Điện, điện tử - Chương I: Các bộ vi điều khiển 8051

193 trang vanle 2750

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Điện, điện tử - Chương I: Các bộ vi điều khiển 8051", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

dien_dien_tu_chuong_i_cac_bo_vi_dieu_khien_8051.pdf

Nội dung text: Điện, điện tử - Chương I: Các bộ vi điều khiển 8051

Chương I Các bộ vi điều khiển 8051 1.1 các bộ vi điều khiển và các bộ xử lý nhúng. Trong mục này chúng ta bàn về nhu cầu đối với các bộ vi điều khiển (VĐK) và so sánh chúng với các bộ vi xử lý cùng dạng chung như Pentium và các bộ vi xử lý ´ 86 khác. Chúng ta cùng xem xét vai trò của các bộ vi điều khiển trong thị trường các sản phẩm nhúng. Ngoài ra, chúng ta cung cấp một số tiêu chuẩn về cách lựa chọn một bộ vi điều khiển như thế nào. 1.1.1 Bộ vi điều khiển so với bộ vi xử lý cùng dùng chung Sự khác nhau giữa một bộ vi điều khiển và một bộ vi xử lý là gì? Bộ vi xử lý ở đây là các bộ vi xử lý công dung chung như họ Intell ´ 86 (8086, 80286, 80386, 80486 và Pentium) hoặc họ Motorola 680 ´ 0(68000, 68010, 68020, 68030, 68040 v.v ). Những bộ VXL này không có RAM, ROM và không có các cổng vào ra trên chíp. Với lý do đó mà chúng được gọi chung là các bộ vi xử lý công dụng chung. Data bus CPU CPU RAM ROM General- Serial Purpose RAM ROM I/O Timer COM Micro- Port Port Serial processor I/O Timer COM Port Address bus (a) General-Purpose Microcessor System (b) Microcontroller Hình 1.1: Hệ thống vi xử lý được so sánh với hệ thống vi điều khiển. a) Hệ thống vi xử lý công dụng chung b) Hệ thống vi điều khiển
Một nhà thiết kế hệ thống sử dụng một bộ vi xử lý công dụng chung chẳng hạn như Pentium hay 68040 phải bổ xung thêm RAM , ROM, các cổng vào ra và các bộ định thời ngoài để làm cho chúng hoạt động được. Mặc dù việc bổ xung RAM, ROM và các cổng vào ra bên ngoài làm cho hệ thống cồng cềnh và đắt hơn, nhưng chúng có ưu điểm là linh hoạt chẳng hạn như người thiết kế có thể quyết định về số lượng RAM, ROM và các cổng vào ra cần thiết phù hợp với bài toán trong tầm tay của mình. Điều này không thể có được đối với các bộ vi điều khiển. Một bộ vi điều khiển có một CPU (một bộ vi xử lý) cùng với một lượng cố định RAM, ROM, các cổng vào ra và một bộ định thời tất cả trên cùng một chíp. Hay nói cách khác là bộ xử lý, RAM, ROM các cổng vào ra và bộ định thời đều được nhúng với nhau trên một chíp; do vậy người thiết kế không thể bổ xung thêm bộ nhớ ngoài, cổng vào ra hoặc bộ định thời cho nó. Số lượng cố định của RAM, ROM trên chíp và số các cổng vào - ra trong các bộ vi điều khiển làm cho chúng trở nên lý tưởng đối với nhiều ứng dụng mà trong đó giá thành và không gian lại hạn chế. Trong nhiều ứng dụng, ví dụ một điều khiển TV từ xa thì không cần công suất tính toán của bộ vi sử lý 486 hoặc thậm chí như 8086. Trong rất nhiều ứng dụng thì không gian nó chiếm, công suất nó tiêu tốn và giá thành trên một đơn vị là những cân nhắc nghiêm ngặt hơn nhiều so với công suất tính toán. Những ứng dụng thường yêu cầu một số thao tác vào - ra để đọc các tín hiệu và tắt - mở những bit nhất định. Vì lý do này mà một số người gọi các bộ xử lý này là IBP (“Itty-Bitty-Processor”), (tham khảo cuốn “Good things in small packages are Generating Big product opportunities” do Rick Grehan viết trên tạp BYTE tháng 9.1994; WWW. Byte. Com để biết về những trao đổi tuyệt vời về các bộ vi điều khiển). Điều thú vị là một số nhà sản xuất các bộ vi điều khiển đã đi xa hơn là tích hợp cả một bộ chuyển đổi ADC và các ngoại vi khác vào trong bộ vi điều khiển. Bảng 1.1: Một số sản phẩm được nhúng sử dụng các bộ vi điều khiển Thiết bị nội thất gia Văn phòng ô tô đình Đồ điện trong nhà Điện thoại Máy tính hành trình
Máy đàm thoại Máy tính Điều khiển động cơ Máy điện thoại Các hệ thống an Túi đệm khí Các hệ thống an toàn toàn Thiết bị ABS Các bộ mở cửa ga-ra Máy Fax Đo lường xe Lò vi sóng Hệ thống bảo mật Máy trả lời Máy sao chụp Đíũu khiển truyền Máy Fax Máy in lazer tin Máy tính gia đình Máy in màu Giải trí Tivi Máy nhắn tin Điều hoà nhiệt độ Truyền hình cáp Điện thoại tổ ong VCR Mở cửa không cần Máy quy camera chìa khoá Điều khiển từ xa Trò chơi điện tử Điện thoại tổ ong Các nhạc cụ điện tử Máy khâu Điều khiển ánh sáng Máy nhắn tin Máy chơi Pootball Đồ chơi Các dụng cụ tập thể hình 1.1.2 Các bộ VĐK cho các hệ thống nhúng. Trong tài liệu về các bộ vi xử lý ta thường thấy khái niệm hệ thống nhúng (Embeded system). Các bộ vi xử lý và các bộ vi điều khiển được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm hệ thống nhúng. Một sản phẩm nhúng sử dụng một bộ vi xử lý (hoặc một bộ vi điều khiển để thực hiện một nhiệm vụ và chỉ một mà thôi. Một máy in là một ví dụ về một việc nhúng vì bộ xử lý bên trong nó chỉ làm một việc đó là nhận dữ liệu và in nó ra. Điều này khác với một máy tình PC dựa trên bộ xử lý Pentium (hoặc một PC tương thích với IBM ´ 86 bất kỳ). Một PC có thể được sử dụng cho một số bất kỳ các trạm dịch vụ in, bộ đầu cuối kiểm kê nhà băng, máy chơi trò chơi điện tử, trạm dịch vụ mạng hoặc trạm đầu cuối mạng Internet. Phần mềm cho các ứng dụng khác nhau có thể được nạp và chạy. Tất nhiên là lý do hiển nhiên để một PC thực hiện hàng loạt các công việc là nó có bộ
nhớ RAM và một hệ điều hành nạp phần mềm ứng dụng thường được đốt vào trong ROM. Một máy tính PC ´ 86 chứa hoặc được nối tới các sản phẩm nhúng khác nhau chẳng hạn như bàn phím, máyin, Modem, bộ điều khiển đĩa, Card âm thanh, bộ điều khiển CD = ROM. Chuột v.v Một nội ngoại vi này có một bộ vi điều khiển bên trong nó để thực hiện chỉ một công việc, ví dụ bên trong mỗi con chuột có một bộ vi điều khiển để thực thi công việc tìm vị trí chuột và gửi nó đến PC Bảng 1.1 liệt kê một số sản phẩm nhúng. 4.1.3 Các ứng dụng nhúng của PC ´ 86. Mặc dù các bộ vi điều khiển là sự lựa chọn ưa chuộng đối với nhiều hệ thống nhúng nhưng có nhiều khi một bộ vi điều khiển không đủ cho công việc. Vì lý do đó mà những năm gần đây nhíều nhà sản xuất các bộ vi sử lý công dụng chung chẳng hạn như Intel, Motorla, AMD (Advanced Micro Devices, Inc ). Và Cyric (mà bây giờ là một bộ phận của National Senicon ductir, Inc) đã hướng tới bộ vi xử lý cho hiệu suất cao của thị trường nhúng. Trong khi Intel, AMD và Cyrix đẩy các bộ xử lý ´ 86 của họ vào cho cả thị trường nhúng và thị trường máy tính PC để bán thì Motorola vẫn kiên định giữ họ vi xử lý 68000 lại chủ yếu hướng nó cho các hệ thống nhúng hiệu suất cao và bây giờ Apple không còn dùng 680 ´ trong các máy tính Macintosh nữa. Trong những năm đầu thập kỷ 90 của thế kỷ 20 máy tính Apple bắt đầu sử dụng các bộ vi xử lý Power PC (như 603, 604, 620 v.v ) thay cho 680 ´0 đối với Macintosh. Bộvi xử lý Power PC là kết quả liên doanh đầu tư của IBM và Motorola và nó được hướng cho thị trướng nhúng hiệu suất cao cũng như cho cả thị trường máy tính PC. Cần phải lưu ý rằng khi một công ty hướng một bộ vi xử lý công dụng chung cho thị trường nhúng nó tối ưu hoá bộ xử lý được sử dụng cho các hệ thống nhúng. Vì lý do đó mà các bộ vi xử lý này thường được gọi là các bộ xử lý nhúng hiệu suất cao. Do vậy các khái niệm các bộ vi điều khiển và bộ xử lý nhúng thường được sử dụng thay đổi nhau. Một trong những nhu cầu khắt khe nhất của hệ thống nhúng là giảm công suất tiêu thụ và không gian. Điều này có thể đạt được bằng cách tích hợp nhiều chức năng vào trong chíp CPU. Tất cả mọi bộ xử lý nhúng dựa trên ´ 86 và 680 ´ 0 đều có công suất tiêu thu thấp ngoài ra được bổ xung một số dạng cổng vào - ra, cổng COM và bộ nhớ ROM trên một chíp.
Trong các bộ xử lý nhúng hiệu suất cao có xu hướng tích hợp nhiều và nhiều chức năng hơn nữa trên chíp CPU và cho phép người thiết kế quyết định những đặc tính nào họ muốn sử dụng. Xu hướng này cũng đang chiếm lĩnh thiết kế hệ thống PC. Bình thường khi thiết kế bo mạch chủ của PC (Motherboard) ta cần một CPU cộng một chíp - set có chứa các cống vào - ra, một bộ điều khiển cache, một bộ nhớ Flash ROM có chứa BIOS và cuối cùng là bộ nhớ cache thứ cấp. Những thiết kế mới đang khẩn trương đi vào công nghiệp sản xuất hàng loạt. Ví dụ Cyrix đã tuyên bố rằng họ đang làm việc trên một chíp có chứa toàn bộ một máy tính PC ngoại trừ DRAM. Hay nói cách khác là chúng ta xắp nhìn thấy một máy tính PC trên một chíp. Hiện nay do chuẩn hoá MS - DOS và Windows nên các hệ thống nhúng đang sử dụng các máy tình PC ´ 86 . Trong nhiều trường hợp việc sử dụng các máy tính PC ´ 86 cho các ứng dụng nhúng hiệu suất cao là không tiết kiệm tiền bạc, nhưng nó làm rút ngắn thời gian phát triển vì có một thư viện phần mềm bao la đã được viết cho nền DOS và Windows. Thực tế là Windows là một nền được sử dụng rộng rãi và dễ hiểu có nghĩa là việc phát triển một sản phẩm nhúng dựa trên Windows làm giảm giá thành và rút ngắn thời gian phát triển đáng kể. 1.1.4 Lựa chọn một bộ vi điều khiển. Có 4 bộ vi điều khiển 8 bit chính. Đó là 6811 của Motorola, 8051 của Intel z8 của Xilog và Pic 16 ´ của Microchip Technology. Mỗi một kiểu loại trên đây đều có một tập lệnh và thanh ghi riêng duy nhất, nếu chúng đều không tương thích lẫn nhau. Cũng có những bộ vi điều khiển 16 bit và 32 bit được sản xuất bởi các hãng sản xuất chíp khác nhau. Với tất cả những bộ vi điều khiển khác nhau như thế này thì lấy gì làm tiêu chuẩn lựa chọn mà các nhà thiết kế phải cân nhắc? Có ba tiêu chuẩn để lựa chọn các bộ vi điều khiển là: 1) Đáp ứng nhu cầu tính toán của bài toán một cách hiệu quả về mặt giá thành và đầy đủ chức năng có thể nhìn thấy được (khả dĩ). 2) Có sẵn các công cụ phát triển phần mềm chẳng hạn như các trình biên dịch, trình hợp ngữ và gỡ rối. 3) Nguồn các bộ vi điều khiển có sẵn nhiều và tin cậy. 1.1.5 Các tíêu chuẩn lựa chọn một bộ vi điều khiển.
1. Tiêu chuẩn đầu tiênvà trước hết tronglựa chọn một bộ vi điều khiển là nó phải đáp ứng nhu cầu bài toán về một mặt công suất tính toán và giá thành hiệu quả. Trong khi phân tích các nhu cầu của một dự án dựa trên bộ vi điều khiển chúng ta trước hết phải biết là bộ vi điều khiển nào 8 bit, 16 bit hay 32 bit có thể đáp ứng tốt nhất nhu cầu tính toán của bài toán mộ tcách hiệu quả nhất? Những tiêu chuẩn được đưa ra để cân nhắc là: a) Tốc độ: Tốc độ lớn nhất mà bộ vi điều khiển hỗ trợ là bao nhiêu. b) Kiểu đóng vỏ: Đó là kíểu 40 chân DIP hay QFP hay là kiểu đóng vỏ khác (DIP -đóng vỏ theo 2 hàng chân. QFP là đóng vỏ vuông dẹt)? Đây là điều quan trọng đối với yêu cầu về không gian, kiểu lắp ráp và tạo mẫu thử cho sản phẩm cuối cùng. c) Công suất tiêu thụ: Điều này đặc biệt khắt khe đối với những sản phẩm dùng pin, ắc quy. d) Dung lượng bộ nhớ RAM và ROM trên chíp. e) Số chân vào - ra và bộ định thời trên chíp f) Khả năng dễ dàng nâng cấp cho hiệu suất cao hoặc giảm công suất tiêu thụ. g) Giá thành cho một đơn vị: Điều này quan trọng quyết định giá thành cuối cùng của sản phẩm mà một bộ vi điều khiển được sử dụng. Ví dụ có các bộ vi điều khiển giá 50 cent trên đơn vị khi được mua 100.000 bộ một lúc. 2) Tiêu chuẩn thứ hai trong lựa chọn một bộ vi điều khiển là khả năng phát triển các sản phẩm xung quanh nó dễ dàng như thế nào? Các câu nhắc chủ yếu bao gồm khả năng có sẵn trình lượng ngữ, gỡ rối, trình biên dịch ngôn ngữ C hiệu quả về mã nguồn, trình mô phỏng hỗ trợ kỹ thuật và khả năng sử dụng trong nhà và ngoài môi trường. Trong nhiều trường hợp sự hỗ trợ nhà cung cấp thứ ba (nghĩa là nhà cung cấp khác không phải là hãng sản xuất chíp) cho chíp cũng tốt như, nếu không được tốt hơn, sự hỗ trợ từ nhà sản xuất chíp. 3) Tiêu chuẩn thứ ba trong lựa chọn một bộ vi điều khiển là khả năng sẵn sàng đáp ứng về số lượng trong hiện tại và tương lai. Đối với một số nhà thiết kế điều này thậm chí còn quan trong hơn cả hai tiêu chuẩn đầu tiên. Hiện nay, các bộ vi điều khiển 8 bit dấu đầu, họ 8051 là có số lương lớn nhất các nhà cung cấp đa dạng (nhiều nguồn). Nhà cung cấp có nghĩa là nhà sản xuất bên cạnh nhà sáng chế của bộ vi điều khiển. Trong trường hợp 8051 thì nhà sáng chế
của nó là Intel, nhưng hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất nó (cũng như trước kia đã sản xuất). Các hãng này bao gồm: Intel, Atmel, Philips/signe-tics, AMD, Siemens, Matra và Dallas, Semicndictior. Bảng 1.2: Địa chỉ của một số hãng sản xuất các thành viên của họ 8051. Hãng Địa chỉ Website Intel www.intel.com/design/mcs51 Antel www.atmel.com Plips/ Signetis www.semiconductors.philips.co Siemens m Dallas Semiconductor www.sci.siemens.com www.dalsemi.com Cũng nên lưu ý rằng Motorola, Zilog và Mierochip Technology đã dành một lượng tài nguyên lớn để đảm bảo khả năng sẵn sàng về một thời gian và phạm vi rộng cho các sản phẩm của họ từ khi các sản phẩm của họ đi vào sản xuất ổn định, hoàn thiện và trở thành nguồn chính. Trong những năm gần đây họ cũng đã bắt đầu bán tế bào thư viện Asic của bộ vi điều khiển. 1.2 Tổng quan về họ 8051. Trong mục này chúng ta xem xét một số thành viên khác nhau của họ bộ vi điều khiển 8051 và các đặc điểm bên trong của chúng. Đồng thời ta điểm qua một số nhà sản xuất khác nhau và các sản phẩm của họ có trên thị trường. 1.2.1 Tóm tắt về lịch sử của 8051. Vào năm 1981. Hãng Intel giới thiệu một số bộ vi điều khiển được gọi là 8051. Bộ vi điều khiển này có 128 byte RAM, 4K byte ROM trên chíp, hai bộ định thời, một cổng nối tiếp và 4 cổng (đều rộng 8 bit) vào ra tất cả được đặt trên một chíp. Lúc ấy nó được coi là một “hệ thống trên chíp”. 8051 là một bộ xử lý 8 bit có nghĩa là CPU chỉ có thể làm việc với 8 bit dữ liệu tại một thời điểm. Dữ liệu lớn hơn 8 bit được chia ra thành các dữ liệu 8 bit để cho xử lý. 8051 có tất cả 4 cổng vào - ra I/O mỗi cổng rộng 8 bit (xem hình 1.2). Mặc dù 8051 có thể có một ROM trên chíp cực đại là 64 K byte, nhưng các nhà sản xuất lúc đó đã cho xuất xưởng chỉ với 4K byte ROM trên chíp. Điều này sẽ được bàn chi tiết hơn sau này.
