Zgryźliwość kojarzy mi się z radością, która źle skończyła.
eż to potrafisz
afisz
W poprzednim numerze “Elektroniki
dla Wszystkich” zaznajomiliśmy
Czytelników z pojęciem
mikroprocesora i mikrokontrolera.
Przedstawiliśmy ogólne założenia
dotyczące budowy układów
scalonych tego typu oraz przybliżony
sposób współpracy z innymi
układami peryferyjnymi.
W tym odcinku przedstawimy ogólny
opis wyprowadzeń mikroprocesora.
Jest to drugi z odcinków wstępnych
z cyklu obejmującego naukę
programowania procesora 8051.
Przypominamy, że wkrótce
zamkniemy listę kandydatów na
uczniów w “klasie
mikroprocesorowej”. Na zgłoszenia
chętnych czekamy do końca maja.
“Klasa mikroprocesorowa” to grupa
20−30 osób, które orztymają
bezpłatnie od firmy AVT zestaw
edukacyjny (składający się z dwóch
płytek z procesorem, klawiaturą,
wyświetlaczami itp.). Osoby te
zobowiązane będą do
przeprowadzania wszystkich
prostych ćwiczeń z zakresu nauki
programowania oraz do zgłaszania
autorowi cyklu wszelkich wynikłych
niejasności czy problemów. Ma to na
celu praktyczne sprawdzenie stopnia
opanowania przedstawionego
materiału, a także niewątpliwie
zapewni skuteczność nauki. Do
skorzystania z tej możliwości
zapraszamy osoby w różnym wieku,
od 12 do 80 lat.
Mikrokontrolery?
To takie proste...
Część 2
Charakterystyka mikrokontrolera 8051
Dlaczego 8051?
Ponieważ elektronika oparta na ukła−
dach mikroprocesorowych wkracza pod
strzechy coraz silniej, warto by przyjrzeć
się bliżej jednemu, bodaj najpopularniej−
szemu układowi tego typu, a mianowicie
mikrokontrolerowi 8051.
Zapewne wielu Czytelników EdW
spotyka się z oznaczeniem 8051. Niektó−
rych z pewnością ogarnia zimny dreszcz,
inni jak wynika z listów, są zaciekawieni
tematem i możliwościami programowa−
nia mikroprocesorów. Postaram się
w sposób przystępny, tak merytorycznie
jak i finansowo, (niestety z nauką wiąże
się część praktyczna, która wymaga mi−
nimum sprzętu do nauki programowa−
nia) pokazać i przekonać Was o tym że
projektowanie układów przy wykorzysta−
niu mikrokontrolera 8051 nie jest trudne.
Wymagane są jedynie podstawowe wia−
domości z techniki cyfrowej, mówiąc
konkretnie każdy, kto zna podstawowe
bramki logiczne oraz najprostsze typy
przerzutników, a jeżeli dodatkowo wyko−
nał sam jakiś układ lub opisany w litera−
turze, z pewnością nie będzie miał prob−
lemów z opanowaniem sztuki korzysta−
nia z mikroprocesora 8051.
Przy opisie samego procesora,
a w późniejszych numerach EdW, także
podczas krótkich lekcji na temat progra−
mowania, będę za każdym razem odwo−
ływał się do analogicznych układów wy−
konanych w standardowej technice cyf−
rowej (TTL czy CMOS). Dzięki temu każ−
dy zainteresowany tematem czytelnik,
zorientowany choć w podstawach cyf−
rówki, będzie w stanie strawić pewna
porcję wiedzy, oswajając się jednocześ−
Rys. 3. Opis wyprowadzeń mikrokont−
rolera 8051.
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/97
41
eż to potr
Też to potr
eż to potrafisz
afisz
Rys. 4. Zapis przykładowej liczby do
portu P1.
nictwem działu obsługi czytelników.
Koszt zakupu 8051 w chwili obecnej wa−
ha się w granicach 2,00...4,00 nowych
złotych, nie jest to więc dużo jak na kie−
szeń nawet nie zarabiającego amatora.
W chwili obecnej na rynku znajduje się
wersja mikroprocesora wykonana w tech−
nologii CMOS oznaczona jako 80C51.
Wszystkie parametry charakterys−
tyczne (prądowe i napięciowe) podane
w artykule będą odnosić się do tej wers−
ji, aczkolwiek dla uproszczenia będziemy
posługiwać się określeniem bez litery
“C” mówiąc o typ układzie.
Mikrokontroler 8051 umieszczony
jest w 40−nóżkowej obudowie (przeważ−
nie plastikowej) typu DIL (skrót od “Dual
In−Line Package”, co po angielsku zna−
czy “obudowa dwurzędowa”). Sama
ilość końcówek nie jest przerażająca,
wszakże znamy inne układy np.
ICL7106, które także umieszczone są
w takiej obudowie.
W tym miejscu ktoś może powie−
dzieć: “No tak, ale opis typowej ICL ki
(7106) można znaleźć prawie w każdym
czasopiśmie lub podręczniku, znaczenie
40−tu wyprowadzeń też, a tu mam taki
mikroprocesor, każdy mi mówi że to
układ uniwersalny, a ja i tak nie wiem co
mam z nim zro−
bić...”.
Zapoznanie się
z mikrokontrole−
rem rozpoczniemy
od ogólnego poz−
nania jego 40 wyprowadzeń, w końcu
tylko to “wystaje” z obudowy i jest wi−
doczne.
1. Końcówki o numerach 1...8
(port P1)
Są to wyprowadzenia 8−bitowego,
uniwersalnego portu mikroprocesora
oznaczanego w literaturze jako P1 (port
nr 1 jak kto woli). Jeżeli słowo “port” nie
jest do końca jasne, posłużę się porów−
naniem (choć mało dokładnym) do ukła−
du typu rejestrowego o 8−miu wyprowa−
dzeniach (8−bitach − stąd nazwa 8−bito−
wy). Czy pamiętamy układ serii TTL −
74198?. Jest to coś w tym stylu, tylko
że bardziej uniwersalne. Dla tych, którzy
nie wiedzą, co to 74198, inne proste po−
równanie. Port, jak każdy port, pomaga
w przyjmowaniu i wysyłaniu, tyle że nie
towarów, lecz informacji.
Port może pełnić rolę wyjścia informa−
cji binarnej (czyli że procesor może usta−
wiać stany logiczne na końcówkach tego
portu). Tak więc, jeżeli zachodzi potrze−
ba, procesor może np. wpisać do portu
P1 dowolną liczbę binarną z zakresu
0...255, np. 48. Binarnie liczba 48 =
00110000
B
. Oznaczenia poszczegól−
nych końcówek portu P1 wskazują na
kolejną pozycję bitu (cyfry liczby binar−
nej), co pokazuje rysunek 4.
Tak więc końcówka P1.7 (najstarsza)
przyjmie poziom logiczny 0, końcówka
P1.6 poziom 0, P1.5 poziom 1 itd.
Ale co daje “zapisanie jakiejś liczby do
portu P1”? Otóż zastosowań może być
wiele. Najprostsze z nich obrazuje rysu−
nie z na pozór skomplikowanym ukła−
dem cyfrowym, jakim jest 8051 ka.
Dla sceptyków, którzy sądzą, że pro−
gramowanie procesora 8051, nawet na
etapie “przedszkola”, wymaga posiada−
nia drogiego komputera klasy PC, mam
miłą wiadomość. Otóż skonstruowałem
podstawowy układ aplikacyjny na proce−
sor 8051 (nieduża płytka drukowana
+ kilka podzespołów), dzięki któremu
każda teoretyczna lekcja na łamach na−
szego pisma, będzie mogła być natych−
miast powtórzona w praktyce na stole
każdego z Was, drodzy Czytelnicy. By−
najmniej nie będzie potrzebny także ża−
den programator pamięci EPROM lub in−
ne, często kosztowne wyposażenie. Wy−
starczą dobre chęci i trochę wolnego
czasu, a z pewnością każdy z Was bę−
dzie zachwycony efektami swojej pracy,
czyniąc pierwsze kroki w technice mik−
roprocesorowej.
