Mikrocontroller-8051-Familie und AT89C51

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2 Mikrocontroller-8051-Familie und AT89C51 Was haben Analog Devices, Atmel, Cypress Semiconductor, Dallas Semiconductor, Goal, Hynix, Infineon, Intel, OKI, Philips, Silicon Labs, SMSC, STMicroelectronics, Synopsis, TDK, Temic, Texas Instruments und Winbond gemein? Sie alle bieten 8051-basierte Mikrocontrollerbausteine bzw. IP-Cores an! Aufgrund der großen Verbreitung dieser Mikroprozessorfamilie und damit verbunden mit großen Softwarebibliotheken gibt es auch eine Vielzahl von synthetisierbaren Implementierungen. Diese sind als so genannte IP-Cores in einer Hardwarebeschreibungssprache wie beispielsweise VHDL frei und im Quelltext verfügbar. Sie eignen sich für den Einsatz in FPGAs und anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs). 1.1 Einführung Seit der Einführung des 8-Bit-Mikrocontrollers 8048 im Jahre 1976 von Intel, des ersten Ein-Chip-Mikrocontrollers auf einem einzigen integrierten Baustein, ist diese so vielseitig einsetzbare Schaltung durch Entwicklung einer Reihe ähnlicher Bausteine mit unterschiedlichen Zielsetzungen entwickelt worden. Zum Beispiel wurde beim Mikrocontroller 8049 sowohl die Programm- als auch die Datenspeicherkapazität gegenüber dem 8048 (oder seiner EPROM-Version 8748) verdoppelt. Für Anwendungen, bei denen nur externe Programmspeicherkapazität erforderlich ist, stehen die Mikrocontroller 8035 und 8039 zur Verfügung. Der kostengünstige Mikrocontroller 8021 ist für Anwendungen vorgesehen, die mit einer geringeren Anzahl von Ein/Ausgabeleitungen auskommen und er arbeitet bei niedrigerer Geschwindigkeit mit einer Teilmenge des 8048-Befehlsvorrats. Der Mikrocontroller 8051 und seine Nachfolger sind inzwischen eine industrielle Standardschaltung geworden, die von zahlreichen Halbleiterherstellern angeboten und weltweit eingesetzt werden. Von beiden Familien haben die Halbleiterhersteller zahlreiche Schaltkreise in der CMOS-Version zur Verfügung gestellt und entwickelt und CMOS-Versionen aller anderen Schaltungen sowie weitere Mikrocontroller, die sich durch zusätzliche anwenderorientierte Funktionen auszeichnen. Bei allen Herstellern sind zahlreiche Mikrocontroller mit stark erhöhter Integrationsdichte verfügbar, die aufgrund ihrer hohen Leistungsfähigkeit neue Anwen- 27

3 Mikrocontroller-8051-Familie und AT89C51 dungsbereiche erschließt. Die Leistungsfähigkeit dieses Mikrocontrollers 8051 ist gegenüber dem 8048 beträchtlich gesteigert worden, indem ca Transistoren auf die Chipfläche aufgebracht werden. Der 8051 gehört zur Mikrocontroller- Familie 8051, die auch die Mikrocontroller 8031 (ohne ROM) und 8751 (mit EPROM) umfasst. Die Mitglieder dieser Familie sind die Mikrocontroller 8052 und 8032, die sich durch Verdopplung der RAM-Kapazität auf 256 Bytes sowie beim 8052 durch Verdopplung der ROM-Kapazität auf 8 Kbyte auszeichnen (der 8032 hat kein ROM). Außerdem sind diese beiden Mikrocontroller mit einem zusätzlichen Timer mit speziellen Eigenschaften ausgerüstet. Ab 1980 kamen mehrere Einchip-Mikrocontroller aus der Familie 8051 auf den Markt. Der 83C152 und 83C252 von Intel, der 80C154 von OKI, der 83C552 von Philips/Valvo, der 82C451 von Philips/Signetics und 80512, und 80C517 von Siemens. Alle diese Mikrocontroller sind mit einem Watchdog-Timer, 8-Bit-Analog-/Digital-Wandler, Impulsweitenmodulation und einer seriellen Schnittstelle nach I ² C ausgerüstet. Die Einchip-Mikrocontroller-Familie hat sehr viele Mitglieder hervorgebracht, doch weisen alle mehr oder weniger gemeinsame Merkmale auf: 8-Bit-Prozessorkern mit einheitlichem Befehlssatz mindestens 128 Bytes internes RAM externes RAM und ROM einheitliches Adressierungsmodell für so genannte»special Function Register«(SFR) Full-Duplex-UART fünf Interrupt-Quellen zwei Interrupt-Prioritäten diverse Timer Aufgrund der unterschiedlichen Befehlslängen von einem bis zu drei Byte sowie den unterschiedlichen Ausführungszeiten für einen Befehl handelt es sich eindeutig um eine CISC-Architektur. Neben dem klassischen CISC-Mikrocontroller (complex instruction set computer), wie man diese bei den Mikroprozessoren in der PC-Technik findet, verwendet man immer mehr die modernen RISC-Mikrocontroller (reduced instruction set computer). Diese Mikrocontroller setzen einen reduzierten Befehlssatz ein, der wesentlich effizienter ist und dadurch auch erheblich schneller das Programm abarbeitet. Trotzdem hat die CISC-Architektur erhebliche Vorteile in der Ausbildung und im Studium. Ein Befehlszyklus entspricht in der ursprünglich von Intel entwickelten Struktur einem bis drei Maschinenzyklen. Ein Maschinenzyklus entspricht zwölf Taktzyklen. Heute übliche Varianten des 8051 kommen hingegen meist mit zwei Taktzyklen pro Maschinenzyklus aus und damit ist bei gleicher Taktfrequenz eine deutlich höhere Befehlsabarbeitung möglich. 28

4 1.1 Einführung Eine Besonderheit des 8051 ist der Bitprozessor, der im bitadressierbaren Bereich eine schnelle und einfache Bitmanipulation erlaubt Unterschiede in der Familie 8051 Die in NMOS-Technologie (im Jahr 1976) gefertigten 8051 und 8031 von Intel und den anderen Halbleiterherstellern wurden ab diesem Zeitpunkt in CMOS-Technik hergestellt. Auf technische Unterschiede der NMOS- und CMOS-Versionen bezüglich der Oszillator-Beschaltung und des Betriebs bei reduzierter Leistung wird noch eingegangen. In Tabelle 1.1 sind die Mikrocontroller der Familie 8051 aufgelistet. Weitere Unterschiede der einzelnen Schaltungen sind in den folgenden Ausführungen beschrieben. Oft wird die Bezeichnung 8051 auch als Oberbegriff für diese Schaltungen verwendet. NMOS-Varianten Typ ROM RAM Bemerkung intern intern zwei 16-Bit-Timer, ein UART, zwei externe Interruptquellen drei 16-Bit-Timer, ein UART, zwei externe Interruptquellen zwei 16-Bit-Timer, ein UART, zwei externe Interruptquellen, maskenprogrammierbares ROM drei 16-Bit-Timer, ein UART, zwei externe Interruptquellen, maskenprogrammierbares ROM zwei 16-Bit-Timer, ein UART, zwei externe Interruptquellen, EPROM als OTP oder mit UV-Fenster CMOS-Varianten Typ ROM intern RAM intern Bemerkung 80C zwei 16-Bit-Timer, ein UART, zwei externe Interruptquellen 80C drei 16-Bit-Timer, ein UART, zwei externe Interruptquellen 80C zwei 16-Bit-Timer, ein UART, zwei externe Interruptquellen, maskenprogrammierbares ROM 80C drei 16-Bit-Timer, ein UART, zwei externe Interruptquellen, maskenprogrammierbares ROM 80C drei 16-Bit-Timer, ein UART, zwei externe Interruptquellen, maskenprogrammierbares ROM 80C drei 16-Bit-Timer, ein UART, zwei externe Interruptquellen, maskenprogrammierbares ROM 87C zwei 16-Bit-Timer, ein UART, zwei externe Interruptquellen, EPROM als OTP oder mit UV-Fenster 87C drei 16-Bit-Timer, ein UART, zwei externe Interruptquellen, EPROM als OTP oder mit UV-Fenster 89C drei 16-Bit-Timer, ein UART, zwei externe Interruptquellen, Flash-Speicher Tabelle 1.1: NMOS- und CMOS-Varianten der Familie

