فصل اول: ميكروكنترلر AT89C 2051

 

1_1) تاريخچه

با وجود گذشت30 سال از تولد ريز پردازنده تصور وسايل الكترونيكي بدون آنها كار مشكلي است در سال 1971 شركت اينتل 8080 را به عنوان اولين ريزپردازنده موفق عرضه كرد. مدت كوتاهي بعد از آن موتورولا، RCA و سپس Zilog انواع مشابهي راهمچون 6800، 6502 80Z، را عرضه كردند ، گرچه اين مدارها به خودي خود فايده چنداني نداشتند اما بعنوان بخشي از يك كامپيوتر تك بورد براي آموزش طراحي با ريز پردازنده تبديل شدند.

ميكروكنترلر قطعه اي شبيه ريز پردازنده است در سال 1976 اينتل 8748 را به عنوان اولين قطعه خانواده ميكروكنترلر هاي 48_ MCS معرفي كرد. توان، ابعاد و پيچيدگي ميكروكنترل ها با اعلام ساخت 8051، يعني اولين عضو خانواده ميكرو كنترلر هاي _ MCS 51 در 1980 توسط اينتل پيشرفت چشمگيري كرد.

(2-1) خلاصه سخت افزار اين قطعه عبارت است از:

4k بايت ROM، 128 بايت RAM ، 4 درگاه ورودي خروجي، 2 تايمر شمارنده 16 بيتي ، رابط سريال ، 64k بايت فضاي حافظه خارجي بركد 64x بايت فضاي حافظه خارجي براي داده، پردازنده بولي، 210 مكان بيتي آدرس پذير، انجام عمليات ضرب و تقسيم در 4 ميكرو ثانيه .

(1-3-1) تغذيه _پايه هاي 20=GND و 40=VCC)

ميكرو كنترلر با يك تغذيه V5 كار مي كند كه پايه 40 سر مثبت آن است .

 

 

 

2-2-1)پالس ساعت (پايه هاي 18 و 19)

اين پايه ها جهت اتصال به كريستال نوسان ساز به كار مي روند كه با مدارات داخلي پالس ساعت سيستم را توليد مي كند.

3-2-1) درگاه هاي موازي( پورت هاي صفر ف يك ، دو ، سه)

ميكرو كنترلر داراي چهار درگاه 8 بيتي است كه مي تواندعلاوه بر منظور خاص، پايه هاي ورودي خروجي نيز باشند.

در ميان پورت ها، پورت سه كمي با ديگر پورت ها متفاوت است زيراعلاوه بر يك درگاه عمومي هر يك از پايه هاي عملكرد ديگري نيز مي توانند داشته باشند كه به شرح زير است :

جدول شماره 1-1 پورت ها

شماره پايه	بيت	نام	وظيفه
10	P3.0	RXD	دريافت داده درگاه سريال
11	P3.1	TXD	ارسال داده درگاه سريال
12	P3.2	INT0	وقفه خارجي صفر
13	P3.3	INT1	وقفه خارجي يك
14	P3.4	T0	ورودي تايمر يا كانتر صفر
15	P3.5	T1	ورودي تايمر يا كانتر يك
16	P3.6	WR	سيگنال فعال ساز نوشتن
17	P3.7	RD	سيگنال فعال ساز خواندن

 

لازم به ذكر است كه پورت هاي صفر و دو نيز به عنوان باس آدرس دهي به حافظه خارجي كاربرد دارد و پورت هاي دو منظوره مي باشند.

 

 

 

 

4-2-1) PSEN( پايه 29، Program Store Enable)

وقتي برنامه از حافظه خارجي اجرا مي شود ميكرو كنترلر در زمان هايي كه لازم است عمل واكنشي انجام دهد اين سيگنالها خروجي را فعال (low) مي كند كه ميتواند اين سيگنال براي فعال كردن OE حافظه برنامه به كار رود.

5-2-1) ALE( پايه 30، Address Latch Enable)

همانطور كه گفته شد درگاه p0 مي تواند هم باس داده باشد و هم باس آدرس . وقتي ALE فعال (High) باشد يعني ديتاي روي ديتا باس يك آدرس است و در صورت فعال بودن آن يك داده مي باشد

6-2-1) Ea( پايه 31، External Access)

اگر بخواهيم از حافظه برنامه داخلي استفاده نماييم اين پايه را غير فعال (High) مي كنيم با فعال كردن اين پايه (low) ، شروع حافظه برنامه از آدرس صفر برنامه خارجي خواهد بود و حافظه برنامه داخلي بلا استفاده خواهد ماند

7-2-1)RST( پايه 9، Reset)

بافعال كردن اين پايه (high) حداقل به مدت دو سيكل ماشين رجيستر هاي داخلي ميكروكنترلر با مقادير مناسبي پر شده و ميكروكنترلر از آدرس (0000) شروع به اجراي برنامه مي كند.