Trochę o samym
bohaterze
Na początek przyjrzyjmy się samemu
mikroprocesorowi 8051. Warto w tym
miejscu wyjąc z szuflady biurka taką kos−
tkę, a jeżeli ktoś jej nie posiada, może ją
nabyć prawie w każdym sklepie z podze−
społami elektronicznymi, lub za pośred−
rysu−
nek 5. Do każdego wyprowadzenia portu
P1 dołączono układ z przekaźnikiem, któ−
rego styki załącza−
ją dowolne urzą−
dzenie elektryczne
np. w mieszkaniu.
W sumie na rysun−
ku jest ich osiem,
lecz w praktyce nie musimy korzystać ze
wszystkich wyprowadzeń portu. Przy ta−
kim wykorzystaniu portu program zawar−
ty w mikroprocesorze może na przykład
włączać i wyłączać oświetlenie w miesz−
kaniu. Uzyskamy świetny symulator
obecności domowników.
Projektując układ wykonawczy należy
mięć na uwadze maksymalną obciążal−
ność każdego z wyprowadzeń portu P1,
z reguły wynosi ona 10mA (w obecnie
oferowanych wersjach procesora) na
każdy pin. Można zatem wysterować za
pomocą portu maksymalnie do czterech
wejść TTL serii standard.
Istotną zaletą portów uniwersalnych
procesora (w tym także P1) jest możli−
wość indywidualnego ustawiania pozio−
mu logicznego na każdym wyprowadze−
niu niezależnie. Nie trzeba zatem zapisy−
wać całej liczby do portu aby np. zmienić
stan tylko na jednym wyprowadzeniu,
wystarczy ustawić (rozkazem zwanym
SETB) lub wyzerować (rozkazem CLR)
odpowiedni bit rejestru portu P1, toteż
np. ustawienie pinu P1.5 na logiczne “0”
nastąpi poprzez wydanie polecenia: CLR
P1.5 (“clr” − clear, ang. zeruj,wyczyść).
Niechcący zahaczyliśmy o programowa−
nie, ale o tym będziemy mówić szczegó−
łowo przy innej okazji.
Końcówki dowolnego portu
procesora mogą pełnić zarówno
rolę wejść, jak wyjść.
Rys. 5. Najprostsze wykorzystanie portu portu P1.
42
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/97
eż to potr
Też to potr
nek 5
Też to potr
eż to potrafisz
afisz
Rys. 6. Podstawowy (użytkowy) układ
resetowania 8051.
Rys. 7. Inne rozwiązania układów
RESET.
elementem układu “resetu” jest kon−
densator elektrolityczny C. Z reguły jego
wartość powinna wynosić 10...22µF.
Jest on niezbędny do prawidłowej gene−
racji impulsu resetu przez układy we−
wnętrzne mikrokontrolera.
W starszych wersjach 8051 wykona−
nych w technologii HMOS, niezbędny
okazał się dodatkowy rezystor blokujący
wejście RST do masy, co zapewniało
wymuszenie stanu niskiego na tym pinie
podczas normalnej pracy układu. W no−
wych katalogach opisujących układy
w wersji CMOS, rezystor jest ten pomi−
jany, aczkolwiek w praktycznych ukła−
dach powinniśmy przewidzieć miejsce
na płytce drukowanej, ze względu na
różnorodność procesorów serii 8051.
Niech za przykład posłuży fakt, że pro−
ducent najnowszych procesorów z rodzi−
ny 8051 w kartach katalogowych naj−
nowszych wersji z wewnętrzna pamię−
cią EEPROM typu “Flash” zaleca stoso−
wanie tego rezystora pomimo iż produ−
kowane układy są wykonane w wersji
CMOS. My możemy stosować rezystor
o wartości 8,2...10k
W
.
Widoczny na rysunku 6 klawisz służy
do resetowania procesora bez koniecz−
ności wyłączania napięcia zasilającego.
Toteż w każdej chwili użytkownik może
przerwać wykonywanie programu przez
procesor.
Na rysunku 7
Port (cały lub niektóre z jego pinów),
podobnie jak przy zapisie, można usta−
wić także jako wejście informacji logicz−
nej. Każde z wyprowadzeń staje się wte−
dy wyjściem o wysokiej impedancji,
dzięki temu dowolny poziom logiczny
podany z wyjścia jakiegoś układu cyfro−
wego (np. z wyjścia bramki układu TTL
lub CMOS) może być odczytany poprzez
piny portu a informacja czy tym stanem
była logiczna “1” czy “0”, zostaje wyko−
rzystana przez procesor dla dalszego je−
go działania w zależności od spełnianej
akurat funkcji. Krótko mówiąc, procesor
może odczytać stany logiczne, jakie
z zewnątrz podano na końcówki portu.
Oczywiście poziomy logiczne napięć
wejściowych portu P1 (oraz każdego in−
nego) muszą zawierać się w przedziale
napięć zasilania mikrokontrolera, czyli
w zakresie 0...5V. Detekcja poziomów
logicznych odbywa się jak dla bramek
CMOS, stąd wartości progowe napięć
tych stanów są zbliżone do połowy na−
pięcia zasilającego. Istotną informacją
jest fakt że w trybie “odczytu” z portu
P1 końcówki są wewnętrznie podczepia−
ne (podciągane) do plusa zasilania po−
przez wbudowane w 80C51 rezystory,
co wymusza odczyt wysoki z portu
w wypadku niepodłączenia końcówki
portu.
2. Końcówka 9 (RST)
Z tematem mikroprocesorów czy mik−
rokontrolerów nierozłącznie wiąże się
pojęcie “resetowania”, czy jak kto woli
“kasowania” układu. Czynność ta wyko−
nywana poprzez podanie logicznej “1”
na te wyprowadzenie na pewien okres
czasu (jaki − o tym później) powoduje
skasowanie układu, a więc natychmias−
towe przerwanie wykonywanych czyn−
ności i rozpoczęcie cyklu działania proce−
sora od samego początku (tak jakbyśmy
włączyli zasilanie układu).
Czas trwania dodatniego impulsu ka−
sującego zależy od częstotliwości z jaką
pracuje mikroprocesor. Wyjaśnię to do−
kładnie w dalszej części artykułu. Z regu−
ły w typowych zastosowaniach czas
1ms w zupełności wystarcza.
W układach praktycznych do końców−
ki RST dołącza się mniej lub bardziej
skomplikowany układ który generuje wy−
magany impuls zerujący najczęściej
w trzech przypadkach:
− po włączeniu zasilania układu
− na nasze żądanie − poprzez np. przyciś−
nięcie klawisza (umieszczonego z re−
guły na płytce drukowanej tuż obok
procesora).
− w sytuacjach awaryjnych, kiedy np.
poprzez zakłócenie najczęściej na li−
niach zasilających nastąpi błędne dzia−
łanie układu mikroprocesora, w żargo−
nie często określa się to mianem
“zawieszenia” lub “niekontrolowanej
pracy” układu.
Trzeci przypadek dotyczy bardziej zło−
żonych układów stosowanych szczegól−
nie w automatyce i elektronice przemys−
łowej. My najczęściej spotkamy się
z dwiema pierwszymi sytuacjami. Przy−
kładowy układ zapewniający prawidłowy
skasowanie i ponowny start procesora
80C51 przedstawia rysunek 6
rysunku 7 pokazano inne, bardziej
złożone wersje układów pełniących funk−
cje resetu, lecz w naszym przypadku
w zupełności wystarczy wersja z rysun−
ku 6.
