuordnen, um so ein individuelles Arbeitsmittel an der Hand zu haben. Am Ende ist Ihr Buch entstanden! Möglich wurde dieses Lernbuch für Sie durch die Bereitschaft des Autors und die intensive Unterstützung des Verlages mit seinen Mitarbeitern. Ihnen sollten wir herzlich danken. Beim Lernen wünsche ich Ihnen nun viel Freude und Erfolg. Ihr Herausgeber Manfred Mettke

4 Leseprobe Bernd-Dieter Schaaf, Peter Wissemann, Stephan Böcker Mikrocomputertechnik Aktuelle Controller 8051: Funktionsweise, äußere Beschaltung und Programmierung ISBN (Buch): ISBN (E-Book): Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel. Carl Hanser Verlag, München

5 2 Der Mikrocontroller Der Mikrocontroller beinhaltet auf einem Chip einen kompletten Mikrocomputer, wie in Kapitel 1 beschrieben. Auf dem Chip sind die CPU, ein ROM-Speicher für das Programm, ein RAM- Speicher für die variablen Daten sowie parallele und serielle Ein- und Ausgabeports integriert. Die CPU ist über ein internes Bussystem mit dem Speicher und den Schnittstellen-Baugruppen verbunden. Der Controller wird hauptsächlich im Bereich der Automatisierungs-, Steuerungsund Antriebstechnik eingesetzt. Speziell für diese Anwendungsgebiete sind außer den aufgeführten Standard-Baugruppen noch eine Reihe zusätzlicher Funktionseinheiten in den Controller integriert. Solche Funktionseinheiten sind z. B. schnelle Zähler (Timer), A/D-Wandler oder Interrupt-Controller. Werden zusätzliche Funktionseinheiten benötigt, lässt sich ein externes Bussystem aufbauen. Daran lassen sich dann weitere Speicher oder Ports anschließen. CPU Mikrocontroller interner Bus Parallele Ports externer Bus Speicher Parallele Ports Serieller Port Zähler (Timer) A/D- Wandler Interrupt- Controler Speicher Schnittstellen Dieses Buch stellt Controller der 8051-Familie bzw. deren Derivate vor. Obwohl die Architektur des 8051-Controllers schon 1980 von Intel vorgestellt wurde, gibt es auch heute noch von fast jedem namenhaften Hersteller ein oder mehrere Controller, die diese Architektur verwenden. Dabei verwenden die Controller dann einen gleichen Befehlsatz, und unterscheiden sich nur in den zusätzlichen Funktionseinheiten, wie zum Beispiel dem In-System-Programming oder einem zusätzlichen internen Speicher. Zudem haben die heutigen 8051-er Derivate optimierte Befehlsausführungszeiten und können mit einem höheren externen Takt betrieben werden.

6 2.1 Das Blockschaltbild des Mikrocontrollers 23 In diesem Buch soll beispielhaft ein 8051-er Derivat von Atmel, der AT89C51AC3 vorgestellt werden. Zudem werden einige Vergleiche zwischen unterschiedliche Realisierungen (zum Beispiel beim A/D-Wandler) zu dem älteren nicht mehr erhältlichen Typ SAB 80C535 gemacht. 2.1 Das Blockschaltbild des Mikrocontrollers Folgendes Blockschaltbild gilt für den Controller AT89C51AC3 von Atmel, welches mit kleinen Abweichungen anderen 8051er-Controllern gleicht. RxD TxD XTAL 1 XTAL 2 UART RAM 256x8 Flash 64k x 8 Boot loader 2k x 8 EE PROM 2k x 8 ERAM 2048 PCA Timer 2 ALE PSEN CPU C51 CORE IB-Bus EA RD WR Timer 0 Timer 1 INT Ctrl Parallel I/O Ports and Ext. Bus Port 0 Port 1 Port 2 Port 3 Port 4 Watch Dog Emul Unit 10 bit ADC SPI Interface RESET T0 T1 INT 0 INT 1 P0 P1(1) P2 P3 P4(2) MOSI SCK MISO VCC VSS ECI PCA T2EX T2 Notes: 1. 8 analog Inputs / 8 Digital I/O 2. 5-Bit- / 2Bit-I/O Port Der C51-Core Im linken umrahmten Teil des Blockschaltbildes ist die klassische 8051-Architektur mit der CPU, dem CPU-nahen 256 KByte RAM-Speicher, der seriellen Kommunikation (UART-Schnittstelle), zwei speziellen Timern und einem Interruptblock dargestellt. Dieser Teil entspricht genau dem Urtypen der 8051-Architektur und lässt sich ohne Abweichungen gleich programmieren.

