Методичні вказівки до виконання лабораторної роботи мпп-1 "архітектура мікроконтролера 8051ah сімейства mcs-51. Повноекранний налагоджувач-симулятор fd51"

4
Методичні вказівки до виконання лабораторної роботи МПП-1 “Архітектура мік- роконтролера 8051AH сімейства MCS-51. Повноекранний налагоджувач- симулятор FD51”, індивідуальних завдань та самостійної роботи з професійно- орієнтованої дисципліни “Мікропроцесорні пристрої” для студентів спеціальності
7.092203 “Електромеханічні системи автоматизації та електропривод” напряму
“Електромеханіка”/ Упорядн.: В. І. Кириченко, О. А. Яланський. – Дніпро- петровськ: Національний гірничий університет, 2011. – 41 с.
Упорядники: В. І. Кириченко, д–р техн. наук, проф.
О. А. Яланський, канд. техн. наук, доц.
Відповідальний за випуск завідувач кафедри електропривода
О. С. Бешта, д–р техн. наук, проф.

5
ЗМІСТ
Вступ………………………………………………...……………............................ 5 1. Зміст самостійної та лабораторної робіт……………………...…........... 5 1.1. Самостійна робота………………………………………............ 5 1.2. Лабораторна робота……………………………………............... 5 2. Історія створення та розвитку мікропроцесорів
і мікроконтролерів……………………………..…………………............ 6 3. Структурна організація мікроконтролерів сімейства MCS-51…………………………………………................... 11 3.1. Загальні відомості про архітектуру мікроконтролера…........ 11 3.2. Організація ОЗП, ПЗП та регістрів мікроконтролера……….. 15
Запитання для самоперевірки….………………......................................... 19 4. Повноекранний налагоджував-симулятор асемблерних програм для однокристальних мікроконтролерів сімейства MCS-51…………………………………………………......... 20 4.1. Загальні відомості про налагоджувач………………….…....... 20 4.2. Запуск налагоджувача та робота з ним…………………......... 22 4.3. Робота з точками переривання……………………………....... 28 4.4. Функціональні клавіші та команди налагоджувача…………………………………......................... 29
Запитання для самоперевірки…………………......................................... 32
Контрольне завдання для самоперевірки рівня опанування навичок роботи з симулятором………………………..................... 35
Індивідуальні завдання до самостійної роботи…………………….................... 36
Ресурси всесвітньої мережі Internet…………………………………................... 40
Список рекомендованої літератури…………………………………................... 41

6
ВСТУП
Мета самостійної та лабораторної робіт – подальше розширення і поглиблення знань з дисципліни “Мікропроцесорні пристрої”. До вивчення пропонується мікрокон- тролер (МК) 8051AH сімейства MCS-51 – один з найпоширеніших і найпопулярніших пристроїв сучасної мікроелектронної техніки.
Методичні вказівки, окрім навчального матеріалу, вміщують історичні відомості щодо створення та розвитку мікропроцесорів і мікроконтролерів. Ко-роткий огляд су- часного стану ринку однокристальних мікроконтролерів має переконати читача у не- обхідності і перспективності вивчення саме запропонованого сімейства МК. Далі на- ведені список літератури та адреси інформаційних сайтів виробників мікроконтролерів
і програмного забезпечення у всесвітній мережі Internet.
Для практичного засвоєння навчального матеріалу і отримання початкових на- вичок програмування чіпа 8051AH слід скористатися досить простим налагоджува- чем-симулятором FD51, який являє собою програмну модель мікроконтролера. Серед багатьох налагоджувачів перевага надана саме FD51 тому, що головне вікно програми зручно відображає внутрішні регістри та елементи пам’яті мікроконтролера і дає уяв- лення про архітектуру. Крім цього, FD51 – дуже простий у користуванні. У наступних лабораторних роботах студенти вивчатимуть більш потужну програмну оболонку –
інтегровану інструментальну систему IDE COMPASS/51/251.
1.
ЗМІСТ САМОСТІЙНОЇ ТА ЛАБОРАТОРНОЇ РОБІТ
1.1.
