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:

Таймер-счетчик обслуживает все пять модулей выборки и сравнения, которые могут быть запрограммированы на выполнение одной из следующих функций:

	16-битная выборка значения таймера по положительному фронту внешнего сигнала;
	16-битная выборка значения таймера по отрицательному фронту внешнего сигнала;
	16-битная выборка значения таймера по любому фронту внешнего сигнала;
	16-битный программный таймер;
	16-битное устройство скоростного вывода (HSO);
	8-битный ШИМ

Выполнение всех перечисленных функций происходит в PCA на аппаратном уровне и не загружает центральный процессор, что позволяет повысить общую пропускную способность системы, повысить точность измерений и отработки сигналов и снизить время реакции микроконтроллера на внешние события, что особенно важно для систем реального времени. Реализованный в 8xC51FX PCA оказался настолько удачным, что архитектура микроконтроллеров FX стала промышленным стандартом де-факто, а сам PCA многократно воспроизводился в различных модификациях микроконтроллеров разных фирм.

Изначально наиболее "узкими" местами архитектуры MCS-51 были 8-разрядное АЛУ на базе аккумулятора и относительно медленное выполнение инструкций (для выполнения самых быстрых инструкций требуется 12 периодов тактовой частоты). Это ограничивало применение микроконтроллеров семейства в приложениях, требующих повышенного быстродействия и сложных вычислений (16- и 32- битовых). Насущным стал вопрос принципиальной модернизации старой архитектуры. Проблема модернизации осложнялась тем, что к началу 90-х годов уже была создана масса наработок в области программного и аппаратного обеспечения, и одной из основных задач разработки новой архитектуры была реализация аппаратной и программной совместимости со старыми разработками на базе MCS-51. Для решения этой задачи была создана совместная группа из специалистов компаний Intel и Philips. В результате в 1995 г. появилось 2 существенно отличающихся семейства: MCS-251/151 у Intel и 51XA у Philips (на последнем мы остановимся ниже).

Основные характеристики архитектуры MSC-251:

	24-разрядное линейное адресное пространство, обеспечивающее адресацию до 16M памяти (выпускаемые микроконтроллеры семейства MCS-251 имеют адресное пространство памяти объемом 256К);
	Система команд микроконтроллеров семейства MCS-251 содержит все 111 команд, входящих в систему команд микроконтроллеров семейства MCS-51 ("старые" команды), и, кроме того, в нее входят 157 "новых" команд. Коды некоторых новых команд имеют формат 4 байт.
	Перед использованием микроконтроллера его необходимо сконфигурировать, т.е. с помощью программатора "прожечь" конфигурационные байты, определяющие, какой из наборов инструкций станет активным после включения питания. Если установить набор инструкций MCS-51, то в этом случае MSC-251 будет совместим с MCS-51 на уровне двоичного кода. Такой режим называется Binary Mode. Однако расширенные инструкции в этом режиме также доступны через "форточку" - зарезервированный код инструкции 0A5h. Естественно, длина каждой расширенной инструкции увеличивается в таком случае на 1 байт. Если же изначально установить набор расширенных инструкций, то в этом случае программы, написанные для MCS-51 потребуют перекомпиляции на кросс-средствах для MCS-51, т.к. теперь уже стандартные инструкции будут доступны через ту же "форточку" 0A5h и длина их также увеличится на 1 байт. Такой режим называется Source Mode. Он позволяет с максимальной эффективностью использовать расширенные инструкции и достигнуть наибольшего быстродействия, но требует переработки программного обеспечения.

	регистровая архитектура, допускающая обращение к регистрам как к байтам, словам и двойным словам;
	страничный режим адресации для ускорения выборки инструкций из внешней программной памяти;
	очередь инструкций;
	расширенный набор команд, включающий 16-битовые арифметические и логические инструкции;
	расширенное адресное пространство стека до 64К;
	выполнение самой быстрой инструкции за 2 такта;
	совместимость на уровне двоичного кода с программами для MCS-51.

