8051 Microcontroller

Qué es

El 8051 no es una placa ni, realmente, un chip concreto: es una arquitectura. Intel la publicó en 1980 y después licenció el núcleo tan ampliamente que la pieza que compras hoy viene de otro. En un kit de laboratorio eso es casi siempre el AT89S52 de Atmel: un núcleo 8051 con 8 KB de flash, 256 bytes de RAM, tres temporizadores y programación en sistema por cuatro pines.

Lo que llega es un DIP de 40 pines y nada más. Sin USB, sin regulador, sin bootloader, sin pinMode(). Antes de ejecutar una sola instrucción tienes que darle un cristal, dos condensadores de carga, una red de reset y una conexión de EA a +5 V. esa desnudez es toda la razón por la que sigue en el temario: no hay ninguna capa entre tu código y el silicio que te sirva para descartar un comportamiento que no entiendes.

Cómo funciona

El 8051 es una máquina Harvard: la memoria de programa y la de datos son espacios de direccionamiento separados, alcanzados por instrucciones distintas. El código vive en la flash; las variables viven en 256 bytes de RAM interna que a su vez se dividen en cuatro bancos de registros, una ventana direccionable por bits y lo que quede para tu pila.

Los tiempos son inusualmente fáciles de razonar. Un ciclo máquina son doce periodos del oscilador, y la mayoría de las instrucciones tardan uno o dos. A 11,0592 MHz eso es 1,085 µs por ciclo, así que puedes contar instrucciones y saber —no estimar— cuánto tarda un bucle. Muy pocas piezas modernas te permiten eso.

Los 32 pines de E/S se agrupan en cuatro puertos con personalidades distintas:

• P1 es el único sencillo: ocho pines de uso general con pull-ups internos.
• P3 duplica cada pin con una función alternativa: el RXD/TXD de serie, las dos interrupciones externas, las dos entradas de temporizador y los pulsos de lectura y escritura de memoria externa.
• P2 transporta el byte alto de dirección cuando hay memoria externa conectada.
• P0 es open-drain. Sin resistencias de pull-up externas no puede sacar un nivel lógico alto, y además transporta el byte multiplexado de dirección baja y datos.

Lo que el chip no tiene importa igual: ni entradas analógicas ni hardware PWM. Leer la tensión de un sensor necesita un ADC externo, y variar la velocidad de un motor significa generar la forma de onda tú mismo desde una interrupción de temporizador.

Cuándo usarlo

Recurre al 8051 cuando lo que busca es aprender la máquina: una asignatura de microcontroladores, un miniproyecto universitario, o tu propia curiosidad por lo que hace de verdad analogWrite(). Escribir un generador de PWM por software enseña más en una tarde que un año llamando a una biblioteca que lo esconde.

Elige casi cualquier otra cosa cuando lo que importa es el robot. Un Arduino Uno te da PWM por hardware, entradas analógicas y una biblioteca para cada sensor que vayas a encontrar; un ESP32 añade Wi-Fi y mucha más memoria. Ambos cuestan más o menos lo mismo que una placa de desarrollo de 8051. Elegir el 8051 para un proyecto que tiene que funcionar en lugar de enseñar significa reconstruir a mano cosas que las alternativas te dan gratis.

