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Microcontrollore SAB-C515-LN di Infineon, basato sul core 8051.

L'Intel 8051 è un microcontrollore a 8 bit su singolo chip basato su architettura Harvard, prodotto da Intel a partire dal 1980 come processore per sistemi integrati. La versione originale di Intel era popolare negli anni ottanta e i primi anni novanta ma è stata in seguito ampiamente sorpassata da una vasta gamma di dispositivi 8051-compatibili, più veloci e/o funzionali, prodotti da oltre 20 aziende indipendenti come Atmel, Infineon Technologies (precedentemente Siemens AG), Maxim Integrated Products (tramite la sua sussidiaria Dallas Semiconductor), NXP (precedentemente Philips Semiconductor), Nuvoton (precedentemente Winbond), ST Microelectronics, Silicon Laboratories (precedentemente Cygnal), Texas Instruments e Cypress Semiconductor. La differenza tra una vera e propria CPU e l'8051 è che quest'ultimo possiede 32 linee di I/O, organizzate in gruppi di 8 bit ciascuno. ad ognuno di questi è possibile collegare un pulsante, un LED, oppure altri dispositivi che possano fornire I/O all'8051.

La designazione ufficiale di Intel per la famiglia 8051 di microcontrollori è MCS 51. La prima versione fu prodotta utilizzando tecnologia NMOS mentre le versioni successive, identificate da una lettera C nel loro nome (es., 80C51) usavano tecnologia CMOS ed erano quindi più efficienti dal punto di vista energetico dei loro predecessori NMOS. Ciò li rendeva particolarmente adatti per l'uso su dispositivi a batteria.

Architettura 8051

L'8051 possiede 60000 transistor. Il cuore dell'8051 è rappresentato dal bus principale cui sono collegati vari registri, quasi tutti destinati a lettura o scrittura, sotto il controllo del programma.

L'8051 è dotato di due memorie separate per codice e dati. La RAM dei dati è di soli 256 byte, mentre la memoria ROM del codice può raggiungere i 64 KB. Oltre al bus principale e ai registri, sul chip dell'8051 ci sono due timer a 16 bit che risultano indispensabili per le applicazioni in tempo reale. Sono presenti anche 4 porte I/O a 8 bit, che permettono all'8051 di controllare 32 dispositivi esterni come pulsanti, luci, sensori, attuatori e altro.

L'8051 è un processore sincrono in cui la maggior parte delle istruzioni, seppur non tutte, impiegano un solo ciclo macchina. Ogni ciclo macchina è suddiviso in dodici cicli di clock, e da sei stati. Ad ogni stato viene eseguita una precisa operazione che portano all'esecuzione dell'istruzione.

Applicazioni e funzioni importanti

Il chip dell'8051 integra le funzionalità seguenti:

CPU a 8 bit
Registri, accumulatore e unità aritmetico-logica ALU a 8 bit
bus dati a 8 bit
Bus indirizzi a 16 bit (spazio indirizzabile complessivo: 2¹⁶ = 64kB indipendenti su RAM e ROM)
RAM interna (memoria dati) - 256 byte
ROM interna (memoria programma) - 4kB
Quattro porte di I/O orientate al byte
UART (porte seriali) di tipo sincrono (SPI, Serial Peripheral Interface) e asincrono
Due contatori/timer a 16 bit
Gestore di interrupt a due livelli di priorità
Controllo del consumo (modalità di risparmio energetico)

Una caratteristica particolarmente utile dell'8051 è la possibilità di elaborare direttamente e in modo efficiente variabili booleane a un solo bit, nei registri e nella RAM. Questa caratteristica ha contribuito a consolidare la popolarità dell'8051 in applicazioni di controllo industriale. Un'altra caratteristica apprezzata è la presenza di quattro gruppi separati di registri di contesto, usati per ridurre drasticamente le latenze degli interrupt rispetto ai metodi tradizionali di immagazzinamento del contesto su stack.

Le porte seriali dell'8051 rendono semplice l'uso del chip come interfaccia di comunicazione. È infatti possibile configurare la modalità di connessione tra i pin esterni e i registri a scorrimento interni, collegandoli anche ai timer interni, ottenendo così il supporto di diverse modalità di comunicazione seriale, di tipo sia sincrono (SPI) che asincrono.