Для пользователей, ориентированных на применение микроконтроллеров MCS-251 в качестве механической замены MCS-51 фирма Intel выпускает микроконтроллеры MCS-251 с уже запрограммированными битами конфигурации в состоянии Binary Mode. Такие микроконтроллеры получили индекс MCS-151.

Помимо самой Intel микроконтроллеры MCS-251 по ее лицензии выпускает компания Temic Semiconductors.

Универсальная последовательная шина (Universal Serial Bus или USB), распространяет технологию Plug-and-Play на внешние устройства ввода/вывода, применяемые на современных высокопроизводительных персональных компьютерах.

Для того, чтобы обеспечить возможность подключения разнообразных периферийных устройств, в стандарте USB определены четыре режима передачи: Управляющий, Изохронный, Импульсный и передача массивов. Каждое периферийное устройство должно поддерживать управляющий режим для передачи параметров конфигурации, команд и информации о состоянии устройства. Изохронная передача обеспечивает гарантированный доступ к шине, постоянную пропускную способность и устойчивость к ошибкам, этот режим передачи может применяться в устройствах аудиовывода и компьютерной телефонии. Импульсная передача предназначена для устройств ввода типа мыши, джойстика или клавиатуры, передающих информацию редко и небольшими порциями, но с ограниченным периодом обслуживания. Передача массивов позволяет устройствам типа сканеров, факсов или цифровых камер передавать большие массивы данных в персональный компьютер, как только освобождается канал шины.

Основные характеристики продукта

Полная совместимость со "Спецификацией Universal Serial Bus 1.0" Встроенный USB transceiver Serial Bus Interface Engine (SIE) Четыре очереди FIFO для передачи Три 16-байтных очереди FIFO Четыре очереди FIFO для приема Три 16-байтных очереди FIFO Одна настраиваемая очередь FIFO (до 1024 байт) Автоматическое управление приемом/передачей в очередях FIFO Операции остановки/возобновления Три вектора прерывания шины USB Цикл блокировки фазы Скорости передачи данных: 12 Мбит/сек и 1,5 Мбит/сек Режим с замедленным циклом Внешнее адресное пространство емкостью 256 Кбайт Энергосберегающие режимы: ожидание и отключение питания Задаваемые пользователем параметры Ожидание в реальном времени 1 Кбайт оперативной памяти на кристалле
	Четыре порта ввода/вывода
	Программируемый массив счетчиков (PCA)
	Стандартный (MCS 51) микроконтроллер UART
	Аппаратный сторожевой таймер
	Три 16-разрядных таймера/счетчика с гибкими возможностями
	Совместимость с набором команд микроконтроллеров архитектуры MCS 51 и MCS 251
	Архитектура микроконтроллера MCS 251, основанная на регистрах
	Рабочая частота 6 или 12 МГц

Контроллер 8x930Hx имеет дополнительные характеристики:

	Концентратор USB
	Возможности управления концентратором USB Управление соединением Обнаружение соединения/разрыва связи с устройством вывода Управление питанием, включая остановку/возобновление Обнаружение и восстановление сбоев шины Поддержка полноскоростных и низкоскоростных устройств вывода
	Выходной контакт для переключения питания порта
	Входной контакт для обнаружения перегрузки

Четыре различных режима передачи данных USB обеспечиваются совместной работой трех элементов: Хост, Концентратор, Функциональное устройство. Хост контролирует передачу по шине содержательной и управляющей информации. Функциональные устройства расширяют хост-системы. Сюда включаются типичные виды работы с PC: ввод с клавиатуры или джойстика, вывод на монитор; а также более сложные виды деятельности, такие как цифровая телефония и передача изображений. Для управления функциональными устройствами спроектирован микроконтроллер Intel 8x930Ax. Наконец, концентраторы представляют собой точку расширения USB, с помощью которой обеспечивается доступ к другим функциональным устройствам. Микроконтроллер Intel 8x930Hx, в котором совмещены функции управления функциональным устройством и концентратором USB, является первым серийным концентратором USB, предназначенным для современных периферийных устройств PC.