5 Mikrocontroller-8051-Familie und AT89C51 Darüber hinaus gibt es von verschiedenen Firmen erweiterte 8051-Mikrocontroller, z.b. von Siemens (heute Infineon) entwickelt und in NMOS-Technologie hergestellt, wie Tabelle 1.2 zeigt. Typ ROM intern RAM intern Bemerkung drei 16-Bit-Timer, ein UART, zwei externe Interruptquellen, PWM, 8-fach A/D-Wandler, maskenprogrammierbares ROM drei 16-Bit-Timer, ein UART, zwei externe Interruptquellen, PWM, 8-fach A/D-Wandler Tabelle 1.2: 8051-Familie von Siemens (heute Infineon) Die CMOS-Varianten der Infineon-Serie sind funktionsgleich, allerdings nicht in allen Varianten pinkompatibel. Weitere moderne 8051-kompatible Mikrocontroller, die in CMOS-Technologie mit Flash-Speicher hergestellt werden und eine schnellere Befehlsverarbeitung zulassen sind erhältlich. Tabelle 1.3 zeigt Typen von verschiedenen Herstellern. Hersteller Typ Flash intern RAM intern Bemerkung ATMEL AT89C nur 20 Pins, kein externer Daten-/Adressbus, zwei 16-Bit-Timer, ein UART, ein Komparator, Flash-Speicher ATMEL AT89C nur 20 Pins, kein externer Daten-/Adressbus, zwei 16-Bit-Timer, ein UART, ein Komparator, Flash-Speicher ATMEL AT89C51ED bis zu sechs Ports (je nach Gehäusegröße), 1792 Bytes internes MOVX-SRAM, RS232- Bootloader im ROM, 2048 Bytes, internes Daten-EEPROM, drei 16-Bit-Timer, ein UART, ein Komparator, zwei Stackpointer, PWM, SPI, Flash-Speicher MAXIM/ DALLAS MAXIM/ DALLAS Tabelle 1.3: DS89C ein Taktzyklus pro Befehl, max. 33 MIPS bei 33 MHz, 1 Kbyte internes MOVX-SRAM, RS232- Bootloader im ROM, 2048 Bytes, internes Daten-EEPROM, drei 16-Bit-Timer, ein UART, ein Komparator, zwei Stackpointer, Flash-Speicher DS89C ein Taktzyklus pro Befehl, max. 33 MIPS bei 33 MHz, 1 Kbyte internes MOVX-SRAM, RS232- Bootloader im ROM, 2048 Bytes, internes Daten-EEPROM, drei 16-Bit-Timer, ein UART, ein Komparator, zwei Stackpointer, Flash-Speicher 8051-kompatible Mikrocontroller in CMOS-Technologie 30

6 1.1 Einführung In der ursprünglichen Form des 8051 handelt es sich um eine Harvard-Architektur, jedoch besitzen viele neuere 8051-Entwicklerboards eine modifizierte Harvard-Architektur. Mit dieser Architektur wird ein Teil des XRAM (extended data RAM) mittels eines Adressdecoders in den Programmspeicher gespiegelt. Dies ermöglicht einer meist ab ROM laufenden Terminalsoftware, z.b. per serielle Schnittstelle kommende Software in den Programmspeicher zu laden und nach dem Übertragen auszuführen. Der Stack befindet sich immer frei definierbar im internen RAM. Die Bytereihenfolge ist»little Endian First« Vom Einchip-Mikrocontroller 8048 zur 8051-Familie Die Architektur-Erweiterung der Mikrocontroller der Familie 8051 gegenüber dem industriellen Standard-Einchip-Mikrocontroller 8048 führt sowohl zu einer Leistungserhöhung der Zentraleinheit (CPU) als auch zu einer Erhöhung der Leistung, der Vielfalt und der Anzahl der auf dem Chip integrierten sonstigen Einheiten. Die Mikrocontroller der Familie 8051 sind daher besonders für Anwendungen geeignet, die eine große Anzahl von Funktionen auf dem Chip sowie eine hohe Geschwindigkeit erfordern. Den Anwendern des 8048 stellen sie sich als aufwärts-kompatible Schaltungen mit stark erhöhter Leistungsfähigkeit und Geschwindigkeit dar. Der 8051 ist ein 8-Bit-Einchip-Mikrocontroller hoher Leistungsfähigkeit, der für Anwendungen mit den größten Anforderungen geeignet ist, die von einem derartigen Mikrocontroller bewältigt werden können. Seine hohe Leistungsfähigkeit im Vergleich zu anderen Mikroprozessoren und Mikrocontrollern zeigt sich vor allem bei der Lösung schwieriger Realzeitaufgaben, z.b. im Bereich industrieller Steuerungen, in der Peripherie von Großrechenanlagen (als intelligente Schaltungen) oder für allgemeine Aufgaben im Automobilbau, Haushaltsgeräten usw. Der 8051 beinhaltet die Hardware-Merkmale, die Architekturerweiterungen sowie die Befehle, die ein leistungsstarker und kosteneffektiver Mikrocontroller für Anwendungen haben muss, die bis zu je 64-Kbyte-Programmspeicher- und/oder Datenspeicher-Kapazität erfordern. Mit diesen Eigenschaften wurde der 8051 zum Standard-Mikrocontroller in den achtziger Jahre und seine Anwendung hält bis heute an. Abbildung 1.1 zeigt Anschlussschema, Logiksymbol und Blockdiagramm des Mikrocontrollers Die Funktionen der einzelnen Einheiten werden noch erklärt. In Tabelle 1.4 finden Sie die Anschlussbelegung der Mikrocontroller der Familie

7 Mikrocontroller-8051-Familie und AT89C51 Abb. 1.1: Anschlussschema, Logiksymbol und Blockdiagramm des Mikrocontrollers 8051 Bezeichnung Anschluss Ein- oder Ausgang Aktiv Funktion U SS (0 V) 20 Masseanschluss U CC (+5 V) 40 Anschluss für die Betriebsspannung Tabelle 1.4: Anschlussbelegung der Mikrocontroller der Familie

8 1.1 Einführung Bezeichnung P0.0 bis P0.7 P1.0 bis P1.7 P2.0 bis P2.7 Tabelle 1.4: Anschluss Ein- oder Ausgang Aktiv Funktion 32 bis 39 E/A I/O Port 0 ist ein bidirektionaler 8-Bit-Open- Drain-E/A-Port, der bis zu acht LS-TTL-Lasten aufnehmen oder bei Busoperationen treiben kann. Anschlüsse von Port 0, die eine Eins beinhalten, haben schwebendes Potential und stellen in diesem Zustand Eingänge hoher Impedanz dar. Port 0 ist auch der Anschluss für den im Multiplex- Verfahren arbeitenden, unteren Adressbus sowie den Datenbus, während auf einen externen Speicher zugegriffen wird. In diesem Fall werden während der Ausgabe von Einsen starke interne Pull-up-Widerstände verwendet. Port 0 gibt auch bestimmte Bytes zur Programmüberprüfung aus. Bei der Anwendung werden externe Pull-up- Widerstände benötigt. 1 bis 8 E/A I/O Port 1 ist ein bidirektionaler 8-Bit-E/A-Port mit internen Pull-up-Widerständen. Seine Ausgangspuffer können bis zu vier LS-TTL- Lasten aufnehmen oder abgeben. Die Anschlüsse von Port 1, in die Einsen geschrieben sind, werden durch interne Pull-up-Widerstände auf hohem Potential gehalten und können in diesem Zustand als Eingänge dienen. Werden die Anschlüsse von Port 1 bei Verwendung als Eingänge extern auf 0-Signal gezogen, so liefern sie wegen der internen Pull-up- Widerstände einen Strom (I IL im Datenblatt). 21 bis 28 E/A I/O Port 2 ist ein bidirektionaler 8-Bit-E/A-Port mit internen Pull-up-Widerständen. Seine Ausgangspuffer können bis zu vier LS-TTL- Lasten aufnehmen oder abgeben. Port 2 gibt das obere Adressbyte während des Zugriffs auf externe Speicher aus, die 16-Bit-Adressen verwenden. In diesem Fall werden während der Ausgabe von Einsen starke interne Pull-up-Widerstände verwendet. Zum Programmieren und bei der Programmüberprüfung des 8751 dient der Port 2 zur Aufnahme des höheren Adressbytes und von Steuersignalen, außerdem zur Programmüberprüfung beim 8051 Anschlussbelegung der Mikrocontroller der Familie 8051 (Forts.) 33

