دانلود مقاله میکروکنترلر 8051

مقدمه»

با وجود اینکه بیش از بست سال از تولد ریز پردازنده نمی گذرد،تصور وسایل الکترونیکی و اسباب بازیهای امروزی بدون آن کار مشکلی است.در 1971 شریک انیتل،8080 را به عنوان اولین ریز پردازنده موفق عرضه کرد.مدت کوتاهی پس از آن،موتور ولا،RCA و سپس Mostechnology‌و Zilog انواع مشابهی را به ترتیب به نامهای 6800،1801،6502،Z80 عرضه کردند.گرچه این مدارهای مجتمع (IC) به خودی خود فایده چندانی نداشتند اما به عنوان بخشی از یک کامپیوتر تک بورد(SBC) به جزء مرکزی فرآورده های مفیدی برای آموزش طراحی با ریز پردازنده ها تبدیل شدند.تز تیم SBC ها که به سرعت به آزمایشگاههای طراحی در کالج،دانشگاهها و شرکت های الکترونیک راه پیدا کردند می توان برای نمونه از D2 موتورولا،KIM-1 ساخت Mos technology و SDK-85‌ متعلق به شرکت انتیل نام برد.

میکروکنترلر قطعه ای شبیه به ریز پردازنده است.در 1976 انتیل 8748 را به عنوان اولین قطعه خانواده میکروکنترلرهای MCS-48TM معرفی کرد.8748 با 17000 ترانزیستور،در یک مدار مجتمع،شامل یک cpu، 1کیلوبایت EPROM، 64 بایت RAM‌، 27 پایه I/O و یک تایمر 8 بیتی بود.این IC‌ و دیگر اعضای MCS-48TM   که پس از آن آمدند خیلی زود به یک استاندارد صنعتی در کابردهای کنترل گرا تبدیل شدند.جایگزین کردن اجزاء‌الکترومکانیکی در فرآورده های مثل ماشین های لباسشویی و چراغ های راهنمایی از ابتدا کار،یک کاربرد مورد توجه برای این میکروکنترلرها بودند و همین طور باقی ماندند.دیگر فرآورده هایی که در آنها می توان میکروکنترلر را یافت عبارتند از اتومبیل ها،تجهیزات صنعتی،وسایل سرگرمی و ابزارهای جانبی کامپیوتر (افرادی که یک IBM PC دارند کافی است به داخل صفحه کلید نگاه کنند تا مثالی از یک میکروکنترلر را در یک طراحی با کمترین اجزاء ممکن ببینند)

توان ابعاد و پیچیدگی میکروکنترلر با اعلام ساخت 8051،یعنی اولین عضو خانواده میکروکنترلرهای MCS-51TM در 1980 توسط انیتل پیشرفت چشمگیری کرد.در مقایسه 8048 این قطعه شامل بیش از 60000 ترانزیستور،K4 بایت ROM، 128 بایت RAM، 32 خط I/O یک درگاه سریال و دو تایمر 16 بیتی است.که از لحاظ مدارات داخلی برای یک TC بسیار قابل ملاحظه است.امروزه انواع گوناگونی از این IC وجود دارند که به صورت بخاری این مشخصات را دو برابر کرده اند.شرکت زیمنس که دومین تولید کننده قطعات MCS-51TM است SAB80515 را به عنوان یک 8015 توسعه یافت در یک بسته 86‌پایه با شش درگاه I/O 8 بیتی،13 منبع وقفه و یک مبدل آنالوگ به دیجیتال با 8 کانال ورودی عرضه کرده است.خانواده 8051 به عنوان یکی از جامعترین و قدرتمندترین میکروکنترلرهای 8 بیتی شناخته شده و جایگاهش را به عنوان یک میکروکنترلر مهم برای سال های آینده یافته است.

یک سیستم کامپیوتری شامل یک واحد پردازش مرکزی (CPU) است که از طریق گذرگاه آدرس،گذرگاه داده و گذرگاه کنترل به حافظه ‌قابل دستیابی تصادفی (RAM) و حافظه فقط خواندی (ROM) متصل می باشد.مدارهای واسطه گذرگاه های سیستم را به وسایل جانبی متصل می کنند.

واحد پردازش مرکزی

CPU‌،به عنوان «مغز» سیستم کامپیوتری،تمامی فعالیت های سیستم را اداره کرده و همه عملیات روی داده را انجام می دهد.اندیشه اسرار آمیز بودن CPU در اغلب موارد ناردست است زیرا این تراشه فقط مجموعه ای از مدارهیا منطقی است که بطور مداوم دو عمل انجام می دهند:واکنشی دستورالعمل ها و اجرای آنها،CPU‌توانایی درک و اجرای دستورالعمل های را براساس مجموعه ای از کدهای دورویی دارد که هریک از این کدها نشان دهنده یک عمل ساده است.این دستورالعمل ها معمولاً حسابی (جمع،تفریق،ضرب و تقسیم)،منطقی (AND،OR،NOT و غیره)انتقال داده یا عملیات انشعاب هستند و یا مجموعه ای از کدهایی دروریی با نام مجموعه دستورالعمل ها نشان داده می شوند.

حافظه نیمه رسانا: RAM‌ وROM

برنامه ها و داده ها در حافظه ذخیره می شوند.حافظه های کامپیوتر بسیار مشوعند و اجزای همراه آنها بسیار و تکنولوژی بطور دائم و پی در پی موانع را برطرف می کند.بگونه ای که اطلاع از جدیدترین پیشرفت ها نیاز به مطالعه جامع و مداوم دارد.حافظه هایی که به طور مستقیم توسط CPU قابل دستیابی می باشند،IC‌ های (مدار مجتمع)نیمه رسانایی هستند که RAM‌و ROM  نامیده می شوند.دو ویژگی RAM  و ROMرا از هم متمایز سازد:اول آنکه RAM حافظه خواندنی /نوشتنی است‌.در حالیکه ROM حافظه خواندنی است و دوم آنکه RAM فرّار است(یعنی محتویات آن هنگام عبور ولتاژ تغذیه می شود)در حالی که ROM‌ غیرفرّار است.