Самостійна робота
Самостійна робота полягає у вивченні теоретичного матеріалу, що викладений у даних методичних вказівках. Слід ознайомитися з призначенням і архітектурою мік- роконтролера 8051AH фірми Intel, розглянути можливості налагоджувача FD51 та прийоми роботи з ним. Засвоївши матеріал, необхідно виконати контрольне завдання для самоперевірки рівня опанування навичок роботи з емулятором, відповісти на запи- тання для самоперевірки, наведені у кінці розділів 3 та 4 методичних вказівок, та ви- конати індивідуальне завдання до самостійної роботи.
1.2.
Лабораторна робота
Виконується у комп’ютерних класах кафедри. До виконання допускаються студенти, які ознайомилися з теоретичним матеріалом (див. п 1.1) та попередньо підготували звіт. Кінцева мета – закріплення теоретичних знань та отримання практичних навичок роботи з симулятором-налагоджувачем FD51. Захист роботи
– шляхом тестової перевірки на ПЕОМ та співбесіди з викладачем.

7
Програма виконання
· Після засвоєння матеріалу п.п. 2…3 методичних вказівок (МВ) відпо- вісти на запитання для самоперевірки п. 3.
· Ознайомитися із призначення функціональних клавіш, команд і вікон на- лагоджувача-симулятора FD51 за допомогою персональної ЕОМ, отримати прак- тичні навички та прийоми роботи з ним. Після засвоєння матеріалу п. 4 відповісти на запитання для самоперевірки рівня засвоєння знань.
· У режимі редагування асемблерних програм налагоджувача ввести про- граму прикладу і прослідкувати за зміною вмісту регістрів та пам’яті мікроконт- ролера при виконанні програми.
· Виконати індивідуальний варіант самостійної роботи (номер варіанту пови- нен збігатися з порядковим номером студента у журналі групи.
· Скласти підсумковий звіт та виконати завдання тестової перевірки.
Вказівки щодо складання звіту
Підсумковий звіт повинен містити:
· Назву, мету та програму роботи.
· Спрощену структурну схему мікроконтролера з його архітектурою.
· Відповіді на запитання самоперевірки.
· Команди налагоджувача-симулятора та їх формати.
Під час захисту роботи продемонструвати вміння працювати з налагод- жувачем-симулятором, дію програми прикладу за контрольними вимогами викла- дача, які і визначають рівень опанування студентом навчального матеріалу.
2.
ІСТОРІЯ СТВОРЕННЯ ТА РОЗВИТКУ
МІКРОПРОЦЕСОРІВ І МІКРОКОНТРОЛЕРІВ
Сучасні вирішення у галузі автоматизації, роботизації та електроприводу немо- жливо уявити без використання мікропроцесорних засобів та систем. Вагомий внесок у розвиток напівпровідникової мікросхемотехніки належить відомій американській фірмі Intel, заснованій у 1968 році. Це був час появи багатьох новітніх технологій, за- вдяки яким з’явилася можливість створювати мініатюрні напівпровідникові прилади – мікросхеми. Їх використання відкривало нові перспективи в усіх галузях техніки, зок- рема і в автоматизації. Починалась ера цифрової машинної обробки інформації. Пер- ший комп’ютер ENIAC, створений у 1946 році, важив близько 30 т і займав велике приміщення. У 1968 році в світі вже нараховувалося 30 тис. комп’ютерів. Це були пе- реважно великі універсальні ЕОМ і “міні-комп’ютери” розміром з шафу. Неприємна

8 особливість цих ЕОМ – часті аварійні ситуації через перегрівання ламп та велику кіль- кість роз’ємних з’єднань. Тому поява інтегральної електроніки зумовлена об’єктив- ними причинами.
Засновниками фірми Intel були талановиті вчені та винахідники Роберт Нойс,
Гордон Мур та Ендрю Гроув. Саме Роберт Нойс у 1959 році винайшов інтегральну мі- кросхему. У середині 60-х років Нойс працював менеджером американської компанії
Fairchild Semiconductor, що була відома своїми розробками у галузі електронних тех- нологій. Гордон Мур очолював наукові дослідження та конструкторські розробки
Fairchild Semiconductor, був одним з восьми засновників Fairchild. Енді Гроув, уродже- нець Угорщини, – спеціаліст з розробки технологічних процесів. Він прийшов у ком- панію Fairchild Semiconductor після того, як отримав в університеті Берклі ступінь док- тора наук у галузі хімічних технологій.
