Программирование микроконтроллеров MCS-51 (стр. 1 )

 

Программирование

микроконтроллеров MCS-51

Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров «Проектирование и технология электронных средств»

Ульяновск 2000

УДК 681.32(075)

ББК 32.973.2я7

А65

Рецензенты: кафедра вычислительной техники и защиты информации Уфимского государственного авиационного технического университета (зав. кафедрой д-р техн. наук, профессор ); кафедра радиотехники Ульяновского государственного технического университета (зав. кафедрой канд. техн. наук, профессор ); канд. техн. наук, с. н.с.

А65 Программирование микроконтроллеров MCS-51: Учебное пособие. - Ульяновск: УлГТУ, 2000. - 88 с.

ISBN 5-89146-133-1

Приведены технические характеристики и функциональные возможности популярных микроконтроллеров семейства MCS-51, выпускаемых ведущими компаниями мира. Рассмотрены особенности программной модели микроконтроллера 8051, являющегося ядром MCS-51, и соответствующего машинно-ориентированного языка АСМ51. Описаны содержание основных этапов разработки прикладного программного обеспечения микроконтроллера 8051, а также технология применения специальных программных кросс-средств (кросс-ассемблера X8051 и кросс-редактора связей Link). Даны варианты типовых микроконтроллерных программ. Изложение сопровождается большим числом практических примеров.

УДК 681.32(075)

ББК 32.973.2я7

Учебное издание

АНДРЕЕВ Дмитрий Васильевич

ПРОГРАММИРОВАНИЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ MCS-51

Учебное пособие

Редактор

Изд. лиц. 020640 от 22.10.97. Подписано в печать 22.02.00. Формат 60х84/16.

Бумага писчая. Усл. печ. л. 5,12. Уч.-изд. л. 5,00. Тираж 200 экз. Заказ

Ульяновский государственный технический университет,

432027, Ульяновск, Сев. Венец, 32.

Типография УлГТУ, 432027, Ульяновск, Сев. Венец, 32.

ISBN 5-89146-133-1 © , 2000

© Оформление. УлГТУ, 2000

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Эффективная автоматизация машин, приборов и технологического оборудования, которая является обязательным условием ускорения научно-технического прогресса, основана на широком применении средств микропроцессорной техники (МТ). Автоматизация с использованием микропроцессоров (МП) и микроконтроллеров (МК) быстро распространяется в самых разнообразных отраслях народного хозяйства, охватывает новые сферы.

Характерно, что создание микропроцессорных устройств и систем все в большей степени становится функцией специалистов в конкретной предметной области, а не профессиональных программистов и специалистов по вычислительной технике. Это вызывает большую потребность в инженерных кадрах, которые, кроме своей предметной области, дополнительно разбираются в микропроцессорной технике.

Как известно, МТ состоит из двух специфических частей: аппаратурных средств (АС) и прикладного программного обеспечения (ППО). При этом, рассматривая общий процесс проектирования МТ, можно отметить, что в большинстве случаев доля общей трудоемкости разработки ППО значительно превосходит трудоемкость разработки АС. Указанное обстоятельство объясняется тем, что разработка аппаратурной части МТ на базе типовых микропроцессорных БИС сводится (чаще всего) к выполнению стандартных операций в соответствии с рекомендациями, изложенными в технической документации на используемые БИС. Совсем по-другому выглядит инженерный труд при разработке ППО. Проектная работа носит здесь творческий характер, изобилует решениями, имеющими "волевую" или "вкусовую" окраску, и решениями, продиктованными конъюнктурными соображениями. В силу перечисленных обстоятельств именно при проектировании ППО разработчик сталкивается с наибольшим количеством проблем и от того, как они будут решены, зависит успех разработки МТ в целом. Таким образом, весьма актуальным представляется ориентация будущих инженеров на более глубокое изучение вопросов, связанных именно с программированием МТ, в частности языков программирования, средств автоматизации программирования (ассемблеров, компиляторов с языков высокого уровня, линкеров и др.), структурных особенностей микропроцессорной элементной базы.

Известны многочисленные книги, справочники, учебники и учебные пособия отдельно по программированию МП или МК и по средствам его автоматизации, причем вся эта литература издана, в основном, на рубеже 90-х годов. Отсюда следует необходимость создания литературы, в которой совместно, с единых методологических позиций рассматриваются особенности программирования современных микропроцессоров или микроконтроллеров и средства автоматизации их программирования.

Указанным требованиям в полной мере соответствует предлагаемое учебное пособие, основное внимание в котором уделено одним из наиболее популярных и перспективных микропроцессорных БИС - однокристальным микроконтроллерам семейства MCS-51.