8051 đã trở nên phổ biến sau khi Intel cho phép các nhà sản xuất khác sản xuất và bán bất kỳ dạng biến thế nào của 8051 mà họ thích với điều kiện họ phải để mã lại tương thích với 8051. Điều này dẫn đến sự ra đời nhiều phiên bản của 8051 với các tốc độ khác nhau và dung lượng ROM trên chíp khác nhau được bán bởi hơn nửa các nhà sản xuất. Điều này quan trọng là mặc dù có nhiều biến thể khác nhau của 8051 về tốc độ và dung lương nhớ ROM trên chíp, nhưng tất cả chúng đều tương thích với 8051 ban đầu về các lệnh. Điều này có nghĩa là nếu ta viết chương trình của mình cho một phiên bản nào đó thì nó cũng sẽ chạy với mọi phiên bản bất kỳ khác mà không phân biệt nó từ hãng sản xuất nào. Bảng 1.3: Các đặc tính của 8051 đầu tiên. Đặc tính Số lượng ROM trên chíp 4K byte RAM 128 byte Bộ định thời 2 Các chân vào - ra 32 Cổng nối tiếp 1 Nguồn ngắt 6 1.2.2 Bộ ví điều khiển 8051 Bộ vi điều khiển 8051 là thành viên đầu tiên của họ 8051. Hãng Intel ký hiệu nó như là MCS51. Bảng 3.1 trình bày các đặc tính của 8051. EX TERNAL INTERRUP TS C ETC O U N TIMER 0 T INTERRUPT ON - CHIP E R TIMER 1 CONTROL RAM I N P U T S CPU OSC BUS 4 I/O SERIAL CONTROL PORTS PORT
Hình 1.2: Bố trí bên trong của sơ đồ khối 8051. 1.2.3 các thành viên khác của họ 8051 Có hai bộ vi điều khiển thành viên khác của họ 8051 là 8052 và 8031. a- Bộ vi điều khiển 8052: Bộ vi điều khiển 8052 là một thành viên khác của họ 8051, 8052 có tất cả các đặc tính chuẩn của 8051 ngoài ra nó có thêm 128 byte RAM và một bộ định thời nữa. Hay nói cách khác là 8052 có 256 byte RAM và 3 bộ định thời. Nó cũng có 8K byte ROM. Trên chíp thay vì 4K byte như 8051. Xem bảng 1.4. Bảng1.4: so sánh các đặc tính của các thành viên họ 8051. Đặc tính 8051 8052 8031 ROM trên 4K byte 8K byte OK chíp RAM 128 byte 256 byte 128 byte Bộ định thời 2 3 2 Chân vào - ra 32 32 32 Cổng nối tiếp 1 1 1 Nguồn ngắt 6 8 6 Như nhìn thấy từ bảng 1.4 thì 8051 là tập con của 8052. Do vậy tất cả mọi chương trình viết cho 8051 đều chạy trên 8052 nhưng điều ngược lại là không đúng. b- Bộ vi điều khiển 8031: Một thành viên khác nữa của 8051 là chíp 8031. Chíp này thường được coi như là 8051 không có ROM trên chíp vì nó có OK
byte ROM trên chíp. Để sử dụng chíp này ta phải bổ xung ROM ngoài cho nó. ROM ngoài phải chứa chương trình mà 8031 sẽ nạp và thực hiện. So với 8051 mà chương trình được chứa trong ROM trên chíp bị giới hạn bởi 4K byte, còn ROM ngoài chứa chương trinh được gắn vào 8031 thì có thể lớn đến 64K byte. Khi bổ xung cổng, như vậy chỉ còn lại 2 cổng để thao tác. Để giải quyết vấn đề này ta có thể bổ xung cổng vào - ra cho 8031. Phối phép 8031 với bộ nhớ và cổng vào - ra chẳng hạn với chíp 8255 được trình bày ở chương 14. Ngoài ra còn có các phiên bản khác nhau về tốc độ của 8031 từ các hãng sản xuất khác nhau. 1.2.4. Các bộ vi điều khiển 8051 từ các hãng khác nhau. Mặc dù 8051 là thành viên phổi biến nhất của họ 8051 nhưng chúng ta sẽ thấy nó trong kho linh kiện. Đó là do 8051 có dưới nhiều dạng kiểu bộ nhớ khác nhau như UV - PROM, Flash và NV - RAM mà chúng đều có số đăng ký linh kiện khác nhau. Việc bàn luận về các kiểu dạng bộ nhớ ROM khác nhau sẽ được trình bày ở chương 14. Phiên bản UV-PROM của 8051 là 8751. Phiên bản Flash ROM được bán bởi nhiều hãng khác nhau chẳng hạn của Atmel corp với tên gọi là AT89C51 còn phiên bản NV-RAM của 8051 do Dalas Semi Conductor cung cấp thì được gọi là DS5000. Ngoài ra còn có phiên bản OTP (khả trình một lần) của 8051 được sản xuất bởi rất nhiều hãng. a- Bộ vi điều khiển 8751: Chíp 8751 chỉ có 4K byte bộ nhớ UV-EPROM trên chíp. Để sử dụng chíp này để phát triển yêu cầu truy cập đến một bộ đốt PROM cũng như bộ xoá UV- EPROM để xoá nội dung của bộ nhớ UV- EPROM bên trong 8751 trước khi ta có thể lập trình lại nó. Do một thực tế là ROM trên chíp đối với 8751 là UV-EPROM nên cần phải mất 20 phút để xoá 8751 trước khi nó có thể được lập trình trở lại. Điều này đã dẫn đến nhiều nhà sản xuất giới thiệu các phiên bản Flash Rom và UV-RAM của 8051. Ngoài ra còn có nhiều phiên bản với các tốc độ khác nhau của 8751 từ nhiều hãng khác nhau. b- Bộ vi điều khiển AT8951 từ Atmel Corporation. Chíp 8051 phổ biến này có ROM trên chíp ở dạng bộ nhớ Flash. Điều này là lý tưởng đối với những phát triển nhanh vì bộ nhớ Flash có thể được xoá trong vài giây trong tương quan so với 20 phút hoặc hơn mà 8751 yêu cầu. Vì lý do này mà AT89C51 để phát triển một hệ thống dựa trên bộ vi điều khiển yêu cầu một bộ đốt ROM mà
có hỗ trợ bộ nhớ Flash. Tuy nhiên lại không yêu cầu bộ xoá ROM. Lưu ý rằng trong bộ nhớ Flash ta phải xoá toàn bộ nội dung của ROM nhằm để lập trình lại cho nó. Việc xoá bộ nhớ Flash được thực hiện bởi chính bộ đốt PROM và đây chính là lý do tại sao lại không cần đến bộ xoá. Để loại trừ nhu cầu đối với một bộ đốt PROM hãng Atmel đang nghiên cứu một phiên bản của AT 89C51 có thể được lập trình qua cổng truyền thông COM của máy tính IBM PC . Bảng 1.5: Các phiên bản của 8051 từ Atmel (Flash ROM). Số linh RO RAM Chân Time Ngắ Vc Đóng vỏ kiện M I/O r t c AT89C51 4K 128 32 2 6 5V 40 AT89LV5 4K 128 32 2 6 3V 40 1 AT89C10 1K 64 15 1 3 3V 20 51 AT89C20 2K 128 15 2 6 3V 20 51 AT89C52 8K 128 32 3 8 5V 40 AT89LV5 8K 128 32 3 8 3V 40 2 Chữ C trong ký hiệu AT89C51 là CMOS. Cũng có những phiên bản đóng vỏ và tốc độ khác nhau của những sản phẩm trên đây. Xem bảng 1.6. Ví dụ để ý rằng chữ “C” đứng trước số 51 trong AT 89C51 -12PC là ký hiệu cho CMOS “12” ký hiệu cho 12 MHZ và “P” là kiểu đóng vỏ DIP và chữ “C” cuối cùng là ký hiệu cho thương mại (ngược với chữ “M” là quân sự ). Thông thường AT89C51 - 12PC rát lý tưởng cho các dự án của học sinh, sinh viên. Bảng 1.6: Các phiên bản 8051 với tốc độ khác nhau của Atmel. Mã linh kiện Tốc độ Số chân Đóng vỏ Mục đích AT89C51- 42MHZ 40 DTP Thương 12PC mại
c- Bộ vi điều khiển DS5000 từ hãng Dallas Semiconductor. Một phiên bản phổ biến khác nữa của 8051 là DS5000 của hãng Dallas Semiconductor. Bộ nhớ ROM trên chíp của DS5000 ở dưới dạng NV-RAM. Khả năng đọc/ ghi của nó cho phép chương trình được nạp vào ROM trên chíp trong khi nó vẫn ở trong hệ thống (không cần phải lấy ra). Điều này còn có thể được thực hiện thông qua cổng nối tiếp của máy tính IBM PC. Việc nạp chương trình trong hệ thống (in-system) của DS5000 thông qua cổng nối tiếp của PC làm cho nó trở thành một hệ thống phát triển tại chỗ lý tưởng. Một ưu việt của NV-RAM là khả năng thay đổi nội dung của ROM theo từng byte tại một thời điểm. Điều này tương phản với bộ nhớ Flash và EPROM mà bộ nhớ của chúng phải được xoá sạch trước khi lập trình lại cho chúng. Bảng 1.7: Các phiên bản 8051 từ hãng Dallas Semiconductor. Mã linh ROM RAM Chân Time Ngắ Vc Đóng kiện I/O r t c vỏ DS5000-8 8K 128 32 2 6 5V 40 DS5000-32 32K 128 32 2 6 5V 40 DS5000T-8 8K 128 32 2 6 5V 40 DS5000T-8 32K 128 32 2 6 5V 40 Chữ “T” đứng sau 5000 là có đồng hồ thời gian thực. Lưu ý rằng đồng hồ thời gian thực RTC là khác với bộ định thời Timer. RTC tạo và giữ thời gian l phút giờ, ngày, tháng - năm kể cả khi tắt nguồn. Còn có nhiều phiên bản DS5000 với những tốc độ và kiểu đóng gói khác nhau.( Xem bảng 1.8). Ví dụ DS5000-8-8 có 8K NV-RAM và tốc đọ 8MHZ. Thông thường DS5000-8-12 hoặc DS5000T-8-12 là lý tưởng đối với các dự án của sinh viên. Bảng 1.8:Các phiên bản của DS5000 với các tốc độ khác nhau Mã linh kiện NV- RAM Tốc độ DS5000-8-8 8K 8MHz DS5000-8-12 8K 12MHz DS5000-32-8 32K 8MHz
DS5000T-32-12 32K 8MHz (with DS5000-32-12 32K RTC) DS5000-8-12 8K 12MHz 12MHz (with RTC) d- Phiên bản OTP của 8051. Các phiên bản OTP của 8051 là các chíp 8051 có thể lập trình được một lần và được cung cấp từ nhiều hãng sản xuất khác nhau. Các phiên bản Flash và NV-RAM thường được dùng để phát triển sản phẩm mẫu. Khi một sản pohẩm được thiết kế và được hoàn thiện tuyệt đối thì phiên bản OTP của 8051 được dùng để sản hàng loạt vì nó sẽ hơn rất nhiều theo giá thành một đơn vị sản phẩm e- Họ 8051 từ Hãng Philips Một nhà sản xuất chính của họ 8051 khác nữa là Philips Corporation. Thật vậy, hãng này có một dải lựa chọn rộng lớn cho các bộ vi điều khiển họ 8051. Nhiều sản phẩm của hãng đã có kèm theo các đặc tính như các bộ chuyển đổi ADC, DAC, cổng I/0 mở rộng và cả các phiên bản OTP và Flash.
chương 2 Lập trình hợp ngữ 8051 2.1 Bên trong 8051. Trong phần này chúng ta nghiên cứu các thanh ghi chính của 8051 và trình bày cách sử dụng với các lệnh đơn giản MOV và ADD. 2.1.1 Các thanh ghi. Trong CPU các thanh ghi được dùng để lưu cất thông tin tạm thời, những thông tin này có thể là một byte dữ liệu cần được sử lý hoặc là một địa chỉ đến dữ liệu cần được nạp. Phần lớn các thanh ghi của 8051 là các thanh ghi 8 bit. Trong 8051 chỉ có một kiểu dữ liệu: Loại 8 bit, 8 bit của một thanh ghi được trình bày như sau: D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 với MSB là bit có giá trị cao nhất D7 cho đến LSB là bit có giá trị thấp nhất D0. (MSB - Most Sigfican bit và LSB - Leart Significant Bit). Với một kiểu dữ liệu 8 bit thì bất kỳ dữ liệu nào lớn hơn 8 bit đều phải được chia thành các khúc 8 bit trước khi được xử lý. Vì có một số lượng lớn các thanh ghi trong 8051 ta sẽ tập trung vào một số thanh ghi công dụng chung đặc biệt trong các chương kế tiếp. Hãy tham khảo phụ lục Appendix A.3 để biết đầy đủ về các thanh ghi của 8051. Hình 2.1: a) Một số thanh ghi 8 bit của 8051 b) Một số thanh ghi 16 bit của 8051 A B DPTR DPH DPL R0 R1 PC PC (program counter) R2 R3 R4 R5 R6 R7 Các thanh ghi được sử dụng rộng rãi nhất của 8051 là A (thanh ghi tích luỹ), B, R0 - R7, DPTR (con trỏ dữ liệu) và PC (bộ đếm chương trình). Tất cả các dữ liệu trên đều là thanh g hi 8 bit trừ DPTR và PC là 16 bit. Thanh ghi tích luỹ A được sử dụng cho tất cả mọi phép toán số học và lô-gíc. Để hiểu sử dụng các thanh ghi này ta sẽ giới thiệu chúng trong các ví dụ với các lệnh đơn giản là ADD và MOV. 2.1.2 Lệnh chuyển MOV. Nói một cách đơn giản, lệnh MOV sao chép dữ liệu từ một vị trí này đến một ví trí khác. Nó có cú pháp như sau: MOV ; Đích, nguồn; sao chép nguồn vào đích
Lệnh này nói CPU chuyển (trong thực tế là sao chép) toán hạng nguồn vào toán hạng đích. Ví dụ lệnh “MOV A, R0” sao chép nội dung thanh ghi R0 vào thanh ghi A. Sau khi lênh này được thực hiện thì thanh ghi A sẽ có giá trị giống như thanh ghi R0. Lệnh MOV không tác động toán hạng nguồn. Đoạn chương trình dưới đây đầu tiên là nạp thanh ghi A tới giá trị 55H 9là giá trị 55 ở dạng số Hex) và sau đó chuyển giá trị này qua các thanh ghi khác nhau bên trong CPU. Lưu ý rằng dấu “#” trong lệnh báo rằng đó là một giá trị. Tầm quan trọng của nó sẽ được trình bày ngay sau ví dụ này. MOV A, #55H; ; Nạp trí trị 55H vào thanh ghi A (A = 55H) MOV R0, A ; Sao chép nội dung A vào R0 (bây giờ R0=A) MOV R1, A ; Sao chép nội dung A và R1 (bây giờ R1=R0=A) MOV R2, A ; Sao chép nội dung A và R2 (bây giờ R2=R1=R0=A) MOV R3, #95H ; Nạp giá trị 95H vào thanh ghi R3 (R3 = 95H) MOV A, R3 ; Sáo chép nội dung R3 vào A (bây giờ A = 95H) Khi lập trình bộ vi điều khiển 8051 cần lưu ý các điểm sau: 1. Các giá trị có thể được nạp vào trực tiếp bất kỳ thanh ghi nào A, B, R0 - R7. Tuy nhiên, để thông báo đó là giá trị tức thời thì phải đặt trước nó một ký hiệu “#” như chỉ ra dưới đây. MOV A, #23H ; Nạp giá trị 23H vào A (A = 23H) MOV R0, #12H ; Nạp giá trị 12H vào R0 (R0 = 2BH) MOV R1, #1FH ; Nạp giá trị 1FH vào R1 (R1 = 1FH) MOV R2, #2BH ; Nạp giá trị 2BH vào R2 (R2 = 2BH) MOV B, # 3CH ; Nạp giá trị 3CH vào B (B = 3CH) MOV R7, #9DH ; Nạp giá trị 9DH vào R7 (R7 = 9DH) MOV R5, #0F9H ; Nạp giá trị F9H vào R5 (R5 = F9H) MOV R6, #12 ;Nạp giá trị thập phân 12 = 0CH vào R6 (trong R6 có giá trị 0CH). Để ý trong lệnh “MOV R5, #0F9H” thì phải có số 0 đứng trước F và sau dấu # báo rằng F là một số Hex chứ không phải là một ký tự. Hay nói cách khác “MOV R5, #F9H” sẽ gây ra lỗi. 2. Nếu các giá trị 0 đến F được chuyển vào một thanh ghi 8 bit thì các bit còn lại được coi là tất cả các số 0. Ví dụ, trong lệnh “MOV A,#5” kết quả là A=0.5, đó là A = 0000 0101 ở dạng nhị phân. 3. Việc chuyển một giá trị lớn hơn khả năng chứa của thanh ghi sẽ gây ra lỗi ví dụ: MOV A, #7F2H ; Không hợp lệ vì 7F2H > FFH MOV R2, 456 ; Không hợp lệ vì 456 > 255 (FFH) 4. Để nạp một giá trị vào một thanh ghi thì phải gán dấu “#” trước giá trị đó. Nếu không có dấu thì nó hiểu rằng nạp từ một vị trí nhớ. Ví dụ “MOV A, 17H” có nghĩa là nạp giá trị trong ngăn nhớ có giá trị 17H vào thanh ghi A và tại địa chỉ đó dữ liệu có thể có bất kỳ giá trị nào từ 0 đến FFH. Còn để nạp giá trị là 17H vào thanh ghi A thì cần phải có dấu “#” trước 17H như thế này. “MOV A, #17H”. Cần lưu ý rằng nếu thiếu dấu “#” trước một thì sẽ không gây lỗi vì hợp ngữ cho đó là một lệnh hợp
lệ. Tuy nhiên, kết quả sẽ không đúng như ý muốn của người lập trình. Đ ây sẽ là một lỗi thường hay gặp đối với lập trình viên mới. 2.1.3 Lệnh cộng ADD. Lệnh cộng ADD có các phép như sau: ADD a, nguồn ; Cộng toán hạng nguồn vào thanh ghi A. Lệnh cộng ADD nói CPU cộng byte nguồn vào thanh ghi A và đặt kết quả thanh ghi A. Để cộng hai số như 25H và 34H thì mỗi số có thể chuyển đến một thanh ghi và sau đó cộng lại với nhau như: MOV A, #25H ; Nạp giá trị 25H vào A MOV R2, #34H ; Nạp giá trị 34H vào R2 ADD A, R2 ; Cộng R2 vào A và kết quả A = A + R2 Thực hiện chương trình trên ta được A = 59H (vì 25H + 34H = 59H) và R2 = 34H, chú ý là nội dụng R2 không thay đổi. Chương trình trên có thể viết theo nhiều cách phụ thuộc vào thanh ghi được sử dụng. Một trong cách viết khác có thể là: MOV R5, #25H ; Nạp giá trị 25H vào thanh ghi R5 MOV R7, #34H ; Nạp giá trị 34H vào thanh ghi R7 MOV A, #0 ; Xoá thanh ghi A (A = 0) ADD A, R5 ; Cộng nội dung R5 vào A (A = A + R5) ADD A, R7 ; Cộng nội dung R7 vào A (A = A + R7 = 25H + 34H) Chương trình trên có kết quả trong A Là 59H, có rất nhiều cách để viết chương trình giống như vậy. Một câu hỏi có thể đặt ra sau khi xem đoạn chương trình trên là liệu có cẩn chuyển cả hai dữ liệu vào các thanh ghi trước khi cộng chúng với nhau không? Câu trả lời là không cần. Hãy xem đoạn chương trình dưới đây: MOV A, #25H ; Nạp giá trị thứ nhất vào thanh ghi A (A = 25H) ADD A, #34H ; Cộng giá trị thứ hai là 34H vào A (A = 59H) Trong trường hợp trên đây, khi thanh ghi A đã chứa số thứ nhất thì giá trị thứ hai đi theo một toán hạng. Đây được gọi là toán hạng tức thời (trực tiếp). Các ví dụ trước cho đến giờ thì lệnh ADD báo rằng toán hạng nguồn có thể hoặc là một thanh ghi hoặc là một dữ liệu trực tiếp (tức thời) nhưng thanh ghi đích luôn là thanh ghi A, thanh ghi tích luỹ. Hay nói cách khác là một lệnh như “ADD R2, #12H” là lệnh không hợp lệ vì mọi phép toán số học phải cần đến thanh ghi A và lệnh “ADD R4, A” cũng không hợp lệ vì A luôn là thanh ghi đích cho mọi phép số học. Nói một cách đơn giản là trong 8051 thì mọi phép toán số học đều cần đến thanh A với vai trò là toán hạng đích. Phần trình bày trên đây giải thích lý do vì sao thanh ghi A như là thanh thi tích luỹ. Cú pháp các lệnh hợp ngữ mô tả cách sử dụng chúng và liệt kê các kiểu toán hạng hợp lệ được cho trong phụ lục Appendix A.1. Có hai thanh ghi 16 bit trong 8051 là bộ đếm chương trình PC và con trỏ dữ liệu APTR. Tầm quan trọng và cách sử dụng chúng được trình bày ở mục 2.3. Thanh ghi DPTR được sử dụng để truy cập dữ liệu và được làm kỹ ở chương 5 khi nói về các chế độ đánh địa chỉ. 2.2 Giới thiệu về lập trình hợp ngữ 8051. Trong phần này chúng ta bàn về dạng thức của hợp ngữ và định nghĩa một số thuật ngữ sử dụng rộng rãi gắn liền với lập trình hợp ngữ.
