Архитектура семейства MCS-51 в значительной мере предопределяется ее назначением - построение компактных и дешевых цифровых устройств. Все функции микроЭВМ реализуются с помощью единственной микросхемы. В состав семейства MCS-51 входит целый ряд микросхем от самых простых микроконтроллеров до достаточно сложных. Микроконтроллеры семейства MCS-51 позволяют выполнять как задачи управления различными устройствами, так и реализовывать отдельные узлы аналоговой схемы. Все микросхемы этого семейства работают с одной и той же системой команд MCS-51 , большинство из них выполняется в одинаковых корпусах с совпадающей цоколевкой (нумерация ножек для корпуса). Это позволяет использовать для разработанного устройства микросхемы разных фирм - Maxim, Atmel, NXP и т.д. (catalog..php?page=components_list&id=39"> с.м. Поиск по параметрам) без переделки принципиальной схемы устройства и программы .

Рисунок 1. Структурная схема контроллера I8751

Структурная схема контроллера представлена на рисунке 1. и состоит из следующих основных функциональных узлов: блока управления, арифметико-логического устройства, блока таймеров/счетчиков, блока последовательного интерфейса и прерываний, программного счетчика, памяти данных и памяти программ. Двусторонний обмен осуществляется с помощью внутренней 8-разрядной магистрали данных.

Рассмотрим подробнее назначение каждого блока. По такой схеме построены практически все представители семейства MCS-51 . Различные микросхемы этого семейства различаются только регистрами специального назначения (в том числе и количеством портов). Система команд всех контроллеров семейства MCS-51 содержит 111 базовых команд с форматом 1, 2 или 3 байта и не изменяется при переходе от одной микросхемы к другой. Это обеспечивает прекрасную переносимость программ с одной микросхемы на другую.

Блок управления и синхронизации

Блок управления и синхронизации (Timing and Control) предназначен для выработки синхронизирующих и управляющих сигналов, обеспечивающих координацию совместной работы блоков ОЭВМ во всех допустимых режимах ее работы.В состав блока управления входят:

• - устройство формирования временных интервалов,
• - логика ввода-вывода,
• - регистр команд,
• - регистр управления потреблением электроэнергии,
• - дешифратор команд, логика управления ЭВМ.

Устройство формирования временных интервалов предназначено для формирования и выдачи внутренних синхросигналов фаз, тактов и циклов. Количество машинных циклов определяет продолжительность выполнения команд. Практически все команды ОЭВМ выполняются за один или два машинных цикла, кроме команд умножения и деления, продолжительность выполнения которых составляет четыре машинных цикла. Обозначим частоту задающего генератора через F г. Тогда длительность машинного цикла равна 12/F г или составляет 12 периодов сигнала задающего генератора. Логика ввода - вывода предназначена для приема и выдачи сигналов, обеспечивающих обмен информации с внешними устройствами через порты ввода вывода Р0-Р3.

Регистр команд предназначен для записи и хранения 8-ми разрядного кода операции выполняемой команды. Код операции, с помощью дешифратора команд и логики управления ЭВМ, преобразуется в микропрограмму выполнения команды.

Регистр управления потреблением (PCON) позволяет останавливать работу микроконтроллера для уменьшения потребления электроэнергии и уменьшения уровня помех от микроконтроллера. Еще большего уменьшения потребления электроэнергии и уменьшения помех можно добиться, остановив задающий генератор микроконтроллера. Этого можно достичь при помощи переключения бит регистра управления потреблением PCON. Для варианта изготовления по технологии n-МОП (серия 1816 или иностранных микросхем, в названии которых в середине отсутствует буква "c") регистр управления потреблением PCON содержит только один бит, управляющий скоростью передачи последовательного порта SMOD, а биты управления потреблением электроэнергией отсутствуют.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Основой микроконтроллера (см. рис. 1) является 8–ми битовое Арифметическо–Логическое устройство (АЛУ). Память МК имеет Гарвардскую архитектуру, т.е. логически разделена: на память программ – ПП (внутреннюю или внешнюю), адресуемую 16–ти битовым счетчиком команд (СК) и память данных – внутреннюю (Резидентная память данных – РПД) 128 (или 256) байт, а также внешнюю (Внешняя память данных – ВПД) до 64 Кбайт. Физически память программ реализована на ПЗУ (доступна только по чтению), а память данных – на ОЗУ (возможна запись и чтение данных).

