Tổng quan về họ vi xử lý 8051

LỜI MỞ ĐẦU: Ngày nay việc ứng dụng vi điều khiển, vi xử lý đang ngày càng phát triển rộng rãi và thâm nhập ngày càng nhiều vào các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống xã hội. Tuy nhiên ứng dụng cho các hệ thống ngày nay không đơn giản chỉ dừng lại ở điều khiển đèn nhấp nháy, đếm số người vào/ra, hiển thị dòng thông báo trên matrix led hay điều khiển ON-OFF của động cơ… mà nó ngày càng trở nên phức tạp. Và với xu hướng tất yếu này cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chế tạo vi mạch, người ta đã tạo ra những vi điều khiển có cấu trúc mạnh hơn, đáp ứng thời gian thực tốt hơn, chuẩn hóa hơn so với các vi điều khiển 8 bit trước đây. Khởi đầu từ các vi điều khiển 8 bit, là cở sở cho những sự phát triển của hệ thống sau này thì hiện nay với rất nhiều các hãng sản xuất, những dòng vi điều khiển 16 bit, 32 bit và vi xử lý để giải quyết được rất nhiều bài toán phức tạp như trong những ứng dụng công nghệ cao như xử lý hình ảnh, âm thanh, truyền thông đa phương tiện...đã xuất hiện trên thị trường. Cũng chính vì những lý do đó mà nhóm em muốn tìm hiểu và nghên cứu về lịch sữ ra đời và ứng dụng của vi điều khiển và so sánh cấu trúc và đặc điểm giữa vi điều khiển và vi xử lý. Để nhóm em có thể hiểu rỏ hơn về vi điều khiển và vi xử lý để làm tiền đề cho các môn sau này. CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỌ VI XỬ LÝ 8051 I. NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN HỌ VI XỬ LÝ 8051 1.Tóm tắt về lịch sử của 8051. Từ những năm 70 do sự phát triển và ngày càng hoàn thiện về công nghệ vi điện tử dựa trên kỹ thuật MOS (Metal-Oxide-Semiconductor), mức độ tích hợp của các linh kiện bán dẫn trong một linh kiện ngày càng cao. Đến năm 1971 xuất hiện bộ vi điều khiển 4 bit loại TMS1000 do công ty Texas Instruments vừa là nơi phát minh vừa là nhà sản xuất. Nhìn tổng thể thì bộ vi xử lí chỉ có chứa trên một chip những chức năng cần thiết để xử lí còn nhiều hạn chế . Mãi đến năm 1976 công ty INTEL (Interlligen-Elictronics). Mới cho ra đời bộ vi điều khiển đơn chip đầu tiên trên thế giới với tên gọi 8048. Bên cạnh bộ xử lí trung tâm 8048 còn chứa bộ nhớ dữ liệu, bộ nhớ, bộ đếm và các cổng vào - ra Digital trên một chip. Các công ty khác cũng lần lược cho ra đời các bộ vi điều khiển 8 bit tương tự như 8048 và hình thành họ vi điều khiển MCS-48 (Microcontroller-sustem-48). Đến năm 1981 công ty INTEL cho ra đời thế hệ thứ hai của bộ vi điều khiển đơn chip với tên gọi 8051. Và sau đó hàng loạt các vi điều khiển cùng loại với 8051 ra đời và hình thành họ vi điều khiển MCS-51. 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”. Họ vi điều khiển MCS-51 đã trở nên phổ biến sau khi Intel cho phép các nhà sản xuất khác sản xuất và bán bất kỳ dạng biến thể 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. Đến nay họ vi điều khiển 8 bit MCS51 đã có đến 250 thành viên và hầu hết các công ty hàng đầu thế giới chế tạo. Đứng đầu là công ty INTEL và rất nhiều công ty khác như : AMD, SIEMENS, PHILIPS, DALLAS, OKI …Ngoài ra còn có các công ty khác cũng có những họ vi điều khiển riêng như: Họ 68HCOS của công ty Motorola. Họ ST62 của công ty SGS-THOMSON. Họ H8 của công ty Hitachi. Họ pic cuả công ty Microchip. Phiên bản OTP của 8051 Họ 8051 từ Hãng Philips 2. Các biến thể của 8051: 2.1. Bộ vi điều khiển AT8951 từ Atmel Corporation. Chíp 8051 phổ biến này có ROM trên chíp ở dạng bộ nhớ Flash. 