Lập trình hợp ngữ và điều khiển thiết bị

Lập trình hợp ngữ, và điều khiển thiết bị

Mục tiêu môn học

§ Sau khi kết thúc môn học này, sinh viên có thể

• Trình bày cấu trúc phần cứng và kiến trúc tập

lệnh của vi họ điều khiển 8051

• Lập trình hợp ngữ sử dụng tập lệnh của vi điều

khiển 8051 để điều khiển các thiết bị ngoại vi

• Sử dụng phần mềm Proteus để mô phỏng hoạt

động của vi điều khiển và các thiết bị ngoại vi

§ Tài li ệu tham khảo chính:

1 Nguyễn Tăng Cường – Cấu trúc và lập trình họ

vi điều khiển 8051

2 Michael J.Paul – Embedded C

3 Diễn đàn: dientuvietnam.net

Nội dung môn học

Chương 1 Cấu trúc vi điều khiển 8051

Chương 2 Lập trình hợp ngữ vi điều khiển

8051 Chương 3 Lập trình vi điều khiển 8051 điều

khiển thiết bị (sử dụng C)

1 Cấu trúc vi điều khiển 80511.1 Tổng quan về vi điều khiển

1.2 Kiến trúc vi điều khiển 8051

1.1 Tổng quan vi điều khiển

§Vi điều khiển <> Vi xử lý

Vi điều khiển: Computer On Chip (bao gồm cả CPU, Bộ nhớ, cổng vào ra)

Tổng quan về vi điều khiển

§ Một số dòng vi điều khiển phổ biến hiện nay

• 8051 (AT89C51, AT89S51, AT89S52)

• AVR (ATMEGA8, ATMEGA16)

• PIC (PIC16F877A, PIC18F4550, PIC18F2550)

• ARM (ARM7, ARM9)

• …

1.2 Kiến trúc vi điều khiển 8051

§Do hãng Intel thiết kế năm 1981

§4KB Flash, 128 Byte Ram

§Tần số xung nhịp tối đa: 24 MHz

Đóng vỏ vi điều khiển 8051

Kiến trúc vi điều khiển 8051

Các thanh ghi của 8051

địa chỉ

§ Các thanh ghi này chủ yếu là thanh ghi 8 bit

• Thanh ghi A : thanh ghi tích lũy

• Thanh ghi R0->R7

• Thanh ghi con trỏ dữ liệu DPTR (16 bit)

• Thanh ghi bộ đếm chương trình PC (16bit)

2.1 Cơ bản về lập trình hợp ngữ

§ Ngôn ngữ máy:

• Chỉ được biểu diễn bằng số nhị phân.

• Bộ vi xử lý chỉ hiểu được các chương trình mã máy.

• Con người rất khó khăn để tạo lập hay đọc hiểu chương trình ngôn ngữ máy.

§ Hợp ngữ (Assembly Language):

• Là ngôn ngữ lập trình bậc thấp (gần ngôn ngữ máy nhất).

• Được xây dựng trên cơ sở ký hiệu tập lệnh của bộ vi xử lý tương ứng.

• Phụ thuộc hoàn toàn vào bộ vi xử lý cụ thể.

§ Ngôn ngữ lập trình bậc cao:

• Gần với ngôn ngữ tự nhiên hơn.

Tập lệnh

§ Mỗi bộ xử lý/ vi điều khiển có một tập lệnh xác định

(mang tính kế thừa trong cùng một dòng họ).

Khuôn dạng của một lệnh máy

§ Mã thao tác (Operation Code - Opcode): mã hóacho thao tác mà CPU phải thực hiện

§ Tham chiếu toán hạng: mã hóa cho toán hạng

hoặc nơi chứa toán hạng mà thao tác sẽ tác

Các chế độ địa chỉ

§ Chế độ định địa chỉ thanh ghi

• Sử dụng thanh ghi để lưu trữ dữ liệu cần thao tác

• Thanh ghi nguồn và đích phải phù hợp về kích

Các chế độ địa chỉ

§ Chế độ địa chỉ trực tiếp

• Toán hạng (nguồn hoặc đích) là địa chỉ của ô nhớ

• Trước địa chỉ ô nhớ không có dấu #

• Ví dụ:

