Intel 8051

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Intel 8051 — это однокристальный микроконтроллер гардвардской архитектуры, который был впервые произведен Intel в 1980 году, для использования во встраиваемых системах. В течение 1980-ых и начале 1990-ых годов был чрезвычайно популярен. Однако, в настоящее время устарел и вытеснен более современными устройствами, с 8051-совместимыми ядрами, производимыми более чем 20 независимыми производителями, такими как Atmel, Maxim IC (дочерняя компания Dallas Semiconductor), NXP (ранее Philips Semiconductor), Winbond, Silicon Laboratories, Texas Instruments и Cypress Semiconductor. Официальное название 8051-семейства микроконтроллеров Intel — MCS 51.

Первые из 8051-семейства Intel производились с использованием n-МОП технологии, но следующии версии, содержащии символ «C» в названии, такие как 80C51, использовали КМОП-технологию и потребляли меньшую мощность, чем n-МОП предшественники (это облегчало их применение для устройств с питанием от батарей).

[править] Важные особенности и применение

Состоит из процессорного ядра (CPU), ОЗУ, ПЗУ, Последовательного порта, Паралельного порта, логики управленияПрерываниями, Таймер и т. д.
Шина Данных — 8 битная шина данных. Возможность обработки 8 бит данных за одну операцию. Обуславливает название 8-битный микропроцессор.
Шина Адреса — 16 битная адресная шина. Возможность доступа к 2¹⁶ адресам памяти, то есть 64 кБ адресное пространство в ОЗУ и ПЗУ.
Встроенное ОЗУ — 128 байт (Памяти данных).
Встроенное ПЗУ — 4 КБ (Памяти программ).
Четыре двухнаправленных порта Ввода/вывода.
UART (Универсальный асинхронный приёмопередатчик).
Два 16 — битных таймера.
Два уровня приоритета прерываний.
Энергосберегающий режим.

Черезвычайно полезной особенностью 8051 ядра является обработка булевых данных, что позволило ввести бинарную логику, оперирующую напрямую с битами внутренней ОЗУ (области из 128 прямо-адресуемых битов) и регистров. Данная особенность была востребованна в приложениях индустриальной автоматики. Еще одна ценная особенность состояла в 4 независимых наборах регистров, которые значительно уменьшали задержки при обработке прерываний, в сравнении с классическим использованием стека, применявшимся ранее.

Универсальный асинхронный приёмопередатчик (УАПП,UART) может быть настроен для использования в режиме 9-бит данных, что делает возможным адресную приемо-передачу в многоточечном подключении на основе RS-485 аппаратного протокола.

8051-совместимые микроконтроллеры обычно имеют один или два УАПП (UART), два или три таймера, 128 или 256 Байт встроенной ОЗУ (16 байт которой имеют побитовую адресацию), от 512 Байт до 128 КБайт встроенной памяти программ (ПЗУ), и иногда встречается использование EEPROM, адресуемой через "регистры специального назначения" (SFR = special function register). Один машинный цикл оригинального 8051 ядра занимает 12 временных тактов, а большинство инструкций выполняется за один или два машинных цикла. При частоте тактового генератора, равной 12 МГц, 8051 ядро может выполнять 1 миллион операций в секунду, выполняемых за один цикл, или 500 тысяч операций в секунду, выполняемых за два цикла. Улучшенное 8051-совместимое ядро, которое в настоящее время распространено, выполняет машинный цикл за шесть, четыре, два, или даже за один временной такт, и позволяет использовать тактовые генераторы с частотой до 100 МГц, что позволило увеличить количество выполняемых операций в секунду. Все 8051 совместимые устройства, производимые SILabs, некоторые из производимых Dallas и немногие из производимых Atmel имеют ядро с 1 тактом на машинный цикл.

Еще более быстрые 8051 ядра, с 1 тактом на машинный цикл, организуются использованием ПЛИС, таких как FPGA (скорость в диапазоне 130-150 МГц) или ASIC (скорость в диапазоне нескольких сотен МГц), при помощи специальной прошивки. Примеры можно увидеть на e8051.com.

Общей особенностью в современных 8051-совместимых микроконтроллеров стало встраивание улучшеных и дополнительных схем, таких как: автосброс по падению питающего напряжения; встроенные тактовые генераторы; внутрисхемное программирование памяти программ; автозагрузчики, долговременной памяти данных на основе EEPROM; I²C (стандарт 3-х проводной последовательной шины); SPI; USB хост интерфейс; ШИМ-генераторы; аналоговых компараторов; АЦП и ЦАП конверторов; часов реального времени; дополнительных таймеров и счетчиков; внутрисхемных отладчиков, дополнительных источников прерываний; расширенных энергосберегающих режимов.

[править] Программирование

Для 8051 доступно несколько компиляторов с языка программирования Си, большинство из которых поддерживает расширения языка для более эффективного использования особенностей 8051. Например, программист может указать, в каком из шести типов памяти 8051 необходимо хранить переменную; компилятору можно указать, каким образом использовать переключаемые регистровые блоки и инструкции для манипулирования отдельными разрядами регистров. Для программирования 8051 используются и другие языки высокого уровня: Форт, Бейсик, Паскаль, PL/M и Modula 2, однако они не получили такого широкого распространения как Си и ассемблер.

[править] Родственные контроллеры

Предшественником контроллера 8051 был Intel 8048, который был применён в клавиатуре первого компьютера IBM PC — он конвертировал сигналы о нажатиях на клавиши в поток данных, передававшийся по последовательной линии в системный блок компьютера. Контроллер 8048, а также контроллеры, спроектированные на его базе, всё ещё применяются в клавиатурах начального уровня.

Контроллер 8031 является урезанной версией Intel 8051: у него отсутствует встроенная память для хранения программы.

Контроллер 8052 является расширенной версией оригинального Intel 8051: он оснащён 256 байтами внутреннего ОЗУ (вместо 128 байт 8051), 8 КБ ПЗУ (вместо 4 КБ), также ему добавлен третий 16-разрядный таймер. Контроллер 8032 аналогичен 8052, но не имеет встроенной памяти для хранения программы. Контроллеры 8052 и 8032 считаются устаревшими, так как почти все современные варианты 8051 оснащены теми расширениями, которыми обладает 8052.