Tìm Hiểu Vi Điều Khiển 8051 – IC 8051

Related Articles

Thạch Anh ( crystal ) – Tạo Dao Động

28/08/2015

Tụ Điện

29/04/2015

Điện Trở

29/04/2015

Xin chào tất cả các bạn.

Như các bạn đã biết hiện nay có rất nhiều dòng vi điều khiển khác nhau ra đời như: Pic, AVR….nhưng mở đầu cho dòng vi xử lý thì không ai là không biết đến họ 8051. Hôm nay mình sẽ giới thiệu tổng quan chi tiết hơn cho các bạn cùng hiểu hơn về dòng vi xử lý 8051 này nhé.

Đặc tính	Số lượng
ROM trên chíp RAM Bộ định thời Các chân vào – ra Cổng nối tiếp Nguồn ngắt	4K byte 128 byte 2 32 1 6

Bảng 1: Các đặc tính cơ bản của 8051.

1.2 Bộ vi điều khiển 8051

        Bộ vi điều khiển 8051 là thành viên đầu tiên của họ 8051. Hãng Intel ký hiệu nó như là MCS51. Bảng 1 trình bày các đặc tính của 8051.

1.3 Các thành viên khác của họ 8051

            Có hai bộ vi điều khiển thành viên khác của họ 8051 là 8052 và 8031.

a- Bộ vi điều khiển 8052

            Bộ vi điều khiển 8052 là một thành viên khác của họ 8051, 8052 có tất cả các đặc tính chuẩn của 8051 ngoài ra nó có thêm 128 byte RAM và một bộ định thời nữa. Hay nói cách khác là 8052 có 256 byte RAM và 3 bộ định thời. Nó cũng có 8K byte ROM. Trên chíp thay vì 4K byte như 8051.

 

Đặc tính	8051	8052	8031
ROM trên chíp	4K byte	8K byte	OK
RAM	128 byte	256 byte	128 byte
Bộ định thời	2	3	2
Chân vào ra	32	32	32
Cổng nối tiếp	1	1	1
Nguồn ngắt	6	8	6

Bảng 2: so sánh các đặc tính của các thành viên  họ 8051.

Như nhìn thấy từ bảng 2 thì 8051 là tập con của 8052. Do vậy tất cả mọi chương trình viết cho 8051 đều chạy trên 8052 nhưng điều ngược lại là không đúng.

b- Bộ vi điều khiển 8031

            Một thành viên khác nữa của 8051 là chíp 8031. Chíp này thường được coi như là 8051 không có ROM trên chíp vì nó có OK byte ROM trên chíp. Để sử dụng chíp này ta phải bổ xung ROM ngoài cho nó. ROM ngoài phải chứa chương trình mà 8031 sẽ nạp và thực hiện. So với 8051 mà chương trình được chứa trong ROM trên chíp bị giới hạn bởi  4K byte, còn ROM ngoài chứa chương trinh được gắn vào 8031 thì có thể lớn đến 64K byte. Khi bổ xung cổng, như vậy chỉ còn lại 2 cổng để thao tác. Để giải quyết vấn đề này ta có thể bổ xung cổng vào – ra cho 8031. Phối phép 8031 với bộ nhớ và cổng vào – ra chẳng hạn với chíp 8255 được trình bày ở chương 14. Ngoài ra còn có các phiên bản khác nhau về tốc độ của 8031 từ các hãng sản xuất khác nhau.

1.4 Các bộ vi điều khiển 8051 từ các hãng khác nhau

            Mặc dù 8051 là thành viên phổi biến nhất của họ 8051 nhưng chúng ta sẽ  thấy nó trong kho linh kiện. Đó là do 8051 có dưới nhiều dạng kiểu bộ nhớ khác nhau như UV – PROM, Flash và NV – RAM mà chúng đều có số đăng ký linh kiện khác nhau. Việc bàn luận về các kiểu dạng bộ nhớ ROM khác nhau sẽ được trình bày ở chương 14. Phiên bản UV-PROM của 8051 là 8751. Phiên bản Flash ROM được bán bởi nhiều hãng khác nhau chẳng hạn của Atmel corp với tên gọi là AT89C51 còn phiên bản NV-RAM của 8051 do Dalas Semi Conductor cung cấp thì được gọi là DS5000. Ngoài ra còn có phiên bản OTP (khả trình một lần) của 8051 được sản xuất bởi rất nhiều hãng.

