Микроконтроллеры семейства mcs 51 имеют архитектуру типа. Микроконтроллеры MCS–51. Cтруктурная схема, АЛУ, память данных. Режим чтения порта
Фирма Intel является родоначальницей архитектуры семейства MCS-51, которое получило свое название от первого представителя этого семейства - микроконтроллера 8051, выпущенного в 1980 году на базе технологии n-МОП. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке. С точки зрения технологии микроконтроллер 8051 являлся для своего времени очень сложным изделием - в кристалле было использовано 128 тыс. транзисторов, что в 4 раза превышало количество транзисторов в 16-разрядном микропроцессоре 8086. Указанный микроконтроллер остается ядром семейства MCS-51 и по сей день.
Основными элементами базовой архитектуры семейства (архитектуры микроконтроллера 8051) являются:
8-разрядное АЛУ;
4 банка регистров, по 8 в каждом;
Внутренняя (резидентная) память программ 4 Кбайт, имеющая тип ROM или EPROM (8751);
Внутренняя (резидентная) память данных 128 байт;
21 регистр специальных функций;
Булевый процессор;
Два 16-разрядных таймера/счетчика;
Контроллер последовательного порта (UART);
Контроллер обработки прерываний с двумя уровнями приоритетов;
Четыре 8-разрядных порта ввода/вывода, два из которых используются в качестве шины адреса/данных для доступа к внешней памяти программ и данных;
Встроенный тактовый генератор.
Затем был выпущен микроконтроллер 8052, который отличался увеличенным объемом резидентной памяти программ и данных, введенным третьим таймером и соответственно расширенным контроллером прерываний.
Следующим принципиальным шагом в развитии MCS-51 стал перевод технологии изготовления на КМОП (модификация 8xC51). Это позволило реализовать режимы Idl (холостой ход) и Power Down (пониженное потребление), обеспечивающие резкое снижение энергопотребления кристалла и открывшие дорогу к применению микроконтроллера в энергозависимых приложениях, например, в автономных приборах с батарейным питанием.
И последним важным этапом развития МК 8051 фирмой Intel стал выпуск микроконтроллеров 8xC51FA/FB/FC и 8xC51RA/RB/RC, которые для краткости часто обозначаются как 8xC51Fx и 8xC51Rx. Главной отличительной особенностью этой группы кристаллов является наличие у них специализированного таймера/счетчика (РСА). Кроме того, микроконтроллеры 8xC51Rx дополнительно содержат сторожевой таймер (WDT). Рассмотрим архитектуру и функциональные возможности PCA более подробно.
В состав РСА входят:
16-разрядный таймер/счетчик;
Пять 16-разрядных модуля выборки и сравнения, каждый из которых связан со своей линией порта ввода/вывода микроконтроллера.
Таймер/счетчик обслуживает все пять модулей выборки и сравнения, которые могут быть запрограммированы на выполнение одной из следующих функций:
16-битовая выборка значения таймера по положительному фронту внешнего сигнала;
16-битовая выборка значения таймера по отрицательному фронту внешнего сигнала;
16-битовая выборка значения таймера по любому фронту внешнего сигнала;
16-битовый программируемый таймер;
16-битовое устройство скоростного вывода;
8-битовый ШИМ.
Выполнение всех перечисленных функций происходит в РСА на аппаратном уровне и не загружает центральный процессор. Указанное позволяет повысить общую пропускную способность, повысить точность измерений и обработки сигналов и снизить время реакции микроконтроллера на внешние события, что особенно важно для систем реального времени. Реализованный в 8xC51Fx (8xC51Rx) РСА оказался настолько
|
Обозначение |
Макс. частота (МГц) |
ROM/EPROM (байт) |
счетчики | ||
удачным, что архитектура этих микроконтроллеров стала промышленным стандартом, а сам РСА многократно воспроизводился в различных модификациях МК 8051.
Некоторые характеристики ряда микроконтроллеров MCS-51, выпускаемых фирмой Intel, приведены в табл.1.1.
Изначально наиболее "узкими" местами архитектуры MCS-51 были 8-разрядное АЛУ на базе аккумулятора и относительно медленное выполнение команд (для выполнения самых быстрых команд требуется 12 пе-
Таблица 1.1
|
ввода/вывода |
АЦП, входы x разряды |
периферия, особенности |
U пит. (В) |
||
|
Низковольтный вариант | |||||
|
4 уровня IRQ, clock out | |||||
|
4 уровня IRQ, clock out | |||||
|
Низковольтный вариант 8xC51Fx | |||||
|
4 уровня IRQ, clock out | |||||
|
4 уровня IRQ, clock out | |||||
|
4 уровня IRQ, clock out | |||||
риодов тактовой частоты (частоты синхронизации МК)). Это ограничивало применение микроконтроллеров семейства в приложениях, требующих повышенного быстродействия и сложных вычислений (16- и 32-битовых). Насущным стал вопрос принципиальной модернизации архитектуры MCS-51. Проблема модернизации осложнялась тем, что к началу 90-х годов уже была создана масса наработок в области программного и аппаратного обеспечения семейства MCS-51, в связи с чем одной из основных задач проектирования новой архитектуры была реализация аппаратной и программной совместимости с разработками на базе MCS-51.
Для решения указанной задачи была создана совместная группа из специалистов компаний Intel и Philips, но позднее пути этих двух фирм разошлись. В результате в 1995 году появилось два существенно отличающихся семейства: MCS-251/151 у Intel и MCS-51XA у Philips (см. подраздел 1.2).