7 24 2 Der Mikrocontroller CPU Die CPU ist über das interne Bussystem mit den übrigen Funktionseinheiten verbunden. Der Systemtakt der CPU wird über einen extern zugeschalteten Quarz an den Anschlüssen XTAL1 und XTAL2 erzeugt. Quarz XTAL 1 XTAL 2 CPU Speicher Der CPU-nahe Speicher dient zum schnellen Abspeichern und Laden von variablen Daten. Meist sind dies einzelne Merkerbits, Zählvariablen oder Ähnliches. RAM 256x8 UART-Schnittstelle Der Controller ist mit einer seriellen Schnittstelle ausgestattet, die vollduplex arbeitet. Die Sendeleitung TxD (Transmit Data) ist der Anschluss 1 von Port 3. Die Empfangsleitung RxD (Receive Data) ist der Anschluss 0 des Portes 3. Der Schnittstelle können die Daten von der CPU parallel übergeben werden. RxD TxD UART Das serielle Senden und Empfangen mit einstellbaren Übertragungsprotokoll wird von der Funktionseinheit selbstständig durchgeführt. Dasselbe gilt für die seriell empfangenen Bits, die von der CPU parallel gelesen werden können. Timer Die Timer 0 und 1 sind zwei unabhängig voneinander arbeitende Zähler. Sie lassen sich als Ereigniszähler oder als Zeitgeber einsetzen. Timer 0 Timer 1 Bei der Verwendung als Ereigniszähler werden externe Impulse gezählt, die an bestimmten Eingängen der parallelen Ports eintreffen. Bei Verwendung als Zeitgeber werden interne Impulse gezählt, die von der Oszillatorfrequenz abgeleitet werden. Die Zeiten ergeben sich aus der Periodendauer des internen Taktes und dem Zählwert. T0 T1

8 2.1 Das Blockschaltbild des Mikrocontrollers 25 Interrupt Mithilfe der Interrupt-Control-Funktion kann ein laufendes Programm durch ein internes oder externes Ereignis unterbrochen werden und eine entsprechende Funktion ausgeführt werden. Zum Beispiel, wenn ein Not-Aus betätigt wird. INT Ctrl INT 0 INT Zusätzliche Funktionen Rechts neben dem C51 Core sind in dem Blockschaltbild zusätzliche Blöcke angeordnet, die über den internen Bus des Controllers verbunden sind. Diese Blöcke sind von Atmel dem Kern hinzugefügt bzw. in bestimmten Bereichen optimiert worden, um den Mikrocontroller- Chip für den Anwender komfortabler und vielseitiger nutzbar zu machen. Die Funktionsweise und Architektur dieser Blöcke weicht teilweise von den Urtypen der 8051-Architektur ab. Viele Teile sind auch hinzugefügt worden, wie zum Beispiel mehrere zusätzliche Speicher auf dem Chip. Speicher Zum zusätzlichen Speicher gehören ein 64 KByte Flash-Speicher, in dem das eigentliche Programm gespeichert wird, ein Bootloader, mit dem das Programm direkt über die serielle Schnittstelle in den Flash-Speicher geschrieben werden kann, ein 2 KByte EEPROM, in dem Daten auch nach dem Ausschalten des Controllers erhalten bleiben und ein 2 KByte ERAM-Speicher für die kurze Speicherung von Daten während des Betriebes. Flash 64k x 8 Bootloader 2k x 8 EE PROM 2k x 8 ERAM 2048 Parallele Ports Dieser Controller verfügt über fünf digitale Ports mit jeweils 8 Bit. Mithilfe dieser Ports können digitale Eingänge ausgelesen, bzw. digitale Ausgänge gesetzt und gelöscht werden. Einige Ports haben zusätzliche Alternativfunktionen, auf die per Programm umgeschaltet werden kann. Parallel I/O Ports and Ext. Bus Port 0 Port 1 Port 2 Port 3 Port 4 P0 P1(1) P2 P3 P4(2)