ابزارهای کنترل /نظارت

به کمک ابزارهای کنترل/نظارت در برخی نرم افزارها و روابط های الکترونیکی (دقیق)کامپیوترها می توانند کارهای کنترلی زیادی را بی وقفه،بدون خستگی و بسیارفراتر از توانایی انسان انجام دهند.

کاربردهایی نظیر کنترل حرارت یک ساختمان،محافظت از خانه، کنترل آسانسور،کنترل وسایل خانگی و حتی جوش دادن قطعات مختلف یک خودرو همگی با استفاده از این ابزارها امکان پذیر هستند.ابزارهای کنترل،ابزارهای خروجی یا عمل کننده هستند.آنها وقتی که با یک ولتاژ با جریان،تغذیه شوند می توانند بر جهان پیرامون خود اثر بگذارند(مثل موتورها مولدها).ابزارهای نظارت،ابزارهای ورودی یا مسگر هستند که با کمیت هایی نظیر حرارت،نور،فشار،حرکت و مانند آن،تحریک شده و آنها را به جریان یا ولتاژی که توسط CPU خوانده می شود تبدیل می کنند(مثل فتوترانزیستورها و ترمیستورها و سوئیچ ها).ولتاژ یا جریان توسط مدارهای واسطه، به یک داده دورویی تبدیل می وشد و یا برعکس و سپس نرم افزار،یک رابطه منطقی بین ورودی ها و جروجی ها برقرارمی کند.

مقایسه ریز پردازنده ها با میکروکنترلرها

پیش از این خاطرنشان شد که ریز پردازنده ها CPU هایی تشکیل تک تراشه هستند و در میکروکامپیوترها به کار می روند.پس فرق میکروکنترلرها با ریز پردازنده ها چیست؟با این سؤال از سه جنبه می توان برخورد کرد:معماری سخت افزار،کاربردهای و ویژگی های مجموعه دستورالعمل ها.

معمار سخت افزار

در حالی که زیز پردازنده یک CPU‌ تک تراشه ای است،میکروکنترلر در یک تراشه واحد شامل یک CPU‌و بسیاری از مدرارات لازم برای یک سیستم میکروکامپیوتری کامل می باشد.

علاوه بر CPU‌ میکروکنترلرها شامل RAM و ROM یک رابطه سریال،یک رابط سریال،یک رابط موازی،تایمر و مدارات زمانبدی البته مقدار RAM‌روی تراشه حتی به میزان آن در یک سیستم میکروکامپیوتری کوچک هم نمی رسد اما آن طور که خواهیم دید این مسأله محدودیتی ایجاد نمی کند زیرا کاربردهای میکروکنترلر بسیار متفاوت است.یک ویژگی مهم میکروکنترلرها،سیستم وقفه موجود در داخل آنهاست.میکروکنترلرها به عنوان ابزار های کنترل گرا اغلب برای پاسخ بی درنگ به محرکهای خارجی (وقفه ها)مورد استفاده قرار می گیرند.یعنی باید در پاسخ به یک «اتفاقی» سریعاً یک فرآیند را معدق گذاره،به فرآیند دیگر بپردازند.باز شدن در یک اجاق مایکروویو مثالی است از یک اتفاق ممکن است باعث ایجاد یک وقفه در یک سیستم میکروکنترولی شود.البته اغلب ریز پردازنده ها می توانند سیستم های وقفه قدرتمندی را به اجرا بگذارند،اما برا این کار معمولاً نیاز به اجزای خارجی دارند.مدارات روی تراشه یک میکروکنترولر شامل تمام مدارات مورد نیاز برای بکارگیری وقفه های می باشد.

«کاربردها»

ریز پردازنده اغلب به عنوان CPU در سیستم های میکروکامپیوتری بکار می روند.این کاربرد دلیل طراحی آنها و جایی است که می توانند خود را به نمایش بگذارند.با این وجود میکروکنترلرها در طراحی های کوچک با کمترین اجزاء ممکن که فعالیت های کنتری گرا انجام می شد.یک میکروکنترلر می تواند در کاهش تعداد کل اجزاء کمک کند.آنچه که مورد نیاز است عبارت است از یک میکروکنترلر،تعداد کمی اجزاء‌پشتیبان و یک برنامه کنترلی در ROM میکروکنترلرها برای «کنترل» ابزارهای I/O در طراحی هایی با کمترین تعداد اجزاء ممکن مناسب هستند،اما ریزپردازنده ها برای «پردازش» اطلاعات در سیستم های کامپیوتری مناسبند.

«ویژگی های مجموعه دستورالعمل ها»

به علت تفاوت در کاربردها،مجموعه دستورالعمل های مورد نیاز برای میکروکنترلرها تاحدودی با ریز پردازنده ها تفاوت دارد.مجموعه دستورالعمل های ریز پردازنده ها بر عمل پردازش تمرکز یافته اند و در نتیجه دارای روش های آدرس دهی قدرتمند به همراه دستورالعمل هایی برای انجام عملیات روی حجم زیاد داده می باشند.

