Giáo trình Vi điều khiển - Chương 1: Các bộ vi điều khiển 8051

Nội dung text: Giáo trình Vi điều khiển - Chương 1: Các bộ vi điều khiển 8051

1. CHƯƠNG I Các bộ vi điều khiển 8051 1.1 các bộ vi điều khiển và các bộ xử lý nhúng. Trong mục này chúng ta bàn về nhu cầu đối với các bộ vi điều khiển (VĐK) và so sánh chúng với các bộ vi xử lý cùng dạng chung như Pentium và các bộ vi xử lý × 86 khác. Chúng ta cùng xem xét vai trò của các bộ vi điều khiển trong thị trường các sản phẩm nhúng. Ngoài ra, chúng ta cung cấp một số tiêu chuẩn về cách lựa chọn một bộ vi điều khiển như thế nào. 1.1.1 Bộ vi điều khiển so với bộ vi xử lý cùng dùng chung Sự khác nhau giữa một bộ vi điều khiển và một bộ vi xử lý là gì? Bộ vi xử lý ở đây là các bộ vi xử lý công dung chung như họ Intell × 86 (8086, 80286, 80386, 80486 và Pentium) hoặc họ Motorola 680 × 0(68000, 68010, 68020, 68030, 68040 v.v ). Những bộ VXL này không có RAM, ROM và không có các cổng vào ra trên chíp. Với lý do đó mà chúng được gọi chung là các bộ vi xử lý công dụng chung. Data CPU b CPU RA RO General- Seria M M Purpose RA RO I/O Time l Port Micro- M M COM Seria process Port I/O Time l or COM Address Port b (a) General-Purpose Microcessor (b) St Mi t ll Hình 1.1: Hệ thống vi xử lý được so sánh với hệ thống vi điều khiển. a) Hệ thống vi xử lý công dụng chung b) Hệ thống vi điều khiển Một nhà thiết kế hệ thống sử dụng một bộ vi xử lý công dụng chung chẳng hạn như Pentium hay 68040 phải bổ xung thêm RAM , ROM, các cổng vào ra và các bộ định thời ngoài để làm cho chúng
2. Máy trả lời Máy sao chụp Đíũu khiển truyền Máy Fax Máy in lazer tin Máy tính gia đình Máy in màu Giải trí Tivi Máy nhắn tin Điều hoà nhiệt độ Truyền hình cáp Điện thoại tổ ong VCR Mở cửa không cần Máy quy camera chìa khoá Điều khiển từ xa Trò chơi điện tử Điện thoại tổ ong Các nhạc cụ điện tử Máy khâu Điều khiển ánh sáng Máy nhắn tin Máy chơi Pootball Đồ chơi Các dụng cụ tập thể hình 1.1.2 Các bộ VĐK cho các hệ thống nhúng. Trong tài liệu về các bộ vi xử lý ta thường thấy khái niệm hệ thống nhúng (Embeded system). Các bộ vi xử lý và các bộ vi điều khiển được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm hệ thống nhúng. Một sản phẩm nhúng sử dụng một bộ vi xử lý (hoặc một bộ vi điều khiển để thực hiện một nhiệm vụ và chỉ một mà thôi. Một máy in là một ví dụ về một việc nhúng vì bộ xử lý bên trong nó chỉ làm một việc đó là nhận dữ liệu và in nó ra. Điều này khác với một máy tình PC dựa trên bộ xử lý Pentium (hoặc một PC tương thích với IBM × 86 bất kỳ). Một PC có thể được sử dụng cho một số bất kỳ các trạm dịch vụ in, bộ đầu cuối kiểm kê nhà băng, máy chơi trò chơi điện tử, trạm dịch vụ mạng hoặc trạm đầu cuối mạng Internet. Phần mềm cho các ứng dụng khác nhau có thể được nạp và chạy. Tất nhiên là lý do hiển nhiên để một PC thực hiện hàng loạt các công việc là nó có bộ nhớ RAM và một hệ điều hành nạp phần mềm ứng dụng thường được đốt vào trong ROM. Một máy tính PC × 86 chứa hoặc được nối tới các sản phẩm nhúng khác nhau chẳng hạn như bàn phím, máyin, Modem, bộ điều khiển đĩa, Card âm thanh, bộ điều khiển CD = ROM. Chuột v.v Một nội ngoại vi này có một bộ vi điều khiển bên trong nó để thực hiện chỉ một công việc, ví dụ bên trong mỗi con chuột có một bộ vi
