吳元康

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犹位裴
5 years ago
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1 逢甲大學自動控制工程學系專題製作專題論文使用 SDCC 編譯 8051 組合語言 Compile Assembler by SDCC 指導教授 : 黃建立學生 : 陳佑論錢保宏鄭家倫中華民國九十五年元月

3 感謝本文承蒙指導教授黃建立老師的悉心指導, 始臻於此在此謹致上由衷的敬意和謝忱自大學起即接受老師的教誨, 老師淵博的學識嚴謹的治學精神及親切誠懇的處世態度, 都是我一生的典範此外, 感謝陳孝武教授於口試時, 給予諸多的建議與指正專題研究期間, 承蒙同學的砥礪與幫助, 同窗情誼永難忘懷特別感謝摯友在精神及生活上所給予之關懷與鼓勵, 將永銘在心 ii

4 中文摘要用 C 來學 8051 已經是不可避免的潮流了, 入門較易, 但是要歷經較久的時間才能對 8051 通盤理解對 8051 有足夠的認識以後, 使用 C 的寫法, 系統的開發時間會明顯減少, 而且還能寫出非常結構化的程式模組現在比較常見的 805l C Compiler 應該是 IAR C 與 Keil C 兩款, 這些都是要用錢買的商業套裝軟體, 價格在數萬元左右在這裡我們要介紹的是擁有許多支持者的 freeware SDCC C Compiler 關鍵字 :IAR C,Keil C,SDCC iii

5 Abstract Using C to learn 8051 is usual already. Starting to learn it easier, but we have to spend more time to totally figure out. By using C, we can spend less time and get very constructive program model after knowing about 8051 deeply. About 805l C Compiler, IAR C and Keil C are known by programmer. Both of them are expensive. Now we are going to introduce another popular freeware, SDCC Compiler. Key words: IAR C, Keil C, SDCC iv

6 目錄感謝 ii 中文摘要 iii Abstract iv 目錄 v 圖目錄 vii 表目錄 viii 第一章緒論前言研究動機 SDCC 簡介 1 第二章基礎理論微電腦基本結構微處理機的內部架構單晶片微電腦單晶片的基本特性 MCS-51 單晶片微電腦單晶片單晶片 MCS-51 單晶片比較 PIC 晶片高速晶片 AVR 10 第三章實際範例矩陣型 LED 顯示動態字元左移右移上移下移 x16 矩陣型 LED 顯示器中文字型顯示原理...16 v

7 3.3 16x16 矩陣型 LED 顯示器動態中文字型顯示 SDCC 版本檢查確認程式編譯 21 第四章結論心得結論 22 參考文獻 24 附錄一...25 附錄二..33 附錄三 34 vi

8 圖目錄圖 2.1 微電腦基本結構 3 圖 2.2 微處理機內部結構方塊圖 4 圖 2.2 AVR 晶片內部架構圖 11 圖 3.1 字型資料對映圖 13 圖 3.2 字型左移變化 14 圖 3.3 字型右移變化 15 圖 3.4 字型上移變化 15 圖 3.5 字型下移變化 16 圖 3.6 中文字光 " 的字型顯示 17 圖個 8x8 LED 連接成 1 個 16x16 LED 17 圖 x16 矩陣型 LED 顯示器電路圖 19 圖 x16 矩陣型 LED 顯示器流程圖 20 圖 3.10 SDCC 版本確認 20 圖 3.11 程式編譯 21 vii

9 表目錄表 2.1 MCS-51 單晶片比較 8 表 3.1 字型資料對映表 13 表 3.2 中文字光 " 的字型資料 18 表 3.3 中文字光 " 的字型填入資料.. 18 viii

10 第一章緒論 1.1 前言 805l CPU 在 20 年前就問世了, 可算是單晶片 CPU 的常青樹, 以 8051 為主體的應用範例太多了 C 語言比 8051 更早被發展出來, 我們相信當初 Intel 把 8051 定位在單晶片控制器上, 希望開發者儘量用組合語言來設計程式, 以便爭取最快的執行速度 1.2 研究動機當 805l 與 C 語言搭上關係時, 首先被人質疑的是 : 可能嗎? 合適嗎? 首先當然是考慮到程式空間的問題,8051 內含的程式空間只有 4K bytes,data Memory 也只有 128 Bytes, 雖然到了 8052 時, 程式空間與資料空間都加倍, 但對某些特定的應用場合來講, 還是覺得 Memory 容量不太夠用在 C 語言裡, 有許多函式是相當耗費程式空間的, 例如浮點運算以及 print f 函式,8051 僅 4K 的程式空間可能一下子就用完了, 又如何拿來寫應用程式呢? 另一方面,C 對堆疊 stack 的使用機會很高, 傳遞引數時, 都會透過 stack 來做對 8051 而言, 可用的堆疊實在有限,Data Memory 裡有 R0-R7 暫存區 (00H-lFH) 要避開, 可位元定址區 (20H-2FH) 也要避開, 剩下 80 Bytes 的空間又要分配給函式內的變數使用, 導致真正給堆疊使用的空間可能不到 50 Bytes 50 Bytes 只能做 25 次 call 而已當 8051 真正在動作時, 主程式也在做 call, 各個中斷服務程式依照其先後優先順序也在 call,25 個 call 可能進到中斷後一下子就分配完了 1.3 SDCC 簡介 SDCC 是由 Sandeep Dutta 所寫的, 當開始在網路上流傳時, 歷經了許多 bug 的修正與缺失改進, 這可是經過全世界數百個 C 語言的高手提供的意見後的結果西元 1999 年年底, 整個 SDCC 軟體程式移轉到 Sourceforge 機構上, 以便讓所有的使用者都可以接觸到整個完整的原始程式 (source tree), 對 SDCC 做更大 1

