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Inhalt

• Der MCS-51 Standard
• Der eingesetzte Einplatinencomputer
  1. Speicheraufteilung
  2. Monitorprogramm
  3. Assembler
  4. Bestückung der Platine
  5. Belegung RS232
• Hardware debugging
• MCS-51 Assembler
  1. Stapelspeicher
  2. Adressierungsarten
  3. 8051-SFB
  4. Sprünge
  5. Zeitgeber/Zähler
  6. Interrupts
  7. Beispielprogramm
• Literatur

Anhang

• Bauteile Einplatinencomputer
• MCS-51 Opcodes
• MCS-51 Mnemonics
  1. Arithmetic Operations
  2. Logical Operations
  3. Data Transfer
  4. Boolean Variable Manipulation
  5. Program and Machine Control
• Special Function Registers (SFR's)
  1. PSW - Program Status Word
  2. DPS - Data Pointer select
  3. IE - Interrupt Enable Control
  4. IP - Interrupt Priority Control
  5. TCON - Timer/Counter Control
  6. T2CON - Timer/Counter 2 Control
  7. TMOD - Timer/Counter Mode Control
  8. CKCON - Clock Control
  9. WDCON - Watch dog Control
  10. EIE - Extended Interrupt Enable
  11. EIP - Extended Interrupt Priority
  12. EXIF - Extended interrupt flag
  13. SCON0/SCON1 - Serial Control
  14. PCON - Power Control
• Interrupts
• 8051 Pinout
• Intel-HEX-Format
• Copyright und Haftung

Der MCS-51 Standard

Lange Zeit wurde aus den vorhandenen Bauteilen, erst Relais, dann Röhren, später Transistoren und schließlich standard-IC's für jedes Schaltungsproblem eine logische Schaltung entwickelt ohne daß jedoch ein Bauteil zur Verfügung stand, das viele Standardfunktionen ausführen konnte. Als dann universell programmierbare Mikroprozessoren verfügbar wurden, setzte man diese auch in Steuerungen ein. Der wachsende Bedarf nach Steuerungen führte schließlich zur Entwicklung von einfach anwendbaren Prozessoren, die die wesentlichen Mikrokomputerkomponenten wie CPU mit deren Takterzeugung, Timer, Speicher (RAM/ROM/EPROM/EEPROM/FLASH), serielle Schnittstelle und - für Steuerungen besonders wichtig - Interrupts und digitale I/O Ports schon enthalten. Man nennt diese ''Computer auf einem Chip'' Mikrocontroller. Da sie nur Komponenten besitzen, die für Steuerungsaufgaben interessant sind und da durch die Integration auf einem Chip das Gehäuse klein gehalten werden kann, sind die Bauteile relativ billig. Durch ihren Einsatz läßt sich häufig diskrete Hardware durch Software ersetzen , was Schaltungen vereinfacht und so Designkosten und Kosten für Änderungen teilweise erheblich reduziert. Mikrocontroller werden beispielsweise eingesetzt in HiFi- und Haushaltsgeräten (Mikrowelle, Waschmaschine, Fernseher, Videorecorder), Computerzubehör (Drucker, Modem), Meßgeräten, in der Meß- Steuer- Regelungstechnik zur Erfassung von Meßdaten und zur Steuerung, in Klimaanlagen und in zunehmendem Maße auch im Automobil (Motorregelung, ABS, Armaturenbrett mit digitalen Displays). Der Einsatz von Kleincomputern im Automobil ist heute teilweise soweit fortgeschritten, daß die Recheneinheiten schon durch ein kleines Netzwerk (meist CAN-Standard) untereinander verbunden werden. Je nach Anforderungen gibt es 4, 8, 16 und 32 Bit Mikrocontroller mit unterschiedlichen Taktraten und Zusatzkomponenten, wie PWM, Schnittstellen (CAN, I2C), A/D Wandler, Watchdog, DSP u.a. Den größten Anteil am Markt haben jedoch die 8-Bit Mikrocontroller und sie werden von ihren Herstellern weiter gefördert. Die wichtigsten Mikrocontrollerfamilien sind Motorola 68hc11, Intel 8051 (MCS-51) und Microchip PIC mit ihrem bekannten low-cost Abkömmling, der BASIC-Briefmarke. Der Motorola 68hc11 ist ein 8-Bit Mikrocontroller, der jedoch 16Bit Arithmetik kennt. Er hat sich aus den Motorola Prozessoren 6502, 6805, 6809 entwickelt, ist aber zu diesen nicht kompatibel. Bei ihm sind PWM Ausgänge Standard. Auch Microcontroller mit 68000 Kern sind erhältlich (683xx). Intels MCS-51 Architektur ist eine Weiterentwicklung der MCS-48 Reihe (eingeführt 1976), dem ersten Mikrocontroller überhaupt, der lange in Tastaturen für Computer eingesetzt wurde. Auch Intel bietet 16-Bit (MCS-96) und 32-Bit (80386EX) Mikrocontroller an. Es gibt viele andere Prozessor Hersteller, darunter National Semiconductor, Zilog, Atmel, Dallas, Siemens, Mitsubishi und NEC, die entweder eigene Architekturen entworfen haben, oder aber zu den vorher genannten kompatible Prozessoren anbieten.

Der original 8051 als Basis des MCS-51 Standards wurde von Intel 1980 entwickelt und hat sich zur erfolgreichsten und größten Mikrocontrollerfamilie entwickelt. Seine Fähigkeiten zur Bit-Manipulation und die große Menge an freier Software und Beispielprogrammen, die es für diese Architektur gibt, sowie die jüngsten Weiterentwicklungen anderer Hersteller (Atmel: FLASH, Dallas: High-speed, Philips, Siemens ...) machen diese Familie besonders interessant. Sie deckt den weitesten Bereich von Mikrocontrollerapplikationen bei Binärkompatibilität untereinander ab, d.h. bei unvorhergesehenen Problemen oder Weiterentwicklungen findet man wahrscheinlich einen Mikrocontroller von irgendeinem anderen Hersteller, der genau dieses Problem löst, ohne daß man neue Schaltungen entwickeln, neue Software kaufen und sich neu einarbeiten muß.

Die Familie MCS-51 ist sehr groß. Verschiedene Hersteller bieten Typen an, die sich in der Art und Anzahl von on-chip Zusatzkomponenten unterscheiden. Der Grundtyp ist der 8051, ein 8-Bit Rechner mit vier 8-Bit Ports, 128 Bytes internem RAM für Daten, 4k maskenprogrammierbarem ROM für Programmcode, internem Oszillator, zwei Timern/Countern, serieller bidirektionaler Schnittstelle und Harvard-Architektur, die getrennt je 64 kBytes externen Daten- und Programmspeicher ansprechen kann. Die traditionelle von Neumann Architektur mit gemeinsamem Programm- und Datenbereich ist bei Mikrocontrollern problematisch, da die Programme anders als bei Heimcomputern oft nicht aus dem RAM, sondern aus dem ROM ausgeführt werden. Daten können dort aber nicht verändert werden, so daß dafür ein separater Datenbereich zur Verfügung steht.

Aufgrund des maskenprogrammierbaren ROM's wird der original 8051 natürlich nur von größeren Firmen eingesetzt. Die ROM-lose Version heißt 8031 und es gibt auch Mikrocontroller mit EPROM mit Quarzglasfenster zum Löschen des Programmes oder als billigere OTP (one time programmable) Version für Kleinserien in denen der Code nur einmal geschrieben wird, ein maskenprogrammierbarer Speicher sich aber nicht lohnt. Die EPROM und OTP Versionen heißen 87Cxxx und elektrisch löschbare EEPROM Varianten in der Regel 89Cxxx. Der 8052 besitzt doppelt soviel RAM und ROM wie der 8051 und einen zusätzlichen Timer, der 8032 ist wiederum dessen ROM-lose Version, womit die Beschreibung der Grundtypen auch schon abgeschlossen ist.