üMOV A, 35h ;Dữ liệu trong ô nhớ có địa chỉ

; 35h được chuyển vào thanh ghi A

Các chế độ địa chỉ

§ Chế độ định địa chỉ gián tiếp thanh ghi

• Địa chỉ ô nhớ chứa dữ liệu được chứa trong

thanh ghi R0 hoặc R1

• Trước thanh ghi R0 hoặc R1 phải chèn thêm ký

tự “@” để biểu thị cho chế độ địa chỉ này

• Ví dụ:

üMOV A,@R0 ;chuyển dữ liệu trong ô nhớ có

;địa chỉ được chỉ ra trong thanh

;ghi R0 vào thanh ghi A

Tập lệnh vi điều khiển 8051

A/B DIV AB

A*B MUL AB

Đích = đích - 1 DEC nguồn

Đích = đích + 1 INC nguồn

Đích = đích – nguồn SUBB đích, nguồn

Đích = đích + nguồn + cờ nhớ ADDC đích, nguồn

Đích = đích + nguồn ADD đích, nguồn

Giải thích Lệnh

Lệnh số học

MOVX đích, nguồn

Đích = nguồn (Bộ nhớ trong) MOV đích, nguồn

Giải thích Lệnh

Lệnh truyền dữ liệu

Lệnh logic

Gọi chương trình con, địa chỉ 16 bit LCALL

Gọi chương trình con, địa chỉ 11 bit ACALL

Giải thích Lệnh

Lệnh rẽ nhánh

2.3 Mở đầu lập trình hợp ngữ

2.3.1 Cú pháp của hợp ngữ

2.3.2 Dữ liệu của chương trình

2.3.3 Khai báo biến, hằng số

2.3.4 Một số lệnh cơ bản

2.3.5 Cấu trúc chương trình hợp ngữ

2.3.6 Dịch và chạy chương trình

2.3.7 Một số ví dụ

Dữ liệu của chương trình

§ Hợp ngữ cho phép biểu diễn dưới dạng:

• Số nhị phân: 1011b, 1011B,

• Số thập phân: 35, 35d, 35D,

• Số Hexa: 4Ah, 0ABCDh, 0FFFFH,

• Kí tự: "A", 'HELLO', "Bach Khoa",

§ Tất cả các kiểu dữ liệu trên sau đó đều được

trình dịch Assembler dịch ra mã nhị phân

§ Mỗi kí tự được dịch thành mã ASCII tương ứng

• Chương trình không phân biệt 'A' với 41h hay 65

Một số lệnh cơ bản

§ Lệnh ADD: cộng

• Cú pháp:

ADD A,nguồn ;cộng toán hạng

;nguồn vào thanh ghi A

§ Lệnh MOV: chuyển dữ liệu

• Cú pháp

MOV đích, gốc ;chuyển dữ liệu từ toán hạng

;gốc vào toán hạng đích

Dịch và chạy chương trình

Ví dụ sử dụng lệnh ADD, MOV

ORG 000 ;Dia chi bat dau cua chuong trinh

MOV R5, #25h ;Nap 25h vao R5

MOV R7, #34h ;Nap 34h vao R7

MOV A, #0 ;Nap 0 vao thanh ghi A

ADD A, R5 ;A=A+R5

ADD A, R7 ;A=A+R7 (A=25h+34h)

HERE: SJMP HERE ;O lai trong vong lap

END

Sử dụng các lệnh ADD, MOV

2.4.Các cấu trúc lập trình với hợp ngữ

2.4.1 Các lệnh liên quan

2.4.2 Cấu trúc điều kiện

2.4.3 Cấu trúc lặp

JNZ NEXT ;Nhảy tới NEXT nếu A khác 0 MOV R5,#55h

NEXT:

…

Lệnh lặp

§ Lệnh DJNZ

• Cú pháp

DJNZ thanh_ghi, nhãn

+ Sau mỗi lần nhảy, giá trị thanh ghi bị giảm đi 1

+ Nếu giá trị thanh ghi vẫn khác 0 thì nhảy tới nhãn

§ Ví dụ: Xóa thanh ghi A, cộng 3 vào thanh ghi A 10 lần

MOV A,#0 MOV R2,#10 BACK: ADD A,#3

DJNZ R2,BACK ;Lặp 10 lần

2.5 Các lệnh logic, lệnh quay

§ Lệnh ANL

ANL đích, nguồn ; đích=đích AND nguồn

vMục đích: che, xóa bit

vVD: - Xóa 4 bit thấp của thanh ghi A

Các lệnh logic, lệnh quay

§ Lệnh quay

• Lệnh quay phải: RR A

• Lệnh quay trái: RL A

Các lệnh logic, lệnh quay

§ Lệnh quay

• Lệnh quay phải qua cờ nhớ: RRC A

• Lệnh quay trái qua cờ nhớ: RLC A

vào phải tiến hành ghi các bit 1 ra các cổng/chântương ứng

Nguyên lý bit cổng

Sơ đồ nguyên lý của một bit cổng

ü Clk ở mức thấp: trạng thái của Triger D sẽ

được chốt, khi đó đầu ra Q luôn luôn giữ giá trị đó cho đến khi Clk chuyển sang mức cao và có giá trị D mới.

Nguyên lý bit cổng

§ Đệm 3 trạng thái:

• /C =0 : đầu ra bằng đầu vào

• /C=1 : đầu ra ở trở kháng cao

Nguyên lý bit cổng

§ MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field

Effect Transistor) Transitor trường:

• Điều khiển bởi điện áp ở gate.

Nguyên lý bit cổng

• Đọc tín hiệu từ chân IO:

Read Pin =0: Đệm 3 trạng thái thông, tín hiệu từ IO pin được truyền tới Data bus

Lập trình xuất dữ liệu ra cổng/chân

§ Xuất dữ liệu ra cổng ra

• Ví dụ:

üMOV P1, #55h

§ Xuất dữ liệu ra từng chân

• Đưa chân lên mức cao:

Ví dụ: SETB P1.0

• Đưa chân xuống mức thấp:

Ví dụ

Lập trình đọc dữ liệu từ một chân vào

§ Bước 1: thiết lập chân vào/ra tương ứng làm việc ở chế

MOV R1,#0

Ví dụ

2.7 Lập trình xử lý ngắt

§ Khái niệm chung về ngắt (Interrupt): Ngắt là cơchế cho phép CPU tạm dừng chương trình đangthực hiện để chuyển sang thực hiện một chươngtrình khác, gọi là chương trình con phục vụ ngắt

Phương pháp ngắt và thăm dò

kiểm tra yêu cầu của các thiết bị để phục vụ

Quá trình phục vụ diễn ra tuần tự nếu có nhiềuthiết bị cùng yêu cầu

vụ, thiết bị gửi tín hiệu yêu cầu tới chân ngắt của

vi điều khiển Vi điều khiển sẽ xử lý yêu cầu ngắt

đó Chương trình xử lý ngắt gọi là trình phục vụngắt (ISR-Interrupt Service Routine)

§ Tập hợp các ô nhớ lưu giữ địa chỉ của tất cả cáctrình phục vụ ngắt gọi là bảng vector ngắt

(Interrupt Table)

Chu trình xử lý ngắt

§ Được thêm vào cuối chu trình lệnh

§ Sau khi hoàn thành một lệnh, CPU kiểm tra xem có yêu cầu ngắt gửi đến hay không

• Nếu không có tín hiệu yêu cầu ngắt thì CPU nhận lệnh kế tiếp

• Nếu có yêu cầu ngắt và ngắt đó được chấp nhận thì:

üCPU cất ngữ cảnh hiện tại của chương trình đang thực hiện (các thông tin liên quan đến chương trình bị ngắt)