Концентраторы USB играют существенную роль в расширении мира пользовател PC. С появлением периферийных устройств - клавиатур, мониторов, принтеров и других - снабженных встроенными концентраторами, подключить или отключить новое устройство так же просто, как вставить вилку в розетку. Новый уровень производительности и расширенные способы соединения USB могут привести к появлению устройств для рабочих и развлекательных приложений нового поколения. Дни встраиваемых карт, конфликтов IRQ и спутанных клубков проводов сочтены.

Кабель шины USB состоит всего из четырех проводов: Vbus, D+, D- и GND - чем достигается упрощение и единообразие соединения. Этой же цели служит единый стандартный коннектор для подключения периферийных устройств к шине USB. Данные по-разному передаются по кабелям D+ и D-: либо на полной скорости 12 Мбит/сек, либо на низкой скорости 1,5 Мбит/сек. Приемопередатчик встроен в кристалл, поэтому необходимость во внешних электронных цепях отсутствует. Исключение составляет терминальный нагрузочный резистор на обоих линиях D+ и D-, который необходим для определения типа устройства: высокоскоростное или низкоскоростное.

Обзор семейства
Семейство Intel 8x930 состоит из двух однокристальных контроллеров.

Контроллер Intel 8x930Ax представляет собой 8-разрядное устройство, которое основано на архитектуре микроконтоллера MCS 251 и предназначено для работы с периферийными устройствами, подключаемыми к шине USB. С другой стороны, в 8x930Hx использовано то же ядро микроконтроллера MCS 251 плюс расширенные возможности встроенного концентратора шины USB. Применение архитектуры MCS 251 в обоих контроллерах шины USB дает следующие преимущества:

	Высокая производительность
	Применение смешанных типов памяти и адресации
	Низкое энергопотребление
	Низкий уровень шума
	Эффективная поддержка языков высокого уровня
	Расширенный набор команд
	Встроенные возможности

В качестве команд для 8x930Ax можно использовать инструкции как из набора для микроконтроллера MCS 51, так и из набора для микроконтроллера MCS 251. Такой подход сохраняет инвестиции пользователей в программное обеспечение и выжимает максимум производительности из приложений.

Микроконтроллеры 8x930 настолько насыщены различными встроенными средствами, что они выглядят мощнее, нежели просто микроконтроллеры. Массив программируемых счетчиков (PCA) придает гибкость приложениям, которым требуется сравнение или захват данных в реальном времени, высокоскоростной обмен данными или широтно-импульсная модуляция. Кроме того, в состав контроллера вошли расширенный последовательный порт, три 16-разрядных таймера/счетчика, аппаратный сторожевой таймер, четыре 8-разрядных порта ввода/вывода, а также предусмотрены два энергосберегающих режима: ожидание и отключение питания.

Контроллеры семейства 8x930Ax оснащены 1 Кбайт памяти и могут быть использованы в вариантах без постоянной памяти, либо с постоянной памятью емкостью 8 или 16 Кбайт. Они могут адресовать до 256 Кбайт внешней памяти для размещения команд и данных и 40 байт регистров общего назначения, которые располагаются в центральном процессоре как регистровый файл. В зависимости от используемой комбинации в регистровом файле могут располагаться 16 байтовых регистров, 16 двухбайтовых регистров и 10 четырехбайтовых регистров.

В контроллерах предусмотрен гибкий интерфейс с внешней памятью. Дл обращения к устройствам с медленной памятью имеется возможность добавлени трех циклов ожидания, а для генерации большего количества циклов - обращение к функции реального времени. Выборка внешних команд может повысить производительность за счет использования страничного режима, при котором данные перебрасываютс в старшем байте адреса.