Le porte UART integrate, dalla gestione particolarmente semplice, sono in grado di comunicare secondo i protocolli seriali più diffusi, in particolare è supportata anche una modalità compatibile con il protocollo RS-485 per comunicazioni multipunto. Questa capacità di interfacciamento verso altri dispositivi rende l'8051 particolarmente adatto per applicazioni di tipo embedded.

La versione originale dell'8051 ha un ciclo macchina pari a 12 cicli di clock. Dato che la maggior parte delle istruzioni richiedono uno o due cicli macchina, usando un clock a 12 MHz l'8051 è in grado di eseguire in un secondo fino a un milione di istruzioni da un ciclo macchina e fino a cinquecentomila istruzioni da due cicli macchina. Le ultime versioni dell'8051 hanno ridotto drasticamente il numero di cicli di clock per ciclo macchina, fino ad arrivare a un ciclo macchina per ciclo di clock, come avviene nei modelli prodotti da SILabs, da alcuni Dallas e da qualche Atmel: a una frequenza di clock di 100 MHz la CPU risulta quindi particolarmente efficiente, altra caratteristica fondamentale per le applicazioni di tipo embedded. Grazie all'impiego di tecnologie FPGA, gli ultimi modelli di 8051 sono in grado di lavorare a una frequenza di clock pari a 200 MHz.

I più recenti modelli di microcontrollore basati su core 8051 hanno esteso anche le funzionalità integrate nel chip, aumentando il numero di sorgenti di interrupt, estendendo le funzionalità accessorie quali il numero di timer e contatori e integrando ulteriori funzioni ausiliarie: oscillatori interni, memorie non volatili programmabili (flash EPROM, EEPROM), ROM con bootloader per un avvio velocizzato, dispositivi avanzati di comunicazione seriale sincrona (I²C), gestori di interfaccia USB, modalità a basso consumo e a risparmio energetico, meccanismi di autodiagnostica eccetera.

Programmazione

Oltre alla programmazione in linguaggio assembly nativo, sono disponibili diversi compilatori C, completi di estensioni per il controllo dell'allocazione delle variabili nei vari tipi di memoria e per l'accesso alle caratteristiche hardware specifiche dell'8051, come ad esempio i banchi di registri per le variabili a singolo bit. Sono inoltre disponibili compilatori e interpreti di altri linguaggi di alto livello come: Forth, BASIC, Pascal/Object Pascal, PL/M e Modula 2.

Instruction set

Istruzioni aritmetiche

Mnemonici	Descrizione	Bytes	Cicli
ADD A,Rn	Somma ad A il contenuto del registro Rn	1	1
ADD A,direct	Somma ad A il contenuto della posizione direct	2	1
ADD A,@Ri	Somma ad A il contenuto della posizione puntata da Ri	1	1
ADD A,#data	Somma ad A il dato immediato	2	1
ADDC A,Rn	Somma ad A il contenuto del registro Rn e il CY	1	1
ADDC A,direct	Somma ad A il contenuto della posizione direct e il CY	2	1
ADDC A,@Ri	Somma ad A il contenuto della posizione puntata da Ri e il CY	1	1
ADDC A,#data	Somma ad A il dato immediato e il CY	2	1
SUBB A,Rn	Sottrae da A il contenuto del registro Rn e il CY	1	1
SUBB A,direct	Sottrae da A il contenuto della posizione direct e il CY	2	1
SUBB A,@Ri	Sottrae da A il contenuto della posizione puntata da Ri e il CY	1	1
SUBB A,#data	Sottrae da A il dato immediato e il CY	2	1
INC A	Aumenta di 1 il contenuto di A	1	1
INC Rn	Aumenta di 1 il contenuto del registro Rn	1	1
INC direct	Aumenta di 1 il contenuto della posizione direct	2	1
INC @Ri	Aumenta di 1 il contenuto della posizione puntata da Ri	1	1
DEC A	Diminuisce di 1 il contenuto di A	1	1
DEC Rn	Diminuisce di 1 il contenuto del registro Rn	1	1
DEC direct	Diminuisce dI 1 il contenuto della posizione direct	2	1
DEC @Ri	Diminuisce di 1 il contenuto della posizione puntata da Ri	1	1
INC DPTR	Aumenta di 1 il contenuto del registro DPTR	1	2
MUL AB	Moltiplica il contenuto di A per quello di B; la parte bassa del risultato va in A e la parte alta va in B	1	4
DIV AB	Divide il contenuto di A per B; il quoziente va in A e il resto in B	1	4
DA A	Realizza l'aggiustamento decimale del contenuto di A. Utilizzando la rappresentazione in BCD le istruzioni ADD e ADDC debbono essere seguite da DA: ciò assicura che il risultato sia ancora in BCD	1	1

