Микроконтроллер 8051

Что это такое

8051 — не плата и даже не одна микросхема, а архитектура. Intel представила её в 1980 году, а затем так широко лицензировала ядро, что сегодня доступную микросхему выпускает другая компания. В лабораторном наборе это почти всегда Atmel AT89S52: ядро 8051 с 8 KB флеш-памяти, 256 байт RAM, тремя таймерами и внутрисхемным программированием через четыре вывода.

В комплекте есть только 40-выводный DIP. Никаких USB, регулятора питания, загрузчика и pinMode(). До выполнения первой инструкции необходимо подключить кварцевый резонатор, два нагрузночных конденсатора, схема сброса и соединение вывода EA с +5 V. Именно эта минималистичность объясняет, почему микросхема остаётся в учебных программах: между кодом и кремнием нет слоя, скрывающего поведение, которое вы не понимаете.

Как это работает

8051 представляет собой гарвардскую архитектуру: память программ и память данных находятся в разных адресных пространствах, к которым обращаются разные инструкции. Код хранится во флеш-памяти, а переменные — во внутренней RAM объёмом 256 байт, разделённой на четыре банка регистров, адресуемое по битам окно и область для стека.

Время здесь легко поддаётся анализу. Один машинный цикл составляет двенадцать периодов генератора, а большинство инструкций выполняются за один или два таких цикла. При 11.0592 MHz один цикл длится 1.085 µs, поэтому можно подсчитать инструкции и точно, а не приблизительно, узнать время выполнения цикла. Очень немногие современные микросхемы это позволяют.

32 вывода I/O объединены в четыре порта с разными свойствами:

• P1 — единственный простой порт: восемь выводов общего назначения с внутренними подтягивающими резисторами.
• P3 совмещает на каждом выводе альтернативную функцию: последовательный интерфейс RXD/TXD, два внешних прерывания, два входа таймеров, а также сигналы чтения и записи внешней памяти.
• P2 передаёт старший байт адреса при подключённой внешней памяти.
• P0 имеет открытый сток. Без внешних подтягивающих резисторов он вообще не может вывести логическую единицу; кроме того, он работает как мультиплексированная шина младшего байта адреса и байта данных.

Чего у микросхемы нет, не менее важно: аналоговых входов и аппаратного PWM нет. Для измерения напряжения датчика нужен внешний ADC, а для изменения скорости двигателя придётся самостоятельно формировать сигнал по прерыванию таймера.

Когда его следует использовать

Выбирайте 8051, если цель — изучить архитектуру микроконтроллера: курс по микроконтроллерам, университетский мини-проект или собственное любопытство к тому, что действительно делает analogWrite(). Написание генератора программного PWM даст больше, чем год вызовов библиотеки, скрывающей его реализацию.

Выбирайте практически любое другое устройство, когда цель — робот. Arduino Uno предоставляет аппаратный PWM, аналоговые входы и библиотеку для каждого датчика, который встретится; ESP32 добавляет Wi-Fi и значительно больше памяти. Оба стоят примерно столько же, сколько отладочная плата 8051. Выбор 8051 для проекта, которому нужно работать, а не обучать, означает вручную реализовать то, что альтернативы предоставляют бесплатно.

Типичные ошибки

• EA необходимо соединить с +5 V. Вывод 31 выбирает внутреннюю или внешнюю память программ. Если он не подключён или соединён с землёй, микросхема молча обращается к отсутствующей внешней памяти и ничего не выполняет — без ошибки, индикации или подсказки. Это самая частая причина того, что первая плата на 8051 кажется нерабочей.
• Сброс активен при HIGH. В отличие от почти всех других микроконтроллеров, 8051 сбрасывается, когда RST переводится вверх. Стандартная схема питания содержит конденсатор 10 µF от +5 V к RST и резистор 10 kΩ от RST к земле.
• Порту 0 нужны внешние подтягивающие резисторы. У него открытый сток. Подключите резисторы 10 kΩ к +5 V, иначе он никогда не сможет надёжно считать или вывести высокий уровень.
• Выводы принимают, но не отдают ток. Внутренняя подтяжка обеспечивает лишь десятки микроампер, тогда как транзистор стока пропускает миллиамперы. Аноды светодиодов (LED) подключают к источнику питания, катоды — к выводу, а 0 включает светодиод. При обратном подключении он светится очень слабо и вызывает массу недоумения.
• Стек начинается с 08h, поверх банка регистров 1. Указатель стека при сбросе равен 07h. Если перейти к банку 1, не передвинув SP, регистры и обратные адреса займут одни и те же байты.

Почему именно 11.0592 MHz

Эта частота резонатора выглядит произвольной, но это один из самых продуманных выборов во всей архитектуре.