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 256 32 3 8 5V 40 AT89LV52 8K 128 32 3 8 3V 40 Bảng 1: Các phiên bản của 8051 từ Atmel (Flash ROM). 2.2. Bộ vi điều khiển DS5000 từ hãng Dallas Semiconductor. Chip DS5000 của hãng Dallas Semiconductor có bộ nhớ ROM trên chíp ở dưới dạng NV-RAM. 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 2: Các phiên bản 8051 từ hãng Dallas Semiconductor. 3. So sánh VI XỬ LÝ và VI ĐIỀU KHIỂN Bảng 1: so sánh cấu trúc vi xử lý và vi điều khiển. Hệ thống vi xử lý đa năng. Hệ thống vi điều khiển. Bộ vi xử lý khác bộ vi điều khiển ở 3 điểm chính: Cấu trúc phần cứng, các ứng dụng và đặc trưng của tập lệnh. (Hệ) Vi xử lý Vi điều khiển * Cấu trúc phần cứng: - CPU đơn chip, riêng biệt, các thành phần thêm vào là RAM, ROM, I/O, Timer bên ngoài để tạo thành một hệ vi xử lý. - Lượng ROM, RAM, I/O, Ports tùy ý. * Ứng dụng: - Chủ yếu dùng làm CPU trong các hệ máy vi tính, xử lý thông tin. - Giá thành cao. - Đa năng, đa mục đích * Đặc trưng của tập lệnh: - Lệnh bao quát, mạnh về các kiểu định địa chỉ với các lệnh cung cấp các hoạt động trên các lượng dữ liệu lớn. -Các lệnh có thể hoạt động trên các 1/2byte, byte, từ, từ kép., cung cấp khả năng truy xuất các dãy dữ liệu lớn bằng cách sử dụng con trỏ hoặc offset. - CPU, RAM, ROM, I/O và Timer,... nằm trên cùng một chip, tạo nên một hệ máy tính đầy đủ. - Cố định lượng ROM, RAM, I/O port trên chip. - Ứng dụng trong các thiết kế nhỏ, cho các ứng dụng hướng điều khiển (đơn mục đích). Trong quá khứ các thiết kế như vậy yêu cầu hàng chục thậm chí hàng trăm vi mạch số. - Giá cả thấp. - Năng lượng tiêu thụ thấp. - Kích thước nhỏ, gọn. - Các lệnh cung cấp các điều khiển xuất nhập. Mạch giao tiếp cho nhiều ngõ nhập và ngõ xuất chỉ sử dụng một bit. - Có các mạch bên trong và các lệnh dành cho thao tác xuất nhập, định thời sự kiện, cho phép và thiết lập các mức ưu tiên cho các ngắt được tạo ra bởi kích thích bên ngoài. - Các lệnh hầu hết được thực thi trên từng byte. Một tiêu chuẩn thiết kế là chương trình phải đặt vừa trong ROM nội vì việc thêm ROM ngoài sẽ làm tăng giá thành sản phẩm. 4. Các ứng dụng của vi điều khiển: Về cơ bản, vi điều khiển rất đơn giản. Chúng chỉ bao gồm tối thiểu một số thành phần sau: - Một bộ vi xử lý tối giản được sử dụng như bộ não của hệ thống - Tùy theo công nghệ của mỗi hãng sản xuất, có thể có thêm bộ nhớ, các chân nhập/xuất tín hiệu, bộ đếm, bộ định thời, các bộ chuyển đổi tương tự/số (A/D), … - Tất cả chúng được đặt trong một vỏ chíp tiêu chuẩn. - Một phần mềm đơn giản có thể điều khiển được toàn bộ hoạt động của vi điều khiển và có thể dễ dàng cho người sử dụng nắm bắt. Dựa trên nguyên tắc cơ bản trên, rất nhiều họ vi điều khiển đã được phát triển và ứng dụng một cách thầm lặng nhưng mạnh mẽ vào mọi mặt của đời sống của con người. Một số ứng dụng cơ bản thành công có thể kể ra sau đây: - Những thành phần điện tử được nhúng vào vi điều khiển có thể trực tiếp hoặc qua các thiết bị vào ra (công tắc, nút bấm, cảm