3. Końcówki o numerach 10...17
(port P3)
Podobnie jak w przypadku portu P1,
port P3 może pełnić wszystkie opisane
wcześniej funkcje − może być wyjściem
lub wejściem. Dodatkowe symbole na
rysunku 3 tuż obok wyprowadzeń portu
P3 sugerują że port może też spełniać in−
ne dodatkowe funkcje. I tak też jest.
rysunku 7
rysunek 6. Głównym
Rys. 8. Najprostszy przykład wykorzystania
transmisji synchronicznej.
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/97
43
eż to potr
rysunek 6
eż to potrafisz
afisz
Rysunek 8
obrazuje sposób transmisji synchro−
nicznej do zewnętrznego 8−bitowego
rejestru TTL typu 74164.
− asynchronicznie − kiedy z góry zadaje−
my prędkość transmisji pomiędzy na−
szym procesorem 8051 a innym, ze−
wnętrznym układem np. łączem
RS232c komputera PC. W takim przy−
padku końcówka P3.0 − RXD pełni rolę
odbiornika przesyłanych szeregowo
danych (pierwsza litera symbolu “R”
oznacza receive − ang. odbiór), zaś
końcówka P3.1 − TXD nadajnika (“T” −
transmitt − ang. nadawanie).
Ponadto rozróżnia się kilka trybów
pracy asynchronicznej.
Tych, którzy nie zrozumieli dokładnie
dodatkowych funkcji wyprowadzeń RXD
i TXD pocieszam, że temat ten wyjaśnię
dokładnie w rozdziale na temat sposo−
bów komunikacji szeregowej w jednym
z kolejnych odcinków cyklu.
Alternatywna funkcją końcówek P3.2
(INT0\) oraz P3.3 (INT1\) jest funkcja de−
tekcji przerwań zewnętrznych. Dla tych
czytelników, którzy nie wiedzą, co to
oznacza, wyjaśniam, że pojęcie przerwa−
nia w tym przypadku odnosi się do zmia−
ny stanu logicznego (na omawianym wy−
prowadzeniu P3.2 lub P3.3) z “1” na
“0”. W efekcie “we wnętrzu” procesora
8051 zostaje ustawiona tak zwana flaga
(nazywana także jako “znacznik zgłosze−
nia przerwania”, co w odniesieniu do
techniki cyfrowej można wyobrazić so−
bie jako przerzutnik). Konsekwencją tego
jest automatyczne przerwanie wykony−
wania przez procesor programu i natych−
miastowe przejście do wykonania czyn−
ności ściśle określonych przez progra−
mistę. Ciąg takich czynności nazywany
jest w technice mikroprocesorowej:
“procedurą obsługi przerwania”. Naj−
prostszą analogią do zasady działania do−
wolnego przerwania (także zewnętrzne−
go typu INT0 lub INT1) jest np. sytuacja,
kiedy sprzątamy mieszkanie, czyli wyko−
nujemy określone czynności, powiedz−
my odkurzanie. Po tym mamy za zadanie
sprzątnąć kurz z półek, a następnie
umyć okna. W pewnej chwili rozlega się
Rysunek 8
gwizdek czajnika, więc oczywiście prze−
rywamy wykonywanie − tu użyję sformu−
łowania: “pętli głównej programu“, którą
jest sprzątanie pokoju − i szybko biegnie−
my wyłączyć gaz. Wykonaliśmy dwie do−
datkowe czynności: biegliśmy do kuchni
i wyłączyliśmy czajnik, czyli można po−
wiedzieć, że wykonaliśmy “procedurę
obsługi przerwania” (wyłączenia czajni−
ka, jak kto woli). Wykrycie zmiany stanu
logicznego na końcówkach przerwań ze−
wnętrznych INT0 i INT1 wiąże się ze
spełnieniem jednego warunku, a miano−
wicie, aby czas od wspomnianego ujem−
nego zbocza sygnału zgłoszenia prze−
rwania do ponownego przejścia w stan
wysoki był odpowiednio długi. Podobnie
jak w przypadku warunku sygnału RST,
czas ten zależy od częstotliwości zegara
mikroprocesora.
Dokładnie sposób działania systemu
przerwań procesora 8051 przedstawię
w kolejnych odcinkach.
Końcówki (P3.4 i P3.5) oznaczone na
diagramie z rysunku 3 jako T0 i T1 pełnią
dodatkową funkcję wejść uniwersal−
nych, programowalnych liczników, wbu−
dowanych w strukturę 8051. Procesor
80C51 zawiera dwa bliźniacze liczniki T0
i T1 (oznaczenie takie same jak końców−
ki). Maksymalnie mogą one zliczać do
2
16
= 65536, po czym zostają wyzerowa−
ne. Liczniki te oprócz zliczania impulsów
z wejść T0 i T1 mogą także zliczać impul−
sy wewnętrzne, pochodzące z generato−
ra mikrokontrolera. W praktyce wyko−
rzystywane jest to np. do odmierzania
określonych odcinków czasu np. przy
funkcji zegarka. Jak wspomniałem
wcześniej, liczniki mogą być programo−
wane przez użytkownika, a więc można
np. zmniejszyć ich pojemność (do 2
8
lub
2
13
), można także zapisać w nich war−
tość początkową, zatrzymać je w dowol−
nym momencie lub uruchomić. Szczegó−
ły w rozdziale na temat układów liczniko−
wych procesora 8051.
Pozostały do omówienia wyprowa−
dzenia P3.6 i P3.7, oznaczone jako WR\
i RD\.
Jak pisaliśmy we wcześniejszych nu−
merach EdW, prawie każdy mikrokontro−
ler posiada możliwość współpracy z pa−
mięcią zewnętrzną, którą przecież trzeba
zaadresować. W pamięci tej można prze−
chowywać istotne z punktu widzenia
użytkownika dane, np. poziom tempera−
tury z ostatnich dni półrocza (jeżeli pro−
cesor pracuje w układzie stacji meteoro−
logicznej), lub inne w zależności od po−
trzeb.
Aby zapisać takie informacje w ze−
wnętrznej pamięci danych potrzebne są
oprócz podania adresu komórki pamięci
do której ma nastąpić zapis, także sygna−
ły sterujące zapisem lub w przypadku
odczytywania − odczytem z pamięci.
Rys. 9. Typowe układy zewnętrznego
oscylatora kwarcowego.
Właśnie pin WR\ jest sygnałem zapisu
do zewnętrznej pamięci danych, a koń−
cówka RD\ wysyła sygnał do odczytu.
W praktycznych zastosowaniach jako
elementy pamięci wykorzystuje się ukła−
du statycznych RAM − czyli w skrócie
SRAM.
Procesor 8051 potrafi zaadresować
maksymalnie 65536 (2
16
) komórek pa−
mięci (bajtów), ale o tym później.
I to tyle na temat alternatywnych fun−
kcji portu P3, nie zapominajmy jednak że
port P3 (lub niektóre z jego pinów) może
pełnić rolę zwykłego, uniwersalnego por−
tu wejścia− wyjścia, podobnie jak P1.
4. Końcówki 18 i 19
(XTAL1 i XTAL2)
Końcówki te służą do dołączenia ze−
wnętrznego rezonatora kwarcowego
o częstotliwości zależnej od potrzeb
użytkownika, ale także od wersji układu
8051.
W praktyce częstotliwość ta może
wynosić od 1,2MHz do 12...16MHz, na
rynku spotyka się także wersje proceso−
rów pracujące przy wyższych częstotli−
wościach nawet do 40MHz, a także przy
niskich − nawet do pojedynczych herców
w wypadku procesorów 80C51 w wersji
statycznej (np. 89C51 firmy Atmel).
Dołączony do tych pinów rezonator
kwarcowy po uzupełnieniu o dodatkowe
kondensatory o wartości z reguły z prze−
działu 22...40pF (w zależności od wartoś−
ci rezonatora), umożliwiają pracę wbudo−
44
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/97
eż to potr
Też to potr
Piny P3.0 (RXD) i P3.1 (TXD) mogą pełnić
rolę portu transmisji szeregowej. W prak−
tyce poprzez te dwa wyprowadzenia moż−
na przesyłać informację (bajty i bity) z i do
procesora z innych układów cyfrowych
w sposób szeregowy, tzn. bit po bicie.