9 Mikrocontroller-8051-Familie und AT89C51 34 Bezeichnung P3.0 bis P3.7 Anschluss Ein- oder Aktiv Funktion Ausgang 10 bis 17 E/A I/O Port 3 ist ein bidirektionaler 8-Bit-E/A-Port mit internen Pull-up-Widerständen. Seine Ausgangspuffer können bis zu vier LS- TTL-Lasten aufnehmen oder abgeben. Die Anschlüsse von Port 3 werden alternativ auch für andere im Folgenden aufgeführte Funktionen verwendet. P E I/O RXD; Eingang für serielle Daten P A I/O TXD; Ausgang für serielle Daten P E 0 INT0; externer Interrupteingang 0 P E 0 INT1; externer Interrupteingang 1 P E 1 T0; externer Eingang für Zähler 0 P E 1 T1; externer Eingang für Zähler 1 P A 0 WR; Strobe-Signal zum Schreiben in den externen Datenspeicher P A 0 RD; Strobe-Signal zum Lesen aus dem externen Datenspeicher RST 9 E 0 Rücksetzeingang. Liegt an diesem Anschluss während zweier Maschinenzyklen ein 1-Signal und läuft der Taktgeber, so wird die Schaltung zurückgesetzt. ALE/ PROG 30 A I/O (Address Latch Enable), Ausgangsimpuls zur Zwischenspeicherung des unteren Adressbytes während des Zugriffs auf einen externen Speicher. ALE wird mit konstanter Frequenz ( 1 / 6 der Oszillatorfrequenz) auch dann erzeugt, wenn auf den externen Speicher nicht zugegriffen wird. Es steht für einen etwa benötigten externen Takt oder externe zeitliche Abläufe zur Verfügung. (Allerdings wird bei jedem Zugriff auf einen externen Datenspeicher ein ALE-Impuls übersprungen.) Zum Programmieren des EPROM (8751) erhält dieser Anschluss den Programmierimpuls (PROG). PSEN 29 (Programm Store Enable). Strobe-Signal zum Lesen des externen Programmspeichers. Beim Lesen aus diesem Speicher wird PSEN zweimal während eines jeden Maschinenzyklus aktiviert, jedoch erfolgt beim Zugriff auf einen externen Datenspeicher keine Aktivierung. Auch wird PSEN beim Lesen aus dem internen Programmspeicher nicht aktiviert. Tabelle 1.4: Anschlussbelegung der Mikrocontroller der Familie 8051 (Forts.)

10 1.1 Einführung Bezeichnung EA/U PP 31 A 0 (External Access). Wenn EA auf 1-Signal gehalten wird, liest die CPU aus dem internen Programmspeicher, es sei denn, der Programmzähler überschreitet den Wert 0FFFH (beim 8051). Hält man EA jedoch auf 0-Signal, so wird die CPU gezwungen, unabhängig vom Wert des Programmzählers aus dem externen Programmspeicher zu lesen. Beim 8031 muss EA durch externe Verdrahtung auf 0 gebracht werden. Zum Programmieren des EPROM (8751) wird die Programmierspannung U PP = 21 V an diesen Anschluss gelegt. XTAL1 19 E 0 Eingang zum invertierenden Verstärker des Taktgenerators XTAL2 18 A Ausgang vom invertierenden Verstärker des Taktgenerators Tabelle 1.4: Bussysteme Drei Bussysteme verbinden die drei Funktionseinheiten Mikrocontroller, Speicher (RAM und ROM), sowie die Ein-/Ausgabebaugruppen, wie Abbildung 1.2 zeigt. Anschluss Ein- oder Ausgang Aktiv Funktion Anschlussbelegung der Mikrocontroller der Familie 8051 (Forts.) Datenbus: Acht Leitungen, auf denen die Daten zwischen Mikrocontroller, Speichereinheiten (RAM und EPROM) und I/O-Einheiten übertragen werden. Der Datenbus kann in beide Richtungen übertragen (Zweiweg-Datenübertragung). Adressbus: 16 Leitungen, über die bestimmte Speicherplätze oder Ein-/Ausgabebaugruppen ausgewählt werden (Einweg-Datenübertragung), wobei acht kombinierte Leitungen auf dem Datenbus vorhanden sind. Aus diesem Grunde ist der ALE-Ausgang (Adress Latch Enable) für die Zwischenspeicherung der Adressen notwendig. Steuerbus: Sechs Leitungen, die dem Prozessorzustand entsprechende Steuersignale übertragen (Einweg-Datenübertragung) Speicher werden nicht nur zur Aufbewahrung von Befehlen (Anweisungen) benötigt. Es können auch Daten anfallen, die zur Durchführung eines Programms erforderlich sind. Es werden zwei Arten von Daten unterschieden: Zum einen gibt es Daten, deren Wert sich nicht ändert wie z.b. die Zahl = 3,141..., Zahlen dieser Art heißen Konstanten. Zum anderen gibt es Daten, deren Werte sich ändern können. Diese veränderbaren Daten sind Variablen. 35

11 Mikrocontroller-8051-Familie und AT89C51 Abb. 1.2: Bussysteme in einem Mikrocontroller Der gesamte Speicher kann sich aus unterschiedlichen Bausteinen und Technologien zusammensetzen. Zum Speichern von unveränderlichen Daten benutzt man Speicherbausteine, deren Inhalt sich nach dem Programmieren nicht mehr verändern lässt. Damit geht nach dem Abschalten der Betriebsspannung auch der Inhalt dieser Speicher nicht mehr verloren. Der Inhalt solcher Speicher kann während des Betriebs nur gelesen, nicht aber überschrieben werden. Speicher dieser Art werden als Nur-Lese-Speicher, Festwertspeicher oder Festspeicher bezeichnet. Die gebräuchliche Abkürzung ist ROM (Read Only Memory). Als Arbeitsspeicher für variable Daten sind Speicherbausteine erforderlich, in denen sich auch während des Betriebs die Daten noch ändern lassen. Solche Speicher nennt man Schreib-Lese-Speicher, abgekürzt RAM (Random Access Memory). ROM- und RAM-Bausteine arbeiten mit wahlfreiem Zugriff, was bedeutet, dass die Speicherplätze in beliebiger Reihenfolge ansprechbar und gleich schnell erreichbar sind Programmierung in Assemblersprache In diesem Abschnitt erhalten Sie eine kurze Beschreibung des Mikrocontrollers als Grundlage für die Programmierung in Assemblersprache. 36

