Apostila de Programação em 8051

Transcrição

1 1 Faculdade de Ciência e Tecnologia Engenharia de Elétrica Disciplina: Microprocessadores e Microcontroladores Professor: Vitor Leão Filardi Apostila de Programação em 8051

2 2

3 Sumário 1 Primeira Unidade Explicação Intuitiva Princípios Básicos Conceitos Básicos da Computação Blocos Básicos de microcomputadores Arquitetura do Microprocessador/Microcontrolador A CPU Internamente O Microcontrolador Memória Circuito de Reset O Gerador de Clock Interrupção Registro de Controle das Interrupções Tempo para Atendimento das Interrupções Ajuste das Interrupções Externas para serem Ativas em Nível ou Transição Hardware para expandir as possibilidade de Interrupção Externa Exercícios Resolvidos Conjunto de Instruções Segunda Unidade Ciclos de Máquina Portas de I/O Princípio de Funcionamento e Utilização Características Gerais e de Tempo dos Ports Uso das Portas de I/O para a Expansão da Memória de Dados e Programa Seleção de Programa Externo ou Interno Uso dos Pinos da Porta 3 como funções Alternativas Capacidade de Corrente nos Pinos de I/O Modos de Endereçamento das Instruções Endereçamento por Registrador Endereçamento Direto Endereçamento Indireto Endereçamento Imediato Endereçamento Relativo Endereçamento Absoluto Endereçamento Longo Endereçamento Indexado Temporizadores e Contadores Introdução Registros Envolvidos Modos de operação Exercícios

4 4 SUMÁRIO 3 Terceira Unidade Comunicação Serial Introdução Registros Envolvidos Modos de Operação Cuidados com a Porta Serial Comunicação entre vários Comunicação serial entre o 8051 e o PC Exercícios Programação em Assembly Introdução teórica Estratégias de elaboração de programas Fluxogramas

5 Referências Bibliográficas GIMENEZ, S. P. Microcontroladores [S.l.]: Editora Pearson Education do Brasil, NICOLOSI, D. E. C. Microcontrolador 8051 Detalhado. [S.l.]: Editora Érica, SILVA, V. P. da. Aplicações Práticas do Microcontrolador [S.l.]: Editora Érica,

6

7 Capítulo 1 Primeira Unidade O que é Microcontrolador 1.1 Explicação Intuitiva Vamos fazer de conta que somos meros aprendizes de cozinheiros, o chefe de cozinha teve que sair e chega um pedido de uma torta de chocolate do gerente da casa. O primeiro passo que nos vamos dar é em direção ao livro de receitas onde deverá ter impresso a rotina de como fazer uma Torta de Chocolate Tudo bem até aqui. E agora como vamos acessar a receita da torta? De que se compõe uma receita? Pois bem, vamos procurar a página que contém o título Torta de Chocolate, encontra-se então a receita que é equivalente a um software de construção da torta, que está gravada em um página ABC do livro de receitas. Notemos que, na página, apenas lemos não escrevemos nada lá, ou seja, em trocado de miúdo será a nossa futura ROM - Read Only Memory - e página o nosso endereço, pois toda vez quisermos tal informação basta acessar tal endereço e obtê-lá. Poderíamos ainda necessitar de uma cobertura para a torta caso fossemos mostrar serviço para o chefe da casa, vejamos que no livro de receita exista em uma outra página a rotina Cobertura para Tortas e que esta por sua vez estava seperada por servir para mais de um tipo de torta, e poderíamos partir para a sua execução e depois retornar a torta, o que é chamado também como subrotina de um programa. Agora se fossemos complicar um pouco mais a nossa receita e fossemos fazer uma receita e meia da torta? Precisaríamos de uma folha de rascunho (a memória RAM ) para ajustarmos a receita,uma vez que na receita da torta não devo anotar nada nela. Esta memória temporária, será utilizada para cálculos, e depois podemos nos desfazer do seu conteúdo, ou seja, jogar no lixo. Vejamos como ficaria esta estrutura intuitiva na figura abaixo. Quais são as diferenças sutis e importantes entre o microprocessador e o cozinheiro e suas anotações? Bem, é que o microprocessador, por ser uma máquina limitada, não atende ao rico vocabulário do ser humano cozinheiro que, além de rico, é sofisticado, impreciso e de múltipla interpretação, que só uma máquina inteligente como o homem entede ( vejamos o exemplo: para o homem as seguintes palavras são equivalentes: fazer = realizar = trabalhar. Para o microprocessador, o vocabulário é bem reduzido e específico não existem adjetivos, sinônimos, etec...). Então vimos que o microprocessador entende apenas algumas instruções básicas e se nos quisermos que ele faça alguma coisa precisamos estudar e compreender precisamente a sua linguagem e limitar-

8 Microprocessadores e Microcontroladores - 1 a Unidade - Prof. Vitor Leão Filardi Leio Escrevo Folha de Rascunho Ingredientes + Utensilios C o z i n h e i r o So Leio Livro de Receitas (Linguagem Complexa) HARDWARE SOFTWARE READ RAM (Dados) WRITE Perifericos: Teclado,mouse Etc... M i c r o ROM p r o c. So Leio (Programa de Linguagem Especifica HARDWARE SOFTWARE Figura 1.1: Analogia da estrutura Intuitiva se a ela para fazer a máquina trabalhar. Este é o ASSEMBLER do microprocessador, que é o seu conjunto de instruções. 1.2 Princípios Básicos Conceitos Básicos da Computação Antes de iniciarmos o estudo de microcomputadores, vamos nos familiarizar com os termos técnicos e saber o seu significado individualmente. 1.Bit: abreviação de dígito binário (binary digit), que corresponde ao valor zero lógico(0) ou ao valor um lógico(1). Podemos fazer uma analogia ao sistema numérico como sendo uma unidade de um valor qualquer. 2.Byte: representação numérica composta de 8 bits. Pode representar números de 00h(=0 10 ) a FFh(= ). Essa representação é vastamente utilizada na representação das instruções que o microcontrolador é capaz de executar. Novamente fazendo analogia, teremos o similaridade como as dezenas, centenas etc..., lembrando que em eletrônica digital corresponde como sendo uma palavra. 3.Registradores: conjunto de flip-flop, geralmente do tipo D que são interligados em paralelo entre si. Eles são responsáveis pelo armazenamento de uma informação que pode ter 8, 16, 32, 64 ou 128 bits, dependendo de quantos flip-flops do tipo D estão interligados entre si. Os registradores apresentam características voláteis e, quando eles são desenergizados, perdem suas informações. Página 8