CPU chỉ có thể làm việc với các số nhị phân và có thể chạy với tốc độ rất cao. Tuy nhiên, thật là ngán ngậm và chậm chạp đối với con người phải làm việc với các số 0 và 1 để lập trình cho máy tính. Một chương trình chứa các số 0 và 1 được gọi là ngôn ngữ máy. Trong những ngày đầu của máy tính, các lập trình viên phải viết mã chương trình dưới dạng ngôn ngữ máy. Mặc dụ hệ thống thập lục phân (số Hex) đã được sử dụng như một cách hiệu quả hơn để biểu diễn các số nhị phân thì quá trình làm việc với mã máy vẫn còn là công việc cồng kềnh đối với con người. Cuối cùng, các nguồn ngữ hợp ngữ đã được phát, đã cung cấp các từ gợi nhớ cho các lệnh mã máy cộng với những đặc tính khác giúp cho việc lập trình nhanh hơn và ít mắc lỗi hơn. Thuật ngữ từ gợi nhớ (mnemonic) thường xuyên sử dụng trong tài liệu khoa học và kỹ thuật máy tính để tham chiếu cho các mã và từ rút gọn tương đối dễ nhớ, các chương trình hợp ngữ phải được dịch ra thanh mã máy bằng một chương trình được là trình hợp ngữ (hợp dịch). Hợp ngữ được coi như là một ngông ngữ bậc thấp vì nó giao tiếp trực tiếp với cấu trúc bên trong của CPU. Để lập trình trong hợp ngữ, lập trình viên phải biết tất cả các thanh ghi của CPU và kích thước của chúng cũng như các chi tiết khác. Ngày nay, ta có thể sử dụng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau, chẳng hạn như Basic, Pascal, C, C++, Java và vô số ngôn ngữ khác. Các ngôn ngữ này được coi là nhưng ngôn ngữ bậc cao vì lập trình viên không cần phải tương tác với các chi tiết bên trong của CPU. Một trình hợp dịch được dùng để dịch chương trình hợp ngữ ra mã máy còn (còn đôi khi cũng còn được gọi mà đối tượng (Object Code) hay mã lệnh Opcode), còn các ngôn ngữ bậc cao được dịch thành các ngôn ngữ mã máy bằng một chương trình gọi là trình biên dịch. Ví dụ, để viết một chương trình trong C ta phải sử dụng một trình biên dịch C để dịch chương trình về dạng mã máy. Bây giờ ta xét dạng thức hợp ngữ của 8051 và sử dụng trình hợp dịch để tạo ra một chương trình sẵn sàng chạy ngay được. 2.2.1 Cấu trúc của hợp ngữ. Một chương trình hợp ngữ bao gồm một chuỗi các dòng lệnh hợp ngữ. Một lệnh hợp ngữ có chứa một từ gợi nhớ (mnemonic) và tuy theo từng lệnh và sau nó có một hoặc hai toán hạng. Các toán hạng là các dữ liệu cần được thao tác và các từ gợi nhớ là các lệnh đối với CPU nói nó làm gì với các dữ liệu. ORG 0H ; Bắt đầu (origin) tại ngăn nhớ 0 MOV R5, #25H ; Nạp 25H vào R5 MOV R7, #34H ; Nạp 34H vào R7 MOV A, #0 ; Nạp 0 vào thanh ghi A ADD A, R5 ; Cộng nôi dụng R5 vào A (A = A + R5) ADD A, R7 ; Cộng nội dung R7 vào A (A = A + R7) ADD A, #121H ; Cộng giá trị 12H vào A (A = A + 12H) HERE: SJMP HERE ; ở lại trong vòng lặp này END ; Kết thúc tệp nguồn hợp ngữ Chương trình 2.1: Ví dụ mẫu về một chương trình hợp ngữ. Chương trình 2.1 cho trên đây là một chuỗi các câu lệnh hoặc các dòng lệnh được viết hoặc bằng các lệnh hợp ngữ như ADD và MOV hoặc bằng các câu lệnh được gọi là các chỉ dẫn. Trong khi các lệnh hợp ngữ thì nói CPU phải làm gì thì các chỉ lệnh
(hay còn gọi là giả lệnh) thì đưa ra các chỉ lệnh cho hợp ngữ. Ví dụ, trong chương trình 2.1 thì các lệnh ADD và MOV là các lệnh đến CPU, còn ORG và END là các chỉ lệnh đối với hợp ngữ. ORG nói hợp ngữ đặt mã lệnh tại ngăn nhớ 0 và END thì báo cho hợp ngữ biết kết thúc mã nguồn. Hay nói cách khác một chỉ lệnh để bắt đầu và chỉ lệnh thứ hai để kết thúc chương trình. Cấu trúc của một lệnh hợp ngữ có 4 trường như sau: [nhãn:] [từ gợi nhớ] [các toán hạng] [; chú giải] Các trường trong dấu ngoặc vuông là tuỳ chọn và không phải dòng lệnh nào cũng có chúng. Các dấu ngoặc vuông không được viết vào. Với dạng thức trên đây cần lưu ý các điểm sau: 1. Trường nhãn cho phép chương trình tham chiếu đến một dòng lệnh bằng tên. Nó không được viết quá một số ký tự nhất định. Hãy kiểm tra quy định này của hợp ngữ mà ta sử dụng. 2. Từ gợi nhớ (lệnh) và các toán hạng là các trường kết hợp với nhau thực thi công việc thực tế của chương trình và hoàn thiện các nhiệm vụ mà chương trình được viết cho chúng. Trong hợp ngữ các câu lệnh như: “ ADD A, B” “MOV A, #67H” thì ADD và MOV là những từ gợi nhớ tạo ra mã lệnh, còn “A, B” và “A, #67H” là những toán hạng thì hai trường có thể chứa các lệnh giả hoặc chỉ lệnh của hợp ngữ. Hãy nhớ rằng các chỉ lệnh không tạo ra mã lệnh nào (mã máy) và chúng chỉ dùng bởi hợp ngữ, ngược lại đối với các lệnh là chúng được dịch ra mã máy (mã lênh) cho CPU thực hiện. Trong chương trình 2.1 các lệnh ORG và END là các chỉ lệnh (một số hợp ngữ của 8051 sử dụng dạng .ORG và .END). Hãy đọc quy định cụ thể của hợp ngữ ta sử dụng. 3. Chương chú giải luôn phải bắt đầu bằng dấu chấm phẩy (;). Các chú giải có thể bắt đầu ở đầu dòng hoặc giữa dòng. Hợp ngữ bỏ qua (làm ngơ) các chú giải nhưng chúng lại rất cần thiết đối với lập trình viên. Mặc EDITOR dù các chú giải là tuỳ chọn, không bắt buộc PRAGRAM nhưng ta nên dùng chúng để mô tả chương trình để giúp cho người khác đọc và hiểu myfile.asm chương trình dễ dàng hơn. 4. Lưu ý đến nhãn HERE trong trường nhãn ASSEMBLER của chương trình 2.1. Một nhãn bất kỳ PRAGRAM tham chiếu đến một lệnh phải có dấu hai chấm (:) đứng ở sau. Trong câu lệnh nhảy myfile.lst other obj file ngắn SJMP thì 8051 được ra lệnh ở lại myfile.obj trong vòng lặp này vô hạn. Nếu hệ thống của chúng ta có một chương trình giám sát LINKER thì takhông cần dòng lệnh này và nó có thể PRAGRAM được xoá đi ra khỏi chương trình. 2.3 Hợp dịch và chạy một chương trình 8051. myfile.abs Như vậy cấu trúc của một chương trình hợp ngữ ta đã được biết, câu hỏi đặt ra là chương OH PRAGRAM myfile.hex
trình sẽ được tạo ra và hợp dịch như thế nào và làm thế nào để có thể chạy được? Các bước để tạo ra một chương trình hợp ngữ có thể chạy được là: 1. Trước hết ta sử dụng mộ trình soạn thảo để gỡ vào một chương trình giống như chương trình 2.1. Có nhiều trình soạn thảo tuyệt vời hoặc các bộ sử lý từ được sử dụng để tạo ra và/ hoặc để soạn thảo chương trình. Một trình soạn thảo được sử dụng rộng rãi là trình soạn thảo EDIT của MS-DOS (hoặc Noterad của Windows) đều chạy trên hệ điều hành Microsoft. Lưu ý rằng, trình soạn thảo phải có khả năng tạo ra tệp mã ASCII. Đối với nhiều trình hợp ngữ thì các tên tệp tuân theo các quy ước thường lệ củ DOS, nhưng phần mở rộng của các tệp nguồn phải là “asm” hay “src” tuỳ theo trình hợp ngữ mà ta sử dụng. 2. Tệp nguồn có phần mở rộng “asm” chứa mã chương trình được tạo ra ở bước 1 được nạp vào trình hợp dịch của 8051. Trình hợp dịch chuyển các lệnh ra mã máy. Trình hợp dịch sẽ tạo ra một tệp đối tượng và một tệp liệt kê với các thành phần mở rộng “obj” và “lst” tương ứng. 3. Các trình hợp dịch yêu cầu một bước thứ ba gọi là liên kết. Chương trình liên kết lấy một hoặc nhiều tệp đối tượng và tạo ra một tệp đối tượng tuyệt đối với thành phần mở rộng “abs”. Tệp “abs” này được sử dụng bởi thùng chứa của 8051 có một chương trình giám sát. 4. Kế sau đó tệp “abs” được nạp vào một chương trình được gọi là “0H” (chuyển đối tượng object về dạng số Hex) để tạo ra một tệp với đuôi mở rộng “Hex” có thể nạp tốt vào trong ROM. Chương trình này có trong tất cả mọi trình hợp ngữ của 8051 các trình hợp ngữ dựa trên Windows hiện nay kết hợp các bước 2 đến 4 vào thành một bước. Hình 2.2: Các bước để tạo ra một chương trình. 2.3.1 Nói thêm về các tệp “.asm” và “.object”. Tệp “.asm” cũng được gọi là tệp nguồn và chính vì lý do này mà một số trình hợp ngữ đòi hỏi tệp này phải có một phần mở rộng “src” từ chữ “source” là nguồn. Hãy kiểm tra hợp ngữ 8051 mà ta sử dụng xem nó có đòi hỏi như vậy không? Như ta nói trước đây tệp này được tạo ra nhờ một trình biên tập chẳng hạn như Edit của DOS hoặc Notepad của Windows. Hợp ngữ của 8051 chuyển đổi các tệp hợp ngữ trong tệp .asm thành ngôn ngữ mã máy và cung cấp tệp đối tượng .object. Ngoài việc tạo ra tệp đối tượng trình hợp ngữ cũng cho ra tệp liệt kê “lst” (List file). 2.3.2 Tệp liệt kê “.lst”. Tệp liệt kê là một tuỳ chọn, nó rất hữu ích cho lập trình viên vì nó liệt kê tất cả mọi mã lệnh và địa chỉ cũng như tất cả các lỗi mà trình hợp ngữ phát hiện ra. Nhiều trình hợp ngữ giả thiết rằng, tệp liệt kê là không cần thiết trừ khi ta báo rằng ta muốn tạo ra nó. Tệp này có thể được truy cập bằng một trình biên dịch như Edit của DOS hoặc Notepad của Window và được hiển thị trên màn hình hoặc được gửi ra máy in. Lập trình viên sử dụng tệp liệt kê để tìm các lỗi cú pháp. Chỉ sau khi đã sửa hết các lỗi được đánh dấu trong tệp liệt kê thì tệp đối tượng mới sẵn sàng làm đầu vào cho chương trình liên kết. 1 0000 ORG 0H ; Bắt đầu ở địa chỉ 0 2 0000 7D25 MOV R5, #25H ; Nạp giá trị 25H vào R5 3 0002 7F34 MOV R7, #34H ; Nạp giá trị 34H vào R7 4 0004 7400 MOV A, #0 ; Nạp 0 vào A (xoá A) 5 0006 2D ADD A, R5 ; Cộng nội dung R5 vào A (A = A + R5) 6 0007 2F ADD A, R7 ; Cộng nội dung R7 vào A (A = A + R7) 7 0008 2412 ADD A, #12H ; Cộng giá trị 12H vào A (A = A + 12H)
8 00A BCEF HERE: SJMP HERE ; ở lại vòng lặp này 9 000C END ; Kết thúc tệp .asm Chương trình 2.2: Tệp liệt kê. 2.4 Bộ đếm chương trình và không gian ROM trong 8051. 2.4.1 Bộ đếm chương trình trong 8051. Một thanh ghi quan trọng khác trong 8051 là bộ đếm chương trình . Bộ đếm chương trình chỉ đếm địa chỉ của lệnh kế tiếp cần được thực hiện. Khi CPU nạp mã lệnh từ bộ nhớ ROM chương trình thì bộ đếm chương trình tăng lên chỉ đếm lệnh kết tiếp. Bộ đếm chương trình trong 8051 có thể truy cập các địa chỉ chương trình trong 8051 rộng 16 bit. Điều này có nghĩa là 8051 có thể truy cập các địa chỉa chương trình từ 0000 đến FFFFH tổng cộng là 64k byte mã lệnh. Tuy nhiên, không phải tất cả mọi thành viên của 8051 đều có tất cả 64k byte ROM trên chíp được cài đặt. Vậy khi 8051 được bật nguồn thì nó đánh thức ở địa chỉa nào? 2.4.2 Địa chỉ bắt đầu khi 8051 được cấp nguồn. Một câu hỏi mà ta phải hỏi về bộ vi điều khiển bất kỳ là thì nó được cấp nguồn thì nó bắt đầu từ địa chỉ nào? Mỗi bộ vi điều khiển đều khác nhau. Trong trường hợp họ 8051 thì mọi thành viên kể từ nhà sản xuất nào hay phiên bản nào thì bộ vi điều khiển đều bắt đầu từ địa chỉ 0000 khi nó được bật nguồn. Bật nguồn ở đây có nghĩa là ta cấp điện áp Vcc đến chân RESET như sẽ trình bày ở chương 4. Hay nói cách khác, khi 8051 được cấp nguồn thì bộ đếm chương trình có giá trị 0000. Điều này có nghĩa là nó chờ mã lệnh đầu tiên được lưu ở địa chỉa ROM 0000H. Vì lý do này mà trong vị trí nhớ 0000H của bộ nhở ROM chương trình vì đây là nơi mà nó tìm lệnh đầu tiên khi bật nguồn. Chúng ta đạt được điều này bằng câu lệnh ORG trong chương trình nguồn như đã trình bày trước đây. Dưới đây là hoạt động từng bước của bộ đếm chương trình trong qúa trình nạp và thực thi một chương trình mẫu. 2.4.3 Đặt mã vào ROM chương trình. Để hiểu tốt hơn vai trò của bộ đếm chương trình trong quá trình nạp và thực thi một chương trình, ta khảo sát một hoạt động của bộ đếm chương trình khi mỗi lệnh được nạp và thực thi. Trước hết ta khảo sát một lần nữa tệp liệt kê của chương trình mẫu và cách đặt mã vào ROM chương trình 8051 như thế nào? Như ta có thể thấy, mã lệnh và toán hạng đối với mỗi lệnh được liệt kê ở bên trái của lệnh liệt kê. Chương trình 2.1: Ví dụ mẫu về một chương trình hợp ngữ. Chương trình 2.1 cho trên đây là một chuỗi các câu lệnh hoặc các dòng lệnh được viết hoặc bằng các lệnh hợp ngữ như ADD và MOV hoặc bằng các câu lệnh được gọi là các chỉ dẫn. Trong khi các lệnh hợp ngữ thì nói CPU phải làm gì thì các chỉ lệnh (hay còn gọi là giả lệnh) thì đưa ra các chỉ lệnh cho hợp ngữ. Ví dụ, trong chương trình 2.1 thì các lệnh ADD và MOV là các lệnh đến CPU, còn ORG và END là các chỉ lệnh đối với hợp ngữ. ORG nói hợp ngữ đặt mã lệnh tại ngăn nhớ 0 và END thì báo cho hợp ngữ biết kết thúc mã nguồn. Hay nói cách khác một chỉ lệnh để bắt đầu và chỉ lệnh thứ hai để kết thúc chương trình. Cấu trúc của một lệnh hợp ngữ có 4 trường như sau: [nhãn:] [từ gợi nhớ] [các toán hạng] [; chú giải] Các trường trong dấu ngoặc vuông là tuỳ chọn và không phải dòng lệnh nào cũng có chúng. Các dấu ngoặc vuông không được viết vào. Với dạng thức trên đây cần lưu ý các điểm sau:
Trường nhãn cho phép chương trình tham chiếu đến một dòng lệnh bằng tên. Nó không được viết quá một số ký tự nhất định. Hãy kiểm tra quy định này của hợp ngữ mà ta sử dụng. Từ gợi nhớ (lệnh) và các toán hạng là các trường kết hợp với nhau thực thi công việc thực tế của chương trình và hoàn thiện các nhiệm vụ mà chương trình được viết cho chúng. Trong hợp ngữ các câu lệnh như: “ ADD A, B” “MOV A, #67H” Thì ADD và MOV là những từ gơi nhớ tạo ra mã lệnh, còn “A, B” và “A, #67H” là những toán hạng thì hai trường có thể chứa các lệnh giả hoặc chỉ lệnh của hợp ngữ. Hãy nhớ rằng các chỉ lệnh không tạo ra mã lệnh nào (mã máy) và chúng chỉ dùng bởi hợp ngữ, ngược lại đối với các lệnh là chúng được dịch ra mã máy (mã lênh) cho CPU thực hiện. Trong chương trình 2.1 các lệnh ORG và END là các chỉ lệnh (một số hợp ngữ của 8051 sử dụng dạng .ORG và .END). Hãy đọc quy định cụ thể của hợp ngữ ta sử dụng. Trương chú giải luôn phải bắt đầu bằng dấu chấm phẩy (;). Các chú giải có thể bắt đầu ở đầu dòng hoặc giữa dòng. Hợp ngữ bỏ qua (làm ngơ) các chú giải nhưng chúng lại rất cần thiết đối với lập trình viên. Mặc dù các chú giải là tuỳ chọn, không bắt buộc nhưng ta nên dùng chúng để mô tả chương trình để giúp cho người khác đọc và hiểu chương trình dễ dàng hơn. Lưu ý đến nhãn HERE trong trường nhãn của Địa chỉ Mã lệnh chương trình 2.1. Một nhãn bất kỳ tham chiếu đến một 0000 7D lệnh phải có dấu hai chấm (:) đứng ở sau. Trong câu lệnh 0001 25 nhảy ngắn SJMP thì 8051 được ra lệnh ở lại trong vòng 0002 F7 lặp này vô hạn. Nếu hệ thống của chúng ta có một chương 0003 34 trình giám sát thì takhông cần dòng lệnh này và nó có thể 0004 74 0005 00 được xoá đi ra khỏi chương trình. 0006 2D Chương trình 2.1: Tệp liệt kê 0007 2F Sau khi chương trình được đốt vào trong ROM của 0008 24 thành viên họ 8051 như 8751 hoặc AT 8951 hoặc DS 0009 12 5000 thì mã lệnh và toán hạng được đưa vào các vị trí nhớ 000A 80 ROM bắt đầu từ địa chỉ 0000 như bảng liệt kê dưới đây. 000B FE Địa chỉ ROM Ngôn ngữ máy Hợp ngữ 0000 7D25 MOV R5, #25H 0002 7F34 MOV R7, #34H 0004 7400 MOV A, #0 0006 2D ADD A, R5 0007 2F ADD A, R7 0008 2412 ADD A, #12H 000A 80EF HERE: SJMP HERE Bảng nội dung ROM của chương trình 2.1. Bảng liệt kê chỉ ra địa chỉ 0000 chứa mã 7D là mã lệnh để chuyển một giá trị vào thanh ghi R5 và địa chỉ 0001 chứa toán hạng (ở đây là giá trị 254) cần được chuyển vào R5. Do vậy, lệnh “MOV R5, #25H” có mã là “7D25” trong đó 7D là mã lệnh,
còng 25 là toán hạng. Tương tự như vậy, mã máy “7F34” được đặt trong các ngăn nhớ 0002 và 0003 và biểu diễn mã lệnh và toán hạng đối với lệnh “MOV R7, #34H”. Theo cách như vậy, mã máy “7400” được đặt tại địa chỉ 0004 và 0005 và biểu diễn mã lệnh và toán hạng đối với lệnh “MOV A, #0”. Ngăn nhớ 0006 có mã 2D là mã đối với lệnh “ADD A, R5” và ngăn nhớ 0007 có nội dung 2F là mã lệnh cho “ADD A, R7”. Mã lệnh đối với lệnh “ADD A, #12H” được đặt ở ngăn nhớ 0008 và toán hạng 12H được đặt ở ngăn nhớ 0009. Ngăn nhớ 000A có mã lệnh của lệnh SJMP và địa chỉ đích của nó được đặt ở ngăn nhớ 000B. Lý do vì sao địa chỉ đích là FE được giải thích ở chương 3. 2.4.4 Thực hiện một chương trình theo từng byte. Giả sử rằng chương trình trên được đốt vào ROM của chíp 8051 hoặc( 8751, AT 8951 hoặc DS 5000) thì dưới đây là mô tả hoạt động theo từng bước của 8051 khi nó được cấp nguồn. 1. Khi 8051 được bật nguồn, bộ đếm chương trình PC có nội dung 0000 và bắt đầu nạp mã lệnh đầu tiên từ vị trí nhớ 0000 của ROM chương trình. Trong trường hợp của chương trình này là mã 7D để chuyển một toán hạng vào R5. Khi thực hiện mã lệnh CPU nạp giá trị 25 vào bộ đếm chương trình được tăng lên để chỉ đến 0002 (PC = 0002) có chứa mã lệnh 7F là mã của lệnh chuyển một toán hạng vào R7 “MOV R7, ”. 2. Khi thực hiện mã lệnh 7F thì giá trị 34H được chuyển vào R7 sau đó PC được tăng lên 0004. 3. Ngăn nhớ 0004 chứa mã lệnh của lệnh “MOV A, #0”. Lệnh này được thực hiện và bây giờ PC = 0006. Lưu ý rằng tất cả các lệnh trên đều là những lệnh 2 byte, nghĩa là mỗi lệnh chiếm hai ngăn nhớ. 4. Bây giờ PC = 0006 chỉ đến lệnh kế tiếp là “ADD A, R5”. Đây là lệnh một byte, sau khi thực hiện lệnh này PC = 0007. 5. Ngăn nhớ 0007 chứa mã 2F là mã lệnh của “ADD A, R7”. Đây cũng là lệnh một byte, khi thực hiện lệnh này PC được tăng lên 0008. Qúa trình này cứ tiếp tục cho đến khi tất cả moi lệnh đều được nạp và thực hiện. Thực tế mà bộ đếm chương trình chỉ đến lệnh kế tiếp cần được thực hiện giải thích tại sao một số bộ vi xử lý (đáng nói là ´ 86) gọi bộ đếm là con trỏ lệnh (Instruction Pointer). 2.4.5 Bản đồ nhớ ROM trong họ 8051. Như ta đã thấy ở chương trước, một số thành viên họ 8051 chỉ có 4k byte bộ nhớ ROM trên chíp (ví dụ 8751, AT 8951) và một số khác như AT 8951 có 8k byte ROM, DS 5000-32 của Dallas Semiconductor có 32k byte ROM trên chíp. Dallas Semiconductor cũng có motọ 8051 với ROM trên chíp là 64k byte. Điểm cần nhớ là không có thành viên nào của họ 8051 có thể truy cập được hơn 64k byte mã lệnh vì bộ đếm chương trình của 8051 là 16 bit (dải địa chỉ từ 0000 đến FFFFH). Cần phải ghi nhớ là lệnh đầu tiên của ROM chương trình đều đặt ở 0000, còn lệnh cuối cùng phụ thuộc vào dung lượng ROM trên chíp của mỗi thành viên họ 8051. Trong số các thành viên họ 8051 thì 8751 và AT 8951 có 4k byte ROM trên chíp. Bộ nhớ ROM trên chíp này có các địa chỉ từ 0000 đến 0FFFH. Do vậy, ngăn nhớ đầu tiên có địa chỉ 0000 và ngăn nhớ cuối cùng có địa chỉa 0FFFH. Hãy xét ví dụ 2.1. Ví dụ 2.1: Tìm địa chỉ bộ nhớ ROM của mỗi thành viên họ 8051 sau đây. a) AT 8951 (hoặc 8751) với 4k byte b) DS 5000-32 với 32k byte
Lời giải: a) Với 4k byte của không gian nhớ ROM trên chíp ta có 4096 byte bằng 1000H ở dạng Hex (4 ´ 1024 = 4096 hay 1000 ở dạng Hex). Bộ nhớ này được xắp xếp trong các ngăn nhớ từ 0000 đến 0FFFFH. Lưu ý 0 luôn là ngăn nhớ đầu tiên. b) Với 32k byte nhớ ta có 32.768 byte (32 ´ 1024). Chuyển đổi 32.768 về số Hex ta nhận được giá trị 8000H. Do vậy, không gian nhớ là dải từ 0000 đến 7FFFH. byte byte byte 0000 0000 0000 0FFF 8751 AT89C51 1FFF 8752 AT89C52 7FFF DS5000-32 Hình 2.3: Dải địa chỉ của ROM trên chíp một số thành viên họ 8051. 2.5 Các kiểu dữ liệu và các chỉ lệnh. 2.5.1 Kiểu dữ liệu và các chỉ lệnh của 8051. Bộ vi điều khiển chỉ có một kiểu dữ liệu, nó là 8 bit và độ dài mỗi thanh ghi cũng là 8 bit. Công việc của lập trình viên là phân chia dữ liệu lớn hơn 8 bit ra thành từng khúc 8 bit (từ 00 đến FFH hay từ 0 đến 255) để CPU xử lý. Ví dụ về xử lý dữ liệu lớn hơn 8 bit được trình bày ở chương 6. Các dữ liệu được sử dụng bởi 8051 có thể là số âm hoặc số dương và về xử lý các số có dấu được bàn ở chương 6. 2.5.2 Chỉ lệnh DB (định nghĩa byte). Chỉ lệnh DB là một chỉ lệnh dữ liệu được sử dụng rộng rãi nhất trong hợp ngữ. Nó được dùng để định nghĩa dữ liệu 8 bit. Khi DB được dùng để định nghĩa byte dữ liệu thì các số có thể ở dạng thập phân, nhị phân, Hex hoặc ở dạng thức ASII. Đối với dữ liệu thập phân thì cần đặt chữ “D” sau số thập phân, đối với số nhị phân thì đặt chữ “B” và đối với dữ liệu dạng Hex thì cần đặt chữ “H”. Bất kể ta sử dụng số ở dạng thức nào thì hợp ngữ đều chuyển đối chúng về thành dạng Hex. Để báo dạng thức ở dạng mã ASCII thì chỉ cần đơn giản đặt nó vào dấu nháy đơn ‘như thế này’. Hợp ngữ sẽ gán mã ASCII cho các số hoặc các ký tự một cách tự động. Chỉ lệnh DB chỉ là chỉ lệnh mà có thể được sử dụng để định nghĩa các chuỗi ASCII lớn hơn 2 ký tự. Do vậy, nó có thể được sử dụng cho tất cả mọi định nghĩa dữ liệu ASCII. Dưới đây là một số ví dụ về DB: ORG 500H DATA1: DB 2B ; Số thập phân (1C ở dạng Hex) DATA2: DB 00110101B ; Số nhị phân (35 ở dạng Hex) DATA3: DB 39H ; Số dạng Hex ORG 510H DATA4: DB “2591” ; Các số ASCII ORG 518H DATA5 DB “My name is Joe” ; Các ký tự ASCII
Các chuỗi ASCII có thể sử dụng dấu nháy đơn ‘như thế này’ hoặc nháy kép “như thế này”. Dùng dấu phẩy kép sẽ hữu ích hơn đối với trường hợp dấu nháy đơn được dùng sở hữu cách như thế này “Nhà O’ Leary”. Chỉ lệnh DB cũng được dùng để cấp phát bộ nhớ theo từng đoạn kích thước một byte. 2.5.3 Các chỉ lệnh của hợp ngữ. 1. Chỉ lệnh ORG: Chỉ lệnh ORG được dùng để báo bắt đầu của địa chỉ. Số đi sau ORG có kể ở dạng Hex hoặc thập phân. Nếu số này có kèm chữ H đằng sau thì là ở dạng Hex và nếu không có chữ H ở sau là số thập phân và hợp ngữ sẽ chuyển nó thành số Hex. Một số hợp ngữ sử dụng dấu chấm đứng trước “ORG” thay cho “ORG”. Hãy đọc kỹ về trình hợp ngữ ta sử dụng. 2. Chỉ lệnh EQU: Được dùng để định nghĩa một hằng số mà không chiếm ngăn nhớ nào. Chỉ lệnh EQU không dành chỗ cất cho dữ liệu nhưng nó gắn một giá trị hằng số với nhãn dữ liệu sao cho khi nhãn xuất hiện trong chương trình giá trị hằng số của nó sẽ được thay thế đối với nhãn. Dưới đây sử dụng EQU cho hằng số bộ đếm và sau đó hằng số được dùng để nạp thanh ghi RS. COUNT EQU 25 MOV R3, #count Khi thực hiện lện “MOV R3, #COUNT” thì thanh ghi R3 sẽ được nạp giá trị 25 (chú ý đến dấu #). Vậy ưu điểm của việc sử dụng EQU là gì? Giả sử có một hằng số (một giá trị cố định) được dùng trong nhiều chỗ khác nhau trong chương trình và lập trình viên muốn thay đổi giá trị của nó trong cả chương trình. Bằng việc sử dụng chỉ lệnh EQU ta có thể thay đổi một số lần và hợp ngữ sẽ thay đổi tất cả mọi lần xuất hiện của nó là tìm toàn bộ chương trình và gắng tìm mọi lần xuất hiện. 3. Chỉ lệnh END: Một lệnh quan trọng khác là chỉ lệnh END. Nó báo cho trình hợp ngữ kết thúc của tệp nguồn “asm” chỉ lệnh END là dòng cuối cùng của chương trình 8051 có nghĩa là trong mã nguồn thì mọi thứ sau chỉ lệnh END để bị trình hợp ngữ bỏ qua. Một số trình hợp ngữ sử dụng .END có dấu chấm đứng trước thay cho END. 2.5.4 Các quy định đố với nhãn trong hợp ngữ. Bằng cách chọn các tên nhãn có nghĩa là một lập trình viên có thể làm cho chương trình dễ đọc và dễ bảo trì hơn, có một số quy định mà các tên nhãn phải tuân theo. Thứ nhất là mỗi tên nhãn phải thống nhất, các tên được sử dụng làm nhãn trong hợp ngữ gồm các chữ cái viết hoa và viết thường, các số từ 0 đến 9 và các dấu đặc biệt như: dấu hỏi (?), dấu (), dấu gạch dưới (_), dấu đô là ($) và dấu chu kỳ (.). Ký tự đầu tiên của nhãn phải là một chữ cái. Hay nói cách khác là nó không thể là số Hex. Mỗi trình hợp ngữ có một số từ dự trữ là các từ gợi nhớ cho các lệnh mà không được dùng để làm nhãn trong chương trình. Ví dụ như “MOV” và “ADD”. Bên cạnh các từ gợi nhớ còn có một số tự dự trữ khác, hãy kiểm tra bản liệt kê các từ dự phòng của hợp ngữ ta đang sử dụng. 2.6 Các bit cờ và thanh ghi đặc bệt PSW của 8051. Cũng như các bộ vi xử lý khác, 8051 có một thanh ghi cờ để báo các điều kiện số học như bit nhớ. Thanh ghi cờ trong 8051 được gọi là thanh ghi từ trạng thái chương trình PSW. Trong phần này và đưa ra một số ví dụ về cách thay đổi chúng.