12 1.1 Einführung Im 8051 sind folgende wesentliche Teile integriert: Mehrere Arbeitsregister zur Durchführung der Operationen und zur Adressierung Der Befehlszähler, der die Adresse des nächsten auszuführenden Befehls enthält Der Stackpointer, dessen Inhalt die Anfangsadresse des Stacks im Rahmen des Arbeitsspeichers definiert. Durch diesen Stack wird die Verwendung von Unterprogrammen und Unterbrechungsprogrammen (Interrupt-Subroutinen) besonders erleichtert. Zu diesen, auf dem Mikrocontroller integrierten Funktionseinheiten kommen noch folgende Teile, über die der Programmierer unbedingt Bescheid wissen muss: Der Programmspeicher (aufgebaut mit ROMs, PROMs, EPROMs oder Flash), in dem das Anwendungsprogramm oder die Konstanten des Mikrocomputers abgespeichert sind und der byteweise adressiert wird Der Datenspeicher, der mit RAMs aufgebaut ist (Schreib-Lese-Speicher), in dem die Momentan-Ergebnisse bzw. Daten des Mikrocomputers abgespeichert sind und der ebenfalls byteweise adressiert wird Die Eingabe-Ausgabesteuerung, die aus Bausteinen besteht, über die der Mikroprozessor mit seiner Umgebung in Kontakt steht Im Mikrocontroller stehen ein 8-Bit-Akkumulator und mehrere 8-Bit-Zwischenregister zur Verfügung. Diese acht Register werden über die Ziffern 0 bis 7 in einer Speicherbank angesprochen. Die Registerpaaranordnung ist: Der Befehlszähler ist ein dem Programmierer zugängliches 16-Bit-Register, das die Adresse des nächsten auszuführenden Befehls enthält. Der Stack ist ein Teil des Arbeitsspeichers (RAM), der vom Programmierer definiert wird. In ihm sind Daten oder Adressen gespeichert, die gegebenenfalls durch Stackoperationen aufgefunden werden können. Eine Reihe der Befehle sind in der Lage, auf diesen Stack zuzugreifen, und erleichtern somit das Arbeiten mit Unterprogrammen und Unterbrechungen (Interrupts). Das Stackpointerregister erlaubt dem Programmierer den Zugriff auf die Adressen des Stacks. Verbindung zur Außenwelt stellt im System der Mikrocontroller über seine maximal 256 Eingabe- und 256 Ausgabeports (Port = Kanal) her. Jeder dieser Ports verkehrt mit dem Mikrocontroller über Datenbytes, die entweder den Akkumulator setzen oder von ihm gesetzt werden. Jedem dieser Ports ist eine Zahl zwischen 0 und 255 zugeordnet. Auf diese Zuordnung hat der Programmierer keinen Einfluss. 37

13 Mikrocontroller-8051-Familie und AT89C51 Ein Programm besteht aus einer Reihe von Befehlen. Jeder Befehl löst eine elementare Operation, wie eine Datenübertragung, eine arithmetische oder logische Operation mit einem Datenbyte bzw. -wort, oder eine Änderung der Reihenfolge der auszuführenden Befehle aus. Ein Programm wird als eine Reihe von Bits dargestellt, die die Befehle des Programms repräsentieren und die wir hier mit hexadezimalen Ziffern symbolisieren. Die Speicheradresse des nächsten, auszuführenden Befehls steht im Befehlszähler (Program Counter). Vor der Ausführung eines Befehls wird der Befehlszähler um 1 erhöht und enthält so die Adresse des nächstfolgenden Befehls. Das Programm läuft prinzipiell sequenziell ab, bis ein Sprungbefehl (Jump, Call oder Return) ausgeführt wird, wobei der Befehlszähler auf eine vom linearen Ablauf abweichende Adresse gesetzt wird. Das Programm wird von dieser neuen Speicheradresse an wieder sequenziell fortgesetzt. Der Inhalt eines Speicherplatzes gibt im Prinzip keinen Hinweis darauf, ob das betreffende Byte einen Befehl oder Daten darstellt. So entspricht beispielsweise der Hexadezimalcode 1FH dem Befehl RAR (schiebe den Inhalt des Akkumulators nach rechts, zyklisch, mit Übertrag), was aber ebenso gut den Datenwert 1FH (dezimal 31) darstellen kann. Es ist aber wichtig, in einem Programm sicherzustellen, dass Daten nicht als Befehle interpretiert werden und durch Trennung von Programm und Datenspeicher kann dies einfach erreicht werden. Jedes Programm hat eine Anfangsadresse, die auf das erste Byte des ersten auszuführenden Befehls hindeutet. Bevor der erste Befehl ausgeführt wird, wird der Befehlszähler automatisch auf die Adresse des nächsten (auszuführenden) Befehls gesetzt. Diese Prozedur wird für jeden Befehl des Programms wiederholt. Zur Darstellung eines Befehls sind ein, zwei oder drei Bytes nötig. In jedem Fall wird der Befehlszähler automatisch auf den Beginn des nächsten Befehls gesetzt, wie das Beispiel in Tabelle 1.5 zeigt. Zur Vermeidung von Fehlern muss der Programmierer sicherstellen, dass auf einen Befehl nicht ein Datenbyte folgt, soweit nach diesem Befehl noch ein weiterer Befehl zu erwarten ist. So wird z.b. im Byte 021EH ein Befehl erwartet, weil Befehl Nr. 8 nach Befehl Nr. 7 ausgeführt werden muss. Enthält Byte 021EH Daten, so kann das Programm nicht richtig ablaufen. Aus diesem Grund dürfen Daten auf keinen Fall zwischen Befehlen abgespeichert werden. Programmsprungbefehle verursachen einen Sprung zu einem Befehl, der an irgendeiner Stelle im Speicher liegen kann. Die durch den Sprungbefehl angesprochene Adresse muss wiederum die Adresse eines Befehls sein. Es muss also auch hier sichergestellt werden, dass das adressierte Byte keine Daten enthält, weil sonst das Programm nicht richtig ausgeführt werden kann. 38

14 1.1 Einführung Speicheradresse Befehls-Nr. Inhalt des Befehlszählers B 021A 021B 6 021C 021C 7 021F 021D 021E 021F Tabelle 1.5: Beispiel zum Setzen des Befehlszählers Speicheradressierung Die Adressierung ist ein besonders wesentlicher Teil beim Aufbau eines Programms. Der Mikrocontroller bietet mehrere Möglichkeiten zur Adressierung: Bei der direkten Adressierung liefert der Befehl»explizit«eine Speicheradresse. Der Befehl»lade den Inhalt der Speicheradresse 1F2A in den Akkumulator«ist ein Beispiel für den Befehl mit direkter Adressierung, wobei 1F2A die direkte Adresse ist. Im Speicher wird das folgendermaßen aussehen: Speicheradresse n 3A n + 1 2A auszuführender Befehl n + 2 1F Durch den Befehl werden drei Bytes im Speicher belegt, von denen das zweite und dritte direkt die Adresse enthält. 39

15 Mikrocontroller-8051-Familie und AT89C51 Die Speicheradresse kann auch durch den Inhalt eines Registerpaares spezifiziert sein. Für fast alle Befehle müssen hierbei die internen Register verwendet werden. Ein Einbytebefehl, der den Akkumulator mit dem Inhalt der Speicheradresse 1F2A lädt, sieht folgendermaßen aus: Speicher Register B Auszuführender Befehl 7E C Außerdem gibt es zwei Befehle, die das Register zur Adressierung verwenden. Wie oben erwähnt, enthält das erste Register des Paares die höherwertigen und das zweite Register die niederwertigen Stellen der Adresse. 1F 2A D E H L A Jeder beliebige Speicherplatz kann auch über den 16-Bit-Stackpointer adressiert werden. Es gibt nur zwei verschiedene Stackoperationen: das Eingeben der Daten in den Stack, das als PUSH, und das Auslesen von Daten aus dem Stack, das als POP bezeichnet wird. Voraussetzung für die Operation PUSH ist selbstverständlich, dass sich der Stack in einem RAM befindet, da ja sonst kein Einschreiben in den Speicher durchgeführt werden kann. Durch jede PUSH-Operation werden 16 Datenbits aus einem Registerpaar oder vom Befehlszähler in den Stack gebracht. Die Adresse des Speicherbereichs, auf den während des PUSH-Befehls zugegriffen wird, bestimmt man durch den Stackpointer in folgender Weise: die höchstwertigen acht Datenbits werden auf dem Speicherplatz abgespeichert, der durch den Stackpointer minus 1 adressiert ist, die niedrigstwertigen acht Datenbits werden auf dem Speicherplatz abgespeichert, der durch den Stackpointer minus 2 adressiert wird, der Inhalt des Stackpointers wird automatisch um 2 verringert. Im nachfolgenden Beispiel sind die Verhältnisse für den Fall dargestellt, dass der Stackpointer 13A6H enthält, während das Register B6AH und das Register 030H enthält: 40