11 的奉獻與改進 SDCC 最初只有 Linux 版本的, 因為 Linux 才有軟體共享的觀念, 可是面對眾多的 Windows 作業系統愛用者,SDCC 也另外提供 Windows 版的 SDCC, 當然這些版本都可以在 SDCC 網站上 ( 無償取得 SDCC 主要支援的 CPU 為 Intel 的 8051 與 Zilog 的 Z80 CPU, 另外也支援 Atmel AVR,DS390 與 Microchip PIC 等系列 2

12 第二章基礎理論 2.1 微電腦基本結構微電腦係指由中央處理單元 (CPU), 記憶體單元 (Memory) 及輸入 / 輸出單元 (I/O) 三大部份所組成, 如圖 2.1 所示其中 CPU 可分成兩部份, 即算術邏輯單元 (ALU) 及控制單元 (CU) CPU 透過匯流排 (BUS) 執行程式碼的提取 (Fetch) 解碼 (Decode) 算術邏輯運算及讀寫時序信號的控制記憶體單元提供存放程式與資料之空間, 包含唯讀記憶體 (Read Only Memory ; ROM) 與隨機存取記憶體 (Random Access Memory ; RAM) 而輸入/ 輸出單元 (I/O) 提供 CPU 與外界週邊設備或元件溝通的管道,( 如鍵盤滑鼠顯示器等 ) 圖 2.1 微電腦基本結構 2.2 微處理機的內部架構微處理機內部結構包括算術邏輯運算單元(ALU), 暫存器(Register), 控制單元(CU), 與內部匯流排 (Internal BUS) 微處理機的基本運作包括提取指令(Fetch), 經解碼並選擇線路予與執行 (Execute), 即 Fetch and - execute cycle 通常微處理機無法單獨執行工作, 它必須配備記憶體 (Memory), 3

13 輸出入埠, 電源, 與相關的週邊界面... 等, 才能具有完整的工作能力圖 2.2 是典型的微處理機內部結構方塊圖, 說明如下 : 算術邏輯運算單元 (ALU): 在圖 2.2 的馬蹄型結構是算術邏輯運算, 待運算資料經由資料匯流排送入輸入埠, 計算結果由輸出埠由資料匯流排送回累加器 (Accumulation) 暫存器 (Register): 存放微處理機運作過程的暫時資料, 例如執行算術邏輯運算與存放運算結果都必須用到的累加器 ; 存放下一個將被提取執行指令的記憶體位址稱為程式計數器 (PC) ; 記錄程式執行過程中的狀態是狀態暫存器或旗標, 此外存取資料所需的一般資料暫存器, 記憶體位址暫存器 (Memory address register) 等, 都通稱為微處理機的暫存器控制單元 : 指揮微處理機運作的邏輯電路控制單元透過控制匯流排執行指令的提取, 解碼, 並發出執行指令的訊號內部匯流排 : 可區分為三種匯流排, 資料匯流排負責傳送的資料包括執行運算的指令, 與或執行指令的運算元資料 ; 位址匯流排負責傳送定址記憶體的位置與輸出入埠的位址 ; 控制匯流排負責傳送控制訊號, 協調微處理機各部門之間的動作與資料傳遞過程圖 2.2 微處理機內部結構方塊圖 4

