MCS-51 hardver kialakítása 2/3 Vissza

 A mikrokontroller nagyszámú elemből összeintegrált, bonyolult áramkör, amellyel nagyon gyakran építenek hordozható készülékeket. Az ilyen készülékekben a tápellátást elem biztosítja, ezért a mikrokontroller áramfelvétele lényeges tényező. Ugyanezen okból készülnek az NMOS-változat mellet CMOS-kialakÍtású 8051-es változatok is. E technológia lényeges hátránya, hogy nagyobb a chip felülete. A CMOS-változatok magassabb árát viszont ellensúlyozza a kisebb fogyasztás.

Azonban az áramfelvétel, ezzel együtt a fogyasztás is erősen függ az órajel frekvenciájától. Lényeges a feladathoz szükséges órajel frekvencia megválasztása. Különösen a hordozható készülékeknél döntő ez a szempont. A 8051-es CMOS-változata további két lehetőséget biztosít az átlagos áramfelvétel csökkentésére.Ezek csak akkor alkalmazhatók, ha a kontrollerrel kialakított áramkörnek nem kell folytonosan üzemelnie. 

Power-down üzemmód 

A Power-down üzemmódban a belső oszcillátor leáll, ezáltal az összes belső funkció is megszűnik. A belső RAM tartalma azonban nem változik, vagyis az éppen aktuális értékek megmaradnak. Az ALE és a PSEN jelek alacsony szintűek lesznek. A Power-down üzemmódot csak a hardver RESET jel szünteti meg. A RESET jel ugyanakkor az SFR regisztereket inicializálja, ezért eredeti tartalmuk elvész, ugyanakkor a belső RAM tartalma nem változik meg. Emiatt a Power-down üzemmódba lépés előtt feltétlenül biztosítani kell az SFR regiszterek tartalmának mentését a belső RAM-ba.

A Power-down üzemmód beállítása a PCON (Power Controll Regiszter) PD bitjének 1-be állításával történik. Ezt az üzemmódot rendszerint a 8051-es bázisú vezérlés feszültségkimaradáskori védelme során használják:

Az Idle üzemmódba kapcsolás a PCON.0 bit 1-be állításával végezhető. Az üzemmód előnye, hogy a 8051-es nemcsak a RESET-el, hanem megszakítással is visszaállítható a normál üzemmódba. A visszaállító megszakításrutinnak csupán a PCON.0 bitet kell törölnie a mikrokontroller újbóli üzemeltetéséhez. 

Időzítő/számláló egységek 

A 8051-es család tagjaiban különböző számú időzítő/számláló áramkör van. Ezekhez még további funkciók is kapcsolódhatnak. A 8051/31 típusban a T0 és T1 jelű két időzítő/számláló van. Mindkét áramkör lehetséges üzemmódját, leállítását, indítását, és tartalmának módosítását két SFR - a TMOD (timer-mód ) és a TCON (timer-control) - regiszterrel lehet beállítani. A TMOD csak bájtosan írható/olvasható, míg a TCON bitjei egyedenként is elérhetőek. 

A T0 és a T1 áramkörök időzítőként, vagy eseményszámlálóként használhatók. A működési módot a TMOD-regiszter 2. és 6. C/T jelü bitjeivel (TMOD.2 ill. TMOD.6) kell beállítani. A logikai 1 - hez a számláló üzemmód tartozik. Az időzítő üzemmódban a számtartalom gépi ciklusonként eggyel nő. Ebből következik, hogy az időzítés alapegysége az oszcillátor periódusidejének 12-ed része.

A számláló üzemmódban mindegyik számláló a hozzátartozó bemenetre - T0, T1,(T2) - kapcsolt jel lefutó élénél inkrementálódik. A maximális számlálási frekvencia tehát az órajel frekvenciájának 24-e. A 12 MHz-es oszcillátor használatánál a számlálási frekvencia maximálisan 500 kHz.

Az áramkört kiegészítő - szoftverből vezérelhető kapu - előnyösen használható a pontos eseményszámlálásnál. A kapuzás a TR0 és TR1 bitekkel (TMOD.7 és a TMOD.3) történik.