Operazioni Logiche

Mnemonici	Descrizione	Bytes	Cicli
ANL A,Rn	AND logico tra A e il contenuto del registro Rn	1	1
ANL A,direct	AND logico tra A e il contenuto della posizione direct	2	1
ANL A,@Ri	AND logico tra A e il contenuto della posizione puntata da Ri	1	1
ANL A,#data	AND logico tra A e il dato immediato	2	1
ANL direct,A	AND logico tra il contenuto della posizione direct e dell'ACC; il risultato rimane nella posizione direct	2	1
ANL direct,#data	AND logico tra il contenuto della posizione direct ed il dato; il risultato rimane nella posizione direct	3	2
ORL A,Rn	OR logico tra A e il contenuto del registro Rn	1	1
ORL A,direct	OR logico tra A e il contenuto della posizione direct	2	1
ORL A,@Ri	OR logico tra A e il contenuto della posizione puntata da Ri	1	1
ORL A,#data	OR logico tra A e il dato immediato	2	1
ORL direct,A	OR logico tra il contenuto della posizione direct e dell'ACC; il risultato rimane nella posizione direct	2	1
ORL direct,#data	OR logico tra il contenuto della posizione direct ed il dato immediato; il risultato rimane nella posizione direct	3	2
XRL A,Rn	EX-OR logico tra A e il contenuto del registro Rn	1	1
XRL A,direct	EX-OR logico tra A e il contenuto della posizione direct	2	1
XRL A,@Ri	EX-OR logico tra A e il contenuto della posizione puntata da Ri	1	1
XRL A,#data	EX-OR logico tra A e il dato immediato	2	1
XRL direct A	EX-OR logico tra il contenuto della posizione direct e A, il risultato rimane nella posizione direct	2	1
XRL direct,#data	EX-OR logico tra il contenuto della posizione direct e il dato, il risultato rimane nella posizione direct	3	2
CLR A	Azzera tutti i bit di A	1	1
CPL A	Complementa a 1 (ovvero inverte) tutti i bit di A	1	1
RL A	Ruota di un posto verso sinistra i bit di A	1	1
RLC A	Ruota di un posto verso sinistra i bit di A con riporto al CY	1	1
RR A	Ruota di un posto verso destra i bit di A	1	1
RRC A	Ruota di un posto verso destra i bit di A con riporto al CY	1	1
SWAP A	scambia i due nibble dell'accumulatore	1	1