14 2.3 單晶片微電腦所謂單晶片微電腦 (Single Chip) 係指將中央處理單元 (CPU) 記憶體單元 (Memory) 及輸入/ 輸出單元 (I/O) 製作在同一晶片上, 而形成一能夠獨立運作的控制系統其主要優點說明如下 : 單晶片微電腦係將 CPU 記憶體 I/O 埠等製作於同一晶片上, 體積比一般微電腦明顯縮小單晶片內部的硬體架構, 與微電腦之複雜系統相比, 其架構簡單, 在使用與學習上更容易單晶片已將主要功能溶縮於單一晶片上, 使用時, 只需接少許元件即可作廣泛的控制, 除了提高硬體接線的可靠度之外, 在裝配和維護上也相當容易由於 HMOS 與 CHMOS 技術的發展, 使單晶片不論在功能上包裝密度上都增強許多, 同時單晶片仍提供讀 (Read) 寫(Write) 等控制信號, 在作外部記憶體或 I/O 埠的擴充時, 相當簡便 2.4 單晶片的基本特性由於單晶片微電腦是由微電腦系統衍生出來, 因此主要架構涵蓋一般微電腦與微處理機的內涵例如算術 / 邏輯單元, 控制單元的 CPU 核心, 及各類暫存器, 匯流排, 記憶單元, 輸出入埠等, 可完成指令解碼, 運算, 儲存, 控制, 資料傳輸與輸出人等功能在面對種類繁多的各式微處理機或單晶片微控制器時, 首先必須了解晶片共通的基本功能特性, 並能比較不同晶片的特定用途, 才能充份掌握各種晶片特性, 並做為選擇晶片的依據發揮該晶片的功能效益以下摘要說明單晶片與微處理機的基本特性字語長度 : 微處理機處理資料的基本長度, 重要的指標包括微處理機內的暫存器 (Register) 與資料匯流排 (data bus) 的寬度例如 8 位元 16 位元 32 位元... 早期通用型 8088 為 16 位元微處理機,8051 為 8 位元單晶片目前最新 5

15 ARM 系列為 32 位元單晶片可定址空間 : 微處理機的位址匯流排 (Address Bus) 決定可存取外部記憶體與 I/O 埠的數量例如 16 條位址線可定址 2 16 =64KBytes 的記憶體空間位址線越多, 可存取的資料量就越大, 但晶片上的接腳數也會越多, 晶片體積也必須相對變大執行速度 : 微處理機執行程式的動作, 基本上可視為提取指令 - 執行指令的時間週期, 控制這個週期的是外部振盪電路提供的時脈 (Clock) 若採用的時脈頻率越高, 執行速度越快例如 8051 若採 l2mhz, 單一指令執行時間約 1μs 暫存器 : 微處理機暫時存放等待處理資料的地方暫存器的資料寬度數量型式, 會直接影響到微處理機的工作效率例如暫存器的數量多, 可減少資料存取的時間, 多種型式的暫存器, 可提供更多不同的定址方式指令集 : 指令是執行微處理機動作的機械控制碼, 一部微處理機提供的所有指令, 稱為指令集功能越強的微處理機, 提供的指令越多, 內部的電路結構也更複雜, 例如複雜指令結構 (CSIC) 目前單晶片逐漸朝向精簡指令結構(RSIC) 發展, 以較少的指令, 簡化電路, 提昇效能定址方式 : 即為程式中存取記憶體資料的方式配合微處理機提供的暫存器匯流排結構與指令集, 可決定微處理機的定址方式基本的定址方式直接定址間接定址, 功能較完整的系統晶片, 會提供更多定址方式, 如索引定址可以存取大型的陣列資料輸出入功能 : 輸出入埠微處理機與外界週邊界面溝通並交換資料的埠口輸出入埠必須提供 I/O 埠的定址能力, 位址解碼工作, 以及暫時存放輸出入資料的緩衝區暫存器等功能一般 I/O 的型式有 : 程式 I/O (PIO) 中斷 I/O(IIO) 直接記憶體存取(DMA) 單晶片一般都提供可直接輸出入的 I/O 埠與中斷輸入接腳, 同時亦提供資料匯流排與位址匯流排接腳, 做為擴充記憶體與 I/O 埠使用系統與週邊界面的支援功能 : 如計時 / 計數功能, 中斷控制串列通訊 UART 6

16 功能, 數位類比訊號輸出入 (ADC DAC), 看門狗 (WDT) 安全, 省電低耗功能目前單晶片的發展趨勢是, 針對某些特定功能需求, 提供不同的週邊界面支援功能因此衍生出各式各樣特定功能的嵌入式系統晶片例如 8051 計時 / 計數功能, 中斷控制串列通訊 UART 等功能 PIC 系列晶片提供多樣化的週邊界面支援功能 2.5 MCS-51 單晶片微電腦 MCS-51 族系單晶片是 INTEL 公司的產品, 其中 8051 是 INTEL 公司於 1981 年生產製造的原始晶片主要的功能及特性說明如下 : 單晶片 8 位元微電腦控制晶片 4KB 內部程式記憶體, 最大可外接擴充至 64KB 128Bytes 內部資料記憶體, 最大可外接擴充至 64KB 具有布林代數運算能力 ( 位元邏輯 ) 4 組可位元定址 I/O 埠 P0 Pl P2 P3 2 組 16 位元計時 / 計數器 T0 Tl 5 個中斷源 INT0 INTl T0 Tl RXD 或 TXD 1 組全雙工串列埠 UART 單晶片 8 位元微電腦控制晶片 8KB 內部程式記憶體, 最大可外接擴充至 64KB 256Bytes 內部資料記憶體, 最大可外接擴充至 64KB 具有布林代數運算能力 ( 位元邏輯 ) 4 組可位元定址 I/O 埠 P0 Pl P2 P3 3 組 16 位元計時 / 計數器 T0 Tl T2 6 個中斷源 INT0 INTl T0 Tl T2 RXD 或 TXD 7

