EPAC Microcontroladores Organização do curso 30/8/2007

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1 EPAC 2007 Microcontroladores 8051 Thiago B. Ló Guilherme Galante Organização do curso 1. Parte I Introdução Visão Geral da família 8051 O circuito básico Atividades Práticas 2. Parte II Interrupções Contadores e Temporizadores Atividades Práticas 2 1

2 Parte I Introdução ao Introdução Um microcontrolador é um componente que possui em único chip: CPU memórias ROM e RAM temporizadores/contadores conversores AD canais de comunicação Em sistemas baseados em microprocessadores, se utilizam vários componentes para implementar essas funções Os microcontroladores permitem a implementação de sistemas mais compactos e baratos do que aqueles baseados em microprocessadores 4 2

3 Introdução CPUs dos microcontroladores são menos poderosas do que os microprocessadores Seu conjunto de instruções costuma se limitar às instruções mais simples Sua freqüência de clock é mais baixa e o espaço de memória endereçável costuma ser bem menor Vê-se daí que o campo de aplicação dos microcontroladores é diferente daquele dos microprocessadores 5 Introdução Microprocessador CPU => stand-alone, RAM, ROM, I/O, timers são separados; O projetista pode decidir a quantidade de ROM, RAM e ports de I/O; Expansível Versatilidade Uso geral Microcontrolador CPU, RAM, ROM, I/O e timer estão integrados em um chip Quantidade fixa de elementos on-chip (ROM, RAM, I/O ports) Para aplicações onde custo, potência e espaço são fatores críticos; Uso específico 6 3

4 Introdução Exemplos de aplicações: controle de semáforos balanças eletrônicas telefones públicos controle de carregadores de baterias controles de acesso taxímetros sistemas de aquisição de dados de manufatura e eletrodomésticos em geral 7 A Família 8051 O Intel 8051 faz parte de uma popular família de microcontroladores de 8 bits lançada pela Intel em 1977 O dispositivo em si é um microcontrolador de 8 bits relativamente simples, mas com ampla aplicação Porém, o mais importante é que não existe somente o CI 8051, mais sim uma família de microcontroladores baseada no mesmo Entende-se família como sendo um conjunto de dispositivos que compartilha os mesmos elementos básicos, tendo também um mesmo conjunto básico de instruções. 8 4

5 A Família 8051 Diversos fabricantes produzem microcontroladores da família 8051: Intel AMD Atmel Dallas OKI Matra Philips Siemens SMCSSI 9 A Família 8051 Além do 8051 propriamente dito, existem variantes: 8031 (sem memória ROM interna e com apenas 128 bytes de memória RAM) 8751 (4 kb de memória EPROM) 8052 (8 kb de memória ROM, um terceiro timer e 256 bytes de memória RAM) A menos dessas diferenças, os modelos citados são idênticos, assim utilizaremos o termo 8051 de forma genérica 10 5

6 Principais Características Freqüência de clock de 12 MHz, com algumas versões que alcançam os 40 MHz até 64 kb de memória de dados externa 128 bytes de RAM interna até 64 kb de memória de programa configurável de duas formas mutuamente excludentes: 4 kb internos (ROM no 8051 e EPROM no 8751) e mais 60 kb externos 64 kb externos 4 portas bidirecionais de I/O, cada uma com 8 bits individualmente endereçáveis duas dessas portas (P0 e P2) e parte de uma terceira (P3) ficam comprometidas no caso de se utilizar qualquer tipo de memória externa 2 temporizadores /contadores de 16 bits 1 canal de comunicação serial 5 fontes de interrupção (dois timers, dois pinos externos e o canal de comunicação serial) com 2 níveis de prioridade selecionáveis por software oscilador de clock interno 11 Visão Interna: A Arquitetura do 8051 External Interrupt Interrupt Control 4K ROM 128 Bytes RAM Timer 1 Timer 0 CPU BUS Counter Inputs OSC BUS Control 4 I/O Port s Serial Port P0 P1 P2 P3 Address / Data TXD RXD 12 6