Operazioni di Trasferimento Dati

Mnemonici	Descrizione	Bytes	Cicli
MOV A,Rn	Copia in A il contenuto del registro Rn	1	1
MOV A,direct	Copia in A il contenuto della posizione direct	2	1
MOV A,@Ri	Copia in A il contenuto della posizione puntata da Ri	1	1
MOV A,#data	Copia in A il dato immediato	2	1
MOV Rn,A	Copia nel registro Rn il contenuto di A	1	1
MOV Rn,direct	Copia nel registro Rn il contenuto della posizione direct	2	2
MOV Rn,#data	Copia nel registro Rn il dato immediato	2	1
MOV direct,A	Copia nella posizione direct il contenuto di A	2	1
MOV direct,Rn	Copia nella posizione direct il contenuto del registro Rn	2	2
MOV direct, direct	Copia nella posizione direct il contenuto della posizione direct	3	2
MOV direct,@Ri	Copia nella posizione direct il contenuto della posizione puntata da Ri	2	2
MOV direct,#data	Copia nella posizione direct il dato immediato	3	2
MOV @Ri,A	Copia nella posizione puntata da Ri il contenuto di A	1	1
MOV @Ri,direct	Copia nella posizione puntata da Ri il contenuto. della posizione direct	2	2
MOV @Ri,#data	Copia nella posizione puntata da Ri il dato immediato	2	1
MOV DPTR,#data16	Copia in DPTR un dato a 16 bit	2	1
MOVC A,@A+DPTR	Copia in A il contenuto della memoria programma di indirizzo DPTR + A	1	2
MOVC A,@A+PC	Copia in A il contenuto della memoria programma di indirizzo PC + A +1	1	2
MOVX A,@Ri	Copia in A il contenuto della memoria dati esterna puntata da Ri	1	2
MOVX A,@DPTR	Copia in A il contenuto della memoria dati esterna puntata da DPTR	1	2
MOVX @Ri,A	Copia nella posizione di memoria dati esterna puntata da Ri il contenuto di A	1	2
MOVX @DPTR,A	Copia nella posizione di memoria dati esterna puntata da DPTR il contenuto di A	1	2
PUSH direct	Copia nella posizione puntata da SP il contenuto della posizione direct e aumentalo Stack di una unità	2	2
POP direct	Copia nella posizione direct il contenuto della posizione puntata da SP e diminuisce lo Stack di una unità	2	2
XCH A,Rn	Scambia il contenuto di A con quello di Rn	1	1
XCH A,direct	Scambia il contenuto di A con quello della posizione direct	2	1
XCH A,@Ri	Scambia il contenuto di A con quello della posizione puntata da Ri	1	1
XCHD A,@Ri	Scambia il nibble meno significativo di A con il più significativo della posizione puntata da Ri	1	1

Istruzioni sui bit (Variabili Booleane) Operations

Mnemonici	Descrizione	Bytes	Cicli
CLR C	Azzera il flag CY	1	1
CLR bit	Azzera il bit dell'indirizzo [bit]	2	1
SETB C	Pone a 1 il flag CY	1	1
SETB bit	Pone a 1 il bit dell'indirizzo [bit]	2	1
CPL C	Inverte il flag CY	1	1
CPL bit	Inverte il bit dell'indirizzo [bit]	2	1
ANL C,bit	AND logico fra CY e il bit dell'indirizzo [bit]	2	2
ANL C,/bit	AND logico fra CY e la negazione del bit dell'indirizzo [bit]	2	2
ORL C,bit	OR logico fra CY e il bit dell'indirizzo [bit]	2	2
ORL C,/bit	OR logico fra CY e la negazione del bit dell'indirizzo [bit]	2	2
MOV C,bit	Copia nel carry il bit di indirizzo bit	2	1
MOV bit,C	Copia il carry nell'indirizzo bit	2	2

Istruzioni di controllo

Mnemonici	Descrizione	Bytes	Cicli
ACALL addr11	Manda in esecuzione una routine entro un segmento da 2K (solo in avanti)	2	2
LCALL addr16	Manda in esecuzione una routine (anche fuori segmento, fino a ±32K)	3	2
RET	Termina l'esecuzione di una routine	1	2
RETI	Termina l'esecuzione della routine di risposta ad un'interruzione	1	2
AJMP addr11	Salta all'indirizzo specificato entro un segmento da 2K (solo in avanti)	2	2
LJMP addr16	Salta all'indirizzo specificato (anche fuori segmento, fino a ±32K)	3	2
SJMP rel	Salta a [rel] posizioni successive del Program Counter (entro –128 e +127)	2	2
JMP @A+DPTR	Salta alla posizione di PC puntata da A + il contenuto del DPTR	1	2
JZ rel	Salta alla posizione [rel] se il contenuto di A è uguale a zero	2	2
JNZ rel	Salta alla posizione [rel] se il contenuto di A è diverso da zero	2	2
JC rel	Salta alla posizione [rel] se il bit di CY vale 1	2	2
JNC rel	Salta alla posizione [rel] se il bit di CY vale 0	2	2
JB bit,rel	Salta alla posizione [rel] se il bit contenuto nell'indirizzo [bit] vale 1	3	2
JNB bit,rel	Salta alla posizione [rel] se il bit contenuto nell'indirizzo [bit] vale 0	3	2
JBC bit,rel	Salta alla posizione [rel] se il bit contenuto nell'indirizzo [bit] vale 1, e poi lo azzera	3	2
CJNE A,direct,rel	Salta alla posizione [rel] se il contenuto di A è diverso da quello di [direct]; se A è minore di [direct] pone CY=1, altrimenti CY=0	3	2
CJNE A,#data,rel	Salta alla posizione [rel] se il contenuto di A è diverso dal dato immediato; se A è minore di #dato pone CY=1, altrimenti CY=0	3	2
CJNE Rn,#data,rel	Salta alla posizione [rel] se il contenuto di Rn è diverso dal dato immediato; se Rn è minore del dato pone CY=1, altrimenti CY=0	3	2
CJNE @Ri,#data,rel	Salta alla posizione [rel] se il contenuto della posizione puntata da Ri è diverso dal dato immediato; se il contenuto del riferimento è minore del dato pone CY=1, altrimenti CY=0	3	2
DJNZ Rn,rel	Diminuisce di 1 il contenuto di Rn; se Rn non diventa 0, salta a [rel]	2	2
DJNZ direct,rel	Diminuisce di 1 il contenuto della posizione [direct]; se il contenuto non diventa 0, salta a [rel]	3	2
NOP	Nessuna operazione (ritardo di un ciclo macchina)	1	1