Прием и выдача внешних сигналов осуществляется через 4 восьмибитовых порта Р0..Р3. При обращении к внешней памяти программ (ВПП) или памяти данных (ВПД) порты Р0 и Р2 используются как мультиплексированная внешняя шина Адрес/Данные. Линии порта Р3 могут выполнять также альтернативные функции (см. табл. 1).

16–ти битовый регистр DPTR формирует адрес ВПД или базовый адрес Памяти программ в команде преобразования Аккумулятора. Регистр DPTR может также использоваться как два независимых 8–ми битовых регистра (DPL и DPH) для хранения операндов.

8–ми битовый внутренний регистр команд (РК) принимает код выполняемой команды; этот код дешифрируется схемой управления, которая генерирует управляющие сигналы (см. рис. 1).

Обращение к регистрам специальных функций – РСФ (SFR – на рис. 1 они обведены пунктирной линией) возможно только с использованием прямой байтовой адресации в диапазоне адресов от 128 (80h) и более.

Резидентная память данных (РПД) в первых моделях микроконтроллеров семейства MCS–51 имела объем 128 байт. Младшие 32 байта РПД являются одновременно и регистрами общего назначения – РОН (4 банка по 8 РОНов). Программа может обратиться к одному из 8–ми РОНов активного банка. Выбор активного банка РОНов осуществляется программированием двух бит в регистре состояния процессора – PSW.

Таблица 1 – Назначение выводов MCS–51

Переключение банков РОНов упрощает выполнение подпрограмм и обработку прерываний, т.к. не нужно пересылать в стек содержимое РОНов основной программы при вызове подпрограммы (достаточно в подпрограмме перейти в другой активный банк РОНов).

Обращение к РПД возможно с использованием косвенной или прямой байтовой адресации (прямая байтовая адресация позволяет обратиться только к первым 128-ми байтам РПД).

Расширенная область РПД (у микроконтроллеров семейства MCS-52 и последующих семейств) с адреса 128 (80h) до 255 (FFh) может адресоваться только с использованием косвенного метода адресации.

Таблица 2 – Блок Регистров Специальных Функций (s f r)

2. ПРОГРАММНАЯ МОДЕЛЬ MCS–51

ТИПЫ КОМАНД MCS–51

Почти половина команд выполняется за 1 машинный цикл (МЦ). При частоте кварцевого генератора 12 МГц время выполнения такой команды – 1 мкс. Остальные команды выполняются за 2 машинных цикла, т.е. за 2мкс. Только команды умножения (MUL) и деления (DIV) выполняются за 4 машинных цикла.

За время одного машинного цикла происходит два обращения к Памяти Программ (внутренней или внешней) для считывания двух байтов команды или одно обращение к Внешней Памяти Данных (ВПД).

3. МЕТОДЫ (СПОСОБЫ) АДРЕСАЦИИ MCS–51

1. РЕГИСТРОВАЯ АДРЕСАЦИЯ – 8–ми битовый операнд находится в РОНе выбранного (активного) банка регистров;

2 НЕПОСРЕДСТВЕННАЯ АДРЕСАЦИЯ (обозначается знаком – #) – операнд находится во втором (а для 16–ти битового операнда и в третьем) байте команды;

3 КОСВЕННАЯ АДРЕСАЦИЯ (обозначается знаком – @) – операнд находится в Памяти Данных (РПД или ВПД), а адрес ячейки памяти содержится в одном из РОНов косвенной адресации (R0 или R1); в командах PUSH и POP адрес содержится в указателе стека SP; регистр DPTR может содержать адрес ВПД объемом до 64К;

4 ПРЯМАЯ БАЙТОВАЯ АДРЕСАЦИЯ – (dir) – используется для обращения к ячейкам РПД (адреса 00h…7Fh) и к регистрам специальных функций SFR (адреса 80h…0FFh);

5 ПРЯМАЯ БИТОВАЯ АДРЕСАЦИЯ – (bit) – используется для обращения к отдельно адресуемым 128 битам, расположенным в ячейках РПД по адресам 20H…2FH и к отдельно адресуемым битам регистров специальных функций (см. табл. 3 и программную модель);

6 КОСВЕННАЯ ИНДЕКСНАЯ АДРЕСАЦИЯ (обозначается знаком – @)– упрощает просмотр таблиц в Памяти Программ, адрес ПП определяется по сумме базового регистра (PC или DPTR) и индексного регистра (Аккумулятора);

7 НЕЯВНАЯ (ВСТРОЕННАЯ) АДРЕСАЦИЯ – в коде команды содержится неявное (по умолчанию) указание на один из операндов (чаще всего на Аккумулятор).