9 26 2 Der Mikrocontroller Timer 2 Der Timer 2 funktioniert wie die Timer 0 und Timer 1, ist allerdings mit zusätzlichen Funktionen ausgestattet, wie zum Beispiel mit einem programmierbaren Takt-Ausgang. T2EX T2 Timer 2 PCA Die PCA-Einheit (Programmable Counter Array) ist ein komplexer Timer, der für verschiedene Anwendungen, wie zum Beispiel der Pulsweitenmodulation genutzt wird. Mit diesem Timer kann die CPU sehr entlastet werden, und spezielle zeitgesteuerte Anwendungen können selbständig von diesem Modul durchgeführt werden. ECI PCA PCA Watch Dog Der Watch Dog ist ebenfalls ein spezieller Zähler, der ständig überprüft, ob das Programm in einer festen Zeit zyklisch arbeitet. Wenn das Programm an einer Stelle nicht mehr weiter bearbeitet wird, so stellt dies der Watch Dog fest, und führt zum Beispiel selber einen Reset des Controller durch. 10-Bit ADC Der 10-Bit ADC (Analog Digital Converter) wandelt analoge Eingangssignale in 10-Bit- Digitalwerte um. Hierzu stehen acht analoge Eingänge bereit. Die Wandlung erfolgt nacheinander für jeden Analogeingang. Watch Dog 10 bit ADC SPI-Interface (nur Gehäuse über 52 Pins) Das Seriell Port Interface ist eine spezieller Baustein für die serielle Datenkommunikation zwischen mehreren Geräten. Hierbei können sowohl Peripherie-Geräte als auch andere CPUs, seriell kommunizieren und somit Daten austauschen. Die komplette Steuerung hierfür übernimmt dieser Block. SPI Interface MOSI SCK MISO

10 2.2 Anschlussbezeichnungen und Funktionen 2.2 Anschlussbezeichnungen und Funktionen 27 Die auf dem heutigen Markt erhältlichen Controller werden in unterschiedlichen Gehäuseformen angeboten. So gibt es auch den Atmel AT89C51AC3 zum Beispiel in vier verschiedenen Gehäuseformen. Zwei Gehäuseformen werden in der SMD-Bauweise angeboten, zwei andere lassen sich in einem PLCC-Sockel einsetzen. Das kleinste PLCC- Gehäuse weist 44 Pins auf, das größere 52 Pins. Die SMD-Gehäuse haben jeweils 44 Pins und 64 Pins. Bei dem Gehäuse mit mehr Pins wird zusätzlich noch der Portpin P4.2, P4.3 und P4.4 nach außen geführt. In diesen Gehäusen steht dann das SPI-Interface zusätzlich zur Verfügung. Die anderen übrig gebliebenen Pins sind meistens nicht angeschlossen ( Not Connected -NC). Genaue Anschlussbezeichnungen und Funktionen Symbolische Bezeichnungen Funktionen (E) = Eingang (A) = Ausgang Hauptfunktion Alternativ- Hauptfunktion Alternativfunktionen funktionen P0.0. P0.7 Port 0.0 (E/A). Port 0.7 (E/A) P1.0 Port 1.0 (E/A) Adressbus und Datenbus AN0 Analogeingang 0 (E) T2 Takteingang Timer 2 (E) P1.1 Port 1.1 (E/A) AN1 Analogeingang 1 (E) T2EX Triggereingang Timer 2 (E) A0/D0. A7/D7

11 verzeichnis Bernd-Dieter Schaaf, Peter Wissemann, Stephan Böcker Mikrocomputertechnik Aktuelle Controller 8051: Funktionsweise, äußere Beschaltung und Programmierung ISBN (Buch): ISBN (E-Book): Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel. Carl Hanser Verlag, München

