제2장. 하드웨어(Hardware)

1. MCS-51 Family

ㅇ MCS-51 Family 특징(8051이 기본)

  ① 8bit Microcontroller optimized for control applications

  ② 4Kbyte On-chip ROM/EPROM(Flash)

  ③ 128/256byte RAM

  ④ 2/3 16bit Timer/Counters

  ⑤ 32 Programmable I/O lines

  ⑥ Programmable Serial Port

  ⑦ 64Kbyte External Program Memory Space

  ⑧ 64Kbyte External Data Memory Space

  ⑨ Boolean Processor

  ⑩ Extended Automotive Temperature Range(-40℃ ～ +125℃)

  ⑪ 5 Interrupt Sources

  ⑫ TTL and CMOS Compatible Logic Levels

  ⑬ Available in PLCC and DIP package

  ⑭ On-Chip clock oscillator

  * 교재 24page 그림2-1. 8051 블록도 및 27page 그림2-2. 8051 핀 출력 참조

ㅇ  MCS-51 Family

2. 핀

2.1 Port 0 (P0.0～P0.7 , pin 32～39)

ㅇ 외부 메모리를 연결하지 않았을 때에는 입출력 port로 사용

   (bit별 사용시 각 핀은 독립적으로 입력 또는 출력으로 사용)

ㅇ 외부 메모리(ROM, RAM) 연결시 주소 및 데이터 신호가 함께 나오는 AD0～AD7  line으로 사용

2.2 Port 1 (P1.0～P1.7 , pin 1～8)

ㅇ 법용 입출력 port로 사용

   (bit별 사용시 각 핀은 독립적으로 입력 또는 출력으로 사용)

2.3 Port 2 (P2.0～P2.7 , pin 21～28)

ㅇ 외부 메모리를 연결하지 않았을 때에는 입출력 port로 사용

   (bit별 사용시 각 핀은 독립적으로 입력 또는 출력으로 사용)

ㅇ 외부 메모리(ROM, RAM) 확장시 주소(A8～A15) 신호 line으로 사용

2.4 Port 3 (P3.0～P3.7 , pin 10～17)

ㅇ 외부 메모리를 연결하지 않았을 때에는 입출력 port로 사용

   (bit별 사용시 각 핀은 독립적으로 입력 또는 출력으로 사용)

ㅇ 다른 기능 보유

2.5 /PSEN(Program Store ENable) (pin 29)

ㅇ 외부 프로그램(코드) 메모리(ROM)를 읽어 들일 때 active LOW 신호

   (외부 ROM의 출력 인에이블(/OE) 핀과 연결)

ㅇ 내부 ROM의 프로그램 실행시는 HIGH 신호

* 교재 46page 그림2-8. 외부 코드 메모리 접근 참조

2.6 ALE(Address Latch Enable)

ㅇ ALE는 어드레스와 데이터가 같이 나오는 P0포트의 신호선들을 어드레스와 데이터로 구분

* 교재 46page 그림2-8. 외부 코드 메모리 접근 참조

2.7 /EA(External Access) (pin 31)

ㅇ 내부 ROM을 사용할 것인지, 외부 ROM을 사용할 것인지를 결정

   (내부 ROM 사용시는 /EA=“1”(high), 외부 ROM 사용시는 /EA=“0”(low))

* 교재 46page 그림2-8. 외부 코드 메모리 접근 참조

2.8 RST(Reset) (pin 9)

ㅇ master Reset, Reset=1(High)

ㅇ Reset 되면 Program Counter 00H 셋팅(그 외 레지스터 초기화) - 표2-6 참조

   (전원 공급시 Reset 신호가 없으면 프로그램이 어느 번지부터 시작할 지 모름)

* 교재 53page 그림2-15. 시스템 리셋을 위한 두 회로 참조

2.9 칩 발진기(XTAL) 입력 (pin 18,19)

ㅇ On-Chip oscillator : * 교재 27page 그림2-2. 8051 핀 출력 참조

ㅇ External Clock : * 교재 30page 그림2-3. TTL 발진기로부터 8051 구동 참조

2.10 전원 (pin 20,40)

ㅇ Vcc(+5V) : 40번 핀, Vss(Ground) : 20번 핀

3. 기억 장치 구조

3.1 내부 RAM(On-Chip RAM)

