[Học lập trình 8051] Bài 4: Các chân, cổng vào/ra

Các chân, cổng vào/ra

Mục tiêu:

Kết thúc bài học này, bạn có thể:

Ø  Nắm được cấu trúc các chân của 8051

Ø  Biết rõ tác dụng của chúng, cách sử dụng

1. Mô tả các chân của 8051

           

Mặc dù các thành viên của họ 8051 (ví dụ 8751, 89C51, DS5000) đều có các kiểu đóng vỏ khác nhau, chẳng hạn như hai hàng chân DIP (Dual In-Line Pakage) dạng vỏ dẹt vuông QFP (Quad Flat Pakage) và dạng chíp không có chân đỡ LLC (Leadless Chip Carrier) thì chúng đều có 40 chân cho các chức năng khác nhau như vào/ra I/0, đọc RD, ghi WR, địa chỉ, dữ liệu và ngắt. Cần phải lưu ý rằng một số hãng cung cấp một phiên bản 8051 có 20 chân với số cổng vào-ra ít hơn cho các ứng dụng yêu cầu thấp hơn. Tuy nhiên, vì hầu hết các nhà phát triển chính sử dụng chíp đóng vỏ 40 chân với hai hàng chân DIP nên ta chỉ tập trung mô tả phiên bản này.

Hình 1: Sơ đồ bố trí chân của 8051.

            Trên hình 1 là sơ đồ bố trí chân của 8051. Ta thấy rằng trong 40 chân thì có 32 chân dành cho các cổng P0, P1, P2 và P3 với mỗi cổng có 8 chân. Các chân còn lại được dành cho nguồn V_CC, đất GND, các chân dao động XTAL1 và XTAL2, chân Reset RST, chân cho phép chốt địa chỉ ALE, chân truy cập địa chỉ ngoài EA, cho phép cất chương trình PSEN. Trong 8 chân này thì 6 chân V_CC­ , GND, XTAL1, XTAL2, RST và EA được các họ 8051 sử dụng. Hay nói cách khác là chúng phải được nối để cho hệ thống làm việc. Còn hai chân khác là PSEN và ALE được sử dụng chủ yếu trong các họ 8031.

1.1  Chân V_CC

Chân số 40 là V_CC , có chức năng cấp điện áp nguồn cho chíp. Nguồn điện áp là +5V.

1.2  Chân GND

Chân số 20 là GND, được nối với đất.

1.3  Chân XTAL1 và XTAL2

8051 có một bộ dao động trên chíp nhưng nó yêu cầu có một xung đồng hồ ngoài để chạy nó. Một bộ dao động thạch anh sẽ được nối tới các chân đầu vào XTAL1 (chân 19) và XTAL2 (chân 18). Bộ dao động thạch anh được nối tới XTAL1 và XTAL2 cũng cần hai tụ gốm giá trị khoảng 30pF. Một phía của tụ điện được nối xuống đất như được trình bày trên hình 2a.

Cần phải lưu ý rằng có nhiều tốc độ khác nhau của họ 8051. Tốc độ được coi như là tần số cực đại của bộ dao động được nối tới chân XTAL. Một bộ vi điều khiển 8051 yêu cầu một tinh thể thạch anh có tần số không lớn hơn 20MHz. Khi 8051 được nối tới một bộ dao động tinh thể thạch anh và cấp nguồn thì ta có thể quan sát tần số trên chân XTAL2 bằng máy hiện sóng. Nếu ta quyết định sử dụng một nguồn tần số khác bộ dao động thạch anh, chẳng hạn như là bộ dao động TTL thì nó sẽ được nối tới chân XTAL1, còn chân XTAL2 thì để hở không nối như hình 2b.

Hình 2: a) Nối XTAL tới thạch anh          b) Nối XTAL tới nguồn đồng bộ ngoài.

1.4  Chân RST

RST là chân số 9 - Reset. Nó là một chân đầu vào có mức tích cực cao (bình thường ở mức thấp). Khi cấp xung cao tới chân này thì bộ vi điều khiển sẽ được Reset và kết thúc mọi hoạt động. Điều này thường được coi như là sự tái bật nguồn. Khi kích hoạt tái bật nguồn sẽ làm mất mọi giá trị trên các thanh ghi. Hình 3 liệt kê các thanh ghi đặc biệt của 8051 và giá trị của chúng sau khi Reset.

Hình 3: Giá trị một số thanh ghi sau RESET.