Alle anderen haben mindestens die Eigenschaften des 8031, wenn man von den neuesten Chips Atmel 89C2051 und 89C1051 absieht, die ein nur 20 poliges Gehäuse, keine Möglichkeit zum Anschluß externen Speichers und daher nur 2 Ports haben. Versionen mit stark erweiterten Funktionen haben mehr Pins und dann auch andere Gehäuse. Der am einfachsten anzuwendende Typ ist sicher der 8052 AH-BASIC mit internem BASIC-Interpreter, der bei entsprechender Platine auch gleich die Programmiermöglichkeit für EPROMS bietet. Beim Aufbau eines Systems fällt also der externe Speicher für den Startup-Code weg und die Programmierung vereinfacht sich auch, setzt aber zeitunkritische Anwendungen voraus. Der Quellcode zum Basic-51 1.1 ist von intel als Public Domain freigegeben und kann daher selbst in ein EPROM gebrannt werden. Die derzeit schnellsten MCS-51 Mikrocontroller werden von Dallas angeboten (DS80C320, DS80C520), sie besitzen Taktraten bis 33MHz, bei optimiertem Prozessorkern. Die wohl komfortabelsten werden von Siemens hergestellt (SAB 80C517, SAB 80C537), die auch 16 Bit Arithmetik kennen, 6 Ports besitzen und standardmäßig über 4 PWM Ausgänge verfügen, dem 68HC11 also überlegen sind.

Im weiteren bezieht sich der Ausdruck 8051 auf alle Mitglieder der MCS-51 Familie, soweit nicht näher bezeichnet.

Der 8051 besitzt einen umfangreichen Befehlssatz mit logischen Befehlen, den üblichen Datentransport- und Sprungbefehlen, und auch arithmetischen Befehlen SUB, ADD, MUL, DIV. Die Stärke des Prozessors liegt jedoch in der direkten Bit Manipulation. Es müssen also nicht Bits mit z.B. OR 00001000B maskiert werden, sondern sie können direkt adressiert werden (nicht bei allen Adressen). Im Unterschied zu anderen Prozessoren, beispielsweise dem Vorgänger 8048, werden zur Steuerung von Timer und serieller Schnittstelle keine speziellen Befehle verwendet. Vielmehr gibt es spezielle Register, die im Datenbereich des 8051 angeordnet sind, die special function register (SFR). So sind Erweiterungen der Architektur leicht möglich, denn Compiler oder Assembler ändern sich nicht, der Programmierer kann aber die erweiterten Funktionen seines Prozessors über SFR Adressen ansprechen [15], [9], [13], [12], [2].

Der eingesetzte Einplatinencomputer

Das minimale MCS-51 System besteht aus einem 8751 mit eingebranntem Programmcode, einem Schwingquarz, zwei Keramik- und einem Elektrolytkondensator, und einem Widerstand. Programmänderungen sind dann aber nur durch Bestrahlung des Quarzfensters mit UV-Licht und anschließendem Beschreiben des Mikrocontrollers in einem speziellen EPROM-Brenner möglich, das Rücksetzen nur indem man die Versorgungsspannung abschaltet. Als Steuerplatine eines Mikrowellenofens wäre das völlig ausreichen, als Experimentalsystem zur Programmentwicklung jedoch völlig ungeeignet.

Drawing by Paul Stoffregen

Besser ist eine Schaltung, bei der man eine externe EPROM Emulation hat, in die man Programme laden und austesten kann und bei der Resetschalter und RS232 Pegelwandlung zum Anschluß an einen Computer vorhanden sind. Im Gegensatz zu TTL-Pegeln, bei denen eine logische null 0 bis 0.8V eine eins 2.4-5V entspricht, arbeitet die RS-232C Schnittstelle mit -3 bis -15 V als logischer eins und +3 bis +15V als logischer null, was sie unempfindlich gegenüber elektromagnetischer Einstreuung macht. Um den 8051 nicht zu zerstören braucht man jedoch eine Pegelwandlung. Diese, wie auch die Erzeugung einer symmetrischen Spannung +/- 10V übernimmt ein MAX232, der mit vier Kondensatoren 1 uF, 16V beschaltet werden muß, oder ein MAX233, der die Kondensatoren nicht benötigt.

(Drawing by Paul Stoffregen)

Legt man den EA pin des Mikrocontrollers auf null, so spricht der 8051 externen Speicher über seine Ports P0 und P2 an, diese sind dann nicht mehr als I/O Ports nutzbar. P0 enthält dabei zuerst die unteren 8 Adreßbits und dann die Daten. Man nennt dieses Verfahren multiplexen. Es wird angewendet um Anschlüsse zu sparen. Port P2 enthält die oberen 8 Adreßbits. Um die Adresse vollständig zuückzugewinnen benutzt man ein Latch, einen Zwischenspeicher, der mit dem ALE-pin des Prozessors angesteuert wird. Das ist in der Regel ein 74373 oder 74573, wegen der hohen Geschwindigkeit im Mikrocontrollersystem am Besten als HCT Version. Nun läßt sich externer Speicher über 16 Bit Adress- und 8 Bit Datenbus ansprechen. Um in einem Experimentalsystem Programme im RAM zu speichern und dort abarbeiten zu lassen, macht man die Trennung des Speichers in Daten- und Programmteil durch den Prozessor wieder rückgängig. Das geschieht durch logische OR Verknüpfung des PSEN und RD Signales. Da diese Pins aktiv eine Null führen wird dazu ein AND Gatter verwendet. Dieses Signal steuert dann das RAM. Der Adressdecodierung dient üblicherweise ein 74138. Die an den Adress-/Datenbus verlorenen Ports gewinnt man durch Einsatz eines I/O Bausteines 8255 zurück, hat dann sogar einen Port mehr als vorher, d.h. 40 I/O Leitungen von denen normalerweise zwei für die serielle Schnittstelle verwendet werden, also netto 38 Pins. Ein Resetschalter ermöglicht den Neustart des Rechners, dabei bleibt der RAM Inhalt übrigens erhalten.

Das hier benutzte Schaltungslayout und die Platine stammt von einem Lichtorgelprojekt aus [4]. Es handelt sich um einen Einplatinencomputer (EPC). Die Platine ist einseitig und die Schaltung entspricht dem eben beschriebenen experimentellen Minimalsystem mit EPROM Emulation zum schnellen Austesten von Programmen. Es besitzt keine serielle Pegelwandlung, da vom Entwickler die Ansteuerung über ein 11 poliges paralleles Kabel vorgesehen war, und kann mit einem beliebigen 40poligen 8051 Derivat mit passendem Quarz, einem EPROM 2764 oder 27128, einem 32K RAM 62256 und dem I/O Baustein 8255 bestückt werden. Es wurde der Dallas Prozessor 80C320 mit 24MHz Quarz und das 16K EPROM 27C128 gewählt. Bei den Speichern muß auf kurze Zugriffszeiten geachtet werden, da der Prozessor recht schnell ist. Das EPROM besitzt 150ns Zugriffszeit, das statische RAM üblicherweise 70ns, 166ns sind Maximum beim 80C320 mit 24MHz.

Der 80C320 von Dallas besitzt zusätzlich zu den Austattungsmerkmalen des 8032 einen Power-fail Reset und Frühwarninterrupt, sieben zusätzliche Interrupts, einen zweiten Datenzeiger (DPTR1), der Blockverschiebungen beschleunigt, Verbesserungen bei den Stromsparmodi, sowie einen programmierbaren Watchdog und ist in Versionen erhältlich, die bis 25 oder 33MHz betrieben werden können. Da die Architektur des CPU Kerns verbessert wurde, führt er einen Maschinenzyklus in nur 4 Taktzyklen aus. Ein Standard 80C32 braucht 12 Taktzyklen für einen Maschinenzyklus und wird üblicherweise mit 12MHz getaktet. Der eingesetzte Prozessor ist bei 24 MHz bis zu 6 mal schneller als ein Standardcontroller und erreicht eine theoretische peak performance von 6 Mips. Ein 8032 müßte mit 60MHz laufen um dieselbe Leistung zu erreichen. Um trotz der hohen Leistung langsame Peripherie ansprechen zu können, ist die Speicherzugriffsgeschwindigkeit bei externen Datenspeicherzugriffen wählbar von 2-9 Maschinenzyklen (80-1120 ns bei 25Mhz).

Die Speicheraufteilung des EPC ist bewußt einfach gehalten:

• 0x0000-0x3FFF: 16 k EPROM
• 0x4000-0x7FFF: I/O Bereich mit 8255 von 0x4000-0x4002
• 0x8000-0xFFFF: 32 k statisches RAM

Der Multiplexer unterteilt den Speicherbereich in 16k Blöcke. Über die beiden Dioden, die ein OR Gatter darstellen werden aus 2x16k zusammenhängende 32k für das RAM[4].