* 교재 33page 그림2-6. 8051 칩 데이터 메모리 참조

ㅇ 내부 RAM은 레지스터 뱅크, 비트 주소 가능한 RAM, 범용 RAM 및 특수             기능 레지스터(SFR)로 구분

ㅇ 레지스터 뱅크(Register Bank)

  - 4개의 뱅크(Bank0, Bank1, Bank2, Bank3)

  - 1개의 뱅크에 8개의 레지스터(R0 ～ R7)

    ․ Bank0 : 00H ～ 07H, R0 ～ R7

    ․ Bank1 : 08H ～ 0FH, R0 ～ R7

    ․ Bank2 : 10H ～ 17H, R0 ～ R7

    ․ Bank3 : 18H ～ 1FH, R0 ～ R7

  - Reset후에는 레지스터 Bank0이 enable,

    다른 Bank를 enable하려면 SFR의 PSW(Program Status Word)에 있는 RS1,  RS0에 선택 값을 입력

    ․ 예 : Bank1 = RS1←1, RS0←0

     * 교재 37page 표2-3. 8051 칩 데이터 메모리 참조

ㅇ 비트 주소 가능한 RAM(Bit Addressable RAM)

  - 20H～2FH까지의 16byte는 외형상 바이트이고 실제로도 바이트 단위로도 사용 가 능하지만, 특별히 비트 단위로 사용

  - 16byte = 128bit (비트별 개별적으로 00H～7FH 번지 갖음)

ㅇ 범용 RAM

  - 30H～7FH, 80byte, 일반 램 영역

3.2 특수 기능 레지스터(Special Function Register)

* 교재 33page 그림2-6. 8051 칩 데이터 메모리 참조

ㅇ 80H～FFH 중 21개 정의(8051는 26개),

   BIT별 제어(11개 : B, Acc, PSW, IP, IE, P0～P3, SCON, TCON)

ㅇ Acc, B register, PSW, SP, DPH, DPL

   포트 레지스터 : P0, P1, P2, P3 

   타이머/카운터 레지스터 : TH0, TL0, TL1, TH1, TMOD, TCON

   직렬 포트 레지스터 : SBUF, SCON

   인터럽트 제어용 : IP, IE

   전원 제어 레지스터 : PCON   

ㅇ Acc(또는 A, Accumulator)  

  - 많은 연산 및 판단의 기준이 되는 가장 핵심적인 레지스터

  - 비트별 액세스 가능

ㅇ B(B register)

  - 일반적인 레지스터 기능 외에 곱셈과 나눗셈 명령에 연관되어 사용

    (MUL AB (341페이지 참조), DIV AB (325페이지 참조))

  - 비트별 액세스 가능    

ㅇ PSW(Program Status Word)

  - 비트별 제어 가능

  - CY(CarrY flag) - PSW.7

    ․덧셈을 하는 동안 비트7에 carry가 발생하면 Set("1")

    ․뺄셈을 하는 동안 비트7로 borrow가 발생하면 Set("1")

  - AC(Auxiliary Carry flag) - PSW.6

    ․BCD 값을 더할 때 캐리가 비트3에서 비트4로 발생하거나, 낮은 니블(nibble)에        서의 결과가 0AH와 0FH사이에 있을 때 AC는 Set("1")

  - F0(Flag 0) : 사용자용 비트

  - RS0, RS1 : 레지스터 뱅크 선택 비트

  - OV(OVer flag) - PSW.2

    ․부호를 가지는 수로 덧셈과 뺄셈을 할 때, 소프트웨어는 그 결과가 유효한

      범위 내에 있는지를 결정하기 위해 이 비트를 사용

    ․결과가 +127보다 크고, -128보다 작다면 OV는 Set("1")

  - P(Parity bit) - PSW.0

    ․연산 후 생성된 결과를 비트별로 볼 때 1의 개수가 짝수개이면 “0”이 되고,

      홀수개이면 “1”  

ㅇ SP(Stack Pointer)

  - 스택을 가리키는 포인트 레지스터

  - SP & Stack

    ․CALL 또는 PUSH 명령 수행시 PC(Program Counter)의 값을 Stack에 저장,          CALL문 수행 후 또는 POP 명령 수행시 stack에 저장시킨 값을 PC로 보냄

    ․SP는 SFR에 1개 byte, 스택은 내부RAM에 위치

    ․스택은 SP가 관리, SP는 현재 스택이 들어있는 내용의 위치 즉 번지를 가리킴,        스택에 값을 저장(PUSH)하면 자동으로 SP+1, 스택으로부터 저장된 값을 찾아        오면(POP) 자동으로 SP-1