Наприкінці 60-х багато талановитих інженерів звільнялися з Fairchild
Semiconductor і створювали власні фірми. Роберт Нойс і Гордон Мур заснували Intel й стали першими її співробітниками. Згодом до них приєднався і Енді Гроув. Стартовий капітал (2,5 мільйона доларів) надав фірмі фінансист із Сан-Франциско Артур Рок.
Фірма Intel спеціалізувалася на виробництві напівпровідникових запа- м’ятовуючих пристроїв. Перший серійний виріб – мікросхема “3101” 64-розрядної
Шотткі-біполярної статичної оперативної пам’яті. Особливе ж місце, яке посіла Intel у світі електроніки, пов’язане з іншими пристроями – мікропроцесорами. Саме вони стали технічною базою нинішньої комп’ютерної науково-технічної революції.
Поштовхом до створення мікропроцесорів виявився контракт між Intel і японсь- кою фірмою Busicom, що спеціалізувалася на виробництві калькуляторів. Busicom за- мовила Intel розробку дванадцяти спеціалізованих мікросхем, однак для виконання та- кого великого замовлення Intel не мала достатньо людських, фінансових та виробни- чих ресурсів. Тоді талановитий інженер Тед Хофф запропонував замість дванадцяти спеціалізованих мікросхем створити одну універсальну, що зможе їх замінити. Р. Нойс
і Г. Мур зрозуміли витонченість запропонованого Т. Хоффом рішення. Ідея задоволь- нила і компанію Busicom, що фінансувала роботу. Таким чином, Intel почала розробку універсальної мікросхеми, яку можна запрограмувати на виконання тих чи інших ко- манд. Уперше відпала необхідність в апаратній реалізації алгоритму роботи пристрою: всі операції з обробки числових даних відтепер виконувалися з перезаписувальною програмою, що обіцяло велику економію коштів та часу. Над реалізацією задуманого
Т. Хоффом працювала група інженерів та конструкторів Intel, яку очолював Федеріко
Феджин. Через 9 місяців напруженої праці з’явився перший в світі мікропроцесор
4004. Він налічував 2300 напівпровідникових транзисторів, але вільно вміщувався на долоні. За продуктивністю ж новий процесор не поступався комп’ютеру ENIAC, що займав 85 кубічних метрів і складався з 18000 вакуумних ламп. Тед Хофф розробив архітектуру першого процесора, Стен Мейзор – систему його команд, а Федеріко Фе- джин спроектував кристал процесора.
Зрозумівши переваги від використання мікропроцесорів, керівництво Intel піш- ло на переговори з компанією Busicom, внаслідок яких Intel придбала всі права на

9 процесор 4004 за 60 тисяч доларів (слід зазначити, що незабаром Busicom збанкруту- вала). Після цього почалася широка рекламна компанія, метою якої було довести ін- женерному загалу великий потенціал програмованих мікропроцесорів у багатьох галу- зях – від керування дорожнім рухом до автоматизації складних виробничих процесів.
Intel проводила семінари для інженерів, публікувала рекламні матеріали та довідкові посібники з використання мікропроцесорів. У деякі тижні фірма продавала більше до- відкової документації, ніж самих мікропроцесорів. Через певний час вони знайшли дуже широке застосування.
Таким чином, мікросхема 4004 стала першим мікропроцесором. Приблизно че- рез півроку про появу подібних пристроїв сповістили ще декілька фірм. Ці мікропро- цесори, виконані за р-МОП технологією, були чотирирозрядними, тобто за одним за- ходом могли обробляти тільки 4 біти інформації. Довжина програм і набір команд – обмежені, перші процесори – без багатьох функцій, обов’язкових для сучасних мікро- процесорів. У 1972 році фірма Intel випустила процесор 8008, який успадкував усі ос- новні риси 4004. Це – перший 8-розрядний процесор, який сьогодні відносять до про- цесорів першого покоління. Він уже мав акумулятор, шість регістрів загального приз- начення, покажчик стеку, вісім регістрів адреси та спеціальні команди для введен- ня/виведення даних, але цей процесор не став загальновживаним, зокрема у комерцій- них розробках.
Наприкінці 1973 року на фірмі Intel розробляється новий 8-розрядний мікропро- цесор 8080. Його архітектура та система команд виявилися настільки вдалими, що й сьогодні він вважається класичним. Тому для вивчення принципів побудови мікроп- роцесорних засобів та систем найбільш придатний і нині – процесор та допоміжні мік- росхеми саме серії 8080.