a- Bộ vi điều khiển  8751

            Chíp 8751 chỉ có 4K byte bộ nhớ UV-EPROM trên chíp. Để sử dụng chíp  này để phát triển yêu cầu truy cập đến một bộ đốt PROM cũng như bộ xoá UV-  EPROM để xoá nội dung của bộ nhớ UV-EPROM bên trong 8751 trước khi ta có thể lập trình lại nó. Do một thực tế là ROM trên chíp đối với 8751 là UV-EPROM nên cần phải mất 20 phút để xoá 8751 trước khi nó có thể được lập trình trở lại. Điều này đã dẫn đến nhiều nhà sản xuất giới thiệu các phiên bản Flash Rom và UV-RAM  của 8051. Ngoài ra còn có nhiều phiên bản với các tốc độ khác nhau của 8751 từ nhiều hãng khác nhau.

b- Bộ vi điều khiển AT8951 từ Atmel Corporation

            Chíp 8051 phổ biến này có ROM trên chíp ở dạng bộ nhớ Flash. Điều này là lý tưởng đối với những phát triển nhanh vì bộ nhớ Flash có thể được xoá trong vài giây trong tương quan so với 20 phút hoặc hơn mà 8751 yêu cầu. Vì lý do này mà AT89C51 để phát triển một hệ thống dựa trên bộ vi điều khiển yêu cầu một bộ đốt ROM mà có hỗ trợ bộ nhớ Flash. Tuy nhiên lại không yêu cầu bộ xoá ROM. Lưu ý rằng trong bộ nhớ Flash ta phải xoá toàn bộ nội dung của ROM nhằm để lập trình lại cho nó. Việc xoá bộ nhớ Flash được thực hiện bởi chính bộ đốt PROM và đây chính là lý do tại sao lại không cần đến bộ xoá. Để loại trừ nhu cầu đối với một bộ đốt PROM hãng Atmel đang nghiên cứu một phiên bản của AT 89C51 có thể được lập trình qua cổng truyền thông COM của máy tính IBM  PC .

Số linh kiện	ROM	RAM	Chân I/O	Timer	Ngắt	Vcc	Đóng vỏ
AT89C51	4K	128	32	2	6	5V	40
AT89LV51	4K	128	32	2	6	3V	40
AT89C1051	1K	64	15	1	3	3V	20
AT89C2051	2K	128	15	2	6	3V	20
AT89C52	8K	128	32	3	8	5V	40
AT89LV52	8K	128	32	3	8	3V	40

Bảng 3: Các phiên bản của 8051 từ Atmel (Flash ROM).

Chữ C trong ký hiệu AT89C51 là CMOS.

            Cũng có những phiên bản đóng vỏ và tốc độ khác nhau của những sản phẩm trên đây. Xem bảng 1.6. Ví dụ để ý rằng chữ “C” đứng trước số 51 trong AT 89C51 -12PC là ký hiệu cho CMOS “12” ký hiệu cho 12 MHZ và “P” là kiểu đóng vỏ DIP và chữ “C” cuối cùng là ký hiệu cho thương mại (ngược với chữ “M” là quân sự ). Thông thường AT89C51 – 12PC rất lý tưởng cho các dự án của học sinh, sinh viên.

Mã linh kiện	Tốc độ	Số chân	Đóng vỏ	Mục đích
AT89C51-12PC	42MHZ	40	DTP	Thương mại

Bảng 4: Các phiên bản 8051 với tốc độ khác nhau của Atmel.

c- Bộ vi điều khiển DS5000 từ hãng Dallas Semiconductor

            Một phiên bản phổ biến khác nữa của 8051 là DS5000 của hãng Dallas Semiconductor. Bộ nhớ ROM trên chíp của DS5000 ở dưới dạng NV-RAM. Khả năng đọc/ ghi của nó cho phép chương trình được nạp vào ROM trên chíp trong khi nó vẫn ở trong hệ thống (không cần phải lấy ra). Điều này còn có thể được thực hiện thông qua cổng nối tiếp của máy tính IBM PC. Việc nạp chương trình trong hệ thống (in-system) của DS5000 thông qua cổng nối tiếp của PC làm cho nó trở thành một hệ thống phát triển tại chỗ lý tưởng. Một ưu việt của NV-RAM là khả năng thay đổi nội dung của ROM theo từng byte tại một thời điểm. Điều này tương phản với bộ nhớ Flash và EPROM mà bộ nhớ của chúng phải được xoá sạch trước khi lập trình lại cho chúng.