Ciekawostką niech będzie też fakt, że
przesyłanie to może odbywać się na kil−
ka sposobów:
− synchronicznie − wtedy pin P3.0 pełni
role dwukierunkowej magistrali szere−
gowej, po której przesyłane są dane,
zaś pin P3.1 generuje sygnał taktujący,
pełniąc rolę zegara (podobnie jak
w szeregowych rejestrach przesuw−
nych np. 74164, 74165). Rysunek 8
eż to potrafisz
afisz
wanemu w 8051 generatorowi, który
“napędza” cały mikroprocesor. Oczy−
wiście od częstotliwości rezonatora ściś−
le zależy szybkość działania naszego
mikrokontrolera. Typowy układ zewnęt−
rznego oscylatora przedstawia rysunek
rysunek
oznacza biegun ujemny napięcia zasilają−
cego. W naszych zastosowaniach bę−
dziemy dołączać ten pin do masy przy−
szłego układu elektronicznego.
6. Końcówki o numerach 21...28
(port P2)
Są to wyprowadzenia drugiego 8−bito−
wego portu procesora. Port P2 spełnia
wszystkie funkcje podobnie jak P1. Do−
datkowo poprzez końcówki portu P2 po−
dawana jest w razie potrzeby starsza
część adresu (A8...A15) przy dostępie do
zewnętrznej pamięci danych (SRAM)
a także programu (np. EPROM). Sposób
w jaki to się odbywa opiszemy przy
okazji “dołączania pamięci zewnętrznej
do mikrokontrolera 8051”.
7. Końcówka 29 (PSEN\)
W przypadku pracy procesora z ze−
wnętrzna pamięcią programu (np. EP−
ROM) końcówka ta wysyła sygnał odczy−
tu z tej pamięci. W praktyce jest ona do−
łączona do wejścia OE\ współpracującej
pamięci EPROM. Procesor chcąc odczy−
tać kolejny rozkaz (polecenie do wykona−
nia) z zewnętrznej pamięci programu po−
daje poziom niski na końcówkę “PSEN”
a następnie dokonuje odczytu.
Dzieje się tak w ściśle określonych
warunkach, synchronicznie z częstotli−
wością zegara procesora. Jeżeli posiada−
my wersję procesora z wewnętrzną pa−
mięcią (typu EPROM lub EEPROM),
i wykorzystujemy prace z tą wewnętrzną
pamięcią, końcówka 29 powinna pozo−
stać niepodłączona.
8. Końcówka 30 (ALE)
O końcówce 30 powiemy przy okazji
omawiania portu P0.
9. Końcówka 31 (EA\)
Powinna być dołączona do masy, je−
żeli mikroprocesor pobiera rozkazy w ze−
wnętrznej pamięci programu (patrz
pkt.7), lub do plusa zasilania (+5V) jeżeli
z wewnętrznej.
W pewnych układach procesor pomi−
mo że posiada wewnętrzna pamięć pro−
gramu, ze względu na zbyt małą je po−
jemność, musi sięgać do zewnętrznej
pamięci. W takim przypadku pin EA\ po−
winien być dołączony do plusa zasilania,
tak aby procesor po jego “resecie” mógł
rozpocząć pracę pobierając rozkazy
z wbudowanej pamięci programu. Nale−
ży także pamiętać że dołączenie EA\ do
masy blokuje wewnętrzną pamięć pro−
gramu jeżeli ona istnieje.
W praktyce jest to często stosowany
chwyt, kiedy kupujemy w sklepie na
ogół kilkakrotnie tańszą wersję proceso−
ra z pamięcią wewnętrzną typu ROM.
W pamięci takiej najczęściej zapisany
jest pewien program lecz, z naszego
punktu widzenia jest on zupełnie bezuży−
teczny. Toteż aby w pełni wykorzystać
walory mikroprocesora (oczywiście przy
pracy z zewnętrzną pamięcią programu)
bez uruchamiania nieznanego nam pro−
gramu, blokujemy pamięć ROM poprzez
zwarcie EA\ do masy.
99a.
Częstotliwość, z jaką pracują we−
wnętrzne układy mikroprocesora, jest
określona wzorem:
F = f
xtal
/12,
gdzie f
xtal
jest częstotliwością rezonatora
kwarcowego.
Powodem takiego podziału częstotli−
wości rezonatora jest wewnętrzna archi−
tektura wszystkich procesorów serii
8051. Wiąże się z tym pojęcie “cykli ma−
szynowych procesora” o których zna−
czeniu napiszę w rozdziale na temat os−
cylatora 8051.
W każdym razie z praktycznego punk−
tu widzenia, przedstawiony na rysunku
9 układ, podobnie jak układ resetu z rys.
6 jest niejako obowiązkowym (przynaj−
mniej na etapie nauki programowania).
Końcówka XTAL1 (pin 19) w układach
w wersji CMOS może także pełnić rolę
wejścia zewnętrznego sygnału zegaro−
wego o częstotliwości w zakresie, jak
opisano w przypadku stosowania rezo−
natora kwarcowego. Wtedy rezonator
i dodatkowe kondensatory są zbędne.
W przypadku gdy mamy do czynienia
z wersją w technologii HMOS wejściem
takiego sygnału jest XTAL2 (pin 18).
W obu przypadkach pozostały pin powi−
nien być nie podłączony. Dokładnie sytu−
ację tę wyjaśnia rys. 9b
rys. 9b i c.
5. Końcówka 20 (Vss)
Podobnie jak w większości układów
cyfrowych ostatnie wyprowadzenie
w “dolnym rzędzie” obudowy jest koń−
cówką ujemnego napięcia zasilającego −
masy (GND). W przypadku układów
CMOS podaje się oznaczenie Vss co
rys. 9b
10. Końcówki o numerach 32...39
(port P0)
Trzecim i ostatnim uniwersalnym por−
tem procesora 8051 jest P0. Podstawo−
we funkcje portu jako dwukierunkowej
bramy do wymiany danych są takie sa−
me jak w przypadku portów P1 i P2. Za−
sadniczą różnicą jest jednak zwiększona
obciążalność (do 8 wejść TTL) tego por−
tu oraz fakt nie posiadania wbudowa−
nych rezystorów podciągających koń−
cówki portu do plusa zasilania w wypad−
ku odczytu.
Dlatego przy projektowaniu dowol−
nych układów wyjściowych dołączanych
do tego portu należy uwzględnić wspo−
mniane właściwości tak, aby np. odpo−
wiednio spolaryzować bazy tranzysto−
rów z rys. 5.
Drugą bardzo ważną rolą, jaką pełni
P0, jest funkcja multipleksowanej magis−
trali danych (8−bitów: D7...D0) i młodszej
części adresu (A7...A0). Multipleksowa−
nej w praktyce znaczy “przełączalnej”,
czyli raz na końcówkach portu P0 proce−
sor może wystawić bajt danych (np. do
zapisu do zewnętrznej pamięci da−
nych), w innym przypadku adres,
w celu wybrania potrzebnej komórki
z pamięci SRAM, do której ma być za−
pisana.
Bardziej wnikliwy czytelnik zauważy,
że przecież do zapisu danej w zewnętrz−
nej pamięci SRAM potrzeba w sumie 16
sygnałów adresu (A0...A15) oraz 8−bitów
(sygnałów) danej. Potrzebne są zatem
3 ośmiobitowe porty (2 na adres i jeden
na daną), a my mamy do dyspozycji tylko
dwa P2 i P0.
Rys. 10. Dołączanie zatrzasku do procesora.