üCPU chuyển sang thực hiện chương trình con phục vụ ngắt tương ứng

üKết thúc chương trình con đó, CPU khôi phục lại ngữ cảnh

và trở về tiếp tục thực hiện chương trình đang tạm dừng

Trình tự phục vụ ngắt của 8051

1 Kết thúc lệnh hiện tại, lưu địa chỉ của lệnh kế

tiếp (PC) vào ngăn xếp

2 Nhảy đến vị trí cố định trong bảng vector ngắt

3 Nhận địa chỉ của trình phục vụ ngắt, nhảy tới

địa chỉ đó và bắt đầu thực thi chương trình con phục vụ ngắt cho đến lệnh cuối cùng là lệnh

RETI

4 Kết thúc chương trình con phục vụ ngắt, bộ vi

điều khiển trở về thực thi tiếp lệnh nơi nó đã bị

Chuyển đến chuơng trình

điều khiển ngắt Y

Hoạt động ngắt (tiếp)

Xử lý với nhiều tín hiệu yêu cầu ngắt

• Các ngắt vẫn đang đợi và được kiểm tra sau khi

ngắt đầu tiên được xử lý xong

• Các ngắt được thực hiện tuần tự

Xử lý ngắt tuần tự (tiếp)

Xử lý với nhiều tín hiệu yêu cầu ngắt

§ Xử lý ngắt ưu tiên:

• Các ngắt được định nghĩa mức ưu tiên khác nhau

• Ngắt có mức ưu tiên thấp hơn có thể bị ngắt bởi

ngắt ưu tiên cao hơn Þ ngắt xảy ra lồng nhau

Xử lý ngắt ưu tiên

Các ngắt của 8051

§ 8051 có 6 nguồn ngắt

• Ngắt RESET

• 2 ngắt cho bộ đếm và định thời

• 2 ngắt ngoài (INT0, INT1)

• 1 ngắt cho bộ truyền thông nối tiếp UART

Bảng vector ngắt

§ Bảng vector ngắt của 8051

Lập trình xử lý ngắt

§ Viết các chương trình con xử lý ngắt

§ Bật cờ cho phép ngắt

Khung chương trình

ORG 0h

LJMP MAIN ;Xử lý ngắt Reset ORG 3h

;Chuong trinh con xu ly ngat ngoai 0 ORG 0Bh

;Chuong trinh con xu ly ngat timer 0 ORG 13h

;Chuong trinh con xu ly ngat ngoai 1 ORG 1Bh

;Chuong trinh con xu ly ngat timer 1 ORG 23h

;Chuong trinh con xu ly ngat truyen thong noi tiep

ORG 30h MAIN:

;chương trình chính

3 Lập trình điều khiển thiết bị

3.7 Lập trình điều khiển LCD

3.8 Lập trình bảng quang báo

3.9 Bài tập tổng hợp (Thiết kế và lập trình máy

3.1 Lập trình C cho 8051

§ Tuân thủ các cú pháp của ngôn ngữ lập trình C chuẩn ANSI C

§ Hỗ trợ thêm một số kiểu dữ liệu/từ khóa mới

• sfr: định nghĩa một thanh ghi đặc biệt (Special Function Register)

üVD: sfr P1=0x90; //Từ đây có thể truy xuất cổng P1

//ở địa chỉ 0x90 thông qua biến P1

• sbit: định nghĩa từng bit trong thanh ghi đặc biệt

üVD: sbit Led_pin=P1^1; //Từ đây có thể truy xuất chân 1 của

//cổng P1 thông qua biến Led_pin

• bit: kiểu dữ liệu mang hai giá trị 0 hoặc 1

Ví dụ: xem file AT89X51.h

Chương trình Hello World (Nhấp nháy led chân P1_0)

3.2 Lập trình cổng vào,ra

§ L ập trình xuất dữ liệu ra cổng hoặc chân ra

• Ghi dữ liệu ra cổng: Tên cổng=dữ liệu

üVD: P1=0xff;

• Ghi dữ liệu ra chân: Tên chân ra=bit (0/1)

üVD: P1_0=1;

§ L ập trình đọc dữ liệu từ cổng hoặc chân vào

• Thiết lập chân hoặc cổng vào(ghi ra các bit 1)

• Đọc dữ liệu từ cổng: Tên biến=Tên cổng

üVD: unsigned char value;

P1=0xff; //Chuyển cổng sang chế độ cổng vào

Ví dụ

§ Ví dụ 1: Xuất dữ liệu ra cổng ra

• Xuất dữ liệu điều khiển 8 led trên cổng P0 nhấp nháy so le.