16 1.1 Einführung vor PUSH-Befehl Speicheradresse nach PUSH-Befehl SP FF 13A3 FF SP 13A6 FF 13A A4 B FF 13A5 6A B 6A FF 13A6 FF 6A C C Durch jede POP-Operation werden acht Datenbits vom Stack in ein Registerpaar oder in den Befehlszähler gebracht. Die Speicheradresse, auf die durch die POP-Operation zugegriffen wird, wird durch folgende Verwendung des Stackpointers bestimmt: 1) Das zweite Register oder die niedrigstwertigen acht Bits des Befehlszählers werden mit dem Inhalt der Speicherstelle geladen, auf die der Stackpointer zeigt. 2) Das erste Register des Paares oder die höchstwertigen acht Bits des Befehlszählers werden mit dem Inhalt der Speicherstelle geladen, die durch den Stackpointer +1 adressiert wird. 3) Der Stackpointer wird automatisch um 2 erhöht. Im folgenden Beispiel soll angenommen werden, dass der Stackpointer 1508H (Speicherstelle 1508H) den Wert 33H enthält und die Speicherstelle 1509H den Wert 0BH beinhalten soll. Eine POP-Operation in das Registerpaar H würde folgendermaßen aussehen: vor POP-Befehl Speicheradresse nach POP-Befehl SP FF 1507 FF SP A H 0B B H FF FF 150A FF 0B L L FF 33 Der Programmierer bestimmt den Wert des Stackpointers. Die Definition des Stackpointer-Inhalts vor irgendeiner Stackoperation ist nötig, um eine richtige Funktion des Programms zu gewährleisten. 41

17 Mikrocontroller-8051-Familie und AT89C51 Bei unmittelbarer Adressierung enthält der Befehl eine Konstante. Der Befehl MOV A, 2AH»Lade den Akkumulator mit dem Wert 2AH«ist ein Beispiel für eine solche unmittelbare Adressierung. Im Speicher hat dieser Befehl folgendes Aussehen: Speicherinhalt 3E Lade Akkumulator unmittelbar 2A In den Akkumulator zu ladender Wert Unterprogramme und die Verwendung des Stacks für die Adressierung Zunächst soll kurz der Begriff»Unterprogramm«erläutert werden. Als Beispiel wollen wir die häufig nötige Operation des Multiplizierens verwenden. Der Mikrocontroller soll über keinen Befehl für eine Multiplikation verfügen, bietet aber die Möglichkeit, ein Byte zu einem anderen zu addieren. Man könnte daher eine Multiplikation ausführen, indem man derartige Additionen mehrere Male hintereinander (je nach Größe des Multiplikators) ausführt. Will man eine Multiplikation an mehreren Stellen des Programms durchführen, so müsste man an jeder dieser Stellen die ganze Reihe der eben genannten Befehle einfügen. Dazu wäre natürlich sehr viel Speicherplatz nötig: Programm Multiplikationsroutine Programm Multiplikationsroutine Programm Multiplikationsroutine usw. Da das Unterprogramm für Multiplikation immer gleich bleibt, ist es eigentlich überflüssig, es jedes Mal einzufügen. Es ist viel besser, es nur abzuspeichern und jedes Mal auszuführen, wenn es benötigt wird: Programm Programm Programm Multiplikationsroutine 42

18 1.1 Einführung Eine solche Routine nennt man ein Unterprogramm. Der Mikrocontroller bietet die Möglichkeit zum Aufruf von Unterprogrammen und zum Rücksprung in das Hauptprogramm. Im Einzelnen sieht der Programmablauf unter Verwendung von Unterprogrammen folgendermaßen aus: Hauptprogramm Aufrufbefehl nächster Befehl Unterprogramm (Pfeile bezeichnen Reihenfolge der Ausführung) Hierbei wird also während der Ausführung des Aufrufbefehls (z.b. CALL) die Adresse des folgenden Befehls (das ist der Inhalt des Befehlszählers) in den Stack gebracht und das Unterprogramm ausgeführt. Der letzte Befehl eines Unterprogramms ist gewöhnlich ein Rücksprungbefehl (z.b. RET), der eine Adresse vom Stack holt und in den Befehlszähler einschreibt. Dadurch wird das Hauptprogramm bei dem auf den Aufrufbefehl folgenden Befehl fortgesetzt. Unterprogramme können beliebig geschachtelt sein. Die einzige Grenze hierfür bildet der Speicherplatz, der für den Stack zur Verfügung steht. Dabei ist der Rückweg aus der Verschachtelung identisch mit der Reihenfolge der Aufrufe, auch wenn das Unterprogramm mehrmals aufgerufen wird Register des Mikrocontrollers 8051 Der Mikrocontroller 8051 verfügt über getrennte Adressierbereiche für den Programmspeicher und den Datenspeicher. Der externe Programmspeicher kann bis zu 64 Kbyte umfassen. Außerdem befinden sich im ROM auf dem Chip des 8051 weitere 4 Kbyte. Der Datenspeicher besteht aus einem auf dem Chip befindlichen RAM von 128 Bytes. In einem weiteren Adressierbereich von 128 Bytes sind nur 21 Bytes mit speziellen Funktionsregistern belegt. Außerdem kann die Schaltung auf bis zu 64 Kbyte eines externen Datenspeichers zugreifen. Abbildung 1.4 zeigt die Blockschaltung des

19 Mikrocontroller-8051-Familie und AT89C51 Abb. 1.3: Blockschaltung des Mikrocontrollers 8051 In Tabelle 1.6 sind die 21 speziellen Funktionsregister mit ihren Kurzbezeichnungen sowie Speicherplätzen aufgeführt und anschließend kurz beschrieben. Die 44

20 1.1 Einführung mit einem Stern versehenen Register sind sowohl byte- als auch bitadressierbar (11 Register mit Adressen, die durch 8 ohne Rest teilbar sind). Kurzbezeichnung Register Adresse (für Assembler) Dezimal Hexadezimal ACC*) Akkumulator 224 E0 B*) Register B 240 F0 PSW*) Programmstatuswort 208 D0 SP Stackpointer DPH Datenzeiger (DPTR) oberes Byte DPL Datenzeiger (DPTR) unteres Byte P0*) Port P1*) Port l P2*) Port A0 P3*) Port B0 IP*) Interrupt-Prioritätenregister 184 B8 IE*) Interrupt-Freigaberegister 168 A8 TMOD Zeitgeber/Zähler-Betriebsart-Register TCON*) Zeitgeber/Zähler-Steuerregister TH0 Zeitgeber/Zähler 0 (oberes Byte) 140 8C TL0 Zeitgeber/Zähler 0 (unteres Byte) 138 8A TH1 Zeitgeber/Zähler 1 (oberes Byte) 141 8D TL1 Zeitgeber/Zähler 1 (unteres Byte) 139 8B SCON*) serielles Steuerregister SBUF serieller Datenpuffer PCON Leistungsaufnahme-Steuerregister Tabelle 1.6: Spezielles Funktionsregister des 8051 *): auch bitadressierbar Akkumulator (Register A): Das Register ACC ist der Akkumulator. In den mnemonischen Kurzbezeichnungen, die für Befehle mit Bezug auf den Akkumulator verwendet werden, wird der Akkumulator nur mit A bezeichnet. Register B: Das Register B wird beim Multiplizieren und Dividieren benötigt. Bei der Abarbeitung anderer Befehle kann es als weiterer schneller Hilfsspeicher dienen. Programmstatusregister: Das Programmstatusregister (PSW) enthält das in Tabelle 1.7 beschriebene Programmstatuswort. 45