Оба контроллера 8x930 оснащены восемью очередями FIFO для поддержки внутренних устройств вывода: четыре очереди для передачи и четыре очереди для приема. Четыре очереди FIFO для приема/передачи поддерживают четыре оконечных функциональных устройства (от 0 до 3). Очередь 0 состоит из 16 байт и предназначена для передачи управляющей информации. Очередь 1 относитс к категории настраиваемых пользователем и имеет емкость до 1024 байт. Очереди 2 и 3 состоят из 16 байт каждая и могут использоваться для передачи информации в импульсном, изохронном и режиме передачи массивов. В случае использования контроллера 8x930Hx указанные очереди усиливаются парой очередей FIFO для входных устройств. Эти очереди в контроллере 8x930Hx поддерживаются дополнительным повторителем, который отвечает за повторную передачу потоков данных, генерируемых выходными устройствами.

Обзор архитектуры
Конструкционно реализацию USB в микроконтроллерах 8x930Ax и 8x930Hx можно разделить на четыре блока: очереди FIFO, блок интерфейса с функциональными устройствами, блок интерфейса с последовательной шиной и приемо-передатчик. Контроллер 8x930Hx имеет длополнительные блоки для управления функциями концентратора: блок интерфейса с концентратором и повторитель.

Очереди FIFO для приема и передачи на обоих контроллерах являются кольцевыми. Очереди поддерживают до двух раздельных наборов данных переменного размера и содержат регистры счетчика байтов, показывающие количество байтов в наборах данных. Очереди снабжены флажками, показывающими заполненность или пустоту очереди, а также способны повторять прием или передачу текущего набора данных. Блок интерфейса с функциональными устройствами (ИФУ) распределяет переданные или принятые данные USB в соответствии с типом передачи и состоянием очередей. Кроме того, блок ИФУ следит за состоянием транзакции, управляет очередями FIFO, при помощи запроса на прерывание сообщает о наступлении управляющих событий центральному процессору 8x930.

Блок интерфейса с последовательной шиной реализует протокол передачи USB: последовательно упорядочивает пакеты, осуществляет генерацию и распознавание сигнала, генерацию и проверку контрольных сумм, кодирование/декодирование данных по методу NRZI, побитовое заполнение, генерацию и распознавание идентификатора пакета (PID).

Интегрированный приемо-передатчик на микроконтроллерах USB согласован с простым четырех-жильным интерфейсом, определенным спецификаицей USB 1.0. Семейство контроллеров 8x930 имеет три прерывания, связанных с USB. Они происходят при каждом старте кадра, окончании приема/передачи данных на оконечные функциональные устройства, в случае глобальной приостановки или возобновления работы. В концентраторе 8x930Hx блок интерфейса с концентратором служит для управления и слежения за состоянием соединени с выходными портами. Повторитель отвечает за распространение сигналов повышающих и понижающих портов USB.

АРХИТЕКТУРА МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ СЕМЕЙСТВА MCS -51

Конспект лекций по курсам

«Микропроцессоры в системах контроля», «Микропроцессорная техника»

«Микропроцессорные средства и системы»