§ Ví dụ 2: Đọc dữ liệu từ chân vào

• Thêm một nút bấm vào chân P1_0, nếu nút bấm

ở trạng thái mở, 8 led trên cổng P0 sáng nhấp

nháy so le, nếu nút bấm được nhấn thì 8 led dữ nguyên trạng thái.

Ví dụ 1: xuất dữ liệu ra cổng

Ví dụ 2: đọc dữ liệu từ chân vào

đọc dữ liệu từ chân vào

Hiện tượng nảy phím (key bounce)

§ Khi sử dụng các phím bấm cơ khí sẽ có hiện

tượng này phím, đó là hiện tượng tín hiệu thayđổi mức liên tục trong một khoảng thời gian ngắntrước khi chuyển sang trạng thái ổn định

Lý tưởng

Thực tế

Hiện tượng nảy phím (key bounce)

§ Hậu quả của này phím

3.3 Lập trình hiển thị led 7 thanh

§ Nguyên tắc hoạt động của led 7 thanh

• Led đơn

Phân loại led 7 thanh

Ví dụ

P0=0x79; //Hien thi so 1 delay(100);

P0=0x24; //Hien thi so 2 delay(100);

}

3.4 Lập trình xử lý ngắt

• Chương trình con xử lý ngắt cũng là một chương trình con.

• Điểm khác biệt: chương trình con xử lý ngắt được gọi bởi bộ vi điều khiển.

Khung chương trình con xử lý ngắt

• Tên chương trình con ngắt: do người lập trình đặt, tuân thủ các quy tắc giống như chương trình con thông thường

• Số hiệu ngắt: số hiệu vector ngắt (Xem trong file

at89x51.h)

v #define IE0_VECTOR 0 /* External Interrupt 0 */

v #define TF0_VECTOR 1 /* Timer 0 */

v #define IE1_VECTOR 2 /* External Interrupt 1 */

v #define TF1_VECTOR 3 /* Timer 1 */

v #define SIO_VECTOR 4 /* Serial port */

Thanh ghi IE

§ Thanh ghi cho phép/ cấm ngắt

üNgắt theo sườn âm: ngắt được kích hoạt khi có sườn âm (chuyển từ mức cao xuống mức thấp) đưa đến chân ngắt

• Thiết lập chế độ kích hoạt ngắt qua thanh ghi

TCON (bit IT0 cho INT0 và IT1 cho INT1)

Thanh ghi TCON

Lập trình xử lý ngắt ngoài

ngoài

mức): thiết lập bit IT0 và IT1 cho thanh ghi

TCON

• Bit IT0 cho ngắt ngoài 0 và IT1 cho ngắt ngoài 1

• ITx=0-> ngắt theo mức, ITx=1->ngắt theo sườn

void main(){

IE=0x81; //Cho phép ngắt ngoài 0 IT0=0; //Chế độ ngắt theo mức while(1){

//Chương trình

void main(){

IE=0x84; //Cho phép ngắt ngoài 1 IT1=1; //Chế độ ngắt theo sườn while(1){

//Chương trình }

Demo

Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

§ Cả hai bộ định thời đều có độ dài 16 bit, được

chia thành hai thanh ghi 8 bit

§ Bộ định thời 0:

• Thanh ghi TH0: 8 bit cao

• Thanh ghi TL0: 8 bit thấp

§ Bộ định thời 1:

• Thanh ghi TH1: 8 bit cao

• Thanh ghi TL1: 8 bit thấp

Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

§ Hoạt động ở chế độ bộ định thời (xét chế độ bộđịnh thời 16 bit)