Dabei ein Paar grundlegende Worte zu Speichern: Die Speicher teilen sich grob in ROM, read ony memory - Nur Lesespeicher, und RAM , random access memory - Speicher mit wahlfreiem Zugriff auf. Für die beschreibbaren Speicher werden kleine Kondensatoren verwendet, deren Ladung schnell verlorengeht und die daher immer neu aufgefrischt werden müssen. Man nennt diese dynamische RAM's. Solche, die den Schaltzustand mit Flip-Flop's halten und nicht aufgefrischt werden müssen heißen statische RAM's. Sie besitzen typischerweise kleinere Zugriffszeiten, eine geringere Speicherdichte und sie sind teuerer als die dynamischen [3].

Einmal programmierbare PROMS besitzen durchschmelzende Sicherungen, maskenprogrammierbare ROM's werden ab Fabrik bei der Herstellung durch Einätzen des Bitmusters programmiert. Die Herstellung der Masken lohnt sich nur bei großen Stückzahlen. Der in Kleinserien, im Labor- und Hobbybereich beliebteste Festspeicher ist das EPROM, erasable programmable read only memory. Er kann in einem speziellen Gerät beschrieben und mit UV Licht wieder gelöscht werden. Er ist folgendermaßen aufgebaut: jedes Bit besitzt zwei Transistoren, einen für die Adreßdecodierung und einen FAMOS-Transistor, der die Information speichert. FAMOS bedeutet ''Floating Avalanche injection Metal Oxide Semiconductor''. Das Gate dieses Transistors ist rundum in Siliziumoxyd eingebettet und somit vollständig isoliert. Bei der Programmierung wird zwischen Gate und Substrat eine im Verhältnis zur Betriebsspannung relativ hohe Programmierspannung von 12 bis 21V angelegt, wodurch es zum Avalanche- oder Lawinendurchbruch durch die Isolierschicht kommt. Die so auf das Gate aufgebrachten Ladungsträger bleiben einige Jahre erhalten.

Auskunft über Hersteller und Programmierspannung gibt die silicon signature, die aus vielen EPROM's ausgelesen werden kann. Zur Löschung besitzen EPROM's UV-Licht durchlässige Quarzglasfenster. Bei Bestrahlung mit energiereichem UV-Licht entsteht nämlich ein fotoelektrischer Strom über den die Gate-Ladung abfließen kann. Im Freien bei Sonnenlicht kann ein EPROM bereits in einer Woche einzelne Bits verlieren. Man deckt daher das Fenster mit einem Selbstklebeetikett ab, das idealerweise metallisiert ist, ein Papieraufkleber schützt aber auch schon. Das Löschen im Löschgerät dauert etwa 15 bis 45 Minuten und man sollte eher großzügig sein, da ein unzureichend gelöschtes EPROM kurz nach dem Löschen leer erscheint, nach einiger Zeit aber das ursprüngliche Bitmuster wieder auftaucht! Nach korrektem Löschen ist das EPROM mit Einsen gefüllt, d.h. mit 0xFF in allen Zellen. Der Programmiervorgang besteht also darin, Bits zu löschen. Mit einem Programmiergerät ist es nicht möglich, Bits zu setzen, ein Speicherbereich der mit 0xFF gefüllt ist, läßt sich allerdings auch später programmieren ohne das EPROM erneut löschen zu müssen. Dadurch kann man ein kleines Monitorprogramm in ein großes EPROM brennen, wobei ein großer Teil des Speichers frei bleibt, den man später mit anderen Daten oder Programmen füllt.

Der Standardprogrammieralgorithmus sieht Programmierimpulse von 50 ms vor, d.h. an Vpp liegt die Programmierspannung an und Adreß- und Datenleitungen ändern sich während dieser Zeit nicht. Bei einem 27128, einem 16 kByte EPROM beträgt die Programmierzeit dann 13 Minuten und 40 Sekunden. Um das Verfahren zu beschleunigen wurden modifizierte Programmieralgorithmen entwickelt. Viele Speicherzellen sollen mit dem Wert 0xFF programmiert werden, den sie aber schon besitzen. Durch Auslassung dieser Speicherzellen läßt sich das Verfahren etwas verkürzen. Der intelligente Algorithmus geht jedoch weiter. Er benutzt Impulse vom 1ms, prüft danach, ob das Byte fehlerfrei zurückgelesen werden kann und wenn dies der Fall ist, maximal jedoch nach 15ms, wird mit der drei- bis vierfachen verstrichenen Zeit nachprogrammiert, um den Datenerhalt über längere Zeit sicherzustellen. Noch schneller ist eine Programmierung mit 0.5ms Impulsen und Nachprogrammierung mit nur der doppelten Dauer. Dieses Verfahren entspricht jedoch nicht mehr der Herstellerspezifikation und die Daten sind eventuell nicht ganz so lange haltbar [6], [7].

In [2] ist eine RAM Backup Schaltung beschrieben: eine 3,6V Lithium Zelle liefert über eine Diode und einen 1k Widerstand Strom an den 62256. Pin 28 aber auch Pin 20 (CE) werden über einen weiteren 1k Widerstand versorgt. Im Normalbetrieb liegt dieser Pin über einen selbstsperrenden MOSFET BS170 auf Masse, so daß der Baustein selektiert ist. Fällt die Betriebsspannung aus, so sperrt der FET und CE liegt auf Betriebsspannung, was dem Stand by modus des Chips entspricht.

Doch zurück zum benutzten Einplatinencomputer.

Die 8 LEDs des Ports B müssen nicht bestückt werden, erweisen sich jedoch als hilfreich, da sie Programmzustände anzeigen können, ähnlich dem Einfügen von printf() statements in C Quellcode beim Debuggen. Sie sind außer der seriellen Schnittstelle die einzige Möglichkeit, dem Benutzer etwas mitzuteilen. Abweichend von der Baubeschreibung sollte man jedoch Low current LEDs mit entsprechenden Vorwiderständen benutzen, da der 8255 normale LEDs gar nicht treiben darf (offenbar schafft er das doch).

Monitor

• Benutzerfreundlichkeit durch Klartext, Hilfefunktion und selbsterklärendem Ablauf.
• Bereitstellung von Routinen. Der Benutzer muß sich nicht um serielle Kommunikation, Arithmetik oder HEX Wandlung kümmern.
• Single step Modus zum Austesten von Programmen. Das macht einen Softwaresimulator oft überflüssig.
• Kein externes RAM notwendig. Praktisch beim ersten Einschalten, da man keinen Speicherchip braucht. Auch im single step Modus ist kein externes RAM nötig.
• Disassembler. Anschauen des Speicherinhalts ist nicht nur als Hex dump, sondern auch disassembliert möglich.
• Download von Benutzerprogrammen als Intel Hex.

Die voreingestellten Adressen für den PAULMON Start und den Anfang des RAM's sind 0x0000 und 0x2000, können jedoch leicht geändert werden. Für den EPC wird der RAM Bereich auf 0x8000 gelegt. Die Einschaltmeldung und der Prompt wurden gekürzt, die Benutzerführung ins Deutsche übersetzt, mehrere Bugs entfernt und einige Routinen ergänzt. Darunter die INI8032 Routine, welche Timer 2 für die Baudratenerzeugung benutzt und einige andere hardwarespezifische Verbesserungen enthält, darunter das Wechselblinken der Einschalt LED und die Erweiterung der Interruptvektoren am Anfang des Speicherbereichs auf alle dem 80C320 bekannten Interrupts. Die Zieladressen der Interruptvektoren wurden an das Ende des Speichers gelegt, wobei für jede Routine 256 Byte zur Verfügung stehen. Im Gegensatz zur Original INIT Routine darf sie mit einem Standardprozessor, einem anderen Quarz oder mit einem anderen Platinenlayout nicht verwendet werden. Es wird nämlich eine starre Baudratenerzeugung verwendet, wodurch mit einem 24MHz Quarz Baudraten von 19200 möglich sind, was die INIT Routine nicht mehr leistet. Damit der Monitor wieder mit allen Prozessoren, Quarzen und Bordlayouts zusammenarbeitet, muß in der Routine poweron der Aufruf ACALL INI8032 ersetzt werden durch LCALL INIT. Um Platz zu sparen kann dann die INI8032 Routine, die Rauschroutine und die Routinen zur LED Ansteuerung entfernt werden. Die Routinen STIME und MSTIME, die Zeitverzögerungsschleifen sind, sind Prozessor- und quarzspezifisch, können also angepaßt werden und einige Interruptvektoren am Anfang des Programms sind nur benutzbar mit dem 80C320, können also auch entfernt werden.