для студентов всех форм обучения специальностей

072000 – Стандартизация и сертификация

210200 – Автоматизация технологических процессов

230104 – Системы автоматизированного проектирования

Тамбов 2005

ВВЕДЕНИЕ.. 3

1. СТРУКТУРА МИКРОКОНТРОЛЛЕРА INTEL 8051. 3

1.1. Организация памяти. 5

1.2. Арифметико-логическое устройство. 6

1.3. Резидентная память программ и данных. 7

1.4. Аккумулятор и регистры общего назначения. 8

1.5. Регистр слова состояния программы и его флаги. 9

1.6. Регистры-указатели. 10

1.7. Регистры специальных функций. 11

1.8. Устройство управления и синхронизации. 11

1.9. Параллельные порты ввода/вывода информации. 12

1.10. Таймеры/счетчики. 13

1.11. Последовательный порт. 18

1.11.1. Регистр SBUF.. 18

1.11.2. Режимы работы последовательного порта. 18

1.11.3. Регистр SCON.. 19

1.11.4. Скорость приёма/передачи. 21

1.12. Система прерываний. 22

2. СИСТЕМА КОМАНД МИКРОКОНТРОЛЛЕРА INTEL 8051. 26

2.1. Общие сведения. 26

2.1.1. Типы команд. 27

2.1.2. Типы операндов. 28

2.1.3. Способы адресации данных. 30

2.1.4. Флаги результата. 31

2.1.5. Символическая адресация. 32

2.2. Команды передачи данных. 33

2.2.1. Структура информационных связей. 33

2.2.2. Обращение к аккумулятору. 33

2.2.3. Обращение к внешней памяти данных. 34

2.2.4. Обращение к памяти программ.. 34

2.2.5. Обращение к стеку. 35

2.3. Арифметические операции. 35

2.4. Логические операции. 39

2.5. Команды передачи управления. 43

2.5.1. Длинный переход. 43

2.5.2. Абсолютный переход. 43

2.5.3. Относительный переход. 44

2.5.4. Косвенный переход. 44

2.5.5. Условные переходы.. 44

2.5.6. Подпрограммы.. 47

2.6. Операции с битами. 48

Контрольные вопросы... 49

ЛИТЕРАТУРА.. 50

Приложение СИСТЕМА КОМАНД INTEL 8051. 51

ВВЕДЕНИЕ

С 80-х годов 20 века в микропроцессорной технике выделился самостоятельный класс интегральных схем – однокристальные микроконтроллеры, которые предназначены для встраивания в приборы различного назначения. От класса однокристальных микропроцессоров их отличает наличие внутренней памяти, развитые средства взаимодействия с внешними устройствами.

Широкое распространение получили 8-разрядных однокристальные микроконтроллеры семейства MCS-51. Это семейство образовалось на основе микроконтроллера Intel 8051, получившего большую популярность у разработчиков микропроцессорных систем контроля благодаря удачно спроектированной архитектуры. Архитектура микроконтроллера это совокупность внутренних и внешних программно доступных аппаратных ресурсов и системы команд.

В последствии 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. Существует также и отечественный аналог микроконтроллера Intel 8051 - микросхема К1816ВЕ51.

2. СТРУКТУРА МИКРОКОНТРОЛЛЕРА INTEL 8051

Микроконтроллер Intel 8051 выполнен на основе высокоуровневой n-МОП технологии. Его основные характеристики следующие:

· восьмиразрядный центральный процессор, оптимизированный для реализации функций управления;

· встроенный тактовый генератор (максимальная частота 12 МГц);

· адресное пространство памяти программ - 64 Кбайт;

· адресное пространство памяти данных - 64 Кбайт;

· внутренняя память программ - 4 Кбайт;

· внутренняя память данных - 128 байт;

· дополнительные возможности по выполнению операций булевой алгебры (побитовые операции);

· 2 шестнадцатиразрядных многофункциональных таймера/счетчика;

· полнодуплексный асинхронный приемопередатчик (последовательный порт);

· векторная система прерываний с двумя уровнями приоритета и пятью источниками событий.

Рисунок 1 - Структурная схема микроконтроллера Intel 8051

Основу структурной схемы (рис. 1) образует внутренняя двунаправленная 8-разрядная шина, которая связывает между собой основные узлы и устройства микроконтроллера: резидентную память программ (RPM), резидентную память данных (RDM), арифметико-логическое устройство (ALU), блок регистров специальных функций, устройство управления (CU), параллельные порты ввода/вывода (P0-P3), а также программируемые таймеры и последовательный порт.

2.1. Организация памяти

Данный микроконтроллер имеет встроенную (резидентную) и внешнюю память программ и данных. Резидентная память программ (RPM) имеет объем 4 Кбайт, резидентная память данных (RDM) – 128 Байт.

В зависимости от модификации микроконтроллера RPM выполняется в виде масочного ПЗУ, однократно программируемого либо репрограммируемого ПЗУ.

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=VCC (напряжение питания) - доступ к внутреннему ПЗУ;

EA=VSS (потенциал земли) - доступ к внешнему ПЗУ.

Внешняя память программ и данных может составлять по 64 Кбайт и адресоваться с помощью портов P0 и P2. На рис.2 представлена карта памяти Intel 8051.

Рисунок 2 - Организация памяти Intel 8051

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 (рис. 3) используется системой прерываний. Архитектура микросхемы INTEL 8051 обеспечивает поддержку пяти источников прерываний. Адреса, по которым передается управление по прерыванию, называются векторами прерывания.