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/97
45
eż to potr
Też to potr
99a
9a
zanotowane.pl doc.pisz.pl pdf.pisz.pl hannaeva.xlx.pl
afisz
W poprzednim numerze “Elektroniki
dla Wszystkich” zaznajomiliśmy
Czytelników z pojęciem
mikroprocesora i mikrokontrolera.
Przedstawiliśmy ogólne założenia
dotyczące budowy układów
scalonych tego typu oraz przybliżony
sposób współpracy z innymi
układami peryferyjnymi.
W tym odcinku przedstawimy ogólny
opis wyprowadzeń mikroprocesora.
Jest to drugi z odcinków wstępnych
z cyklu obejmującego naukę
programowania procesora 8051.
Przypominamy, że wkrótce
zamkniemy listę kandydatów na
uczniów w “klasie
mikroprocesorowej”. Na zgłoszenia
chętnych czekamy do końca maja.
“Klasa mikroprocesorowa” to grupa
20−30 osób, które orztymają
bezpłatnie od firmy AVT zestaw
edukacyjny (składający się z dwóch
płytek z procesorem, klawiaturą,
wyświetlaczami itp.). Osoby te
zobowiązane będą do
przeprowadzania wszystkich
prostych ćwiczeń z zakresu nauki
programowania oraz do zgłaszania
autorowi cyklu wszelkich wynikłych
niejasności czy problemów. Ma to na
celu praktyczne sprawdzenie stopnia
opanowania przedstawionego
materiału, a także niewątpliwie
zapewni skuteczność nauki. Do
skorzystania z tej możliwości
zapraszamy osoby w różnym wieku,
od 12 do 80 lat.
Mikrokontrolery?
To takie proste...
Część 2
Charakterystyka mikrokontrolera 8051
Dlaczego 8051?
Ponieważ elektronika oparta na ukła−
dach mikroprocesorowych wkracza pod
strzechy coraz silniej, warto by przyjrzeć
się bliżej jednemu, bodaj najpopularniej−
szemu układowi tego typu, a mianowicie
mikrokontrolerowi 8051.
Zapewne wielu Czytelników EdW
spotyka się z oznaczeniem 8051. Niektó−
rych z pewnością ogarnia zimny dreszcz,
inni jak wynika z listów, są zaciekawieni
tematem i możliwościami programowa−
nia mikroprocesorów. Postaram się
w sposób przystępny, tak merytorycznie
jak i finansowo, (niestety z nauką wiąże
się część praktyczna, która wymaga mi−
nimum sprzętu do nauki programowa−
nia) pokazać i przekonać Was o tym że
projektowanie układów przy wykorzysta−
niu mikrokontrolera 8051 nie jest trudne.
Wymagane są jedynie podstawowe wia−
domości z techniki cyfrowej, mówiąc
konkretnie każdy, kto zna podstawowe
bramki logiczne oraz najprostsze typy
przerzutników, a jeżeli dodatkowo wyko−
nał sam jakiś układ lub opisany w litera−
turze, z pewnością nie będzie miał prob−
lemów z opanowaniem sztuki korzysta−
nia z mikroprocesora 8051.
Przy opisie samego procesora,
a w późniejszych numerach EdW, także
podczas krótkich lekcji na temat progra−
mowania, będę za każdym razem odwo−
ływał się do analogicznych układów wy−
konanych w standardowej technice cyf−
rowej (TTL czy CMOS). Dzięki temu każ−
dy zainteresowany tematem czytelnik,
zorientowany choć w podstawach cyf−
rówki, będzie w stanie strawić pewna
porcję wiedzy, oswajając się jednocześ−
Rys. 3. Opis wyprowadzeń mikrokont−
rolera 8051.
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/97
41
eż to potr
Też to potr
eż to potrafisz
afisz
Rys. 4. Zapis przykładowej liczby do
portu P1.
nictwem działu obsługi czytelników.
Koszt zakupu 8051 w chwili obecnej wa−
ha się w granicach 2,00...4,00 nowych
złotych, nie jest to więc dużo jak na kie−
szeń nawet nie zarabiającego amatora.
W chwili obecnej na rynku znajduje się
wersja mikroprocesora wykonana w tech−
nologii CMOS oznaczona jako 80C51.
Wszystkie parametry charakterys−
tyczne (prądowe i napięciowe) podane
w artykule będą odnosić się do tej wers−
ji, aczkolwiek dla uproszczenia będziemy
posługiwać się określeniem bez litery
“C” mówiąc o typ układzie.
Mikrokontroler 8051 umieszczony
jest w 40−nóżkowej obudowie (przeważ−
nie plastikowej) typu DIL (skrót od “Dual
In−Line Package”, co po angielsku zna−
czy “obudowa dwurzędowa”). Sama
ilość końcówek nie jest przerażająca,
wszakże znamy inne układy np.
ICL7106, które także umieszczone są
w takiej obudowie.
W tym miejscu ktoś może powie−
dzieć: “No tak, ale opis typowej ICL ki
(7106) można znaleźć prawie w każdym
czasopiśmie lub podręczniku, znaczenie
40−tu wyprowadzeń też, a tu mam taki
mikroprocesor, każdy mi mówi że to
układ uniwersalny, a ja i tak nie wiem co
mam z nim zro−
bić...”.
Zapoznanie się
z mikrokontrole−
rem rozpoczniemy
od ogólnego poz−
nania jego 40 wyprowadzeń, w końcu
tylko to “wystaje” z obudowy i jest wi−
doczne.
1. Końcówki o numerach 1...8
(port P1)
Są to wyprowadzenia 8−bitowego,
uniwersalnego portu mikroprocesora
oznaczanego w literaturze jako P1 (port
nr 1 jak kto woli). Jeżeli słowo “port” nie
jest do końca jasne, posłużę się porów−
naniem (choć mało dokładnym) do ukła−
du typu rejestrowego o 8−miu wyprowa−
dzeniach (8−bitach − stąd nazwa 8−bito−
wy). Czy pamiętamy układ serii TTL −
74198?. Jest to coś w tym stylu, tylko
że bardziej uniwersalne. Dla tych, którzy
nie wiedzą, co to 74198, inne proste po−
równanie. Port, jak każdy port, pomaga
w przyjmowaniu i wysyłaniu, tyle że nie
towarów, lecz informacji.
Port może pełnić rolę wyjścia informa−
cji binarnej (czyli że procesor może usta−
wiać stany logiczne na końcówkach tego
portu). Tak więc, jeżeli zachodzi potrze−
ba, procesor może np. wpisać do portu
P1 dowolną liczbę binarną z zakresu
0...255, np. 48. Binarnie liczba 48 =
00110000
B
. Oznaczenia poszczegól−
nych końcówek portu P1 wskazują na
kolejną pozycję bitu (cyfry liczby binar−
nej), co pokazuje rysunek 4.
Tak więc końcówka P1.7 (najstarsza)
przyjmie poziom logiczny 0, końcówka
P1.6 poziom 0, P1.5 poziom 1 itd.
Ale co daje “zapisanie jakiejś liczby do
portu P1”? Otóż zastosowań może być
wiele. Najprostsze z nich obrazuje rysu−
nie z na pozór skomplikowanym ukła−
dem cyfrowym, jakim jest 8051 ka.
Dla sceptyków, którzy sądzą, że pro−
gramowanie procesora 8051, nawet na
etapie “przedszkola”, wymaga posiada−
nia drogiego komputera klasy PC, mam
miłą wiadomość. Otóż skonstruowałem
podstawowy układ aplikacyjny na proce−
sor 8051 (nieduża płytka drukowana
+ kilka podzespołów), dzięki któremu
każda teoretyczna lekcja na łamach na−
szego pisma, będzie mogła być natych−
miast powtórzona w praktyce na stole
każdego z Was, drodzy Czytelnicy. By−
najmniej nie będzie potrzebny także ża−
den programator pamięci EPROM lub in−
ne, często kosztowne wyposażenie. Wy−
starczą dobre chęci i trochę wolnego
czasu, a z pewnością każdy z Was bę−
dzie zachwycony efektami swojej pracy,
czyniąc pierwsze kroki w technice mik−
roprocesorowej.