9 Microprocessadores e Microcontroladores - 1 a Unidade - Prof. Vitor Leão Filardi 4.Microcomputador: equipamento compacto cujo objetivo principal é simular eletronicamente o sistema chamado ser humano. Suas principais vantagens são: grande velocidade do processamento das informações e alta confiabilidade nas atividades executadas. Ele é composto por três blocos básicos: Unidade Central e de Processamento, Unidade de Memória e Unidade de entrada e saída de informações. 5.Instrução: define uma única ação (tarefa) que o microcomputador pode executar por vez. As ações das instruções podem corresponder a operações de leitura e escrita nos conteúdos dos registradores ou nas posições de memórias, a operação lógica e aritméticas, etc. 6.Equipamento Inteligente: equipamento com microprocessador ou com microcontrolador. Também chamada de eletrônica embarcada 7.Programa ou software: definido por um conjunto de instruções arranjadas de maneira organizada por um programador, com o objetivo de informar ao microcomputador o que ele deve executar, ou seja, o programa informa ao microcomputador quais as tarefas que devem ser executadas ao longo do tempo. Existem várias classificações de programas: os programas de sistema operacional( linux, DOS, windows e etc.), os utilitários( Anti-virus,scandisk e etc.) e os aplicativos (WORD, EXCEL, Kile e etc.) 8.Firmware: programa (software) que está exclusivamente armazenado em uma memória nãovolátil(rom/prom/eprom/e2prom) de um equipamento inteligente. No mínimo o firmware tem a finalidade principal de programar a forma de operação do hardware (número de portas de entrada e saída, forma de comunicação serial, forma de operação dos timers/contadores etc.) e de definir suas condições iniciais de operação. 9.Hardware: são as partes eletrônicas que compõem um microcomputador, como a mother board (placa mãe que contém pelo menos o microprocessador ou o microcontrolador de um microcomputador), a placa de vídeo de um microcomputador etc. 10.Microprocessador ou Unidade Central de Processamento(CPU):mais conhecido como CPU. Fazendo analogia com o sistema ser humano, o microprocessador, ou CPU, de um microcomputador corresponde ao cérebro de um ser humana. Fisicamente é um dispositivo semicondutor (circuito integrado,ci) constituído por milhões de transistores que implementam uma variedade de circuitos (registradores, máquinas seqüenciais, circuitos lógicos e etc.). Ele é responsável pela busca de um programa na memória e por sua execução. 11.Microcontrolador: dispositivo semicondutor em forma de CI, que integra todas as partes básicas de um microcomputador - microprocessador(cpu), memórias não-voláteis (ROM /PROM /EPROM /E2PROM), memórias voláteis(ram, SRAM, DRAM, Flash RAM), portas de entrada e saídas (portas de comunicação paralela e/ou serial, conversores analógicos/digitais,conversores digitais/analógicos etc.). Ele é conhecido como ummicrocomputador implementado em um único CI Blocos Básicos de microcomputadores Qualquer computador, seja ele microcomputadores, computadores de médio porte ou ainda computadores de grande porte, são constituídos por três blocos básicos: a unidade central de processamento (CPU), a unidade de memória (na qual são armazenados os programas e as informações) e a unidade de entrada e saída (dispositivos que fazem a comunicação com o mundo externo). Página 9

10 Microprocessadores e Microcontroladores - 1 a Unidade - Prof. Vitor Leão Filardi CPU A CPU é responsável pela inteligência da máquina, ou seja, é ela que tem a capacidade de tomar decisões (ações) no sistema microcomputadorizado, por meio da execução de um programa. É ela que executa o programa armazenado na memória do microcomputador, que foi projetado por um programador. Ao executar um programa, ela é responsável pela obtenção das informações a serem analisadas por meio de dispositivos de entrada (teclado, canal de comunicação serial etc.), pelo processamento (interpretação, manipulação, ordenação, modificação, cálculos lógicos ou matemáticos etc.) das informações e pela resposta (ação) do sistema microcomputadorizado a uma determinada situação de controle para a qual ele foi projetado a fim de controlar, por meio de um dispositivo de saída (escrita na memória de vídeo, transmissão de dados para outro microcomputador, acionamento de um relé, acionamento de um bip,etc.). Assim, por exemplo, um microcomputador projetado para funcionar como um caixa eletrônico de banco deve fazer as seguintes operações: leitura das informações contidas no cartão magnético (obtenção de informações), decodificação da senha digitada no teclado pelo usuário, busca de saldo bancário nos bancos de dados do banco (processamento), disponibilização do saldo bancário no monitor de vídeo e a impressão em papel do referido saldo bancário (resposta do sistema por meio da ação de gerar informações no monitor de vídeo e também pela impressão em papel das informações organizadas solicitadas pelo usuário). De maneira simplificada, pode-se dizer que a unidade de processamento central (microprocessador) apresenta duas funções básicas: a)leitura (busca) e interpretação do programa alocado na memória, instrução por instrução: como o programa fica alocado na memória do microcomputador, e não dentro do microprocessador/cpu, em primeiro lugar, o microprocessador precisa buscar as instruções, uma por uma, na memória. Isso é feito por meio da operação de leitura de um byte na memória que corresponde a uma determinada instrução e depois é realizada a interpretação da instrução lida (decodificação), pois o microprocessador tem uma determinada quantidade de instruções que ele é capaz de executar. Dessa maneira, ele precisa verificar qual dessas instruções deve ser executada. Assim, ao finalizar essa etapa, o microprocessador/cpu sabe o que deve fazer. O próximo passo é a execução da instrução. b)execução do programa, instrução por instrução: a palavra execução de uma instrução pode significar a transferência de dados dos registradores internos do microprocessador/cpu para a memória ou para os dispositivos de entrada e saída, e vice-versa. Pode também significar a execução de operações lógicas e aritméticas etc. Esse processo de buscar, interpretar e executar instrução por instrução é uma atividade contínua do microprocessador e, dessa forma, um programa é processado por inteiro. A unidade de processamento central (microprocessador) é constituída por três partes principais: a unidade lógica e aritmética, os registradores internos e o bloco de temporização e controle. a)unidade Lógica e Aritmética (ULA): muitas vezes, também é chamada de ALU (Arithmetic Logic Unit). Ela é responsável, principalmente, pela execução das instruções correspondentes às operações aritméticas e lógicas. Além disso, uma característica muitíssimo importante que deve ser destacada, referente à ULA, é que, ao executar uma instrução de uma operação aritmética ou lógica, ela também define a condição numérica do resultado por meio de alguns bits sinalizadores, chamados de flags de sinalização, tornando-os iguais a um (setando-os) ou tornando-os iguais a zero (resetando-os), e pela utilização de outras instruções que são ca- pazes de testar esses flags de sinalização. Isso faz com que o sistema microcomputadorizado possa gerenciar uma determinada situação de projeto ou desempenhar uma determinada tarefa bem-definida. b)registradores internos: são compostos por m registradores de n bits interligados em paralelo entre si. Os valores m e n dependem das características de cada microprocessador/microcontrolador Página 10

