Mengenal Arsitektur Mikrokontroller 8051

Mikrokontroler
Mikrokontroler dapat dipandang sebagai sistem yang mengandung:

prosesor
memori
port I/O

Kebutuhan Microkontroler

Memantau environment. >> Input.
Menghasilkan respon. >> Output.
Respons dapat ditunda. >> Timer/Counter.
Respons yang harus diprioritaskan. >> Interupsi.
Software untuk mengontrol proses. >> Memori Non-volatil.
Data sementara. >> RAM.

Contoh Keluarga Mikrokontroler

Zilog

Z80 dari Zilog

8-bit microprocessor based on the 8080 architecture.
Capable of 1 MIP at 4 MHz.
Accumulator, 6 8-bit registers, 2 index registers.
Uses external RAM for temporary data.
Built-in refresh circuitry for the external RAM.
Only port-based I/O.
Slowly disappearing.

Motorola

MC6811 from Motorola

8-bit stack-based architecture.
2 accumulators and 2 index registers.
Built in EEPROM and RAM.
Digital I/O.
Timers.
ADC.
RS232 communication.
Was the most powerful and flexible controller available at introduction.
Around 1970.
Still very popular.

Mikrokontroler Keluarga MCS-51

Diperkenalkan pertama kali oleh Intel tahun 1981.

Currently, the most widely used microcontroller.
8-bit processor.
2 distinct separately addressable memory areas.
Maximum of 64K on-chip ROM. (Usually 0 to 4K.)
Maximum of 64K external data memory.
Maximum of 64K external code memory.
Basic version (8051) contains (4K Bytes of on-chip ROM instruction memory atau 128 Bytes of on-chip RAM for temporary data storage and the stack.)
2 timers, one serial port, and four 8-bit parallel I/O ports.
Speeds starting from12 MHz.

Fitur Mikrokontroler 8051

Feature	Quantity
ROM	4k Bytes
RAM	128 Bytes
Timer	2
I/O Ports	4
Serial Port	1
Interrupt Soutces	6

8051 merupakan anggota keluarga mikrokontroler MCS-51. Terdapat beberapa jenis yang sedikit berbeda dengan fitur di atas.

Jenis MCS-51

Feature			EPROM
Feature	8051	8052	8751	8752	8031	8032
On-Chip ROM	4k	8k	4k	8k	0k	0k
RAM (Bytes)	128	256	128	256	128	256
Timers	2	3	2	3	2	3
I/O Ports	4	4	4	4	2	2
Serial Port	1	1	1	1	1	1
Interrupt Sources	6	8	6	8	6	8

Pembuat MCS-51

Terdapat banyak perusahaan yang memproduksi mikrokontroler keluarga MCS-51, seperti :

Atmel Corporation.

Flash instead of EPROM.
Low Voltage.
Minimal version with less memory and fewer I/O ports in a smaller package.
CMOS implementation.
Speeds that range from 12 to 20 MHz.

Dallas Semiconductor

Uses NV-RAM. Programmable in-system.
As large as 32K of instruction memory.
Some versions have an on-chip real-time clock.

Philips Corporation

Large selection of 8051 based microcontrollers.
Include features like A/D and D/A on chip.

Xilinx and Altera

8051 FPGA cores.

Arsitektur Mikrokontroler 8051

Software

Organisasi Memori
Kumpulan Register
Instruksi

Hardware

Pin-out
Timing characteristics
Current / Voltage requirements

Organisasi Memori

8051 memiliki beberapa alamat terpisah untuk penyimpanan program dan data.

Organisasi Memori Mikrokontroller

Penyimpanan Program

Setelah reset, MCS-51 mulai mengutip instuksi dari 0000H. Dapat diambil dari memori eksternal maupun internal.

Jika EA rendah, maka memori program dari eksternal.
Jika EA tinggi, maka alamat 0000 hingga 0FFF adalah ROM internal.

Penyimpanan Data

8051 memiliki 256 byte RAM internal.

128 byte bawah digunakan untuk penyimpanan data.
128 byte atas digunakan untuk Special Function Registers (SFR).

128 bytes bawah digunakan bukan hanya sekedar RAM biasa.