Trochę o samym
bohaterze
Na początek przyjrzyjmy się samemu
mikroprocesorowi 8051. Warto w tym
miejscu wyjąc z szuflady biurka taką kos−
tkę, a jeżeli ktoś jej nie posiada, może ją
nabyć prawie w każdym sklepie z podze−
społami elektronicznymi, lub za pośred−
rysu−
nek 5. Do każdego wyprowadzenia portu
P1 dołączono układ z przekaźnikiem, któ−
rego styki załącza−
ją dowolne urzą−
dzenie elektryczne
np. w mieszkaniu.
W sumie na rysun−
ku jest ich osiem,
lecz w praktyce nie musimy korzystać ze
wszystkich wyprowadzeń portu. Przy ta−
kim wykorzystaniu portu program zawar−
ty w mikroprocesorze może na przykład
włączać i wyłączać oświetlenie w miesz−
kaniu. Uzyskamy świetny symulator
obecności domowników.
Projektując układ wykonawczy należy
mięć na uwadze maksymalną obciążal−
ność każdego z wyprowadzeń portu P1,
z reguły wynosi ona 10mA (w obecnie
oferowanych wersjach procesora) na
każdy pin. Można zatem wysterować za
pomocą portu maksymalnie do czterech
wejść TTL serii standard.
Istotną zaletą portów uniwersalnych
procesora (w tym także P1) jest możli−
wość indywidualnego ustawiania pozio−
mu logicznego na każdym wyprowadze−
niu niezależnie. Nie trzeba zatem zapisy−
wać całej liczby do portu aby np. zmienić
stan tylko na jednym wyprowadzeniu,
wystarczy ustawić (rozkazem zwanym
SETB) lub wyzerować (rozkazem CLR)
odpowiedni bit rejestru portu P1, toteż
np. ustawienie pinu P1.5 na logiczne “0”
nastąpi poprzez wydanie polecenia: CLR
P1.5 (“clr” − clear, ang. zeruj,wyczyść).
Niechcący zahaczyliśmy o programowa−
nie, ale o tym będziemy mówić szczegó−
łowo przy innej okazji.
Końcówki dowolnego portu
procesora mogą pełnić zarówno
rolę wejść, jak wyjść.
Rys. 5. Najprostsze wykorzystanie portu portu P1.
42
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/97
eż to potr
Też to potr
nek 5
Też to potr
eż to potrafisz
afisz
Rys. 6. Podstawowy (użytkowy) układ
resetowania 8051.
Rys. 7. Inne rozwiązania układów
RESET.
elementem układu “resetu” jest kon−
densator elektrolityczny C. Z reguły jego
wartość powinna wynosić 10...22µF.
Jest on niezbędny do prawidłowej gene−
racji impulsu resetu przez układy we−
wnętrzne mikrokontrolera.
W starszych wersjach 8051 wykona−
nych w technologii HMOS, niezbędny
okazał się dodatkowy rezystor blokujący
wejście RST do masy, co zapewniało
wymuszenie stanu niskiego na tym pinie
podczas normalnej pracy układu. W no−
wych katalogach opisujących układy
w wersji CMOS, rezystor jest ten pomi−
jany, aczkolwiek w praktycznych ukła−
dach powinniśmy przewidzieć miejsce
na płytce drukowanej, ze względu na
różnorodność procesorów serii 8051.
Niech za przykład posłuży fakt, że pro−
ducent najnowszych procesorów z rodzi−
ny 8051 w kartach katalogowych naj−
nowszych wersji z wewnętrzna pamię−
cią EEPROM typu “Flash” zaleca stoso−
wanie tego rezystora pomimo iż produ−
kowane układy są wykonane w wersji
CMOS. My możemy stosować rezystor
o wartości 8,2...10k
W
.
Widoczny na rysunku 6 klawisz służy
do resetowania procesora bez koniecz−
ności wyłączania napięcia zasilającego.
Toteż w każdej chwili użytkownik może
przerwać wykonywanie programu przez
procesor.
Na rysunku 7
Port (cały lub niektóre z jego pinów),
podobnie jak przy zapisie, można usta−
wić także jako wejście informacji logicz−
nej. Każde z wyprowadzeń staje się wte−
dy wyjściem o wysokiej impedancji,
dzięki temu dowolny poziom logiczny
podany z wyjścia jakiegoś układu cyfro−
wego (np. z wyjścia bramki układu TTL
lub CMOS) może być odczytany poprzez
piny portu a informacja czy tym stanem
była logiczna “1” czy “0”, zostaje wyko−
rzystana przez procesor dla dalszego je−
go działania w zależności od spełnianej
akurat funkcji. Krótko mówiąc, procesor
może odczytać stany logiczne, jakie
z zewnątrz podano na końcówki portu.
Oczywiście poziomy logiczne napięć
wejściowych portu P1 (oraz każdego in−
nego) muszą zawierać się w przedziale
napięć zasilania mikrokontrolera, czyli
w zakresie 0...5V. Detekcja poziomów
logicznych odbywa się jak dla bramek
CMOS, stąd wartości progowe napięć
tych stanów są zbliżone do połowy na−
pięcia zasilającego. Istotną informacją
jest fakt że w trybie “odczytu” z portu
P1 końcówki są wewnętrznie podczepia−
ne (podciągane) do plusa zasilania po−
przez wbudowane w 80C51 rezystory,
co wymusza odczyt wysoki z portu
w wypadku niepodłączenia końcówki
portu.
2. Końcówka 9 (RST)
Z tematem mikroprocesorów czy mik−
rokontrolerów nierozłącznie wiąże się
pojęcie “resetowania”, czy jak kto woli
“kasowania” układu. Czynność ta wyko−
nywana poprzez podanie logicznej “1”
na te wyprowadzenie na pewien okres
czasu (jaki − o tym później) powoduje
skasowanie układu, a więc natychmias−
towe przerwanie wykonywanych czyn−
ności i rozpoczęcie cyklu działania proce−
sora od samego początku (tak jakbyśmy
włączyli zasilanie układu).
Czas trwania dodatniego impulsu ka−
sującego zależy od częstotliwości z jaką
pracuje mikroprocesor. Wyjaśnię to do−
kładnie w dalszej części artykułu. Z regu−
ły w typowych zastosowaniach czas
1ms w zupełności wystarcza.
W układach praktycznych do końców−
ki RST dołącza się mniej lub bardziej
skomplikowany układ który generuje wy−
magany impuls zerujący najczęściej
w trzech przypadkach:
− po włączeniu zasilania układu
− na nasze żądanie − poprzez np. przyciś−
nięcie klawisza (umieszczonego z re−
guły na płytce drukowanej tuż obok
procesora).
− w sytuacjach awaryjnych, kiedy np.
poprzez zakłócenie najczęściej na li−
niach zasilających nastąpi błędne dzia−
łanie układu mikroprocesora, w żargo−
nie często określa się to mianem
“zawieszenia” lub “niekontrolowanej
pracy” układu.
Trzeci przypadek dotyczy bardziej zło−
żonych układów stosowanych szczegól−
nie w automatyce i elektronice przemys−
łowej. My najczęściej spotkamy się
z dwiema pierwszymi sytuacjami. Przy−
kładowy układ zapewniający prawidłowy
skasowanie i ponowny start procesora
80C51 przedstawia rysunek 6
rysunku 7 pokazano inne, bardziej
złożone wersje układów pełniących funk−
cje resetu, lecz w naszym przypadku
w zupełności wystarczy wersja z rysun−
ku 6.