11 Microprocessadores e Microcontroladores - 1 a Unidade - Prof. Vitor Leão Filardi (p. ex.: 32 registrado- res de 8 bits etc.). Como são formados por flip-flops, é possível realizar operações de leitura e escrita de informações. Quando a CPU é desenergizada por apresentar características voláteis, essas informações são perdidas. Geralmente, eles são capazes de armazenar: um byte se forem constituídos por registradores de 8 bits um duplo byte ou address ou word, se forem constituídos por registradores de 16 bits um duplo address ou duplo word, se forem constituídos por registradores de 32 bits etc. Um microcomputador é chamado de microcomputador de 8 bits se ele for capaz de processar informações de oito em oito bits por vez (operações de movimentação de informações e operações aritméticas e lógicas). Analogamente, para os microcomputadores de 16 e 32 bits, quanto maior for a quantidade de bits processados em paralelo por vez, maior será sua capacidade de processamento. A unidade utilizada para medir a capacidade de processamento é o Mips (milhões de informações por segundo). c)bloco de temporização e controle: responsável pelo controle do fluxo de informações do microprocessador para as unidades de memória e para as unidades de entrada e saída. É esse bloco que define os sinais de controle de temporização para o sincronismo do fluxo de informações no sistema microcomputadorizado (p. ex.: liberação de informações da ULA para os registradores, memória e unidades de entrada e saída etc.) por meio da definição dos sinais de leitura (read), de escrita (write), de inicialização do sistema (reset), de liberação dos barramentos de dados e endereços, entre outros. Unidades de Memórias As unidades de memórias são divididas em duas partes: memória de armazenamento de programa e memória de armazenamento de informações (dados, bytes, bits etc.). a)memória de armazenamento de programa: todo microcomputador deve ter uma área de memória na qual será armazenado o programa que definirá as tarefas que o microcomputador / CPU deve executar. Esse programa define a função de um microcomputador e também diz ao microcomputador, instrução por instrução, o que ele deve fazer ao longo do tempo. Esse programa deve ser implementado por um programador técnico, conhecedor do hardware do sistema microcomputadorizado e das instruções do microprocessador. O microcomputador não funcionará se não existir um programa armazenado em sua memória de programa. Assim, uma vez energizado o microcomputador, esse programa será buscado e executado pelo microprocessador. Esse programa define a característica funcional do microcomputador (p. ex.: operar como um forno de microondas, como uma máquina de lavar roupas ou como uma injeção eletrônica de automóvel etc.). Esse programa não pode ser perdido na ausência de energia elétrica, pois isso acarretaria a perda da funcionalidade desse microcomputador, para a qual foi projetado. Assim, o tipo de memória em que esse programa deve ser armazenado é a memória não-volátil. b)memória de armazenamento de informações: todo microcomputador deve ter uma área de armazenamento de informações. Essa memória deve permitir a escrita e a leitura de informações. Para entender melhor, considere um microcomputador controlando uma determinada atividade. Caso existam informações definidas pelo mundo externo por meio de chaves, sensores, teclados etc., elas devem ser lidas e armazenadas na memória, para depois serem lidas novamente e analisadas (tratadas) pelo microprocessador por meio de um programa. Como exemplo, considere o acionamento das teclas do teclado de um microcomputador, ou seja, uma vez acionada uma tecla, a CPU deverá ler a informação que foi gerada pelo hardware associado a essa tecla e executar o armaz namento dessa informação na memória. Depois, deverá fazer a leitura dessa informação, a fim de analisá-la (interpretá- la), para verificar qual tecla foi acionada. Além disso, a informação deverá ser mostrada no monitor de vídeo. Repare que foram necessárias, nesse exemplo, várias operações Página 11

