Intel 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.

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.

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.

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.

Istruzioni aritmetiche

Operazioni Logiche

Operazioni di Trasferimento Dati

Istruzioni sui bit (Variabili Booleane) Operations

Istruzioni di controllo

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

1. data costante a 8 bit inclusa nell'istruzione
2. 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

• (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

• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file sull'Intel 8051

• (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).

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