3. Końcówki o numerach 10...17
(port P3)
Podobnie jak w przypadku portu P1,
port P3 może pełnić wszystkie opisane
wcześniej funkcje − może być wyjściem
lub wejściem. Dodatkowe symbole na
rysunku 3 tuż obok wyprowadzeń portu
P3 sugerują że port może też spełniać in−
ne dodatkowe funkcje. I tak też jest.
rysunku 7
rysunek 6. Głównym
Rys. 8. Najprostszy przykład wykorzystania
transmisji synchronicznej.
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/97
43
eż to potr
rysunek 6
eż to potrafisz
afisz
Rysunek 8
obrazuje sposób transmisji synchro−
nicznej do zewnętrznego 8−bitowego
rejestru TTL typu 74164.
− asynchronicznie − kiedy z góry zadaje−
my prędkość transmisji pomiędzy na−
szym procesorem 8051 a innym, ze−
wnętrznym układem np. łączem
RS232c komputera PC. W takim przy−
padku końcówka P3.0 − RXD pełni rolę
odbiornika przesyłanych szeregowo
danych (pierwsza litera symbolu “R”
oznacza receive − ang. odbiór), zaś
końcówka P3.1 − TXD nadajnika (“T” −
transmitt − ang. nadawanie).
Ponadto rozróżnia się kilka trybów
pracy asynchronicznej.
Tych, którzy nie zrozumieli dokładnie
dodatkowych funkcji wyprowadzeń RXD
i TXD pocieszam, że temat ten wyjaśnię
dokładnie w rozdziale na temat sposo−
bów komunikacji szeregowej w jednym
z kolejnych odcinków cyklu.
Alternatywna funkcją końcówek P3.2
(INT0\) oraz P3.3 (INT1\) jest funkcja de−
tekcji przerwań zewnętrznych. Dla tych
czytelników, którzy nie wiedzą, co to
oznacza, wyjaśniam, że pojęcie przerwa−
nia w tym przypadku odnosi się do zmia−
ny stanu logicznego (na omawianym wy−
prowadzeniu P3.2 lub P3.3) z “1” na
“0”. W efekcie “we wnętrzu” procesora
8051 zostaje ustawiona tak zwana flaga
(nazywana także jako “znacznik zgłosze−
nia przerwania”, co w odniesieniu do
techniki cyfrowej można wyobrazić so−
bie jako przerzutnik). Konsekwencją tego
jest automatyczne przerwanie wykony−
wania przez procesor programu i natych−
miastowe przejście do wykonania czyn−
ności ściśle określonych przez progra−
mistę. Ciąg takich czynności nazywany
jest w technice mikroprocesorowej:
“procedurą obsługi przerwania”. Naj−
prostszą analogią do zasady działania do−
wolnego przerwania (także zewnętrzne−
go typu INT0 lub INT1) jest np. sytuacja,
kiedy sprzątamy mieszkanie, czyli wyko−
nujemy określone czynności, powiedz−
my odkurzanie. Po tym mamy za zadanie
sprzątnąć kurz z półek, a następnie
umyć okna. W pewnej chwili rozlega się
Rysunek 8
gwizdek czajnika, więc oczywiście prze−
rywamy wykonywanie − tu użyję sformu−
łowania: “pętli głównej programu“, którą
jest sprzątanie pokoju − i szybko biegnie−
my wyłączyć gaz. Wykonaliśmy dwie do−
datkowe czynności: biegliśmy do kuchni
i wyłączyliśmy czajnik, czyli można po−
wiedzieć, że wykonaliśmy “procedurę
obsługi przerwania” (wyłączenia czajni−
ka, jak kto woli). Wykrycie zmiany stanu
logicznego na końcówkach przerwań ze−
wnętrznych INT0 i INT1 wiąże się ze
spełnieniem jednego warunku, a miano−
wicie, aby czas od wspomnianego ujem−
nego zbocza sygnału zgłoszenia prze−
rwania do ponownego przejścia w stan
wysoki był odpowiednio długi. Podobnie
jak w przypadku warunku sygnału RST,
czas ten zależy od częstotliwości zegara
mikroprocesora.
Dokładnie sposób działania systemu
przerwań procesora 8051 przedstawię
w kolejnych odcinkach.
Końcówki (P3.4 i P3.5) oznaczone na
diagramie z rysunku 3 jako T0 i T1 pełnią
dodatkową funkcję wejść uniwersal−
nych, programowalnych liczników, wbu−
dowanych w strukturę 8051. Procesor
80C51 zawiera dwa bliźniacze liczniki T0
i T1 (oznaczenie takie same jak końców−
ki). Maksymalnie mogą one zliczać do
2
16
= 65536, po czym zostają wyzerowa−
ne. Liczniki te oprócz zliczania impulsów
z wejść T0 i T1 mogą także zliczać impul−
sy wewnętrzne, pochodzące z generato−
ra mikrokontrolera. W praktyce wyko−
rzystywane jest to np. do odmierzania
określonych odcinków czasu np. przy
funkcji zegarka. Jak wspomniałem
wcześniej, liczniki mogą być programo−
wane przez użytkownika, a więc można
np. zmniejszyć ich pojemność (do 2
8
lub
2
13
), można także zapisać w nich war−
tość początkową, zatrzymać je w dowol−
nym momencie lub uruchomić. Szczegó−
ły w rozdziale na temat układów liczniko−
wych procesora 8051.
Pozostały do omówienia wyprowa−
dzenia P3.6 i P3.7, oznaczone jako WR\
i RD\.
Jak pisaliśmy we wcześniejszych nu−
merach EdW, prawie każdy mikrokontro−
ler posiada możliwość współpracy z pa−
mięcią zewnętrzną, którą przecież trzeba
zaadresować. W pamięci tej można prze−
chowywać istotne z punktu widzenia
użytkownika dane, np. poziom tempera−
tury z ostatnich dni półrocza (jeżeli pro−
cesor pracuje w układzie stacji meteoro−
logicznej), lub inne w zależności od po−
trzeb.
Aby zapisać takie informacje w ze−
wnętrznej pamięci danych potrzebne są
oprócz podania adresu komórki pamięci
do której ma nastąpić zapis, także sygna−
ły sterujące zapisem lub w przypadku
odczytywania − odczytem z pamięci.
Rys. 9. Typowe układy zewnętrznego
oscylatora kwarcowego.
Właśnie pin WR\ jest sygnałem zapisu
do zewnętrznej pamięci danych, a koń−
cówka RD\ wysyła sygnał do odczytu.
W praktycznych zastosowaniach jako
elementy pamięci wykorzystuje się ukła−
du statycznych RAM − czyli w skrócie
SRAM.
Procesor 8051 potrafi zaadresować
maksymalnie 65536 (2
16
) komórek pa−
mięci (bajtów), ale o tym później.
I to tyle na temat alternatywnych fun−
kcji portu P3, nie zapominajmy jednak że
port P3 (lub niektóre z jego pinów) może
pełnić rolę zwykłego, uniwersalnego por−
tu wejścia− wyjścia, podobnie jak P1.
4. Końcówki 18 i 19
(XTAL1 i XTAL2)
Końcówki te służą do dołączenia ze−
wnętrznego rezonatora kwarcowego
o częstotliwości zależnej od potrzeb
użytkownika, ale także od wersji układu
8051.
W praktyce częstotliwość ta może
wynosić od 1,2MHz do 12...16MHz, na
rynku spotyka się także wersje proceso−
rów pracujące przy wyższych częstotli−
wościach nawet do 40MHz, a także przy
niskich − nawet do pojedynczych herców
w wypadku procesorów 80C51 w wersji
statycznej (np. 89C51 firmy Atmel).
Dołączony do tych pinów rezonator
kwarcowy po uzupełnieniu o dodatkowe
kondensatory o wartości z reguły z prze−
działu 22...40pF (w zależności od wartoś−
ci rezonatora), umożliwiają pracę wbudo−
44
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/97
eż to potr
Też to potr
Piny P3.0 (RXD) i P3.1 (TXD) mogą pełnić
rolę portu transmisji szeregowej. W prak−
tyce poprzez te dwa wyprowadzenia moż−
na przesyłać informację (bajty i bity) z i do
procesora z innych układów cyfrowych
w sposób szeregowy, tzn. bit po bicie.