Mã linh kiện	ROM	RAM	Chân I/O		Timer	Ngắt		Vcc	Đóng vỏ
DS5000-8 DS5000-32 DS5000T-8 DS5000T-8	8K 32K 8K 32K	128 128 128 128	32 32 32 32	2 2 2 2		6 6 6 6	5V 5V 5V 5V		40 40 40 40

Bảng 5: Các phiên bản 8051 từ hãng Dallas Semiconductor.

Chữ “T” đứng sau 5000 là có đồng hồ thời gian thực.

            Lưu ý rằng đồng hồ thời gian thực RTC là khác với bộ định thời Timer. RTC tạo và giữ thời gian l phút giờ, ngày, tháng – năm  kể cả khi tắt nguồn.

            Còn có nhiều phiên bản DS5000 với những tốc độ và kiểu đóng gói khác nhau.( Xem bảng 1.8). Ví dụ DS5000-8-8 có 8K NV-RAM và tốc đọ 8MHZ. Thông thường DS5000-8-12 hoặc DS5000T-8-12 là lý tưởng đối với các dự án của sinh viên.

Mã linh kiện	NV- RAM	Tốc độ
DS5000-8-8 DS5000-8-12 DS5000-32-8 DS5000T-32-12 DS5000-32-12 DS5000-8-12	8K 8K 32K 32K 32K 8K	8MHz 12MHz 8MHz 8MHz (with RTC) 12MHz 12MHz (with RTC)

Bảng 6:Các phiên bản của DS5000 với các  tốc độ khác nhau

d- Phiên bản OTP của 8051

            Các phiên bản OTP của 8051 là các chíp 8051 có thể lập trình được một lần và được cung cấp từ nhiều hãng sản xuất khác nhau. Các phiên bản Flash và NV-RAM thường được dùng để phát triển sản phẩm mẫu. Khi một sản pohẩm được thiết kế và được hoàn thiện tuyệt đối thì phiên bản OTP của 8051 được dùng để sản hàng loạt vì nó rẻ hơn rất nhiều theo giá thành một đơn vị sản phẩm.

e- Họ 8051 từ Hãng Philips

            Một nhà sản xuất chính của họ 8051 khác nữa là Philips Corporation. Thật vậy, hãng này có một dải lựa chọn rộng lớn cho các bộ vi điều khiển họ 8051. Nhiều sản phẩm của hãng đã có kèm theo các đặc tính như các bộ chuyển đổi ADC, DAC,  cổng I/0 mở rộng và cả các phiên bản OTP và Flash. 

II – Giới thiệu Kiến trúc Vi điều khiển 8051

2.1 Tổ chức bộ nhớ

            Các vi điều khiển thuộc họ 8051 đều tổ chức thành 2 không gian chương trình và dữ liệu, hình 1 và hình 2 sẽ mô tả điều này. Kiến trúc vi xử lý 8 bit của 8051 này cho phép truy nhập và tính toán nhanh hơn đối với không gian dữ liệu nhờ việc phân chia 2 không gian bộ nhớ chương trình và dữ liệu như trên. Tuy nhiên bộ nhớ ngoài được truy nhập bởi hệ thống 16 bit địa chỉ vẫn có thể thực hiện nhờ thanh ghi con trỏ. 

    Bộ nhớ chương trình (ROM, EPROM) là bộ nhớ chỉ đọc, có thể mở rộng tối đa 64Kbyte. Với họ vi điều khiển 89xx, bộ nhớ chương trình được tích hợp sẵn trong chip có kích thước nhỏ nhất là 4kByte. Với các vi điều khiển không tích hợp sẵn bộ nhớ chương trình trên chip, buộc phải thiết kế bộ nhớ chương trình bên ngoài. Ví dụ sử dụng EPROM: 2764 (64Kbyte), khi đó chân PSEN phải ở mức tích cực (5V).