Широке застосування мікропроцесорів у техніці розпочалося з появою чіпа
8080, який належав до процесорів третього покоління, та він був не єдиним вдалим 8- розрядним процесором. Через півроку з’явився мікропроцесор 6800 американської фі- рми Motorola, який створив жорстку конкуренцію інтелівському процесору. Як і 8080, мікропроцесор 6800 був виконаний за n-МОП технологією, вимагав використання окремого тактового генератора, мав трьохшинну структуру з 16-розрядною шиною адреси, добре розвинену архітектуру і систему команд. Його головні переваги – поту- жніша, ніж у 8080, система переривань, та одна (а не три, як у 8080) напруга живлення.
Принципи внутрішньої архітектури 6800 також значно відрізнялися від 8080. Насам- перед відсутністю регістрів загального призначення, в яких, залежно від поставлених завдань, могла зберігатися як адресна інформація, так і числові дані. Замість них до складу внутрішніх пристроїв додався другий рівноцінний акумулятор для обробки да- них та спеціалізовані 16-розрядні регістри, де зберігалася тільки адресна інформація.
Дані для обробки вибиралися із зовнішньої пам’яті і туди ж поверталися після оброб- ки. Команди роботи з пам'яттю були простішими й коротшими, але пересилання байта у пам’ять займало більше часу, ніж обмін даними між внутрішніми регістрами 8080.
Архітектура жодного з двох згаданих процесорів не мала вагомих переваг, і кожен з них став родоначальником двох великих сімейств мікропроцесорів – Intel та Motorola, представники яких конкурують й досі.

10
Через рік після створення мікропроцесора 8080 кілька інженерів Intel перейшли в фірму Zilog і почали працювати над створенням нового процесора, спираючись на свої попередні розробки. В наслідок цього в 1977 році з
¢явився мікропроцесор Z80, який став кращим представником 8-розрядних процесорів. У порівнянні з 8080 він по- требував однієї напруги живлення, мав більш потужну та гнучку систему переривань, втричі вищу максимальну тактову частоту, два акумулятори та подвійний набір регіс- трів загального призначення. Система команд Z80 вміщувала в себе всі 78 команд мік- ропроцесора 8080 і майже таку ж кількість додаткових команд, тому програми, ство- рені для 8080, без будь-яких змін працюють і на Z80.
У 1978 році на фірмі Intel був виготовлений перший 16-розрядний мік- ропроцесор 8086, використаний компанією International Business Machines (IBM) для створення персональних комп’ютерів, а 16-розрядний чіп 68000 фірми Motorola засто- сований у відомих комп’ютерах Atari та Apple. Щодо “домашніх” комп’ютерів, то во- ни набули масового характеру з появою моделі ZX-Spectrum (на базі процесора Z80) англійської фірми Sinclair Research Ltd, засновником якої був талановитий інженер
Клайв Сінклер. Ідея використовувати телевізор замість монітора і магнітофон для збе- реження програм і даних значно здешевила домашній комп’ютер і зробила його дос- тупним середньому покупцеві.
Пізніше (середина 70-х) виникла ще одна тенденція у розвитку мікропроцесорів, що мала безпосереднє відношення до автоматизації та появи процесорів для вбудова- них використань. Початок їй поклав процесор 8085 фірми Intel. Спочатку він був за- мислений як продовження чіпа 8080, а через деякий час з’явилися Z80 та новий мікро- процесор 6809 фірми Motorola. Обидва вони значно перевищували 8085 за продуктив- ністю, що спонукало Intel взятися за розробку першого 16-розрядного мікропроцесора
8086, та з розробкою периферійних мікросхем 8156 і 8755 процесор 8085 отримав нові перспективи. Перша мікросхема вміщувала статичний ОЗП обсягом 256 байт, два 8- розрядних, побітно налагоджуваних на введення/виведення порти і програмований таймер-лічильник. До складу другої входили три багаторозрядних порти введен- ня/виведення та ПЗП ємністю 2 Кбайти з ультрафіолетовим затиранням. Об’єднавши відповідним чином виводи цих трьох мікросхем, розробники електронної апаратури отримали функціонально завершений модуль – мікроконтролер, який можна вбудову- вати до будь-яких приладів: вольтметрів, частотометрів, різноманітних підсилюваль- них пристроїв та перетворювачів. Декілька фірм випустили економічні за живленням k-МОП версії цього сімейства. Це надало можливість створювати мікропроцесорні прилади з автономним живленням. Нарешті, наприкінці 70-х років Intel “об’єднала” ці три мікросхеми в один чіп і виробила однокристальну мікро-ЕОМ 8048, до складу якої ввійшли ОЗП та ПЗП, арифметико-логічний пристрій, вбудований тактовий генератор, таймер-лічильник, порти введення/виведення. Далі були створені подібні до 8048 мік- роконтролери 8035 і 8748. Система команд однокристальних мікро-ЕОМ була значно слабшою, ніж у процесора 8085, об’єм ОЗП і ПЗП, кількість портів введен- ня/виведення теж були меншими, ніж у вищезазначеного трикорпусного модуля, але все це розміщувалося в одному корпусі, що значно спрощувало розробку та виробниц-

11
тво нових пристроїв на базі однокристальних мікро-ЕОМ. Ідея створення універ- сальних апаратних засобів з програмним налагодженням на конкретні задачі, яка стала поштовхом до появи мікропроцесорів, отримала найвищий ступінь реалізації саме в однокристальних мікроконтролерах.