7 Visão Externa: A Pinagem do 8051 Portas de E/S +5V Reset Acesso Externo(~) Address latch enable Acesso Externo(~) Cristal Terra 13 Memória O 8051 possui 4kB de memória de programa internos (ROM), podendo-se ainda utilizar 64kB externos (8031 não possui ROM interna) Possui RAM interna e possibilidade de RAM externa, com espaços de endereçamento distintos (instruções distintas) Mapeia em memória registradores, portas de I/O, ponteiros do sistema, temporizadores 14 7

8 Memória Área de Registradores R0-R7 (00-1FH) Área Booleana (binária) (20H-2FH): 16 bytes endereçados bit a bit (totalizando 128 bits) Área de Rascunho (30H-7FH): memória de uso geral onde se localiza a pilha do sistema Área de Registradores Especiais (SFR) (80H-FFH): Portas P0 (80H), P1 (90H), P2 (A0H), P3 (B0H) TMOD (89H): registrador de modo dos timers TCON (88H): registrador de controle do timer 1 T2CON (C8H): registrador de controle do timer 2 15 Memória Memória de Programa 0000H 4k 0000H 8k 0FFFH 8751 AT89C51 1FFFH 8752 AT89C

9 Entrada e Saída A família 8051 possui as seguintes capacidades de I/O nativas, variáveis conforme o modelo: 32 Portas de I/O endereçáveis individualmente, divididas em 4 portas de 8 bits mapeadas em RAM com bits individualmente endereçáveis P0(80h) P1(90h) P2(A0h) P3(B0h) 1 UART Full-Duplex 17 Entrada e Saída O acesso às portas pode ser feito a byte, com instruções normais de movimentação de dados (endereçamento direto) ou utilizando instruções de bit Endereçamento direto entre os endereços 80h e FFh acessa os registradores especiais e portas de I/O, enquanto que endereçamento indireto acessa a memória As portas são quase todas multifuncionais, ou seja, podem ser utilizadas tanto para I/O comum endereçável a bit quanto para sua função especial, como no caso de acesso à memória externa, com as portas 0,2 e 3: Porta 0: dados e parte baixa dos endereços multiplexados Porta 2: parte alta dos endereços Porta 3: WR e RD (write strobe e read strobe para memória dados) Combinações extremas: 1 Portas de I/O (8 bits em P1) + 6 bits da P3 + 64K ROM + 64K RAM (EXTERNAS) 4 Portas de I/O + 128bits RAM + 4K ROM (INTERNAS) 18 9

10 Entrada e Saída Além das funções especiais já vistas, ainda temos as portas 1 e parte da P3, que têm as seguintes funções especiais: Porta 1: bit 0: T2 Timer/Counter2 external input bit 1: T2EX Timer/Counter2 Capture/Reload trigger(apenas no 8052) Porta 3: bit 0: RXD (serial input port) bit 1: TXD (serial output port) bit 2: INTO (external interrupt) bit 3: INT1 (external interrupt) bit 4: T0 (Timer/Counter 0 external) bit 5: T1 (Timer/Counter 1 external) bit 6: WR (external Data Memory write strobe) bit 7: RD (external DataMemory read strobe 19 Circuito Básico 20 10

11 Clock Ciclo de Máquina = 1/ (f ext / 12) Ex.: Encontrar o ciclo de máquina para: (a) XTAL = MHz (b) XTAL = 16 MHz. Solução: (a) MHz / 12 = khz; Ciclo de máquina = 1 / khz = s (b) 16 MHz / 12 = MHz; Ciclo de máquina = 1 / MHz = 0.75 s 21 Existem basicamente três linguagens de programação que são utilizadas com o 8051 BASIC ASSEMBLY C. Nos últimos anos, a programação de microcontroladores em linguagem C tem sido adotada pela maioria das empresas devido às facilidades para programação e ao nível de portabilidade apresentada 22 11

12 Muitos livros ensinam a programação padrão ANSI C, porém devemos tomar o cuidado ao utilizar este tipo de bibliografia, pois ela aborda a programação para o PC Funções do tipo printf, scanf, sprintf entre outras, geralmente não estão disponíveis para o projetista ou apresentam um comportamento diferente quando utilizamos o compilador para microcontrolador Neste curso utilizaremos o Compilador HITECH-C e o gravador EZ2 23 Compilador: HITECH-C 24 12