Hình 1: Cấu trúc vi điều khiển 89C51

            Bộ nhớ dữ liệu (RAM) tồn tại độc lập so với bộ nhớ chương trình. Họ vi điều khiển 8051 có bộ nhớ dữ liệu tích hợp trên chip nhỏ nhất là 128byte và có thể mở rộng với bộ nhớ dữ liệu ngoài lên tới 64kByte. Với những vi điều khiển không tích hợp ROM trên chip thì vẫn có RAM trên chip là 128byte. Khi sử dụng RAM ngoài, CPU đọc và ghi dữ liệu nhờ tín hiệu trên các chân RD và WR. Khi sử dụng cả bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu bên ngoài thì buộc phải kết hợp chân RD và PSEN bởi cổng logic AND để phân biệt tín hiệu truy xuất dữ liệu trên ROM hay RAM ngoài.

 Bộ nhớ chương trình:

Hình 2: Cấu trúc bộ nhớ chương trình

Hình 3: Địa chỉ các ngắt trên bộ nhớ chương trình

            Hình 2 mô tả cấu trúc bộ nhớ chương trình. Sau khi khởi động, CPU bắt đầu thực hiện chương trình ở vị trí 0000H. Hình 3 mô tả địa chỉ ngắt mặc định trên bộ nhớ chương trình. Mối khi xảy ra ngắt, con trỏ của CPU sẽ nhảy đến đúng địa chỉ ngắt tương ứng và thực thi chương trình tại đó. Ví dụ ngắt ngoài 0 sẽ có địa chỉ là 0003H, khi xảy ra ngắt ngoài 0 thì con trỏ chương trình sẽ nhảy đến đúng địa chỉ 0003H để thực thi chương trình tại đó. Nếu trong chương trình ứng dụng không xử dụng đến ngắt ngoài 0 thì địa chỉ 0003H vẫn có thể dùng cho mục đích khác (sử dụng cho bộ nhớ chương trình).

Bộ nhớ dữ liệu:

 

Hình 4: Cấu trúc bộ nhớ dữ liệu

            Hình 4 mô tả cấu trúc bộ nhớ dữ liệu trong và bộ nhớ dữ liệu ngoài của họ vi điều khiển 8051. CPU sẽ dùng đến các chân RD và WR khi truy cập đến bộ nhớ dữ liệu ngoài.

            Hình 5 mô tả cấu trúc bộ nhớ dữ liệu trong chip, được chia thành 3 khối là 128 byte thấp, 128 byte cao và 128 byte đặc biệt.

Hình 5: Cấu trúc bộ nhớ trong

            Hình 6 mô tả cấu trúc 128 byte thấp của bộ nhớ dữ liệu của họ vi điều khiển 8051. 32 byte đầu tiên (00H-1FH) được sử dụng cho 4 bộ 8 thanh ghi R0-R7. Hai bit của thanh ghi đặc biệt PSW sẽ lựa chọn 1 trong 4 bộ thanh ghi mà vi điều khiển sẽ dùng trong khi thực thi chương trình. 

Hình 6: Cấu trúc 128 byte thấp của bộ nhớ dữ liệu trong

            8051 chứa 210 vị trí bit được định địa chỉ trong đó 128 bit chứa trong các byte ở địa chỉ từ 20H đến 2FH (16 byte x 8 bit = 128 bit) và phần còn lại chứa trong các thanh ghi đặc biệt. Ngoài ra 8051 còn có các port xuất/nhập có thể định địa chỉ từng bit, điều này làm đơn giản việc giao tiếp bằng phần mềm với các thiết bị xuất/nhập đơn bit. 

            Vùng RAM đa mục đích có 80 byte đặt ở địa chỉ từ 30H đến 7FH, bên dưới vùng này từ địa chỉ 00H đến 2FH là vùng nhớ có thể được sử dụng tương tự. Bất kỳ vị trí nhớ nào trong vùng RAM đa mục đích đều có thể được truy xuất tự do bằng cách sử dụng các kiểu định địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp. 