2.6.1 Thanh ghi từ trạng thái chương trình PSW. Thanh ghi PSW là thanh ghi 8 bit. Nó cũng còn được coi như là thanh ghi cờ. Mặc dù thanh ghi PSW rộng 8 bit nhưng chỉ có 6 bit được 8051 sử dụng. Hai bit chưa dùng là các cờ ch người dùng định nghĩa. Bốn trong số các cờ được gọi là các cờ có điều kiện, có nghĩa là chúng báo một số điều kiện do kết quả của một lệnh vừa được thực hiện. Bốn cờ này là cờ nhớ CY (carry), cờ AC (auxiliary cary), cờ chẵn lẻ P (parity) và cờ tràn OV (overflow). Như nhìn thấy từ hình 2.4 thì các bit PSW.3 và PSW.4 được gán như RS0 và RS1 và chúng được sử dụng để thay đổi các thanh ghi băng. Chúng sẽ được giải thích ở phần kế sau. Các bit PSW.5 và PSW.1 là các bit cờ trạng thái công dụng chung và lập trình viên có thể sử dụng cho bất kỳ mục đích nào. CY AC F0 RS1 RS0 OV − P CY PSW.7 ; Cờ nhớ AC PSW.6 ; Cờ • PSW.5 ; Dành cho người dùng sử dụng mục đích chung RS1 PSW.4 ; Bit = 1 chọn băng thanh ghi RS0 PSW.3 ; Bit = 0 chọn băng thanh ghi OV PSW.2 ; Cờ bận • PSW.1 ; Bit dành cho người dùng định nghĩa P PSW.0 ; Cờ chẵn, lẻ. Thiết lập/ xoá bằng phần cứng mỗi chu kỳ lệnh báo tổng các số bit 1 trong thanh ghi A là chẵn/ lẻ. RS1 RS0 Băng thanh ghi Địa chỉ 0 0 0 00H - 07H 0 1 1 08H - 0FH 1 0 2 10H - 17H 1 1 3 18H - 1FH Hình 2.4: Các bit của thanh ghi PSW Dưới đây là giải thích ngắn gọn về 4 bit cờ của thanh ghi PSW. 1. Cờ nhớ CY: Cờ này được thiết lập mỗi khi có nhớ từ bit D7. Cờ này được tác động sau lệnh cộng hoặc trừ 8 bit. Nó cũng được thiết lập lên 1 hoặc xoá về 0 trực tiếp bằng lệnh “SETB C” và “CLR C” nghĩa là “thiết lập cờ nhớ” và “xoá cờ nhớ” tương ứng. Về các lệnh đánh địa chỉ theo bit được bàn kỹ ở chương 8. 2. Cờ AC: Cờ này báo có nhớ từ bit D3 sang D4 trong phép cộng ADD hoặc trừ SUB. Cờ này được dùng bởi các lệnh thực thi phép số học mã BCD (xem ở chương 6). 3. Cờ chẵn lẻ P: Cờ chẵn lẻ chỉ phản ánh số bit một trong thanh ghi A là chẵn hay lẻ. Nếu thanh ghi A chứa một số chẵn các bit một thì P = 0. Do vậy, P = 1 nếu A có một số lẻ các bit một. 4. Cờ chàn OV: Cờ này được thiết lập mỗi khi kết quả của một phép tính số có dấu quá lớn tạo ra bit bậc cao làm tràn bit dấu. Nhìn chung cờ nhớ được dùng để phát hiện lỗi trong các phép số học không dấu. Còn cờ tràn được dùng chỉ để phát hiện lỗi trong các phép số học có dấu và được bàn kỹ ở chương 6. 2.6.2 Lệnh ADD và PSW. Bây giờ ta xét tác động của lệnh ADD lên các bit CY, AC và P của thanh ghi PSW. Một số ví dụ sẽ làm rõ trạng thái của chúng, mặc dù các bit cờ bị tác động bởi lệnh ADD là CY, P, AC và OV nhưng ta chỉ tập trung vào các cờ CY, AC và P, còn cờ OV sẽ được nói đến ở chương 6 vì nó liên quan đến phép tính số học số có dấu.
Các ví dụ 2.2 đến 2.4 sẽ phản ánh tác động của lệnh ADD lên các bit nói trên. Bảng 2.1: Các lệnh tác động lên các bit cờ. Ví dụ 2.2: Hãy trình bày trạng thái các bit cờ CY, AC và P sau lệnh cộng 38H với 2FH dưới đây: MOV A, #38H ADD A, #2FH ; Sau khi cộng A = 67H, CY = 0 Lời giải: Instruction CY OV AC ADD X X X 38 00111000 ADDC X X X + 2F 00101111 SUBB X X X 67 01100111 MUL 0 X DIV 0 X Cờ CY = 0 vì không có nhớ từ D7 DA X Cờ AC = 1 vì có nhớ từ D3 sang D4 RRC X Cờ P = 1 vì thanh ghi A có 5 bit 1 (lẻ) RLC X SETB C 1 CLR C 0 Ví dụ 2.3: CPL C X ANL C, bit X Hãy trình bày trạng thái các cờ CY, AC và P ANL C,/ bit X sau phép cộng 9CH với 64H. ORL C, bit X ORL C,/bit X Lời giải: MOV C, bit X 9C 10011100 CJNE X + 64 01100100 100 00000000 Cờ CY = 1 vì có nhớ qua bit D7 Cờ AC = 1 vì có nhớ từ D3 sang D4 Cờ P = 0 vì thanh ghi A không có bit 1 nào (chẵn) Ví dụ 2.4: Hãy trình bày trạng thái các cờ CY, AC và P sau phép cộng 88H với 93H. Lời giải: 88 10001000 + 93 10010011 11B 00011011 Cờ CY = 1 vì có nhớ từ bit D7 Cờ AC = 0 vì không có nhớ từ D3 sang D4 Cờ P = 0 vì số bit 1 trong A là 4 (chẵn)
2.7 Các băng thanh ghi và ngăn xếp của 8051. Bộ vi điều khiển 8051 có tất cả 128 byte RAM. Trong mục này ta bàn vệ phân bố của 128 byte RAM này và khảo sát công dụng của chúng như các thanh ghi và ngăn xếp. 2.7.1 Phân bố không gian bộ nhớ RAM trong 8051. Có 128 byte RAM trong 8051 (một số thành viên đang chú ý là 8052 có 256 byte RAM). 128 byte RAM bên trong 8051 được gán địa chỉ từ 00 đến 7FH. Như ta sẽ thấy ở chương 5, chúng có thể được truy cập trực tiếp như các ngăn nhớ 128 byte RAM này được phân chia thành từng nhóm như sau: 1. Tổng cộng 32 byte từ ngăn nhớ 00 đến 1FH được dành cho các thanh ghi và ngăn xếp. 2. Tổng cộng 16 byte từ ngăn nhớ 20H đến 2FH được dành cho bộ nhớ đọc/ ghi đánh địa chỉ được theo bit. Chương 8 sẽ bàn chi tiết về bộ nhớ và các lệnh đánh địa chỉ được theo bit. 3. Tổng cộng 80 byte từ ngăn nhớ 30H đến 7FH được dùng cho lưu đọc và ghi hay như vẫn thường gọi là bảng nháp (Serach pad). Những ngăn nhớ này (80 byte) của RAM được sử dụng rộng rãi cho mục đích lưu dữ liệu và tham số bởi các lập trình viên 8051. Chúng ta sẽ sử dụng chúng ở các chương sau để lưu dữ liệu nhận vào CPU qua các cổng vào-ra. 2.7.2 Các băng thanh ghi trong 8051. Như đã nói ở trước, tổng cộng 32 byte RAM được dành riêng cho các băng thanh ghi và ngăn xếp. 32 byte này được chia ra thành 4 băng các thanh ghi trong đó mỗi băng có 8 thanh ghi từ R0 đến R7. Các ngăn nhớ RAM số 0, R1 là ngăn nhớ RAM số 1, R2 là ngăn nhớ RAM số 2 v.v Băng thứ hai của các thanh ghi R0 đến R7 bắt đầu từ thanh nhớ RAM số 2 cho đến ngăn nhớ RAM số 0FH. Băng thứ ba bắt đầu từ ngăn nhớ 10H đến 17H và cuối cùng từ ngăn nhớ 18H đến 1FH là dùng cho băng các thanh ghi R0 đến R7 thứ tư. 00 R 07 08 R 0F10 R 1718 R 1F 20 2F 30 7F 0 0 0 0 RAM đánh địa RAM băng nhớ - - - - chỉ theo bit (Seratch Pad) R R R R 7 7 7 7 Băng0 Băng3 Hình 2.5: Ngăn xếp các thanh nhớ RAM trong 8051. Bank 0 Bank 1 Bank 2 Bank 3 7 R7 F R7 17 R7 1F R7 6 R6 E R6 16 R6 1E R6 5 R5 D R5 15 R5 1D R5 4 R4 C R4 14 R4 1C R4 3 R3 B R3 13 R3 1B R3 2 R2 A R2 12 R2 1A R2 1 R1 9 R1 11 R1 19 R1 0 R0 8 R0 10 R0 18 R0
Hình 2.6: Các băng thanh ghi của 8051 và địa chỉ của chúng. Như ta có thể nhìn thấy từ hình 2.5 băng 1 sử dụng cùng không gian RAM như ngăn xếp. Đây là một vấn đề chính trong lập trình 8051. Chúng ta phải hoặc là không sử dụng băng 1 hoặc là phải đánh một không gian khác của RAM cho ngăn xếp. Ví dụ 2.5: Hãy phát biểu các nội dung của các ngăn nhớ RAM sau đoạn chương trình sau: MOV R0, #99H ; Nạp R0 giá trị 99H MOV R1, #85H ; Nạp R1 giá trị 85H MOV R2, #3FH ; Nạp R2 giá trị 3FH MOV R7, #63H ; Nạp R7giá trị 63H MOV R5, #12H ; Nạp R5 giá trị12H Lời giải: Sau khi thực hiện chương trình trên ta có: Ngăn nhớ 0 của RAM có giá trị 99H Ngăn nhớ 1 của RAM có giá trị 85H Ngăn nhớ 2 của RAM có giá trị 3FH Ngăn nhớ 7 của RAM có giá trị 63H Ngăn nhớ 5 của RAM có giá trị 12H 2.6.3 Băng thanh ghi mặc định. Nếu các ngăn nhớ 00 đến 1F được dành riêng cho bốn băng thanh ghi, vậy băng thanh ghi R0 đến R7 nào ta phải truy cập tới khi 8051 được cấp nguồn? Câu trả lời là các băng thanh ghi 0. Đó là các ngăn nhớ RAM số 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 và 7 được truy cập với tên R0, R1, R2, R3, R4, R5, R6 và R7 khi lập trình 8051. Nó dễ dàng hơn nhiều khi tham chiếu các ngăn nhớ RAM này ơví các tên R0, R1 v.v hơn là số vị trí của các ngăn nhớ. Ví dụ 2.6 làm rõ khái niệm này. Ví dụ 2.6: Hãy viết lại chương trình ở ví dụ 2.5 sử dụng các địa chỉ RAM thay tên các thanh ghi. Lời giải: Đây được gọi là chế độ đánh địa chỉ trực tiếp và sử dụng địa chỉ các vị trí ngăn nhớ RAM đối với địa chỉ đích. Xem chi tiết ở chương 5 về chế độ đánh địa chỉ. MOV 00, #99H ; Nạp thanh ghi R0 giá trị 99H MOV 01, #85H ; Nạp thanh ghi R1 giá trị 85H MOV 02, #3FH ; Nạp thanh ghi R2 giá trị 3FH MOV 07, #63H ; Nạp thanh ghi R7giá trị 63H MOV 05, #12H ; Nạp thanh ghi R5 giá trị12H
2.6.4 Chuyển mạch các băng thanh ghi như thế nào? Như đã nói ở trên, băng thanh ghi 0 là mặc định khi 8051 được cấp nguồn. Chúng ta có thể chuyển mạch sang các băng thanh ghi khác bằng cách sử dụng bit D3 và D4 của thanh ghi PSW như chỉ ra theo bảng 2.2. Bảng 2.2: Bit lựa chọn các băng thanh ghi RS0 và RS1. RS1 (PSW.4) RS0 (PSW.3) Băng 0 0 0 Băng 1 0 1 Băng 2 1 0 Băng 3 1 1 Bit D3 và D4 của thanh ghi PSW thường được tham chiếu như là PSW.3 và PSW.4 vì chúng có thể được truy cập bằng các lệnh đánh địa chỉ theo bit như SETB và CLR. Ví dụ “SETB PSW.3” sẽ thiết lập PSW.3 và chọn băng thanh ghi 1. Xem ví dụ 2.7 dưới đây. Ví dụ 2.7: Hãy phát biểu nội dung các ngăn nhớ RAM sau đoạn chương trình dưới đây: SETB PSW.4 ; Chọn băng thanh ghi 4 MOV R0, #99H ; Nạp thanh ghi R0 giá trị 99H MOV R1, #85H ; Nạp thanh ghi R1 giá trị 85H MOV R2, #3FH ; Nạp thanh ghi R2 giá trị 3FH MOV R7, #63H ; Nạp thanh ghi R7giá trị 63H MOV R5, #12H ; Nạp thanh ghi R5 giá trị12H Lời giải: Theo mặc định PSW.3 = 0 và PSW.4 = 0. Do vậy, lệnh “SETB PSW.4” sẽ bật bit RS1 = 1 và RS0 = 0, bằng lệnh như vậy băng thanh ghi R0 đến R7 số 2 được chọn. Băng 2 sử dụng các ngăn nhớ từ 10H đến 17H. Nên sau khi thực hiện đoạn chương trình trên ta có nội dung các ngăn nhớ như sau: Ngăn nhớ vị trí 10H có giá trị 99H Ngăn nhớ vị trí 11H có giá trị 85H Ngăn nhớ vị trí 12H có giá trị 3FH Ngăn nhớ vị trí 17H có giá trị 63H Ngăn nhớ vị trí 15H có giá trị 12H 2.6.5 Ngăn xếp trong 8051. Ngăn xếp là một vùng bộ nhớ RAM được CPU sử dụng để lưu thông tin tạm thời. Thông tin này có thể là dự liệu, có thể là địa cỉ CPU cần không gian lưu trữ này vì số các thanh ghi bị hạn chế. 2.6.6 Cách truy cập các ngăn xếp trong 8051. Nếu ngăn xếp là một vùng của bộ nhớ RAM thì phải có các thanh ghi trong CPU chỉ đến nó. Thanh được dùng để chỉ đến ngăn xếp được gọi là thanh ghi con trỏ ngăn xếp SP (Stack Pointer). Con trỏ ngăn xếp trong 8051 chỉ rộng 8 bit có nghĩa là nó chỉ có thể có thể được các địa chỉ từ 00 đến FFH. Khi 8051 được cấp nguồn thì SP chứa giá trị 07 có nghĩa là ngăn nhớ 08 của RAM là ngăn nhớ đầu tiên được dùng cho ngăn xếp trong 8051. Việc lưu lại một thanh ghi
PCU trong ngăn xếp được gọi là một lần cất vào PUSH và việc nạp nội dung của ngăn xếp trở lại thanh ghi CPU được gọi là lấy ra POP. Hay nói cách khác là một thanh ghi được cất vào ngăn xếp để lưu cất và được lấy ra từ ngăn xếp để dùng tiếp công việc của SP là rất nghiêm ngặt mỗi khi thao tác cất vào (PUSH) và lấy ra (POP) được thực thi. Để biết ngăn xếp làm việc như thế nào hãy xét các lệnh PUSH và POP dưới đây. 2.6.7 Cất thanh ghi vào ngăn xếp. Trong 8051 thì con trỏ ngăn xếp chỉ đến ngăn nhớ sử dụng cuối cùng của ngăn xếp. Khi ta cất dữ liệu vào ngăn xếp thì con trỏ ngăn xếp SP được tăng lên 1. Lưu ý rằng điều này đối với các bộ vi xử lý khác nhau là khác nhau, đáng chú ý là các bộ vi xử lý ´ 86 là SP giảm xuống khi cất dữ liệu vào ngăn xếp. Xét ví dụ 2.8 dưới đây, ta thấy rằng mỗi khi lệnh PUSH được thực hiện thì nội dung của thanh ghi được cất vào ngăn xếp và SP được tăng lên 1. Lưu ý là đối với mỗi byte của dữ liệu được cất vào ngăn xếp thì SP được tăng lên 1 lần. Cũng lưu ý rằng để cất các thanh ghi vào ngăn xếp ta phải sử dụng địa chỉ RAM của chúng. Ví dụ lệnh “PUSH 1” là cất thanh ghi R1 vào ngăn xếp. Ví dụ 2.8: Hãy biểu diễn ngăn xếp và con trỏ ngăn xếp đối với đoạn chương trình sau đây. Giả thiết vùng ngăn xếp là mặc định. MOV R6, #25H MOV R1, #12H MOV R4, #0F3H PUSH 6 PUSH 1 PUSH 4 Lời giải: Sau PUSH 6 Sau PUSP 1 Sau PUSH 4 0B 0B 0B 0B 0A 0A 0A 0A F3 09 09 09 12 09 12 08 08 25 08 25 08 25 Bắt đầu SP = 07 SP = 08 SP = 09 SP = 0A 2.6.8 Lấy nôi dung thanh ghi ra từ ngăn xếp. Việc lấy nội dung ra từ ngăn xếp trở lai thanh ghi đã cho là qúa trình ngược với các nội dung thanh ghi vào ngăn xếp. Với mỗi lần lấy ra thì byte trên đỉnh ngăn xếp được sao chép vào thanh ghi được xác định bởi lệnh và con trỏ ngăn xếp được giảm xuống 1. Ví dụ 2.9 minh hoạ lệnh lấy nội dung ra khỏi ngăn xếp. Ví dụ 2.9: Khảo sát ngăn xếp và hãy trình bày nội dung của các thanh ghi và SP sau khi thực hiện đoạn chương trình sau đây: POP 3 ; Lấy ngăn xếp trở lại R3 POP 5 ; Lấy ngăn xếp trở lại R5