Основные характеристики архитектуры MCS-251:
24-разрядное линейное адресное пространство, обеспечивающее адресацию до 16 Мбайт памяти;
Регистровая архитектура, допускающая обращение к регистрам как к байтам, словам и двойным словам;
Страничный режим адресации для ускорения выборки команд из внешней программной памяти;
Очередь инструкций;
Расширенный набор команд, включающий 16-битовые арифметические и логические операции;
Расширенное адресное пространство стека (до 64 Кбайт);
Выполнение самой быстрой команды за 2 такта.
Система команд MCS-251 включает два набора инструкций - первый набор является копией системы команд MCS-51, а второй состоит из расширенных инструкций, реализующих преимущества архитектуры MCS-251. Перед использованием микроконтроллера его необходимо сконфигурировать, т.е. с помощью программатора "прожечь" конфигурационные биты, определяющие, какой из наборов инструкций станет активным после включения питания. Если установить первый набор инструкций, то в этом случае МК семейства MCS-251 будет совместим с MCS-51 на уровне двоичного кода. Такой режим называется Binary Mode. Если же изначально установить набор расширенных инструкций (режим Source Mode), то тогда программы, написанные для MCS-51, потребуют перекомпиляции на кросс-средствах для MCS-251. Режим Source Mode позволяет с максимальной эффективностью использовать архитектуру MCS-251 и достигнуть наибольшего быстродействия.
Для пользователей, ориентированных на применение микроконтроллеров MCS-251 в качестве механической замены MCS-51, фирма Intel выпускает микроконтроллеры MCS-151, уже запрограммированные в состояние Binary Mode.
Некоторые характеристики ряда микроконтроллеров MCS-251/151 приведены в табл.1.1.
В настоящее время Intel, устремленная на рынок Pentium-процессоров, сворачивает производство кристаллов MCS-51. В целом для конкретного разработчика это может остаться и незамеченным, если только он не использует микроконтроллеры 8xC51GB и 80C152Jx, которые не имеют своих точных аналогов среди изделий других фирм. Что же касается всех остальных микроконтроллеров семейства MCS-51, то все они многократно растиражированы другими компаниями.
Основой микроконтроллера (см. рис. 1) является 8–ми битовое Арифметическо–Логическое устройство (АЛУ). Память МК имеет Гарвардскую архитектуру, т.е. логически разделена: на память программ – ПП (внутреннюю или внешнюю), адресуемую 16–ти битовым счетчиком команд (СК) и память данных – внутреннюю (Резидентная память данных – РПД) 128 (или 256) байт, а также внешнюю (Внешняя память данных – ВПД) до 64 Кбайт. Физически память программ реализована на ПЗУ (доступна только по чтению), а память данных – на ОЗУ (возможна запись и чтение данных).
Прием и выдача внешних сигналов осуществляется через 4 восьмибитовых порта Р0..Р3. При обращении к внешней памяти программ (ВПП) или памяти данных (ВПД) порты Р0 и Р2 используются как мультиплексированная внешняя шина Адрес/Данные. Линии порта Р3 могут выполнять также альтернативные функции (см. табл. 1).
16–ти битовый регистр DPTR формирует адрес ВПД или базовый адрес Памяти программ в команде преобразования Аккумулятора. Регистр DPTR может также использоваться как два независимых 8–ми битовых регистра (DPL и DPH) для хранения операндов.
8–ми битовый внутренний регистр команд (РК) принимает код выполняемой команды; этот код дешифрируется схемой управления, которая генерирует управляющие сигналы (см. рис. 1).
Обращение к регистрам специальных функций – РСФ (SFR – на рис. 1 они обведены пунктирной линией) возможно только с использованием прямой байтовой адресации в диапазоне адресов от 128 (80h) и более.
Резидентная память данных (РПД) в первых моделях микроконтроллеров семейства MCS–51 имела объем 128 байт. Младшие 32 байта РПД являются одновременно и регистрами общего назначения – РОН (4 банка по 8 РОНов). Программа может обратиться к одному из 8–ми РОНов активного банка. Выбор активного банка РОНов осуществляется программированием двух бит в регистре состояния процессора – PSW.
Таблица 1 – Назначение выводов MCS–51
| № выв. | Обозначение | Назначение |
| 1..8 | Р1 | 8–ми битовый квазидвунаправленный порт ввода/вывода |
| 9 | RST | Сигнал сброса (активный уровень – высокий); Сигнал RST обнуляет: PC и большинство Регистров Специальных Функций (SFR), запрещая все прерывания и работу таймеров; выбирает Банк РОНов 0; записывает в порты Р0_Р3 "все единицы", подготавливая их на ввод; записывает код 07H в указатель стека (SP); |
| 10..17 | 8–ми битовый квазидвунаправленный порт ввода/вывода; после записи в соответствующий разряд "1" – выполняет дополнительные (альтернативные) функции: Вход последовательного порта – RxD; Выход последовательного порта – TxD; Вход внешнего прерывания 0 – ~INT0; Вход внешнего прерывания 1 – ~INT1; Вход таймера/счетчика 0 – Т0; Вход таймера/счетчика 1 – Т1; Выход строб. сигнала при записи в ВПД – ~ WR; Выход строб. сигнала при чтении из ВПД – ~ RD; |
|
| 18, 19 | X1, X2 | Выводы для подключения кварцевого резонатора или LC–контура; |
| 20 | GND | Общий вывод; |
| 21..28 | P2 | 8–ми битовый квазидвунаправленный порт ввода /вывода; или выход адреса A в режиме работы с внешней памятью (ВПП или ВПД); |
| 29 | PME | Строб чтения Внешней Памяти Программ, выда–ется только при обращении к внешнему ПЗУ; |
| 30 | ALE | Строб адреса Внешней памяти (ВПП или ВПД); |
| 31 | ЕА | Отключение РПП, уровень "0" на этом входе пе–реводит МК на выборку команд только из ВПП ; |
| 39..32 | Р0 | 8–ми битовый двунаправленный порт ввода/ вывода; при обращении к Внешней Памяти выдает адреса A (которые записываются во внешний регистр по сигналу ALE), а затем обменивается байтом синхронно с сигналом ~PME (для команд) или ~WR,~RD (для данных в ВПД), при обращении к Внешней Памяти в регистр порта Р0 записываются все единицы, разрушая хранимую там информацию; |
| 40 | Ucc | Вывод напряжения питания |
Переключение банков РОНов упрощает выполнение подпрограмм и обработку прерываний, т.к. не нужно пересылать в стек содержимое РОНов основной программы при вызове подпрограммы (достаточно в подпрограмме перейти в другой активный банк РОНов).