12 Sachwortverzeichnis A Abfrage 75 ACALL 172 A/D Converter Characteristics 139 ADC, 10-Bit 26 ADCF 136 ADCON 136, 138, 158 ADEN 135 ADEOC 135 Adressbus 11 f., 32 Adressierung, indirekte 41 Adress-Latch-Enable 32 ADSST 135 Akkumulator 12 ALE 32 ALU 12 Analog/Digital-Wandler 130, 202 Analogeingang 134 Anforderungs-Flag 155 Anschlussbezeichnung 27 Arithmetik-Logik-Einheit 12 arithmetische Operation 168 ASCII-Code 109 Assembler 15, 64, 164 Assemblerprogramm 17 asynchroner Modus 145 Atmel Flip 65 Atmel Flip-Programm 67 Auxiliary Flag 169 B Baudrate 149 Baudratentakterzeugung 150 BCD-Code 183 Befehl, 1-Byte- 15 f., 2-Byte- 15 f., 3-Byte- 15, 17 Befehlsliste, Display 105 in Hex-Folge 20 Befehlssatz 166 Betriebssystem 66 Binärkombination 77 Binäruhr 99 bit 73 Bit-Speicher 38 f. Bitverarbeitung 73, 80, 173 BLJB 66 Blockschaltbild 23 Boole sche Verknüpfung 173 Bootloader 25, 45 B-Register 169 Bussystem 11 f., 32, externes 32 f. Byte-Speicher 38, 40 C C, Programmiersprache 71 C51-Core 23 CALL-Befehl 180 Carry Flag 169 char 73 Codewandler, BCD in DUAL 185, DUAL in BCD 186 Compiler 64 Controller, Anschlüsse 46, Familie mit externem Bussystem 33 Controller Erweiterung 114 Controllerboard 45 C-Programm, Aufbau 71 CPU 12, 24 D DAPR 133 Datenausgabe 53 Datenblatt 55 Datenbus 11, 32 Dateneingabe 54 Datenspeicher 31, 38, 41, extern 36 Datenspeicher-Lesezyklus 37 Datenspeicher-Schreibzyklus 37 Datentransfer 18, 166 Datentyp 73

13 258 Sachwortverzeichnis Datenübertragung, seriell 142 Display 103, Befehlsliste 105, Initialisierung 106, Initialisierungsphase 107, Positionierung 112 Dokumentation 67 DO-WHILE-Schleife 89 E EA 50 EEPROM 25 Endlosschleife 72 Entprellung 187 Entwicklungsboard 45 ERAM 25 Ereigniszähler 116, 198 Escape-Sequenz 153 externe Interrupt-Quelle 155 F Flag 168 f. Flankenerkennung 99, 188 Flash-Speicher 25 Flipflop 82, 175, rücksetzdominant 82, setzdominant 82 float 73 FOR-Schleife 89 Freigabe-Bit 155 Funktion 76, Rückgabewert 76, Übergabewert 76 Funktionsplan 85 G Gehäuseform 27 H Hardwaretestumgebung 60 Harvard-Architektur 30 HD HEX-Datei 65 High-Pegel 56 Hochsprache 64 I IDE 63 IEN0 158 IEN1 158 IF-Abfrage 88 IF-ELSE-Abfrage 89 Impulsentprellung 187 Impulszähler 187 indirekte Adressierung 41 Initialisierungsphase 107 Instruktion 14 f. In-System-Programmierung 45 In-System-Schnittstelle 65 int 73 Intel-Hex-Format 63 interne Interrupt-Quelle 155 Interrupt 25, 154, 205, Enable 155, Freigabe 156, Priorität 158, Quelle 155, Request-Flag 154, Service-Routine 154 Interruptnummer 161 Interrupt-Quelle, externe 155, interne 155 ISP 45 Istwertanzeige 184 Istwertzähler 184 K Keil 71 Kommentar 72 Konstante 73 Kontrollstruktur 75 L Lastbetrachtung 58 LCALL 172 LCALL-Befehl 154 LC-Display 102 f. Lesezyklus 35, 37 Listing 64 logische Operation 171 LOW-Pegel 57 M Makroassembler 64 Maschinenprogramm 14, 63 f. Maschinensprache 63 Maschinensteuerung 172 Maschinenzykluszahl 66 Maskierung 78 MAX232 52