دستورالعمل های روی چهار بیت ها،بایتها،کلمه ها یا حتی کلمه های مضاعف عمل می کنند.روش های آدرس دهی با استفاده از فاصله های نسبی و اشاره گر های آدرس امکان دسترسی به آرایه های بزرگ داده را فراهم می کنند.حالت های افزایش یک واحدی اتوماتیک و کاهش یک واحدی اتوماتیک حرکت گام به گام روی بایت ها،کلمه ها  کلمه های مضاعف را درآرایه ها آسان می کنند.دستورالعمل هیا رمزی نمی توانند در داخل برنامه کاربرد اجرا شوند وبسیاری ویژگی های دیگر از این قبیل.از طرف دیگر میکروکنترلرها مجموعه دستورالعمل هایی مناسب برای کنترل ورودی ها و خروجی ها دارند.ارتباط با بسیاری از ورودی ها و خروجی ها تنها نیازمند یک بیت است.برای مثال یک موتور می تواند توسط یک سیم پیچ که توسط یک درگاه خروجی یک بیتی انرژی دریافت می کند،روشن و خاموش شود.میکروکنترلرها دستورالعمل هایی برای 1 کردن و0‌کردن بیت های جداگانه دارند و دیگر عملیات روی بیت ها مثل AND،OR‌ یا XOR کردن منطقی بیت ها،پرش در ثورت ایا پاک بودن یک بیت و مانند آن ها را نیز انجام می دهند.این ضمیمه مفید بندرت در ریزپردازنده یافت می شود زیرا آنها معمولاً برای کار روی بیت ها یا واحدهای بزرگتر داده طراحی می شوند.برای کنترل و نظارت بر ابزارها (شاید توسط یک رابط تک بیتی)،میکروکنترلرها مدارات داخلی و دستورالعمل هایی برای عملیات ورودی/خروجی،زمان بندی انفاقات و فعال کردن و تعیین اولویت وقفه های ناشی از محرک های خارجی دارند.ریزپردازنده ها اغلب به مدارات اضافی (IC‌ های رابط سریال،کنترل کننده های وقفه،تایمرها و غیره)برای انجام اعمال مشابه نیازدارند.با این همه در قدرت پردازش محض،یک میکروکنترلر هرگز به ریزپردازنده نمی رسد(اگر در بقیه موارد یکسان باشند)زیرا بخش عمده «فضای واقعی».IC میکروکنترلر صرف تهیه امکانات روی تراشه می شود البته به قیمت کاهش توان پردازش.از آنجا که فضاهای واقعی در تراشه برای میکروکنترلر اهیمت دارند دستورالعمل ها بایدبی نهایت فشرده باشند و اساساً در یک بایت پیاده سازی شوند.یکی از نکات در طراحی جادادن برنامه کنترلی در داخل ROM‌ روی تراشه است.زیرا افزودن حتی یک ROM خارجی هزینه نهایی تولید را بسیار افزایش می دهد.به ریزدرآوردن فشرده برای مجموعه دستورالعمل های میکروکنترلر اساسی است،در حالیکه ریزپردازنده بندرت دارای ویژگی می باشند،روش های آدرس دهی قدرتمند آنها باعث به رمز درآوردن غیرفشرده دستورالعمل ها می شود.

دستورالعمل های روی چهار بیت ها،بایتها،کلمه ها یا حتی کلمه های مضاعف عمل می کنند.روش های آدرس دهی با استفاده از فاصله های نسبی و اشاره گر های آدرس امکان دسترسی به آرایه های بزرگ داده را فراهم می کنند.حالت های افزایش یک واحدی اتوماتیک و کاهش یک واحدی اتوماتیک حرکت گام به گام روی بایت ها،کلمه ها کلمه های مضاعف را درآرایه ها آسان می کنند.دستورالعمل هیا رمزی نمی توانند در داخل برنامه کاربرد اجرا شوند وبسیاری ویژگی های دیگر از این قبیل.از طرف دیگر میکروکنترلرها مجموعه دستورالعمل هایی مناسب برای کنترل ورودی ها و خروجی ها دارند.ارتباط با بسیاری از ورودی ها و خروجی ها تنها نیازمند یک بیت است.برای مثال یک موتور می تواند توسط یک سیم پیچ که توسط یک درگاه خروجی یک بیتی انرژی دریافت می کند،روشن و خاموش شود.میکروکنترلرها دستورالعمل هایی برای 1 کردن و0‌کردن بیت های جداگانه دارند و دیگر عملیات روی بیت ها مثل AND،OR‌ یا XOR کردن منطقی بیت ها،پرش در ثورت ایا پاک بودن یک بیت و مانند آن ها را نیز انجام می دهند.این ضمیمه مفید بندرت در ریزپردازنده یافت می شود زیرا آنها معمولاً برای کار روی بیت ها یا واحدهای بزرگتر داده طراحی می شوند.برای کنترل و نظارت بر ابزارها (شاید توسط یک رابط تک بیتی)،میکروکنترلرها مدارات داخلی و دستورالعمل هایی برای عملیات ورودی/خروجی،زمان بندی انفاقات و فعال کردن و تعیین اولویت وقفه های ناشی از محرک های خارجی دارند.ریزپردازنده ها اغلب به مدارات اضافی (IC‌ های رابط سریال،کنترل کننده های وقفه،تایمرها و غیره)برای انجام اعمال مشابه نیازدارند.با این همه در قدرت پردازش محض،یک میکروکنترلر هرگز به ریزپردازنده نمی رسد(اگر در بقیه موارد یکسان باشند)زیرا بخش عمده «فضای واقعی».IC میکروکنترلر صرف تهیه امکانات روی تراشه می شود البته به قیمت کاهش توان پردازش.از آنجا که فضاهای واقعی در تراشه برای میکروکنترلر اهیمت دارند دستورالعمل ها بایدبی نهایت فشرده باشند و اساساً در یک بایت پیاده سازی شوند.یکی از نکات در طراحی جادادن برنامه کنترلی در داخل ROM‌ روی تراشه است.زیرا افزودن حتی یک ROM خارجی هزینه نهایی تولید را بسیار افزایش می دهد.به ریزدرآوردن فشرده برای مجموعه دستورالعمل های میکروکنترلر اساسی است،در حالیکه ریزپردازنده بندرت دارای ویژگی می باشند،روش های آدرس دهی قدرتمند آنها باعث به رمز درآوردن غیرفشرده دستورالعمل ها می شود.