POP 2 ; Lấy ngăn xếp trở lại R2 Lời giải: Sau POP3 Sau POP 5 Sau POP 2 0B 54 0B 0B 0B 0A F9 0A F9 0A 0A 09 76 09 76 09 76 09 08 6C 08 6C 08 6C 08 6C Bắt đầu SP = 0B SP = 0A SP = 09 SP = 08 2.6.9 Giới hạn trên của ngăn xếp. Như đã nói ở trên, các ngăn nhớ 08 đến 1FH của RAM trong 8051 có thể được dùng làm ngăn nhớ 20H đến 2FH của RAM được dự phòng cho bộ nhớ đánh địa chỉ được theo bit và không thể dùng trước cho ngăn xếp. Nếu trong một chương trình đã cho ta cần ngăn xếp nhiều hơn 24 byte (08 đến 1FH = 24 byte) thì ta có thể đổi SP chỉ đến các ngăn nhớ 30 đến 7FH. Điều này được thực hiển bởi lẹnh “MOV SP, #XX”. 2.6.10 Lệnh gọi CALL và ngăn xếp. Ngoài việc sử dụng ngăn xếp để lưu cất các thanh ghi thì CPU cũng sử dụng ngăn xếp để lưu cất tam thời địa chỉ của lệnh đứng ngay dưới lệnh CALL. Điều này chính là để PCU biết chỗ nào để quay trở về thực hiện tiếp các lệnh sau khi chọn chương trình con. Chi tiết về lệnh gọi CALL được trình bỳ ở chương 3. 2.6.11 Xung đột ngăn xếp và băng thanh ghi số 1. Như ta đa nói ở trên thì thanh ghi con trỏ ngăn xếp có thể chỉ đến vị trí RAM hiện thời dành cho ngăn xếp. Khi dữ liệu được lưu cất cào ngăn xếp thì SP được tăng lên và ngược lại khi dữ liệu được lấy ra từ ngăn xếp thì SP giảm xuống. Lý do là PS được tăng lên sau khi PUSH là phải biết lấy chắc chắn rằng ngăn xếp đang tăng lên đến vị trí ngăn nhớ 7FH của RAM từ địa chỉ thấp nhất đến địa chỉ cao nhất. Nếu con trỏ ngăn xếp đã được giảm sau các lệnh PUSH thì ta nên sử dụng các ngăn nhớ 7, 6, 5 v.v của RAM thuộc các thanh ghi R7 đến R0 của băng 0, băng thanh ghi mặc định. Việc tăng này của con trỏ ngăn xếp đối với các lệnh PUSH cũng đảm bảo rằng ngăn xếp sẽ không với tới ngăn nhớ 0 của RAM (đáy của RAM) và do vậy sẽ nhảy ra khỏi không gian dành cho ngăn xếp. Tuy nhiên có vấn đề nảy sinh với thiết lập mặc định của ngăn xếp. Ví dụ SP = 07 khi 8051 được bật nguồn nên RAM và cũng thuộc về thanh ghi R0 củ băng thanh ghi số 1. Hay nói cách khác băng thanh ghi số 1 và ngăn xếp đang dùng chung một không gian của bộ nhớ RAM. Nếu chương trình đã cho cần sử dụng các băng thanh ghi số 1 và số 2 ta có thể đặt lại vùng nhớ RAM cho ngăn xếp. Ví dụ, ta có thể cấp vị trí ngăn nhớ 60H của RAM và cao hơn cho ngăn xếp trong ví dụ 2.10. Ví dụ 2.10: Biểu diễn ngăn xếp và con trỏ ngăn xếp đối với các lệnh sau: MOV SP, #5FH ; Đặt ngăn nhớ từ 60H của RAM cho ngăn xếp MOV R2, #25H MOV R1, #12H MOV R4, #0F3H PUSH 2
PUSH 1 PUSH 4 Lời giải: Sau PUSH 2 Sau PUSP 3 Sau PUSH 4 63 63 63 63 62 62 62 62 F3 61 61 61 12 61 12 60 60 25 60 25 60 25 Bắt đầuSP=5F SP = 60 SP = 61 SP = 62
chương 3 Các lệnh nhảy, vòng lặp và lệnh gọi Trong một chuỗi lệnh cần thực hiện thường có nhu cần cần chuyển điều khiển chương trình đến một vị trí khác. Có nhiều lệnh để thực hiện điều này trong 8051, ở chương này ta sẽ tìm hiểu các lệnh chuyển điều khiển có trong hợp ngữ của 8051 như các lệnh sử dụng cho vòng lặp, các lệnh nhảy có và không có điều khiển, lệnh gọi và cuối cùng là mô tả về một chương trình con giữ chậm thời gian. 3.1 Vòng lặp và các lệnh nhảy. 3.1.1 Tạo vòng lặp trong 8051. Qúa trình lặp lại một chuỗi các lệnh với một số lần nhất định được gọi là vòng lặp. Vòng lặp là một trong những hoạt động được sử dụng rộng rãi nhất mà bất kỳ bộ vi sử lý nào đều thực hiện. Trong 8051 thì hoạt động vòng lặp được thực hiện bởi lệnh “DJNZ thanh ghi, nhãn”. Trong lệnh này thanh ghi được giảm xuống, nếu nó không bằng không thì nó nhảy đến địa chỉ đích được tham chiếu bởi nhãn. Trước khi bắt đầu vòng lặp thì thanh ghi được nạp với bộ đếm cho số lần lặp lại. Lưu ý rằng, trong lệnh này việc giảm thanh ghi và quyết định để nhảy được kết hợp vào trong một lệnh đơn. Ví dụ 3.1: Viết một chương trình để: a) xoá ACC và sau đó b) cộng 3 vào ACC 10 lần. Lời giải: MOV A, #0 ; Xoá ACC, A = 0 MOV R2, #10 ; Nạp bộ đếm R2 = 10 BACK: ADD A, #10 ; Cộng 03 vào ACC DJNZ R2, AGAIN ; Lặp lại cho đến khi R2 = 0 (10 lần) MOV R5, A ; Cắt A vào thanh ghi R5 Trong chương trình trên đây thanh ghi R2 được sử dụng như là bộ đếm. Bộ đếm lúc đầu được đặt bằng 10. Mỗi lần lặp lại lệnh DJNZ giảm R2 không bằng 0 thì nó nhảy đến địa chỉ đích gắn với nhãn “AGAIN”. Hoạt động lặp lại này tiếp tục cho đến khi R2 trở về không. Sau khi R2 = 0 nó thoát khỏi vòng lặp và thực hiện đứng ngay dưới nó trong trường hợp này là lệnh “MOV R5, A”. Lưu ý rằng trong lệnh DJNZ thì các thanh ghi có thể là bất kỳ thanh ghi nào trong các thanh ghi R0 - R7. Bộ đếm cũng có thể là một ngăn nhớ trong RAM như ta sẽ thấy ở chương 5. Ví dụ 3.2: Số lần cực đại mà vòng lặp ở ví dụ 3.1 có thể lặp lại là bao nhiêu? Lời giải: Vì thanh ghi R2 chứa số đếm và nó là thanh ghi 8 bit nên nó có thể chứa được giá trị cực đại là FFH hay 155. Do vậy số lần lặp lại cực đại mà vòng lặp ở ví dụ 3.1 có thể thực hiện là 256. 3.2.1 Vòng lặp bền trong một vòng lặp. Như trình bày ở ví dụ 3.2 số đếm cực đại là 256. Vậy điều gì xảy ra nếu ta muốn lặp một hành động nhiều hơn 256 lần? Để làm điều đó thì ta sử dụng một vòng lặp bên trong một vòng lặp được gọi là vòng lặp lồng (Nested Loop). Trong một vòng lặp lồng ta sử dụng 2 thanh ghi để giữ số đếm. Xét ví dụ 3.3 dưới đây.
Ví dụ 3.3: Hãy viết một chương trình a) nạp thanh ghi ACC với giá trị 55H và b) bù ACC 700 lần. Lời giải: Vì 700 lớn hơn 256 (là số cực đại mà một thanh ghi vó thể chứa được) nên ta phải dùng hai thanh ghi để chứa số đếm. Đoạn mã dưới đây trình bày cách sử dụng hai thanh ghi R2 và R3 để chứa số đếm. MOV A, #55H ; Nạp A = 55H MOV R3, #10 ; Nạp R3 = 10 số đếm vòng lặp ngoài NEXT: MOV R2, #70 ; Nạp R2 = 70 số đếm vòng lặp trong AGAIN: ` CPL A ; Bù thanh ghi A DJNZ R2, AGAIN ; Lặp lại 70 lần (vòng lặp trong) DJNZ R3, NEXT Trong chương trình này thanh ghi R2 được dùng để chứa số đếm vòng lặp trong. Trong lệnh “DJNZ R2, AGAIN” thì mỗi khi R2 = 0 nó đi thẳng xuống và lệnh “JNZ R3, NEXT” được thực hiện. Lệnh này ép CPU nạp R2 với số đếm 70 và vòng lặp trong khi bắt đầu lại quá trình này tiếp tục cho đến khi R3 trở về không và vòng lặp ngoài kết thúc. 3.1.3 Các lệnh nhảy có điều kiện. Các lệnh nhảy có điều kiện đối với 8051 được tổng hợp trong bảng 3.1. Các chi tiết về mỗi lệnh được cho trong phụ lục AppendixA. Trong bảng 3.1 lưu ý rằng một số lệnh như JZ (nhảy nếu A = 0) và JC (nhảy nếu có nhớ) chỉ nhảy nếu một điều kiện nhất định được thoả mãn. Kế tiếp ta xét một số lệnh nhảy có điều kiện với các Ví dụ minh hoạ sau. a- Lệnh JZ (nhảy nếu A = 0). Trong lệnh này nội dung của thanh ghi A được kiểm tra. Nếu nó bằng không thì nó nhảy đến địa chỉ đích. Ví dụ xét đoạn mã sau: MOV A, R0 ; Nạp giá trị của R0 vào A JZ OVER ; Nhảy đến OVER nếu A = 0 MOV A, R1 ; Nạp giá trị của R1 vào A JZ OVER ; Nhảy đến OVER nếu A = 0 OVER Trong chương trình này nếu R0 hoặc R1 có giá trị bằng 0 thì nó nhảy đến địa chỉ có nhãn OVER. Lưu ý rằng lệnh JZ chỉ có thể được sử dụng đối với thanh ghi A. Nó chỉ có thể kiểm tra xem thanh ghi A có bằng không không và nó không áp dụng cho bất kỳ thanh ghi nào khác. Quan trọng hơn là ta không phải thực hiện một lệnh số học nào như đếm giảm để sử dụng lệnh JNZ như ở ví dụ 3.4 dưới đây. Ví dụ 3.4: Viết một chương trình để xác định xem R5 có chứa giá trị 0 không? Nếu nạp thì nó cho giá trị 55H. Lời giải: MOV A, R5 ; Sao nội dung R5 vào A JNZ NEXT ; Nhảy đến NEXT nếu A không bằng 0 MOV R5, #55H ;
NEXT: b- Lệnh JNC (nhảy nếu không có nhớ, cờ CY = 0). Trong lệnh này thì bit cờ nhớ trong thanh ghi cờ PSW được dùng để thực hiện quyết định nhảy. Khi thực hiện lệnh “JNC nhãn” thì bộ xử lý kiểm tra cờ nhớ xem nó có được bật không (CY = 1). Nếu nó không bật thì CPU bắt đầu nạp và thực hiện các lệnh từ địa chỉ của nhãn. Nếu cờ CY = 1 thì nó sẽ không nhảy và thực hiện lệnh kế tiếp dưới JNC. Cần phải lưu ý rằng cũng có lệnh “JC nhãn”. Trong lệnh JC thì nếu CY = 1 nó nhảy đến địa chỉ đích là nhãn. Ta sẽ xét các ví dụ về các lệnh này trong các ứng dụng ở các chương sau. Ngoài ra còn có lệnh JB (nhảy nếu bit có mức cao) và JNB (nhảy nếu bit có mức thấp). Các lệnh này được trình bày ở chương 4 và 8 khi nói về thao tác bit. Bảng 3.1: Các lệnh nhảy có điều kiện. Lệnh Hoạt động JZ Nhảy nếu A = 0 JNZ Nhảy nếu A 0 DJNZ Giảm và nhảy nếu A = 0 CJNE A, byte Nhảy nếu A byte CJNE re, # data Nhảy nếu Byte data JC Nhảy nếu CY = 1 JNC Nhảy nếu CY = 0 JB Nhảy nếu bit = 1 JNB Nhảy nếu bit = 0 JBC Nhảy nếu bit = 1 và xoá nó Ví dụ 3.5: Hãy tìm tổng của các giá trị 79H, F5H và E2H. Đặt vào trong các thanh ghi R0 (byte thấp) và R5 (byte cao). Lời giải: MOV A, #0 ; Xoá thanh ghi A = 0 MOV R5, A ; Xoá R5 ADD A #79H ; Cộng 79H vào A (A = 0 + 79H = 79H) JNC N-1 ; Nếu không có nhớ cộng kế tiếp INC R5 ; Nếu CY = 1, tăng R5 N-1: ADD A, #0F5H ; Cộng F5H vào A (A = 79H + F5H = 6EH) và CY = 1 JNC N-2 ; Nhảy nếu CY = 0 INC R5 ; Nếu CY = 1 tăng R5 (R5 = 1) N-2: ADD A, #0E2H ; Cộng E2H vào A (A = GE + E2 = 50) và CY = 1 JNC OVER ; Nhảy nếu CY = 0 INC R5 ; Nếu CY = 1 tăng R5 OVER: MOV R0, A ; Bây giờ R0 = 50H và R5 = 02 c- Tất cả các lệnh nhảy có điều kiện đều là những phép nhảy ngắn.
Cần phải lưu ý rằng tất cả các lệnh nhảy có điều kiện đều là các phép nhảy ngắn, có nghĩa là địa chỉ của đích đều phải nằm trong khoảng -127 đến +127 byte của nội dung bộ đếm chương trình PC. 3.1.4 Các lệnh nhảy không điều kiện. Lệnh nhảy không điều kiện là một phép nhảy trong đó điều khiển được truyền không điều kiện đến địa chỉ đích. Trong 8051 có hai lệnh nhảy không điều kiện đó là: LJMP - nhảy xa và SJMP - nhảy gần. a- Nhảy xa LJMP: Nhảy xa LJMP là một lệnh 3 byte trong đó byte đầu tiên là mã lệnh còn hai byte còn lại là địa chỉ 16 bit của đích. Địa chỉ đích 02 byte có phép một phép nhảy đến bất kỳ vị trí nhớ nào trong khoảng 0000 - FFFFH. Hãy nhớ rằng, mặc dù bộ đếm chương trình trong 8051 là 16 bit, do vậy cho không gian địa chỉ là 64k byte, nhưng bộ nhớ chương trình ROM trên chíp lớn như vậy. 8051 đầu tiên chỉ có 4k byte ROM trên chíp cho không gian chương trình, do vậy mỗi byte đều rất quý giá. Vì lý do đó mà có cả lệnh nhảy gần SJMP chỉ có 2 byte so với lệnh nhảy xa LZ0MP dài 3 byte. Điều này có thể tiết kiệm được một số byte bộ nhớ trong rất nhiều ứng dụng mà không gian bộ nhớ có hạn hẹp. b- Lệnh nhảy gồm SJMP. Trong 2 byte này thì byte đầu tiên là mã lệnh và byte thứ hai là chỉ tương đối của địa chỉ đích. Đích chỉ tương đối trong phạm vi 00 - FFH được chia thành các lệnh nhảy tới và nhảy lùi: Nghĩa là -128 đến +127 byte của bộ nhớ tương đối so với địa chỉ hiện thời của bộ đếm chương trình. Nếu là lệnh nhảy tới thì địa chỉ đích có thể nằm trong khoảng 127 byte từ giá trị hiện thời của bộ đếm chương trình. Nếu địa chỉ đích ở phía sau thì nó có thể nằm trong khoảng -128 byte từ giá trị hiện hành của PC. 3.1.5 Tính toán địa chỉ lệnh nhảy gần. Ngoài lệnh nhảy gần SJMP thì tất cả mọi lệnh nhảy có điều kiện như JNC, JZ và DJNZ đều là các lệnh nhảy gần bởi một thực tế là chúng đều lệnh 2 byte. Trong những lệnh này thì byte thứ nhất đều là mã lệnh, còn byte thứ hai là địa chỉ tương đối. Địa chỉ đích là tương đối so với giá trị của bộ đếm chương trình. Để tính toán địa chỉ đích byte thứ hai được cộng vào thanh ghi PC của lệnh đứng ngay sau lệnh nhảy. Để hiểu điều này hãy xét ví dụ 3.6 dưới đây. Ví dụ 3.6: Sử dụng tệp tin liệt kê dưới đây hãy kiểm tra việc tín toán địa chỉ nhảy về trước. 01 0000 ORG 0000 02 0000 7800 MOV R0, #0 03 0002 7455 MOV A, #55H 04 0004 6003 JZ NEXT 05 0006 08 NIC R0 06 0007 04 AGAIN: INC A 07 0008 04 INC A 08 0009 2477 NEXT: ADD A, #77h 09 000B 5005 JNC OVER 10 000D E4 CLR A 11 000E F8 MOV R0, A 12 000F F9 MOV R1, A
13 0010 FA MOV R2, A 14 0011 FB MOV R3, A 15 0012 2B OVER: ADD A, R3 16 0013 50F2 JNC AGAIN 17 0015 80FE HERE: SJMP SHERE 18 0017 END Lời giải: Trước hết lưu ý rằng các lệnh JZ và JNC đều là lệnh nhảy về trước. Địa chỉ đích đối với lệnh nhảy về trước được tính toán bằng cách cộng giá trị PC của lệnh đi ngay sau đó vào byte thứ hai của lệnh nhảy gần được gọi là địa chỉ tương đối. ở dòng 04 lệnh “JZ NEXT” có mã lệnh 60 và toán hạng 03 tại địa chỉ 0004 và 0005. ở đây 03 là địa chỉ tương đối, tương đối so với địa chỉ của lệnh kế tiếp là: “INC R0” và đó là 0006. Bằng việc cộng 0006 vào 3 thì địa chỉ đích của nhãn NEXT là 0009 được tạo ra. Bằng cách tương tự như vậy đối với dòng 9 thì lệnh “JNC OVER” có mã lệnh và toán hạng là 50 và 05 trong đó 50 là mã lệnh và 05 là địa chỉ tương đối. Do vậy, 05 được cộng vào OD là địa chỉ của lệnh “CLA A” đứng ngay sau lệnh “JNC OVER” và cho giá trị 12H chính là địa chỉ của nhãn OVER. Ví dụ 3.7: Hãy kiểm tra tính toán địa chỉ của các lệnh nhảy lùi trong ví dụ 3.6. Lời giải: Trong danh sách liệt kê chương trình đó thì lệnh “JNC AGAIN” có mã lệnh là 50 và địa chỉ tương đối là F2H. Khi địa chỉ tương đối của F2H được cộng vào 15H là địa chỉ của lệnh đứng dưới lệnh nhảy ta có 15H + F2H = 07 (và phần nhớ được bỏ đi). Để ý rằng 07 là địa chỉ nhãn AGAIN. Và hãy cũng xét lệnh “SJMP HERE” có mã lệnh 80 và địa chỉ tương đối FE giá trị PC của lệnh kế tiếp là 0017H được cộng vào địa chỉ tương đối FEH ta nhận được 0015H chính là địa chỉ nhãn HERE (17H + FEH = 15H) phần nhớ được bỏ đi). Lưu ý rằng FEH là -2 và 17h + (-2) = 15H. Về phép cộng số âm sẽ được bàn ở chương 6. 3.1.6 Tính toán địa chỉ đích nhảy lùi. Trong khi ở trường hợp nhảy tới thì giá trị thay thế là một số dương trong khoảng từ 0 đến 127 (00 đến 7F ở dạng Hex) thì đối với lệnh nhảy lùi giá trị thay thế là một số âm nằm trong khoảng từ 0 đến -128 như được giải thích ở ví dụ 3.7. Cần phải nhấn mạnh rằng, bất luận SJMP nhảy tới hay nhảy lùi thì đối với một lệnh nhảy bất kỳ địa chỉ của địa chỉ đích không bao giờ có thể lớn hơn 0 -128 đến +127 byte so với địa chỉ gắn liền với lệnh đứng ngay sau lệnh SJMP. Nếu có một sự nỗ lực nào vi phạm luật này thì hợp ngữ sẽ tạo ra một lỗi báo rằng lệnh nhảy ngoài phạm vi. 3.2 Các lệnh gọi CALL. Một lệnh chuyển điều khiển khác là lệnh CALL được dùng để gọi một chương trình con. Các chương trình con thường được sử dụng để thực thi các công việc cần phải được thực hiện thường xuyên. Điều này làm cho chương trình trở nên có cấu trúc hơn ngoài việc tiết kiệm được thêm không gian bộ nhớ. Trong 8051 có 2 lệnh để gọi đó là: Gọi xa CALL và gọi tuyệt đối ACALL mà quyết định sử dụng lệnh nào đó phụ thuộc vào địa chỉ đích. 3.2.1 Lệnh gọi xa LCALL.