Menyimpan registers,
Stack
Dan fitur lainnya

32 byte paling bawah membentuk 4 bank dari dengan isi 8 register tiap bank.
Hanya salah satu bank yang dapat aktif
Bank yang aktif dapat dipilih dengan mengatur 2 bit di PSW. [[Default bank (ketika dinyalakan) adalah bank 0 (lokasi 00 – 07)]].
Ke 8 register pada tiap bank dinamakan R0 hingga R7
Tiap register ini memiliki alamat dan dapat diakses langsung dengan menggunakan alamtnya tersebut, meskipun bank yang bersangkutan tidak diaktifkan.

16 byte selanjutnya – lokasi 20H hingga 2FH – membentuk blok yang dapat dialamati baik sebagai byte maupun bit.
Byte memiliki alamat 20H hingga 2FH.
Bit-bit memiliki alamat 00H hingga 7FH.
Instruksi tertentu digunakan untuk mengakses bit-bit tersebut
Lokasi 30H hingga 7FH adalah general purpose RAM.

RAM –128 Byte Pertama

Lokasi memori bit addressable

SFR – Special Function Registers

RAM 128 byte atas digunakan untuk tempat special function register. Hanya sekitar 25 byte yang digunakan. Sisanya dicadangkan untuk versi pengembangan 8051.
Register-register ini berhubungan dengan fungsi yang penting dalam kerja MCS-51.
Beberapa SFR bersifat bit-addressable juga byte-addressable. Alamat bit 0 suatu register sama dengan alamat register yang bersangkutan.

Lokasi SFR

Special Function Registers

ACC dan B registers – 8 bit
DPTR : data pointer [DPH:DPL] – 16 bit (gabungan)
PC : Program Counter – 16 bit
Stack pointer SP – 8 bit
PSW : Program Status Word
P0, P1, P2, P3 - Port Latch
SBUF - Serial Data Buffer
TH0, TL0, TH1, TL1 - Register Timer
Control Registers

ACC – Akumulator

Umumnya digunakan untuk penyalinan dan instruksi aritmatika dan dapat ditulis dengan beberapa cara:

Dinyatakan dengan ACC (atau A).
Dengan alamatnya 0E0H.

Disamping itu, juga bersifat bit addressable dimana ACC.2 berarti bit 2 register ACC.

Umumnya digunakan sebagai register sementara, mirip seperti register R0 – R7
Digunakan oleh dua opcode, seperti : mul AB, div AB
Register B menyimpan operan kedua dan menyimpan hasilnya seperti : 8 bit atas hasil perkalian dan Sisa pada pembagian.
Dapat juga diakses melalui alamatnya 0F0H.
Bersifat bit-addressable.

2 8-bit registers that can be combined into a 16-bit DPTR – Data Pointer.
Used by commands that access external memory
Also used for storing 16bit values
mov DPTR, #data16 ; setup DPTR with 16bit ext address
movx A, @DPTR ; copy mem[DPTR] to A
Can be accessed as 2 separate 8-bit registers if needed.
DPTR is useful for string operations and look up table (LUT) operations.

The SP Register

SP is the stack pointer.
SP points to the last used location of the stack. (Push operation will first increment SP and then copy data and Pop operation will first copy data and then decrement SP).
In 8051, stack grows upwards (from low memory to high memory) and can be in the internal RAM only.
On power-up, SP points to 07H. (Register banks 2,3,4 (08H to 1FH) form the default stack area).
Stack can be relocated by setting SP to the upper memory area in 30H to 7FH, (mov SP, #32H).

Program Status Word: bersifat “bit addressable” register 8-bit Menyimpan seluruh flag.

Program Status Word

Port Latch.
Memberikan nilai yang dikeluarkan pada port tertentu atau nilai yang dibaca dari port input tertentu.
Bersifat bit addressable. Alamat bit pertama juga merupakan alamat register yang bersangkutan. Contoh: alamat P1 adalah 90H, sehingga P1.7 atau 97H merupakan bit yang sama.

Serial Port Data Buffer.
2 register dengan lokasi yang sama. Satu untuk menyimpan data serial hasil input (Buffer Serial Data Receive). Satu lagi untuk tulis data serial (Buffer Serial Data Transmit).