Ciekawostką niech będzie też fakt, że
przesyłanie to może odbywać się na kil−
ka sposobów:
− synchronicznie − wtedy pin P3.0 pełni
role dwukierunkowej magistrali szere−
gowej, po której przesyłane są dane,
zaś pin P3.1 generuje sygnał taktujący,
pełniąc rolę zegara (podobnie jak
w szeregowych rejestrach przesuw−
nych np. 74164, 74165). Rysunek 8
eż to potrafisz
afisz
wanemu w 8051 generatorowi, który
“napędza” cały mikroprocesor. Oczy−
wiście od częstotliwości rezonatora ściś−
le zależy szybkość działania naszego
mikrokontrolera. Typowy układ zewnęt−
rznego oscylatora przedstawia rysunek
rysunek
oznacza biegun ujemny napięcia zasilają−
cego. W naszych zastosowaniach bę−
dziemy dołączać ten pin do masy przy−
szłego układu elektronicznego.
6. Końcówki o numerach 21...28
(port P2)
Są to wyprowadzenia drugiego 8−bito−
wego portu procesora. Port P2 spełnia
wszystkie funkcje podobnie jak P1. Do−
datkowo poprzez końcówki portu P2 po−
dawana jest w razie potrzeby starsza
część adresu (A8...A15) przy dostępie do
zewnętrznej pamięci danych (SRAM)
a także programu (np. EPROM). Sposób
w jaki to się odbywa opiszemy przy
okazji “dołączania pamięci zewnętrznej
do mikrokontrolera 8051”.
7. Końcówka 29 (PSEN\)
W przypadku pracy procesora z ze−
wnętrzna pamięcią programu (np. EP−
ROM) końcówka ta wysyła sygnał odczy−
tu z tej pamięci. W praktyce jest ona do−
łączona do wejścia OE\ współpracującej
pamięci EPROM. Procesor chcąc odczy−
tać kolejny rozkaz (polecenie do wykona−
nia) z zewnętrznej pamięci programu po−
daje poziom niski na końcówkę “PSEN”
a następnie dokonuje odczytu.
Dzieje się tak w ściśle określonych
warunkach, synchronicznie z częstotli−
wością zegara procesora. Jeżeli posiada−
my wersję procesora z wewnętrzną pa−
mięcią (typu EPROM lub EEPROM),
i wykorzystujemy prace z tą wewnętrzną
pamięcią, końcówka 29 powinna pozo−
stać niepodłączona.
8. Końcówka 30 (ALE)
O końcówce 30 powiemy przy okazji
omawiania portu P0.
9. Końcówka 31 (EA\)
Powinna być dołączona do masy, je−
żeli mikroprocesor pobiera rozkazy w ze−
wnętrznej pamięci programu (patrz
pkt.7), lub do plusa zasilania (+5V) jeżeli
z wewnętrznej.
W pewnych układach procesor pomi−
mo że posiada wewnętrzna pamięć pro−
gramu, ze względu na zbyt małą je po−
jemność, musi sięgać do zewnętrznej
pamięci. W takim przypadku pin EA\ po−
winien być dołączony do plusa zasilania,
tak aby procesor po jego “resecie” mógł
rozpocząć pracę pobierając rozkazy
z wbudowanej pamięci programu. Nale−
ży także pamiętać że dołączenie EA\ do
masy blokuje wewnętrzną pamięć pro−
gramu jeżeli ona istnieje.
W praktyce jest to często stosowany
chwyt, kiedy kupujemy w sklepie na
ogół kilkakrotnie tańszą wersję proceso−
ra z pamięcią wewnętrzną typu ROM.
W pamięci takiej najczęściej zapisany
jest pewien program lecz, z naszego
punktu widzenia jest on zupełnie bezuży−
teczny. Toteż aby w pełni wykorzystać
walory mikroprocesora (oczywiście przy
pracy z zewnętrzną pamięcią programu)
bez uruchamiania nieznanego nam pro−
gramu, blokujemy pamięć ROM poprzez
zwarcie EA\ do masy.
99a.
Częstotliwość, z jaką pracują we−
wnętrzne układy mikroprocesora, jest
określona wzorem:
F = f
xtal
/12,
gdzie f
xtal
jest częstotliwością rezonatora
kwarcowego.
Powodem takiego podziału częstotli−
wości rezonatora jest wewnętrzna archi−
tektura wszystkich procesorów serii
8051. Wiąże się z tym pojęcie “cykli ma−
szynowych procesora” o których zna−
czeniu napiszę w rozdziale na temat os−
cylatora 8051.
W każdym razie z praktycznego punk−
tu widzenia, przedstawiony na rysunku
9 układ, podobnie jak układ resetu z rys.
6 jest niejako obowiązkowym (przynaj−
mniej na etapie nauki programowania).
Końcówka XTAL1 (pin 19) w układach
w wersji CMOS może także pełnić rolę
wejścia zewnętrznego sygnału zegaro−
wego o częstotliwości w zakresie, jak
opisano w przypadku stosowania rezo−
natora kwarcowego. Wtedy rezonator
i dodatkowe kondensatory są zbędne.
W przypadku gdy mamy do czynienia
z wersją w technologii HMOS wejściem
takiego sygnału jest XTAL2 (pin 18).
W obu przypadkach pozostały pin powi−
nien być nie podłączony. Dokładnie sytu−
ację tę wyjaśnia rys. 9b
rys. 9b i c.
5. Końcówka 20 (Vss)
Podobnie jak w większości układów
cyfrowych ostatnie wyprowadzenie
w “dolnym rzędzie” obudowy jest koń−
cówką ujemnego napięcia zasilającego −
masy (GND). W przypadku układów
CMOS podaje się oznaczenie Vss co
rys. 9b
10. Końcówki o numerach 32...39
(port P0)
Trzecim i ostatnim uniwersalnym por−
tem procesora 8051 jest P0. Podstawo−
we funkcje portu jako dwukierunkowej
bramy do wymiany danych są takie sa−
me jak w przypadku portów P1 i P2. Za−
sadniczą różnicą jest jednak zwiększona
obciążalność (do 8 wejść TTL) tego por−
tu oraz fakt nie posiadania wbudowa−
nych rezystorów podciągających koń−
cówki portu do plusa zasilania w wypad−
ku odczytu.
Dlatego przy projektowaniu dowol−
nych układów wyjściowych dołączanych
do tego portu należy uwzględnić wspo−
mniane właściwości tak, aby np. odpo−
wiednio spolaryzować bazy tranzysto−
rów z rys. 5.
Drugą bardzo ważną rolą, jaką pełni
P0, jest funkcja multipleksowanej magis−
trali danych (8−bitów: D7...D0) i młodszej
części adresu (A7...A0). Multipleksowa−
nej w praktyce znaczy “przełączalnej”,
czyli raz na końcówkach portu P0 proce−
sor może wystawić bajt danych (np. do
zapisu do zewnętrznej pamięci da−
nych), w innym przypadku adres,
w celu wybrania potrzebnej komórki
z pamięci SRAM, do której ma być za−
pisana.
Bardziej wnikliwy czytelnik zauważy,
że przecież do zapisu danej w zewnętrz−
nej pamięci SRAM potrzeba w sumie 16
sygnałów adresu (A0...A15) oraz 8−bitów
(sygnałów) danej. Potrzebne są zatem
3 ośmiobitowe porty (2 na adres i jeden
na daną), a my mamy do dyspozycji tylko
dwa P2 i P0.
Rys. 10. Dołączanie zatrzasku do procesora.
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/97
45
eż to potr
Też to potr
99a
9a