Lưu ý rằng giá trị của bộ đếm chương trình PC là 0 khi tái lập để ép CPU nạp mã lệnh đầu tiên từ bộ nhớ ROM tại vị trí ngăn nhớ 0000. Điều này có nghĩa là ta phải đặt dòng đầu tiên của mã nguồn tại vị trí ngăn nhớ 0 của ROM vì đây là mã mà sau khi CPU thức tỉnh sẽ tìm lệnh đầu tiên. Hình 4 trình bày cách nối chân RST với mạch Reset.

Hình 4: Mạch Reset.

Nhằm làm cho đầu vào Reset có hiệu quả thì xung cấp cho nó phải kéo dài tối thiểu 2 chu kỳ máy trước khi nó xuống thấp.

Trong 8051: 1 chu kỳ máy được tính bằng 12 chu kỳ dao động.

1.5  Chân EA

EA có nghĩa là truy cập ngoài (External Access): là chân số 31 trên vỏ kiểu DIP. Nó là một chân đầu vào và phải được nối hoặc với Vcc hoặc GND. Hay nói cách khác là nó không được để hở.

Các thành viên họ 8051 như 8751, 98C51 hoặc DS5000 đều có ROM trên chíp lưu cất chương trình. Trong các trường hợp như vậy thì chân EA được nối tới Vcc. Đối với các thành viên của họ như 8031 và 8032 mà không có ROM trên chíp thì mã chương trình được lưu cất ở trên bộ nhớ ROM ngoài và chúng được nạp cho 8031/32. Do vậy, đối với 8031 thì chân EA phải được nối đất để báo rằng mã chương trình được cất ở ngoài.

Các chân mô tả ở trên đều phải được nối mà không cần thành phần nào được sử dụng. Còn hai chân dưới đây được sử dụng chủ yếu trong hệ thống vi điều khiển 8031.

1.6  Chân PSEN

PSEN là chân đầu ra cho phép cất chương trình (Program Store Enable) trong hệ thống. Trên vi điều khiển 8031, chương trình được cất ở bộ nhớ ROM ngoài thì chân này được nối tới chân OE của ROM.

1.7  Chân ALE

Chân cho phép chốt địa chỉ ALE là chân đầu ra tích cực cao. Khi nối 8031 tới bộ nhớ ngoài thì cổng P0 dùng để trao đổi cả địa chỉ và dữ liệu. Hay nói cách khác 8031 dồn cả địa chỉ và dữ liệu qua cổng P0 để tiết kiệm số chân. Chân ALE được sử dụng để phân kênh địa chỉ và dữ liệu.

1.8  Các chân cổng vào/ra và các chức năng của chúng

Bốn cổng P0, P1, P2 và P3 đều sử dụng 8 chân và tạo thành cổng 8 bít. Tất cả các cổng khi Reset đều được cấu hình như các đầu ra, sẵn sàng để được sử dụng như các cổng đầu ra. Muốn sử dụng cổng nào trong số các cổng này làm đầu vào thì nó phải được lập trình.

1.8.1 Cổng P0

Cổng P0 chiếm tất cả 8 chân (từ chân 32 đến 39). Nó có thể được dùng như cổng đầu ra, để sử dụng các chân của cổng P0 vừa làm đầu ra, vừa làm đầu vào thì mỗi chân phải được nối tới một điện trở kéo bên ngoài 10kW. Điều này là do một thực tế là cổng P0 là một máng mở khác với các cổng P1, P2 và P3. Khái niệm máng mở được sử dụng trong các chíp MOS về chừng mực nào đó nó giống như collector hở đối với các chíp TTL.

Trong bất kỳ hệ thống nào sử dụng 8751, 89C51 hoặc DS5000 ta thường nối cổng P0 tới các điện trở kéo (Xem hình 5), bằng cách này ta có thể sử dụng được cổng P0 cho cả 2 trường hợp đầu ra và đầu vào. Với những điện trở kéo ngoài được nối, khi Reset cổng P0 được cấu hình như một cổng đầu ra.

Hình 5: Cổng P0 với các điện trở kéo.

Cổng P0 là đầu vào: Với các điện trở được nối tới cổng P0 nhằm để tạo nó thành cổng đầu vào thì nó phải được lập trình bằng cách ghi 1 tới tất cả các bit của P0.