biến, LCD, rơ le, …) điều khiển rất nhiều thiết bị và hệ thống như thiết bị tự động trong công nghiệp, điều khiển nhiệt độ, dòng điện, động cơ, … - Giá thành rất thấp khiến cho chúng được nhúng vào rất nhiều thiết bị thông minh trong đời sống con người như ti vi, máy giặt, điều hòa nhiệt độ, máy nghe nhạc, … Hệ thống xếp hàng điện tử ứng dụng 8051 Các tính năng: - Hệ thống được tổ chức theo master- slave(chính-phụ) kết nối với nhau. - Hệ thống còn bao gồm một máy lấy số tự động, được điều kiển bởi master. - Việc lấy phiếu xếp hàng được quản lý tự động bởi master bằng cơ chế hàng đợi, số người xếp hàng đợi tối đa không giới hạn. - Số thứ tự phiếu của hệ thống được đánh số từ 0 đến 999999 và sẽ được tự động quay vòng về 0 bởi phần cơ khí của máy. - Hệ thống còn xử lý các trường hợp ngoại lệ như: + Tự động nhớ số thứ tự được in trên phiếu của người cuối cùng khi mất điện (do sự cố hoặc kết thúc một ngày làm việc) + Khi có người lấy phiếu mà không có mặt để giải quyết công việc thì hệ thống sẽ tự động bỏ qua bằng cơ chế time-out. - Hệ thống có thể gọi số thứ tự và báo chuông bằng máy tính khi có lượt làm việc mới. - Ngoài ra hệ thống còn có chức năng quản lý số lượt người đã xử lý công việc của toàn hệ thống cũng như số lượt làm việc của mỗi điểm giải quyết công việc (slave) trên máy tính nhằm phục vụ cho việc thống kê và đánh giá nhân viên khi cần thiết. Mô hình của hệ thống: 4.2. Chuyển đổi số nhị phân sang số thập phân Khi sử dụng đèn LED và màn hình LCD, thường cần thiết phải chuyển đổi số từ nhị phân sang số thập phân. Ví dụ, nếu một vài thanh ghi có chứa số ở dạng nhị phân, cần hiển thị số đó trên một màn hình LED ba chữ số, cần thiết phải chuyển nó sang dạng thập phân. Nói cách khác, nó là cần thiết để xác định những gì sẽ được hiển thị trên màn hình hiển thị bên phải nhất (đơn vị), ở giữa hiển thị (hàng chục) và hiển thị trái nhất (hàng trăm). Các chương trình con dưới đây thực hiện chuyển đổi một byte. Số nhị phân được lưu trữ trong accumulator, trong khi số đó ở định dạng thập phân được lưu trong thanh ghi R3, R2 và accumulator (đơn vị, hàng chục và hàng trăm, tương ứng). 4.3. Ghép nối vi điều khiển với bàn phím Đoạn chương trình gửi mã ASCII khi bấm phím P0.1 4.4. Ghép nối vi điều khiển với step motor Bài toán thực hiện việc điều khiển động cơ bước quay, thay đổi tốc độ, đảo chiều, dừng động cơ. Chương trình sử dụng 4 đầu tạo xung vào động cơ để làm thay đổi trạng thái của động cơ bước. Thường các cuộn dây của động cơ bước được xác định theo màu dây, tuy nhiên đối với một động cơ bất kỳ, ta có thể dùng đồng hồ để xác định dây như hình vẽ, ở đây trình bày cách xác định động cơ có 5, 6 đầu dây. 1. dùng đồng hồ để xác định đầu chung (common) dùng đồng hồ để ở thang đo trở, đo trở giữa các cặp dây, đầu chung là đầu có trở giữa nó và các đầu khác bằng ½ điện trở các đầu khác với nhau. Khi biết được thứ tự các cuộn dây, ta kích xung theo thứ tự đó động cơ sẽ chạy. Ví dụ một đoạn chương trình sau, giả sử 4 đầu của động cơ bước đấu vào 4 bit: P1.0– P1.3 của 8051. ORG 0000H MOV R3, #00000011B MOV A, R3 BACK: MOV P1,A RL A ;Quay thanh ghi A ACALL DELAY SJMP BACK DELAY: MOV R1, #50 H1: MOV R2 , #255 H2: DJNZ R2, H2 DJNZ R1, H1 RET END