Рисунок 3 - Карта нижней области программной памяти

2.2. Арифметико-логическое устройство

8-битное арифметико-логическое устройство (ALU) может выполнять арифметические операции сложения, вычитания, умножения и деления; логические операции И, ИЛИ, исключающее ИЛИ, а также операции циклического сдвига, сброса, инвертирования и т. п. К входам подключены программно-недоступные регистры T1 и T2, предназначенные для временного хранения операндов, схема десятичной коррекции (DCU) и схема формирования признаков результата операции (PSW).

Простейшая операция сложения используется в ALU для инкрементирования содержимого регистров, продвижения регистра-указателя данных (RAR) и автоматического вычисления следующего адреса резидентной памяти программ. Простейшая операция вычитания используется в ALU для декрементирования регистров и сравнения переменных.

Простейшие операции автоматически образуют “тандемы” для выполнения таких операций, как, например, инкрементирование 16-битных регистровых пар. В ALU реализуется механизм каскадного выполнения простейших операций для реализации сложных команд. Так, например, при выполнении одной из команд условной передачи управления по результату сравнения в ALU трижды инкрементируется счётчик команд (PC), дважды производится чтение из RDM, выполняется арифметическое сравнение двух переменных, формируется 16-битный адрес перехода и принимается решение о том, делать или не делать переход по программе. Все перечисленные операции выполняются всего лишь за 2 мкс.

Важной особенностью ALU является его способность оперировать не только байтами, но и битами. Отдельные программно-доступные биты могут быть установлены, сброшены, инвертированы, переданы, проверены и использованы в логических операциях. Эта способность достаточно важна, поскольку для управления объектами часто применяются алгоритмы, содержащие операции над входными и выходными булевыми переменными, реализация которых средствами обычных микропроцессоров сопряжена с определенными трудностями.

Таким образом, ALU может оперировать четырьмя типами информационных объектов: булевыми (1 бит), цифровыми (4 бита), байтными (8 бит) и адресными (16 бит). В ALU выполняется 51 различная операция пересылки или преобразования этих данных. Так как используется 11 режимов адресации (7 для данных и 4 для адресов), то путем комбинирования операции и режима адресации базовое число команд 111 расширяется до 255 из 256 возможных при однобайтном коде операции.

2.3. Резидентная память программ и данных

Резидентные (размещённые на кристалле) память программ (RPM) и память данных (RDM) физически и логически разделены, имеют различные механизмы адресации, работают под управлением различных сигналов и выполняют разные функции.

Память программ RPM имеет емкость 4 Кбайта и предназначена для хранения команд, констант, управляющих слов инициализации, таблиц перекодировки входных и выходных переменных и т. п. Память имеет 16-битную шину адреса, через которую обеспечивается доступ из программного счётчика PC или из регистра-указателя данных (DPTR). DPTR выполняет функции базового регистра при косвенных переходах по программе или используется в операциях с таблицами.

Память данных RDM предназначена для хранения переменных в процессе выполнения прикладной программы, адресуется одним байтом и имеет емкость
128 байт. Кроме того, к её адресному пространству примыкают адреса регистров специальных функций, которые перечислены в табл. 1.

Память программ, так же как и память данных, может быть расширена до
64 Кбайт путем подключения внешних микросхем.

Таблица 1

Блок регистров специальных функций

	Наименование
		Аккумулятор
		Регистр-расширитель аккумулятора
		Слово состояния программы
		Регистр-указатель стека
		Регистр-указатель данных
		Регистр приоритетов прерываний
		Регистр маски прерываний
		Регистр режима таймера/счётчика
		Регистр управления/статуса таймера
		Таймер 0 (старший байт)
		Таймер 0 (младший байт)
		Таймер 1 (старший байт)
		Таймер 1 (младший байт)
		Регистр управления приёмопередатчиком
		Буфер приёмопередатчика
		Регистр управления мощностью

Примечание. Регистры, имена которых отмечены знаком (*), допускают адресацию отдельных битов.