3-1) حافظه داده جزئيات:

فضاي حافظه ميكرو كنترلر ها عبارتند از:

1- 64 كيلو بايت حافظه داده خارجي از آدرس صفر الي FFFF H

2- 128 بايت (يا 256 بايت ) حافظه داده داخلي از آدرس صفر الي F H 7 (يا از آدرس FF H براي 8052)

3_ 128 بايت حافظه داخلي تحت نام SFR از آدرس H 80 تا FF

4-1) رجيستر هاي داخلي ميكروكنترلر (حافظه داخلي)

رجيستر هاي داخلي ميكروكنترلر ها به دو دسته تقسيم مي شوند:

1-4-1) رجيستر هاي عمومي:

در واقع همان RAM داخلي است و به علت تعداد زياد آنها به جاي اسم به آنها شماره اي نسبت داده اند از H00 الي FH7

2-4-1) رجيستر هاي SFR يا رجيستر هاي خاص:

اين رجيسترها علاوه بر اينكه رجيستر معمولي هستند هر كدام براي كاربرد خاص هم استفاده مي شوند اين رجيستر ها ف رجيسترهاي مهم CPU بوده و از آدرس H80 الي FF H از RAM داخلي مي باشد كه فقط به صورت مستقيم قابل دسترسي مي باشد

فضاي حافظه RAM داخلي( يعني 128 بايت اول) به سه گروه مجزا تفكيك شده است همه گروه ها به صورت بايتي قابل آدرس دهي هستند اما گروه هاي II و III خواص ديگري نيز دارند كه درزير شرح مي دهيم:

5-1) گروه II( Bite Addressable):

32 بايت اول حافظه RAM داخلي( از آدرس H00 الي FH1) شامل بانك هاي ثبات مي باشد كه به چهار گروه A بايتي تقسيم مي شود و در هر لحظه 8 بايت از اين 32 بايت قابل دسترسي مي باشد كه به 0R، 1R،2R،3R،... الي 7R نشان داده مي شود اينكه 0R الي 7R در هر لحظه بيان كننده كدام يك از اين 32 بايت مي باشد به دو بيت از رجيستر PSW به نام هاي 0RS و 1RS كه قابل آدرس دهي بيتي مي باشند بستگي دارد يعني مثلا براي (0=0RS، 1=1RS) 0R بيان گر بايت شماره هشتم از RAM داخلي و مثلا 3R بيان گر بايت 11 از RAM داخلي مي باشد . استفاده از دستورات رجيستر هاي بانك ثبات به روش آدرس دهي مستقيم كه در ادامه توضيح داده مي شود ترجيح دارد.

6-1) ثبات هاي كنترلي:

1-6-1) ثبات آكومولاتور(Accumulator):

اكومولاتور يا ACC كه به اختصار در دستورات A هم نوشته مي شد يك رجيستر 8 بيتي بوده كه تقريبا بيشتر عمليات انتقال و منطق و شيفت به علت آدرس شدن بيتي روي آن انجام مي شود.

2-6-1) ثبات كلمه وضعيت برنامه (program statues word)PSW:

بيت هاي اين ثبات تحت تاثير بعضي عمليات هاي ميكروپروسسوري (رياضي يامنطقي) فعال مي شوند اين ثبات داراي بيت هاي آدرس پذير بوده و شامل بيت هاي زير مي باشد:

بيت پرچم نقلي: هشتمين بيت پرچم اين بايت است و يك بيت دومنظوره است اگر در يك عمل جمع يك بيت نقلي از بيت 7 آكومولاتور خارج شود يا در طي عمل تفريق يك بيت فرضي به بيت هفتم وارد شود بيت پرچم نقلي يك مي شود

بيت پرچم نقلي كمكي: هنگام جمع كردن اگر يك انتقال از بيت 3 به بيت چار آكومولاتور اتفاق بيفتد پرچم نقلي كمكي يك مي شود

بيت پرچم صفر: يك بيت پرچم همه منظوره براي استفاده كاربران است

بيت پرچم سرريز (over flew flag) OV: اگر نتيجه جمع يا تفريق در آكولاموتور جا نشود پرچم سرريز يك مي شود كه بيانگر ناصحيح بودن نتيجه موجود در آكولاموتور است

بيت توازن (parity bit): اين بيت به طور خودكار با توجه به محتواي اكولاموتور صفر يا يك مي گردد به طوري كه تعداد بيت هاي يك انباره به اضافه اين بيت به تعداد زوج منجر شود

3-6-1) ثبات B: اين ثبات يك ثبات 8 بيتي آدرس پذير مي باشد كه هم به عنوان يك رجيستر عمومي و هم براي كاربرد خاص در نظر گرفته شده است كه كاربرد خاص و اصلي آن انجام عمليات ضرب و تقسيم در آن مي باشد.