Trong lệnh 3 byte này thì byte đầu tiên là mã lệnh, còn hai byte sau được dùng cho địa chỉ của chương trình con đích. Do vậy LCALL có thể được dùng để gọi các chương trình con ở bất kỳ vị trí nào trong phạm vi 64k byte, không gian địa chỉ của 8051. Để đảm bảo rằng sau khi thực hiện một chương trình được gọi để 8051 biết được chỗ quay trở về thì nó tự động cất vào ngăn xếp địa chỉ của lệnh đứng ngay sau lệnh gọi LCALL. Khi một chương trình con được gọi, điều khiển được chuyển đến chương trình con đó và bộ xử lý cất bộ đếm chương trình PC vào ngăn xếp và bắt đầu nạp lệnh vào vị trí mới. Sau khi kết thúc thực hiện chương trình con thì lệnh trở về RET chuyển điều khiển về cho nguồn gọi. Mỗi chương trình con cần lệnh RET như là lệnh cuối cùng (xem ví dụ 3.8). Các điểm sau đây cần phải được lưu ý từ ví dụ 3.8. 1. Lưu ý đến chương trình con DELAY khi thực hiện lệnh “LCALL DELAY” đầu tiên thì địa chỉ của lệnh ngay kế nó là “MOV A, #0AAH” được đẩy vào ngăn xếp và 8051 bắt đầu thực hiện các lệnh ở địa chỉ 300H. 2. Trong chương trình con DELAY, lúc đầu bộ đếm R5 được đặt về giá trị 255 (R5 = FFH). Do vậy, vòng lặp được lặp lại 256 lần. Khi R5 trở về 0 điều khiển rơi xuống lệnh quay trở về RET mà nó kéo địa chỉ từ ngăn xếp vào bộ đếm chương trình và tiếp tục thực hiện lệnh sau lệnh gọi CALL. Ví dụ 3.8: Hãy viết một chương trình để chốt tất cả các bit của cổng P1 bằng cách gửi đến nó giá trị 55H và AAH liên tục. Hãy đặt một độ trễ thời gian giữa mỗi lần xuất dữ liệu tới cổng P1. Chương trình này sẽ được sử dụng để kiểm tra các cổng của 8051 trong chương tiếp theo. Lời giải: ORG 0000 BACK: MOV A, #55H ; Nạp A với giá trị 55H MOV P1, A ; Gửi 55H đến cổng P1 LCALL DELAY ; Tạo trễ thời gian MOV A, #0AAH ; Nạp A với giá trị AAH MOV P1, A ; Gửi AAH đến cổng P1 LCALL DELAY ; Giữ chậm SJMP BACK ; Lặp lại vô tận ; - Đây là chương trình con tạo độ trễ thời gian ORG 300H ; Đặt chương trình con trễ thời gian ở địa chỉ 300H DELAY: MOV R5, #00H ; Nạp bộ đếm R5 = 255H (hay FFH) AGAIN: DJNZ R5, AGAIN ; Tiếp tục cho đến khi R5 về không RET ; Trả điều khiển về nguồn gọi (khi R5 = 0) END ; Kêt thúc tệp tin của hợp ngữ Lượng thời gian trễ trong ví dụ 8.3 phục thuộc vào tần số của 8051. Cách tính chính xác thời gian sẽ được giải thích ở chương 4. Tuy nhiên ta có thể tăng thời gian độ trễ bằng cách sử dụng vòng lặp lồng như chỉ ra dưới đây. DELAY: ; Vòng lặp lồng giữ chậm MOV R4, #255 ; Nạp R4 = 255 (FFH dạng hex) NEXT: MOV R5, #255 ; Nạp R5 = 255 (FFH dạng hex) AGAIN: DJNZ R5, AGAIN ; Lặp lại cho đến khi RT = 0 DJNZ R4, NEXT ; Giảm R4 ;Tiếp tục nạp R5 cho đến khi R4 = 0
RET ; Trở về (khi R4 = 0) 3.2.2 Lệnh gọi CALL và vai trò của ngăn xếp. Ngăn xếp và con trỏ ngăn xếp ta sẽ nghiên cứu ở chương cuối. Để hiểu được tầm quan trọng của ngăn xếp trong các bộ vi điều khiển bây giờ khảo sát nội dung của ngăn xếp và con trỏ ngăn xếp đối với ví dụ 8.3. Điều này được trình bày ở ví dụ 3.9 dưới đây. Ví dụ 3.9: Hãy phân tích nội dung của ngăn xếp sau khi thực hiện lệnh LCALL đầu tiên dưới đây. 001 0000 OR6 002 0000 7455 BACK: M O V A, #55H ; Nạp A với giá trị 55H 003 0002 F590 MOV P1, A ; Gửi 55H tới cổng P1 004 0004 120300 LCALL D E LAY ; Tạo trễ thời gian 005 0007 74AA MOV A, #0AAH ; Nạp A với giá trị AAH 006 0009 F590 MOV P1, A ; Gửi AAH tới cổng P1 007 000B 120300 LCALL D E LAY ; Tạo trễ thời gian 008 000E 80F0 SJMP BACK ; Tiếp tục thực hiện 009 0010 010 0010 ; Đây là chương trình con giữ chậm 011 0300 MOV 300H 012 0300 DELAY: 013 0300 7DFF MOV R5, #FFH ; Nạp R5 = 255 014 0302 DDFE AGAIN:DJNZ R5, AGAIN ; Dừng ở đây 015 0304 22 RET ; Trở về nguồn gọi 016 0305 END ; Kết thúc nạp tin hợp ngữ Lời giải: Khi lệnh LCALL đầu tiên được thực hiện thì địa chỉ của lệnh “MOV A, #0AAH” được cất vào ngăn xếp. Lưu ý rằng byte thấp vào trước và byte cao vào sau. Lệnh cuối cùng của chương trình con được gọi phải là lệnh trở về RET để chuyển CPU kéo (POP) các byte trên đỉnh của ngăn xếp vào bộ đếm chương trình PC và tiếp tục thực hiện lệnh tại địa chỉ 07. Sơ đồ bên chỉ ra khung của ngăn xếp sau lần gọi LCALL đầu tiên. 0A 09 00 08 07 SP = 09 3.2.3 Sử dụng lệnh PUSH và POP trong các chương trình con. Khi gọi một chương trình con thì ngăn xếp phải bám được vị trí mà CPU cần trở về. Sau khi kết thúc chương trình con vì lý do này chúng ta phải cẩn thận mỗi khi thao tác với các nội dung của ngăn xếp. Nguyên tắc là số lần đẩy vào (PUSH) và kéo ra (POP) luôn phải phù hợp trong bất kỳ chương trình con được gọi vào. Hay nói cách khác đối với mỗi lệnh PUSH thì phải có một lệnh POP. Xem ví dụ 3.10. 3.2.4 Gọi các chương trình con.
Trong lập trình hợp ngữ thường có một chương trình chính và rất nhiều chương trình con mà chúng được gọi từ chương trình chính. Điều này cho phép ta tạo mới chương trình con trong một mô-đun riêng biệt. Mỗi mô-đun có thể được kiểm tra tách biệt và sau đó được kết hợp với nhau cùng với chương trình chính. Quan trọng hơn là trong một chương trình lớn thì các mô-đun có thể được phân cho các lập trình viên khác nhau nhằm rút ngắn thời gian phát triển. Ví dụ 3.10: Phân tích ngăn xếp đối với lệnh LCALL đầu tiên trong đoạn mã. 01 0000 ORG 0 02 0000 7455 BACK: MOV A, #55H ; Nạp A với giá trị 55H 03 0002 F590 MOV P1, A ; Gửi 55H ra cổng P1 04 0004 7C99 MOV R4, #99H 05 0006 7D67 MOV R5, #67H 06 0008 120300 LCALL DELAY ; Tạo giữ chậm thời gian 07 000B 74AA MOV A, #0AAH ; Nạp A với AAH 08 000D F590 MOV P1, A ; Gửi AAH ra cổng P1 09 000F 120300 LCALL DELAY 10 0012 80EC SJMP BACK ; Tiếp tục thực hiện 11 0014 ; Đây là chương trình con DELAY 12 0300 ORG 300H 13 0300 C004 DELAY PUSH 4 ; Đẩy R4 vào ngăn xếp 14 0302 C005 PUSH 5 ; Đẩy R5 vào ngăn xếp 15 0304 7CFF MOV R4, 00FH ; Gán R4 = FFH 16 0306 7DFF NEXT: MOV R5, #00FH ; Gán R5 = 255 17 0308 DDFE AGAIN: DJNZ R5, AGAIN 18 030A DCFA DJNZ R4, NEXT 19 030C D005 POP 5 ; Kéo đỉnh ngăn xếp vào R5 20 030E D004 POP 4 ; Kéo đỉnh ngăn xếp vào R4 21 0310 22 RET ; Trở về nguồn gọi 22 0311 END ; Kết thúc tệp tin hợp ngữ Lời giải: Trước hết lưu ý rằng đối với các lệnh PUSH và POP ta phải xác định địa chỉ trực tiếp của thanh ghi được đẩy vào, kéo ra từ ngăn xếp. Dưới đây là sơ đồ khung của ngăn xếp. Sau lệnh LCALL thứ nhất Sau lệnh PUSH 4 Sau lệnh POSH 5 0B 0B 0B 67 R5 0A 0A 99 R4 0A 09 R4 09 00 PCH 09 00 PCH 09 00 PCL 08 0B PCL 0B 0B PCL 08 0B PCL Cần phải nhấn mạnh rằng trong việc sử dụng LCALL thì địa chỉ đích của các chương trình con có thể ở đâu đó trong phạm vi 64k byte không gian bộ nhớ của 8051. Điều này không áp dụng cho tất cả mọi lệnh gọi CALL chẳng hạn như đối với ACALL dưới đây:
; MAIN program calling subroutines ORG 0 MAIN: LCALL SUBR-1 LCALL SUBR-2 LCALL SUBR-3 HERE: SJMP MAIN ; end of MAIN ; SUBR-1l RET ; end of subroutinel 1 ; SUBR-1l RET ; end of subroutinel 2 ; SUBR-1l RET ; end of subroutinel 3 END ; end of the asm file Hình 3.1: Chương trình chính hợp ngữ của 8051 có gọi các chương trình con. 3.2.5 Lệnh gọi tuyệt đối ACALL (Absolute call). Lệnh ACALL là lệnh 2 byte khác với lệnh LCALL dài 3 byte. Do ACALL chỉ có 2 byte nên địa chỉ đích của chương trình con phải nằm trong khoảng 2k byte địa chỉ vì chỉ có 11bit của 2 byte được sử dụng cho địa chỉ. Không có sự khác biệt nào giữa ACALL và LCALL trong khái niệm cất bộ đếm chương trình vào ngăn xếp hay trong chức năng của lệnh trở về RET. Sự khác nhau duy nhất là địa chỉ đích của lệnh LCALL có thể nằm bất cứ đâu trong phạm vi 64k byte không gian địa chỉ của 8051, còn trong khi đó địa chỉ của lệnh ACALL phải nằm trong khoảng 2 byte. Trong nhiều biến thế của 8051 do các hãng cung cấp thì ROM trên chíp chỉ có 1k byte Trong những trường hợp như vậy thì việc sử dụng ACALL thay cho LCALL có thể tiết kiệm được một số byte bộ nhớ của không gian ROM chương trình. Ví dụ 3.11: Một nhà phát triển sử dụng chíp vi điều khiển Atmel AT89C1051 cho một sản phẩm. Chíp này chỉ có 1k byte ROM Flash trên chíp. Hỏi trong khi lệnh LCALL và ACALL thì lệnh nào hữu ích nhất trong lập trình cho chíp này. Lời giải: Lệnh ACALL là hữu ích hơn vì nó là lệnh 2 byte. Nó tiết kiệm một byte mỗi lần gọi được sử dụng. Tất nhiên, việc sử dụng các lệnh gọn nhẹ, chúng ta có thể lập trình hiệu quả bằng cách có một hiểu biết chi tiết về tất cả các lệnh được hỗ trợ bởi bộ vi xử lý đã cho và sử dụng chúng một cách khôn ngoan. Xét ví dụ 3.12 dưới đây. Ví dụ 3.12: Hãy viết lại chương trình ở ví dụ 3.8 một cách hiệu quả mà bạn có thể: Lời giải:
ORG 0 MOV A, #55H ; Nạp Avới giá trị 55H BACK: MOV P1, A ; Xuất giá trị trong A ra cổng P1 ACALL DELAY ; Giữ chậm CPL A ; Bù thành ghi A SJMP BACK ; Tiếp tục thực hiện vô hạn ; Đây là chương trình con giữ chậm DELAY DELAY: MOV R5, #0FFH ; Nạp R5 = 255 (hay FFH) làm cho bộ đếm AGAIN: DJNZ R5, AGAIN ; Dừng ở đây cho đến khi R5 = 0 RET ; Trở về END ; Kết thúc 3.3 Tạo và tính toán thời gian giữ chậm. 3.3.1 Chu kỳ máy: Đối với CPU để thực hiện một lệnh thì mất một chu kỳ đồng hồ này được coi như các chu kỳ máy. Phụ lục AppendixA.2 cung cấp danh sách liệt kê các lệnh 8051 và các chu kỳ máy của chúng. Để tính toán một độ trễ thời gian, ta sử dụng danh sách liệt kê này. Trong họ 8051 thì độ dài của chu kỳ máy phụ thuộc vào tần số của bộ dao động thạch anh được nối vào hệ thống 8051. Bộ dao động thạch anh cùng với mạch điện trên chip cung cấp xung đồng hồ cho CPU của 8051 (xem chương 4). Tần số của tinh thể thạch anh được nối tới họ 8051 dao động trong khoảng 4MHz đến 30 MHz phụ thuộc vào tốc độ chíp và nhà sản xuất. Thường xuyên nhất là bộ dao động thạch anh tần số 10.0592MHz được sử dụng để làm cho hệ 8051 tương thích với cổng nối tiếp của PC IBM (xem chương 10). Trong 8051, một chu kỳ máy kéo dài 12 chu kỳ dao động. Do vậy, để tính toán chu kỳ máy ta lấy 1/12 của tần số tinh thể thạch anh, sau đó lấy giá trị nghịch đảo như chỉ ra trong ví dụ 3.13. Ví dụ 3.13: Đoạn mã dưới đây trình bày tần số thạch anh cho 3 hệ thống dựa trên 8051 khác nhau. Hãy tìm chu kỳ máy của mỗi trường hợp: a) 11.0592MHz b) 16MHz và c) 20MHz. Lời giải: a) 11.0592/12 = 921.6kHz; Chu kỳ máy là 1/921.6kHz = 1.085ms (micro giây) b) 16MHz/12 = 1.333MHz; Chu kỳ máy MC = 1/1.333MHz = 0.75ms c) 20MHz/12 = 1.66MHz ị MC = 1/1.66MHz = 0.60ms Ví dụ 3.14: Đối với một hệ thống 8051 có 11.0592MHz hãy tìm thời gian cần thiết để thực hiện các lệnh sau đây. a) MOV R3, #55 b) DEC R3 c) DJNZ R2 đích d) LJMP e) SJMP f) NOP g) MUL AB Lời giải: Chu kỳ máy cho hệ thống 8051 có tần số đồng hồ là 11.0592MHz Là 1.085ms như đã tính ở ví dụ 3.13. Bảng A-1 trong phụ lục Appendix A trình bày số chu kỳ máy đối với các lệnh trên. Vậy ta có:
Lệnh Chu kỳ máy Thời gian thực hiện (a) MOV R3, #55 1 1 ´ 1.085 ms = 1.085 ms (b) DEC R3 1 1 ´ 1.085 ms = 1.085 ms (c) DJNZ R2, target 2 2 ´ 1.085 ms = 2.17 ms (d) LJMP 2 2 ´ 1.085 ms = 2.17 ms (e) SJMP 2 2 ´ 1.085 ms = 2.17 ms (f) NOP 1 1 ´ 1.085 ms = 1.085 ms (g) MUL AB 4 4 ´ 1.085 ms = 4.34 ms 3.3.2 Tính toán độ trễ. Như đã trình bày ở trên đây, một chương trình con giữ chậm gồm có hai phần: (1) thiết lập bộ đếm và (2) một vòng lặp. Hầu hết thời gian giữ chậm được thực hiện bởi thân vòng lặp như trình bày ở ví dụ 3.15. Ví dụ 3.15: Hãy tìm kích thước của thời gian giữ chậm trong chương trình sau, nếu tần số giao động thach anh là 11.0592MHz. MOV A, #55H AGAIN: MOV P1, A ACALL DELAY CPL A SJMP AGAIN ; Time delay DELAY: MOV R3, #200 HERE : DJNZ R3, HERE RET Lời giải: Từ bảng A-1 của phụ lục Appendix A ta có các chu kỳ máy sao cho các lệnh của chương trình con giữ chậm là: DELAY: MOV R3, #200 1 HERE : DJNZ R3, HERE 2 RET 1 Do vậy tổng thời gian giữ chậm là [(200 ´ 2) + 1 + 1] ´ 1.085 = 436.17ms. Thông thường ta tính thời gian giữ chậm dựa trên các lệnh bên trong vòng lặp và bỏ qua các chu kỳ đồng hồ liên quan với các lệnh ở ngoài vòng lặp. Trong ví dụ 3.15 giá trị lớn nhất mà R3 có thể chứa là 255, do vậy một cách tăng độ trễ là sử dụng lệnh UOP (không làm gì) trong vòng lặp để tiêu tốn thời gian một cách đơn giản. Điều này được chỉ ra trong ví dụ 3.16 dưới đây. Ví dụ 3.16: Hãy tìm độ trễ thời gian cho chương trình con sau. Giả thiết tần số dao động thạch anh là 11.0592MHz.