«مفاهیم جدید» میکروکنترلر مانند دیگر فرآورده هایی که پیش از آن برای برطرف کردن موانع کار مورد ملاحظه بودند،توسط دو نیروی مکمل هم یعنی نیاز بازار و تکنولوژی جدید بوجود آمده اند.تکنولوژی جدید همان است که پیش از این ذکر شد،یعنی نیمه رساناهایی با ترانزیستورهای بیشتر در فضای کمتر که با قیمت پایین تری به صورت انبوه تولید می شوند.نیاز بازار،تقاضای صنعت و مصرف کنندگان وسایل و اسباب بازی های هوشمند می باشد.این تعریف گسترده ای است،بهترین مثال شاید داشبورد خودور باشد که شاهد تغییر «مرکز کنترل» خودرو در طی دهه گذشته بوده است.زمانی راننده ها باید با دانستن سرعت خوداکتفا می کردند،اما امروزه نمایشی از سرعت صرفه جویی شده و زمان تقریبی رسیدن را دراختیار دارند.زمانی دانستن این که یک کمربند ایمنی در شروع حرکت محکم شده است یا نه کافی بود.امروزه به ما گفته می شود که کدام کمربند ایمنی ایراد دارد- اگر دری نیمه باز بماند بموقع توسط کلمات به ما اطلاع داده می شود(شاید کمربند ایمنی لای درگیر کرده باشد) همه این موارد این مطلب را در ذهن تداعی می کنند که ریز پردازنده ها (و دراین مورد میکروکنترلر)به راه حل هایی تبدیل شده اند که به دنبال یک مسأله می گردند.به نظر می رسد که آنها در کاهش پیچیدگی مدارات فرآورده های مصرفی بسیار مؤثر عمل کرده اند بطوری که تولیدکنندگان اغلب برای افزودن امکانات اضافی اشتیاق زیادی دارند،فقط به این علت که میکروکنترلرها خیلی راحت برای فرآورده های قابل طراحی هستند.نتیجه کار،اغلب فاقد سادگی لازم می باشد.بهترین مثل ممکن ظهور فرآورده های سخنگو درسال های اخیر است.این فرآورده ها،چه خودرو،چه اسباب بازی معمولاً مثال هایی از زیاده روی ها و طراحی های اضافه برنیاز، و شاید گوشه ای از هر دهه هشتاد هستند.در آن زمان هم بسیاری معتقد بودند که همین که گردکهنگی روی این وسایل بنشیند،تنها چیزی که برای آنها باقی می ماند قابلیت کاری آنها خواهد بود.میکروکنترلرها پردازنده هایی اختصاصی هستند آنها به خودی خود در کامپیوترها به کار نمی روند بلکه در فرآورده های صنعتی و وسایل مصرفی مورد استفاده قرار می گیرند.استفاده کنندگان این فرآورده ها اغلب از وجود میکروکنترلرها کاملاً بی اطلاع هستند.از دید آنها اجزای داخلی وجود دارند اما جزو جزئیات بی اهمیت طراحی به شمار می روند.برای مثال اجاق های مایکروویو،ترموسات قابل برنامه ریزی،ترازو های الکترونیکی و حتی خودروها را می توانید در نظر بگیرید.قسمت الکترونیکی هر یک از این فرآورده ها عموماً شامل ارتباط میکروکنترلر با کلیدهای فشاری،سوئیچ ها، وسایل هشدار دهنده و لامپ های روی یک تابلو می باشد.در نتیجه به استثنای برخی امکانات اضافی،طرز استفاده آنها یا فرآورده های الکترومکانیکی قبلی تفاوتی نکرده است و میکروکنترلر آنها از دید استفاده کنندگان مخفی است.برخلاف سیستم های کامپیوتری که توسط قابلیت برنامه ریزی و دوباره برنامه ریزی شدن،باز شناخته می شوند،میکروکنترلها یک بار برای همیشه و برای یک کار برنامه ریزی می شوند.این مقایسه به یک تفاوت اساسی در معماری این دو سیستم منجر می شود.سیستم های کامپیوتری نسبت RAM‌به ROM بالایی دارند و برنامه های کاربران در یک فضای نسبتاً بزرگ ROM اجرا می شوددر حالیکه روالهای ارتباط با سخت افزار در یک فضای کوچک ROM‌ اجرا می گردد.از طرف دیگر میکروکنترلرها نسبت ROM به RAM بالایی دارند،برنامه کنترلی آنها که شاید نسبتاً بزرگ سیم باشد در ROM ذخیره می شود،در حالی که RAM فقط برای ذخیره موقت مورد استفاده قرار می گیرد.از آنجا که برنامه کنترلی برای همیشه در ROM ذخیره می شود در مرتبه میان افزار قرارمی گیرد.یعنی چیزی بین سخت افزار(مدارهای واقعی) ونرم افزار (برنامه هایی در RAM‌که هنگام خاموش شدن سیستم پاک می شوند)تفاوت بین سخت افزار و نرم افزار تا حدی شبیه به تفاوت بین یک صفحه کاغذ (سخت افزار)وکلمات نوشته شده روی آن (نرم افزار)می باشد.میان افزار را می توان به صورت فرم های استانداردی که برای یک کاربرد مشخص طراحی و چاپ شده اند درنظر گرفت.

«مزیت ها و معایب:یک مثال طراحی» وظایفی که میکروکنترلرها انجام می دهند وظایف تازه ای نیستند.آنچه جدید است این است که طراحی ها با تعداد اجزای کمتری از گذشته انجام می شوند.طراحی هایی که در گذشته با استفاده از ده ها یا حتی صدها IC انجام می شوند امروزه با یک میکروکنترلر و اجزایی به تعداد از انگشتان دست قابل انجام اند.کاهش تعداد اجزاء که نتیجه مستقیم قابلیت برنامه ریزی و توانایی زیاد میکروکنترلرها درایجاد یکپارچگی می باشد،معمولاً منجر به زمان طراحی و ساخت کوتاه تر،هزینه تولید پائین تر،مصرف توان کمتر و قابلیت اطمینان بیشتر می شود.اعمال منطقی که نیازمند چندین IC‌می باشند،اغلب توسط یک میکروکنترلر با اضافه کردن یک برنامه کنترلی انجام می شوند.عیب کار در سرعت است.راه حل های میکروکنترلی هرگز در سرعت به پای راه حل های مشابه با اجزای گسسته نمی رسند.در موقعیت هایی که نیاز به پاسخ های بسیار سریع به رویدادها وجود دارد که البته بندرت چنین کاربردهایی پیدا می شوند)میکروکنترلرها عکس العمل ضعیفی از خودنشان می دهند.به عنوان یک مثل،نمایش ساده ای از انجام عمل NAND با استفاده از میکروکنترلر8051 در شکل الف نشان داده شده است.به کاربردن میکروکترلر برای چنین عملی چندان مرسوم نیست،اما این امکان وجود دارد.نرم افزار باید عملیات نشان داده شده در نمودار گردشی شکل (ب) را انجام دهد.برنامه زبان اسمبلی 8051 برای این عمل منطقی به صورت زیر می باشد.

Loop: Mov c,p1,4 ; ANL c,p1,5 ; ANL c,p1,6 ; CPL c ; Mov p1,7,c ; SUMP Loop ; اگر این برنامه در یک میکروکنترلر 8051‌ اجرا شود بدون شک تابع NAND با سه ورودی تحقق می یابد(این مطلب را می توان با یک ولتمتر یا نوسان تحقیق کرد)تأخیر انتشار یک گذار در ورودی تا استقرار سطح منطقی درست در خروجی دست کم در مقایسه با معادل TTL آن بسیار طولانی است.

بسته به نسبت زمانی تغییر در ورودی و تشخیص این تغییر توسط برنامه،تأخیر بین 3 تا 17 میکروثانیه خواهد بود.(با فرض عملکرد استاندارد 8051 با استفاده از یک کریستال 12 مگاهرتز)در حالی که تأخیر انتشار در معادل TTL از مرتبه 10 نانو ثانیه است یعنی حدود هزار با کمتر.واضح است که در ایجاد توابع منطقی با سرعت میکروکنترلرها با مدارهای معادل TTL قابل مقایسه نیست.در بسیاری از کاربردها بویژه آنهایی که با عملکرد انسان سروکار دارند این تأخیرها با نانوثانیه اندازه گیری می شوند یا میکروثانیه و میلی ثانیه اهمیتی ندارند،هنگامی که فشار روغن در خودروی شما افت می کند آیا لازم است که ظرف چند میکروثانیه مطلع شوید؟)مثال گیت منطقی نشان می دهد که میکروکنترلرها می توانند عملیات منطقی را انجام دهند از این گذشته هر چه طراحی ها پیچیده تر باشند طراحی میکروکنترلر بیشتر خود را نشان می دهد،تعداد کم اجزاء‌مزیتی است که قبلاً به آن اشاره شده علاوه برآن عملیات پیش بینی نشده در برنامه کنترلی را می توان تنها با تغییر نرم افزار دگرگون کرد و این روش کمترین اثر ممکن را روی چرخه تولید خواهد گذاشت.

«مروری بر خانوادهMcs-51TM» 8051‌ یک IC‌ نوعی و اولین عضو این خانواده است که بصورت تجاری مطرح شد خلاصه مشخصات این IC‌ از این قراراست: K4 بایت ROM 128 بایت RAM چهاردرگاه I/O (ورودی – خروجی)هشت بیتی دو تایمر/شمارنده 16 بیتی رابط سریال K64 بایت فضای حافظه خارجی برای کد K64 بایت فضای حافظه خارجی برای داده پردازنده بویی(که عملیات روی بیت ها را انجام می دهد) 210 مکان بیتی آدرس پذیر انجام عملیات ضرب و تقسیم در 4 میکروثانیه دیگر اعضای خانواده Mcs-51TM هریک امکانات دیگری از قبیل ROM روی تراشهEPROM RAM روی تراشه و یا یک تایمر سوم را دارا هستند.درضمن هر یک از انواع ICهای این خانواده یک نسخه مشابه یا CMOS‌ کم مصرفنیزدارد.(جدول پ) جدول پ «بررسی اجمالی پایه ها» در این شکل دیده می شود 32 پایه از 40 پایه 8051 به عنوان خطوط درگاه I/O عمل می کنند.معهذا 24 خط از این خطوط دو منظوره هستند.هریک از این خطوط می توانند به عنوان I/O یا خط کنترل و یا بخشی از گذرگاه آدرس یا گذرگاه داده به کار روند.در طراحی هایی که با کمترین مقدار حافظه و دیگر قطعات خارجی انجام می شوند،از این درگاهها به عنوان I/O همه منظوره استفاده می کنند.هرهشت خط یک درگاه می تواند به صورت یک واحد ارتباط با وسایل موازی مانند چاپگرها و مبدل های دیجیتال به آنالوگ بکار رود.یا هر خط به تنهایی با وسایل تک بیتی مثل سوئیچ ها،LED ها،ترانزیستورها،سیم پیچ ها،موتورها و بلندگوها ارتباط برقرار کند.

«درگاه O» درگاه O: یک درگاه دو منظوره از پایه 32 تا 39 تراشه 8051 می باشد.این درگاه در طراحی های با کمترین اجزای ممکن به عنوان یک درگاه I/O عمومی استفاده می شود.در طراحی های بزرگتر که از حافظه خارجی استفاده می کنند،این درگاه یک گذرگاه آدرس و داده حالتی پلکس شده می باشد.

درگاه1 درگاه 1 درگاه اختصاصی I/O روی پایه های 1 تا 8 است.پایه های p1.o تا P1.7 در صورت نیاز برای ارتباط با وسایل خارجی بکار می روند.وظیفه دیگری برای پایه های درگاه از نظر گرفته نشده است با بنابراین آنها گهگاه برای ارتباط با وسایل خارجی بکار می روند.استثناء در Icهای 8032/8052 که از p1.o و p1.1 به عنوان خطوط I/O‌ و یا ورودی تایمر سوم استفاده می شود.

درگاه 2 درگاه 2 (پایه های 21‌تا 28)یک درگاه سات که به عنوان I/O عمومی و یا بایت بالای گذرگاه آدرس طراحی با حافظه کد خارجی به کار می رود.این درگاه همچنین در طراحی هایی که به بیش از 256 بایت از حافظه داده خارجی نیازدارد نیز استفاده می شود.

درگاه 3 درگاه 3 یک درگاه دو منظوره روی پایه های 10‌تا 17‌می باشد.علاوه بر I/O عمومی این پایه ها هریک وظایف دیگری نیز در رابطه با امکانات خاص 8051 دارند.وظایف خاص پایه های درگاه 3 و درگاه 2 در جدول خلاصه شده است.

( Program stare Enable) 8051 چهار سیگنال اختصاص یافته برای کنترل گذرگاه دارد.

یک سیگنال خروجی روی پایه 29 است که حافظه برنامه خارجی (کد)را فعال می کند.این پایه معمولاً به پای CE یک EPROM وصل می گردد تا خواندن با بیتهای برنامه از EPROM امکان پذیر شود.

سیگنال در طی مرحله خواندن یک دستورالعمل پائین می رود.کدهای دورویی برنامه از EPROM خوانده می شوند.در گذرگاه داده منتقل می گردند و برای رمز گشائی در ثبات دستورالعمل 8051 ذخیره می شوند هنگام اجرای برنامه از ROM داخلی در حالت غیرفعال باقی می ماند.

ALE(Address latch Enable) سیگنال خروجی ALE در پایه 30 برای هر فردی که با ریزپردازنده انیتل مثل 80806,8085 یا 8088 کارکرده باشد آشناست.8051 بطور مشابهی از ALE برای جداسازی گذرگاه آدرس داده استفاده می کند.هنگامیکه درگاه o در حالت خاص خود به عنوان گذرگاه داده وبایت پایین گذرگاه آدرس استفاده می شود سیگنال ALE آدرس را در یک ثبات خارجی در طی غیر نخست سیکل حافظه نگاه می دارد.پس از آن خطوط درگاه برای ورود و خروج داده در طی نیمه دوم سیکل حافظه یعنی هنگامیکه انتقال داده انجام می شود،در دسترس هستند سیگنال ALE با فرکانس یک ششم فرکانس نوسان ساز روی تراشه نوسان می کند و می تواند به عنوان یک پالس ساعت همه منظوره در تعبه سیستم بکار رود.اگر 8051 از یک کریستال 12 مگاهرتز،پالس ساعت دریافت کند،ALE‌با فرکانس 2 مگاهرتز نوسان می کند.تنها استثناء در طی انجام دستورالعمل Movx است که یک پالس ALE حذف می شود.این پایه همچنین برای برنامه ریزی پالس ورودی در انواع EPROM در 8051 مورد استفاده قرار می گیرد.

(Extrral Access) سیگنال ورودی در پایه 31 معمولاً به سطح منطقی بالا(+5V) یا پائین (زمین)وصل می شود اگر این پایه در وضعیت بالا قرارگرفته باشد 8051/8052 برنامه را از ROM داخلی یعنی K4 یا K8 بایت پائین حافظه اجرا می کند.هنگامی که پایین باشد ROM داخلی غیرفعال می شود و برنامه ها از EPROM خارجی اجرا می شوند.همچنین نوع EPROM در 8051‌ از خط برای تغذیه 21 ولت در برنامه ریزی EPROM‌داخلی استفاده می کند.

RST(Reset) ورودی RST در پایه 9، آغازگر اصلی 8051 است وهنگامیکه این سیگنال حداقل برای دوسیکل ماشین در وضعیت بالا بماند اثبات های داخلی 8051با مقادیر نسبی برای یک شروع به کار سازمان یافته بکار می شوند.

«ورودی های نوسان ساز روی تراشه» 8051 دارای یک نوسان ساز روی تراشه است و معمولاً با یک کریستال که به پایه های 18‌و 19 متصل می شود به راه می افتد.فازنهای پایدار کننده نیز به صورت نشان داده شده مورد نیاز هستند،فرکانس نامی کریستال برای اغلب IC ها خانواده MCS-51TM ،14 مگاهرتز است،هرچند که 80c31BH می تواند با فرکانسهایی تا 16 مگاهرتز نیز کارکند.نوسان ساز روی تراشه الزاماً نیازی به یک کریستال ندارد.همانطور که در شکل نشان داده شده است یک منبع پالس ساعت TTL می تواند به XTAL1 و XTAL 2 وصل شود.

«اتصالات تغذیه» 8051 با یک تغذیه +5 ولتی کارمی کند.اتصالVss به پایه 40 و Vss (زمین)به پایه 20‌وصل می شود.

«ساختار درگاه I/O» مدارات داخلی پایه های درگاه ها به صورت مختصر درشکل نشان داده شده است.نوشتن در پایه یک درگاه،داده را در یک ذخیره ساز درگاه بارمی کند.در اثر این عمل یک ترانزیستور اثر میدانی (FET)که به پایگاه درگاه وصل شده است،راه اندازی می شود.قابلیت راه اندازی برای درگاههای 1،2 و 3 به اندازه چهار TTL شا تکی کم مصرفو برای درگاه o به اندازه هشت عدد از همین نوع TTL‌می باشد.

توجه کنید که مقاومت بالابرندهدر درگاه o‌وجود ندارند.ممکن است یک مقاومت بالا برنده خارجی بسته به مشخصات ورودی وسیله ای که توسط درگاه راه اندازی می شود مورد نیاز باشد.

در 8051‌دو قابلیت خواندن ذخیره سازو خواندن پایهوجود دارد.دستورالعمل هایی که عمل بخوان تغییر بده- بنویس ر ابکار می برد(مثل CPL p1.5)برای پرهیز ازتشخیص نادرست سطح ولتاژ در مواقعی که پایه بشدت تحت بار قراردارد،عمل خواندن را از ذخیره ساز انجام می دهند و دستورالعمل هایی که یک بیت ازدرگاه وارد می کنند،پایه را می خوانند.ذخیره ساز درگاه در این مورد باید شمال 1 منطقی باشد وگرنه FET راه انداز روشن می شود و خروجی را پایین می کشد.reset‌ کردن سیستم همه ذخیره سازه های درگاه را می کند.پس اگر یک ذخیره ساز درگاه پاک شود متعاقب آن نمی توان از پایه به عنوان ورودی استفاده کرد،مگر اینکه ابتدا ذخیره ساز 1 شود.شکل بالا مدارات مربوط به عملکرد خاص درگاههای o‌و 2 و3 را نشان نمی دهد،هنگامیه عملکرد خاص این درگاه ها در حال انجام است.راه اندازهای خروجی به یک آدرس داخلی آدرس/داده داخلی با یک سیگنال کنترلی بصورت مقتضی سوئیچ می شوند.

«سازمان حافظه» اغلب ریزپردازنده ها یک فضای حافظه مشترک برای داده و برنامه در نظر می گیرند.این کار معتولی است چون برنامه ها معمولاً روی یک دیسک ذخیره شده و برای اجرا به RAM منتقل می گردند.به این ترتیب برنامه ها و داده ها هر دو در RAM سیستم مقیم می شوند.از طرف دیگر میکروکنترلرهابندرت به عنوان cpu در سیستم های کامپیوتری مورد استفاده قرار می گیرند.در عوض،به عنوان جزء مرکزی در طراحی های کنترل گرا به کار می روند که دراین موارد حافظه محدود است،دیسک درایو یا سیستم عامل دیسک وجود ندارد و برنامه کنترلی باید در ROM قرارداده شود.به همین دلیل 8051‌ یک فضای حافظه جداگانه برای برنامه (کد)و داده در نظر می گیرد.همان طور که در جدول مقایسه IC ها نشان داده شده است،که داده هر دو ممکن است داخلی باشند.

با این وجود هردو با استفاده از اجزاء‌را خارجی تا خد K64 بایت حافظه کد و K64 بایت حافظه داده قابل توسعه هستند.حافظه داخلی شامل ROM‌ روی تراشه و RAM‌ داده روی تراشه است.RAM روی تراشه شامل آرایش مناسبی از حافظه همه منظوره،حافظه بیتی آدرس پذیر،بانک های ثبات و ثبات ها کاربرد خاصمی باشد.دو ویژگی جالب توجه در 8051 بدین قرار است:الف – ثباتها و درگاههای ورودی- خروجی بصورت نقشه حافظه هستند و مانند هر مکان دیگر حافظه قابل دسترسی می باشند ب)پشته،برخلاف معمول دیگر ریز پردازنده ها که پشته را در RAMخارجی قرار می دهند،در RAM داخلی قراردارد.

«RAM همه منظوره» 32 بایت پائین ازآدرس 00H تا 2FH‌ نیز می توانند به صورت مشابهی استفاده شوند.هر مکانی در RAM همه منظوره با استفاده از روشهای آدرس دهی مستقیم یا غیرمستقیم قابل دسترس است.برای مثال برای خواندن محتویات RAM‌داخلی آدرس 5FH‌به داخل انباره این دستورالعمل بکار می رود: MOV A,5FH این دستورالعمل یک بایت داده را با استفاده از آدرس دهی مستقیم برای مشخص کردن مکان مبدأ منتقل می کند،مقصد داده بطور منحتی در کد عملیاتی دستورالعمل با عنوان A‌ انبار،مشخص شده است.در ضمن RAM‌ داخلی با استفاده از آدرس دهی غیر مستقیم و R0 و R1 نیز قابل دسترسی است.برای مثال دو دستورالعمل زیر همان کاری را می کنند که دستورالعمل بالا به تنهایی انجام می دهد: 5FH # وMOV R0 MOV A, @ Ro دستورالعمل نخست از آدرس دهی فوری برای انتقال مقدار 5FH به ثبات Ro‌ استفاده می کند و دستورالعمل دوم آدرس دهی غیرمستقیم را برای انتقال داده ای که «Ro ‌به آن اشاره می کند»به داخل انباره به کار می گیرد.«RAM بیت آدرس پذیر» 8051،210 مکان بیت آدرس پذیر دارد،که 128 مکان آن درآدرس بایت 20H‌تا 2FH‌ قرارداشته و بقیه ثبات های کاربرد خاص هستند که بعداً مورد بحث قرار می گیرند.اندیشه دستیابی به بیت های منفرداز طریق نرم افزار،یکی از امکانات قدرتمند اغلب میکروکنترلها است.بیت ها می توانند توسط یک دستورالعمل،1،0،AND و یا OR گردند.اغلب ریزپردازنده ها به یک رشته از دستورالعمل های «بخوان – تغییر بده- بنویس»برای انجام همین اعمال نیاز دارند.بعلاوه درگاه های I/O‌ در 8051 بصورت بیت های آدرس پذیر هستند که ارتباط اقراری را با تک بیت ها ورودی و خروجی می کنند.تعداد 28 امکان آدرس پذیر همه منظوره در آدرس بایت یا به عنوان بیت قابل دسترسی هستند.برای مثال برای 1 کردن بیت 64H این دستورالعمل را می توان بکار برد: MOV A,2CH ORL A,#1000000013 MOV 2CH,A بانک های ثبات بانک های شات در 32 مکان پائین حافظه داخلی قراردارند.مجموعه دستورالعمل 8051‌ هشت ثبات را از Ro‌تا R7‌پشتیبانی می کند و به صورت پیش فرض،این ثبات ها،در آدرس 00H‌تا07H‌ قرارمی گیرند دستورالعمل زیر محتوای آدرس 05H را به داخل انباره منتقل می کند.

MOV A,R5 این دستورالعمل یک دستورالعمل یک بایتی است که از آدرس دهی ثبات استفاده می کند.البته همین عملیات با یک دستورالعمل دو بایتی با استفاده از آدرس دهی مستقیم دربایت دوم نیز انجام پذیر است:MOV A,05H دستورالعمل هایی که از ثبات های Ro‌تاR7‌استفاده می کنند کوتاهتر و سریعتر از دستورالعملهای معادلی هستند که از آدرس دهی مستقیم استفاده می کنند.داده هایی که بطور متناوب استفاده می شوند،بهتر است یکی از این ثبات ها را استفاده کنند.

بانک ثبات فعال با تغییر بیت هایی انتخاب بانک ثبات در کلمه وضعیت برنامه قابل تغییر است.با فرض آنکه بانک ثابت شماره 3 فعال باشد دستورالعمل زیر محتوای انباره را در مکان 18H می نویسد.

MOV Ro,A اندیشه بانک های ثبات «امکان» سوئیچ متن را بصورت سریع و کارا فراهم می کند،که به موجب آن بخشهای جداگانه یک نرم افزار،مستقل از دیگر بخشها از یک مجموعه ثبات خاص خود استفاده می کنند.

«ثبات های کاربرد خاص» ثبات های داخلی در اغلب ریز پردازنده توسط مجموعه دستورالعمل ها به صورت صنفی قابل دسترسی هستند.برای مثال«INCA» در ریزپردازنده 6809 محتوای انبار،A‌ را یک واحد افزایش می دهد.عملیات به صورت مختلفی در کد عملیاتی دستورالعمل مشخص شده است.روش دستیابی مشابهی برای ثبات ها درمیکروکنترلرها 8051 امکان پذیر است.در حقیقت دستورالعمل «INCA» در 8051 همان عمل را انجام می دهد.ثبات ها داخلی 8051‌به عنوان بخشی از RAM روی تراشه پیکربند شده اند.بنابراین هر ثبات دارای یک آدرس نیز هست.

این برای 8051 منطقی است چون ثبات زیادی دارد.علاوه بر R7،21 ثبات کاربرد خاص (SFR) در ناحیه بالای RAM‌از آدرس 80H تا FFH وجود دارد.دقت کنید که اکثر 128 آدرس از 80Hتا FFH تعریف نشده اند.تنها 21 آدرس SFR‌تعریف شده است.

اگرچه انباره به صورت مخفی قابل دسترسی است اکثر SFRها با استفاده از آدرس دهی مستقیم قابل دستیابی است.طراحان باید هنگام بازکردن با بیت ها به جای بایت ها مراقب باشند.برای مثال دستورالعمل:SETB OEOH بیت 0‌در انباره را 1 می کند ولی دیگر بیت ها را متغییر نمی دهد.شگرد کار تشخیص این نکته است که بدانیم EOH هم آدرس کامل با بیت انباره و هم آدرس کم ارزش ترین بیت درانباره می باشد.چون دستورالعمل SETB روی بیت ها عمل می کند تنها روی بیت آدرس دهی شده تأثیر می گذارد.برای مثال درگاه 1 آدرس با بیت 90H‌یا 1001000B قراردارد بیت های درگاه 1 در آدرس 90H‌تا 97H‌ قراردارند یعنی 10010XXXB.

«کلمه وضعیت برنامه» کلمه وضعیت برنامه (psw) در آدرس DOH همانطور که در جدول صفحه بعد خلاصه شده است شامل بیت ها وضعیت می باشد.

«پرچم نقلی» بیت نقلی (CY) یک بیت دو منظوره است که کاربرد آن برای عملیات حسابی است اگر در طی عمل جمع،یک بیت نقلی از بیت 7‌خارج شود یا در طی عمل تفریق،یک بیت فرضی به بیت 7 وارد شود پرچم نقلی 1 می شود.برای مثال اگر انباره شامل ffh باشد دستورالعمل: ADD A,#1 به انباره مقدار 00H‌را داده و پرچم نقلی را در psw،1 می کند.

پرچم نقلی در ضمن یک انباره بولی نیز هست،که به عنوان یک ثبات تک بیتی برای دستورالعمل های بولی که روی بیت ها عمل می کنند به کار می آید.برای مثال دستورالعمل زیر بیت 25H را با پرچم نقلی AND می کند و نتیجه را به پرچم نقلی برمی گرداند: C,25H AND «پرچم نقلی کمکی» هنگام جمع کردن مقادیر دهدهی کد شده بصورت دورویی (BCD) اگر یک انتقال از بیت 3‌به بیت 4‌اتفاق بیفتد،یا نتیجه در چهار بیت پائینی بین oAH تا oFH‌ باشد پرچم نقلی کمکی Set‌ می شود.اگر مقادیر که جمع شده اند،BCD‌باشند دستورالعمل جمع باید با DAA(تصحیح اعشاری انباره)دنبال می شود.تا نتایج بزرگتر از 9 به محدوده کاربرگردانده شوند.