• Giá trị trong thanh ghi bộ định thời tự động tăng lên 1 sau 12 chu kỳ dao động

• Sau khi đạt giá trị tối đa (65535), cờ TF0/TF1 báo tràn bộ định thời sẽ được phát sinh

• VD: chu kỳ dao động đồng hồ là 12MHz -> cứ mỗi

us giá trị thanh ghi bộ định thời sẽ tăng lên 1->

chúng ta có thể tính toán để đưa ra thời gian trễ chính xác

Các thanh ghi điều khiển Timer/Counter

§ Thanh ghi TCON

• TR1/TR0: bit khởi động/tắt bộ đếm/định thoài

• TF1/TF0: cờ báo tràn bộ đếm/định thời

• IE1, IT1, IE0, IT0: liên quan tới ngắt phần cứng

ngoài

Các thanh ghi điều khiển Timer/Counter

§ Thanh ghi TMOD

• Gate: sử dụng cho bộ đếm

• C/T: chọn chế độ (bộ đếm hay bộ định thời)

üC/T=0: bộ định thời üC/T=1: bộ đếm

• M1,M0: chọn chế độ làm việc Có hai chế độ thông dụng

üM1=0, M0=1: chế độ 1, bộ Timer/Counter 16 bit üM1=1, M0=0: chế độ 2, bộ Timer/Counter 8 bit tự động nạp lại

3.6 Lập trình ghép nối bàn phím

§ Cấu trúc bàn phím ma trận

Hoạt động của ma trận phím

§ Tín hiệu mức thấp được đưa tới tất cả các hàng

tại cột đó sẽ ở mức thấp

phím

• Mỗi thời điểm chỉ đưa tín hiệu mức thấp tới 1

hàng, các hàng còn lại đưa tín hiệu mức cao

• Kiểm tra tín hiệu tại các cột

Demo

Ghép nối vi điều khiển với ma trận phím

Khi có phím bấm, có tín hiệu yêu cầu ngắt gửi tới chân ngắt ngoài 0

3.7 Lập trình điều khiển LCD

§ LCD LM016L

• 2 hàng, 16 cột

Sơ đồ khối

Sơ đồ chân

Các bước lập trình điều khiển LCD

• Sử dụng phương thức ghi (0-> R/W)

• Thao tác thanh ghi lệnh (0-> RS)

• Chọn vị trí hiển thị (nếu cần)

• Sử dụng phương thức ghi (0-> RW)

• Thao tác thanh ghi dữ liệu (1-> RS)

• Dữ liệu gửi tới LCD là mã ASCII của ký tự cần

hiển thị

• Gửi đến chân E 1 xung cao xuống thấp để chốt

dữ liệu

Tập lệnh điều khiển LCD

Hàm gửi lệnh điều khiển tới LCD

void LCD_Send_Command(unsigned char x)

{

LCD_DATA=x;

RS=0; //Chon thanh ghi lenh

RW=0; //De ghi du lieu

Hàm gửi 1 ký tự tới LCD

void LCD_Write_One_Char(unsigned char c)

{

LCD_DATA=c; //Dua du lieu vao thanh ghi

RS=1; //Chon thanh ghi du lieu

}

Ví dụ

3.8 Lập trình bảng quang báo

§ Ví dụ bảng quang báo: bảng quảng cáo, thông

báo…

Nguyên tắc hoạt động của bảng quang báo

§ Bảng quang báo hoạt động dựa trên hiện tượnglưu ảnh trên mắt người

§ Các hàng/cột của bảng quang báo được quét vớitốc độ rất nhanh và do hiện tượng lưu ảnh mà

mắt người không cảm nhận được sự thay đổi

Linh kiện làm bảng quang báo

§ Bảng quang báo kích thước nhỏ: một hoặc mộtvài module led 8x8

Linh kiện làm bảng quang báo

§ Bảng quang báo kích thước lớn: hàng chục/hàngtrăm module led được ghép nối với nhau

§ Mỗi một cụm module led sẽ có vi điều khiển

§ Các vi điều khiển tại các cụm sẽ được kết nối vớinhau theo các chuẩn truyền tin

• RS485

• CAN

• I2C

• …