Assembler

Variable      EQU Wert

           .EQU Variable, Wert

Das kann man als Verbesserung des Sprachstandards ansehen, da Opcodes von Pseudo Opcodes durch den Punkt klar unterschieden sind. Von anderen Programmen übernommene Teile muß man jedoch meist leicht modifizieren. Die Kompatibilität der anderen getesteten Assembler ist jedoch ähnlich begrenzt. Mit einigen Änderungen des Quelltextes kann natürlich jeder andere 8051 Assembler verwendet werden. Es gibt außerdem auch FORTH51 Systeme im Internet oder aber kommerzielle C Compiler und Assembler.

Bestückung der Platine

Nun wird das serielle Interface mit dem MAX232 getestet, das auf der separaten Steuerplatine aufgebaut ist. Pin 16 führt die 5V Versorgungsspannung, pin 15 Ground. An Pin 2 müssen 8 bis 10V liegen, an Pin 6 -8 bis -10V. Der RS232 TxD Ausgang Pin 14 (Pin 7) hat normalerweise -9V und sollte auf +9V springen, wenn man den TTL Eingang Pin 11 (Pin 10) auf Ground legt. Analog liegt der TTL Ausgang Pin 12 (Pin 9) auf Eins und geht beim Anlegen einer positiven Spannung an RxD Pin 13 (Pin 8) auf Null. Pin 12 (Pin 9) des MAX232 geht an Pin 10 des 8051 und Pin 11 des MAX 232 wie des 8051 sind verbunden. Ohne Spannung werden jetzt der Prozessor, das EPROM mit eingebranntem Monitorprogramm, der 74373/573, 74138 und 7408 eingesetzt.

Die Kommunikation mit dem EPC geschieht über jedes Terminal oder Terminalprogramm, wie Kermit, ProComm, Windows oder OS/2 Terminal, mit dem auch die Uploads von Testprogrammen möglich sind. Die Verbindung erfolgt über ein normales dreiadriges Nullmodemkabel mit Kreuzung von RxD und TxD, der dritte Anschluß ist GND.

Die Datenübertragung bei RS232 erfolgt seriell, d.h. die einzelnen Bits werden nacheinander über eine Leitung übertragen. Da die Schnittstelle bidirektional ist, benötigt man eine Hin-, eine Rückleitung und die Masseleitung. Die vollständige RS232 Schnittstelle hat allerdings andere Leitungen, die Steuerungs- und Kontrollfunktion besitzen. Die Übertragung beginnt laut Norm mit einem logischen MARK (logisch 1) Zustand der Sender Ausgangsleitung. Diese Zustand liegt nach dem Einschalten vor und wird auch nach jeder Übertragung wieder eingenommen. Zur Benachrichtigung des Empfängers dient das Startbit: Für die Dauer eines Bits gibt der Sender SPACE (logisch 0) aus, wodurch der Empfänger seine Abfragelogik vorbereitet. Die Datenbits folgen dann von LSB bis MSB. Die elektrische Spezifikation sieht vor, Leitungen bis 30m anzuschließen, dies bei eingeschaltetem Rechner zu tun und erlaubt es, die Ausgänge kurzzuschließen. Der RS232 Standard ist auch als V.24 bekannt, mit der elektrischen Spezifikation in der V.28 und ist ebenfalls in der DIN66020 definiert. Eine solche Schnittstelle ist meist in irgendeiner Form an einem Computer, Drucker oder Terminal vorhanden. Dabei unterscheidet man zwischen DTE, data terminal equipment, oder Datenendeinrichtung und DCE, data communication equipment, also Datenübertragungseinrichtung. Bei DCE und DTE sind RxD und TxD gleich bezeichnet, bedeuten aber beim sendenden DCE, daß der Pin als solcher fungiert, beim DTE, daß hier der entsprechende Pin des DCE angeschlossen werden soll. DTE besitzt dabei einen männlichen Steckanschluß und die Pins sind von vornherein vertauscht, so daß man nur ein 1:1 Kabel mit einem männlichen und einem weiblichen Stecker benötigt um die Beiden zu verbinden. Zwei solcher Kabel lassen sich einfach zu einem längeren verbinden. Bei EPC Projekten ist es gängige Praxis eine weibliche Buchse benutzen, den EPC also als DCE zu sehen, die Pins aber trotzdem zu vertauschen. Das entspricht nun gar keiner Norm mehr und es ist schwierig, festzulegen ob denn nun der EPC oder der PC mehr sendet, also eher als DCE bezeichnet werden soll. Daher und da man ein ''richtiges'' Nullmodemkabel z.B. auch zur Kommunikation mit anderen Rechnern einsetzen kann, wird in den EPC eine RS232 Schnittstelle mit der Belegung des IBM PC eingebaut. Die RS232 arbeitet mit +/-3 bis 15V, die gegen Masse gemessen wird, und inverser Logik, d.h. dem hohen Spannungspegel für eine logische Null. Die Normen RS422 und RS485 hingegen benutzen zwei Leitungen auf denen +/- 2V anliegen, die differentiell gemessen werden, was eine höhere Übertragungssicherheit schafft. Während die RS232 nur zwei Geräte miteinander verbindet, können bei der RS422 mehrere Empfänger angeschlossen werden, bei der RS485 auch mehrere Sender, daher wird die elektrische Spezifikation RS485 gerne bei Netzwerken eingesetzt. Da bei einem Bussystem die Steckverbinder die größte Fehlerquelle darstellen sind übrigens serielle Busse und Netzwerke weniger fehleranfällig als parallele, da sie einfach weniger Kontakte besitzen. Selbst bei Kopplung mehrerer CPU's in einem Mehrprozessorsystem geht man teilweise ab von der parallelen Verbindung und benutzt statt dessen serielle Hochgeschwindigkeitslinks, einfach weil die heutigen CPU's ohnehin weit über hundert Pins besitzen. Gegen elektromagnetische Einstreuung schützt Abschirmung oder die Übertragung per Lichtleiter, der systembedingt dagegen resistent ist.

Belegung der seriellen Schnittstelle für einen 25 poligen Stecker und den 9 poligen IBM Standard

So angeschlossen muß man bei PAULMON nur ein Carriage Return an den EPC senden und er müßte sich melden, dabei sollte man den EPC nicht überfordern, sondern erst eine geringere Baudrate, wie 1200 Baud einstellen. Die Schnittstelle wird dabei mit 8 Datenbits ohne Parität mit einem Start- und einem Stopbit betrieben, es werden also immer 10 Bit als Datenpaket übertragen. Dabei soll nicht unerwähnt bleiben, daß die automatische Baudratenerkennung nur bis etwa 4800 Baud funktioniert wenn nicht ein spezieller Quarz eingesetzt wird. Diese erkennt man am ''krummen'' Wert, oft wird beispielsweise ein solcher mit 11.05920 MHz eingesetzt. Damit sind auch Datenraten von 9600 und 19200 Baud erreichbar, da der Baudratentakt dann exakt berechnet werden kann. Das ist besonders bei PAULMON von Vorteil, da er im Vergleich zu anderen Monitoren viel Text über die Schnittstelle sendet, aber auch beim Intel-Hex download von Programmen ist eine hohe Baudrate vorteilhaft. Timer 2, der nur bei 8032 und besser vorhanden ist, kann Baudraten mit feinerer Stufung generieren. Die bei der 80C320 Version von Paulmon eingesetzte Routine INI8032 generiert mit 24MHz Takt eine Baudrate von 19230.769 Baud. Die korrekte Bitbreite von 52.1ms wird dabei nur um 0,1ms oder 1.9% verfehlt. Da aber nach 10 übertragenen Bit ohnehin wieder auf das nächste Stopbit gewartet wird ist das belanglos. Damit ein Fehler aufritt müßten 521 Bit ohne Stobit übertragen werden. Sogar eine Baudrate von 20270.27, also eine Abweichung von 5.6% auf dem EPC bringt einwandfreie Übertragung bei 19200 Baud.