3. chíp có chứa toàn bộ một máy tính PC ngoại trừ DRAM. Hay nói cách khác là chúng ta xắp nhìn thấy một máy tính PC trên một chíp. Hiện nay do chuẩn hoá MS - DOS và Windows nên các hệ thống nhúng đang sử dụng các máy tình PC × 86 . Trong nhiều trường hợp việc sử dụng các máy tính PC × 86 cho các ứng dụng nhúng hiệu suất cao là không tiết kiệm tiền bạc, nhưng nó làm rút ngắn thời gian phát triển vì có một thư viện phần mềm bao la đã được viết cho nền DOS và Windows. Thực tế là Windows là một nền được sử dụng rộng rãi và dễ hiểu có nghĩa là việc phát triển một sản phẩm nhúng dựa trên Windows làm giảm giá thành và rút ngắn thời gian phát triển đáng kể. 1.1.4 Lựa chọn một bộ vi điều khiển. Có 4 bộ vi điều khiển 8 bit chính. Đó là 6811 của Motorola, 8051 của Intel z8 của Xilog và Pic 16 × của Microchip Technology. Mỗi một kiểu loại trên đây đều có một tập lệnh và thanh ghi riêng duy nhất, nếu chúng đều không tương thích lẫn nhau. Cũng có những bộ vi điều khiển 16 bit và 32 bit được sản xuất bởi các hãng sản xuất chíp khác nhau. Với tất cả những bộ vi điều khiển khác nhau như thế này thì lấy gì làm tiêu chuẩn lựa chọn mà các nhà thiết kế phải cân nhắc? Có ba tiêu chuẩn để lựa chọn các bộ vi điều khiển là: 1) Đáp ứng nhu cầu tính toán của bài toán một cách hiệu quả về mặt giá thành và đầy đủ chức năng có thể nhìn thấy được (khả dĩ). 2) Có sẵn các công cụ phát triển phần mềm chẳng hạn như các trình biên dịch, trình hợp ngữ và gỡ rối. 3) Nguồn các bộ vi điều khiển có sẵn nhiều và tin cậy. 1.1.5 Các tíêu chuẩn lựa chọn một bộ vi điều khiển. 1. Tiêu chuẩn đầu tiênvà trước hết tronglựa chọn một bộ vi điều khiển là nó phải đáp ứng nhu cầu bài toán về một mặt công suất tính toán và giá thành hiệu quả. Trong khi phân tích các nhu cầu của một dự án dựa trên bộ vi điều khiển chúng ta trước hết phải biết là bộ vi điều khiển nào 8 bit, 16 bit hay 32 bit có thể đáp ứng tốt nhất nhu cầu tính toán của bài toán mộ tcách hiệu quả nhất? Những tiêu chuẩn được đưa ra để cân nhắc là: a) Tốc độ: Tốc độ lớn nhất mà bộ vi điều khiển hỗ trợ là bao nhiêu. b) Kiểu đóng vỏ: Đó là kíểu 40 chân DIP hay QFP hay là kiểu đóng vỏ khác (DIP -đóng vỏ theo 2 hàng chân. QFP là đóng vỏ vuông dẹt)? Đây là điều quan trọng đối với yêu cầu về không gian, kiểu lắp ráp và tạo mẫu thử cho sản phẩm cuối cùng. c) Công suất tiêu thụ: Điều này đặc biệt khắt khe đối với những sản phẩm dùng pin, ắc quy.