21 Mikrocontroller-8051-Familie und AT89C51 höchstwertiges Bit niedrigstwertiges Bit CY AC F0 RS1 RS0 CV P Symbol Bit-Speicherstelle Name und Bedeutung CY PSW.7 Übertragsbit AC PSW.6 Hilfsübertragsbit (für BCD-Operationen) F0 PSW.5 Kennzeichnungsbit 0 (steht dem Anwender für allgemeine Zwecke zur Verfügung) RS1 PSW.4 Registerbank-Auswahlbits 1 bzw. 0. Werden durch RS0 PSW.3 Software gesetzt oder gelöscht, um die Registerbank { auszuwählen, in der gearbeitet werden soll. *) OV PSW.2 Überlaufbit PSW.1 in Reserve P PSW.0 Paritätsbit. Wird durch Hardware bei jedem Befehlszyklus gesetzt bzw. gelöscht, um eine ungerade bzw. gerade Anzahl von Einsen im Akkumulator anzuzeigen (d.h. gerade Parität). *)Durch RS1 und RS0 wird diese Registerbank wie folgt festgelegt: RS1 RS0 Bank Speicherplätze H bis 07H H bis 0FH H bis 17H H bis 1FH Tabelle 1.7: Programmstatusregister Der Mikrocontroller hat fünf verschiedene Bedingungsbits zur Verfügung, um das Resultat von Operationen zu kennzeichnen. Alle bis auf eines (das Hilfs-Carrybit) können durch Befehle getestet werden, die den nachfolgenden Befehlsablauf bestimmen. An dieser Stelle wird vereinbart, dass ein Bit»gesetzt«ist, wenn es den Wert»1«hat, und»rückgesetzt«ist, wenn es den Wert»0«hat. Carrybit (Überlaufbit oder Übertragsbit): Das Carrybit CY wird durch verschiedene Befehle gesetzt und kann direkt abgefragt werden. Die Operationen, die das Carrybit verändern, sind Addition, Subtraktion, zyklisches Schieben und logische Operationen. So kann z.b. die Addition von zwei 1-Byte-Zahlen einen Überlauf (Carry) an der höchsten Stelle hervorrufen. 46

22 1.1 Einführung Bit-Nr AE = = Überlauf = 1, setzt Carrybit = 1 Eine Addition mit Überlauf an der höchsten Stelle setzt das Carrybit. Eine Addition ohne Überlauf setzt das Carrybit zurück. Hier soll noch eigens darauf hingewiesen werden, dass Addition, Subtraktion, zyklisches Schieben und logische Befehle das Carrybit in verschiedenartiger Weise behandeln. Hilfs-Carrybit (Hilfsüberlaufbit oder Hilfsübertragsbit): Das Hilfs-Carrybit AC zeigt den Überlauf aus dem ersten Halbbyte (Bit 3 des Datenbytes) an. Der Wert dieses Bits kann nicht direkt getestet werden, beeinflusst aber die Funktion des Befehls DAA. Die folgende Addition setzt das Hilfs-Carrybit und das Carrybit zurück: Bit-Nr E = = A Carrybit = 0 Hilfs-Carrybit = 1 Das Hilfs-Carrybit wird durch Additions-, Subtraktions-, Inkrement-, Dekrement- und Vergleichsbefehle verändert. Signbit (Vorzeichenbit): Im Mikroprozessor ist grundsätzlich kein Vorzeichen eines Datenbytes festgelegt; man kann daher ein Byte mit dem numerischen Wert 128 als plus 128 oder aber auch als minus 128 interpretieren. Zur Unterscheidung der beiden Möglichkeiten verwendet man das Bit 7 als Vorzeichen. Hat es den Wert 1, so wird die Zahl im Byte als negativ angesehen (von minus 1 bis minus 128), hat Bit 7 den Wert 0, so wird die Zahl des Bytes als positive Zahl (von 0 bis plus 127) interpretiert. Bei arithmetischen und logischen Operationen wird das Signbit dem Bit 7 des Ergebnisses gleichgesetzt; es kann dann als Bedingungsbit abgefragt werden. Zerobit (Nullbit): Dieses Bedingungsbit wird dann gesetzt, wenn das Ergebnis eines arithmetischen oder logischen Befehls null ist. Das Zerobit wird rückgesetzt, wenn das Ergebnis dieses Befehls ungleich null ist. Ist das Ergebnis gleich null und das Carrybit gesetzt, so wird das Zerobit ebenfalls gesetzt. 47

23 Mikrocontroller-8051-Familie und AT89C51 Bit-Nr Überlauf von Bit 7 Nullergebnis: Zerobit auf 1 gesetzt Paritybit (Paritätsbit): Nach arithmetischen und logischen Operationen wird eine Paritätsprüfung vorgenommen. Die Anzahl der gesetzten Bits in einem Byte wird dabei gezählt; ist das Ergebnis ungerade, wird das Paritybit zurückgesetzt, ist das Ergebnis gerade, wird das Paritybit gesetzt. Stackpointer: Der acht Bit breite Stackpointer (SP) wird inkrementiert, bevor Daten während der Ausführung eines PUSH- oder CALL-Befehls gespeichert werden. Während der Stack im Allgemeinen irgendwo im RAM (auf dem Chip) untergebracht sein kann, zeigt der Stackpointer nach einem Rücksetzvorgang auf den Speicherplatz 07H. Dies veranlasst den Stackpointer, mit Speicherplatz 08H zu starten. Datenzeiger: Der 16-Bit-Datenzeiger (DPTR) besteht aus den Registern DPH (oberes Byte) und DPL (unteres Byte). Er enthält eine 16-Bit-Adresse und kann entweder als 16-Bit-Register oder als zwei unabhängige 8-Bit-Register arbeiten. Ports 0 bis 3: Die speziellen Funktionsregister P0, P1, P2 und P3 sind die Zwischenspeicher. Zeitgeber-Register: Die Registerpaare TH0 und TL0 sowie TH1 und TL1 sind 16-Bit-Zählregister für die Zeitgeber/Zähler 0 bzw. 1. Serieller Datenpuffer: Der serielle Datenpuffer (SBUF) besteht eigentlich aus zwei separaten Registern, nämlich einem Sende- und einem Empfangspufferregister. Wenn Daten nach SBUF transportiert werden, so erfolgt dies in das Sendepufferregister; der Transport eines Bytes nach SBUF löst dann die Übertragung in eine externe Einheit aus. Werden Daten von SBUF geholt (von einer Einheit auf dem Chip), so kommen sie aus dem Empfangspufferregister. Steuerregister: Die speziellen Funktionsregister IP, IE, TMOD, TCON, SCON und PCON enthalten Steuer- und Statusbits für das Interrupt-System, die Zeitgeber/Zähler und den seriellen Port. Sie werden in späteren Abschnitten beschrieben. 1.2 Oszillator- und Taktgeberschaltung XTAL1 und XTAL2 sind der Eingang und Ausgang eines einstufigen, auf dem Chip befindlichen Inverters, der zusammen mit externen Bauelementen (Abbildung 1.4a) zur so genannten Pierce-Schaltung (Abbildung 1.4b) aufgebaut wird. 48

