Программирование mcs 51. Микроконтроллеры MCS–51. Cтруктурная схема, АЛУ, память данных. Аккумулятор и регистры общего назначения

В настоящее время различными фирмами выпускается множество модификаций и аналогов этого семейства, как фирмой Intel, так и другими производителями, тактовая частота и объем памятивозросли в десятки раз и продолжают повышаться. Дополняется и набор встроенных в БИС модулей, в большое число современных моделей встроен рези- дентный быстродействующий АЦП, имеющий до 12, а сейчас может быть и более разря- дов. Но в основе семейства МСS51 БИС 8051, 80С51, 8751, 87С51, 8031, 80С31 фирмы Intel, первые образцыкоторыхбыли выпущеныв 1980 году.

Микроконтроллеры семейства MCS51 выполнены по высококачественной n-МОП технологии (серия 8ХХХ, аналог - серия 1816 в России и Белоруссии) и k-МОП техноло- гии (серия 8ХСХХ, аналог - серия 1830). Второй символ, следующий за 8 означает: 0 – РПЗУ на кристалле нет, 7 – РПЗУ объемом 4К с ультрафиолетовым стиранием. Третий символ: 3 – ПЗУ накристалленет, 5 – если нетРПЗУ, то на кристалле масочное ПЗУ.

И так 80С51 – БИС по k-МОП технологии с масочным ПЗУ на кристалле, 8031 – БИС n-МОП без памяти программ (ПЗУ, РПЗУ) на кристалле, 8751 – БИС n-МОП с ре- зидентным (размещенным на кристалле) РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием. Мы да- лее и будем рассматривать БИС 8751, делая, если нужно оговорки об отличиях других схем, приводя те параметры, которые были опубликованы для первых серийных БИС. Дополнительную информацию о всех современных модификациях Вы, при необходимо- сти, можете найти в фирменных справочниках и технической документации.

А. Общие характеристики и назначение выводов

Основу семейство MCS51 составляет пять модификаций МК (имеющих идентич- ные основные характеристики), основное различие между которыми состоит в реали- зации памяти программ и мощности потребления (см. таблицу 3.1). Микроконтоллер восьмиразрядный, т.е. имеет команды обработки восьмиразрядных слов, имеет Гарвард- скую архитектуру, тактовая частота у базовых образцов семейства составляет 12 МГц.

Таблица 3.1.

МК 8051 и 80С51 содержат масочно-программируемое при изготовлении кристалла ПЗУ памяти программ емкостью 4096 байт и рассчитаны на применение в массовой продукции. МК 8751 содержит РПЗУ емкостью 4096 байт с ультрафиолетовым стиранием и удобна на этапе разработки системы при отладке программ, а также при производстве не- большими партиями или при создании систем, требующих в процессе эксплуатации пе-

риодической подстройки.

МК 8031 и 80С31 не содержат встроенной памяти программ. Они, как и описанные ранее модификации могут использовать до 64 Кбайт внешней памяти программ и эффек- тивно использоваться в системах, требующих существенно большего по объему (чем 4 Кбайт на кристалле) ПЗУ памяти программ.

Каждый МК семейства содержит резидентную память данных емкостью 128 байт с возможностью расширения общего объема оперативной памяти данных до 64 Кбайт за счет использования внешних ИС ОЗУ.

центральный восьмиразрядный процессор;

память программ объемом 4 Кбайт (только 8751 и 87С51);

память данных объемом 128 байт;

четыре восьмиразрядных программируемых порта ввода-вывода;

два 16-битовых многорежимных таймера/счетчика;

систему автовекторных прерываний с пятью векторами и двумя программно управ- ляемыми уровнями приоритетов;

последовательный интерфейс, включающий универсальный дуплексный приемопе- редатчик, способный функционировать в четырех режимах;

тактовый генератор.

Система команд МК содержит 111 базовыхкомандс форматом1, 2, или 3 байта. Микроконтроллер имеет:

32 регистра общего назначения РОН, организованных как четыре банка по восемь регистров с именами R0… R7, выбор того или иного банка определяется программой пу- тем установки соответствующих бит в регистре состояния программы PSW;

128 программно-управляемых флагов (битовый процессор, см. далее);

набор регистров специальных функций, управляющих элементами МК. Существуют следующие режимы работы микроконтроллера:

1). Общий сброс. 2).Нормальное функционирование. 3).Режим пониженно- го энергопотребления и режимхолостого хода. 4). Режим программирования ре- зидентного РПЗУ, если оно есть.

Мы здесь основное внимание уделим первым двум режимам работы, подробное описаниесоставаи работыМКвовсех режимахприведено в приложенииП1.

РОН и зона битового процессора расположены в адресном пространстве рези- дентной ОЗУ с адресами от 0 до80h.

В верхней зоне адресов резидентной оперативной памяти расположены регистры спе- циальных функций (SFR, Special Function Registers). Их назначение приведено в табл. 3.2.

Таблица 3.2.

* - регистры, допускающие побитовую адресацию

Кратко рассмотрим функции регистров SFR, приведенных в таблице 3.2.

Аккумулятор АCC - регистр аккумулятора. Команды, предназначенные для рабо-

ты с аккумулятором, используют мнемонику "А", например, MOV А, Р2 . Мнемоника "АСС" используется, к примеру, при побитовой адресации аккумулятора. Так, символи- ческое имя пятого бита аккумулятора при использовании ассемблера А5М51 будет сле- дующим: АСС. 5. .

Регистр В . Используется во время операций умножения и деления. Для других инструкций регистр В может рассматриваться как дополнительный сверхоперативный регистр.

Регистр состояния программы PSW содержит информацию о состоянии про- граммы и устанавливается частично автоматически по результату выполненной опера- ции, частично пользователем. Обозначение и назначение разрядов регистра приведены соответственно в таблицах 3.3 и 3.4.

Таблица 3.3.

Таблица 3.4.

Указатель стека SР - 8-битовый регистр, содержимое которого инкрементирует- ся перед записью данных в стек при выполнении команд PUSH и CALL. При начальном сбросе указатель стека устанавливается в 07Н, а область стека в ОЗУ данных начинается с адреса 08Н. При необходимости путем переопределения указателя стека область стека может быть расположена в любом месте внутреннего ОЗУ данных микроконтроллеры.

Указатель данных DPTR состоит из старшего байта (DPH) и младшего байта

(DPL). Содержит 16-битовый адрес при обращении к внешней памяти. Может использо-

ваться как 16-битовый регистр или как два независимых восьмибитовых регистра.

Порт0 - ПортЗ. Отдельными битами регистров специальных функций Р0, Р1, Р2, РЗ являются биты -"защелки" выводов портовР0, Р1, Р2, РЗ.

Буфер последовательного порта SBUF представляет собой два отдельных реги- стра: буфер передатчика и буфер приемника. Когда данные записываются в SBUF, они поступают в буфер передатчика, причем запись байта в SBUF автоматически иницииру- ет его передачу через последовательный порт. Когда данные читаются из SBUF, они вы- бираются из буфера приемника.

Регистры таймера. Регистровые пары (ТН0, ТL0) и (ТН1, TL1) образуют 16-

битовые счетные регистры соответственно таймера/счетчика 0 и таймера/счетчика 1.

Регистры управления. Регистры специальных функций IР, IЕ, ТМOD, ТСОN, SCON и РСОN содержат биты управления и биты состояния системы прерываний, тай-

меров/счетчиков и последовательного порта. Они будут подробно рассмотрены далее.

RxD TxD INT0 INT1 T0 T1 WR

P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7

RST BQ2 BQ 1 EA

P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7

P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7

P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7

МК при функционировании обеспечивает:

минимальное время выполнения команд сложения-1 мкс;

аппаратное умножение и деление с минимальным време- нем выполнения - 4 мкс.

В МК предусмотрена возможность задания частоты внутреннего генератора с помощью кварца, LС-цепочки или внешнего генератора.

Расширенная система команд обеспечивает побайтовую и побитовую адресацию, двоичнуюи двоично-десятичную арифметику, индикацию пере- полнения и определения четности/нечетности, воз- можность реализации логического процессора.

Важнейшей и отличительной чертой архитек- туры семейства MCS51 является то, что АЛУ может наряду с выполнением операций над 8-разрядными типами данных манипулировать одноразрядными данными. Отдельные программно-доступные биты могут быть установлены, сброшены или заменены их дополнением, могут пересылаться, проверяться и

Рис.3.2. Внешние выводы

микроконтроллера

использоваться в логических вычислениях. Тогда как поддержка простых типов данных (при сущест-

вующей тенденции к увеличению длины слова) может с первого взгляда показаться ша- гом назад, этокачестводелает микроконтроллеры семействаMCS51 особенно удобными для применений, в которых используются контроллеры. Алгоритмы работы по- следних по своей предполагают наличие входных и выходных булевых переменных, которые сложно реализовать при помощи стандартных микропроцессоров. Все эти свой- ства в целом называются булевым процессором семейства MCS51. Благодаря такому мощному АЛУ набор инструкций микроконтроллеры семейства MCS51 одинаково хоро- шо подходит как для применений управления в реальном масштабе времени, так и для ал- горитмов с большим объемом данных.

Схемотехническое изображение микроконтроллера представлено на рис. 3.2. В ба- зовом варианте он упакован в 40-выводной DIP корпус. Рассмотрим назначение выводов.

Начнем с выводов питания «0 В» и «5 В» , по которым он получает основное пита- ние. Ток потребления приведен в табл. 3.1.

Вывод «RST» - сброс микроконтроллера. При подаче на этот вывод активного вы- сокого уровня запускается режим общего сброса и МК производит следующие действия:

Устанавливает счетчик команд PC и все регистры специальных функций, кроме защелок портов Р0-РЗ, указателя стека SP и регистра SBUF, в ноль;

указатель стека принимает значение равное 07Н;

запрещает все источники прерываний, работу таймеров-счетчиков и последовательного

выбирает БАНК 0 ОЗУ, подготавливает порты Р0-РЗ для приема данных и опре-

деляет выводы ALE и РМЕ как входы для внешней синхронизации;

в регистрах специальных функций PCON, IP и IE резервные биты при- нимают случайные значения, а все остальные биты сбрасываются в ноль;

в регистре SBUF устанавливаются случайные значения.

устанавливает фиксаторы-защелки портов Р0-РЗ в "1".

Состояния регистров микроконтроллера после сброса приведены в таблице 3.5.

Таблица 3.5.

Вывод RST имеет и альтернативную функцию. Через него подается резервное питания для сохранения неизменным содержимого ОЗУ микроконтроллера при снятии основного.

Выводы BQ1, BQ2 – предназначены для подключения кварцевого резонатора, оп- ределяющего тактовую частоту работы МК.

Вывод ЕА` (E xternal A dress – внешний адрес) - предназначен для активизации ре- жима чтенияуправляющих кодов из внешней памяти программ, при подаче на этот вывод активного низкогоуровня. Вывод имеет иальтернативное назначение (функцию). На него подается напряжение программирования РПЗУ в режиме программирования.

Вывод PME (P rogram M emory E nable – разрешение памяти программ ) - предна- значен для управления циклом чтения из памяти программ и автоматически активизиру- ется МК в каждом машинном цикле.

Вывод ALE (A dress L ength E nable – разрешение младшего адреса) стробирует вы- вод младшей части адреса по порту Р0. Вывод используется и при программировании РПЗУ, при этом на него подается стробирующий процесс программирования импульс.

МК содержит четыре группы портов: Р0, Р1, Р2, и Р3. Это оставшиеся из 40-авыводов микроконтроллера. Эти порты могут служитьдля побитного ввода – вывода информации, но помимо этого каждый из них имеет свою специализацию. Обобщенная функциональная схе- ма порта представлена на рис. 3.3. Порт содержит выходные ключи на полевых транзисторах, подключенные к выводу, переключатель функций, защелку на D-триггере и логику управле- ния. Взащелку по внутреннейшине МК можетбытьзаписана единица илиноль. Эта инфор- мация через переключатель функций поступает на выходные ключи и вывод МК. В состоя- нии единицы оба транзистора N и N1 закрыты, но открыт N2. В состоянии нуля N открывает-

ся, а N2 закрывается. В момент, когда порт выполняет альтернативную функцию, на которую онспециализирован, состояние защелкис вывода снимается. Микроконтроллер отдельно мо- жет считать состояние защелки порта и состояние его вывода, установленное внешним сигна- лом. Для этого в ассемблере МК имеются специальные команды, активизирующие соответст- вующие линии. Для чтения состояния вывода в защелку соответствующего порта должна

быть предварительно записана

От внутрен-

Управление Защелка

Переключатель функций

Vcc

Выходные

единица. При активизации линии «чтение защелки» на выходе ячейки «И», к которой подключенаэта линияпоявля-

ней шины МК D Q

Запись в защелку C Q

Чтение защелки

Вывод порта

ется состояние защелки, по- ступающее на внутреннюю шину МК, при активизации

«чтение вывода» - состояние внешнего вывода порта.

Порт Р0 – универсаль- ный двунаправленный порт

ввода-вывода. За этим портом

закреплена функция организа- ции внешних шин адресов и

Рис. 3.3. Функциональная схема порта микроконтроллера

данных для расширенияпамя- ти программ и памяти данных

микроконтроллера. Когда идет обращение к внешней памяти программ или выполняется ко- манда обращения к внешней памяти данных, на выводах порта устанавливается младшая часть адреса (А0…А7), которая стробируется высоким уровнем на выводе ALE. Затем, при записи в память данных, записываемая информация с внутренней шины МК поступает на выводы порта Р0. В операциях чтения, наоборот, информация с выводов порта поступает на внутреннюю ши- ну. Особенностью порта Р0 является отсутствие «подтягивающего» транзистора N2, обеспечи- вающего подачу питания на вывод. При записи в защелку порта единицы он просто переводит- ся в высокоимпедансное состояние, что необходимо для нормальной работы шины данных. При необходимости запитывать через вывод какие либо внешние устройства, следует преду- сматривать внешние резисторы от цепей питания на вывод порта.

Порт Р1 – универсальный двунаправленный порт ввода-вывода без альтернатив- ных функций.

Порт Р2 – универсальный двунаправленный портввода-вывода, в качестве альтер- нативной функции осуществляющий выдачу старшей части адреса (А8…А15) при обра- щении к внешней памяти.

Порт Р3 – универсальный двунаправленный порт ввода-вывода, каждый бит кото- рого предусматривает выполнениеразличныхальтернативных функций. Приэтом альтер- нативные функции реализуются только в том случае, если в защелки выводов порта запи- саны единицы, в противном случае выполнение альтернативных функций блокируется. Перечислим их раздельно для каждого бита:

Р3.0 – RxD (R ead eX ternal D ate, читать внешние данные) – вход встроенного после- довательного приемо-передатчика.

Р3.1 – ТxD (T ype eX ternal D ate, передавать внешние данные) – выход встроенного последовательного приемо-передатчика.

Р3.2 – INT0` (INT errupt, прерывание) – вход внешнего прерывания 0.

Р3.3 – INT1` – вход внешнего прерывания 1.

Р3.4 – С/T0 – вход нулевого встроенного таймера/счетчика.

Р3.5 – С/T1 – вход первого встроенного таймера/счетчика.

Р3.6 – WR` (W rite, писать) – вывод управления циклом записи в памяти данных.

Р3.7 – RD` (R ead, читать) – вывод управления циклом чтения из памяти данных.

Выводы портаР1, Р2 и Р3 способны в единице выдавать тококоло0.2мА и принимать в нуле ток 3 мА, выводы порта Р0 мощнее и способны в единице выдавать ток около 0.8мА и при- нимать в нуле ток 5 мА. Краткая информация о назначении выводов микроконтроллера приведе- на в таблице 3.6.

Таблица 3.6.

Базовая версия MCS–51 Краткие сведения. Современные 8–разрядные микроконтроллеры (МК) обла­дают такими ресурсами управления в режиме реального времени, для получения которых раньше использовались дорогие многокристальные компоновки в виде отдельных плат микроЭВМ, A именно:

● имеют достаточную емкость памяти, физическое и логическое ее разделение на память программ и память данных (гарвардскую архитектуру) и систему команд, ориентированную на выполнение алгоритмов управления;

● включают в себя все устройства (процессор, ПЗУ, ОЗУ, порты ввода–вывода, систему прерываний, средства обработки битовой информации и др.), необ­ходимые для реализации микропроцессорной системы управления мини­мальной конфигурации. В 70–е годы прошлого столетия фирмой Intel разработан и освоен промыш­ленный выпуск семейства 8–разрядных микроконтроллеров MCS–48, объединен­ных рядом общих признаков (разрядностью, системой команд, набором основных функциональных блоков и др.). Базовая версия этого семейства включает в себя:

● 8–разрядный процессор;

● внутреннюю память программ (1/2/4К байт);

● внутреннюю память данных (64/128/256 байт);

● до 27 внутренних и 16 внешних линий ввода–вывода;

● один 8–разрядный таймер–счетчик;

● одноуровневую систему прерываний с двумя источниками запросов. В 1980 г. той же фирмой было разработано новое семейство восьмиразрядных микроконтроллеров MCS–51, которое совместимо с архитектурой семейства MCS–48, но обладает более широкими возможностями.

Архитектура семейства MCS–51 оказалась настолько удачной, что и по настоящее время является одним из стандартов 8–разрядных МК. Поэтому объектом изучения выбраны МК этого семейства, получившие широкое распространение в сравнительно простых си­стемах управления.

Для семейства MCS–51 разработаны различные средства подготовки программ (компиляторы, аппаратно–программные эмуляторы и др.) и имеется большое число библиотек стандартных подпрограмм. В состав семей­ства входят разнообразные модификации микросхем (версии кристаллов) микро­контроллеров. В статьях этого раздела достаточно подробно рассматривается базовая версия микроконтроллеров семейства MCS–51 (микросхеме 8051 соответствует отече­ственный аналог КP1816ВЕ51), наиболее простая в структурно–функциональном плане и с точки зрения понимания.

Последующие серии микросхем, сохраняя со­вместимость с базовой версией, отличаются от нее улучшенной технологией из­готовления, электрическими параметрами, дополнительными аппаратными сред­ствами и функциональными возможностями. Структурно–функциональным осо­бенностям последующих модификаций микросхем семейства MCS–51 посвящены следующие статьи.
Обобщенная структурная схема MCS–51. В состав МК, обобщенная струк­турная схема которого приведена на рис. 7.1.1, входят:

● 8–разрядный центральный процессор ЦП, состоящий из АЛУ , устройства уп­равления УУ и формирователя адреса ФА ;

● масочное ПЗУ емкостью 4К байта для хранения программ;

● ОЗУ емкостью 128 байт для хранения данных;

● четыре программируемых порта Р0–Р3 для ввода–вывода информации;

● блок последовательного интерфейса БПИ для обмена информацией с внеш­ними устройствами по двухпроводной линии;

● блок таймеров/счетчиков БT/C для поддержания режима реального времени;

● блок прерываний БП для организации прерываний исполняемых программ. Эти средства образуют резидентную часть микроконтроллера, размещенную непосредственно на кристалле. В состав МК входит большое число регистров, которые отнесены к отдельным функциональным блокам и на схеме не показаны.

На схеме также не показаны цепи управления. Двусторонний обмен информацией между блоками осуществляется по внутренней 8–разрядной шине данных ШД–8.

По внутренней 16–разрядной шине адреса ША–16 сформированный в ЦП адрес выводится в ПЗУ (12 разрядов адреса) и в ОЗУ (8 младших разрядов).

При ис­пользовании внешней памяти в порт Р0 выводятся 8 младших разрядов адреса и в порт P2 - 3 или 8 старших разрядов.

Для логического расширения интерфейса исполь­зуется совмещение функций линий портов. В качестве примера на рис. 7.1.1 пунктиром показаны линии порта Р3, выполняющие аль­тернативные функции передачи управляющих сигналов, о назначении которых будет сказано ниже. Для создания внутреннего тактового ге­нератора к выводам микросхемы МК подклю­чаются кварцевый резонатор и два конденса­тора (рис. 7.1.1). Вместо внутреннего тактово­го генератора для синхронизации можно ис­пользовать внешний источник колебаний. Условное графическое обозначение мик­росхемы МК приведено на рис. 7.1.2, обозна­чение и назначение выводов - в табл. 7.1.1. Рассмотрим функциональные блоки МК и принцип их работы. Арифметическо–логическое устройство. Арифметическо–логическое уст­ройство предназначено для выполнения арифметических (включая умножение и деление) и логических операций над восьмиразрядными операндами, A также операций логического сдвига, обнуления, установки и др. Структурная схема АЛУ приведена на рис. 7.1.3.

В состав АЛУ входят

● параллельный восьмиразрядный сумматор SМ комбинационного типа с по­следовательным переносом, выполняющий арифметические (сложение и вы­читание) и логические (сложение, умножение, неравнозначность и тожде­ственность) операции;

● аккумулятор A, обеспечивающий функции основного арифметического ре­гистра;

● регистр В, используемый для реализации операций умножения и деления или как дополнительный сверхоперативный регистр, функции которого определя­ет пользователь;

●регистры (программно недоступные) временного хранения РВХ1, РВХ2, предназначенные для приема и хранения операндов на время выполнения операции;

● ПЗУ констант ПЗУК, хранящее корректирующий код для двоично–десятичного представления данных, код маски при битовых операциях и код констант;

● регистр слова состояния программы PSW, фиксирующий состояние АЛУ по­сле выполненной операции. В табл. 7.1.2 приведены сведения о назначении битов отдельных разрядов регистра PSW. Устройство управления. Устройство управления (УУ) центрального процес­сора предназначено для координации совместной работы всех узлов МК с по­мощью вырабатываемых синхроимпульсов и управляющих сигналов. В его состав входят (рис. 7.1.4):

● узел синхронизации и управления УСУ, который формирует синхроимпульсы, задающие машинные циклы и их отдельные состояния (S) и фазы (Р), и в за­висимости от режима работы МК вырабатывает необходимый набор управля­ющих сигналов. На выполнение команды отводится один, два или четыре ма­шинных цикла.

Каждый машинный цикл имеет шесть состояний S1–S6, A каж­дое состояние включает в себя две фазы P1, P2, длительность которых составляет период колебаний тактового генератора T 0SC .

Длительность ма­шинного цикла равна 12T 0SC . Все машинные циклы одинаковые, начинаются с фазы S1P1 и заканчиваются фазой S6P2.

Помимо синхроимпульсов устрой­ство синхронизации в каждом машинном цикле формирует два (иногда один) сигнала стробирования младшего байта адреса ALE в виде положительного импульса в фазах S1P2–S2P1 и S4P2–S5P1. Временные диаграммы на рис. 7.1.5 иллюстрируют организацию машинных циклов;

● регистр команд РК, дешифратор команд ДК и ПЛМ, позволяющие в каждом машинном цикле сформировать набор микроопераций в соответствии с мик­ропрограммой выполняемой команды;

● логика ввода–вывода ЛВВ для приема и выдачи сигналов, обеспечивающих обмен информацией МК с внешними устройствами через порты Р0–Р3;

● регистр PCON, имеющий единственный задействованный бит SMOD в пози­ции PCON.7 для удвоения скорости передачи данных через последователь­ный порт. Остальные биты зарезервированы для дальнейшего использования.
Формирователь адреса. Формирователь адреса (ФА), или счетчик команд РС, предназначен для формирования текущего 16–разрядного адреса программной памяти и 8/16–разрядного адреса внешней памяти данных. В его состав входят (рис. 7.1.6):

● 16–разрядный буфер Б, осуществляющий связь между 8–разрядной шиной данных ШД и 16–разрядной внутренней шиной (ВШ) формирователя адреса;

● схема инкремента СИ для увеличения значения текущего адреса памяти программ на единицу;

● регистр для хранения текущего адреса команд РТА, поступающего из СИ;

● регистр указателя данных DPTR, состоящий из двух 8–разрядных регистров DPHи DPL. Он служит для хранения 16–разрядного адреса внешней памяти данных и может быть использован в качестве двух независимых программно доступных РОН;

● регистр формирователя адреса РФА для хранения исполнительного 16–раз­рядного адреса памяти программ или 8/16–разрядного адреса внешней памяти данных. Этот регистр используется также для передачи данных че­рез порт Р0 во внешние устройства при выполнении команд MOVX @Rm, A и MOVX @DPRT, A.

Память данных. Память данных предназначена для приема, хранения и выда­чи информации, используемой в процессе выполнения программы. Внутренняя (резидентная) память (рис. 7.1.7) данных состоит из ОЗУ ем­костью 128 байт, указателя стека SP, регистра адреса ОЗУ РА и дешифратора Дш. Указатель стека SP представляет собой 8–разрядный регистр, предназ­наченный для приема и хранения адре­са ячейки стека, к которой было после­днее обращение. После сброса в ука­зателе стека устанавливается адрес 07Н, что соответствует началу стека с адресом 08Н. Регистр адреса РА совместно с дешифратором Дш позволяет осуществить доступ к требуемой ячейке памяти, содержащей байт или бит информации.

В МК предусмотрена возможность увеличения объема памяти данных до 64 Кбайт путем подключения внешних запоминающих устройств. В качестве при­мера на рис. 7.1.8 показана страничная организация внешней памяти данных ВПД емкостью 2К байт с использованием команд типа MOVX @ Rm(m = 0; 1). При этом порт Р0 работает как мультиплексированная шина адрес/данные, три линии порта P2 используются для адресации страницы внешнего ОЗУ, A остальные пять линий могут быть задействованы в качестве линий ввода–вывода.
На рис. 7.1.9 приведены временные диаграммы циклов чтения и записи при работе МК с внешним ОЗУ. На диаграммах обозначено:

● РСН - старший байт счетчика команд PC;

● DPL, DPH - младший и старший байты регистра указателя данных DPTR, ко­торый используется в качестве регистра для косвенной адресации в коман­дах MOVX @DPTR,A и MOVX A,@DPTR;

● P2 SFR - защелки порта P2;

● Rm (m = 0, 1) - регистры, используемые в командах MOVX @Rm, A и MOVX A, @Rm в качестве регистров косвенного адреса;

● Z - высокоомное состояние;

● D - период, в течение которого данные из порта Р0 вводятся в микроконт­роллер. Память программ. Память программ предназначена для хранения программ, имеет свое (отдельно от памяти данных) адресное пространство и доступна толь­ко для чтения. В ее состав входит дешифратор Дш и ПЗУ (рис. 7.1.10). Для адресации памяти программ используется 16–разрядный счетчик РС, поэтому ее максимальная ем­кость составляет 64К байта. Внутренняя память про­грамм состоит из ПЗУ емкостью 4К байт и 12–разрядного дешифратора. Внешняя память подключается по схеме на рис. 7.1.11. Если на вывод ¯EA МК подается 0 В (как показано на рис. 7.1.11), внутренняя память программ отключается. Все обращения к памяти начинаются с адреса 0000h. При подключении вывода ¯ЕА к источнику питания обращение к внутренней памя­ти программ по адресам 0000h–FFFFh и к внешней памяти программ по адресам 0FFFh–FFFFhпроисходит автоматически.

Для чтения внешней памяти программ МК вырабатывается сигнал ¯PSEN. При работе с внутренней памятью сигнал чтения не ис­пользуется. При обращениях к внешней па­мяти программ всегда формируется 16–раз­рядный адрес. Младший байт адреса передается через порт Р0 в первой половине машинного цикла и фиксируется по срезу строба АLЕ в реги­стре Во второй половине цикла порт Р0 используется для ввода в МК байта данных из внешней памяти.

Старший байт адреса передается через порт P2 в течение всего времени обращения к памяти.

Временные диаграммы циклов чтения и записи при работе МК с внешним ОЗУ приведены на рис. 7.1.12.
На диаграммах обозначено:

● PCL OUT - выдача младшего байта счетчика команд PC;

● РСН OUT - выдача старшего байта счетчика команд PC;

● DPH - старший байт регистра указателя данных DPTR, который используется в качестве регистра для косвенной адресации в командах MOVX @DPTR,A и MOVX A,@DPTR;

● P2 SFR - защелки порта P2;

● INS IN - ввод байта инструкции (команды) из памяти программ;

● ADDR OUT - выдача младшего байта адреса внешней памяти данных из ре­гистров Rm (m = 0, 1) или из регистра DPL (младшего регистра DPTR). Порты ввода–вывода. Назначение портов. Порты Р0, P1, P2, Р3 пред­назначены для обмена информацией между МК и внешними устройствами, A так­же для выполнения следующих функций:

● через порт Р0 выводится младший байт адреса А7…A0; выводится из МК и вводится в МК байт данных при работе с внешней памятью программ и внеш­ней памятью данных (с разделением во времени);

● через порт P2 выводится старший байт адреса A15…А8 при работе с внеш­ней памятью программ и внешней памятью данных (только при использова­нии команд MOVX A,@DPTR и MOVX @DPTR,A);

● линии порта Р3 могут быть задействованы на выполнение альтернативных функций, если в фиксатор–защелку этой линии занесена 1, в противном слу­чае на выводе линии фиксируется 0. Альтернативные функции выводов порта P3 приведены в табл. 7.1.3.

Схемные особенности портов

На рис. 7.1.13 показаны схемы для од­ного канала каждого из портов МК, включающего в себя:

● защелку для фиксации принимаемого бита данных;

● выходной усилительный каскад (драйвер);

● узел связи с выходным каскадом (за исключением P2);

● цепь для передачи бита данных со стороны вывода порта, состоящую из бу­феров В2 и В3 (для порта Р4). Защелкой служит D–триггер, тактируемый внутренним сигналом «Запись в за­щелку». Бит данных с прямого выхода D–триггера может быть считан программно через буфер В1 сигналом «Чтение защелки» на линию внутренней шины данных (ШД) МК.

Выходной каскад порта Р0 представляет собой инвертор, особенности кото­рого проявляются в том, что нагрузочный транзистор VT2 открывается только при обращениях к внешней памяти (при передаче через порт адреса и данных). Во всех других режимах нагрузочный транзистор закрыт. Поэтому для использования Р0 (рис. 7.1.13, а) в качестве выходного порта общего назначения к его выводам необходимо подключить внешние нагрузочные резисторы. При записи 1 в защел­ку порта инверторный транзистор VT1 запирается и внешний вывод порта Р0.Х переводится в высокоомное состояние. В этом режиме вывод порта Р0.Х может служить входом. Если порт Р0 используется как порт ввода/вывода общего на­значения, каждый из его выводов Р0.Х может независимо от других работать как вход или как выход. Выходные каскады портов P1, P2, Р3 (рис. 7.1.13, б, в, г) выполнены по схемам инверторов с внутренним нагрузочным резистором, в качестве которого исполь­зован транзистор VT2.

Для уменьшения времени переключения при переходе выводов портов из состояния 0 в состояние 1 параллельно нагрузочному транзи­стору VT2 введен дополнительный транзистор VT3. Транзистор VT3 с помощью элементов в цепи затвора отпирается на время, равное двум периодам колеба­ний задающего кварцевого генератора (в течение фаз S1P1, S2P2 машинного цикла). Выходные каскады портов Р0, P2 (рис. 7.1.13, A, в) с помощью мультиплексора MX могут быть подключены либо к защелкам, либо к внутренним шинам «Адрес/ данные» и «Адрес». Выходной каскад порта P1 (рис. 7.1.13, 6) постоянно подклю­чен к защелке.

Если вывод порта Р3 является выходом и его защелка содержит 1, то его вы­ходным каскадом управляет аппаратно внутренний сигнал «Альтернативная функ­ция выхода», обеспечивающий выполнение соответствующей альтернативной функции, т.е. на внешнем выводе формируется один из сигналов ¯WR,¯RD или RxD. Если же вывод порта задействован на вход, то поступающий на него альтер­нативный сигнал (TxD, ¯INT0, ¯INT1, Т0, Т1) передается на внутреннюю линию «Аль­тернативная функция входа».

Режим записи в порт.

При выполнении команды записи в порт новое зна­чение записывается в защелку в фазе S6P2 и выводится непосредственно на вы­ходной контакт порта в фазе S1P1 следующего машинного цикла.

Режим чтения порта

Команды чтения портов считывают информацию не­посредственно с внешних контактов выводов порта или с выходов защелок. В первом случае бит данных с вывода порта считывается программно через буфер В2 сигналом «Чтение выводов» на линию внутренней шины данных (ШД) МК. Отметим, что сигналы «Запись в защелку», «Чтение защелки», «Чтение выво­дов» вырабатываются аппаратно при выполнении соответствующих команд.

Во втором случае реализуется так называемый режим «Чтение-Модифика­ция-Запись», в котором команда считывает сигнал состояния защелки, при не­обходимости модифицирует его и затем записывает обратно в защелку. Режим «Чтение-Модификация-Запись» реализуется при выполнении следующих команд: ANL, ORL, XRL, JBC; CPL; INC; DEC; DJNC; MOV PX,Y; CLR PX.Y; SETB PX,Y.

Чтение информации с выходов защелок позволяет исключить ошибки при интер­претации логического уровня на выводе порта. Продолжение статьи читайте во .

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 MCS-51 , большинство из них выполняется в одинаковых корпусах с совпадающей цоколевкой (нумерация ножек для корпуса). Это позволяет использовать для разработанного устройства микросхемы разных фирм - Maxim, Atmel, NXP и т.д. (catalog..php?page=components_list&id=39"> с.м. Поиск по параметрам) без переделки принципиальной схемы устройства и программы .

Рисунок 1. Структурная схема контроллера I8751

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 дешифратора 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.

Арифметико-логическое устройство (ALU) представляет собой параллельное восьмиразрядное устройство, обеспечивающее выполнение арифметических и логических операций. АЛУ состоит из:

• - регистров аккумулятора, регистров временного хранения TMP1 и TMP2,
• - ПЗУ констант,
• - сумматора,
• - дополнительного регистра (регистра В),
• - аккумулятора (ACC),
• - регистра состояния программ (PSW).

Регистр аккумулятор и регистры временного хранения - восьмиразрядные регистры, предназначенные для приема и хранения операндов на время выполнения операций над ними. Эти регистры программно не доступны.

ПЗУ констант обеспечивает выработку корректирующего кода при двоично-десятичном представлении данных, кода маски при битовых операциях и кода констант.

Параллельный восьмиразрядный сумматор представляет собой комбинационную схему с последовательным переносом, предназначенную для выполнения арифметических операций сложения, вычитания и логических операций сложения, умножения, неравнозначности и тождественности.

Регистр B - восьмиразрядный регистр, используемый во время операций умножения и деления. Для других инструкций он может рассматриваться как дополнительный сверхоперативный регистр.

Аккумулятор - восьмиразрядный регистр, предназначенный для приема и хранения результата, полученного при выполнении арифметико-логических операций или операций сдвига

Блок последовательного интерфейса и прерываний (ПИП) предназначен для организации ввода-вывода последовательных потоков информации и организации системы прерывания программ. В состав блока входят:

1. - буфер ПИП,
2. - логика управления,
3. - регистр управления,
4. - буфер передатчика,
5. - буфер приемника,
6. - приемопередатчик последовательного порта,
7. - регистр приоритетов прерываний,
8. - регистр разрешения прерываний,
9. - логика обработки флагов прерываний и схема выработки вектора.

Счетчик команд (Program Counter) предназначен для формирования текущего 16-разрядного адреса внутренней памяти программ и 8/16-разрядного адреса внешней памяти программ. В состав счетчика команд входят 16-разрядные буфер РС, регистр РС и схема инкремента (увеличения содержимого на 1).

Память данных (RAM) предназначена для временного хранения информации, используемой в процессе выполнения программы.

Порты P0, P1, P2, P3 являются квазидвунаправленными портами ввода - вывода и предназначены для обеспечения обмена информацией ОЭВМ с внешними устройствами, образуя 32 линии ввода- вывода.

Устройство таймеров В базовых моделях семейства имеются два программируемых 16-битных таймера/счетчика (T/C0 и T/C1), которые могут быть использованы как в качестве таймеров, так и в качестве счетчиков внешних событий

Регистр состояния программы (PSW) предназначен для хранения информации о состоянии АЛУ при выполнении программы.

Память программ (EPROM) предназначена для хранения программ и представляет собой постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). В разных микросхемах применяются масочные ПЗУ, стираемые ультрафиолетовым излучением или FLASH ПЗУ.

Регистр указателя данных (DPTR) предназначен для хранения 16-разрядного адреса внешней памяти данных или памяти программ.

Указатель стека (SP) представляет собой восьмиразрядный регистр, предназначенный для организации особой области памяти данных (стека), в которой можно временно сохранить любую чейку памяти.

У истоков производства микроконтроллеров стоит фирма Intel с семействами восьмиразрядных микроконтроллеров 8048 и 8051. Архитектура MCS-51 получила свое название от первого представителя этого семейства - микроконтроллера 8051, выпущенного в 1980 году на базе технологии HMOS. 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.

Основными элементами базовой архитектуры являются:
- 8-разрядное АЛУ на основе аккумуляторной архитектуры;
- 4 банка регистров, по 8 в каждом;
- встроенная память программ 4Кбайт;
- внутреннее ОЗУ 128 байт;
- булевый процессор
-2 шестнадцатиразрядных таймера;
- контроллер последовательного канала (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.

Именно этот микроконтроллер наиболее хорошо известен разработчикам и является популярным средством управления в устройствах самого широкого круга. Имеется множество эмуляторов, отладчиков и программаторов микросхем 8051, поэтому с разработкой программного обеспечения нет никаких трудностей.

