Intel 8051

L'Intel 8051 è un microcontrollore a 8 bit su singolo chip basato su architettura Harvard, prodotto da Intel nel 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.

Microcontrollore SAB-C515-LN di Infineon, basato sul core 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 efficenti 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 sole 128 byte, metre la memoria RAM del codice può raggiugnere i 64 KB. Oltre al bus principale e ai registri, sul chip dell'8051 ci sono tre 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...

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

Applicazioni e funzioni importanti

Microarchitettura i8051.

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) - 128 byte
ROM interna (memoria programma) - 4kB
Quattro porte di I/O orientate al byte
UART (porte seriali) di tipo sincrono (SPI, Serial Perypheral 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 100MHz 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 200MHz.

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 assembler 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.

Varianti

Processore Intel 8031

Esistono due varianti dell'8051:

la variante 8031 è una versione priva di ROM interna, che rende quindi obbligatorio l'uso di un componente esterno;
la variante 8751 è una versione caratterizzata dalla presenza di 4kB di EPROM interna al posto della ROM.

Dell'8051 e delle sue varianti sono state prodotte anche versioni potenziate, denominate rispettivamente 8052, 8032 e 8072 caratterizzate tutte dalla presenza di un terzo timer/contatore a 16 bit e da una capacità doppia delle memorie interne RAM e, dove previste, ROM ed EPROM.

Bibliografia

(English) William Payne, Embedded Controller Forth for the 8051 Family (hardcoverformato richiede url (aiuto)), Elsevier, December 19, 1990, p. 528, ISBN 978-0125475709. Lingua sconosciuta: English (aiuto); Formato sconosciuto: hardcoverformato richiede url (aiuto) (aiuto)