Meldet sich der EPC, so setzt man das RAM und den 8255 ein, lädt ein Testprogramm welches prüft ob RAM und externe Ports funktionieren. Wenn das nicht der Fall ist, muß man sich noch einmal die Hardware genauer anschauen.

Hardware debugging

Nun prüft man die angeschlossene Schaltung, bei einem High-speed Prozessor wie dem Dallas chip zweckmäßigerweise mit einem langsameren Quarz. So kommt man mit einem billigeren Oszilloskop aus und die Schaltung funktioniert auch, wenn man unglücklicherweise zu langsame Speicher eingesetzt hat. Mit einem Oszilloskop prüft man, ob der Oszillator schwingt. Das kann man mit einem 1/10 Tastkopf direkt an den Pins 18/19 tun, wobei man aber eventuell die Schwingung zum Erliegen bringt, oder man testet die Pins ALE und PSEN, die ständig arbeiten sollten. Die Pins haben eine Frequenz von 1/6 des Oszillators (beim Standard 8051!) und ALE hat ein Tastverhältnis von 1:3 und PSEN eines von 1:1. Auch ein Frequenzzähler hilft also weiter, wenn man kein Oszilloskop zur Verfügung hat. ALE ist der address latch enable Pin, taktet also das Latch 74373, PSEN bedeutet program store enable, ist also der Lesetakt für den externen Propgrammspeicher.

Zu diesen Messungen ist anzumerken, daß der Oszillator nicht selbst starten kann, wenn er nicht gut abgestimmt ist, sondern dazu muß ein Reset Impuls ausgelöst werden. Man sollte also von Zeit zu Zeit die Reset Taste drücken. Auch wird der Oszillator nicht bei andauerndem Reset schwingen, d.h. hat man beim Resetschalter den Öffner statt des Schließers angeschlossen passiert gar nichts. Beim Reset, wie beim Anlegen der Versorgungsspannung geht der Reset Eingang RST auf Eins um dann sofort wieder auf Null zu fallen. Wegen des internen pull-down Widerstandes am RST Pin genügt ein Kondensator an seinem Eingang für den power on reset. Wenn ein externes EPROM eingesetzt wird, muß der EA Pin des 8051 auf Null gelegt werden. Dann sollte der Prozessor das EPROM ansprechen, indem er den CS Pin des EPROM's auf Null legt. Das kann schon mit einem einfachen Voltmeter überprüft werden, da der Prozessor alle Instruktionen vom EPROM holen sollte und der Pin daher fast immer auf Null liegen sollte. Bei allen Tests prüft man die Schaltung von oben und setzt die Tastköpfe direkt auf die Beinchen der Chips. Erstens ist auch der Schaltplan und die Pinbelegung von oben gezeichnet und außerdem werden so die Verbindungen der Sockel gleich mitgetestet und verbogene Pins erkannt. Bei einem eingesetzten EPROM mit Monitorprogramm sollten die höheren Adressleitungen inaktiv bleiben, da der Prozessor eine kleine Schleife in einem eng umgrenzten Speicherbereich abarbeitet.

Ersetzt man das Programm EPROM durch ein NOP EPROM, also eines, das mit lauter Nullen gefüllt ist, so sollte der Prozessor durch seinen kompletten Adreßraum laufen und die Adressleitungen ein Muster aufweisen, bei dem jede Leitung die halbe Frequenz der vorherigen führt. Das gilt meist auch bei völlig fehlendem Speicher. Die niederwertigen Bits der Adresse mißt man natürlich nach dem Latch. Als nächsten Test setzt man ein EPROM mit einer Endlosschleife ein.

                            ; Test fuer 8051

0000:                       .org 0x0000
0000: 04           start:   inc A
0001: F5 90                 mov P1, A
0003: 80 FB                 sjmp start

Das Programm gibt ansteigend die Werte 0x00 bis 0xFF ab Port P1 des Prozessors aus. Tut sich immer noch nichts, kann man jetzt daran denken, die Bausteine nacheinander auszuwechseln, oder bei selbst entwickelten Schaltungen sollte man sich noch einmal prinzipielle Gedanken über die Schaltung machen [14], [5], [6].

MCS-51 Assembler

In Maschinensprache zu programmieren ist praktisch unzumutbar. Das bedeutet nämlich, daß der Programmierer für jeden Befehl in einer Tabelle einen Zahlenwert, den operation code, kurz Opcode nachschlägt und eingibt. Schon bei der Fehlersuche jedoch muß der Programmierer alle Opcodes auswendig wissen um das Programm verfolgen zu können. Faßt man aber Opcodes die ähnliche Funktion haben mit einem Merkkürzel, einem Mnemonic zusammen, und überläßt das Nachschauen des Opcodes einem einfachen Programm, so kann der Programmierer alle Maschinenbefehle gezielt einsetzen, muß sie aber nicht als Zahl auswendig lernen. Sowohl die entstandene Sprache als auch das Übersetzungsprogramm heißen Assembler. Übersetzt der Assembler in die Maschinensprache einer anderen Systemarchitektur, beispielsweise Übersetzung eines MCS-51 Assemblerprogramms auf einem IBM kompatiblen PC, so heißt der Assembler Crossassembler. Da heute niemand mehr in Maschinensprache programmiert, wird leider gelegentlich der Begriff Maschinensprache für die Assemblerprogrammierung benutzt.

Auch in Assembler kann man stukturiert programmieren. Aussagekräftige Label für Sprungmarken und Variablen und das Anlegen von wiederverwendbaren Unterroutinen, die natürlich entsprechend kommentiert sind, sind dafür unabdingbar, genau wie in jeder anderen Sprache. Strukturiert heißt in jedem Fall, daß ein möglichst kurzes, leicht durchschaubares Hauptprogramm existiert, das die Funktionen des Programms als Unterroutinen aufruft. Man kann also schon daran erkennen, wie das Programm arbeitet, wenn man auch noch nicht die einzelnen Lösungen versteht. Dafür muß man sich dann die Unterroutinen anschauen. Früher galt ein Assemblerprogrammierer als gut, wenn er die komliziertesten Algorithmen in ein paar Byte packen konnte. Verstehen oder ändern konnte solch eine Routine oft nur der Programmierer selbst. Heute hat man schon auf einem kleinen EPC meist genügend Speicherplatz und Rechengeschwindigkeit, so daß ein paar Befehle mehr uns nicht vor Speicherplatzprobleme stellen. Programmiertricks sollte man daher nur in Ausnahmefällen anwenden. Dort muß dann besonderer Wert auf Dokumentation gelegt werden.

Nun zum Befehlssatz des 8051: Die 44 Mnemonics eines MCS-51 Assemblers ermöglichen bei einigen Befehlen sowohl Bit- als auch Bytemanipulationen (ANL, ORL, CLR, CPL) oder Operationen auf den Datenzeiger DPTR, das einzige 16Bit Register (MOV byte/bit/DPTR, INC), so daß diese als zwei oder drei unterschiedliche Befehle gerechnet werden müssen. Es ergeben sich 51 Grundbefehle (Daher MCS-51). Dafür gibt es wiederum bei Speicherzugriffen unterschiedliche Adressierungsarten, also muß der Programmierer 111 Befehle unterscheiden. 49 davon bestehen aus nur einem Byte, 45 aus zwei und 17 aus dreien. Wie in Assembler üblich folgt dem Mnemonic erst der Ziel- dann der Quelloperand. Für schnellen Zugriff stehen vier Bänke zu acht Registern R0 bis R7 zur Vefügung, die vom Prozessorkern unterschiedlich angesprochen werden. Dadurch spalten sich Befehle die darauf zugreifen noch einmal in je acht Opcodes auf. Insgesamt besteht die MCS-51 Maschinensprache aus 255 Opcodes, also ist nur einer der 256 möglichen 8Bit Opcodes nicht genutzt. Es ist der Opcode 0xA5. Die vier arithmetischen Operationen erlauben nur 8 Bit Arithmetik, höhere Mathematikfunktionen werden nicht direkt unterstützt. Genauere oder Fließkommaarithmetik, sowie Trigonometrische Funktionen u.s.w. lassen sich nur durch entsprechende Routinen auf Kosten der Laufzeit erreichen. Der Prozessor unterstützt jedoch BCD Berechnungen. Bei BCD (binary coded digit) Zahlen, auch gepackte Dezimalzahlen genannt, enthält ein Nybble (Nybble=4 Bit) jeweils eine Dezimalziffer, man benutzt also die Codes 0xA bis 0xF nicht. Das ist vorteilhaft bei Ansteuerung von Anzeigen, da die dezimale Struktur der Zahl nicht vollständig verlorengeht. Bei arithmetischen Operationen treten jedoch Fehler auf, die mit dem speziellen Maschinenbefehl DA korrigiert werden können. Der Status der Berechnung läßt sich im Prozessorstatuswort (PSW) abfragen, das folgende Flags enthält:

Das Carry CY, PSW.7 oder C wird gesetzt, wenn ein Übertrag in Bitposition 7 entsteht, andernfalls wird es gelöscht. Es wird benutzt bei Addition von vorzeichenlosen Zahlen.