Errores comunes

• EA debe estar unido a +5 V. El pin 31 selecciona memoria de programa interna o externa. Al aire o a masa, el chip busca en silencio en una memoria externa que no está ahí y no hace absolutamente nada: sin error, sin luz, sin pista. Esta es la razón más habitual de que una primera placa con 8051 parezca muerta.
• El reset es activo a nivel ALTO. A diferencia de casi todos los demás microcontroladores que conocerás, el 8051 se reinicia cuando RST se lleva hacia arriba. El circuito estándar de encendido es un condensador de 10 µF de +5 V a RST y una resistencia de 10 kΩ de RST a masa.
• El puerto 0 necesita pull-ups externos. Es open-drain. Conecta resistencias de 10 kΩ a +5 V o nunca podrá leer ni generar un alto.
• Los pines drenan, no sourcing. El pull-up interno suministra solo decenas de microamperios, mientras que el transistor de bajada drena miliamperios. Los LEDs van del ánodo a la alimentación y del cátodo al pin, y un 0 los enciende. Cablearlos al revés produce un resplandor muy tenue y mucha confusión.
• La pila empieza en 08h, encima del banco de registros 1. El puntero de pila se reinicia a 07h. Si cambias al banco 1 sin mover antes SP, tus registros y tus direcciones de retorno ocupan los mismos bytes.

Por qué 11,0592 MHz, de todos los números posibles

Esa frecuencia de cristal parece arbitraria y es una de las decisiones más deliberadas de toda la arquitectura.

El 8051 genera su velocidad de baudios serie desbordando el Timer 1 en modo 8 de recarga automática de 8 bits:

baud = (2^SMOD / 32) x (oscillator / 12) / (256 - TH1)

Con SMOD = 0 y un cristal de 11,0592 MHz, apuntando a 9600 baudios:

TH1 = 256 - (11059200 / (12 x 32 x 9600)) = 256 - 3 = 253 = 0xFD

Exactamente 3. Sin redondeo, sin error. Todas las velocidades de baudios estándar —1200, 2400, 4800, 9600, 19200— dan un número entero de recargas de temporizador.

Ahora prueba con un cristal redondo de 12 MHz:

TH1 = 256 - (12000000 / 3686400) = 256 - 3.26 -> must round to 3
actual baud = 10417, against a target of 9600 -> 8.5% error

Un enlace serie tolera alrededor de un 2–3 % de error total entre los dos extremos. Con un 8,5 % el encuadre se desvía dentro de un byte y cada carácter llega corrupto. Por eso existe 11,0592 MHz, por eso está en todas las placas de laboratorio con 8051, y por eso sustituir el cristal de 12 MHz del cajón produce un chip que funciona perfectamente hasta que intentas imprimir algo.

El intercambio es que la aritmética de tiempos se vuelve incómoda: un ciclo máquina es de 1,085 µs en lugar de un redondo 1 µs. Un cristal de 12 MHz da ciclos de exactamente 1 µs y una serie inservible. Elige según cuál de las dos cosas necesite tu proyecto.

Temporizadores, y generar PWM a mano

El 8051 tiene tres temporizadores de 16 bits y ningún hardware PWM. Variar la velocidad de un motor significa generar la forma de onda tú mismo, y hacerlo es lo mejor que tiene aprender en este chip.

Los temporizadores tienen cuatro modos; dos importan:

El modo 2 es al que hay que recurrir cuando quieras un tick constante, porque la recarga ocurre en hardware y no se cuela vibración de la ISR en el periodo.

Un generador de PWM por software sobre el Timer 0, a unos 1 kHz con 100 pasos de resolución:

#include <reg52.h>

sbit MOTOR_L = P1^0;
sbit MOTOR_R = P1^1;

volatile unsigned char dutyL = 0, dutyR = 0;   // 0..99
volatile unsigned char tick  = 0;

void timer0_isr(void) interrupt 1 {
    /* Mode 1 is not self-reloading: put the value back first, before
       anything else, or the period stretches by the ISR's own length. */
    TH0 = 0xFF; TL0 = 0xA4;                    /* ~10 us at 11.0592 MHz */

    if (++tick >= 100) tick = 0;               /* 100 ticks = ~1 ms period */

    MOTOR_L = (tick < dutyL) ? 1 : 0;
    MOTOR_R = (tick < dutyR) ? 1 : 0;
}

void main(void) {
    TMOD = (TMOD & 0xF0) | 0x01;               /* Timer 0, mode 1 */
    TH0  = 0xFF; TL0 = 0xA4;
    ET0  = 1;                                  /* enable timer 0 interrupt */
    EA   = 1;                                  /* global interrupt enable */
    TR0  = 1;                                  /* start */

    dutyL = 70; dutyR = 70;
    while (1) { }                              /* PWM runs entirely in the ISR */
}