A T0 ill. T1-es jelű áramkörök négy különböző üzemmódban működtethetők. Az üzemmódokat a T1-nél a TMOD.4 (M10) és a TMOD.5 (M11), illetve a T0-nál pedig a TMOD.0 (M00) és TMOD.1 (M10) bitekkel kell kiválasztani. Az M0-M1 bitekből alkotott bináris szám értéke az üzemmód index-e. Az egyes üzemmódok a következők:

 0-ás üzemmód Vissza

A számláló túlcsordulása 1-be írja a megszakításkérő bitet (Timer-Interrupt-Flag TF0/TF1). A számlálandó impulzusokat külső és belső vezérlés együttesen kapcsolja a számlálóra. A feltételek, - az ábrának megfelelően - hogy a TR0/TR1 bit 1- szintű és ugyanakkor az üzemmódot vezérlő TMOD regiszter TMOD.3/TMOD.7 bitje alacsony szintű, vagy az INT0/INT1 csatlakozási ponton magas szint legyen. A számlálók külső-, (hardver) és belső-, (szoftver) vezérelhetősége nagyon széleskörű, rugalmas felhasználást biztosít.

1-es üzemmód Az 1-es üzemmód hasonló a 0-áshoz, azzal az eltéréssel, hogy a számláló 16-bites.

A számláló a 2-es üzemmódban 8 bites, de automatikus visszatöltés is történik. A TL0/TL1 regiszter tulcsordulása a megfelelő megszakításkérő bitet (TF0/TF1) beállítja és ugyanakkor a TH0/TH1 regiszter tartalmát beírja a TL0/TL1 regiszterbe. A TH0/TH1 regiszter tartalma nem változik. Ezek felülírása szoftver úton végezhető. A meg-oldással programból változtatható késleltetés valósítható meg.

 3-as üzemmód Vissza

Ha a T0 a 3-as módban üzemel, akkor T1-es áramkör a többi üzemmódban azzal a kikötéssel dolgozik, hogy a belső leállítás nem működik, és nem kezdeményezhet megszakítást. ( A T1 a soros kommunikációs csatorna Baud-rate generátoraként is használható )

A T2 16 bites időzítő/számláló áramkör - a 8051-es kivételével - a család minden tagjában van. A T2 sokkal összetettebb áramkör, mint a T0 és a T1. Alapvetően a T2 is időzítésre vagy eseményszámlálásra használható. Az üzemmódot a T2CON.1 bittel lehet kiválasztani. Ugyanakkor az áramkör további funkciókkal van bővítve. A T2 három különböző - Capture, Auto-Reload és Baudrate-Generátor - üzemmódban használható. Az üzemmód kiválasztását a T2CON.0, a T2CON.2, valamint a T2CON.4 és T2CON.5 bitek végzik.

Capture üzemmód Vissza

Ebben az üzemmódban a TH2 és a TL2 regiszterek tartalma az RCAP2H, ill. az RCAP2L regiszterekbe átírható. Az átírást a T2EX bemenetre ( 2 láb ) adott lefutó él vezérli. A vezérlést az EXEN2 bittel engedélyezhető vagy tiltható ( a logikai 1 engedélyez ). Az adatátvitellel egyidejűleg a T2 megszakítása is beíródik. Az RCAP2H és RCAP2L regiszterek tartalma szoftverből állítható. Mivel a megszakítási folyamat hardvervezérelt, ezért ebben az üzemmódban a külső esemény idejét vagy frekvenciáját mérhetjük.

Az üzemmódban további választási lehetőség van. Amikor az EXEN2 bit értéke 0, akkor a T2 minden túlcsordulásakor az RCAPx regiszterek tartalma átíródik. A programozott számtaratalom 0-tól eltérő, tetszőleges 16 bites érték lehet. Ebben az üzemmódban - RCAPx értékétől függő - változtatható frekvenciájú jel állítható elő. Az EXEN2 bit 1 értékénél az átírást a T2EX bemenetre érkező negatív él is vezérli.

Ennek az üzemmódnak a soros adatátvitel ütemezésében van szerepe.