Vai trò kép của cổng P0: Như trên hình 1, cổng P0 được gán là các bit địa chỉ AD0 - AD7 cho phép nó được sử dụng vừa cho địa chỉ, vừa cho dữ liệu. Khi nối 8051/31 tới bộ nhớ ngoài thì cổng P0 cung cấp cả địa chỉ và dữ liệu, 8051 dồn dữ liệu và địa chỉ qua cổng P0 để tiết kiệm số chân. ALE được sử dụng để tách địa chỉ và dữ liệu với sự trợ giúp của IC chốt dữ liệu 74LS373.

1.8.2 Cổng P1

Cổng P1 cũng chiếm tất cả 8 chân (từ chân 1 đến chân 8) nó có thể được sử dụng như đầu vào hoặc đầu ra. So với cổng P0 thì cổng này không cần đến điện trở kéo vì nó đã có các điện trở kéo bên trong. Trong quá trình Reset thì cổng P1 được cấu hình như một cổng đầu ra.

            Cổng P1 là đầu vào: Tương tự P0, để biến cổng P1 thành đầu vào thì nó phải được lập trình bằng cách ghi 1 đến tất cả các bit của nó.

1.8.3 Cổng P2

Cổng P2 cũng chiếm 8 chân (các chân từ 21 đến 28). Nó có thể được sử dụng như đầu vào hoặc đầu ra, giống như cổng P1, cổng P2 cũng không cần điện trở kéo vì nó đã có các điện trở kéo bên trong. Khi Reset, thì cổng P2 được cấu hình như một cổng đầu ra.

Cổng P2 là đầu vào: Để tạo cổng P2 như đầu vào thì nó phải được lập trình bằng cách ghi các số 1 tới tất cả các chân của nó.

Vai trò kép của P2: Trong các hệ thống 8751, 89C51 và DS5000 thì P2 được dùng  như đầu ra. Tuy nhiên trong hệ thống 80312 thì cổng P2 có thể được dùng cùng với P0 để tạo ra địa chỉ 16 bit đối với bộ nhớ ngoài. Như chỉ ra trên hình 1 cổng P2 cũng được chỉ định như là các bit địa chỉ A8 - A15 báo chức năng kép của nó. Vì một bộ 8031 có khả năng truy cập 64k byte bộ nhớ ngoài, nên nó cần một đường địa chỉ 16 bít. Trong khi P0 cung cấp 8 bit thấp qua A0 - A7. Công việc của P2 là  cung cấp các bít địa chỉ A8 - A15. Hay nói cách khác khi 8031 được nối tới bộ nhớ ngoài thì P2 được dùng cho 8 bít cao của địa chỉ 16 bit và nó không thể dùng cho vào/ra.

 Từ những trình bày trên đây ta có thể kết luận rằng trong các hệ thống vi điều khiển 8751, 89C51 hoặc DS5000 thì ta có các cống P0, P1, P2 và P3 cho các thao tác vào ra và như thế là có thể đủ cho các ứng dụng với hầu hết các bộ vi điều khiển. Ngoài ra cổng P3 còn để dành cho các chức năng đặc biệt khác mà ta sẽ cùng bàn dưới  đây.

1.8.4 Cổng P3

 Cổng P3 chiếm tổng cộng  là 8 chân từ chân 10 đến chân 17. Nó có thể được sử dụng như đầu vào hoặc đầu ra. Cống P3 không cần các điện trở kéo cũng như P1 và P2. Mặc dù cổng P3 được cấu hình như một cống đầu ra khi Reset, nhưng đây không phải là cách nó được sử dụng phổ biến nhất.

Cống P3 được bổ sung các chức năng quan trọng, đặc biệt. Bảng 2 cung cấp các chức năng khác của cống P3. Thông tin này áp dụng cho cả 8051 và 8031:

Bít của cống P3	Chức năng	chân số
P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7	Nhận dữ liệu (RXD) Phát dữ liệu (TXD) Ngắt 0(INT0) Ngắt 1(INT1) Bộ định thời 0 (TO) Bộ định thời 1 (T1) Ghi (WR) Đọc (RD)	10 11 12 13 14 15 16 17

Bảng 2: Các chức năng khác của cống P3

·     Các bit P3.0 và P3.1 cung cấp tín hiệu nhận và phát dữ liệu trong truyền thông dữ liệu nối tiếp.

·        Các bit P3.2 và P3.3 được dành cho các ngắt ngoài.

·        Bit P3.4 và P3.5 được dùng cho các bộ định thời 0 và 1.

·        Cuối cùng các bit P3.6 và P3.7 để ghi và đọc các bộ nhớ ngoài khi được nối tới các hệ thống 8031.