Обращение к РПД возможно с использованием косвенной или прямой байтовой адресации (прямая байтовая адресация позволяет обратиться только к первым 128-ми байтам РПД).
Расширенная область РПД (у микроконтроллеров семейства MCS-52 и последующих семейств) с адреса 128 (80h) до 255 (FFh) может адресоваться только с использованием косвенного метода адресации.
Таблица 2 – Блок Регистров Специальных Функций (s f r)
| Мнемо–код | Наименование | |
| 0E0h | * ACC | Аккумулятор |
| 0F0h | * B | Регистр расширитель аккумулятора |
| 0D0h | * PSW | Слово состояния процессора |
| 0B0h | * P3 | Порт 3 |
| 0A0h | * P2 | Порт 2 |
| 90h | * P1 | Порт 1 |
| 80h | * P0 | Порт 0 |
| 0B8h | * IP | Регистр приоритетов прерываний |
| 0A8h | * IE | Регистр маски прерываний |
| 99h | SBUF | Буфер последовательного приемо–передатчика |
| 98h | * SCON | Регистр управления/статуса последовательного порта |
| 89h | TMOD | Регистр режимов таймеров/счетчиков |
| 88h | * TCON | Регистр управления/статуса таймеров/счетчиков |
| 8Dh | TH1 | Таймер 1 (старший байт) |
| 8Bh | TL1 | Таймер 1 (младший байт) |
| 8Ch | TH0 | Таймер 0 (старший байт) |
| 8Ah | TL0 | Таймер 0 (младший байт) |
| 83h | DPH | Регистр–указатель данных (DPTR) (старший байт) |
| 82h | DPL | Регистр–указатель данных (DPTR) (младший байт) |
| 81h | SP | Регистр–указатель стека |
| 87h | PCON | Регистр управления мощностью потребления |
2. ПРОГРАММНАЯ МОДЕЛЬ MCS–51
ТИПЫ КОМАНД MCS–51
Почти половина команд выполняется за 1 машинный цикл (МЦ). При частоте кварцевого генератора 12 МГц время выполнения такой команды – 1 мкс. Остальные команды выполняются за 2 машинных цикла, т.е. за 2мкс. Только команды умножения (MUL) и деления (DIV) выполняются за 4 машинных цикла.
За время одного машинного цикла происходит два обращения к Памяти Программ (внутренней или внешней) для считывания двух байтов команды или одно обращение к Внешней Памяти Данных (ВПД).
3. МЕТОДЫ (СПОСОБЫ) АДРЕСАЦИИ MCS–51
1. РЕГИСТРОВАЯ АДРЕСАЦИЯ – 8–ми битовый операнд находится в РОНе выбранного (активного) банка регистров;
2 НЕПОСРЕДСТВЕННАЯ АДРЕСАЦИЯ (обозначается знаком – #) – операнд находится во втором (а для 16–ти битового операнда и в третьем) байте команды;
3 КОСВЕННАЯ АДРЕСАЦИЯ (обозначается знаком – @) – операнд находится в Памяти Данных (РПД или ВПД), а адрес ячейки памяти содержится в одном из РОНов косвенной адресации (R0 или R1); в командах PUSH и POP адрес содержится в указателе стека SP; регистр DPTR может содержать адрес ВПД объемом до 64К;
4 ПРЯМАЯ БАЙТОВАЯ АДРЕСАЦИЯ – (dir) – используется для обращения к ячейкам РПД (адреса 00h…7Fh) и к регистрам специальных функций SFR (адреса 80h…0FFh);
5 ПРЯМАЯ БИТОВАЯ АДРЕСАЦИЯ – (bit) – используется для обращения к отдельно адресуемым 128 битам, расположенным в ячейках РПД по адресам 20H…2FH и к отдельно адресуемым битам регистров специальных функций (см. табл. 3 и программную модель);
6 КОСВЕННАЯ ИНДЕКСНАЯ АДРЕСАЦИЯ (обозначается знаком – @)– упрощает просмотр таблиц в Памяти Программ, адрес ПП определяется по сумме базового регистра (PC или DPTR) и индексного регистра (Аккумулятора);
7 НЕЯВНАЯ (ВСТРОЕННАЯ) АДРЕСАЦИЯ – в коде команды содержится неявное (по умолчанию) указание на один из операндов (чаще всего на Аккумулятор).