Следующим принципиальным шагом в развитии MCS-51 стал перевод технологии изготовления на CHMOS. Это позволило реализовать режимы Idle и Power Down, позволившие резко снизить энергопотребление кристалла и открывшие дорогу к применению микроконтроллера в энергозависимых приложениях, например, в автономных приборах с батарейным питанием.

И последним принципиальным этапом развития этого направления фирмой Intel в рамках 8-битной архитектуры стал выпуск микроконтроллеров 8xC51FA/FB/FC, которые для краткости часто обозначаются как 8xC51FX. Главной отличительной особенностью этой группы кристаллов является наличие у них массива программируемых счетчиков (PCA). Структурная схема PCA представлена на рис.2.

В состав PCA входят:

Архитектура микроконтроллеров

Понимание архитектуры микроконтроллеров является ключевым при изучении языков программирования типа ассемблер. Структура ассемблера, формат его команд, адресация операндов и т. д. полностью определяются архитектурой. Целью изучения архитектуры является:

· выявление набора доступных для программирования регистров, их функционального назначения и структуры;

· понимание организации оперативной памяти и порядка ее использования;

· знакомство с типами данных;

· изучение формата машинных команд;

· выяснение организации обработки прерываний.

Архитектура семейства MCS-51 в значительной мере предопределяется ее назначением - построение компактных и дешевых цифровых устройств. Все функции МК 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 выводов для корпуса). Это позволяет использовать для разработанного устройства микросхемы разных фирм - производителей (таких какIntel, Dallas, Atmel, Philips и т.д.) без переделки принципиальной схемы устройства и программы.

MCS-51 выполнен по Гарвардской архитектуре, где адресные пространства памяти программ и данных разделены.

Структурная схема контроллера представлена на рис.2.3 и состоит из следующих основных функциональных узлов: блока управления, арифметико-логического устройства, блока таймеров/счетчиков, последовательного интерфейса и прерываний, программного счетчика (счетчика команд), 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 (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,
• комбинационная схема ввода-вывода,
• регистр команд,
• дешифратор команд.

Входные и выходные сигналы блока управления и синхронизации :

1 PSEN – разрешение программной памяти;

2 ALE – выходной сигнал разрешения фиксации адреса;

3 PROG – сигнал программирования;

4 EA – блокировка работы с внутренней памятью;

5 VPP – напряжение программирования;

6 RST – сигнал общего сброса.

Устройство формирования временных интервалов необходимо для синхронизации последовательности состояний ЦП, образующих машинный цикл, а также для правильной работы всех внутреннихзащелок и выходных буферов портов. Машинный цикл состоит из шести последовательныхсостояний (States) от S1 до S6, каждое из которых, в свою очередь, подразделяется на две фазы:

фазу 1 (Phase 1 - P1) и фазу 2 (Phase 2 - P2). Таким образом, машинный цикл может быть определен как последовательность временных интервалов S1P1, S1P2, S2P1,....,S6P2. Длительность фазы равна периоду следования тактовых импульсов, поэтому машинный цикл занимает 12 тактовых периодов.

Количество машинных циклов определяет продолжительность выполнения команд. Практически все команды выполняются за один или два машинных цикла, кроме команд умножения и деления, продолжительность выполнения которых составляет четыре машинных цикла. 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 дешифратора команд и логики управления ЭВМ, преобразуется в микропрограмму выполнения команды.

Рис 2.3. Структурная схема однокристального микроконтроллера Intel 8051

(семейство MCS-51)

Арифметико-логическое устройство (ALU) представляет собой параллельное восьмиразрядное устройство, обеспечивающее выполнение арифметических и логических операций. АЛУ состоит из:

• регистров временного хранения -TMP1 и TMP2,
• ПЗУ констант,
• сумматора,
• дополнительного регистра - регистра В,
• аккумулятора - ACC,
• регистра слова состояния программ (регистр флагов)- PSW .

Регистры временного хранения TMP1, TMP2 - восьмиразрядные регистры, предназначенные для приема и хранения операндов на время выполнения операций над ними. Эти регистры программно не доступны.

ПЗУ констант обеспечивает выработку корректирующего кода при двоично-десятичном представлении данных, кода маски при битовых операциях и кода констант.

Параллельный восьмиразрядный сумматор представляет собой схему комбинационного типа с последовательным переносом, предназначенную для выполнения арифметических операций сложения, вычитания и логических операций сложения, умножения, неравнозначности и тождественности.

Регистр B - восьмиразрядный регистр, используемый во время операций умножения и деления. Для других инструкций он может рассматриваться как дополнительный сверхоперативный регистр.

Аккумулятор - восьмиразрядный регистр, предназначенный для приема и хранения результата, полученного при выполнении арифметико-логических операций или операций сдвига.

Регистр состояния программ PSW (Programm Status Word) предназначен для хранения слова состояния выполняемых команд. При выполнении многих команд в ALU формируется ряд признаков операции (флагов), которые фиксируются в регистре слова состояния программы (PSW). В табл. 1 приводится перечень флагов PSW, даются их символические имена и описываются условия их формирования.

По определению прерывание означает временное прекращение основного процесса вычислений для выполнения некоторых запланированных или незапланированных действий, вызываемых работой аппаратуры или программы.

Эти действия могут носить сервисный характер, быть запросами со стороны программы пользователя на выполнение обслуживания либо быть реакцией на нештатные ситуации.