12 Microprocessadores e Microcontroladores - 1 a Unidade - Prof. Vitor Leão Filardi de leitura e escrita na memória, para a realização dessa tarefa. Assim, é preciso utilizar uma memória que tenha a característica de realizar leitura e escrita de informações. Portanto, deve-se utilizar memórias RAM (Random Access Memory). Lembre-se de que essas memórias apresentam a característica de se- rem voláteis. Portanto, sempre que o microcomputador for desenergizado, as informações contidas nesse tipo de dispositivo serão perdidas. Unidade de Entrada e Saída Unidade de entrada e saída (E/S): também chamada pela abreviação de I/O (Input/Output), é responsável pelo interfaceamento das informações entre o microcomputador e o mundo externo. Geralmente são circuitos integrados (CIs) capazes de ler e armazenar as informações vindas do mundo externo, por exemplo, informações originárias do teclado, do canal de comunicação serial de um microcomputador etc. e que também podem definir informações do microcomputador para o mundo externo, por exemplo, o acionamento de bips, alto-falantes, leds indicadores, displays, interfaces de comunicação seriais e paralelas etc. 1.3 Arquitetura do Microprocessador/Microcontrolador Como vimos até aqui o microprocessador é um elemento eletrônico, desenvolvido para executar tarefas específicas, que dependem de uma linguagem própria para cada família de microprocessadores/microcontroladores. Quando falo em famílias estou me referindo ao tipo de linguagem que o meu microprocessador/microcontrolador será capaz de interpretar, isto quer dizer que a linguagem a qual irei utilizar no programa está diretamente relacionada ao modelo do meu microprocessador/microcontrolador. Podemos ter no mesmo circuito diversos tipos de famílias diferentes que trabalham entre si sem problemas, desde de que se respeite o programa individual de cada um, por exemplo: o nosso celular não conecta no computador, um palm idem, são todos eles pertencentes a diversas famílias, mas que interagem entre si. Assim, ao programarmos a ROM com os códigos compatíveis com a linguagem ou família pertencentes ao microprocessador, ele será capaz de executar as tarefas por esse código designadas. Cabe ao projetista entender perfeitamente o conjunto de instruções da máquina (o tão famoso ASSEMBLER) e a sua estrutura fisica, e de interfaces, também conhecida como hardware. Vejamos como os três blocos visto até aqui se comunicam entre si para dar funcionalidade ao microprocessador. As vias de comunicação entre os blocos básicos são chamadas de barramentos ou do inglês bus. Cada barramento é constituído por um número de vias (trilhas de cobre), nas quais fluem informações em paralelo. São três os barramentos existentes: o barramento de endereços, de temporização e controle e o de dados. 1.Barramento de endereços: A CPU utiliza esse barramento para definir os endereços das posições de memória de programa em que ela irá buscar as instruções a serem executadas e também para definir os endereços de memória de dados ou dos dispositivos de entrada e saida para a troca de informações. Esse barramento é unidirecional. 2.Barramento de temporização e controle: A CPU utiliza esse barramento para definir os sinais de temporização e controle para gerenciar o tempo e a direção do fluxo de informações nas operações de leitura e escrita nos dispositivos (unidades de memória ou unidades de entrada e saida). Esse barramento é unidirecional. 3.Barramento de dados: A CPU utiliza esse barramento para receber as informações vindas da memória ou dos dispositivos de entrada e saida ou então definir as informações para a memória ou para os dispositivos de entrada e saída. Esse barramento é bidirecional. Vale ressaltar que Página 12

13 Microprocessadores e Microcontroladores - 1 a Unidade - Prof. Vitor Leão Filardi nem todos os microprocessadores/microcontroladores não trocam informações diretamente com os dispositivos de entrada e saida. 4.Oscilador: É o elemento que gera o marcapasso da CPU, que permite que o microprocessador realize as suas tarefas internas e externas de maneira sincronizada e com velocidade predeterminada. 5.Reset: É o elemento que faz a CPU iniciar suas rotinas internas e realizar também a primeira leitura de instrução no endereço 0000h. 6.Interrupções: São pinos de acesso externo que permitem interromper o microprocessador, que então interrompe suas tarefas atuais e atende aquelas planejadas pela interrupção solicitada. Oscilador Reset Interupcao Microprocessador ou Unidade Cental de Processamento Mem oria Nao Volatil (ROM) Volatil (RAM) E/S ou I/O BUS de Temp. Controle Bus Endereco BUS Dados Figura 1.2: Arquitetura básica de um microprocessador Como o computador só interpreta códigos binários, não existe a necessidade que nós programadores converse no mesmo nível, podemos utilizar os outros tipos de codificação Octal, Hexadecimal, Decimal e por Nomes Simbólicos, que representam uma instrução, como por exemplo: add = Soma = Código Hexa 24 ou em binário (no exemplo, add=add A,#valor), para o microprocessador A CPU só entende dígitos binários, mas nós a memorizarmos por add, que é mais fácil de se lembrar. Assim através de um software (interpretador) irá transformar este add em , quando gravamos a ROM. 1.4 A CPU Internamente Veremos algumas de suas funcionalidades mais importantes a)registradores: São equivalentes a uma RAM, só que interna à CPU. Servem para armazenamento temporário de informações de utilidade interna e externa à CPU. Existem registradores com função definida: por exemplo, aquele que é imagem ou espelho de uma porta de I/O. O sinal na porta de I/O pode ser lido diretamente no registrador equivalente por exemplo, a porta PO tem um registrador imagem de PO, cujo conteúdo é o reflexo do que há na entrada física dessa porta. Existem registradores de Função Geral, que podem ser acessados pelas instruções do Mp (microprocessador) e ainda podem ser conhecidos por nomes (registradores R0, R1 etc.) ou sem nomes (registradores 20h, 21h, etc.). Página 13