Учебное пособие написано на основе курса лекций, читаемых автором в Ульяновском государственном техническом университете, а также на основе личного практического опыта, полученного при разработке и отладке ряда микропроцессорных устройств и систем.

 

Глава 1.

СОСТАВ СЕМЕЙСТВА MCS-51

Несмотря на появление 16- и 32-разрядных микроконтроллеров и микропроцессоров, наибольшая доля мирового микропроцессорного рынка остается за 8-разрядными МК. Согласно данным компании Semico Research Corp., в 1996 году общий мировой объем продаж микроконтроллеров всех типов составил 11,4 миллиарда долларов, при этом 5,56 миллиарда долларов (или 48,8%) пришлось на долю 8-разрядных кристаллов, что примерно в 2,5 раза больше объема продаж ближайшего конкурента - 16-разрядных микроконтроллеров (2,1 млрд. долл.). Прогнозы аналитических компаний на период до 2001 года показывают, что лидирующее положение 8-разрядных МК на мировом рынке сохранится.

Среди всех 8-разрядных микроконтроллеров семейство MCS-51 является несомненным чемпионом по количеству компаний, выпускающих его модификации. Важную роль в достижении такой высокой популярности сыграла открытая политика фирмы Intel, родоначальницы этого семейства, направленная на широкое распространение лицензий на ядро MCS-51 среди большого количества ведущих полупроводниковых компаний мира.

В результате на сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров семейства MCS-51, выпускаемых почти 20-ю компаниями. Эти модификации включают в себя кристаллы с широчайшим набором периферии: от простых 20-выводных МК с одним таймером и резидентной памятью программ (РПП) объемом 1 Кбайт до сложнейших 100-выводных кристаллов с 10-разрядными АЦП, массивами таймеров/счетчиков, аппаратными 16-разрядными умножителями и резидентной памятью программ до 64 Кбайт. Каждый год появляются все новые варианты представителей семейства MCS-51, основными направлениями развития которого являются: увеличение быстродействия (за счет повышения тактовой частоты и (или) переработки архитектуры), снижение напряжения питания и потребления, увеличение объема РПП и резидентной памяти данных (РПД), реализация РПП на основе FLASH технологии с возможностью внутрисхемного программирования, введение в состав периферии микроконтроллера сложных устройств: системы управления приводами, CAN и USB интерфейсов и т. п.

Основными производителями модификаций 51-го семейства в мире являются фирмы Philips, Siemens, Intel, Atmel, Dallas, Temic, Oki, AMD, MHS, Winbond, Silicon Systems и ряд других. В рамках данной главы невозможно рассказать о всех представителях семейства MCS-51 и всех компаниях-производителях микроконтроллеров указанного семейства. Все фирмы, о которых далее пойдет речь, имеют в России своих официальных дистрибьюторов, и, соответственно, микроконтроллеры этих фирм являются реальными кандидатами на применение в российских проектах.

1.1. Микроконтроллеры фирмы Intel

Фирма Intel является родоначальницей архитектуры семейства MCS-51, которое получило свое название от первого представителя этого семейства - микроконтроллера 8051, выпущенного в 1980 году на базе технологии n-МОП. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке. С точки зрения технологии микроконтроллер 8051 являлся для своего времени очень сложным изделием - в кристалле было использовано 128 тыс. транзисторов, что в 4 раза превышало количество транзисторов в 16-разрядном микропроцессоре 8086. Указанный микроконтроллер остается ядром семейства MCS-51 и по сей день.

Основными элементами базовой архитектуры семейства (архитектуры микроконтроллера 8051) являются:

- 8-разрядное АЛУ;

- 4 банка регистров, по 8 в каждом;

- внутренняя (резидентная) память программ 4 Кбайт, имеющая тип ROM или EPROM (8751);

- внутренняя (резидентная) память данных 128 байт;

- 21 регистр специальных функций;

- булевый процессор;

- два 16-разрядных таймера/счетчика;

- контроллер последовательного порта (UART);

- контроллер обработки прерываний с двумя уровнями приоритетов;

- четыре 8-разрядных порта ввода/вывода, два из которых используются в качестве шины адреса/данных для доступа к внешней памяти программ и данных;

- встроенный тактовый генератор.

Затем был выпущен микроконтроллер 8052, который отличался увеличенным объемом резидентной памяти программ и данных, введенным третьим таймером и соответственно расширенным контроллером прерываний.

Следующим принципиальным шагом в развитии MCS-51 стал перевод технологии изготовления на КМОП (модификация 8xC51). Это позволило реализовать режимы Idl (холостой ход) и Power Down (пониженное потребление), обеспечивающие резкое снижение энергопотребления кристалла и открывшие дорогу к применению микроконтроллера в энергозависимых приложениях, например, в автономных приборах с батарейным питанием.