На початку 80-х років Intel випустила потужнішу однокристальну мікро-
ЕОМ 8051, а згодом – і її модифікації 8031 та 8751. Ядро мікро-ЕОМ цієї серії – класичне для мікроконтролерів. Серед усіх мікроконтролерів сімейство MCS-51 – безсумнівний лідер за кількістю різновидів та компаній, де виготовляються його модифікації. На сьогодні існує понад 200 модифікацій мікроконтролерів MCS-51, які випускають майже 20 провідних фірм-виробників електронних компонентів
(Intel, Atmel, Siemens, Philips, Dallas Semiconductor, Temic, Oki, AMD, MHS, Gold
Star, Winbond, Silicon Systems), а також підприємства України, Росії, Білорусі).
Отримали поширення і мікроконтролери оригінальної архітектури фірм Motorola,
Zilog, Analog Devices, Microchip, Scenix, Holtec.
Створення мікропроцесора визнано одним із визначних досягнень ХХ сто- річчя. Тільки у 1995 році в світі було продано більше 200 мільйонів мікропроцесо- рів і понад 3 мільярдів мікроконтролерів. За даними журналу “Світ комп’ютерної автоматизації”, середній американець протягом дня близько 300 разів (!) має спра- ву з мікроконтролерами, вбудованими всюди – від пральних машин, ліфтів і теле- фонів до світлофорів, автомобілів та промислових верстатів.
Журнал “Огляд стану справ у напівпровідниковій промисловості і торгівлі”
(“Semiconductor Industry and Business Survey”) вважає: якби автомобілебудування та авіаційна промисловість розвивалися такими ж темпами, як виробництво напів- провідників протягом останніх 30 років, то автомобіль “Ролс–Ройс” коштував би 2 долари 75 центів і, використавши лише один літр бензину, міг би проїхати майже півтори тисячі кілометрів, а літак “Боінг 767” коштував би 500 доларів і міг би об- летіти навколо земної кулі за 20 хвилин, витративши лише каністру гасу. У 1996 році імена творців мікропроцесора доктора Теда Хоффа, доктора Федеріко Фе- джина та Стена Мейзора були занесені до Національної зали слави винахідників
США (м. Ейкрон, Огайо) і стали поряд із іменами Томаса Едісона, братів Райт та
Олександра Белла.
Незважаючи на інтенсивний розвиток та появу нових 16- та 32-розрядних мікроконтролерів і мікропроцесорів для вбудованих використань, найбільша час- тина світового мікропроцесорного ринку й досі залишається за 8-розрядними при- строями. За даними Semico Research Corp., Phoenix, середньорічний загальний сві- товий обсяг продаж мікроконтролерів усіх типів становив 11,4 млрд доларів, при цьому 5,56 млрд (або 48,6%) припало на частку 8-розрядних кристалів. Це у 2,5 раза більше обсягу продаж найближчих конкурентів: 16-розрядних мікроконтро- лерів (2,1 млрд дол.) та сигнальних процесорів (2,4 млрд дол.). За всіма прогноза- ми аналітичних компаній, лідируюче положення 8-розрядних мікроконтролерів на світовому ринку зберігатиметься і надалі.