14 Microprocessadores e Microcontroladores - 1 a Unidade - Prof. Vitor Leão Filardi b)contador de Programa (Program Counter ou PC): É o indicador de endereço de memória externa. Ele serve para endereçar a próxima instrução a ser lida pelo Mp, a fim de que ela saiba onde estava e para onde deve ir (ler nova instrução no próximo endereço). c)registradores de Instrução (Instruction Register ou IR): É o local para onde se dirige o código da instrução que foi retirada da ROM por meio do endereço dado pelo PC no ciclo de busca (fetch) da instrução da memória. O IR é necessário para que, depois da busca, um decodificador possa decodificar, abrir a instrução e enviá-la à unidade de processamento (ALU-Aritmetic Logic Unit), a fim de que, neste local, ela seja executada. d)unidade de Decodificação (Decode Unit): É o local em que a instrução é decodificada, e também são gerados os controles que, junto com a Unidade de Controle, permitem executar a instrução na ALU. e)unidade Lógica e Aritmética (ALU-Arithmetic Logic Unit): É o local em que são realizadas as operações de: lógica, aritmética e decisão/comparação. É o cérebro da máquina. f)acumulador (Accumulator): É um registrador principal e muito popular, pois várias instruções se referem a ele para operar. g)unidade de Controle (Control Unit): É o local em que se processa o controle do fluxo das informações a fim de realizar a instrução recebida. Exemplo de Funcionamento: Suponha que o Mp foi ler uma instrução na ROM. Os seguintes passos serão dados: 1.O endereço de PC é posto na via de endereço (que é o endereço desta próxima instrução a ser lida). 2.O sinal de controle da ROM, é ativado (pois vamos ler a ROM e não a RAM). 3.A instrução é lida da ROM, no endereço dado pelo PC (no caso, o endereço n ), e é lida pela via de dados. Estes três itens correspondem ao ciclo de busca ou fetch. 4.A instrução é carregada e armazenada no IR (Registrador de Instruções). 5.O PC é incrementado para ler a próxima instrução (apontará para n+1 ). 6.Inicia-se outro ciclo, o de execução interna da instrução, auxiliado pela Unidade de Controle e pelos registradores, decodificado pela Unidade de Decodificação e executado pela ALU. 1.5 O Microcontrolador 8051 O 8051 é um microcontrolador rápido com clock típico de 12 MHz sendo que existem versões de até 30 MHz, fornecidas por diversos fabricantes, e suas características de hardware e software permitem usá-lo como um poderoso controlador, sobretudo em sistemas para lógica seqüencial e combinatória. Entre as suas características de hardware, podemos destacar: 1)2 Kbytes de memória de programa (Flash) 2)128 Bytes de memória RAM 3)Duas portas de I/O de 8 bits 4)Comparador de tensão on-chip 5)Controlador de interrupção de 6 entradas com estrutura Nesting* 6)Canal serial UART Full-Duplex programável Página 14

15 Microprocessadores e Microcontroladores - 1 a Unidade - Prof. Vitor Leão Filardi 7)Dois contadores/temporizadores de 16 bits 8)Modos Power-Down e Power-Idle [*] Nesting é o nome que se dá ao processo pelo qual uma interrupção pode interromper outra que já estiver sendo atendida, desde que tenha maior prioridade. Entre as características de software podemos destacar a capacidade de executar complexas operações aritméticas e lógicas (multiplicação, divisão, permuta, e deslocamento de bits,... ), trabalhar com bancos de registradores nominais e inclusive trabalhar com 128 bits individualmente endereçáveis na RAM. Há um tempo não muito distante, para realizar um projeto utilizando microcontroladores com todas estas funcionalidades, era necessário agrupar diversas pastilhas com as funções descritas anteriormente. Isto tornava protótipo fisicamente maior, aumentaria o consumo de energia, diminuindo a autonomia das baterias e inviabilizando a sua portabilidade que hoje são fundamentais para os sistemas embarcados. Para compreendermos melhor o 8051 torna-se necessário conhecer a estrutura interna do microcontrolador e estudarmos cada uma delas detalhadamente. Para isso nos dividiremos da seguinte forma: 1)Memória 2)Circuito de Reset 3)Gerador de Clock 4)Controlador de Interrupção 5)Conjunto de Instruções Com esta divisão ficará mais claro definirmos todas as instruções realizadas pelo 8051 e, o funcionamento dos demais componentes associados ao microcontrolador Memória Vejamos, o diagrama de blocos do 89C2051 na figura 1.3. Neste diagrama de blocos, temos uma noção geral dos elementos internos ao 8051 e de suas ligações com o mundo externo. A memória de programa do 8051 é do tipo Flash ROM (E2PROM), podendo sofrer um ciclo de escrita/apagamento de 1000 vezes. Este tipo de memória de programa torna as tarefas de teste e depuração dos programas bastante agradáveis, pois a antiga etapa de apagar a memória em luz ultravioleta não se faz mais necessária. O segmento de programa da memória se inicia no endereço 0000h e pode ocupar todos os 2048 bytes da memória, a ATMEL oferece também outros modelos de microcontroladores com uma ROM interna maior para que possamos utilizar programas maiores. A memória RAM se divide conforme a figura 1.4 Os registradores de funções especiais incluem locações referentes às portas de I/O, ponteiros do sistema, registros de interrupção, registros da porta serial, dos temporizadores e registros aritméticos. A CPU trata os registros de funções especiais da mesma forma que trata a RAM, podendo ali efetuar alterações e, o mais importante, endereçar algumas dessas posições como bit. Esta facilidade de endereçar bits é muito interessante, pois facilita a vida do programador. Vamos supor que temos de zerar o quinto bit de uma certa posição de memória. O método tradicional consiste em fazer uma operação AND entre o conteúdo da memória especificada e o numero binário , Página 15

16 Microprocessadores e Microcontroladores - 1 a Unidade - Prof. Vitor Leão Filardi Figura 1.3: Organização Interna do 8051 pois 1 AND X resulta X, logo não alteramos os bits 7, 6, 4, 3, 2, 1 e 0. Mas temos que 0 AND X resulta 0, e desta forma zeramos o quinto bit. Quando o sistema trabalha com bits, basta dar uma instrução do tipo zere o bit 5 na posição N e teremos efetuado a operação, sem nos preocuparmos com os demais bits. A parte baixa da memória RAM interna (daqui a diante chamaremos apenas de RAM) está dividida em porções distintas, que incluem 4 bancos de registradores de 8 bytes cada, uma porção de 16 bytes cujos bits são individualmente endereçáveis pela CPU e o restante da memória, que somente pode ser endereçado byte a byte. Os bancos de registradores são simples posições de memória RAM que permitem seu endereçamento pelo nome dado a cada registro, além de seu endereçamento pela posição de memória. Página 16

17 Microprocessadores e Microcontroladores - 1 a Unidade - Prof. Vitor Leão Filardi Figura 1.4: Organização da RAM Interna do 8051 A vantagem dos bancos de registradores está em seu uso pelo sistema, como índice para endereçamento e pela facilidade de lembrança de seu nome, além de serem amplamente utilizados por compiladores de linguagem de alto nível. Por exemplo, é mais fácil lembrar que um certo dado está no registro R2 do que lembrar que o mesmo está na posição 02 de memória (Supondo Banco 0). Página 17