Zur BCD Addition gibt es das Auxiliary Carry AC, PSW.6, das gesetzt wird, wenn ein Übertrag in Bitposition 3 entsteht, d.h. von der ersten Stelle zur zweiten.

Das Überlauf Flag OV, PSW.2 wird gesetzt wenn ein Übertrag an Bitposition 6 entsteht aber keiner an Position 7 oder aber an Position 7 und keiner an Position 6. Es ist zur Addition vorzeichenbehafteter Zahlen gedacht.

Prüfsummenberechnungen führt der Mikrocontroller im Akkumulator selbständig durch. Das Parity Flag P, PSW.0 wird automatisch entsprechend gerader Parität gesetzt.

Das Flag F0, PSW.5 kann vom Benutzer frei genutzt werden.

Die Flags PSW.4, RS1 und PSW.3, RS0 selektieren die Registerbank, wie im Anhang beschrieben.

Obwohl der Mikrocontroller 8051 eine CISC CPU enthält und daher Stack- und Akkumulatororientiert arbeitet, d.h. bei arithmetischen Operationen enthält der Akkumulator ACC oder A den Quelloperand und auch nach Ausführung des Befehls das Ergebnis, ist es möglich viele Operationen am Akkumulator vorbei direkt an Registern auszuführen. Die jeweils aktive Registerbank R0-R7 wird durch PSW.4 (RS1) und PSW.3 (RS0) selektiert (siehe Anhang). Die Bänke belegen die ersten 32 Byte 0x00 bis 0x1F des internen Speichers. Man könnte bei der Programmierung auch diese Adressen angeben, der Befehl belegt dann aber mehr Speicher und wird langsamer ausgeführt. Gleiches gilt für den Akkumulator: ACC ist die Speicheradresse des Akkumulator, die Angabe von A generiert einen speziellen, auf den Akkumulator ausgerichteten Befehl wenn das möglich ist. Einen speziellen Opcode für PUSH A gibt es beispielsweise nicht, dort muß man die Adresse des Akkumulators angeben: PUSH ACC. Der Unterschied in der Opcodegenerierung ist im Motorola Assembler deutlicher: dort gibt es einen eigenen Befehl um den Akkumulator zu laden - LDA XXX. Bei intel heißt dieser Befehl MOV A, XXX.

Das B Register dient bei MUL und DIV als zweites Arbeitsregister, kann aber sonst einfach als neuntes Register genutzt werden. Im Gegensatz zu diesen ist B Bit adressierbar, d.h. es gibt die Bit Adresse B.3 (Bit drei des Bytes B), aber nicht die Adresse R0.3.

Stapelspeicher

Der Stackpointer SP zeigt nach einem Reset auf die Adresse 0x07, wodurch der Stack bei 0x08 beginnt, also bei Registerbank 1. Im Speicher folgen die Registerbank 2 und 3 und dann der Bit adressierbare Speicherbereich. Die Registerbänke und der Bit adressierbare Bereich würden daher bei höherer Stapeltiefe vom Stack überschrieben, können so also nicht benutzt werden. Es ist daher sinnvoll den Stackpointer bei der Initialisierung darüber zu legen, d.h. ab 0x30 oder höher. Bei den Mikrocontrollern mit 256 Byte internem RAM bietet sich der Bereich ab Adresse 0x80 an. Dieser Bereich ist zweigeteilt. Bei direkter Adressierung erfolgt der Zugriff auf SFR, bei indirekter Adressierung auf die zweite Hälfte des internen RAM, der Stack benutzt natürlich das RAM.

Der Datenzeiger DPTR besteht aus den Bytes DPH (data pointer high) und DPL (data pointer low) und ermöglicht Zugriff auf den gesamten 64kByte Speicher. Er wird wie ein 16 Bit Register verwaltet, es gibt also Befehle mit denen direkt ein Wort in den DPTR geschrieben werden kann.

Diese Zusammenhänge werden klarer, wenn man die Adressierungsarten des 8051 versteht.

Die Adressierungsarten

• Register Adressierung. Bei einigen Befehlen kann ein Operand des Befehls in die drei am wenigsten signifikanten Bits des Opcodes codiert werden, wenn der Operand eines der acht Register der aktiven Registerbank ist. Dadurch wird beispielsweise der Assemblerbefehl

          MOV A, R0
  

  in nur ein Byte Maschinensprache 0xE8 übersetzt. Register Adressierung wird im MCS-51 Assembler mit Rn bezeichnet.



• Direkte Adressierung. Jede Adresse der unteren 128 Byte des internen RAM und jedes SFR können direkt mit einem 8 Bit Operanden adressiert werden. Adressen unter 0x80 sprechen dabei das interne RAM, Adressen von 0x08 bis 0xFF sprechen SFR, also beispielsweise den Akkumulator und Statusregister an.

  	.EQU Variable, 0x21
          MOV  A, Variable               ; Adresse 0x21 direkt adressiert
  

  Beim 8032 können die oberen 128 Bytes internes RAM nur über den Stackpointer SP und die Register indirekte Adressierung angesprochen werden. Direkte Adressierung wiederum ist der einzige Weg Hardwareadressen (SFR) anzusprechen.



• Register indirekte Adressierung. Bei Register Adressierung und direkter Adressierung wird die Adresse schon bei der Assemblierung festgelegt. Das ist bei Stringoperationen, Blockverschiebungen oder arithmetischen Berechnungen mit erhöhter Präzision sehr unpraktisch. Bei der Register indirekten Adressierung zeigt Register 0 oder 1 der aktuellen Registerbank auf die Adresse, die als Operand dienen soll. Die anderen Register können nicht verwendet werden. Register indirekte Adressierung wird im MCS-51 Assembler mit Ri mit einem vorgestellten ''at'' Zeichen @ bezeichnet. Auch hier wird das gewählte Register in den Befehlsopcode hineincodiert und zwar in das LSB (hier lowest significant Bit, nicht Byte). Mit Register indirekter Adressierung sind auch Adressen des internen RAM von 0x80 bis 0xFF erreichbar, d.h. sie sprechen nicht die SFR an, sondern das RAM.

          MOV R0, 0x21
          .
          .
          .
          INC R0
          MOV A, @R0                     ; Hole Wert der an Speicherstelle
                                         ; 0x22 steht in den ACC
  



• Unmittelbare Adressierung. Will man in den Zieloperanden eine Konstante laden, so kann man diese schon bei der Assemblierung festlegen. Die Konstante wird mit einem Nummernzeichen # versehen.

          MOV A, #0xFF
  



• 16 Bit Adressierungen. Sind Kombinationen und Erweiterungen der angesprochenen Adressierungsarten auf 16 Bit. Mit ihnen kann man die 64kByte des externen Datenspeichers (MOVX, eXternal) oder Programmspeichers (MOVC, Constant) ansprechen.

          MOV   DPTR, #0x4001           ; 16 Bit Adresse laden
          MOVX  @DPTR, A                 ; Akkumulator ins externe RAM
                                         ; (oder Peripherie),
                                         ; Adresse M0x4001schreiben.
          .
          .
          CLR   Acc
          MOV   DPTR, 0x1000
          MOVC  A, @A+DPTR               ; z.B. um aus einer Tabelle im
                                         ; ROM sequentiell zu lesen.
  

  MOVC ist nicht nur relativ zu A, sondern auch relativ zum PC möglich, mit MOVC kann man selbstverständlich nur lesen (ROM!).