            Bất kỳ vị trí nhớ nào trong vùng RAM đa mục đích đều có thể được truy xuất tự do bằng cách sử dụng các kiểu định địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp. 

            Cũng như các thanh ghi từ R0 đến R7, ta có 21 thanh ghi chức năng đặc biệt SFR chiếm phần trên của Ram nội từ địa chỉ 80H đến FFH. Cần lưu ý là không phải tất cả 128 địa chỉ từ 80H đến FFH đều được định nghĩa mà chỉ có 21 địa chỉ được định nghĩa. 

Hình 7: 128 byte cao của bộ nhớ dữ liệu

2.2 Các thanh ghi đặc biệt

            8051 có 21 thanh ghi chức năng đặc biệt SFR chiếm phần trên của Ram nội từ địa chỉ 80H đến FFH. Cần lưu ý là không phải tất cả 128 địa chỉ từ 80H đến FFH đều được định nghĩa mà chỉ có 21 địa chỉ được định nghĩa. Hình 8 mô tả các thanh ghi đặc biệt trong vùng nhớ dữ liệu 80H đến FFH và giá trị của chúng sau khi Reset.

Hình 8: Các thanh ghi đặc biệt

Thanh ghi chính:

            Thanh ghi tính toán  chính của vi điều khiển 8051 ACC (Accumulator). Là thanh ghi đặc biệt của 8051 dùng để thực hiện các phép toán của CPU, thường kí hiệu là A. 

Thanh ghi phụ:

            Thanh ghi tính toán phụ của vi điều khiển 8051 là B. Thanh ghi B ở địa chỉ F0H được dùng chung với thanh chứa A trong các phép toán nhân, chia. Lệnh MUL  AB nhân 2 số 8 bit không dấu chứa trong A và B và chứa kết quả 16 bit vào cặp thanh ghi B, A (thanh chứa A cất byte thấp và thanh ghi B cất byte cao).

            Lệnh chia DIV  AB chia A bởi B, thương số cất trong thanh chứa A và dư số cất trong thanh ghi B. Thanh ghi B còn được xử lý như một thanh ghi nháp. Các bit được định địa chỉ của thanh ghi B có địa chỉ từ F0H đến F7H. 

Thanh ghi trạng thái chương trình (PSW):

            Thanh ghi trạng thái chương trình PSW (địa chỉ: D0H) là thanh ghi mô tả toàn bộ trạng thái chương trình đang hoạt động của hệ thống. Bảng 7 và Bảng 8 sẽ mô tả thanh ghi này.

7	6	5	4	3	2	1	0
CY	AC	F0	RS1	RS0	OV	–	P

Bảng 7: Thanh ghi trạng thái chương trình PSW

Bit	Ký Hiệu	Địa Chỉ	Mô tả Bit
PSW.7	CY	D7H	Cờ nhớ (Carry Flag): được Set nếu có Bit nhớ từ Bit 7 trong phép cộng hoặc có Bit mượn cho Bit 7 trong phép trừ.
PSW.6	AC	D6H	Cờ nhớ phụ: được Set trong phép cộng nếu có Bit nhớ từ Bit 3 sang Bit 4 hoặc kết quả trong 4 Bit thấp nằm trong khoảng 0AH->0FH.
PSW.5	FO	D5H	Cờ O: dành cho người sử dụng.
PSW.4	RS1	D4H	Chọn dãy thanh ghi (Bit 1)
PSW.3	RS0	D3H	Chọn dãy thanh ghi (Bit 0) 00=Bank 0: Địa chỉ 00H->07H 01=Bank 1: Địa chỉ 08H->0FH 10=Bank 2: Địa chỉ 10H->17H 11=Bank 3: Địa chỉ 18H->1FH
PSW.2	OV	D2H	Cờ tràn (Overflow Flag): được Set khi phép toán có dấu có kết quả > +127 hoặc < -128.
PSW.1	–	D1H	Chưa dùng
PSW.0	P	D0H	Cờ kiểm tra chẵn lẻ: được Set hoặc Clear bởi phần cứng sau mỗi 1 chu kỳ lệnh, để chỉ ra rằng có 1 số chẵn hoặc số lẻ Bit 1 trong thanh chứa.