18 Microprocessadores e Microcontroladores - 1 a Unidade - Prof. Vitor Leão Filardi A seleção de um certo banco de registradores se dá pelo valor dos bits RS1 e RS0 conforme a tabela a seguir: Posição de Memória Nome do Registrador Bit RS1 Bit RS0 BANCO 1F R E R D R C R B R A R R R R R R R R R R R F R E R D R C R B R A R R R R R R R R R R R0 0 0 Tabela 1.1: Tabela de registradores do banco de memória Conforme visto anteriormente, temos 16 bytes na RAM cujos bits são individualmente endereçáveis pela CPU, conforme podemos ver pela tabela abaixo, dispostos da seguinte forma. Página 18

19 Microprocessadores e Microcontroladores - 1 a Unidade - Prof. Vitor Leão Filardi Endereços Individuais dos bits Endereços dos bytes 7F 7E 7D 7C 7B 7A F E 6F 6E 6D 6C 6B 6A D C 5F 5E 5D 5C 5B 5A B A 4F 4E 4D 4C 4B 4A F 3E 3D 3C 3B 3A F 2E 2D 2C 2B 2A F 1E 1D 1C 1B 1A F 0E 0D 0C 0B 0A Tabela 1.2: Endereços de Memória endereçavel por byte e bit Temos também alguns registros de funções especiais que têm seus bits endereçáveis, sendo que alguns deles têm, inclusive, um nome mnemônico, para maior facilidade de desenvolvimento de software em compiladores. Antes de estudarmos o mapa de memória dos registros de funções especiais, vamos estudar cada um deles em separado para melhor compreensão do funcionamento interno do 89C2051. Em seguida ao nome de cada registro, temos seu endereço em hexadecimal na RAM: P1 (90) - Porta P1 P3 (B0) - Porta P3 São posições da RAM que contêm os dados das portas de I/O do micro, caso as mesmas sejam usadas como tal. Uma escrita num desses registros altera automaticamente o conteúdo presente na saída do chip, e uma leitura dos mesmos coloca o estado presente nos pinos (ou nos latchs de saída, conforme veremos adiante) dentro da posição desejada. Essa operação é possível devido aos buffers e latchs de cada porta, que só são ativos na leitura ou escrita das mesmas. Página 19

20 Microprocessadores e Microcontroladores - 1 a Unidade - Prof. Vitor Leão Filardi SP (81) - Stack Pointer É um registrador de 8 bits que contém o endereço de topo de uma pilha realizada com os registradores, em que se acumulam endereços de retorno, quando se trabalha com sub-rotinas e interrupções. Você pode EMPURRAR (PUSH) dados para a pilha (STACK) ou TIRAR (POP) dados da pilha (STACK). A instrução PUSH incrementa o SP antes de escrever os dados e a instrução POP lê o dado da pilha e depois decrementa o SP. A pilha é formada inicialmente dentro da RAM interna quando se tem o RESET da máquina, e neste caso o SP é carregado com valor 07h. Isto é, qualquer dado a ser armazenado na pilha causará primeiro o incremento do SP, isto é, irá para 08h, e depois será gravado o dado na pilha nesta posição 08h. Isto é, ela estará ocupando a posição 08h da RAM que é o registrador R0 do banco 1! Se você quiser utilizar esse banco e os outros seguintes, é melhor, logo de ínicio, carregar o SP com outro valor de ponteiro, a partir do qual ele irá formar a pilha. TH1 (8D) - Timer High 1 TL1 (8B) - Timer Low 1 TH0 (8C) - Timer High 0 TL0 (8A) - Timer Low 0 São os registros de dados dos temporizadores/contadores (1 e 0 respectivamente). Contem os valores contados, no caso de usarmos as funções desse importante periférico do 89C2051. TCON (88) - Timer Control Register TMOD (89) - Timer Mode Register Registradores de controle e de modo de operação dos temporizadores/contadores. É nestes registros que efetuamos a programação de como queremos que esses periféricos trabalhem. Vale lembrar que o 89C2051 possui dois temporizadores/contadores internos. PCON (87) - Power Control Este registro permite-nos adaptar o chip para situações em que não há processamento, mas não desejamos perder o conteúdo das memórias internas do chip, como pode ocorrer numa falha da alimentação, assim podemos controlar o consumo de energia do sistema. SCON (98) - Serial Port Control Register SBUF (99) - Serial Buffer No SCON, colocamos os bits que nos permitirão trabalhar com a porta de comunicação serial conforme desejamos, e o SBUF é o registro no qual a porta armazenará o dado recebido, ou escrevemos o dado a ser transmitido. IE (A8) - Interrupt Priority IP (B8) - Interrupt Enable Estes registros permitem-nos escolher qual ou quais interrupções serão habilitadas (ou desabilitadas) e qual a prioridade (maior ou menor) de cada uma. Página 20