13 Gravador: EZ2 Modo de uso: EZ2 <nome.hex> -C1 25 Tipos e variáveis Exemplo de declaração de variáveis: int Contador; // Variável do tipo inteiro com sinal unsigned char Leitura; // Variável do tipo char sem sinal char buffnome[6]; // Array do tipo char com 6 posicões int bufftotal[4]; // Array do tipo int com sinal com 4 posições 26 13

14 Operadores aritméticos - Subtração ou sinalização de negativo + Soma * Multiplicação / Divisão % Resto da divisão ++ Incremento (Variável = Variável + 1) -- Decremento (Variável = Variável 1) 27 Operadores lógicos e relacionais > Maior que < Menor que >= Maior ou igual que <= Menor ou igual que == igual!= Diferente && Relacional e Relacional ou! Relacional não 28 14

15 Operadores de manipulação de bit & Operação lógica AND Operação lógica OR ^ Operação lógica XOR ~ Operação lógica NOT >> Operação de deslocamento(shift) em bit para a direita << Operação de deslocamento em bit para a esquerda 29 Diretivas fundamentais do pré compilador #DEFINE <NOME> <ATRIBUICAO> Permite atribuir antes da compilação um valor para NOME. Exemplo: #define LIGADO 1 #define MAXIMO 50 //Substitui o nome MAXIMO por 50 no programa #INCLUDE <ARQUIVO> Informa ao que deverá ser incluído o ARQUIVO antes de realizar a compilação do programa. Exemplo: #include <8051.h> // Inclui o arquivo 8051.h da pasta padrão #include 8051.h // Inclui o arquivo 8051.h da pasta do programa 30 15

16 Diretivas fundamentais do pré compilador #DEFINE <NOME> <ATRIBUICAO> Permite atribuir antes da compilação um valor para NOME. Exemplo: #define LIGADO 1 #define MAXIMO 50 //Substitui o nome MAXIMO por 50 no programa #INCLUDE <ARQUIVO> Informa ao que deverá ser incluído o ARQUIVO antes de realizar a compilação do programa. Exemplo: #include <8051.h> // Inclui o arquivo 8051.h da pasta padrão #include 8051.h // Inclui o arquivo 8051.h da pasta do programa 31 Controle de fluxo: IF #include <8051.h> #define ENTRADA1 P3_BITS.B2 main() if(entrada1=1) P1_BITS.B0=1; else P2=1; P0=1; 32 16

17 Controle de fluxo: SWITCH #include <8051.h> unsigned char IN; void main (void) IN = P1; switch(in) case 0x00: P0=1; break; case 0xFF: P2=1; break; default: P3=1; break; 33 Controle de fluxo: WHILE #include <8051.h> #define ENTRADA1 P3_BITS.B2 main() while(!entrada1) P1_BITS.B0=1; 34 17

18 Controle de fluxo: DO...WHILE #include <8051.h> #define ENTRADA1 main() P1_BITS.B0=0; P3_BITS.B2 do P1_BITS.B0=~P1_BITS.B0; wait(); //função definida pelo usuário while(!entrada1) 35 Controle de fluxo: FOR #include <8051.h> #define ENTRADA1 main() int i; P1_BITS.B0=0; P3_BITS.B2 for(i=0;i<255;i++) P1_BITS.B0=~P1_BITS.B0; wait(); //função definida pelo usuário 36 18

19 Procedimentos #include <8051.h> #define ENTRADA1 P3_BITS.B2 void procedimento1() int i; P1_BITS.B0=0; main() 37 for(i=0;i<255;i++) P1_BITS.B0=~P1_BITS.B0; wait(); //função definida pelo usuário procedimento1(); Funções #include <8051.h> #define ENTRADA1 P3_BITS.B2 int funcao1() while(!entrada1) P1_BITS.B0=1; return 1; main() int OUT; OUT=funcao1(); 38 19