Bảng 8: Chi tiết các bit trong thanh ghi PSW

Thanh ghi ngăn xếp (Stack Pointer):

            Con trỏ stack SP (stack pointer) là 1 thanh ghi 8 bit ở địa chỉ 81H. SP chứa địa chỉ của dữ liệu hiện đang ở đỉnh của stack. Các lệnh liên quan đến satck bao gồm lệnh cất dữ liệu vào stack và lệnh lấy dữ liệu ra khỏi stack. Việc cất vào stack làm tăng SP trước khi ghi dữ liệu và việc lấy dữ liệu ra khỏi stack sẽ giảm SP. Vùng stack của 8051 được giữ trong RAM nội  và được giới hạn đến các địa chỉ truy xuất được bởi kiểu định địa chỉ gián tiếp. Các lệnh PUSH và POP sẽ cất dữ liệu vào stack và lấy dữ liệu từ stack, các lệnh gọi chương trình con (ACALL, LCALL) và lệnh trở về (RET, RETI) cũng cất và phục hồi nội dung của bộ đếm chương trình PC (Program counter)

Con trỏ dữ liệu DPTR:

            Con trỏ dữ liệu DPTR (data pointer) được dùng để truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài hoặc bộ nhớ dữ liệu ngoài. DPTR là một thanh ghi 16 bit có địa chỉ là 82H (DPL, byte thấp) và 83H (DPH, byte cao).

Thanh ghi các cổng P0-P3:

            Các port xuất/nhập của 8051 bao gồm  Port 0 tại địa chỉ 80H, Port 1 tại địa chỉ 90H, Port 2 tại địa chỉ A0H và Port 3 tại địa chỉ B0H. Tất cả các port đều được định địa chỉ từng bit nhằm cung cấp các khả năng giao tiếp mạnh.

Thanh ghi bộ đệm truyền thông nối tiếp (Serial Data Buffer):

            Bộ đệm truyền thông được chia thành hai bộ đệm, bộ đệm truyền dữ liệu và bộ đệm nhận dữ liệu. Khi dữ liệu được chuyển vào thanh ghi SBUF, dữ liệu sẽ được chuyển vào bộ đệm truyền dữ liệu và sẽ được lưu giữ ở đó cho đến khi quá trình truyền dữ liệu qua truyền thông nối tiếp kết thúc. Khi thực hiện việc chuyển dữ liệu từ SBUF ra ngoài, dữ liệu sẽ được lấy từ bộ đệm nhận dữ liệu của truyền thông nối tiếp.

Thanh ghi của bộ định thời/bộ đếm:

            8051 có 2 bộ đếm/định thời (counter/timer) 16 bit để định các khoảng thời gian hoặc để đếm các sự kiện. Các cặp thanh ghi (TH0, TL0) và (TH1, TL1) là các thanh ghi của bộ đếm thời gian. Bộ định thời 0 có địa chỉ 8AH (TL0, byte thấp) và 8CH (TH0, byte cao). Bộ định thời 1 có địa chỉ 8BH (TL1, byte thấp) và 8DH (TH1, byte cao).  

            Hoạt động của bộ định thời được thiết lập bởi thanh ghi chế độ định thời TMOD (Timer Mode Register) ở địa chỉ 88H. Chỉ có TCON được định địa chỉ từng bit.

Các thanh ghi điều khiển:

            Các thanh ghi điều khiển đặc biệt như IP, IE, TMOD, TCON, SCON và PCON là các thanh ghi điều khiển và ghi nhận trạng thái của hệ thống ngắt, bộ đếm/định thời, truyền thông nối tiếp. Chi tiết của các thanh ghi này sẽ được mô tả sau.

=> Tổng kết:  Hiện nay trong ngành Quảng cáo Led thì vi điều khiển 8051 hay sử dụng các phiên bản cao hơn như: 89S51, 8952….Ngoài Ra còn sử dụng các dòng Pic, AVR…cùng các linh kiện SMD Khác nữa để cấu thành nên 1 bộ vi mạch điều khiển cho bảng led quảng cáo.