ㅇ 데이터 포인터(DPTR : Data PoinTer Register)

   DPH(Data Pointer High-byte), DPL(Data Pointer Low-byte)

  - 이 레지스터는 외부 데이터 메모리와 데이터 전송시 어드레스 포인터로 사용

  - 프로그램 메모리(ROM)에서 정수 연산 혹은 조합해서 테이블 분기(jump)로 사용

ㅇ 포트 레지스터(P0～P3)

  - 이곳에 값을 쓰면 그 값이 각 포트의 출력 핀으로 값이 나가고, 이곳을 읽으면 핀      으로 입력을 읽는 것이 됨

  - 비트별 액세스 가능

* 타이머/카운터, 직렬 포트, 인터럽트 제어용 레지스터는 4～6장에서 설명

ㅇ 전원 제어 레지스터(PCON : Power CONtrol register)

  - 비트별 액세스 못함

  - SMOD : 직렬 포트용(5장에서 설명)

  - GF0, GF1 : 비트별 제어가 불가능하므로 사용 안함

  - PD(Power Down)

    ․파워다운 모드를 활성화시키기 위해 “1”로 설정(해제는 reset)

    ․Set하면 칩 발진기가 멈추고, 모든 기능들이 멈추고, 모든 칩 RAM 내용이 유지        되고, 포트 핀들이 그들의 논리 레벨을 유지하고, ALE와 /PSEN은 Low

  - IDL(IDLe mode)

    ․"1"일 때 동작(해제는 Reset이나 인터럽트)

    ․Set하면 CPU는 인터럽트, 직렬 포트, 타이머/카운터를 제외한 나머지 블록에 클        록의 공급을 차단하여 CPU의 소비 전류를 줄임, ALE와 /PSEN은 High

4. 외부 메모리

ㅇ 8051 메모리 구조는 ROM, RAM 위치 공간이 서로 분리

  - ROM 공간은 Program(Code) memory space

  - RAM과 I/O 디바이스 위치 공간은 Data memory space

ㅇ 외부 메모리 사용시

  - P0 : A0～A7, D0～D7(ALE)

  - P2 : A8～A15

4.1 외부 코드 메모리의 접근

ㅇ 외부 코드 메모리는 최대 64Kbyte

* 교재 46page 그림2-8. 외부 코드 메모리의 접근 및

       47page 그림2-9. 외부 코드 메모리에 대한 읽기 타이밍 참조

ㅇ 머신 사이클 주기는 12개의 발진 펄스

   (칩 발진기 12MHz crystal, One machine cycle은 1㎲)

ㅇ 한 머신 사이클 동안 ALE 두 번 펄스 발생하여 외부 프로그램 메모리로 보냄,

   명령어 2byte를 읽음(명령어가 1byte면 두 번째 byte는 무시)

ㅇ MOVC(MOVe Code memory) 명령어 사용

  - MOVC A, @A+DPTR

  - MOVC A, @A+PC

4.2 외부 데이터 메모리의 접근

ㅇ 외부 데이터 메모리는 최대 64Kbyte

  - 8051의 내부 RAM은 128바이트 RAM, 128바이트 SFR

* 교재 48page 그림2-10. MOVX 명령에 대한 타이밍 및

       49page 그림2-11. 1K RAM의 인터페이스 참조

ㅇ /RD, /WR에 의해 enable되는 읽고, 쓰기 메모리

   ( /RD, /WR 이 두 핀에서 나오는 신호는 결코 동시에 enable 되지 않으므로 공유      가능)

ㅇ 외부 데이터 메모리 공간은 시스템 설계시 반드시 필요한 것은 아님

ㅇ DPTR 또는 R0, R1을 사용한 MOVX 명령어 사용

  - 8비트 어드레스 사용한 외부 데이터 메모리 액세스

    ․MOVX A, @Ri : 읽기 (Ri = R0 또는 R1)

    ․MOVX @Ri, A : 쓰기 (Ri = R0 또는 R1)

  - 16비트 어드레스 사용한 외부 데이터 메모리 액세스

    ․MOVX A, @DPTR : 읽기

    ․MOVX @DPTR, A : 쓰기

4.3 주소 디코딩

ㅇ 외부 ROM 및 외부 RAM을 다수 사용한 경우는 주소 디코딩이 필요