2.4. Аккумулятор и регистры общего назначения

Аккумулятор (A) является источником операнда и местом фиксации результата при выполнении арифметических, логических операций и ряда операций передачи данных. Кроме того, только с использованием аккумулятора могут быть выполнены операции сдвигов, проверка на нуль, формирование флага паритета и т. п.

В распоряжении пользователя имеется четыре банка по 8 регистров общего назначения R0–R7 (рис. 9). Однако возможно использование регистров только одного из четырёх банков, который выбирается с помощью бит регистра PSW.

2.5. Регистр слова состояния программы и его флаги

При выполнении многих команд в ALU формируется ряд признаков операции (флагов), которые фиксируются в регистре слова состояния программы (PSW). В табл. 2 приводится перечень флагов PSW, даются их символические имена и описываются условия их формирования.

Таблица 2

Формат слова состояния программы PSW

		Имя и назначение
		Флаг переноса. Устанавливается и сбрасывается аппаратно или программно при выполнении арифметических и логических операций
		Флаг вспомогательного переноса. Устанавливается и сбрасывается только аппаратно при выполнении команд сложения и вычитания и сигнализирует о переносе или займе в бите 3
		Флаг 0. Может быть установлен, сброшен или проверен программой как флаг, специфицируемый пользователем
		Выбор банка регистров. Устанавливается и сбрасывается программно для выбора рабочего банка регистров (табл. 3)
		Флаг переполнения. Устанавливается и сбрасывается аппаратно при выполнении арифметических операций
		Не используется
		Флаг паритета. Устанавливается и сбрасывается аппаратно в каждом цикле и фиксирует нечётное/чётное число единичных битов в аккумуляторе, т. е. выполняет контроль по четности

Таблица 3

Выбор рабочего банка регистров

			Границы адресов

Наиболее “активным” флагом PSW является флаг переноса, который принимает участие и модифицируется в процессе выполнения множества операций, включая сложение, вычитание и сдвиги. Кроме того, флаг переноса (CY) выполняет функции “булева аккумулятора” в командах, манипулирующих с битами. Флаг переполнения (OV) фиксирует арифметическое переполнение при операциях над целыми числами со знаком и делает возможным использование арифметики в дополнительных кодах. ALU не управляет флагами селекции банка регистров (RS0, RS1), их значение полностью определяется прикладной программой и используется для выбора одного из четырёх регистровых банков.

В виде байта регистр PSW может быть представлен следующим образом:

В микропроцессорах, архитектура которых опирается на аккумулятор, большинство команд работают с ним, используя неявную адресацию. В Intel 8051 дело обстоит иначе. Хотя процессор имеет в своей основе аккумулятор, он может выполнять множество команд и без его участия. Например, данные могут быть переданы из любой ячейки RDM в любой регистр, любой регистр может быть загружен непосредственным операндом и т. д. Многие логические операции могут быть выполнены без участия аккумулятора. Кроме того, переменные могут быть инкрементированы, декрементированы и проверены без использования аккумулятора. Флаги и управляющие биты могут быть проверены и изменены аналогично.

2.6. Регистры-указатели

8-битный указатель стека (SP) может адресовать любую область RDM. Его содержимое инкрементируется прежде, чем данные будут запомнены в стеке в ходе выполнения команд PUSH и CALL. Содержимое SP декрементируется после выполнения команд POP и RET. Подобный способ адресации элементов стека называют прединкрементным/постдекрементным. В процессе инициализации микроконтроллера после сигнала RST в SP автоматически загружается код 07Н. Это значит, что если прикладная программа не переопределяет стек, то первый элемент данных в стеке будет располагаться в ячейке RDM с адресом 08Н.

Двухбайтный регистр-указатель данных DPTR обычно используется для фиксации 16-битного адреса в операциях с обращением к внешней памяти. Командами микроконтроллера регистр-указатель данных может быть использован или как 16-битный регистр, или как два независимых 8-битных регистра (DPH и DPL).