4. ФОРМАТ СЛОВА СОСТОЯНИЯ ПРОЦЕССОРА (PSW)
C – флаг переноса (CARY) или заема, выполняет также функции "булевого Аккумулятора" в командах, оперирующих с битами;
AC – флаг вспомогательного (дополнительного) переноса – устанавливается в "1", если в команде сложения (ADD, ADDC) был перенос из младшей тетрады в старшую (т.е. из 3-го бита в 4-й бит);
F0 – флаг пользователя – устанавливается, сбрасывается и проверяется программно;
| RS1 | RS0 | Банк | Адрес (dir) |
| 0 | 0 | 0 | 00h..07h |
| 0 | 1 | 1 | 08h..0Fh |
| 1 | 0 | 2 | 10h..17h |
| 1 | 1 | 3 | 18h..1Fh |
RS1,RS0 – Выбор банка регистров:
OV – Флаг арифметического переполнения; его значение определяется операцией "Исключающее ИЛИ" сигналов входного и выходного переносов старшего разряда АЛУ; единичное значение этого флага указывает на то, что результат арифметической операции в дополнительном коде вышел за допустимые пределы: –128…+127; при выполнении операции деления флаг OV сбрасывается, а в случае деления на ноль – устанавливается; при умножении флаг OV устанавливается, если результат больше 255 (0FFH);
Разряд PSW – Резервный, содержит триггер, доступный по записи или чтению;
P – флаг паритета – является дополнением количества единичных битов в аккумуляторе до четного; формируется комбинационной схемой (программно доcтупен только по чтению).
В микроконтроллерах MCS-51 отсутствует флаг "Z". Но в командах условного перехода (JZ, JNZ) проверяется комбинационной схемой текущее (нулевое или ненулевое) содержимое Аккумулятора.
Все команды пересылок и обмена операндов могут осуществляться через Аккумулятор (см. рис. 3). Причем пересылки из/в Внешней Памяти (Памяти Программ или Памяти Данных) могут осуществляться только через Аккумулятор.
Большинство пересылок могут осуществляться также через прямоадресуемый байт (dir). Существуют даже пересылки dir – dir (см. рис. 3).
Отсутствующие пересылки из РОНа в РОН могут быть реализованы как пересылки из РОНа в прямоадресуемый байт dir (с учетом того, что РОНы расположены в начальной области Резидентной Памяти Данных, ячейки которой могут адресоваться как dir).
Команды обмена XCH позволяют пересылать байты без разрушения обоих операндов.
Арифметические команды выполняются только в Аккумуляторе. Поэтому первый операнд необходимо предварительно поместить в Аккумулятор и потом сложить или вычесть второй операнд. Результат помещается в Аккумулятор.
Команда вычитание SUBB выполняется только с заемом (т.е. из результата вычитается и флаг Сary). Поэтому для выполнения команды вычитания без заема необходимо предварительно выполнить команду очистки флага С (CLRC).
Команда умножения однобайтовых операндов – MULAB – размещает двухбайтовый (16 бит) результат: младший байт – в Аккумулятор, старший байт – в регистр В.
Результат выполнения команды деления однобайтовых операндов – DIVAB – помещается: частное – а Аккумулятор, остаток – в регистр В.
Арифметическая команда INC добавляет к выбранному операнду единицу. Арифметическая команда DEC вычитает из выбранного операнда единицу. Команда десятичной коррекции Аккумулятора (DAA) помогает складывать двоично-десятичные числа (BCD-числа) без перевода их в шестнадцатеричный формат (hex-формат). Исходные операнды должны быть обязательно в BCD-формате, т.е. в каждой тетраде одного байта находятся только числа от 0 до 9 (там не могут быть шестнадцатеричные числа: A, B, C, D, E, F). Поэтому в одном байте могут находиться числа от 00 до 99 для упакованных BCD-чисел или числа от 0 до 9 для неупакованных BCD-чисел.
Команда DA A – десятичной коррекции выполняет действия над содержимым Аккумулятора после сложения BCD-чисел в процессоре (числа складывались по законам шестнадцатеричной арифметики) следующим образом (см. пример):
· если содержимое младшей тетрады Аккумулятора больше 9 или установлен флаг вспомогательного переноса (AС = 1), то к содержимому Аккумулятора добавляется 6 (т.е. недостающие шесть цифр в hex-формате);
· если после этого содержимое старшей тетрады Аккумулятора больше 9 или установлен флаг C, то число 6 добавляется к старшей тетраде Аккумулятора.
Команду десятичной коррекции DA A не применяют после команды инкремента (INC), потому что команда инкремента не влияет (не изменяет) на флаги С и АС.
Логические команды:
Логическое "И" – ANL,
Логическое "ИЛИ" – ORL,
Логическая команда "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ" – XRL– выполняются в Аккумуляторе (как и арифметические), но имеется возможность выполнить логические команды также и в прямоадресуемом байте (dir). При этом второй операнд может быть:
В Аккумуляторе или
Непосредственный операнд в команде.
Команды вращения (RR A, RL A) и команды вращения через флаг CARY (RRC A, RLC A) циклически сдвигают содержимое Аккумулятора на 1 бит.ресылки битовых операндов осуществляются только через флаг С.