14 Sachwortverzeichnis 259 Mikrocomputer 11, Arbeitsweise 14 Mikrocontroller 22 Mnemonic 18 f., 166 f., 170 ff. Modus, asynchroner 145, synchroner 145 MOV-Befehl 167 MOVC 166 MOVX 166 mvision 71 O Objektprogramm 63 f. Open Kollektor 59 Operation, arithmetische 168, logische 171 Operationscode 16 Operator 74 Overflow Flag 169 P Parity Flag 169 PCA 26 PCON 149 Platine 45 Polling 154 POP-Befehl 181 Port, Basisschaltung 54, digitaler 52, paralleler 13, 25, Schaltung 53, serieller 13 Port-Treiberschaltung 53 Prioritätsstufe 158 Program Memory Code 35 Programm 13 f. Programm Counter 12 Programmablaufplan 69 Programmentwicklung 183 Programmiersprache C 71 Programmlisting 63 Programmspeicher 31, lesen 35 Programmspeicher-Lesezyklus 35 Programmsteuerung 172 Programmstruktur 177 PSEN 31, 51 PSW 169 Pull-Up-Widerstand 57, 62 PUSH-Befehl 181 Q Quellprogramm 64 R RD 31 Referenzspannung 131 Register, Spezial-Funktions- 41, 169, Timer-Control- 121, Timer-Modus- 119 Registerbank 38 Registerinhalt, retten 181 Request-Flag 155 f. Reset 50 Retten von Registerinhalten 181 S Sample and Hold 131 sbit 73 SBUF 144 Schieberegister-Modus 145 Schleife, DO-WHILE- 89, FOR- 89, fußgesteuerte 75, kopfgesteuerte 75, WHILE- 89, zählergesteuerte 75 Schnittstelle 51, serielle 142, 202 Schreibzyklus 37 SCON 143 serielle Schnittstelle 142, 202 sfr 73 SFR-Register 42 Siebensegmentanzeige 95 Signalabbild 83 SMOD 149 Spannungslupe 132 Spannungsversorgung 49 Speicher 12, 24, Architektur 30 f. Speicherbereich, interner 38 Speicherorganisation, externe 30 Spezial-Funktions-Register 41, 169 SPI-Interface 26 Sprungbefehl 172 Stack 180 Stackpointer 180 Standardchipsatz HD Steuerbus 12, 32 Steuerregister 143 Steuerungsverknüpfung 184

15 260 Sachwortverzeichnis Strukturierung 183 sukzessive Approximation 130 synchroner Modus 145 T T2CON 157 Takterzeugung 50 Taktgenerator 99 TCON 121, 157 Terminal, VT Terminal-Programm 202 TF 121 Timer 24, 115 Timer Timer Timer 2 26 Timer-Control-Register 121 Timer-Funktion 119 Timer-Modus-Register 119 TMOD 119 TR 121 Transferbefehl 166 Treiberbaustein 57 TTL-Baustein 56 U UART-Schnittstelle 24 Überlauf-Flag 115 Übertragungsrahmen 147 unsigned char 73 unsigned int 73 Unterbrechungsanforderung 154 Unterprogramm 39, 180 V Variable 73 Verknüpfung, Boole sche 173 Verknüpfungssteuerung 68, 80, 174, 189, Programmieren 174 Von-Neuman-Architektur 31 VT52-Terminal 153 W Wägeverfahren 130 Watch Dog 26 WHILE-Schleife 89 WR 31 X X2 66 Z Zähler 115 Zähler-Register 115 Zählersteuerung 182, 190 Zeitgeber 115, 122, 193 Zeitinterrupt 208 Zuweisung 74 Zykluszeit 154