2.7. Регистры специальных функций

Регистры с символическими именами IP, IE, TMOD, TCON, SCON и PCON используются для фиксации и программного изменения управляющих бит и бит состояния схемы прерывания, таймера/счётчика, приёмопередатчика последовательного порта и для управления энергопотреблением. Подробно их организация будет описана в разделах 1.8-1.12, при рассмотрении особенностей работы микроконтроллера в различных режимах.

2.8. Устройство управления и синхронизации

Кварцевый резонатор, подключаемый к внешним выводам микроконтроллера, управляет работой внутреннего генератора, который в свою очередь формирует сигналы синхронизации. Устройство управления (CU) на основе сигналов синхронизации формирует машинный цикл фиксированной длительности, равной 12 периодам генератора. Большинство команд микроконтроллера выполняется за один машинный цикл. Некоторые команды, оперирующие с 2-байтными словами или связанные с обращением к внешней памяти, выполняются за два машинных цикла. Только команды деления и умножения требуют четырех машинных циклов. На основе этих особенностей работы устройства управления производится расчёт времени исполнения прикладных программ.

На схеме микроконтроллера к устройству управления примыкает регистр команд (IR). В его функцию входит хранение кода выполняемой команды.

Входные и выходные сигналы устройства 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,

7. VPD – вывод резервного питания памяти от внешнего источника,

8. XTAL – входы подключения кварцевого резонатора.

2.9. Параллельные порты ввода/вывода информации

Все четыре порта (P0-P3) предназначены для ввода или вывода информации побайтно. Каждый порт содержит управляемые регистр-защёлку, входной буфер и выходной драйвер.

Выходные драйверы портов P0 и P2, а также входной буфер порта P0 используются при обращении к внешней памяти. При этом через порт P0 в режиме временного мультиплексирования сначала выводится младший байт адреса, а затем выдается или принимается байт данных. Через порт P2 выводится старший байт адреса в тех случаях, когда разрядность адреса равна 16 бит.

Все выводы порта P3 могут быть использованы для реализации альтернативных функций, перечисленных в табл. 4. Эти функции могут быть задействованы путем записи 1 в соответствующие биты регистра-защёлки (P3.0-P3.7) порта P3.

Таблица 4

Альтернативные функции порта P3

		Имя и назначение
		Чтение. Активный сигнал низкого уровня формируется аппаратно при обращении к внешней памяти данных
		Запись. Активный сигнал низкого уровня формируется аппаратно при обращении к внешней памяти данных
		Вход таймера/счётчика 1 или тест-вход
		Вход таймера/счётчика 0 или тест-вход
		Вход запроса прерывания 1. Воспринимается сигнал низкого уровня или срез
		Вход запроса прерывания 0. Воспринимается сигнал низкого уровня или срез
		Выход передатчика последовательного порта в режиме UART. Выход синхронизации в режиме регистра сдвига
		Вход приёмника последовательного порта в режиме UART. Ввод/вывод данных в режиме регистра сдвига

Порт 0 является двунаправленным, а порты 1-3 - квазидвунаправленными. Каждая линия портов может быть использована независимо для ввода или вывода.

По сигналу RST в регистры-защёлки всех портов автоматически записываются единицы, настраивающие их тем самым на режим ввода.

Все порты могут быть использованы для организации ввода/вывода информации по двунаправленным линиям передачи. Однако порты P0 и P2 не могут быть использованы для этой цели в случае, если система имеет внешнюю память, связь с которой организуется через общую разделяемую шину адреса/данных, работающую в режиме временного мультиплексирования.

Обращение к портам ввода/вывода возможно с использованием команд, оперирующих с байтом, отдельным битом, произвольной комбинацией битов. При этом в тех случаях, когда порт является одновременно операндом и местом назначения результата, устройство управления автоматически реализует специальный режим, который называется “чтение-модификация-запись”. Этот режим обращения предполагает ввод сигналов не с внешних выводов порта, а из его регистра-защёлки, что позволяет исключить неправильное считывание ранее выведенной информации. Этот механизм обращения к портам реализован в командах:

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 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.