17 1 組全雙工串列埠 UART MCS-51 單晶片比較表 2.1 MCS-51 單晶片比較編號 C C52 型式無 ROM EPROM EEPROM 無 ROM EPROM EEPROM ROM ROM 程式 4 KB 8 KB 記憶體資料記憶體 ( 外接最大 64KB) 128 Bytes ( 外接最大 64KB) ( 外接最大 64KB) 256 Bytes ( 外接最大 64KB) I/O 32( 可位元定址 ) 32( 可位元定址 ) 計時 2 3 器中斷 5 6 源無 ROM 型單晶片如 , 內部僅含有資料記憶體 (RAM), 必須外接程式記憶體 (ROM), 可使用 IC 編號 27xx(EPROM 型 ) 或 28xx(EEPROM 型 ), 將程式燒錄於此 IC 中 ROM 型單晶片如 , 內部含有資料記憶體 (RAM) 及程式記憶體 (ROM), 且程式記憶體僅可燒錄 1 次, 無法清除, 但其價格低廉, 適合工廠大量生產 8

18 EPROM 型單晶片如 , 內部含有資料記憶體 (RAM) 及程式記憶體 (ROM), 程式記憶體可重複多次使用使用紫外線清除, 照射單晶片窗口約 20~30 分鐘, 即可清除程式記憶體內資料 EEPROM 型單晶片如 89C51 89C52, 內部含有資料記憶體 (RAM) 及程式記憶體 (ROM), 程式記憶體可重複多次使用 ( 約 1000 次左右 ) 使用電氣信號(5V 或 2V) 清除, 清除時間約 5~10 秒 2.6 PIC 晶片 PIC(Peripheral Interface Controller) 系列的單晶片是美國 Microchip 公司於 1989 年出品的 8 位元微處理器 PIC 由於採用 RISC 架構, 快速的運算簡單易用價格便宜低耗電, 高速, 高輸出驅動電流豐富多樣化的週邊界面提供選擇... 等優點, 因此在問市後很短時間就急速竄紅, 目前廣為業界採用, 尤其是大量應用在消耗性電子裝置家電玩具等產品上以下列出 PIC 晶片的優異特點 : 晶片體積小, 耗電少, 價位低, 例如可燒入一次 OTP 型, 價格不到百元採用 RISC(Reduced Instruction Set Computing) 架構, 以哈佛 (Harvard) 雙匯流排結構, 將位址匯流排與資料匯流排分開, 因此位址與資料可以同時傳送, 避免處理上的瓶頸 PIC 單晶片的指令簡單易學, 共計 35 個指令 (PIC17CXX 例外, 有 58 指令 ) 指令的執行採管線架構 (Pipeline), 可大幅提高指令執行速度 PIC 絕大部份指令執行時間都是一個單一指令週期 (Instruction cycle), 約 400nS, 因此在撰寫程式時, 很容易掌握程式執行時間 PIC 單晶片提供的種類繁多, 根據不同需求提供多樣化的週邊界面, 例如串列通訊數位類比轉換計時 / 計數擷取 / 比較 /PWM 模組 ( 簡稱 CCP) 等 9

19 提供工業控制所需看門狗 (WDT) 監控功能在零件包裝上也有多種選擇如提供 DIP 包裝 PLCC TQFC MQFP 等 PIC 系列單晶片的種類繁多, 能讓工程師在電路與軟體的規畫設計上, 有更大的彈性空間主要成員依功能區分為四個家族, 分別為 PIC12CXXX PlC16C5X PICl6CXX 以及 PICl7CXXX 這四個家族的除了在程式記憶體的位元寬度不同, 指令字組長度亦有所不同 (12-Bit 14-Bit 16-Blt) 其它配備的週邊, 晶片接腳數, 執行速度是都不同差異這四個晶片家族的特點如下 : PlCl2CXX 家族 : 簡單型 8 支接腳的 RISC 架構單晶片, 麻雀雖小, 五臟俱全除內建 ROM 與 RAM 外,PlCl2C6XX 內建類比數位轉換 (AD) 的週邊, 並可提供更高時脈的運作這類晶片有 PICl2C508 PICl2C509 PIC12C671 PICl2C 等 PICl6C5X 家族 : 在 PIC 系列中, 入門型晶片只有基本週邊配備,I/O 埠配置 12~20, 晶片接腳數有兩種沒有 AD 轉換, 沒有串列通訊, 也沒 CCP 模組最高速可到 20MHz 這一家族的晶片有 PICl6C52 PICl6C54 PICl6C57 PICl6C58... 等 PICl6CXXX 家族 : 除基本配備外, 加入更多的週邊供選擇 AD 轉換晶片接腳數由 18~64 都有週邊界面依家族成員不同, 提供 AD 轉換串列通訊 CCP 模組 LCD 控制模組... 等多樣化選擇常見晶片如 PICl6C84 PlCl6C74... 等 PICl7CXXX 家族 : 高功能的 PIC 晶片家族, 時脈提高到 33MHz, 使用的指令增加到 58 個, 指令字組寬度為 16 位元, 相對可定址範圍也增加內建的 ROM 大小由 2MByte 到 l6mbyte,ram 則從 232Byte 到 902Byte 提供乘法器, 運算結果有 16 位元的乘積值內建有獨立的兩個擷取輸人和兩個 PWM 輸人, 也提供串列通訊家族成員晶片如 PICl7C42 PICl7C43 PICl7C52 PICl7C56... 等 2.7 高速晶片 AVR 10