4. Cũng nên lưu ý rằng Motorola, Zilog và Mierochip Technology đã dành một lượng tài nguyên lớn để đảm bảo khả năng sẵn sàng về một thời gian và phạm vi rộng cho các sản phẩm của họ từ khi các sản phẩm của họ đi vào sản xuất ổn định, hoàn thiện và trở thành nguồn chính. Trong những năm gần đây họ cũng đã bắt đầu bán tế bào thư viện Asic của bộ vi điều khiển. 1.2 Tổng quan về họ 8051. Trong mục này chúng ta xem xét một số thành viên khác nhau của họ bộ vi điều khiển 8051 và các đặc điểm bên trong của chúng. Đồng thời ta điểm qua một số nhà sản xuất khác nhau và các sản phẩm của họ có trên thị trường. 1.2.1 Tóm tắt về lịch sử của 8051. Vào năm 1981. Hãng Intel giới thiệu một số bộ vi điều khiển được gọi là 8051. Bộ vi điều khiển này có 128 byte RAM, 4K byte ROM trên chíp, hai bộ định thời, một cổng nối tiếp và 4 cổng (đều rộng 8 bit) vào ra tất cả được đặt trên một chíp. Lúc ấy nó được coi là một “hệ thống trên chíp”. 8051 là một bộ xử lý 8 bit có nghĩa là CPU chỉ có thể làm việc với 8 bit dữ liệu tại một thời điểm. Dữ liệu lớn hơn 8 bit được chia ra thành các dữ liệu 8 bit để cho xử lý. 8051 có tất cả 4 cổng vào - ra I/O mỗi cổng rộng 8 bit (xem hình 1.2). Mặc dù 8051 có thể có một ROM trên chíp cực đại là 64 K byte, nhưng các nhà sản xuất lúc đó đã cho xuất xưởng chỉ với 4K byte ROM trên chíp. Điều này sẽ được bàn chi tiết hơn sau này. 8051 đã trở nên phổ biến sau khi Intel cho phép các nhà sản xuất khác sản xuất và bán bất kỳ dạng biến thế nào của 8051 mà họ thích với điều kiện họ phải để mã lại tương thích với 8051. Điều này dẫn đến sự ra đời nhiều phiên bản của 8051 với các tốc độ khác nhau và dung lượng ROM trên chíp khác nhau được bán bởi hơn nửa các nhà sản xuất. Điều này quan trọng là mặc dù có nhiều biến thể khác nhau của 8051 về tốc độ và dung lương nhớ ROM trên chíp, nhưng tất cả chúng đều tương thích với 8051 ban đầu về các lệnh. Điều này có nghĩa là nếu ta viết chương trình của mình cho một phiên bản nào đó thì nó cũng sẽ chạy với mọi phiên bản bất kỳ khác mà không phân biệt nó từ hãng sản xuất nào. Bảng 1.3: Các đặc tính của 8051 đầu tiên. Đặc tính Số lượng ROM trên chíp 4K byte RAM 128 byte
5. 1.2.2 Bộ ví 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 3.1 trình bày các đặc tính của 8051. EXTERNAL INTERRUPTS ETC COUNTER TIMER INTERRUP ON - 0 T CHIP TIMER 1 S CPU OS BUS 4 I/O SERIAL HìnhC 1.2: BốC tríONTRO bên trong cPORủa sTSơ đồ khối 8051.PORT 1.2.3 các thành viên khác của họ 8051 Có hai bộ vi điều khiển thànhPP viên PP khác TXcủDa h Rọ XD 8051 là 8052 và 8031. ADDRESS/DAT a- Bộ vi điều khiển 8052: A 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. Xem bảng 1.4. Bảng1.4: so sánh các đặc tính của các thành viên họ 8051. Đặc tính 8051 8052 8031 ROM trên 4K byte 8K byte OK chíp 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
6. 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 . Bảng 1.5: Các phiên bản của 8051 từ Atmel (Flash ROM). Số linh RO RAM Chân Time Ngắ Vc Đóng vỏ kiện M I/O r t c AT89C51 4K 128 32 2 6 5V 40 AT89LV5 4K 128 32 2 6 3V 40 1 AT89C10 1K 64 15 1 3 3V 20 51 AT89C20 2K 128 15 2 6 3V 20 51 AT89C52 8K 128 32 3 8 5V 40 AT89LV5 8K 128 32 3 8 3V 40 2 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 rát lý tưởng cho các dự án của học sinh, sinh viên. Bảng 1.6: Các phiên bản 8051 với tốc độ khác nhau của Atmel. Mã linh kiện Tốc độ Số chân Đóng vỏ Mục đích AT89C51- 42MHZ 40 DTP Thương
7. DS5000-8-12 8K 12MHz DS5000-32-8 32K 8MHz DS5000T-32-12 32K 8MHz (with DS5000-32-12 32K RTC) DS5000-8-12 8K 12MHz 12MHz (with RTC) 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 sẽ 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.