8051 формирует скорость последовательной передачи с помощью переполнения таймера 1 в 8-битном режиме автоперезагрузки:

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

При SMOD = 0 и кварцевом резонаторе 11.0592 MHz для скорости 9600 бод:

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

Получается ровно 3. Без округления и ошибки. Каждая стандартная скорость — 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 — даёт целое число перезагрузок таймера.

Теперь попробуйте круглое значение 12 MHz:

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

Последовательные линии допускают суммарную ошибку примерно 2–3% между двумя концами. При ошибке 8.5% кадры смещаются в пределах байта, и каждый символ приходит повреждённым. Именно поэтому существует 11.0592 MHz, поэтому эта частота применяется на каждой лабораторной плате 8051 и почему замена резонатора в ящике на 12 MHz приводит к тому, что микросхема идеально работает, пока не попытаешься что-либо вывести.

Плата за это — неудобные расчёты времени: машинный цикл длится 1.085 µs, а не круглые 1 µs. Кварцевый резонатор 12 MHz даёт ровно циклы 1 µs и непригодную последовательную связь. Выбирайте исходя из того, что требуется проекту.

Таймеры и формирование PWM вручную

В 8051 есть три 16-битных таймера и аппаратного PWM нет вообще. Изменение скорости двигателя означает самостоятельное формирование сигнала, и это действительно лучшая часть изучения этой микросхемы.

У таймеров четыре режима; важны два:

Режим 2 подходит для стабильного тактового сигнала, поскольку перезагрузка выполняется оборудованием и длительность периода не зависит от нестабильности ISR.

Генератор программного PWM на таймере 0 с частотой около 1 kHz и 100 ступенями разрешения:

#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 */
}

Из этого стоит извлечь два вывода. Сначала перезагружайте, всегда — в режиме 1 после переполнения таймер продолжает счёт с нуля, поэтому каждая инструкция до перезагрузки увеличивает следующий период. И эта цена реальна: данный ISR срабатывает 100,000 раз в секунду, а при длительности машинного цикла 1.085 µs обработчик из десятка инструкций расходует заметную долю всех возможностей микросхемы. Именно эту нагрузку снимает аппаратный модуль PWM, и её ценность понимаешь лишь после того, как сам заплатишь за неё.

Бюджет тока портов

Этот вопрос сбивает с толку, потому что порты 8051 несимметричны, в отличие от современных микросхем.

Шестьдесят микроампер — не опечатка. Внутренняя подтяжка является слабым резистором, а не драйвером, поэтому вывод в состоянии HIGH способен обеспечить примерно тысячную часть тока, который он может принять.

Непосредственно отсюда следуют три последствия:

Катоды светодиодов (LED) подключаются к выводам, а аноды — через резистор к +5 V; запись 0 включает светодиод. При обратном подключении они светятся очень слабо, что воспринимается не как ошибка понимания, а как тусклый или неисправный LED.

Никогда не управляйте нагрузкой непосредственно. Ни реле, ни громким звонком, ни двигателем. Используйте транзистор, матрицу драйверов ULN2003 или подходящий драйвер двигателей.

Порту 0 нужны внешние подтягивающие резисторы — 10 kΩ к +5 V на каждом выводе, который планируется использовать как I/O. Без них он не может вывести высокий уровень или надёжно считать его; именно этот порт на большинстве лабораторных плат подключают к LCD.

Память и распределение 256 байт

Объём флеш-памяти в восемь килобайт кажется тесным, но обычно это не так. Реальное ограничение — 256 байт RAM, причём это не плоские 256 байт:

Указатель стека при сбросе равен 07h, поэтому стек начинается непосредственно поверх банка регистров 1. Если перейти к банку 1, не передвинув SP, регистры и обратные адреса будут занимать одни байты, а отказ станет разительным: программа вернётся по случайному адресу. Обычно SP = 0x30; является первой строкой main().

Адресуемой по битам области стоит знать, поскольку она действительно изящна. Любой бит в области 20h–2Fh можно установить, сбросить или проверить одной инструкцией, что делает флаги состояния бесплатными:

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

Восемь таких битов занимают один байт, а проверка каждого — один машинный цикл. Для микросхемы с 256 байт RAM это существенно.

Диагностика

8051 или современный микроконтроллер?

Честный вывод: 8051 — отличная обучающая микросхема. Написание генератора программного PWM, ручной расчёт значения перезагрузки для последовательной передачи и обнаружение того, что вывод порта не может отдавать ток, показывают, что именно современные периферийные устройства делают за вас. Это понимание сохраняется навсегда, и именно поэтому архитектура остаётся в учебных программах через сорок пять лет после публикации Intel.

Для робота, который должен работать, выбирайте практически любое другое устройство. Создание робота, следующего за линией на 8051 означает написание PWM, добавление внешнего ADC или использование датчиков на основе выхода компаратора и ручной расчёт каждой постоянной времени — всё это Uno предоставляет за те же деньги. Делайте это, если цель — понять микросхему. Выбирайте Uno, если цель — робот.