8x51 起手式 -LED 跑馬燈

講到自動控制一定會提到『 8x51 系列』的應用，這系列的晶片在近二十幾年來已經被廣泛開發到爛掉，無處不見其縱影呀，從燈號控制、定時裝置到各種自動化的家電、工業產品，都可以找到它的存在。因此，凡是講到要學習自動控制的應用與設計，『 8x51 系列』可說是必學的項目。

這學期因為專題教授強烈的『口頭勸說』和為了順便湊畢業學分，就跑去選修了『 8x51 微處理機』的課程，重溫了以前零星的經驗。話說這堂課有多次實作的作業，過程中玩弄電路板和程式非常有意思。不過課程免不了從最簡單的 LED 跑馬燈開始教，雖然乏味但也是一個惡搞經驗的開始〔尤其是不依照老師要求時 :D〕。

這是第一次作業的電路示意圖〔圖的標示和真實腳位不一樣，請參考 8x51 的腳位定義資料。〕：


作業目標是讓 LED 燈號從第一個燈開始，每 0.2 秒變一次燈號，向左旋轉三圈後，再往右反方向旋轉三圈，如此以重覆動作跑下去。程式設計流程大致上是：




程式是用 ASM 寫的，原始程式碼和詳細註解如下：

MOV R0, #24                    ; 設定切換 LED 次數：跑三圈共23次
                                      ; 因為包括起始燈號，所以要設定成 n+1 次
MOV A, #11111110B           ; 以 bit 為單位，設 1 代表該腳位會輸出 5V 電壓
                                      ; 設 0 則腳位輸出 0V 電壓，會讓 LED 有電位差而亮燈
                                      ; 這裡設最右邊第一顆 LED 燈泡為起始燈

RUNL:
MOV P0, A                        ; 使用 A 的設定值來設定 P0 ，以控制 LED
CALL SLEEP                    ; 呼叫 SLEEP 副程式，暫停 0.2 秒
RL A                                ; 將燈泡設定值向左平移

DJNZ R0, RUNL               ; R0=R0-1
                                      ; 然後判斷 R0是否為 0
; 若 R0!=0：
; 跳回 RUNL 直到LED 跑完三圈(R0-1=0)
; 若 R0=0則往下繼續執行

MOV R0, #24                    ; 設定切換 LED 次數(n+1)
RR A                                ; 此時 LED 設定會停在最左邊第一個位置
                                      ; 將燈泡設定值向右平移


RUNR:
MOV P0, A                        ; 使用 A 的設定值來設定 P0 ，以控制 LED
CALL SLEEP                    ; 呼叫 SLEEP 副程式，暫停 0.2 秒
RR A                                ; 將燈泡設定值向右平移

DJNZ R0, RUNR                ; R0=R0-1
                                       ; 然後判斷 R0是否為 0
; 若 R0!=0：
; 跳回 RUNL 直到LED 跑完三圈(R0-1=0)
; 若 R0=0則往下繼續執行

MOV R0, #24                    ; 設定切換 LED 次數(n+1)
RL A                                ; 此時 LED 設定會停在最右邊第一個位置
                                      ; 將燈泡設定值向左平移

JMP RUNL                       ; 跳回 RUNL 重新一次循環

; 暫停流程之副程式
; 12 clocks = 1 cycle = 0.000001 seconds
; 1200000 clocks = 0.1 seconds，故 2400000 clocks = 0.2 seconds
; SLEEP 被設計成可以浪費 2340912 clocks，算法如下：
; 12 + [(12+24)*R2 + 24] * R1
; = 12 + 9180 * 255
; = 2340912 clocks (0.195076 seconds)
SLEEP:
  MOV R1, #FFH               ; 指令會消耗12 clocks
                                       ; 設定R1=255
SLEEP1:
  MOV R2, #FFH               ; MOV 指令會消耗12 clocks
                                       ; 設定R2=255

SLEEP2:                  
  NOP                               ; 浪費掉 12 clocks
  DJNZ R2, SLEEP2         ; DJNZ 指令會消耗24 clocks
                                        ; 重覆跑 SLEEP2，共 R2 次
  DJNZ R1, SLEEP1          ; DJNZ 指令會消耗24 clocks
                                       ; 重覆跑 SLEEP1，共 R1 次
  RET                               ; 副程式結束並返回主程式
END                                   ; 程式結束

這程式很笨，沒有 Interrupt 的使用，所以用很單純的 NOP 去吃掉時間，而一般書上和同學都用三個 Rx 去實作 Delay 的函式，但我偏不想這麼做〔多耗一點記憶體感覺程式就不優雅了〕，所以多了一點點時間誤差也就算了，反正人也感覺不出來 :P。

後記

8x51 就像是縮小精簡版的 x86 一樣，關念其實差不太多，就算比較少接觸 8x51 但也不至於忘掉太多過去的經驗〔至少我還有持續去玩弄 x86 的程式〕。還有在 Interrupt 的使用其實並不複雜，只不過因為老師的作業要求，所以也就沒有使用中斷去解決 Timer 的問題。

另外，找不到好用的 Open Source 8x51 模擬器，只好每次都燒到晶片上測試，實在很累人。哪天有空有動力時，再來為自己寫套好用的 simulator。最近也研究了一下 8x51 的 Assemler 和 C Compiler ，下次再來筆記一下好了。:)