Архитектура семейства MCS-51 в значительной мере предопределяется ее назначением - построение компактных и дешевых цифровых устройств. Все функции микроЭВМ реализуются с помощью единственной микросхемы. В состав семейства MCS-51 входит целый ряд микросхем от самых простых микроконтроллеров до достаточно сложных. Микроконтроллеры семейства MCS-51 позволяют выполнять как задачи управления различными устройствами, так и реализовывать отдельные узлы аналоговой схемы. Все микросхемы этого семейства работают с одной и той же системой команд , большинство из них выполняется в одинаковых корпусах с совпадающей цоколевкой (нумерация ножек для корпуса). Это позволяет использовать для разработанного устройства микросхемы разных фирм — производителей (таких как Intel, Dallas, Atmel, Philips и т.д.) без переделки принципиальной схемы устройства и программы .
Рисунок 1. Структурная схема контроллера К1830ВЕ751
Структурная схема контроллера представлена на рисунке 1. и состоит из следующих основных функциональных узлов: блока управления, арифметико-логического устройства, блока таймеров/счетчиков, блока последовательного интерфейса и прерываний, программного счетчика, памяти данных и памяти программ. Двусторонний обмен осуществляется с помощью внутренней 8-разрядной магистрали данных. Рассмотрим подробнее назначение каждого блока. По такой схеме построены практически все представители семейства MCS-51 . Различные микросхемы этого семейства различаются только регистрами специального назначения (в том числе и количеством портов). Система команд всех контроллеров семейства MCS-51 содержит 111 базовых команд с форматом 1, 2 или 3 байта и не изменяется при переходе от одной микросхемы к другой. Это обеспечивает прекрасную переносимость программ с одной микросхемы на другую.
Блок управления и синхронизации
Блок управления и синхронизации (Timing and Control) предназначен для выработки синхронизирующих и управляющих сигналов, обеспечивающих координацию совместной работы блоков ОЭВМ во всех допустимых режимах ее работы.В состав блока управления входят:
- устройство формирования временных интервалов,
- логика ввода-вывода,
- регистр команд,
- регистр управления потреблением электроэнергии,
- дешифратор команд, логика управления ЭВМ.
Устройство формирования временных интервалов предназначено для формирования и выдачи внутренних синхросигналов фаз, тактов и циклов. Количество машинных циклов определяет продолжительность выполнения команд. Практически все команды ОЭВМ выполняются за один или два машинных цикла, кроме команд умножения и деления, продолжительность выполнения которых составляет четыре машинных цикла. Обозначим частоту задающего генератора через F г. Тогда длительность машинного цикла равна 12/F г или составляет 12 периодов сигнала задающего генератора. Логика ввода - вывода предназначена для приема и выдачи сигналов, обеспечивающих обмен информации с внешними устройствами через порты ввода вывода Р0-Р3.
Регистр команд предназначен для записи и хранения 8-ми разрядного кода операции выполняемой команды. Код операции, с помощью команд и логики управления ЭВМ, преобразуется в микропрограмму выполнения команды.
Регистр управления потреблением (PCON ) позволяет останавливать работу микроконтроллера для уменьшения потребления электроэнергии и уменьшения уровня помех от микроконтроллера. Еще большего уменьшения потребления электроэнергии и уменьшения помех можно добиться, остановив задающий генератор микроконтроллера. Этого можно достичь при помощи переключения бит регистра управления потреблением PCON. Для варианта изготовления по технологии n-МОП (серия 1816 или иностранных микросхем, в названии которых в середине отсутствует буква "c") регистр управления потреблением PCON содержит только один бит, управляющий скоростью передачи последовательного порта SMOD, а биты управления потреблением электроэнергией отсутствуют.
Вместе со статьей "Архитектура микроконтроллеров MCS-51" читают:
http://сайт/MCS51/tablms.php
http://сайт/MCS51/SysInstr.php
http://сайт/MCS51/port.php
ПЛАН ЛЕКЦИИ
1. Введение
2. Арифметические и логические инструкции
3. Команды передачи данных
4. Булевы операции
5. Инструкции переходов
1. Введение
Система команд MCS-51 поддерживает единый набор инструкций, который предназначен для выполнения 8-битовых алгоритмов управления исполнительными устройствами. Существует возможность использования быстрых методов адресации к внутреннему ОЗУ, осуществления битовых операций над небольшими структурами данных. Имеется развернутая система адресации однобитовых переменных как самостоятельного типа данных, позволяющая использовать отдельные биты в логических и управляющих командах булевой алгебры.
Режимы адресации : набор команд MCS-51 поддерживает следующие режимы адресации. Прямая адресация : операнд определяется 8-битовым адресом в инструкции. Прямая адресация используется только для младшей половины внутренней памяти данных и регистров SFR . Косвенная адресация : инструкция адресует регистр, содержащий адрес операнда. Данный вид адресации используется для внешнего и внутреннего ОЗУ. Для указания 8-битовых адресов могут использоваться регистры R0 и R1 выбранного регистрового банка или указатель стека SP . Для 16-битовой адресации используется только регистр указателя данных DPTR .
Регистровые инструкции : регистры R0–R7 текущего регистрового банка могут быть адресованы через конкретные инструкции, содержащие 3-битовое поле, указывающее номер регистра в самой инструкции. В этом случае соответствующее поле адреса в команде отсутствует. Операции с использованием специальных регистров : некоторые инструкции используют индивидуальные регистры (например, операции с аккумулятором, DPTR , и т. д.). В данном случае адрес операнда вообще не указывается в команде. Он предопределяется кодом операции.
Непосредственные константы : константа может находиться прямо в команде за кодом операции.