• Direkte Bit Adressierung. Logikfunktionen lassen sich auf Bytes oder auf die 256 direkt adressierbaren Bits anwenden, zu denen die Bits der SFR und die Ports gehören, ebenso wie die Adressen 0x20 bis 0x2F. Dies ist ein wichtiger Unterschied zu üblichen Mikroprozessoren, der den 8051 diesen bei Steuerfunktionen sogar überlegen macht. Die Bit Adressen 0x00 bis 0x7F sprechen die 128 Bit der 16 Bytes im internen RAM von 0x20 bis 0x2F an, wobei Bit Adresse 0x00 das Bit 0 der Adresse 0x20 entspricht oder Bit Adresse 0x66 das Bit 6 von Adresse 0x2C. Die Bit Adressen 0x80 bis 0xFF sprechen SFR Bits an. Hierbei sind SFR's bitweise adressierbar, deren Adresse mit 0 oder 8 endet. Dazu wird einfach die Wertigkeit des Bit addiert. Bit Adresse 0xD7 ist das Bit 7 des PSW, also PSW.7 und kann auch als CY oder C angesprochen werden. Wiederum generiert die Angabe von C einen speziellen Opcode, der schneller ist, analog zur Opcodegenerierung bei ACC und A.

  B	F7	F6	F5	F4	F3	F2	F1	F0	0xF0
  ACC	E7	E6	E5	E4	E3	E2	E1	E0	0xE0
  PSW	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0	0xD0
  IP	BF	BE	BD	BC	BB	BA	B9	B8	0xB8
  P3	B7	B6	B5	B4	B3	B2	B1	B0	0xB0
  IE	AF	AE	AD	AC	AB	AA	A9	A8	0xA8
  P2	A7	A6	A5	A4	A3	A2	A1	A0	0xA0
  SCON	9F	9E	9D	9C	9B	9A	99	98	0x98
  P1	97	96	95	94	93	92	91	90	0x90
  TCON	8F	8E	8D	8C	8B	8A	89	88	0x88
  P0	87	86	85	84	83	82	81	80	0x80

  8051-SFB

  Dabei ist jedoch die Notation Adresse.Bit einzuhalten, da die Angabe einer Adresse vom Assembler als absolute Adresse verstanden würde und nicht als Bit Adresse. Bei der Angabe MOV C, Adresse.Bit codiert der Assembler den Opcode für bitweises MOV 0xA2 und dann die Bit-Adresse.

  Das Carry kann als Akkumulator bei Bit Operationen angesehen werden.

          MOV C, P1.3     ; Wert des Bit 3 von Port 1 ins Carry
  

Bei Sprüngen unterscheidet man drei Adressierungsarten

• Langer Sprung. Der Befehl besteht aus drei Byte, wovon die letzten beiden eine 16 Bit Adresse darstellen. Mit dem Befehl

          LJMP addr16
  

  läßt sich also jede beliebige Adresse im Programmspeicher des 8051 erreichen.



• Absoluter Sprung. Er benötigt nur zwei Byte, da die Adressbits 11 bis 15 mit dem aktuellen Stand des PC übereinstimmen. Bits 8 bis 10 werden in den Befehl hineincodiert und die Bits 0 bis 8 stellen das zweite Byte des Befehls dar. Es kann also nur eine Adresse im gleichen 2k Block erreicht werden, in dem der Sprung stattfinden soll, wobei der PC vor Ausführung inkrementiert wird. Steht der Sprung aber in den letzten zwei Byte des aktuellen Blocks, so geht der Sprung in den nächsten 2k Block! Man hat also mit diesem Befehl ein in 2k Seiten unterteiltes Speichermodell.

          AJMP addr11
  



• Kurzer Sprung. Auch er besteht aus zwei Bytes, der Operand stellt jedoch eine vorzeichenbehaftete 8 Bit Zahl dar. Der Sprung kann unabhängig von Speicherseiten 128 Bytes zurück oder 127 Bytes vorwärts stattfinden.

          SJMP rel
  

Die Sprungmarken werden dabei als Bezeichner mit nachgestelltem Doppelpunkt definiert und ohne Doppelpunkt referenziert.

label:
        .
        .
        SJMP  label

Der intel Assembler asm51 erlaubt im Gegensatz zum as31 die Verwendung des Pseudo Mnemonics JMP. Der Assembler entscheidet dann selbst, welcher der drei Sprünge ausgeführt wird.

Bei Unterprogrammaufrufen ist es nicht sinnvoll einen eigenen Opcode für kurze Sprünge zu reservieren, es gibt daher nur ACALL und LCALL, keinen SCALL [15], [9], [2].

Auch die Ports können bitweise adressiert werden. Sie sind bidirektional, können also sowohl als Eingang, als auch als Ausgang dienen. Wenn ein Pin als Eingang benutzt werden soll, so muß eine Eins in das Bit des betreffenden Ports geschrieben werden. Dabei ist zu beachten, daß Port 0 im Gegensatz zu den anderen drei Ports Open drain Ausgänge hat, also bei Ausgabe einer Eins stromlos ist. Die anderen Ports besitzen interne Pullups, bei Port 0 muß man diese selbst ergänzen. Bei Benutzung von externem EPROM und/oder RAM werden jedoch ohnehin die Ports 0 und 2 als Adress-/Datenbus benutzt, stehen also zur Ausgabe nicht zur Verfügung. Einige Operationen lesen den Status des Latches am Port, andere geben den Pegel der Pins zurück. Die Operationen, die Werte vom Port lesen, verändern und zurückschreiben sind solche, die das Latch lesen. Dazu zählen die logischen Operationen ANL, ORL, XRL, CPL, sowie INC, DEC, DJNZ und die Bit-Operationen "MOV PX.Y, C", "CLR PX.Y", und "SETB PX.Y". Man nennt das read-modify-write feature. Ein einfaches "MOV var, PX" liest nur das Level der Portpins.

Zeitgeber/Zähler

Interrupts

Welche Ereignisse aber können Interruptauslöser sein? Das legt die Hardware des Prozessors fest. Beim 8051 gibt es fünf Interruptquellen, beim 8052 sechs. Dazu gehören die externen Interrupts, also Pins des Prozessorchips, die Timer und der serielle Port. Werden die Pins P3.2 und P3.3, auch INT0 und INT1 genannt, auf low gelegt, so verzweigt der Prozessor an die Adressen 0x0003 bzw. 0x0013. Diese Adressen werden auch Interruptvektoren genannt. Auch die Timer lösen bei einem Zählerüberlauf einen Interrupt aus und bei Empfang eines Zeichens über die serielle Schnittstelle oder nach erfolgtem Senden eines Zeichens wird zum seriellen Interrupt verzweigt. Beim seriellen Interrupt muß in der service Routine anhand der Bits RI und TI entschieden werden, ob empfangen, oder erfolgreich gesendet wurde. Je nach Ausstattungsmerkmalen besitzt der Prozessor eine unterschiedliche Anzahl an Interrupts, so erklärt sich schnell das der 8051 nur fünf Interruptquellen, nämlich zwei externe, die Timer 0 und 1 und den seriellen Interrupt besitzt, beim 8052 aber auch der Timer2 Interrupts auslösen kann. Der Dallas 80C320 besitzt statt sechs Interrupts dreizehn. Die zusätzlichen Interrupts sind vier externe Interrupts und weitere von der zweiten seriellen Schnittstelle, vom Watchdog und Power fail. Eine Tabelle der Interruptvektoren findet sich im Anhang. Damit wirklich zur Interruptroutine gesprungen wird, muß nicht nur die Interruptbedingung eintreten, sondern auch der Interrupt eingeschaltet (enabled) sein. Das geschieht einerseits durch Setzen des globalen Interrupt enable Bits EA (enable all) im Register IE (interrupt enable) und dann durch Setzen des individuellen enable Bits, beim Timer0 interrupt beispielsweise das Bit ET0 (IE.1).