24 1.2 Oszillator- und Taktgeberschaltung Die Schaltung auf dem Chip sowie die Auswahl der externen Bauelemente zum Aufbau des Oszillators werden in den folgenden Abschnitten sowohl für die NMOS- als auch für die CMOS-Version des Mikrocontrollers beschrieben. Abb. 1.4: a: Beschaltung der Anschlüsse XTAL1 und XTAL2 mit einem Quarz oder einem keramischen Resonator sowie zwei Kondensatoren. Man achte auf kurze, direkte Masseverbindung zwischen Mikrocontroller und Kondensatorfußpunkten. b: Prinzip des Pierce-Oszillators In jedem Fall treibt der Oszillator den internen Taktgenerator. Dieser liefert die internen Taktsignale für die auf dem Chip befindlichen Schaltungen. Die Frequenz der internen Taktsignale beträgt die Hälfte der Oszillatorfrequenz und legt die internen Phasen, Schritte und Maschinenzyklen fest, die später noch beschrieben werden. Wie bei der NMOS-Version besteht auch die auf dem Chip des 80C51 befindliche Oszillatorschaltung (Abbildung 1.5) aus einem einstufigen linearen Inverter, der zum Betrieb als quarzgesteuerter Oszillator mit positiver Reaktanz vorgesehen ist. Dennoch sind einige wichtige Unterschiede vorhanden. Einer der Unterschiede besteht darin, dass der Oszillator mittels Software abgeschaltet werden kann, indem ein 1-Signal in das Bit PD im speziellen Funktionsregister PCON geschrieben wird. Ein weiterer Unterschied ist durch die Tatsache gegeben, dass die interne Taktschaltung des 80C51 durch Signale am Anschluss XTAL1 betrieben wird, während dies bei der NMOS-Version am Anschluss XTAL2 erfolgt. 49

25 Mikrocontroller-8051-Familie und AT89C51 Abb. 1.5: Oszillatorschaltung auf dem Chip des Mikrocontrollers 80C51 (CMOS-Version) Der Rückkopplungswiderstand R f setzt sich aus parallel geschalteten n-kanal- und p-kanal-feldeffekttransistoren zusammen, die durch das Bit PD gesteuert werden, und zwar ist R f abgeschaltet, wenn PD = 1 ist. Die Dioden D l und D 2, die als Klemmdioden für U CC (+5 V) und U SS (0 V) dienen, sind parasitär zu dem aus Feldeffekttransistoren bestehenden Widerstand R f. Abb. 1.6: Funktionale Darstellung der Oszillatorschaltung auf dem Chip des 80C51 (CMOS- Version) im Zusammenspiel mit der äußeren Beschaltung 50

26 1.2 Oszillator- und Taktgeberschaltung Der Oszillator kann mit denselben externen Bauelementen wie die NMOS-Version aufgebaut werden, wie auch Abbildung 1.6 zeigt. Typische Werte sind C 1 = C 2 = 30 pf, wenn ein Quarz eingesetzt wird, und C 1 = C 2 = 47 pf bei Verwendung eines keramischen Resonators. Abb. 1.7: Anschluss eines externen Taktgenerators an den 80C51 (CMOS-Version) Beim Betrieb der CMOS-Version (Abbildung 1.7) mit einem externen Taktgenerator wird das externe Taktsignal an den Anschluss XTAL1 gelegt, während XTAL2 unbeschaltet bleibt. Ein Maschinenzyklus besteht aus sechs Schritten (zwölf Oszillatorperioden). Jeder Schritt wird eingeteilt in eine Hälfte für Phase 1, während der Takt von Phase 1 aktiv ist, und in eine Hälfte für Phase 2, während der Takt von Phase 2 aktiv ist. Somit besteht ein Maschinenzyklus aus zwölf Oszillatorperioden. Jede Phase dauert eine Oszillatorperiode, jeder Schritt zwei Oszillatorperioden. Im Allgemeinen finden arithmetische und logische Operationen während Phase 1 statt, interner Datentransfer (von einem Register zum anderen) dagegen während Phase 2. Die Ausführung eines 1-Zyklus-Befehls beginnt, wenn der Befehlscode im Befehlsregister zwischengespeichert wird. Handelt es sich um einen 2-Byte- Befehl, so wird das zweite Byte während desselben Maschinenzyklus gelesen. Handelt es sich dagegen um einen 1-Byte-Befehl, so findet zwar ein Speichervorgang statt, aber das gelesene Byte (nämlich der nächste Befehlscode) wird nicht beachtet und der Programmzähler nicht inkrementiert. Die meisten Befehle des 8051 werden in einem Zyklus ausgeführt. MUL (Multiplizieren) und DIV (Dividieren) sind die einzigen Befehle, die zur vollständigen Ausführung mehr als zwei Zyklen, nämlich vier, benötigen. 51

27 Mikrocontroller-8051-Familie und AT89C51 Im Allgemeinen werden während eines Maschinenzyklus zwei Befehlscode-Bytes aus dem Programmspeicher geholt. Die einzige Ausnahme hiervon besteht in der Ausführung eines MOVX-Befehls. Bei diesem handelt es sich um einen 1-Byte-2- Zyklen-Befehl, der auf den externen Datenspeicher zugreift. Dabei werden zwei Holvorgänge übersprungen, während der externe Datenspeicher adressiert und abgefragt wird. 1.3 Aufbau und Betrieb der Ports Alle vier Ports des 8051 können bidirektional betrieben werden. Port 0 erlaubt den Tristate-Zustand (»echter«bidirektionaler Port), während dies bei den Ports 1 3 mit ihren internen Pull-up-Widerständen nicht der Fall ist (»quasi«-bidirektionale Ports). Jedem Port (Port 0 3) sind acht Bit-Zwischenspeicher zugeordnet, die jeweils ein spezielles Funktionsregister (SFR) bilden. Für jeden Portanschluss gibt es einen Ausgangstreiber und einen Eingangspuffer Eingangspuffer und Ausgangstreiber Die Ausgangstreiber von Port 0 und Port 2 sowie der Eingangspuffer von Port 0 werden beim Zugriff auf den externen Speicher verwendet. Bei dieser Anwendung gibt Port 0 das untere Byte der externen Speicheradresse aus, im Zeitmultiplex mit dem zu schreibenden oder zu lesenden Byte. Port 2 gibt das obere Byte der externen Speicheradresse aus, wenn diese 16 Bit breit ist. Andernfalls geben die Anschlüsse an Port 2 auch weiterhin den Inhalt des speziellen Funktionsregisters P2 aus. Die Anschlüsse von Port 3 haben auch noch alternative Funktionen, wie aus Tabelle 1.8 zu ersehen ist. Portanschluss Alternative Funktionen P3.0 RXD (serieller Port, Eingang) P3.1 TXD (serieller Port, Ausgang) P3.2 INT0 (externer Interrupt) P3.3 INT1 (externer Interrupt) P3.4 T0 (Zeitgeber/Zähler 0, externer Eingang) P3.5 T1 (Zeitgeber/Zähler 1, externer Eingang) P3.6 WR (Strobe-Signal zum Schreiben in den externen Datenspeicher) P3.7 RD (Strobe-Signal zum Lesen aus dem externen Datenspeicher) Tabelle 1.8: Alternative Funktionen der Anschlüsse von Port 3 Die alternative Funktion eines Portanschlusses kann nur dann aktiviert werden, wenn der entsprechende Bit-Zwischenspeicher im speziellen Funktionsregister P3 eine Eins enthält. Andernfalls bleibt der Portanschluss auf null stehen. 52

28 1.3 Aufbau und Betrieb der Ports Tabelle 1.9 zeigt die Bitadressen im Registerspeicher: Adresse Funktion 80H Port 0, Bit 0 81H Port 0, Bit 1 82H Port 0, Bit 2 83H Port 0, Bit 3 84H Port 0, Bit 4 85H Port 0, Bit 5 86H Port 0, Bit 6 87H Port 0, Bit 7 88H Timer 0,Interrupt, Type-Kontroll-Bit 89H Timer 0, Interrupt, Edge-Flag 8AH Timer 1, Interrupt, Type-Kontroll-Bit 8BH Timer 1, Interrupt, Edge-Flag 8CH Timer 0, Run Kontroll-Bit 8DH Timer 0, Overflow-Flag 8EH Timer 1, Run Kontroll-Bit 8FH Timer 1, Overflow-Flag 90H Port 1, Bit 0 91H Port 1, Bit 1 92H Port 1, Bit 2 93H Port 1, Bit 3 94H Port 1, Bit 4 95H Port 1, Bit 5 96H Port 1, Bit 6 97H Port 1, Bit 7 98H Receive Interrupt Flag 99H Transmit Interrupt Flag 9AH Receive Bit 8 9BH Transmit Bit 8 9CH Receiver Enable 9DH Serial Mode Kontroll-Bit-2 9EH Serial Mode Kontroll-Bit-1 9FH Serial Mode Kontroll-Bit-0 A0H Port 2, Bit 0 Tabelle 1.9: Bitadressen im Registerspeicher 53