4-6-1) SP ياحافظه اشاره گر پشته( stack pointer):

SP يك رجيستر 8 بيتي است كه آدرس آن خانه H1 8 از RAM داخلي مي باشد استفاده از آن زماني است كه نياز به يك حافظه موقت جهت انجام عملي باشد و نخواهيم محتواي قبلي آن از بين برود و يا هنگامي كه بخواهيم به يك برنامه فرعي برويم (مثلا با دستور CALL) اگر لازم باشد بعضي از نتايج برنامه اصلي در جايي ذخيره گردد تا در برنامه فرعي چنانچه مجددا از آنها استفاده كرديم محتواي قبلي آن از بين نرود و با برگشت به برنامه اصلي بتوانيم از آنها استفاده نماييم. شماره آدرس اين فضا به وسيله اشاره گر پشته يا SP مشخص مي شود (كه براي همين بايد SP را در ابتداي كار عدد دهي كنيم) و چنانچه اين كار انجام نشود ميكروكنترلر مقدار H7 0 را براي آن در نظر مي گيرد دستورات PUSH و POP مربوط به اين قسمت از حافظه مي باشد كه در مورد آنها در قسمت هاي بعد توضيح داده مي شود

5-6-1) ثبات اشاره گر(Data Pointer Register):

اين ثبات دو بايتي بوده و مي توانديك عدد چهار رقمي هگز را در خود ذخيره كند كه از آن به عنوان آدرسي براي دستيابي به حافظه كد يا داده خارجي استفاده مي شود و آدرس آن H82 و H83 از RAM داخلي درقسمت SFRقرار دارد

 

6-6-1) ثبات تايمر (كانتر):

تايمر:

8051 داراي دو قبات 16 بيتي متمايز است كه مي تواند هم به صورت تايمر و هم به صورت شمارنده عمل كند كه در حالت تايمر اين ثبات با يك عدد پر مي شود و بايك فركانس خاص شروع به زياد شدن مي كند تا به حداكثر رسيده و به صفر بر مي گردد كه اين حالت يك بيت يافلگ را از صفر به يك تغيير مي دهد

كانتر:

در اين حالت چون بايد اتفاقات شمرده شود بنابراين پالس از خارج ميكرو كنترلر به پايه آي سي (1T ، 0T) امده و باعث افزايش محتواي ثبات مي شود و به صورت شمارنده عمل مي كند كه توضيح كامل عملكرد اين ثبات در مبحث تايمر آمده است .

7-6-1) تايمرTCON:

TCON:

ثبات كنترلر تايمر و كانتر و وقفه هاي خارجي مي باشد كه آدرس H88 قر ار دارد و به صورت بيتي آدرس كردن است

جدول 2-1 ثبات تایمر

 

 

0IT

0IE

1IT

1IE

0TR

0TF

1TR

1TF

 

چهار بيت كم ارزش رابراي كنترل وقفه هاي خارجي است كه بيت 0IT و 1IT جهت حساس كردن وقفه به لبه پايين رونده به كار مي رود و بيتهاي 0IE و 1IE به هنگام وقوع وقفه خارجي فعال مي شوند و پس از وقوع وقفه پاك مي شوند

بيت هاي 0TR و 1TF براي پي بردن به اينكه يك دوره تايمر كامل شده است يا خير مي باشد.

8-6-1) ثبات TMOD:

با اين ثبات مي توان حالت تايمر صفر يا تايمر يك را تعيين كرد

9-6-1) ثبات IE:

جهت فعال ياغير فعال كردن وقفه هامي باشد

10-6-1) ثبات IP:

جهت تعيين اولويت وقفه ها مي باشد

11-6-1) ثبات SCON:

ثبات كنترل درگاه سريال است كه به كمك آن مي توان حالت كاري درگاه را تعيين و همچنين پرچم هايي كه پر يا جالي بودن ثبات اطلاعات سريال را به عهده دارند در آن قرار دارند.

12-6-1) ثبات SBUF:

دو ثبات مستقل درگاه سريال وجود دارد كه CPU اطلاعاتي را كه بايد بفرستد يا اطلاعاتي را كه بايد دريافت كند از آنها استفاده مي كند

13-6-1) ثبات PCON:

از اين ثبات جهت كنترل توان مصرفي و همچنين تغيير سرعت سريال استفاده مي شود .