AVR 是美國 ATMEL 公司於 1997 年推出增強型 RISC 架構的單晶片 ATMEL 公司以製作 FLASH 記憶體設計製造技術為最著名自從該公司將 MCS-51 單晶片核心結合 FLASH 記憶體, 推出 AT89C5l 與 ATCl051 等一系列單晶片, 取代傳統 80C51 單晶片, 成為 MCS-51 核心晶片的主流晶片但在面對 Microchip 推出以 RISC

20 AVR 是美國 ATMEL 公司於 1997 年推出增強型 RISC 架構的單晶片 ATMEL 公司以製作 FLASH 記憶體設計製造技術為最著名自從該公司將 MCS-51 單晶片核心結合 FLASH 記憶體, 推出 AT89C5l 與 ATCl051 等一系列單晶片, 取代傳統 80C51 單晶片, 成為 MCS-51 核心晶片的主流晶片但在面對 Microchip 推出以 RISC 指令架構的 PIC 系列單晶片的強大壓力下, 針對 PIC 與 MCS-51 晶片族的優缺點加以改良, 於 1997 年研發推出 AVR 增強型精簡微控制器 (AVR Enhanced RISC Microcontroller),AVR 晶片的內部架構如圖 2.2 所示晶片功能特性說明如下 : 圖 2.2 AVR 晶片內部架構圖將程式記憶體 OTP( 可燒錄一次 ), 改用 Flash 架構, 可重複燒洗 1000 次以上, 提高程式修改的次數價格在 50~200 元間低耗電 (lua~2.5ma) 高速度(50nS), 具 SLEEP 功能與 CMOS 11

21 AVR 具有一個指令一個時脈的高速執行能力在 20MHz 的工作頻率下, 大部分指令只需 50nS 超功能的 RISC 精簡指令架構,32 個工作暫存器, 及個內部靜態 SRAM, 可靈活運用的 118 個指令, 並提供完整 C 高階語言, 易學易用工業級的產品, 具 WDT 安全保護功能, 具大電流輸出 10~20mA 或 40mA 的單一輸出, 可直接驅動 SSR 或繼電器串列埠有 UART 不佔用計數器及 SCI 傳輸功能, 故可高速工作這 576K 的傳輸率 AVR 單晶片包括 Attiny AT90 與 ATmega 三個系列, 分別對應到低中高三種層次的產品依據使用者不同, 現已推出 30 多種型號的晶片, 接腳由 8~64 支內部的配置也有所不同, 但基本的結構與功能, 指令系統彼此也相容 AVR 晶片種類簡述如下 : ATiny11/12: 簡易型的 AVR 1KB 的 Flash ROM 晶片包裝只有 8 接腳, 有五個 I/O 接點, 具備一類比比較器, 如 ATiny11/12... 等晶片 AT90: 即一般最常見的 AVR 機型, 如 AT90LS23XX AT90LS4433 AT90LS85XX 等 Flash ROM 由 2KB~8KB RAM 由 128B~512B 晶片接腳數由 8~44 ATmega: 為高階型 AVR 機型 Flash ROM 由 8KB~128KB RAM 由 1KB~4KB 晶片接腳數由 28~64 提供 PWM UART SPI 等功能 12

22 第三章實際範例 3.1 矩陣型 LED 顯示動態字元對 8x8 矩陣型 LED 而言, 字元的移動變化, 如上移下移左移右移等, 如果每次移動一行 ( 左移右移 ) 或一列 ( 上移下移 ), 當移動 8 次後即重覆相同的畫面若使用 8 位元組的記憶體作為字型變化的緩衝區, 其字型緩衝區資料對映如圖 3.1 與表 3.1 圖 3.1 字型資料對映圖表 3.1 字型資料對映表行字型資料字型資料指標 1 0xff ptr[0] 2 0xc0 ptr[1] 3 0xb7 ptr[2] 4 0x77 ptr[3] 5 0x77 ptr[4] 6 0xb7 ptr[5] 7 0xc0 ptr[6] 13

23 8 0xff ptr[7] 左移字型左移如圖 3.2 所示, 先將 ptr[0] 存入 temp 中再依次將 ptr[l] 存入 ptr[0],ptr[2] 存入 ptr[l],ptr[3] 存入 ptr[2] 等最後再將 temp 存入 ptr[7] 中圖 3.2 字型左移變化右移字型右移如圖 3.3 所示, 先將 ptr[7] 存入 temp 中再依次將 ptr[6] 存入 ptr[7],ptr[5] 存入 ptr[6],ptr[4] 存入 ptr[5] 等最後再將 temp 存入 ptr[0] 中 14