Индексная адресация : индексная адресация может использоваться только для доступа к программной памяти и только в режиме чтения. В этом режиме осуществляется просмотр таблиц в памяти программ. 16-битовый регистр (DPTR или программный счетчик) указывает базовый адрес требуемой таблицы, а аккумулятор указывает на точку входа в нее.
Набор команд имеет 42 мнемонических обозначения команд для конкретизации 33 функций этой системы. Синтаксис большинства команд ассемблерного языка состоит из мнемонического обозначения функции, вслед за которым идут операнды, указывающие методы адресации и типы данных. Различные типы данных или режимы адресации определяются установленными операндами, а не изменениями мнемонических обозначений.
Систему команд условно можно разбить на пять групп: арифметические команды; логические команды; команды передачи данных; команды битового процессора; команды ветвления и передачи управления. Обозначения и символы, используемые в системе команд, приведены далее.
Таблица. Обозначения и символы, используемые в системе команд
|
Обозначение, символ |
Назначение |
|
Аккумулятор |
|
|
Регистры текущего выбранного банка регистров |
|
|
Номер загружаемого регистра, указанного в команде |
|
|
direct |
Прямо адресуемый 8-битовый внутренний адрес ячейки данных, который может быть ячейкой внутреннего ОЗУ данных (0–127) или регистром специальных функций SFR (128–255) |
|
Косвенно адресуемая 8-битовая ячейка внутреннего ОЗУ данных |
|
|
8-битовое непосредственное данное, входящее в код операции (КОП) |
|
|
dataH |
Старшие биты (15–8) непосредственных 16-битовых данных |
|
dataL |
Младшие биты (7–0) непосредственных 16-битовых данных |
|
11-битовый адрес назначения |
|
|
addrL |
Младшие биты адреса назначения |
|
8-битовый байт смещения со знаком |
|
|
Бит с прямой адресацией, адрес которого содержит КОП, находящийся во внутреннем ОЗУ данных или регистре специальных функций SFR |
|
|
a15, a14...a0 |
Биты адреса назначения |
|
Содержимое элемента Х |
|
|
Содержимое по адресу, хранящемуся в элементе Х |
|
|
Разряд М элемента Х |
|
|
|
Операции: |
Мнемонические обозначения функций однозначно связаны с конкретными комбинациями способов адресации и типами данных. Всего в системе команд возможно 111 таких сочетаний.
2. Арифметические и логические инструкции
Как п ример арифметической команды , операция сложения может быть выполнена одной из нижеследующих команд.
ADD A ,7 F 16 – прибавить к содержимому регистра А число 7 F 16 и результат сохранить в регистре А;
ADD A ,@ R 0 – прибавить к содержимому регистра А число, адрес которого (@ – commercial at ) хранится в регистре R 0 (косвенная адресация), и результат сохранить в регистре А;
ADD A,R7 – прибавить к содержимому регистра А содержимое регистра R 7 и результат сохранить в регистре А;
ADD A,#127 – прибавить к содержимому регистра А число, адрес ячейки хранения которого 127 (# – символ номера), и результат сохранить в регист - ре А.
Все арифметические инструкции выполняются за один машинный цикл за исключением команды INC DPTR (смещение указателя данных DPTR на следующий байт), требующей два машинных цикла, а также операций умножения и деления, выполняемых за 4 машинных цикла. Любой байт во внутренней памяти данных может быть инкрементирован и декрементирован без использования аккумулятора.
Инструкция MUL AB производит умножение (multiplication – умножение) данных в аккумуляторе на данные, находящиеся в регистре B, помещая произведение в регистры A (младшая половина) и B (старшая половина).
Инструкция DIV AB делит (division – деление) содержимое аккумулятора на значение в регистре B, оставляя остаток в B, а частное – в аккумуляторе.
Инструкция DA A предназначена для двоично-десятичных арифметических операций (арифметические операции над числами, представленными в двоично-десятичном коде). Она не делает преобразования двоичного числа в двоично-десятичное , а лишь обеспечивает правильный результат при сложении двух двоично-десятичных чисел.
Пример логической команды : операция логического И может быть выполнена одной из следующих команд:
ANL A ,7 F 16 – логическое умножение содержимого регистра А на число 7 F 16 и результат сохраняется в регистре А;
ANL A ,@ R 1 – логическое умножение содержимого регистра А на число, адрес которого хранится в регистре R 1 (косвенная адресация), и результат сохранить в регистре А;
ANL A,R6 – логическое умножение содержимого регистра А на содержимое регистра R 6, и результат сохранить в регистре А;
ANL A,#53 – логическое умножение содержимого регистра А на число, адрес ячейки хранения которого 53 16 , и результат сохранить в регистре А.
Все логические операции над содержимым аккумулятора выполняются за один машинный цикл, остальные – за два. Логические операции могут производиться над любым из нижних 128 байтов внутренней памяти данных или над любым регистром SFR (регистров специальных функций) в режиме прямой адресации без использования аккумулятора.
Операции циклического сдвига RL A, RLC A и т. д. перемещают содержимое аккумулятора на один бит вправо или влево. В случае левого циклического сдвига младший бит перемещается в старшую позицию. В случае правого циклического сдвига происходит обратное .
Операция SWAP A осуществляет обмен младшей и старшей тетрад в аккумуляторе.
3. Команды передачи данных
Команда MOV dest,src позволяет пересылать данные между ячейками внутреннего ОЗУ или областью регистров специальных функций SFR без использования аккумулятора. При этом работа с верхней половиной внутреннего ОЗУ может осуществляться только в режиме косвенной адресации, а обращение к регистрам SFR – только в режиме прямой адресации.