20 Atividades 39 Parte II Interrupções, Contadores e Temporizadores 40 20

21 Interrupções Processo pelo qual a execução de um programa é interrompido, de acordo com as necessidades de eventos externos ou internos Fontes de interrupção (8051): Interrupção externa 0 - INT0\ Interrupção externa 1 - INT1\ Interrupção do timer\contador 0 - T0 Interrupção do timer\contador 1 - T1 Interrupção do canal serial - TI ou RI Cada interrupção pode ser individualmente habilitada ou não, e pode-se desabilitar todas de uma vez (Mascaramento) 41 Interrupções Níveis de prioridade Interrupção vetorada Nível 0 -> Menor Nível 1 -> Maior 21

22 Interrupções Para determinar quais interrupções estarão habilitadas, devermos escrever no registrador especial IE - (Interrupt Enable) do SFR. 7 0 Interrupção habilitada -> 1 Interrupção desabilitada -> 0 Interrupções Prioridade Registrador Interrupt Priority (IP) 7 0 Quanto em 1 define como alta a prioridade 22

23 Interrupções- Interrupção Externa Interrupção Externa A configuração é feita no registrador TCON (Timer Control) através do nibble (4 bits) menos significativo. 7 0 IT0 e IT1 - Quando em nível lógico 0 a interrupção Externa(0 ou 1) será aceita simplesmente pela presença do nível zero no pino. Quando em nível lógico 1 a interrupção será aceita quanto ocorrer uma transição de 1 para 0 e o sinal permanecer em zero por pelo menos 1ciclo de máquina. IE0 e IE1- É setado pelo hardware interno quando for detectado um pedido de interrupção. É resetado quando a interrupção for atendida. Exemplo 23

24 Interrupções - Temporizador e Contador Temporizador e Contador (T/C- Timer/Counter) O 8051 possui 2 T/C (timer/conter) Podem operar de maneira totalmente independente dos demais recursos do chip. Os dois T/C podem ser ativados ou desativados pelo hardware ou pelo software, dependendo da configuração adotada pelo projetista. No nibble (4 bits) mais significativo de TCON podemos ativar ou desativar os T/C`s como veremos a seguir: 7 0 Interrupções - Temporizador e Contador TCON 7 0 TF0 e TF1- Setado pelo hardware sempre que ocorrer um overflow (estouro no contador) no T/C. É resetado ao final da rotina de interrupção de T/C. TR0 e TR1 - Quando em nível lógico 1 irá ligar o T/C0, e quando em zero o mesmo será desligado. 24

25 Interrupções - Temporizador e Contador Configuração do modo de funcionamento do temporizador/contador Registrador TMOD Gate0; Gate1 Definem como o Timer/Contador irá funcionar. 0: O timer/contador será ativado simplesmente colocando TRn em 1 1: O timer/contador será ativado se TRn e o pino INTn forem 1. Útil quando queremos medir largura de pulso externo. C/T0; C/T1 - Definem a fonte do sinal de clock. 0: Tem a função de timer e a base de tempo será o clock do cristal. 1: Operando como contador e o clock será os pulsos presentes no pino Tn M1-x;M0-x - Determinam o modo como irá operar o Timer/Contador. Modo 0, 1,2 e 3 Interrupções - Temporizador e Contador 25

26 Interrupções - Temporizador e Contador Os modos de operação são: MODO 0 - Temporizador/Contador de 8 bit`s com divisor de freqüência de até 32 vezes. Neste modo o TL0 ou TL1 servem como prescaler do divisor e os registradores TH0 e TH1 como contador de 8 bit`s. MODO 1 - Temporizador/Contador de 16 bit`s. Neste modo o TLn e THn formam um par de forma a obter um registrador de 16 bit`s. Neste modo podemos contar até 65535, com o valor inicial programável por software. MODO 2 - Contador/Temporizador de 8 bit`s com recarga automática. Neste modo o registrador TLn realiza a contagem e o registrador THn possui o valor que será recarregado em TLn sempre que ocorrer um overflow (estouro do contador). Os registradores podem ser alterados por software a qualquer momento, tornando bastante flexível o uso. MODO 3 - Intervalador ou contador de eventos em 8 bit`s e temporizador de 8 bit`s. OBS: Este modo não é muito usual e não será estudado. TH1 (8DH), TL1 (8BH), TH0 (8CH) e TL0 (8AH) contêm os valores das contagens dos temporizadores/contadores 1 e 0, respectivamente; Exemplo 26