24 圖 3.3 字型右移變化上移字型上移如圖 3.4 所示, 將 ptr[0]~ptr[7] 內容左移 1 位元下移圖 3.4 字型上移變化字型下移如圖 3.5 所示, 將 ptr[0]~ptr[7] 內容右移 1 位元 15

25 圖 3.5 字型下移變化 x16 矩陣型 LED 顯示器中文字型顯示原理中文字型有兩種, 一為 16x15 字型, 一為 24x24 字型, 如果是 16x15 字型, 則每一個字型佔用 30 個位元組 (16x15/8=30) 的記憶體空間, 且必須使用 4 個 8x8 矩陣型 LED; 如果是 24x24 字元 ; 則每一個字型佔用 72 個位元組 (24x24/8=72) 的記憶體空間, 且必須使用 9 個 8x8 矩陣型 LED 本實驗使用 4 個 8x8 矩陣型 LED 顯示單一個 16x15 中文字生為了節省 MCS-51 的埠腳使用, 我們使用 74LS373 的閂鎖型 IC, 將兩個位元組的字型資料分別閂鎖在 IC 內, 並且使用 4 對 16 的解碼器產生行掃描信號本實驗顯示中文字型 " 光 "," 光 " 字的字型顯示如圖 3.6, 其字型資料如表 3.2, 每一行兩個位元組資料, 共 32 個位元組, 因為是使用 4 個 8x8 矩陣型 LED 顯示器, 所以必須將其連接起來如圖 3.7 所示, 才能正常使用 16

26 圖 3.6 中文字光 " 的字型顯示圖個 8x8 LED 連接成 1 個 16x16 LED 17

27 表 3.2 中文字光 " 的字型資料位元組行 xdf 0xdf 0xdf 0xdd 0xd3 0x1f 0xdf 0xc0 2 0xff 0xdf 0xef 0xf7 0xf9 0xfe 0xff 0xff 位元組行 xdf 0x1f 0xd7 0xdb 0xdd 0xcd 0xdf 0xff 2 0xff 0xe0 0xdf 0xdf 0xdf 0xdf 0xc3 0xff 表 3.3 中文字光 " 的字型填入資料 x16 矩陣型 LED 顯示器動態中文字型顯示中文字型的移動變化, 與先前所提之英文字型移動變化原理相同, 是藉由改變行資料內容使字型左右移, 或改變列資料內容使字型上下移由於 16x16 18

RESET 鍵時, 系統重置, 畫面顯示 " 光 " 字且保持不動, 當按 SW0 鍵時, 字型左移, 按 SW1

28 中文字型每行需要 2 個位元組, 所以字型在移動一行或一列時, 必須同時改變 2 個位元組的內容, 才能使字型移動一行或一列本實驗藉由四個按鍵開關來控制一個中文字 " 光 " 的上下左右移變化, 當按 RESET 鍵時, 系統重置, 畫面顯示 " 光 " 字且保持不動, 當按 SW0 鍵時, 字型左移, 按 SW1 鍵時, 字型上移, 按 SW2 鍵時, 字型右移, 按 SW3 鍵時, 字型下移圖 x16 矩陣型 LED 顯示器電路圖 19

$9 16x16 矩陣型 LED 顯示器流程圖在 C:\sdcc\bin\ 鍵入 sdcc$

29 3.4 SDCC 版本檢查確認圖 x16 矩陣型 LED 顯示器流程圖在 C:\sdcc\bin\ 鍵入 sdcc version 如圖 3.10 所示圖 3.10 SDCC 版本確認 20

$3.5 程式編譯在 C:\sdcc\bin\ 鍵入 sdcc sdcctest.c 如圖 3.11 所示圖 3.11 程式編譯編譯後產生的檔案 sdcctest.$

30 3.5 程式編譯在 C:\sdcc\bin\ 鍵入 sdcc sdcctest.c 如圖 3.11 所示圖 3.11 程式編譯編譯後產生的檔案 sdcctest.asm: 程式的彙編檔 sdcctest.lst: 程式的列表檔 sdcctest.rst: 被鏈結器更新的列表檔 sdcctest.map: 變數擺的位置以及每個程式所佔的空間 sdcctest.ihx: 十六進位格式的 hex 檔 21