A mikrokontroller megszakításainak segítségével oldhatók meg az események valós idejű lekezelése. A megszakítás (Interrupt) egy hardver esemény kiszolgálására szolgál. A kiszolgálást kérő jel - hozzá tartozó - megszakítás- kérő (Interrupt -Request) flag-et 1-be állítja

A megszakítást külső-, (pl. a megfelelő bemenetre érkező feszültségszint, vagy szintváltás) illetve belső esemény (pl. az egyik számláló túlcsordulása) kérhet. Mindegyik megszakításhoz meghatározott prioritás rendelhető. Amikor egy megszakítást kérő jel érkezik, akkor az éppen futó program végrehajtása felfüggesztődik és a megszakítást kiszolgáló (Interrupt-Service) rutin fog futni. Ha mikrokontroller éppen egy azonos ,vagy magasabb prioritású megszakítást szolgál ki, akkor csak a futó rutin befejezése után hívja az újabb megszakítás-rutint.

A 8051 mikrokontroller megszakítás-rutinjainak kezdőcíme - a legtöbb mikroprocesszorral ellentétben - állandó. Erre a címre egy ugró-utasítást kell beírni, amely a megszakítás-rutinra adja át a vezérlést. A rutinból a főprogramba történő visszatérést a RETI utasítás hajtatja végre. 

Megszakítás források Vissza

A 8051, ill. a 80C51 típusoknál öt megszakítás forrás és két prioritási szint van. A 8052 típusú mikrokontrollerbe még egy további megszakításforrást (T2) integráltak. Megkülönböztetünk külső és belső megszakítás-forrásokat. A külső megszakításokat (INT0,INT1) a megfelelő bemenetre (12-es ill. 13-as lábak) adott feszültségszint, vagy negatív él indítja. Az egyes bemenetek szint-, vagy él-érzékenységét a TCON (Timer-Control) regiszter IT0,illetve IT1 bitjeivel lehet megválasztani. Az egyes megszakítások végre-hajtását a TCON.1 (IE0) illetve a TCON.3 (IE1) bitek 1-be írásával engedélyezhetjük.

A belső megszakításokat - az előzőekkel ellentétben - nem külső, hanem a tokon belüli esemény kezdeményezi. A felhasználó ezért csak közvetetten kezdeményezheti. A belső megszakításra példa az ES, amelyet a soros vonal indít az RI vagy a TI beíráséval. További belső megszakítási források még a TF0 és a TF1.Ezeket a megfelelő időzítő/számláló (T0,illetve T1) túlcsordulása indítja. A táblázat foglalja össze a megszakításforrásokat és kezdőcímeiket.

Megszakítás-forrás	Kérő-flag	Kezdő-cím
0-ás külső megsz.	IE0	0003 H
Timer 0 megsz.	TF0	000B H
1-es külső megsz.	IE1	0013 H
Timer 1 megsz.	TF1	001B H
Soros vonal megsz.	RI vagy TI	0023 H

Timer 2 megsz. vagy külső töltés

TF2 vagy EXF2

002B H

A külső megszakítás-forrás megszakítást kérő jelének LOW, vagy HIGH szintje minden esetben legalább egy teljes gépi ciklus időtartamáig kell fennálljon. Csak ezzel biztosítható a megszakítás-kérés biztonságos felismerése. A 8051 megszakítás-vezérlő logikája bármelyik megszakítási kérelem felismerése után egy LCALL utasítást generál. A megszakítás lekezelése tehát a következő lépésekből áll:

Ellenőrzés, hogy kiadható-e az LCALL utasítás. Ha a kérés pillanatában azonos, vagy magasabb prioritásu megszakítás kiszolgálása folyik, akkor a kontroller nem ad ki LCALL utasítást. Az alacsonyabb szintü megszakítás-végrehajtást egy magasabb prioritású megszakítja.Ha a megszakítás-kérés utasítás végrehajtása közben érkezik, akkor először befejeződik az, és csak utána történik a megszakítás-rutin hívása. 

• A programszámláló pillanatnyi értékét leteszi a VEREM-be.
• A programszámlálót feltölti az aktuális megszakítást kiszolgáló rutin kezdőcímével.
• A megszakítás-rutint egy RETI utasítás kell lezárja. Ennek hatására folytatódik a megszakított program végrehajtása. 

 Vissza