21 Microprocessadores e Microcontroladores - 1 a Unidade - Prof. Vitor Leão Filardi PSW (D0) - Program Status Word O Program Status Word contém bits que indicam quais as ocorrências da ALU na ultima operação lógica e aritmética, alem de indicar qual banco de registradores foi acessado pela ultima vez. Equivale aos Flags dos microprocessadores de 8bits. ACC (E0) - Accumulator B (F0) Equivalem ao acumulador e ao registro B dos microprocessadores de 8 bits. O interessante aqui é que, inclusive os registros da CPU são acessíveis como simples posições de memória. DPH (83) - Data Pointer High DPL (82) - Data Pointer Low Estes dois registros de 8 bits podem ser referenciados como um registro de 16 bits, chamado DPTR -Data Pointer. Este registro é usado quando desejamos fazer endereçamento indireto para a leitura de constantes armazenadas na memória de programa, para ler ou escrever variáveis na memória externa de dados e para desvio para memória de programa de até 64 Kbytes. Não são todos os registros de funções especiais que tem seus bits individualmente endereçáveis. Temos na tabela abaixo, os registros e seus bits com seus respectivos endereços. Assim como nos registros endereçáveis (que são bytes), alguns destes bits também tem um nome mnemônico. Este componente possui um poderoso conjunto de instruções que permite usar diversos modos de endereçamento, admitindo desvios e leitura/escrita em toda a memória. No momento oportuno, veremos como é acessada uma posição de memória, e também como a CPU faz para acessar fisicamente essas posições Circuito de Reset Agora, estudaremos como se processa a operação de RESET no 89C2051. É através desta função que o chip se prepara para trabalhar, seja ao ligarmos a alimentação do sistema, ou forçosamente. Embora o RESET não seja propriamente uma interrupção, muitas vezes é assim chamado devido à semelhança de suas ações, já que o RESET interrompe o processamento e reinicializa o sistema. O RESET no 89C2051 é ativo quando o pino 1 (RST/VPP) permanecer em nível alto por dois ou mais ciclos de maquina. Neste caso, a CPU executa o que chamamos de reset interno, que consiste em preencher seus registros internos com os valores predeterminados, a saber: a)o PC, o acumulador, o registro B, os flags, o DPTR e todos os registros dos temporizadores/contadores são ZERADOS. b)no SP é colocado o valor 07h. c)as portas P1 e P3 terão o valor FFh Página 21

22 Microprocessadores e Microcontroladores - 1 a Unidade - Prof. Vitor Leão Filardi Endereços Individuais dos bits Registradores E7 E6 E5 E4 E3 E2 E1 E0 ACC F7 F6 F5 F4 F3 F2 F1 F0 B P1 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 P3 EA ES ET1 EX1 ET0 EX AF AC AB AA A9 A8 IE PS PT1 PX1 PT0 PX BC BB BA B9 B8 IP CY AC FD RS1 RS0 OV P D7 D6 D5 D4 D3 D2 D0 PSW SM1 SM2 SM3 REN TB8 RB8 T1 R1 9F 9E 9D 9C 9B 9A SCON TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 8F 8E 8D 8C 8B 8A TCON Tabela 1.3: Mnemônicos de cada bit d)o SBUF estará com conteúdo indeterminado e o registro de controle da porta serial SCON será zerado. e)o registro PCON terá apenas seu bit mais significativo zerado. f)os registros de controle de interrupção (IE e IP) terão ambos o valor binário XXX00000, onde X = irrelevante (pode ser 0 ou 1). A RAM interna não é afetada pelo reset forçado, sendo que ao ligar (power-up), o seu valor é aleatório, mas pode ser lido por software. Geralmente, ao ligarmos o sistema, desejamos que o mesmo execute uma seqüência de funções de inicialização, dividida em dois blocos, inicialização do sistema básico, que sempre ocorre no RESET, e a inicialização do sistema montado, que prepara o equipamento para a operação para o qual foi projetado, por exemplo, ajustando os contadores, as portas entre outros. Embora estas funções sejam executadas pelo software que começa a rodar após o RESET, no endereço 0000h da memória de programa, costumamos chamá-lo de rotina de inicialização. O 89C2051 pode ser automaticamente resetado ao ligar a fonte, pela colocação de um resistor de 8,2 kω entre seu pino seu pino de RESET e o terra, e pela colocação de um capacitor (preferencialmente de tântalo) de 10 µf entre o pino e o +Vcc, o que garante que este pino estará em nível alto por mais de 2 ciclos de maquina após a ligação da alimentação, pois o capacitor comporta-se como um curto-circuito, provocando uma circulação de corrente pelo resistor, que terá uma tensão inicial da ordem de +Vcc. Após algum tempo, o capacitor estará carregado e não circulará mais corrente na resistência, e desta forma a diferença de potencial sobre a mesma será nula, garantindo que o pino RST/VPP esteja Página 22

23 Microprocessadores e Microcontroladores - 1 a Unidade - Prof. Vitor Leão Filardi Figura 1.5: Mapa de Registradores e Valores de Reset do 8051 no nível 0. Na eventualidade de necessitarmos provocar o reset (reset forçado), basta então colocarmos uma chave de contato momentâneo NA (push-botton NA) em paralelo com o capacitor, e ao pressiona-la e soltá-la teremos provocado uma nova operação de reset. Na entrada, o chip possui um Schmidt Trigger para garantir rejeição a ruído, sendo que a saída do mesmo é amostrada a cada ciclo de maquina pelo hardware, para ver a ocorrência de reset. Durante o reset, o nível lógico dos pinos é indeterminado, indo a nível lógico 1?após? a execução da rotina interna de reset, de tal forma que devemos prever esta situação no projeto do hardware, para evitar acionamento indesejável de qualquer periférico externo. Página 23

24 Microprocessadores e Microcontroladores - 1 a Unidade - Prof. Vitor Leão Filardi Figura 1.6: Circuito de reset O Gerador de Clock Temos duas possibilidades para excitar o sistema: clock externo ou clock interno. O uso do clock externo ajuda a economizar componentes quando do uso do sistema junto de outros que já possuam um sinal TTL que possa ser aproveitado, como por exemplo, para trabalho junto a contadores e outros equipamentos seqüenciais rápidos. Sua implementação é simples, bastando desconectar o pino 4 (XTAL2) (deixar em aberto), e injetar o sinal externo no pino 5 (XTAL1), que desta forma irá diretamente para o sistema de controle e temporização do chip (conforme a figura 1.7). Figura 1.7: Clock Externo para o 8051 Se utilizarmos o clock gerado pelo oscilador interno, deveremos intercalar aos pinos XTAL1 e XTAL2 um cristal ou um filtro cerâmico (o cristal e o mais indicado) na freqüência desejada, e dois capacitores de realimentação conforme a figura 1.8 Os valores recomendados dos capacitores são os seguintes: 40 pf +/- 10 pf para filtro ressonante de cerâmica. 30 pf +/- 10 pf para cristal oscilador. Em qualquer caso, a freqüência de oscilação mínima é de 3.5 MHz, é a máxima pode ser de 24 MHz conforme o modelo utilizado. Existem atualmente versões de outros fabricantes que trabalham com freqüência de 30 MHz e superiores, sendo que o seu custo também é relativamente superior. Página 24