Note

Rn Registri di lavoro R0-R7
direct 128 locazioni di ram interna, porta di I/O, registro di controllo o stato
@Ri Locazione di RAM interna indiretta indirizzata dal registro R0 o R1

data costante a 8 bit inclusa nell'istruzione
data16 costante a 16 bit inclusa nell'istruzione

bit 128 flag software, pin di I/O, bit di controllo o stato
addr16 L'indirizzo di destinazione può essere ovunque nei 64-kByte dello spazio di memoria programma
addr11 L'indirizzo di destinazione sarà nella stessa pagina di memoria programma ampia 2-kByte come primo byte della corrente istruzione
rel offset a 8-bit relativo al primo byte della corrente istruzione (+127, -128)
All mnemonics copyrighted (C) Intel Corporation 1979

Varianti

Chip	Memoria dedicata al programma	Tipo di memoria	RAM	Numero di timer	Numero di interrupt
8031	0 KB	---	128	2	5
8051	4 KB	ROM	128	2	5
8751	8 KB	EPROM	128	2	5
8032	0 KB	---	256	3	6
8052	8 KB	ROM	256	3	6
8752	8 KB	EPROM	256	3	6

Bibliografia

(EN) William Payne, Embedded Controller Forth for the 8051 Family (hardcover), Elsevier, 19 dicembre 1990, p. 528, ISBN 978-0-12-547570-9.
Andrew S. Tanenbaum, Architettura degli elaboratori, un approccio strutturale, Pearson Prentice Hall

Altri progetti

Wikimedia Commons contiene immagini o altri file sull'Intel 8051

Collegamenti esterni

(EN) Opere riguardanti Intel 8051 (Microcontroller), su Open Library, Internet Archive.
Atmel, su atmel.com.
CAST, Inc. (8051 IP core provider), su cast-inc.com. URL consultato il 21 maggio 2009 (archiviato dall'url originale il 30 aprile 2009).
NXP (Philips), su standardics.nxp.com. URL consultato il 21 maggio 2009 (archiviato dall'url originale il 28 aprile 2009).
Maxim Integrated Products, su para.maxim-ic.com. URL consultato il 21 maggio 2009 (archiviato dall'url originale il 7 marzo 2007).
Nuvoton, su nuvoton.com. URL consultato il 21 maggio 2009 (archiviato dall'url originale il 17 giugno 2009).
Roman-Jones FPGA Based 8051 Core, su roman-jones.com.
Silicon Labs, su silabs.com.
Texas Instruments, su focus.ti.com.
STC Semiconductor (Chinese supplier of 8051-based products), su mcu-memory.com. URL consultato il 21 maggio 2009 (archiviato dall'url originale il 28 febbraio 2009).
Dolphin Integration (8051 IP provider), su dolphin.fr. URL consultato il 21 maggio 2009 (archiviato dall'url originale il 1º giugno 2009).
DIGITAL CORE DESIGN, DCD (8051/80390 IP core provider), su dcd.pl. URL consultato il 21 maggio 2009 (archiviato dall'url originale il 13 febbraio 2008).