29 Mikrocontroller-8051-Familie und AT89C51 Adresse Funktion A1H Port 2, Bit 1 A2H Port 2, Bit 2 A3H Port 2, Bit 3 A4H Port 2, Bit 4 A5H Port 2, Bit 5 A6H Port 2, Bit 6 A7H Port 2, Bit 7 A8H Enable Externer Interrupt 0 A9H Enable Timer 0 Interrupt AAH Enable Externer Interrupt 1 ABH Enable Timer 1 Interrupt ACH Enable Senat Port Interrupt AFH Enable All Interrupts B0H Senat Port Receive Pin B1H Senat Port Transmit Pin B2H Interrupt 0 Input Pin B3H Interrupt 1 Input Pin B4H Timer/Counter 0 externes Flag B5H Timer/Counter 1 externes Flag B6H Write Data (für externes Memory) B7H Read Data (für externes Memory) B8H Priorität für externen Interrupt 0 B9H Priorität für Timer 0 Interrupt BAH Priorität für externen Interrupt 1 BBH Priorität für Timer 1 Interrupt BCH Priorität für seriellen Port Interrupt D0H Parity Flag D2H Overflag Flag D3H Register Bank Selektions-Bit 0 D4H Register Bank Selektions-Bit 1 D5H Flag 0 D6H Auxilliary Carry Flag D7H Carry Flag E0H Akkumulator, Bit 0 Tabelle 1.9: Bitadressen im Registerspeicher (Forts.) 54

30 1.3 Aufbau und Betrieb der Ports Adresse Funktion E1H Akkumulator, Bit 1 E2H Akkumulator, Bit 2 E3H Akkumulator, Bit 3 E4H Akkumulator, Bit 4 E5H Akkumulator, Bit 5 E6H Akkumulator, Bit 6 E7H Akkumulator, Bit 7 F0H Multiplikationsregister, Bit 0 F1H Multiplikationsregister, Bit 1 F2H Multiplikationsregister, Bit 2 F3H Multiplikationsregister, Bit 3 F4H Multiplikationsregister, Bit 4 F5H Multiplikationsregister, Bit 5 F6H Multiplikationsregister, Bit 6 F7H Multiplikationsregister, Bit 7 Tabelle 1.9: E/A-Struktur Bitadressen im Registerspeicher (Forts.) Die Blockschaltung arbeitet wie ein typischer Bit-Zwischenspeicher und dient als E/A-Puffer für die E/A-Struktur der vier Ports. Der Bit-Zwischenspeicher (ein Bit im speziellen Funktionsregister des Ports) stellt sich als Flipflop vom Typ D dar, das auf einen Taktimpuls hin einen Wert vom internen Bus übernimmt, wenn die Zentraleinheit ein Signal»Schreiben in den Zwischenspeicher«ausgegeben hat. Das Ausgangssignal 0 des Flipflops wird auf den internen Bus gebracht, wenn die Zentraleinheit ein Signal»Lesen aus dem Zwischenspeicher«ausgegeben hat; der Pegel direkt am Portanschluss wird dagegen dann auf den internen Bus gebracht, wenn die Zentraleinheit ein Signal»Lesen vom Portanschluss«ausgegeben hat. Einige Befehle, mit denen Portwerte gelesen werden, aktivieren das Signal»Lesen aus dem Zwischenspeicher«, andere das Signal»Lesen vom Portanschluss«. Die Ports 1, 2 und 3 haben interne Pull-up-Widerstände, Port 0 Open-Drain-Ausgänge. Jede E/A-Leitung kann unabhängig von anderen als Eingang oder Ausgang dienen, jedoch dürfen die Ports 0 und Port 2 nicht als E/A-Leitungen für allgemeine Zwecke benutzt werden, wenn sie als Adress-/Datenbus arbeiten. Bei Verwendung als Eingang muss der betreffende Bit-Zwischenspeicher des SFR ein 1-Signal enthalten, die den Ausgangstreiber (einen Feldeffekttransistor) abschaltet. Bei den Ports 1, 2 und 3 wird der Portanschluss durch den internen Pull-up-Widerstand auf 1-Signal gesetzt, kann aber durch eine externe Quelle auf 0-Signal gezogen werden. 55

31 Mikrocontroller-8051-Familie und AT89C51 Port 0 unterscheidet sich dadurch von den übrigen Ports, dass er keine internen Pull-up-Widerstände hat. Der Pull-up-Feldeffekttransistor im Ausgangstreiber von Port P0 wird nur dann benutzt, wenn der Port während eines Zugriffs auf externe Speicher Einsen ausgibt. Andernfalls ist der Pull-up-Feldeffekttransistor abgeschaltet. Folglich sind die Leitungen von P0, die als Ausgangsleitungen dienen, vom Open-Drain-Typ. Wird eine Eins in den Bit-Zwischenspeicher geschrieben, so bleiben beide Ausgangs-Feldeffekttransistoren abgeschaltet, und der Anschluss liegt auf unbestimmtem Potential. In diesem Fall kann er als hochohmiger Eingang dienen. Da die Ports 1, 2 und 3 festgelegte Pull-up-Widerstände haben, werden sie oft als quasibidirektionale Ports bezeichnet. Wenn sie als Eingänge dienen sollen, nehmen sie den 1-Pegel an und erzeugen dann einen Strom (I LL im Datenblatt), wenn sie auf 0-Pegel gezogen werden. Andererseits bezeichnet man Port 0 als echten bidirektionalen Port, weil er unbestimmtes Potential aufweist, wenn er als Eingang betrieben wird. Durch Rücksetzen des 8051 werden Einsen in die Zwischenspeicher aller Ports geschrieben. Wird anschließend eine Null in den Zwischenspeicher des Ports gebracht, so lässt sich dieser danach als Eingang wieder einrichten, indem man eine Eins in ihn schreibt Schreiben in einen Port Bei der Ausführung eines Befehls, der den Wert im Zwischenspeicher eines Ports ändert, erreicht der neue Wert den Ausgangsanschluss erst während Phase 1 des nächsten Maschinenzyklus. Wenn die Änderung einen 0-1-Übergang (positive Flanke) in Port 1, 2 oder 3 erfordert, wird ein zusätzlicher Pull-up-Widerstand während desjenigen Zyklus eingeschaltet, in dem der Übergang erfolgt. Auf diese Weise wird die Übergangsgeschwindigkeit erhöht. Durch den zusätzlichen Pull-up-Widerstand fließt etwa der 100-fache Strom wie durch den»normalen«pull-up-widerstand. Bei dieser Gelegenheit sollte bemerkt werden, dass die internen Pull-up-Widerstände Feldeffekttransistoren und keine linearen Widerstände sind. Beim Mikrocontroller 8051 (also bei der NMOS-Version) ist der»normale«(d.h. der stets vorhandene) Pull-up-Widerstand ein Transistor vom Verarmungstyp, bei dem Gate und Source zusammengeschaltet sind. Der Transistor lässt über den Portanschluss etwa 0,25 ma fließen, wenn dieser mit Masse verbunden ist. Parallel zu diesem Transistor liegt ein Transistor vom Anreicherungstyp, der den oben beschriebenen zusätzlichen Pull-up-Widerstand darstellt und immer dann aktiv wird, wenn das betreffende Bit von null nach eins übergeht. Solange der zusätzliche Transistor aktiv ist, liefert er einen Strom von 30 ma an den Portanschluss, wenn dieser mit Masse verbunden ist. 56