Số chu kỳ máy DELAY: MOV R3, #250 1 HERE : NOP 1 NOP 1 NOP 1 NOP 1 DJNZ R3, HERE 2 RET 1 Lời giải: Thời gian trễ bên trong vòng lặp HERE là [250 (1 + 1 + 1 + 1 + 1 + 2)] ´ 1.0851ms = 1627.5ms. Cộng thêm hai lệnh ngoài vòng lặp ta có 1627.5ms ´ 1.085ms = 1629.67ms. 3.3.3 Độ trễ thời gian của vòng lặp trong vòng lặp. Một cách khác để nhận được giá trị từ độ trễ lớn là sử dụng một vòng lặp bên trong vòng lặp và cũng được gọi là vòng lặp lồng nhau. Xem ví dụ 3.17 dưới đây. Ví dụ 3.17: Đối với một chu kỳ máy 1.085ms hãy tính thời gian giữ chậm trong chương trình con sau: DELAY: chu kỳ máy MOV R2, #200 1 AGAIN: MOV R3, #250 1 HERE: NOP 1 NOP 1 DJNZ R3, HERE 2 DJNZ R2, AGAIN 2 RET 1 Lời giải: Đối với vòng lặp HERE ta có (4 ´ 250) ´ 1.085ms = 1085ms. Vòng lặp AGAIN lặp vòng lặp HERE 200 lần, do vậy thời gian trễ là 200 ´ 1085ms 217000ms, nên ta không tính tổng phí. Tuy nhiên, các lệnh “MOV R3, #250” và “DJNZ R2, AGAIN” ở đầu và cuối vòng lặp AGAIN cộng (3 ´ 200 ´ 1.085ms) = 651ms vào thời gian trễ và kết quả ta có 217000 + 651 = 217651ms = 217.651 miligiây cho tổng thời gian trễ liên quan đến chương trình con giữ chậm DELAY nói trên. Lưu ý rằng, trong trường hợp vòng lặp lồng nhau cũng như trong mọi vòng lặp giữ chậm khác thời gian xấp xỉ gần dúng vì ta bỏ qua các lệnh đầu và cuối trong chương trình con.
chương 4 Lập trình cho cổng vào - ra I/0 4.1 Mô tả chân của 8051. Mặc dù các thành viên của họ 8051 (ví dụ 8751, 89C51, DS5000) đều có các kiểu đóng vỏ khác nhau, chẳng hạn như hai hàng chân DIP (Dual In-Line Pakage) dạng vỏ dẹt vuông QFP (Quad Flat Pakage) và dạng chíp không có chân đỡ LLC (Leadless Chip Carrier) thì chúng đều có 40 chân cho các chức năng khác nhau như vào ra I/0, đọc RD , ghi WR , địa chỉ, dữ liệu và ngắt. Cần phải lưu ý rằng một số hãng cung cấp một phiên bản 8051 có 20 chân với số cổng vào-ra ít hơn cho các ứng dụng yêu cầu thấp hơn. Tuy nhiên, vì hầu hết các nhà phát triển chính sử dụng chíp đóng vỏ 40 chân với hai hàng chân DIP nên ta chỉ tập chung mô tả phiên bản này. P1.0 1 40 Vcc 2 P0.0 (AD0) P1.1 39 P0.1 (AD1) P1.2 3 38 4 37 P0.2 (AD2) P1.3 P1.4 5 36 P0.3 (AD3) P1.5 6 35 P0.4 (AD4) 7 P1.6 34 P0.5 (AD5) 8 33 P1.7 8051 P0.6 (AD6) RST 9 32 P0.6 (AD6) (8031) (RXD) P3.0 10 31 EA/CPP ALE/PROG (TXD) P3.1 11 30 12 PSEN (NT0) P3.2 29 13 P2.7 (A15) (NT1) P3.3 28 (T0) P3.4 14 27 P2.6 (A14) (T1) P3.5 15 26 P2.5 (A13) (WR) P3.6 16 25 P2.4(A12) (RD) P3.7 17 24 P2.3 (A11) XTAL2 18 23 P2.2 (A10) XTAL1 19 22 P2.1 (A9) GND 20 21 P2.0 (AB) Hình 4.1: Sơ đồ bố trí chân của 8051. Trên hình 4.1 là sơ đồ bố trí chân của 8051. Ta thấy rằng trong 40 chân thì có 32 chân dành cho các cổng P0, P1, P2 và P3 với mỗi cổng có 8 chân. Các chân còn lại được dành cho nguồn VCC, đất GND, các chângiao động XTAL1 và XTAL2 tái lập RST cho phép chốt địa chỉ ALE truy cập được địa chỉ ngoài EA , cho phép cất chương trình PSEN . Trong 8 chân này thì 6 chân VCC , GND, XTAL1, XTAL2, RST và EA được các họ 8031 và 8051 sử dụng. Hay nói cách khác là chúng phải được
nối để cho hệ thống làm việc mà không cần biết bộ vi điều khiển thuộc họ 8051 hay 8031. Còn hai chân khác là PSEN và ALE được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống dựa trên 8031. 1. Chân VCC: Chân số 40 là VCC cấp điện áp nguồn cho chíp. Nguồn điện áp là +5V. 2. Chân GND: Chân GND: Chân số 20 là GND. 3. Chân XTAL1 và XTAL2: 8051 có một bộ giao động trên chíp nhưng nó yêu cầu có một xung đồng hồ ngoài để chạy nó. Bộ giao động thạch anh thường xuyên nhất được nối tới các chân đầu vào XTAL1 (chân 19) và XTAL2 (chân 18). Bộ giao động thạch anh được nối tới XTAL1 và XTAL2 cũng cần hai tụ điện giá trị 30pF. Một phía của tụ điện được nối xuống đất như được trình bày trên hình 4.2a. Cần phải lưu ý rằng có nhiều tốc độ khác nhau của họ 8051. Tốc độ được coi như là tần số cực đại của bộ giao động được nối tới chân XTAL. Ví dụ, một chíp 12MHz hoặc thấp hơn. Tương tự như vậy thì một bộ vi điều khiển cũng yêu cầu một tinh thể có tần số không lớn hơn 20MHz. Khi 8051 được nối tới một bộ giao động tinh thể thạch anh và cấp nguồn thì ta có thể quan sát tần số trên chân XTAL2 bằng máy hiện sóng. Nếu ta quyết định sử dụng một nguồn tần số khác bộ giao động thạch anh chẳng hạn như là bộ giao động TTL thì nó sẽ được nối tới chân XTAL1, còn chân XTAL2 thì để hở không nối như hình 4.2b. C2 XTAL2 NC XTAL2 C1 EXTERRNAL XTAL1 OSCILLATAOR XTAL1 30pF SIGNAL GND GND Hình 4.2: a) Nối XTAL tới 8051 b) Nối XTAL tới nguồn đồng bộ ngoài. 4. Chân RST. Chân số 9 là chân tái lập RESET. Nó là một đầu vào và có mức tích cực cao (bình thường ở mức thấp). Khi cấp xung cao tới chân này thì bộ vi điều khiển sẽ tái lập và kết thúc mọi hoạt động. Điều này thường được coi như là sự tái bật nguồn. Khi kích hoạt tái bật nguồn sẽ làm mất mọi giá trị trên các thanh ghi. Bảng 4.1 cung cấp một cách liệt kê các thanh ghi của 8051 và các giá trị của chúng sau khi tái bật nguồn. Bảng 4.1: Giá trị một số thanh ghi sau RESET.
Register Reset Value PC 0000 ACC 0000 B 0000 PSW 0000 SP 0000 DPTR 0007 0000 Lưu ý rằng giá trị của bộ đếm chương trình PC là 0 khi tái lập để ép CPU nạp mã lệnh đầu tiên từ bộ nhớ ROM tại vị trí ngăn nhớ 0000. Điều này có nghĩa là ta phải đặt dòng đầu tiên của mã nguồn tại vị trí ngăn nhớ 0 của ROM vì đây là mã CPU tĩnh thức và tìm lệnh đầu tiên. Hình 4.3 trình bày hai cách nối chân RST với mạch bật nguồn. V cc Vcc 30mF 31 + 10mF EA/Vpp EA/Vpp 10mF 31 19 X1 X1 11.0592 MHz 8.2K 30mF 18 X2 X2 RST 9 RST 9 8.2K Hình 4.3: a) Mạch tái bật nguồn RESET. b) Mạch tái bật nguồn với Debounce. Nhằm làm cho đầu vào RESET có hiệu quả thì nó phải có tối thiểu 2 chu kỳ máy. Hay nói cách khác, xung cao phải kéo dài tối thiểu 2 chu kỳ máy trước khi nó xuống thấp. Trong 8051 một chu kỳ máy được định nghĩa bằng 12 chu kỳ dao động như đã nói ở chương 3 và được trình bày tại vị trí 4.1. 5. Chân EA : Các thành viên họ 8051 như 8751, 98C51 hoặc DS5000 đều có ROM trên chíp lưu cất chương trình. Trong các trường hợp như vậy thì chân EA được nối tới VCC. Đối với các thành viên củ họ như 8031 và 8032 mà không có ROM trên chíp thì mã chương trình được lưu cất ở trên bộ nhớ ROM ngoài và chúng được nạp cho 8031/32. Do vậy, đối với 8031 thì chân EA phải được nối đất để báo rằng mã chương trình được cất ở ngoài. EA có nghĩa là truy cập ngoài (External Access) là chân số 31 trên vỏ kiểu DIP. Nó là một chân đầu vào và phải được nối hoặc với VCC hoặc GND. Hay nói cách khác là nó không được để hở.
ở chương 14 chúng ta sẽ trình bày cách 8031 sử dụng chân này kết hợp với PSEN để truy cập các chương trình được cất trên bộ nhớ ROM ở ngoài 8031. Trong các chíp 8051 với bộ nhớ ROM trên chíp như 8751, 89C51 hoặc DS5000 thì EA được nối với VCC. Ví dụ 4: Hãy tìm chu kỳ máy đối với a) XTAL = 11.0592MHz b) XTAL = 16MHz. Lời giải: a) 11.0592MHz/12 = 921.6kHz. Chu kỳ máy = 1/921.6kHz = 1.085ms. b) 16MHz/12 = 1.333MHz Chu kỳ máy = 1/1.333MHz = 0.75ms. Các chân mô tả trên đây phải được nối mà không cần thành viên nào được sử dụng. Còn hai chân dưới đây được sử dụng chủ yếu trong hệ thống dựa trên 8031 và sẽ được trình bày chi tiết ở chương 11. 6. Chân PSEN : Đây là chân đầu ra cho phép cất chương trình (Program Store Enable) trong hệ thống dựa trên 8031 thì chương trình được cất ở bộ nhớ ROM ngoài thì chân này được nối tới chân OE của ROM. Chi tiết được bàn ở chương 14. 7. Chân ALE: Chân cho phép chốt địa chỉ ALE là chân đầu ra và được tích cực cao. Khi nối 8031 tới bộ nhớ ngoài thì cổng 0 cũng được cấp địa chỉ và dữ liệu. Hay nói cách khác 8031 dồn địa chỉ và dữ liệu qua cổng 0 để tiết kiệm số chân. Chân ALE được sử dụng để phân kênh địa chỉ và dữ liệu bằng cách nối tới chân G của chíp 74LS373. Điều này được nói chi tiết ở chương 14. 8. Các chân cổng vào ra và các chức năng của chúng. Bốn cổng P0, P1, P2 và P3 đều sử dụng 8 chân và tạo thành cổng 8 bít. Tất cả các cổng khi RESET đều được cấu hình như các đầu ra, sẵn sàng để được sử dụng như các cổng đầu ra. Muốn sử dụng cổng nào trong số các cổng này làm đầu vào thì nó phải được lập trình. 9. Cổng P0. Cổng 0 chiếm tất cả 8 chân (từ chân 32 đến 39). Nó có thể được dùng như cổng đầu ra, để sử dụng các chân của cổng 0 vừa làm đầu ra, vừa làm đầu vào thì mỗi chân phải được nối tới một điện trở kéo bên ngoài 10kW. Điều này là do một thực tế là cổng P0 là một màng mở khác với các cổng P1, P2 và P3. Khái niệm máng mở được sử dụng trong các chíp MOS về chừng mực nào đó nó giống như Cô-lec-tơ hở đối với các chíp TTL. Trong bất kỳ hệ thống nào sử dụng 8751, 89C51 hoặc DS5000 ta thường nối cổng P0 tới các điện trở kéo, Xem hình 4.4 bằng cách này ta có được các ưu điểm của cổng P0 cho cả đầu ra và đầu vào. Với những điện trở kéo ngoài được nối khi tái lập cổng P0 được cấu hình như một cổng đầu ra. Ví dụ, đoạn mã sau đây sẽ liên tục gửi ra cổng P0 các giá trị 554 và AAH. MOV A, #554 BACK: MOV P0, A ACALL DELAY
CPL A SJMP BACK Vcc 10K P0.0 DS5000 P0.1 P o 8751 P0.2 r t 0 8951 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 Hình 4.4: Cổng P0 với các điện trở kéo. a) Cổng P0 đầu vào: Với các điện trở được nối tới cổng P0 nhằm để tạo nó thành cổng đầu vào thì nó phải được lập trình bằng cách ghi 1 tới tất cả các bit. Đoạn mã dưới đây sẽ cấu hình P0 lúc đầu là đầu vào bằng cách ghi 1 đến nó và sau đó dữ liệu nhận được từ nó được gửi đến P1. b) MOV A,#FFH ; Gán A = FF dạng Hex MOV P0, A ; Tạo cổng P0 làm cổng đầu vào bằng cách ; Ghi tất cả các bit của nó. BACK: MOV A, P0 ; Nhận dữ liệu từ P0 MOV P1, A ; Gửi nó đến cổng 1 SJMP BACK ; Lặp lại b) Vai trò kép của cổng P0: Như trình bày trên hình 4.1, cổng P0 được gán AD0 - AD7 cho phép nó được sử dụng vừa cho địa chỉ, vừa cho dữ liệu. Khi nối 8051/31 tới bộ nhớ ngoài thì cổng 0 cung cấp cả địa chỉ và dữ liệu 8051 dồn dữ liệu và địa chỉ qua cổng P0 để tiết kiệm số chân. ALE báo nếu P0 có địa chỉ hay dữ liệu khi ALE - 0 nó cấp dữ liệu D0 - D7. Do vậy, ALE được sử dụng để tách địa chỉ và dữ liệu với sự trợ giúp của chốt 74LS373 mà ta sẽ biết cụ thể ở chương 14. 10. Cổng P1. Cổng P1 cũng chiếm tất cả 8 chân (từ chân 1 đến chân 8) nó có thể được sử dụng như đầu vào hoặc đầu ra. So với cổng P0 thì cổng này không cần đến điện trở kéo vì nó đã có các điện trở kéo bên trong. Trong quá trình tái lạp thì cổng P1 được cấu hình như một cổng đầu ra. Ví dụ, đoạn mã sau sẽ gửi liên tục các giá trị 55 và AAH ra cổng P1. MOV A, #55H BACK: MOV P1, A