Во всех микросхемах MCS-51 стек размещается непосредственно в резидентной памяти данных и увеличивается вверх. Инструкция PUSH вначале увеличивает значение в регистре указателя стека SP , а затем записывает в стек байт данных. Команды PUSH и POP используются только в режиме прямой адресации (записывая или восстанавливая байт), но стек является всегда доступным при косвенной адресации через регистр SP . Таким образом, стек может использовать и верхние 128 байт памяти данных. Эти же соображения исключают возможность использования стековых команд для адресации регистров SFR .
Инструкции передачи данных включают в себя 16-битовую операцию пересылки MOV DPTR,#data16 , которая используется для инициализации регистра указателя данных DPTR при просмотре таблиц в программной памяти или для доступа к внешней памяти данных.
Операция XCH A,byte применяется для обмена данными между аккумулятором и адресуемым байтом. Команда XCHD A,@Ri аналогична предыдущей , но выполняется только для младших тетрад , участвующих в обмене операндов.
Для доступа к внешней памяти данных используется только косвенная адресация. В случае однобайтных адресов используются регистры R0 или R1 текущего регистрового банка, а для 16-разрядных – регистр указателя данных DPTR . При любом методе доступа к внешней памяти данных аккумулятор играет роль источника либо приемника информации.
Для доступа к таблицам, размещённым в программной памяти, используются команды:
MOVC A,@A+DPTR ;
MOVC A,@A+PC .
В качестве базового адреса таблицы используется содержимое соответственно регистра указателя данных DPTR или PC (программного счётчика), а смещение берется из A . Эти команды используются исключительно для чтения данных из программной памяти, но не для записи в нее.
4. Булевы операции
Микросхемы MCS-51 содержат в своем составе «булевый» процессор. Внутреннее ОЗУ имеет 128 прямо адресуемых бит. Пространство регистров специальных функций SFR может также поддерживать до 128 битовых полей. Битовые инструкции осуществляют условные переходы, пересылки, сброс, инверсии, операции «И» и «ИЛИ». Все указанные биты доступны в режиме прямой адресации.
Бит переноса CF в регистре специальных функций «слово состояния программы PSW » используется как однобитный аккумулятор булевого процессора.
5. Инструкции переходов
Адреса операций переходов обозначаются на языке ассемблера меткой либо реальным значением в пространстве памяти программ. Адреса условных переходов ассемблируются в относительное смещение – знаковый байт, прибавляемый к программному счетчику PC в случае выполнения условия перехода. Границы таких переходов лежат в пределах между минус 128 и 127 относительно первого байта, следующего за инструкцией. В регистре специальных функций «слово состояния программы PSW » отсутствует флажок нуля, поэтому инструкции JZ и JNZ проверяют условие «равно нулю» как тестирование данных в аккумуляторе.
Существует три вида команды безусловного перехода: SJMP , LJMP и AJMP – различающиеся форматом адреса назначения. Инструкция SJMP кодирует адрес как относительное смещение, и занимает два байта. Дальность перехода ограничена диапазоном от минус 128 до 127 байт относительно инструкции, следующей за SJMP .
В инструкции LJMP используется адрес назначения в виде 16-битной константы. Длина команды составляет три байта. Адрес назначения может располагаться в любом месте памяти программ.
Команда AJMP использует 11-битную константу адреса. Команда состоит из двух байт. При выполнении этой инструкции младшие 11 бит адресного счетчика замещаются 11-битным адресом из команды. Пять старших бит программного счетчика PC остаются неизменными. Таким образом, переход может производиться внутри 2К-байтного блока, в котором располагается инструкция, следующая за командой AJMP .
Существует два вида команды вызовы подпрограммы: LCALL и ACALL . Инструкция LCALL использует 16-битный адрес вызываемой подпрограммы. В данном случае подпрограмма может быть расположена в любом месте памяти программ. Инструкция ACALL использует 11-битный адрес подпрограммы. В этом случае вызываемая подпрограмма должна быть расположена в одном 2К-байтном блоке с инструкцией, следующей за ACALL . Оба варианта команды кладут на стек адрес следующей команды и загружают в программный счетчик PC соответствующее новое значение.
Подпрограмма завершается инструкцией RET , позволяющей вернуться на инструкцию, следующую за командой CALL . Эта инструкция снимает со стека адрес возврата и загружает его в программный счетчик PC . Инструкция RETI используется для возврата из подпрограмм обработки прерываний. Единственное отличие RETI от RET состоит в том, что RETI информирует систему о том, что обработка прерывания завершилась. Если в момент выполнения RETI нет других прерываний, то она идентична RET .
Инструкция DJNZ предназначена для управления циклами. Для выполнения цикла N раз надо загрузить в счетчик байт со значением N и закрыть тело цикла командой DJNZ , указывающей на начало цикла.
Команда CJNE сравнивает два своих операнда как беззнаковые целые и производит переход по указанному в ней адресу, если сравниваемые операнды не равны. Если первый операнд меньше, чем второй, то бит переноса CF устанавливается в «1».
Все команды в ассемблированном виде занимают 1, 2 или 3 байта.
- Арифметические команды;
- Логические команды;
- Команды передачи данных;
- Команды битового процессора;
- Команды ветвления и передачи управления.