7-1) فرضيات ميكرو كنترلر به هنگام رجوع به حافظه برنامه:

خانه هاي ابتداي حافظه برنامه از آدرس H0000 الي H0025 اختصاص به وقفه دارد و هروقفه يك مكان مشخص در حافظه برنامه دارد و پس از وقوع وقفه ، CPU به آن محل از حافظه برنامه رفته و از آنجا شروع به اجرا برنامه مي كند كه آدرس وقفه در شكل 3_1 آمده است

 

8-1) ساختار درگاه I/O:

همان طور كه گفته شد ميكرو كنترلر داراي چهار درگاه 8 بيتي است كه بجز 1P بقيه درگاه ها چند منظوره مي باشد شكل هال زير مدارات داخلي درگاه ها را به صورت مختصر نشان مي دهند.

ساختار درگاه هاي 2p و 3P مشابه شكل هاي كذكور است با اين تفاوت كه در آن ها قسمت خروجي شبيه 1p و قسمت مياني (انتخاب گر) تقريبا هميشه 0P است

9-1) روش هاي آدرس دهي:

1-9-1) مفهوم مد هاي آدرس دهي:

بعضي ازدستورالعمل ها يك مجموعه عمل اعمال از پيش تعريف شده كه همواره يك كارمعين را شكل مي دهند و هيچ تغييري در آن ها امكان پذير نيست.

به عنوان مثال: دستور MUL AB

كه مقدار حافظه B را در حافظه A ضرب كرده و حاصل آن را در آن دو قرار مي دهد اما دستور ADD كه بيان كننده جمع دو حافظه مي باشد نه تنها براي جمع ثبات آكولاموتور با ثبات B طراحي و تعريف شده است بلكه مي توان آكولاموتور را با يك عدد خاص و يا ثبات هاي ديگر جمع كرد مبحث مد هاي آدرس دهي وظيفه تفكيك حالت هاي مختلف دستوري را به عهده دارد .

تذكر:

علامت # (Number Sign) در برنامه نويسي نشان دهنده آدرس فوري يا بلافصل مي باشد

2-9-1) انواع مدهاي آدرس دهي در ميكروكنترلر:

1_ روش آدرس دهي فوري يا بلافصل:

در اين روش عملوند موردنظر بلافاصله بعد از دستور العمل(OPCODE) كه در خود حافظه برنامه است قرار مي گيرد به عنوان مثال دستور H46#A, MOV يك آدرس دهي فوري مي باشد و به طور كلي اين دستورات به فرم عمومي (DATAN # ,1OP دستور) نوشته مي شود و دو بايتي مي باشند.

 

ب_ روش آدرس دهي مستقيم:

در اينجا عملوند در يكي از خانه هاي RAM داخلي و يا SFR هاست كه كافي است شماره خانه را تحت عنوان يك عدد و يا اسم حافظه را به صورت حرفي به فرم H90 A, MOV مي آوريم. اين دستورات به فرم عمومي (DIRECT,1OP دستور) نوشته مي شود و مشابه روش قبلي دو بايتي مي باشند.

ت_ روش آدرس دهي غير مستقيم:

در اين حالت عملوند در يك خانه از حافظه قرار دارد كه آدرس يا شماره آن خانه از حافظه در 0R و يا 1R يا DPTR قرار دارد و حالت هاي زير براي آن امكان پذير است .

تذكر:

علامت @ در برنامه نويسي نشان دهنده آدرس دهي غير مستقيم است

اين دستورات به فرم عمومي (RI @ ,1OP دستور) يا (2OP,RI @ دستور) نوشته مي شوند و يك بايتي مي باشند.

تذكر:

تنها دستوري كه براي دسترسي به حافظه ديتاي خارجي به كار مي رود MOVX است كه به MOVE EXTERNAL معروف است فرم عمومي اين دستورات مشابه موارد ذكر شده است

 

 

ث_ آدرس دهي ثبات:

اين آدرس دهي شبيه آدرس دهي مستقيم مي باشد با اين تفاوت كه خود اين دستور يك بايتي است براي حالتي كه بخواهيم دستورات سريع تر اجرا شوند (مثلا براي داده هايي كه به صورت متوالي دريك برنامه از آن استفاده مي شود) از اين مد آدرس دهي استفاده مي كنيم يعني در اين مد در يكبايت هم دستورالعمل نهفته است وهم آدرس عملوند، كه در آن جايگاه عملوند يكي از رجيسترهاي بانك ثبات مي باشد .

فرم عمومي اين دستورات به صورت (Rn، 1OP دستور) و دستور يك بايتي مي باشد .

ج_ آدرس دهي ضمني: