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:
- - буфер ПИП,
- - логика управления,
- - регистр управления,
- - буфер передатчика,
- - буфер приемника,
- - приемопередатчик последовательного порта,
- - регистр приоритетов прерываний,
- - регистр разрешения прерываний,
- - 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.
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.
Блок прерываний и последовательного интерфейса - UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) предназначен для организации ввода - вывода последовательных потоков информации и организации системы прерывания программ.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.
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.
|
Микро- схемы |
Внутренняя память про- грамм, байт |
Тип памяти программ |
Внутренняя память данных, байт |
Тактовая частота, МГц |
Ток потреб- ления, мА |
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.
|
Обозначение |
Наименование | |
|
Аккумулятор | ||
|
Регистр В | ||
|
Регистр состояния программы | ||
|
Указатель стека | ||
|
Указатель данных. 2 байта: | ||
|
Младший байт | ||
|
Старший байт | ||
|
Регистр приоритетов прерываний | ||
|
Регистр разрешения прерываний | ||
|
Регистр режимов таймера/счетчика | ||
|
Регистр управления таймера/счетчика | ||
|
Таймер/счетчик 0. Старший байт | ||
|
Таймер/счетчик 0. Младший байт | ||
|
Таймер/счетчик 1. Старший байт | ||
|
Таймер/счетчик 1. Младший байт | ||
|
Управление последовательным портом | ||
|
Буфер последовательного порта | ||
|
Управление потреблением |
* - 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.
|
Обозначение |
Таблица 3.4.
|
Обозна- чение |
Назначение битов |
Доступ к биту |
||||
|
Флаг переноса. Изменяется во время выполнения ряда арифметических и логических инструкций. |
Аппаратно или программно |
|||||
|
Флаг дополнительного переноса. Аппаратно уста- навливается/сбрасывается во время выполнения инструкций сложения или вычитания для указания переноса или заема в бите 3 при образовании младшего полубайта результата (D0-D3). |
Аппаратно или программно |
|||||
|
Флаг 0. Флаг, определяемый пользователем. |
Программно |
|||||
|
Программно |
||||||
|
Указатель банка рабочих регистров |
Программно |
|||||
|
Банк 0 с адресами (00Н - 07Н) Банк 1 с адресами (08Н – 0FН) Банк 2 с адресами (10Н - 17Н) Банк 3 с адресами (18Н – 1FН) | ||||||
|
Флаг переполнения. Аппаратно устанавливается или сбрасывается во время выполнения арифмети- ческих инструкций для указания состояния пере- полнения |
Аппаратно или программно |
|||||
|
Резервный. Содержит триггер, доступный по запи- си и чтению, который можно использовать | ||||||
|
Бит четности. Аппаратно сбрасывается или уста- навливается в каждом цикле инструкций для указа- ния четного или нечетного количества разрядов ак- кумулятора, находящихся в состоянии "1". |
Аппаратно или программно |
|||||
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.
|
Информация |
|
|
Неопределенная |
|
|
0ХХХ0000В для k-MOП 0XXXXXXXB для n-МОП |
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.
|
Обозначение |
Назначение вывода | ||
|
8-разрядныи двунаправленный порт Р1. Вход адреса А0-А7 при проверке внутреннего ПЗУ (РПЗУ) |
вход/ выход |
||
|
Сигнал общего сброса. Вывод резервного пита- ния ОЗУ от внешнего источника (для 1816) | |||
|
8-разрядный двунаправленный порт P3 с допол- нительными функциями |
вход/ выход |
||
|
Последовательные данные приемника - RхD | |||
|
Последовательные данные передатчика - ТхD | |||
|
Вход внешнего прерывания 0- INТ0` | |||
|
Вход внешнего прерывания 1-INT1` | |||
|
Вход таймера/счетчика 0: - Т0 | |||
|
Вход таймера/счетчика 1: - Т1 | |||
|
Выход стробирующего сигнала при записи во внешнюю память данных: - WR` | |||
|
Выход стробирующего сигнала при чтении из внешней памяти данных – RD` | |||
|
Выводы для подключения кварцевого резонато- ра. |
выход вход |
||
|
Общий вывод | |||
|
8-разрядный двунаправленный порт Р2. Выход адреса А8-А15 в режиме работы с внешней па- мятью. В режиме проверки внутреннего ПЗУ выводы Р2.0 - Р2.6 используются как вход адреса А8-А14. Вывод Р2.7 - разрешение чтения ПЗУ. |
вход/ выход |
||
|
Разрешение программной памяти | |||
|
Выходной сигнал разрешения фиксации адреса. При программировании РПЗУ сигнал: PROG |
вход/ выход |
||
|
Блокировка работы с внутренней памятью. При программировании РПЗУ подается сигнал UРR |
вход/ выход |
||
|
8-разрядный двунаправленный порт Р0. Шина адреса/данных г работе с внешней памятью. Вы- ход данных D7-D0 в режиме проверки внутрен- него ПЗУ (РПЗУ). |
вход/ выход |
||
|
Вывод питания от источника напряжения +5В |
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.
УДК 681.5, 681.325.5 (075.8)
ББК 32.973.202-018.2 я 73
Щербина А. Н. Вычислительные машины, системы и сети. Микроконтроллеры и микропроцессоры в системах управления: у чеб. пособие / А.Н. Щербина, П.А. Нечаев- СПб.: Из-во Политехн. ун-та, 2012.-226 с.
Соответствует содержанию государственного образовательного стандарта направлений подготовки и специальностей в области управления в технических системах, электроэнергетики и электротехники и содержанию примерной учебной программы дисциплины «Вычислительные машины, системы и сети».
Рассмотрены фундаментальные вопросы логической организации микропроцессорных систем на примере базовой архитектуры микроконтроллерного семейства MCS-51 фирмы Intel. Описана технология программирования микроконтроллеров на языках Ассемблер и СИ.
Может быть полезным для студентов и преподавателей высших технических заведений, специалистов по автоматизации технологических процессов и производственного оборудования, а также для инженеров-проектировщиков микропроцессорных систем.
Также соответствует содержанию государственного образовательного стандарта дисциплин «Микроконтроллеры и микропроцессоры в системах управления» и «Электронные устройства автоматики» бакалаврской, инженерной и магистерской подготовки по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника».
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.
© Щербина А. Н., Нечаев П. А., 2012
© Санкт-Петербургский государственный
политехнический университет, 2012
ISBN 978-5-7422-3553-8
Введение.. 7
Глава 1. Архитектура семейства MCS51. 10
1.1 Общие характеристики 10
1.2 Структурная схема 11
1.3 Назначение выводов микроконтроллера 8051 15
1.4 Организация памяти 17
1.4.1 Память программ (ПЗУ) 18
1.4.2 Память данных (ОЗУ) 19
1.4.3 Регистры специальных функций. 20
1.4.4 Регистр флагов (PSW) 23
1.5 Устройство управления и синхронизации 26
1.6 Организация портов ввода-вывода 27
1.6.1 Общие сведения. 27
1.6.2 Альтернативные функции. 27
1.7. Таймеры / счетчики микроконтроллеров семейства 8051. 28
1.7.1. Структура таймеров-счетчиков. 28
1.7.2 Режимы работы таймеров-счетчиков. 30
1.8. Последовательный порт 32
1.8.1. Структура последовательного порта. 32
1.8.2. Регистр управления/статуса приемопередатчика SCON.. 34
1.8.3. Регистр управления мощностью PCON.. 36
1.9. Система прерываний 37
1.9.1. Структура системы прерываний. 37
1.9.2 Выполнение подпрограммы прерывания. 40
Глава 2. Особенности микроконтроллера 80C51GB.. 42
2.1 Функциональные особенности 42
2.2 Порты I/O P0-P5 43
2.2.1 Функционирование портов ввода-вывода. 43
2.2.2 Запись в порт.. 46
2.3 Особенности системы прерываний 8XC51GB.. 49
Разрешение/запрещение прерываний. 50
Управление приоритетами прерываний. 51
Внешние прерывания. 54
2.3. Узел АЦП 56
2.4. Аппаратный сторожевой таймер 61
2.5. Обнаружение сбоя тактового генератора 63
2.6. Матрица программируемых счётчиков РСА 64
2.6.1. Структура PCA.. 64
2.6.2. Регистр режима счётчика РСА (CMOD) 66
2.6.3. Регистр управления счётчика РСА (CON) 67
2.6.4. Модули сравнения/фиксации. 68
2.7. Расширенный последовательный порт 76
2.8. Таймеры/счетчики 79
Расположение выводов микроконтроллеров группы 8XC51GB.. 86
Глава 3. Программирование MK 8051GB.. 89
3.1. Программная модель 89
3.2 Типы данных 93
3.3 Способы адресации данных 93
3.4 Система команд 95
3.4.1 Общая характеристика. 95
3.4.2 Типы команд. 96
3.4.3 Типы операндов. 97
3.4.4 Команды пересылки данных микроконтроллера. 98
3.4.5 Команды арифметических операций 8051. 101
3.4.6 Команды логических операций микроконтроллера 8051. 104
3.4.7 Команды операций над битами микроконтроллера 8051. 106
3.5 Отладка программ 111
Глава 4. Язык программирования ASM-51. 112
4.2 Запись текста программы 113
4.3 Алфавит языка. 114
4.4 Идентификаторы. 115
4.5 Числа 117
4.6 Директивы 118
4.7 Реализация подпрограмм на языке ASM51 122
4.7.1 Структура подпрограммы-процедуры на языке ASM51. 122
4.7.2 Передача переменных-параметров в подпрограмму. 123
4.7.3 Реализация подпрограмм-функций на языке ASM51. 123
4.7.4 Реализация подпрограмм обработки прерываний на языке ASM51. 124
4.8 Структурное программирование на языке ассемблера. 125
4.9 Особенности трансляции многомодульных программ.. 126
4.10 Использование сегментов 128
4.10.1 Разбиение памяти МК на сегменты.. 128
4.10.2 Абсолютные сегменты памяти. 129
4.10.2 Перемещаемые сегменты памяти. 131
Глава 5. Язык программирования С-51. 134
5.1 Общая характеристика языка 134
5.3 Структура программ С-51 136
5.3. Элементы языка программирования С-51 138
5.3.1. Символы.. 138
5.3.2. Лексические единицы, разделители и использование пробелов. 141
5.3.3 Идентификаторы.. 142
5.3.4 Ключевые слова. 143
5.3.5 Константы.. 143
5.4. Выражения в операторах языка 146
программирования C-51 146
5.5. Приоритеты выполнения операций 148
5.6. Операторы языка программирования C-51 149
5.6.1. Операторы объявления. 150
5.6.2 Исполняемые операторы.. 150
5.6.3 Оператор присваивания. 151
5.6.4 Условный оператор. 151
5.6.5 Структурный оператор {}. 152
5.6.6 Оператор цикла for. 152
5.6.7 Оператор цикла с проверкой условия до тела цикла while. 153
5.6.8 Оператор цикла с проверкой условия после тела цикла do while. 154
5.6.9 Оператор break. 155
5.6.10 Оператор continue. 155
5.6.11 Оператор выбора switch. 155
5.6.12 Оператор безусловного перехода goto. 157
5.6.13 Оператор выражение. 158
5.6.14 Оператор возврата из подпрограммы return. 158
5.6.15 Пустой оператор. 158
5.7. Объявление переменных в языке программирования C-51. 159
5.7.1. Объявление переменной. 159
5.7.3 Целые типы данных. 161
5.7.4 Числа с плавающей запятой. 162
5.7.5 Переменные перечислимого типа. 162
5.7.6. Объявление массивов в языке программирования C-51. 164
5.7.7. Структуры.. 165
5.7.8. Объединения (смеси) 166
5.8. Использование указателей в языке C-51 167
5.8.1. Объявление указателей. 167
5.8.2. Нетипизированные указатели. 168
5.8.3. Память зависимые указатели. 169
5.9. Объявление новых типов переменных 169
5.10. Инициализация данных 170
5.11. Использование подпрограмм в языке программирования С-51. 170
5.11.1. Определение подпрограмм.. 171
5.11.2. Параметры подпрограмм.. 173
5.11.3. Предварительное объявление подпрограмм.. 174
5.11.4 Вызов подпрограмм.. 176
5.11.5 Рекурсивный вызов подпрограмм.. 176
5.11.6 Подпрограммы обработки прерываний. 177
5.11.7 Области действия переменных и подпрограмм.. 178
5.12. Многомодульные программы 179
Глава 6. Подготовка программ в интегрированной среде разработки Keil μVision2. 182
6.1 Создание проекта на языке ASM-51 182
6.2 Пример создания проекта на языке C для учебного контроллера в интегрированной среде разработки Keil μVision2 188
Глава 7. Описание учебного контроллера.. 199
7.1. Структура контроллера 199
7.2. Адресное пространство 200
7.2.1. Распределение памяти. 200
7.2.2 Внешняя память. 201
7.2.3. Внутренняя память данных. 202
7.3. Распределение портов ввода-вывода 202
7.4. Последовательный порт………………………………...203
7.5. Работа с ЖКИ 205
7.6. Панели контроллера…………………………………………………213
ПРИЛОЖЕНИЕ П2 СТРУКТУРА ОТЧЁТА О ЛАБРОРАТОРНОЙ РАБОТЕ……..217
Приложение П3 Коды машинных команд. 217
Список литературы... 224
Введение
В освоении специальностей, связанных с автоматизацией технологических процессов и производств, изучение микроконтроллеров является одним из важных разделов.
В мире происходит непрерывное развитие и появление все новых и новых 16- и 32-разрядных микроконтроллеров и микропроцессоров, но наибольшая доля мирового микропроцессорного рынка и по сей день остается за 8-разрядными устройствами. По всем прогнозам аналитических компаний на ближайшее время, лидирующее положение 8-разрядных микроконтроллеров на мировом рынке сохранится.
В настоящее время среди всех 8-разрядных микроконтроллеров семейство MCS-51 является несомненным лидером по количеству разновидностей и количеству компаний, выпускающих его модификации. Оно получило свое название от первого представителя этого семейства - микроконтроллера 8051. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке.
Достоинства семейства MCS-51:
· архитектура, являющаяся стандартом де-факто;
· чрезвычайная широта семейства и разнообразие возможностей;
· наличие высокопроизводительных и расширенных версий процессоров;
· значительное число свободно доступных программных и аппаратурных наработок;
· легкость аппаратного программирования, в т. ч. и внутрисхемного;
· дешевизна и доступность базовых чипов;
· наличие специализированных версий контроллеров для особых условий применения
· наличие версий контроллеров с пониженным уровнем электромагнитных помех;
· широкая известность среди разработчиков старшего поколения, как в мире, так и в странах СНГ;
· поддержка архитектуры ведущими учебными заведениями мира.
И, наконец, главное преимущество: освоив базовый чип семейства, легко начнеть работать с такими вычислительными «монстрами», как микроконтроллеры Cygnal, Dallas Semiconductor, Analog Devices, Texas Instruments.
В состав семейства MCS-51 входит целый ряд микросхем от самых простых микроконтроллеров до достаточно сложных. На сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров семейства 8051, выпускаемых почти 20-ю компаниями. Каждый год появляются все новые варианты представителей этого семейства.
Основными направлениями развития являются:
· увеличение быстродействия (повышение тактовой частоты и переработка архитектуры);
· снижение напряжения питания и энергопотребления;
· увеличение объема ОЗУ и FLASH памяти на кристалле с возможностью внутрисхемного программирования;
· введение в состав периферии микроконтроллера сложных устройств типа системы управления приводами, CAN и USB интерфейсов и т.п.
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 без переделки принципиальной схемы устройства и программы.
Основными производителями разновидностей 51-го семейства в мире являются фирмы Philips, Siemens, Intel, Atmel, Dallas, Temic, Oki, AMD, MHS, Gold Star, Winbond, Silicon Systems и ряд других.
Характеристики аналогов микроконтроллеров семейства MCS-51 (Intel 8XC51FA, 8XC51GB, 80С152) с расширенными возможностями приведены в табл. В.1.
Таблица В.1
| ОЗУ | ПЗУ | РСА | АЦП | WDT | T/C | Послед. Каналы | Особенности | |
| Atmel: AT89C2051 | ||||||||
| - | - | - | - | UART | Flash 2 Кб | |||
| AT89C4051 | - | - | - | - | UART | Flash 4 Кб | ||
| AT89S4D12 | 128K | - | - | - | UART, SPI | Flash 4 Кб | ||
| DALLAS Semiconductor: DS5000FP | ||||||||
| - | - | - | + | UART | Bootstrap loader | |||
| DS5001FP | - | - | - | + | UART | Bootstrap loader | ||
| DS8xC520 | 16K | - | - | + | 2xUART | 2 DPTR | ||
| SIEMENS: C505C | ||||||||
| 16K | - | + | + | UART, CAN | 8 DPTR | |||
| C515C | 64K | - | + | + | UART+ SSC+CAN | 4 ШИМ, 8 DPTR | ||
| Philips: *89C51RA+ | ||||||||
| - | + | - | + | UART | 2 DPTR, 4 ур. прер., clock out, Flash 8K | |||
| P51XAG1x | 8K | - | - | + | 2 UART | |||
| Intel: 8xC51RA | ||||||||
| 8K | - | + | + | UART | 4 уровня IRQ, clock out | |||
| 8XC196KC | 64K | 16K | - | + | - | UART | 3 ШИМ | |
| 80C196KB | 64K | 8K | - | + | - | UART | ШИМ |
Глава 1. Архитектура семейства MCS51
8-разрядные однокристальные микроконтроллеры семейства MCS-51 приобрели большую популярность у разработчиков микропроцессорных систем контроля благодаря удачно спроектированной архитектуре. Архитектура микроконтроллера – это совокупность внутренних и внешних программно-доступных аппаратных ресурсов и системы команд. Архитектура семейства MCS-51 в значительной мере предопределяется ее назначением - построение компактных и дешевых цифровых устройств. Микроконтроллеры, выполняющие все функции микроЭВМ с помощью единственной микросхемы, получили название однокристальных ЭВМ (ОЭВМ).
Фирма Intel выпустила около 50 моделей на базе операционного ядра микроконтроллера Intel 8051. Одновременно многие другие фирмы, такие как Atmel, Philips, начали производство своих микроконтроллеров, разработанных в стандарте MCS-51.
Общие характеристики
Основные характеристики семейства:
· 8-разрядный центральный процессор (ЦП), ориентированный на управление исполнительными устройствами;
· ЦП имеет встроенную схему 8-разрядного аппаратного умножения и деления чисел;
· наличие в наборе команд большого количества операций для работы с прямоадресуемыми битами даёт возможность говорить о процессоре для работы с битовыми данными (булевом процессоре);
· внутренняя (расположенная на кристалле) память программ масочного или репрограммируемого типа, имеющая для различных кристаллов объём от 4 до 32 Кб, в некоторых версиях она отсутствует;
· не менее чем 128 байтное резидентное ОЗУ данных, которое используется для организации, регистровых банков, стека и хранения пользовательских данных;
· не менее 32-х двунаправленных интерфейсных линий (портов), индивидуально настраиваемых на ввод или вывод информации;
· два 16-битных многорежимных счетчика/таймера, используемых для подсчёта внешних событий, организации временных задержек и тактирования коммуникационного порта;
· двунаправленный дуплексный асинхронный приемопередатчик (UART), предназначенный для организации каналов связи между микроконтроллером и внешними устройствами с широким диапазоном скоростей передачи информации. Имеются средства для аппаратно-программного объединения микроконтроллеров в связанную систему;
· двухуровневая приоритетная система прерываний, поддерживающая не менее 5 векторов прерываний от 4-х внутренних и 2-х внешних источников событий;
· встроенный тактовый генератор.
Структурная схема
Структурная схема контроллера представлена на рис.1.1 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. 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).
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.
Рис. 1.1. Структурная схема контроллера I8051.
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. 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 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
Блок последовательного интерфейса и прерываний (ПИП) предназначен для организации ввода - вывода последовательных потоков информации и организации системы прерывания программ. В состав блока входят:
буфер ПИП;
логика управления;
регистр управления;
буфер передатчика;
буфер приемника;
приемопередатчик последовательного порта;
регистр приоритетов прерываний;
регистр разрешения прерываний;
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.
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, стираемые ультрафиолетовым излучением или FLASH ПЗУ.
Регистр указателя данных (DPTR) предназначен для хранения 16 - разрядного адреса внешней памяти данных.
Указатель стека (SP) представляет собой восьмиразрядный регистр, предназначенный для организации особой области памяти данных (стека), в которой можно временно сохранить любую ячейку памяти.
1.3 Назначение выводов микроконтроллера 8051 (рис. 1.2)
· U ss - потенциал общего провода ("земли");
· U cc - основное напряжение питания +5 В;
· X1,X2 - выводы для подключения кварцевого резонатора;
· RST - вход общего сброса микроконтроллера;
· PSEN - разрешение внешней памяти программ, выдается только при обращении к внешнему ПЗУ;
· ALE - строб адреса внешней памяти;
· ЕА - отключение внутренней программной память; уровень 0 на этом входе заставляет микроконтроллер выполнять программу только из внешнего ПЗУ; игнорируя внутреннее(если последнее имеется);
Рис. 1.2. Назначение выводов 8051.
· P1 - восьмибитный квазидвунаправленный порт ввода/вывода, каждый разряд порта может быть запрограммирован как на ввод, так и на вывод информации, независимо от состояния других разрядов;
· P2 - восьмибитный квазидвунаправленный порт, аналогичный Р1, выводы этого порта используются для выдачи адресной информации при обращении к внешней памяти программ или данных (если используется 16-битовая адресация последней). Кроме того, выводы порта используются при программировании для ввода в микроконтроллер старших разрядов адреса;
· РЗ - восьмибитный квазидвунаправленный порт, аналогичный Р1, выводы этого порта могут выполнять ряд альтернативных функций, которые используются при работе таймеров, порта последовательного ввода-вывода, контроллера прерываний, и внешней памяти программ и данных;
· P0 - мультиплексируемый восьмибитный двунаправленный порт ввода-вывода информации, через этот порт в разные моменты времени выводятся младший байт адреса и данные.
Организация памяти
Вся серия MCS-51 имеет гарвардскую архитектуру, то есть раздельные адресные пространства памяти программ и данных. Структура памяти изображена на рис. 1.3.
Объем внутренней (резидентной) памяти программ (ROM, EPROM или OTP ROM), располагаемой на кристалле, в зависимости от типа микросхемы может составлять 0 (ROMless), 4К (базовый кристалл), 8К, 16К или 32К. При необходимости пользователь может расширять память программ установкой внешнего ПЗУ. Доступ к внутреннему или внешнему ПЗУ определяется значением сигнала на выводе ЕА (External Access):
EA=V cc (напряжение питания) - доступ к внутреннему ПЗУ;
EA=V ss (потенциал земли) - доступ к внешнему ПЗУ.