- Регистровая адресация
- Прямая адресация
- Косвенно-регистровая адресация
- Непосредственная адресация
- Косвенно-регистровая адресация по сумме базового и индексного регистров
| Обозначение, символ | Назначение |
| А | Аккумулятор |
| Rn | Регистры текущего выбранного банка регистров |
| r | Номер загружаемого регистра, указанног в команде |
| direct | Прямо адресуемый 8-битовый внутренний адрес ячейка данных, который может быть ячейкой внутреннего ОЗУ данных (0-127) или SFR (128-255) |
| @Rr | Косвенно адресуемая 8-битовая ячейка внутреннего ОЗУ данных |
| data8 | 8-битовое непосредственное да ное, ходящее в КОП |
| dataH | Старшие биты (15-8) непосредственных 16-битовых данных |
| dataL | Младшие биты (7-0) непосредственных 16-битовых данных |
| addr11 | 11-битовый адрес назначения |
| addrL | Младшие биты адреса назначения |
| disp8 | 8-битовый байт смещения со знак м |
| bit | Бит с прямой адресацией, адрес которого содержит КОП, находящийся во внутреннем ОЗУ данных или SFR |
| a15, a14...a0 | Биты адреса назначения |
| (Х) | Содержимое элемента Х |
| ((Х)) | Содержимое по адресу, хранящемуся в элементе Х |
| (Х)[M] | Разряд М элемента Х |
| + - * / AND OR XOR /X | Операции: сложения вычитания умножения деления логического умножения (операция И) логического сложения (операция ИЛИ) сложения по модулю 2 (исключающее ИЛИ) инверсия элемента Х |
Мнемонические обозначения функций однозначно связаны с конкретными комбинациями способов адресации и типами данных. Всего в системе команд возможно 111 таких сочетаний. В таблице приведен перечень команд, упорядоченных по алфавиту.
| Мнемоника | Функция | Флаги |
| Команда ACALL | Абсолютный вызов подпрограммы | |
| Команда ADD A, <байт-источник> | Сложение | AC, C, OV |
| Команда ADDC A, <байт-источник> | Сложение с переносом | AC, C, OV |
| Команда AJMP | Абсолютный переход | |
| Команда ANL <байт-назначения>, <байт-источникa> | Логическое "И" | |
| Команда ANL C, <байт-источникa> | Логическое "И" для переменных-битов | |
| Команда CJNE <байт-назначения>, <байт-источник>, <смещение> | Сравнение и переход, если не равно | C |
| Команда CLR A | Сброс аккумулятора | |
| Команда CLR | Сброс бита | C, bit |
| Команда CPL A | Инверсия ак умуля ора | |
| Команда CPL | Инверсия бита | C, bit |
| Команда DA A | Десятичная коррекция аккумулятора для ложения | AC, C |
| Команда DEC <байт> | Декремент | |
| Команда DIV AB | Деление | C, OV |
| Команда DJNZ <байт>, <смещение> | Декремент и переход, если не равно нулю | |
| Команда INC <байт> | Инкремент | |
| Команда INC DPTR | Инкремент указателя данных | |
| Команда JB | Переход, если бит установлен | |
| Команда JBC | Переход, если бит установлен и сброс этого бита | |
| Команда JC | Переход, если перенос установлен | |
| Команда JMP @A+DPTR | Косвенный переход | |
| Команда JNB | Переход, если бит не установлен | |
| Команда JNC | Переход, если перенос не установлен | |
| Команда JNZ | Переход, если содержимое аккумулятора не равно нулю | |
| Команда JZ | Переход, если содержимое аккумулятора равно 0 | |
| Команда LCALL | Длинный вызов | |
| Команда LJMP | Длинный переход | |
| Команда MOV <байт-назначения>, <байт-источника> | Переслать переменную-байт | |
| Команда MOV <бит-назначения>, <бит-источника> | Переслать бит данных | C |
| Команда MOV DPTR,#data16 | Загрузить указатель данных 16-битовой константой | |
| Команда MOVC A,@A+( | Переслать байт из памяти программ | |
| Команда MOVX <байт приемника>, <байт источника> | Переслать во внешнюю память (из внешней памяти) данных | |
| Команда MUL AB | Умножение | C, OV |
| Команда NOP | Нет операции | PC |
| Команда ORL <байт-назначения>, <байт-источникa> | Логическое "ИЛИ" для перемнных-байтов | |
| Команда ORL C, <бит источникa> | Логическое "ИЛИ" для переменных-битов | C |
| Команда POP | Чтение из стека | |
| Команда PUSH | Запись в стек | |
| Команда RET | Возврат из подпрограммы | |
| Команда RETI | Возврат из прерывания | |
| Команда RL A | Сдвиг содержимого аккумулятора влево | |
| Команда RLC A | Сдвиг содержимого аккумулятора влево через флаг переноса | |
| Команда RR A | Сдвиг содержимого аккумулятора вправо | |
| Команда RRC A | Сдвиг содержимого аккумулятора вправо через флаг переноса | C |
| Команда SETB | Установить бит | C |
| Команда SJMP <метка> | Короткий переход | |
| Команда SUBB A, <байт источника> | Вычитание с заемом | AC, C, OV |
| Команда SWAP A | Обмен тетрадами внутри аккумулятора | |
| Команда XCH A, <байт> | Обмен содержимого аккумулятора с переменной-байтом | |
| Команда XCHD A,@R1 | Обмен тетрадой | |
| Команда XRL <байт-назначения>, <байт-источникa> | Логическое "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ" для перемнных-байтов |