Dos cosas que conviene llevarse de ahí. Recarga siempre primero: en el modo 1 el temporizador sigue contando desde cero tras el desbordamiento, así que cada instrucción ejecutada antes de la recarga se suma al siguiente periodo. Y el coste es real: esta ISR se dispara 100 000 veces por segundo, y a 1,085 µs por ciclo máquina un manejador de doce instrucciones consume una porción notable de todo lo que el chip puede hacer. Ese presupuesto es exactamente lo que te compra un periférico de PWM por hardware, y no lo aprecias hasta que lo has pagado a mano.

El presupuesto de corriente de los puertos

Esto pilla a la gente porque los puertos del 8051 son asimétricos de una manera que las piezas modernas no lo son.

Sesenta microamperios no es una errata. El pull-up interno es una resistencia débil, no un etapa de salida, así que un pin que saca HIGH puede suministrar más o menos una milésima parte de lo que drena.

De ahí se siguen tres consecuencias directamente:

Los LEDs van del cátodo al pin, del ánodo a través de una resistencia a +5 V, y escribir 0 los enciende. Cableados al revés brillan muy tenuemente, lo que se lee como un LED atenuado o defectuoso en lugar de como un malentendido.

Nunca excites nada directamente. Ni un relé, ni un zumbador a volumen, ni un motor. Usa un transistor, una matriz de drivers ULN2003, o un controlador de motores como es debido.

El puerto 0 necesita pull-ups externos: 10 kΩ a +5 V en cada pin que quieras usar como E/S. Sin ellos no puede sacar un alto ni leer uno con fiabilidad, y es el puerto que la mayoría de placas de laboratorio lleva a la LCD.

Memoria, y dónde se van los 256 bytes

Ocho kilobytes de flash suenan ajustados y rara vez lo son. 256 bytes de RAM son la restricción real, y no son 256 bytes planos:

El puntero de pila se reinicia a 07h, lo que coloca la pila justo encima del banco de registros 1. Si cambias al banco 1 sin mover antes SP, tus registros y tus direcciones de retorno comparten bytes, y el fallo es espectacular: el programa vuelve a una dirección aleatoria. SP = 0x30; como primera línea de main() es práctica habitual.

La región direccionable por bits merece pena porque es realmente elegante. Cualquier bit de 20h–2Fh se puede activar, borrar o comprobar en una sola instrucción, lo que hace que las banderas de estado sean gratis:

bit lineDetected;      /* the compiler allocates this in 20h-2Fh */
bit motorEnabled;      /* one bit each, one instruction to test */

Ocho de esas cosas ocupan un byte, y comprobar una es un solo ciclo máquina. En un chip con 256 bytes de RAM eso importa.

Resolución de problemas

¿8051 o un microcontrolador moderno?

La posición honesta: el 8051 es una pieza de enseñanza, y una excelente. Escribir un generador de PWM por software, calcular a mano una recarga de baudios y descubrir que un pin de puerto no puede suministrar corriente te enseña qué están haciendo realmente por ti todos los periféricos modernos. Ese entendimiento se traslada de forma permanente, y es la razón por la que la arquitectura sigue en los temarios cuarenta y cinco años después de que Intel la publicara.

Para un robot que tiene que funcionar, elige casi cualquier otra cosa. Construir un seguidor de línea con 8051 significa escribir el PWM, añadir un ADC externo o usar sensores con salida de comparador, y calcular a mano todas las constantes de tiempo, todo lo cual te da un Uno por el mismo dinero. Hazlo cuando lo que importa es entender la máquina. Recurre a un Uno cuando lo que importa es el robot.