Для кристаллов без ПЗУ(ROMless) вывод ЕА должен быть постоянно подключен к V ss .
 |  |
Рис. 1.3. Организация памяти семейства MCS-51
Строб чтения внешнего ПЗУ - (Program Store Enable) генерируется при обращении к внешней памяти программ и является неактивным во время обращения к ПЗУ, расположенному на кристалле. Область нижних адресов памяти программ используется системой прерываний. Архитектура базовой микросхемы 8051обеспечивает поддержку пяти источников прерываний:
· двух внешних прерываний;
· двух прерываний от таймеров;
· прерывания от последовательного порта.
На рис. 1.4 изображена карта нижней области программной памяти.
Рис. 1.4. Карта нижней области программной памяти
Память программ (ПЗУ)
У микроконтроллеров семейства 8051, память программ и память данных являются самостоятельными и независимыми друг от друга устройствами, адресуемыми различными командами и управляющими сигналами.
Объем встроенной памяти программ, расположенной на кристалле микроконтроллера 8051 , равен 4 Кбайт (в семействе до 32). При обращении к внешней памяти программ все микроконтроллеры семейства 8051 всегда используют 16-разрадный адрес, что обеспечивает им доступ к 64 Кбайт ПЗУ. Микроконтроллер обращается к программной памяти при чтении кода операции и операндов (используя счетчик команд PC), а также при выполнении команд копирования байта из памяти программ в аккумулятор. При выполнении команд копирования данных адресация ячейки памяти программ, из которой будут прочитаны данные, может осуществляться с использованием как счетчика PC, так и специального двухбайтового регистра-указателя данных DPTR.
Память данных (ОЗУ)
Объем расположенной на кристалле памяти данных - 128 байт. Объем внешней памяти данных может достигать 64 Кбайт. Первые 32 байта организованы в четыре банка регистров общего назначения, обозначаемых соответственно банк 0 - банк 3. Каждый из них состоит из восьми регистров R0–R7. В любой момент программе доступен, при регистровой адресации, только один банк регистров, номер которого содержится в третьем и четвертом битах слова состояния программы PSW .
Адреса битовой области памяти микроконтроллера 8051
Таблица 1.1
| Адрес байта (Hex) | Адреса битов по разрядам | |||||||
| D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 | |
| 2F | 7F | 7E | 7D | 7C | 7B | 7A | ||
| 2E | ||||||||
| 2D | 6F | 6E | 6D | 6C | 6B | 6A | ||
| 2C | ||||||||
| 2B | 5F | 5E | 5D | 5C | 5B | 5A | ||
| 2A | ||||||||
| 4F | 4E | 4D | 4C | 4B | 4A | |||
| 3F | 3E | 3D | 3C | 3B | 3A | |||
| 2F | 2E | 2D | 2C | 2B | 2A | |||
| 1F | 1E | 1D | 1C | 1B | 1A | |||
| 0F | 0E | 0D | 0C | 0B | 0A | |||
| 20h |
Оставшееся адресное пространство может конфигурироваться разработчиком по своему усмотрению: в нем можно разместить стек, системные и пользовательские области данных. Обращение к ячейкам памяти данных возможно двумя способами. Первый способ - прямая адресация ячейки памяти. В этом случае адрес ячейки является операндом соответствующей команды. Второй способ - косвенная адресация с помощью регистров-указателей R0 или R1: перед выполнением соответствующей команды в один из них должен быть занесен адрес ячейки, к которой необходимо обратиться.
Для обращения к внешней памяти данных используется только косвенная адресация с помощью регистров R0 и R1 или с помощью 16-разрядного регистра-указателя DPTR.
Часть памяти данных представляет собой битовую область, в ней имеется возможность при помощи специальных битовых команд адресоваться к каждому разряду ячеек памяти. Адрес прямо адресуемых битов может быть записан также в виде (АдресБайта).(Разряд). Соответствие этих двух способов адресации можно определить по табл. 1.1.