31 第四章結論 4.1 心得所有牽涉到精確計時的副程式中, 用組合語言會有更快的反應速度所有的 805l C 語言編譯程式都會建議使用者小心使用組合語言, 以免造成當機 C 語言編譯時可以指定對執行速度 SPEED 或是程式碼 CODE SIZE 進行最佳化, 我們必須加以瞭解及使用對於 RESET 之後的 C 啟動程式 STARTUP, 請務必進行所有動作的確認如果發覺某些副程式的執行速度不夠快時, 先試著用 C 進行改寫, 再不行就要用組合語言大部份 C 語言的最佳化僅僅是針對該語言而已, 並末對 8051 的程式碼進行最佳化, 如果還要更快時, 只有改用組合語言若改用組合語言後仍不夠快時, 我們建議您這部份直接用硬體來處理, 這才是治標兼治本之道 C 語言處理中斷的處理速度並不遜於組合語言, 但是使用前須瞭解其進入及返回原程式的步驟, 以免造成無心的當機隨時觀察系統的輸出 MAP 檔, 以確認各個變數的擺放位置, 是否真的擺進 SRAM 區內部 C 語言所寫的控制系統比組合語言而言, 有更多不確定性存在, 這些不確定性包含了我們程式寫法的執行錯誤 (RUNTIME ERROR), 以及編譯程式的隱藏性 bug, 所以我們要有一套更嚴謹的程式驗證步驟, 對程式碼進行全盤檢查組合語言及 C 語言真的無法斷定孰優孰劣, 只要選對使用時機 4.2 結論如果真的想要用 C 語言來駕馭 8051, 請注意以下兩點 : 第一, 儘量加大程式空間 (Program Memory), 以便容納 C 語言轉換出來的 machine code 第二, 擴充外部的資料空間 (Data Memory) 到 2K Bytes 甚至 32K Bytes, 讓 C 有絕對足夠的 22

32 空間來保存變數及外部的堆疊對 C 而言,8051 的堆疊是絕對不足的, 所以 C 會自己建立一個 external stack 的機制, 以便更有效地運用外部的 SRAM 區說更明白一點, 將 8051 的系統擴充到 ROM 64K,SRAM 也接近 64K, 這時用 C 語言就沒有任何疑慮了 23

33 參考文獻 [1] 林伸茂, 8051 單晶片徹底研究經驗篇, 旗標出版社, pp.1-1~ ~5-43,2002 [2] 陳明熒, 單晶片 8051 KEIL C 實作入門, 文魁資訊,pp.1-1~ ~ ~5-18, 2005 [3] 林振漢, 8051 單晶片實作 : 使用 C 語言, 博碩文化,pp.1-1~ ~8-23, 2004 [4] 溫植燁, 8051 單晶片實務與應用, 文魁資訊,pp.3-2~3-15,2002 [5] 楊明豐, 8051 單晶片 C 語言設計實務, 碁峰資訊,pp.1-2~ ~3-20, 2003 [6] SDCC - Small Device C Compiler [7] 蔡朝洋, 單晶片微電腦 8051/8951 原理與應用, 全華科技, pp.4-2~ ~9-24,

34 附錄一程式 #include "reg51.h" /* 含 8051 所有暫存器宣告 */ #define COLS 16 /*16 行 */ #define ROWS 2 /* 每行有 2 個位元組資料 */ int KeyScan(void); /* 函數原型宣告 */ void DelayX10ms(int); /* 函數原型宣告 */ char count=4; /* 動態掃描速度控制 */ char ScanLine=0; /* 行掃描信號 */ char offset=0; int keytemp=0xff; /* 鍵值 */ int key=0xff; /* 鍵值 */ char i=0; /* 行資料指標 */ char j; /* 列資料指標 */ sbit P1_4=0x94; /*8051 接腳定義 */ sbit P1_5=0x95; /*8051 接腳定義 */ unsigned char *ptr[cols]; unsigned char pattern[cols][rows]= /* 中文字型 " 光 " 字資料 */ {{0xdf,0xff},{0xdf,0xdf}, {0xdf,0xef},{0xdd,0xf7}, {0xd3,0xf9},{0x1f,0xfe}, {0xdf,0xff},{0xc0,0xff}, {0xdf,0xff},{0x1f,0xe0}, {0xd7,0xdf},{0xdb,0xdf}, {0xdd,0xdf},{0xcd,0xdf}, 25

35 {0xdf,0xc3},{0xff,0xff}}; main() /* 主程式 */ { void ShiftLeft(void); /* 左移函數原型宣告 */ void ShiftRight(void); /* 右移函數原型宣告 */ void ShiftUp(void); /* 上移函數原型宣告 */ void ShiftDown(void); /* 下移函數原型宣告 */ char i; IE=0x82; /* 致能計時器 0 中斷 */ TMOD=0x02; /* 設定計時器 0 工作於模式 2*/ TH0=( ); /* 計時器 0 中斷時間為 250us*/ TL0=( ); P1_4=0; /* 除能第一個 74373*/ P1_5=0; /* 除能第二個 74373*/ TR0=1; /* 啟動計時器 0*/ for(i=0;i<cols;i++) /*ptr 指向字型緩衝區 pattern*/ *(ptr+i)=*(pattern+i); while(1) { keytemp=keyscan(); /* 鍵盤掃描 */ if(keytemp!=0xff) /* 有按鍵輸入 */ key=keytemp; /* 將鍵值存入 key 中 */ if(key==0) ShiftLeft(); /* 若鍵值 key=0 則左移 */ else if(key==1) ShiftUp(); /* 若鍵值 key=1 則上移 */ else if(key==2) ShiftRight(); /* 若鍵值 key=2 則右移 */ 26