25 Microprocessadores e Microcontroladores - 1 a Unidade - Prof. Vitor Leão Filardi Figura 1.8: Oscilador Interno Quanto ao layout do circuito deve-se destacar o fato de que as ligações devem ser mantidas as mais curtas possíveis, para evitar capacitâncias parasitas que venham a interferir no funcionamento do circuito, assim como uma boa malha de terra deve ser providenciada em toda a placa. Figura 1.9: Layout Recomendado para o Oscilador Interno Interrupção A interrupção é, provavelmente, uma das mais importantes ferramentas nos sistemas de controle microprocessados, pois é o processo pelo qual a execução de um programa é interrompida (ou não), de acordo com as necessidades de eventos externos ou internos. Temos dessa forma, que existem três fontes de interrupção: a interrupção por Software (instrução), a pedida por periférico externo e a interrupção pedida por periférico interno (timer/counter, porta serial, etc...). A interrupção é um sinal, gerado de uma das três formas acima descritas, que pede para a CPU parar o processamento corrente e efetuar outro, referente à interrupção solicitada, desde que a mesma esteja habilitada e possa ser aceita. A vantagem da interrupção está na simplificação do Hardware, pois não precisamos fazer com que nosso sistema fique monitorando o funcionamento de certos dispositivos periféricos. Por exemplo, nos computadores didáticos simples, e mesmo em alguns sistemas industriais, o teclado é um periférico que é lido constantemente pelo monitor do sistema, para verificar se alguma tecla foi ou não apertada. Página 25

26 Microprocessadores e Microcontroladores - 1 a Unidade - Prof. Vitor Leão Filardi Já nos computadores da linha IBM-PC, isso não ocorre, pois o teclado é um periférico inteligente, que possui um microcontrolador interno que, caso uma tecla seja pressionada, pede uma interrupção ao microprocessador para poder enviar o código da tecla pressionada para o mesmo. Muitas vezes as entradas de interrupção são as principais entradas do sistema. Para o perfeito entendimento das interrupções, devemos antes relembrar os seguintes conceitos: a)mascaramento É a possibilidade de impedirmos, geralmente por Software, que uma certa interrupção seja atendida. Existem sistemas que possuem interrupções não-mascaráveis, ou seja, jamais podem ser desabilitadas por Software. b)prioridades No caso do sistema poder atender mais de uma interrupção, devemos ter uma tabela de seqüência de prioridades, para que o microprocessador saiba como agir, no caso de duas ou mais interrupções chegarem simultaneamente. c)interrupção Vetorada e Não Vetorada As interrupções vetoradas são aquelas que possuem o vetor de interrupção (endereço de início da interrupção) fixo, e não pode ser mudado pelo usuário. É o caso do 8051, onde cada vetor de interrupção já está definido pelo fabricante. As interrupções não vetoradas são aquelas nas quais os endereços de desvios do programa são escolhidos pelo programador, como é o caso do COP U3 da Motorola, por exemplo. d)tipo de Ativação das Interrupções Existem três maneiras pelas quais um sistema pode reconhecer um sinal lógico: Pelo nível (alto ou baixo). Pela borda de subida ou de descida. Pela soma de borda (subida ou descida) e um nível correspondente. Estudo das Interupções no pode ser interrompido de 5 maneiras: 1)Pela interrupção externa INTO\ 2)Pela interrupção externa INT1\ 3)Pelo timer/counter interno TIMER0 4)Pelo timer/counter interno TIMER1 5)Pelo canal de comunicação serial. O canal serial e as interrupções externas usam alguns pinos da porta três, conforme a seguir: 1.Porta 3, pino 0 = Receptor de dados seriais (RX) Página 26

27 Microprocessadores e Microcontroladores - 1 a Unidade - Prof. Vitor Leão Filardi 2.Porta 3, pino 1 = Transmissor de dados seriais (TX) 3.Porta 3, pino 2 = Entrada da interrupção externa INTO\. 4.Porta 3, pino 3 = Entrada da interrupção externa INT1\. OBSERVAÇÃO: Dessa forma, se usarmos algumas dessas interrupções, devemos tratar a porta três como porta de I/O apenas bit endereçável. No 8051, cada interrupção pode ser individualmente habilitada ou não, e podemos também desabilitar todas de uma só vez. As interrupções podem ter apenas dois níveis de prioridade, e dessa forma, se duas ou mais ocorrerem ao mesmo tempo (algo praticamente impossível), a de maior prioridade será atendida primeiro. Caso uma interrupção de prioridade 0 (menor) esteja em andamento, uma interrupção de prioridade 1 (maior) interromperá aquela e será atendida. Ao seu fim, a CPU retorna ao atendimento da interrupção de nível 0 que foi interrompida. Este Microcontrolador possui ainda um processo de prioridade interno, para o caso de duas interrupções de mesma prioridade estarem aguardando atendimento. Neste caso, esta é a ordem de atendimento das interrupções (IP): 1)Interrupção Externa 0 Maior prioridade Timer 0 2)Interrupção Externa 1 Timer 1 Se a interrupção que chegar for de nível igual ou menor da que já está sendo atendida, ficará aguardando o fim desta para ser servida. Quando atende uma interrupção, salva no Stack o valor do PC, mas não salva o acumulador e o registro Program Status Word (PSW). Os mesmos devem ser salvos e devolvidos pela rotina de interrupção, se assim for necessário, assim como qualquer outro registro importante. Endereços de Desvio Neste Microcontrolador, cada interrupção é desviada para um certo endereço fixo, no qual começa a nossa rotina de interrupção. São os seguintes os endereços de desvio: 1.INT0\ 03h 2.Timer/Counter 0 0Bh 3.INT1\ 13h 4.Timer/Counter 1 1Bh Como vimos, o Reset inicia em 00h, e desta forma, por exemplo, se usarmos todas as interrupções teremos que usar os três Bytes disponíveis para o reset, num desvio incondicional para outra parte da memória, onde realmente teria início o programa. Página 27