Beim Einschalten des Rechners beginnt der Prozessor mit der Programmabarbeitung an der Stelle 0x0000, d.h. an dieser Stelle muß sich bereits ein Programm befinden (Monitorprogramm). Das kann nur ein ROM oder EPROM sein. Kurz darüber liegen aber die Interruptvektoren, so daß auch diese im ROM liegen. Benutzerprogramme könnten also nie Interrupts benutzen. Hinzu kommt, daß zwischen den Vektoren nur wenige Bytes frei sind. Man schreibt daher üblicherweise ins ROM an diese Adressen LJMP's, die in die EPROM Emulation springen. Ein Ausschnitt aus PAULMON sieht folgendermaßen aus:

        .EQU    start,0x0000            ; EPROM start
        .EQU    interrupt, 0xF300       ; interrupt mapping
        .ORG    start+0x0B              ; Timer 0 interrupt
        LJMP    interrupt+0x0200        ; Jump to service Routine

Wenn also der Timer0 überläuft, so verzweigt der Prozessor ins EPROM an die Adresse 0x000B, an der der Befehl LJMP 0xF500 steht. Verwendet man die deutsche PAULMON Version für den 80C320 Prozessor, so steht diese Sequenz bereits im Speicher. Das folgende Programm INTRDEMO.A51, startet den Timer 0, ermöglicht den Interrupt und plaziert eine Interrupt service Routine an der Stelle interrupt+0x0200, die in diesem Fall beispielsweise die LED's blinken läßt. Das Programm zeigt in Kürze die Programmierung des 8255, eines Timers und eines Interrupts und einiges mehr, es lohnt sich also, ein wenig Zeit aufzuwenden um es zu verstehen.

Beispielprogramm

; Ein paar Definitionen
        .EQU    FlagReg, 0x7E
        .FLAG   Linksflag, B.0
        .EQU    Muster, 0x7F
        .EQU    Mod8255, 0x4003         ; 8255 Steuerregister
        .EQU    PortA, 0x4000           ; Port A des 8255
        .EQU    PortB, 0x4001           ; ...
        .EQU    PortC, 0x4002

        .ORG    0x8000                  ; Programmstart
        MOV     dptr, #Mod8255          ; Adresse laden
        MOV     A, #10001001b           ; Ports A und B als Ausgang
        MOVX    @dptr, A                ; Steuerregister schreiben
        MOV     Muster, #00000001b      ; Start-LED Muster

        MOV     TH0,  #0x00             ; 65536*12=786432 Taktzyklen
        MOV     TL0,  #0x00             ; => Frequenz 30.5Hz
        MOV     TMOD, #00000001b        ; Timer0 16 Bit mode
        MOV     TCON, #00010000b        ; Timer0 starten
        MOV     IE,   #10000010b        ; Bits EA und ET0 gesetzt
        RET                             ; Das war's schon
; ******************************************************************
; Jetzt die Interrupt service Routine. 
        .ORG     0xF500                 ; Timer 0 Interrupt
; Da ein Interrupt immer auftreten kann, muessen alle benutzten
; Register durch PUSH gesichert werden
        PUSH    PSW
        PUSH    Acc
        PUSH    B
        PUSH    DPL
        PUSH    DPH
; ============================ cut here ============================
; Jetzt die eigentliche Routine. Sie laesst die 8 LED's der
; Prozessorplatine nach Art des Knight Rider blinken, d.h. eine
; LED laeuft wie ein Ping Pong Ball von links nach rechts und
; wieder zurueck. Fuer das Verstaendnis der Interruptprogrammierung
; ist die eigentliche Routine aber nicht wichtig.
        MOV     B, FlagReg
        MOV     A, Muster               ; LED-Muster laden
        MOV     C, Acc.7                ; erstes und
        ORL     C, Acc.0                ; letztes Bit verodern
        JNC     weiter
        JB      Acc.7, clrl             ; Linkes Ende => rechts
        SETB    Linksflag               ; andernfalls links rollen
        SJMP    weiter
clrl:   CLR     Linksflag
weiter: JB      Linksflag, links
rechts: RR      A                       ; Nach rechts schieben
        SJMP    Ausgab
links:  RL      A			; Nach links schieben
Ausgab: MOV     Muster, A               ; Muster wieder speichern
        MOV     dptr, #PortB            ; Adresse Port B laden
        MOVX    @dptr, A                ; Port B schreiben
        MOV     FlagReg, B
; ============================ cut here ============================
; Die gesicherten Register wiederherstellen
        POP     DPH
        POP     DPL
        POP     B
        POP     Acc
        POP     PSW
        RETI                            ; und zurueckspringen
; ******************************************************************

Nach Programmstart kann mit PAULMON ganz normal weitergearbeitet werden, die LED's blinken interruptgesteuert weiter. Zum Verständnis kann man einmal das RETI ändern in ein normales RET. Das Programm funktioniert dann nicht mehr. Zwischen den beiden Zeilen ''cut here'' kann eigentlich jede beliebige Routine stehen, die nur die Register A, B und DPTR benutzt. sonst müssen zusätzliche PUSH und POP eingefügt werden. Das PSW sollte immer gerettet werden, da man oft Befehle einfügt, die das Carry Flag C benutzen, das im PSW liegt, was leicht vergessen wird.

Zur Programmierung der seriellen Schnittstelle und Arithmetik sei hier auf Paulmon verwiesen.

Literatur

1. Murray Sargent III: Assemblersprache und Hardware des IBM PC/XT/AT; Bonn: Addison Wesley, 1988
2. Dr. Ing. Martin Ohsmann: 8051 Mikrocontroller und Assembler Kursus; 3. Auflage. Aachen: Elektor-Verlag, 1993
3. Prof. Dr.-Ing. D. Zühlke: Script zur Vorlesung Rechneranwendung im Maschinenbau vom Lehrstuhl für Produktionsautomatisierung; Kaiserslautern, 1995
4. Stefan Seidenberg: Lichtorgel mit Einplatinencomputer; In: Elektor Sonderheft uC-Projekte 2 (Elektor Sonderheft Plus 23) S.10-20, 43
5. 8031 Fehlerdiagnose; In: Elektor Sonderheft uC-Projekte 2 (Elektor Sonderheft Plus 23) S. 5-9
6. Rolf-Dieter Klein: Mikrocomputer selbstgebaut und programmiert: vom Baustein zum fertigen Z-80 Computer; 2 Auflage. München, Franzis, 1983
7. Helmut Weidner: Aktuelles IC-Datenbuch IV
8. Burkhard Kainka: PC Schnittstellen Angewandt; 3 Auflage. Aachen, Elektor, 1994
9. intel corporation: Microcontroller Handbook; 1984
10. Günter Klotz: Bits im Gänsemarsch; In: c't (1986), Nr. 12, S. 185-190
11. Dallas semiconductors: DS 80C320 High-Speed Micro Data Sheet; http://www.dalsemi.com, 1995
12. Russ Hersch, russ@silicom.co.il: 8051 FAQ; To be found on:

    	  comp.sys.intel
    	  comp.arch.embedded
    	  comp.robotics
    	  sci.electronics
    	  alt.comp.hardware.homebuilt
    	

    And various FTP sites ..., 1995
13. Russ Hersch: Microcontroller primer and FAQ; Internet, 1995
14. Paul Stoffregen: Paul's Sample 8051 Development Board Design. Testing and Getting It To Work: http://www.ece.orst.edu/~paul/8051-goodies/dev-board-testing.html, 1996
15. Werner Hennig-Roleff: Hardware-Beschreibung des 8051 Mikrocontrollers; Teil der Dokumentation zu SIM51, einem 8051 Simulator. Aus dem Internet. Esslingen: 1991

Anhang

Bauteile Einplatinencomputer

MCS-51 Opcodes

MCS-51 Mnemonics

Arithmetic Operations

Logical Operations

Data Transfer

Boolean Variable Manipulation

Program and Machine Control

• Rn: Register R0 - R7 of the currently selected register bank.
• direct: 8-bit internal data location's address. This could be an internal Data RAM location (0-127) or a SFR.
• @Ri: 8-bit internal Data RAM location addressed indirectly through register R0 or R1.
• #data: 8-bit constant included in instruction.
• #data16: 16-bit constant included in instruction.
• addr11: 11-bit destination address. Used by ACALL and AJMP. The branch will be within the same 2K byte page of Program Memory as the first byte of the following instruction.
• addr16: 16-bit destination address. Used by LCALL and LJMP. A branch can be anywhere within the 64K byte Program Memory address space.
• rel: Signed (two's complement) 8-bit offset byte. Used by SJMP and all conditional jumps. Range is -128 to +127 bytes relative to first byte of the following instruction.
• bit: Direct addressed bit in internal Data RAM or SFR.

Special Function Registers (SFR's)

• * = Bit addressable
• + = only on 8052 and better
• ! = only on 80C320

PSW - Program Status Word

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