36 else if(key==3) ShiftDown(); /* 若鍵值 key=3 則下移 */ DelayX10ms(50); } } void ShiftLeft(void) /* 左移函數 */ { char i; unsigned char *temp; TR0=0; temp=*ptr; for(i=0;i<cols-1;i++) *(ptr+i)=*(ptr+i+1); *(ptr+cols-1)=temp; TR0=1; } /* ShiftLeft */ void ShiftRight(void) /* 右移函數 */ { char i; unsigned char *temp; TR0=0; temp=*(ptr+cols-1); for(i=cols-1;i>0;i--) *(ptr+i)=*(ptr+i-1); *ptr=temp; 27

37 TR0=1; } /* ShiftRight */ void ShiftUp(void) /* 上移函數 */ { char i,j; unsigned char temp[rows]; TR0=0; for(i=0;i<cols;i++) { for(j=0;j<rows;j++) { temp[j]=*(*(ptr+i)+j); *(*(ptr+i)+j)>>=1; } for(j=0;j<rows;j++) { temp[j]&=0x01; if((temp[j]==0x01) && (j==rows-1)) *(*(ptr+i)+0)+=0x80; else if(temp[j]==0x01) *(*(ptr+i)+j+1)+=0x80; } } TR0=1; 28

38 } /* ShiftUp */ void ShiftDown(void) /* 下移函數 */ { char i,j; unsigned char temp[rows]; TR0=0; for(i=0;i<cols;i++) { for(j=0;j<rows;j++) { temp[j]=*(*(ptr+i)+j); *(*(ptr+i)+j)<<=1; } for(j=0;j<rows;j++) { temp[j]&=0x80; if((temp[j]==0x80) && (j==0)) *(*(ptr+i)+rows-1)+=0x01; else if(temp[j]==0x80) *(*(ptr+i)+j-1)+=0x01; } } TR0=1; } /* ShiftDown */ 29

39 void T0_int(void) interrupt 1 /* 矩陣型 LED 動態掃描函數 */ { if(--count==0) /* 已經過 1ms*/ { count=4;/* 重設 count=4*/ j=0;/* 設列資料指標 j=0*/ P2=*(*(ptr+i)+j); /* 輸出第一位元組字型資料 */ P1_4=1; /* 閂鎖 */ P1_4=0; j++; P2=*(*(ptr+i)+j); P1_5=1; P1_5=0; P1=ScanLine; /* 輸出行掃描信號 */ ScanLine++; /* 掃描下一行 */ i++; /* 指向下一行字型資料 */ if(scanline==16) /* 已掃描完 16 行 */ { ScanLine=0; /* 重設掃描信號 */ i=0; /* 重設行資料指標 */ } } } int KeyScan(void) /* 鍵盤掃描函數 */ { 30

40 int KeyValue=0; /* 清除鍵值 */ char KeyStatus; /* 按鍵狀態 */ char KeyScanLine=0x01; /* 鍵盤掃描信號 */ char col; /* 行數 */ char row; /* 列數 */ for(col=0;col<2;col++) /* 共 2 行 */ { P3=~KeyScanLine; /* 輸出行掃描信號 */ KeyStatus=~P3; /* 讀取按鍵狀態 */ KeyStatus>>=2; /* 保留按鍵狀態 */ for(row=0;row<2;row++) /* 每行有 2 個按鍵 */ { if(keystatus==0x01) /* 有按鍵輸入與否 */ { col=2; /* 有按鍵輸入結束掃描 */ row=2; } Else /* 沒有按鍵輸入 */ { KeyValue++; /* 鍵值加 1*/ KeyStatus>>=1; /* 偵測下一個按鍵 */ } } KeyScanLine<<=1; /* 掃描下一行 */ } if(keyvalue==4) /* 掃描完所有按鍵 */ 31

41 KeyValue=0xff; /* 沒有按鍵輸入 */ return(keyvalue); /* 傳回鍵值 */ } /* KeyScan */ void DelayX10ms(int times) /* 延遲函數 */ { int i,j; for(i=0;i<times;i++) /* 每 10ms 移動一行 */ for(j=0;j<600;j++) /* 延遲 10ms*/ ; } 32

42 附錄二 8 X 8 點矩陣腳位 A B C D E F G H DH 3H 4H GH 6H FH BH AH DC 3C 4C GC 6C FC BC AC D G8 68 F8 B8 A8 DE 3E 4E GE 6E FE BE AE D G1 61 F1 B1 A1 D G7 67 F7 B7 A7 D G2 62 F2 B2 A2 D G5 65 F5 B5 A

43 附錄三實體電路 34

DPJJX1.DOC

DPJJX1.DOC 8051 111 2K 1 2 3 ' ' 1 CPU RAM ROM / A/D D/A PC CPU 40 68 10 20 8 51 PIII 8051 2 MCS51 8051 8031 89C51 8051 8031 89C51? MCS51 INTEL INTEL 8031 8051 8751 8032 8052 8752 8051 8051 8051 MCS51 8031 8031