4. ФОРМАТ СЛОВА СОСТОЯНИЯ ПРОЦЕССОРА (PSW)

C – флаг переноса (CARY) или заема, выполняет также функции "булевого Аккумулятора" в командах, оперирующих с битами;

AC – флаг вспомогательного (дополнительного) переноса – устанавливается в "1", если в команде сложения (ADD, ADDC) был перенос из младшей тетрады в старшую (т.е. из 3-го бита в 4-й бит);

F0 – флаг пользователя – устанавливается, сбрасывается и проверяется программно;

RS1,RS0 – Выбор банка регистров:

OV – Флаг арифметического переполнения; его значение определяется операцией "Исключающее ИЛИ" сигналов входного и выходного переносов старшего разряда АЛУ; единичное значение этого флага указывает на то, что результат арифметической операции в дополнительном коде вышел за допустимые пределы: –128…+127; при выполнении операции деления флаг OV сбрасывается, а в случае деления на ноль – устанавливается; при умножении флаг OV устанавливается, если результат больше 255 (0FFH);

Разряд PSW – Резервный, содержит триггер, доступный по записи или чтению;

P – флаг паритета – является дополнением количества единичных битов в аккумуляторе до четного; формируется комбинационной схемой (программно доcтупен только по чтению).

В микроконтроллерах MCS-51 отсутствует флаг "Z". Но в командах условного перехода (JZ, JNZ) проверяется комбинационной схемой текущее (нулевое или ненулевое) содержимое Аккумулятора.

Все команды пересылок и обмена операндов могут осуществляться через Аккумулятор (см. рис. 3). Причем пересылки из/в Внешней Памяти (Памяти Программ или Памяти Данных) могут осуществляться только через Аккумулятор.

Большинство пересылок могут осуществляться также через прямоадресуемый байт (dir). Существуют даже пересылки dir – dir (см. рис. 3).

Отсутствующие пересылки из РОНа в РОН могут быть реализованы как пересылки из РОНа в прямоадресуемый байт dir (с учетом того, что РОНы расположены в начальной области Резидентной Памяти Данных, ячейки которой могут адресоваться как dir).

Команды обмена XCH позволяют пересылать байты без разрушения обоих операндов.

Арифметические команды выполняются только в Аккумуляторе. Поэтому первый операнд необходимо предварительно поместить в Аккумулятор и потом сложить или вычесть второй операнд. Результат помещается в Аккумулятор.

Команда вычитание SUBB выполняется только с заемом (т.е. из результата вычитается и флаг Сary). Поэтому для выполнения команды вычитания без заема необходимо предварительно выполнить команду очистки флага С (CLRC).

Команда умножения однобайтовых операндов – MULAB – размещает двухбайтовый (16 бит) результат: младший байт – в Аккумулятор, старший байт – в регистр В.

Результат выполнения команды деления однобайтовых операндов – DIVAB – помещается: частное – а Аккумулятор, остаток – в регистр В.

Арифметическая команда INC добавляет к выбранному операнду единицу. Арифметическая команда DEC вычитает из выбранного операнда единицу. Команда десятичной коррекции Аккумулятора (DAA) помогает складывать двоично-десятичные числа (BCD-числа) без перевода их в шестнадцатеричный формат (hex-формат). Исходные операнды должны быть обязательно в BCD-формате, т.е. в каждой тетраде одного байта находятся только числа от 0 до 9 (там не могут быть шестнадцатеричные числа: A, B, C, D, E, F). Поэтому в одном байте могут находиться числа от 00 до 99 для упакованных BCD-чисел или числа от 0 до 9 для неупакованных BCD-чисел.

Команда DA A – десятичной коррекции выполняет действия над содержимым Аккумулятора после сложения BCD-чисел в процессоре (числа складывались по законам шестнадцатеричной арифметики) следующим образом (см. пример):

· если содержимое младшей тетрады Аккумулятора больше 9 или установлен флаг вспомогательного переноса (AС = 1), то к содержимому Аккумулятора добавляется 6 (т.е. недостающие шесть цифр в hex-формате);

· если после этого содержимое старшей тетрады Аккумулятора больше 9 или установлен флаг C, то число 6 добавляется к старшей тетраде Аккумулятора.

Команду десятичной коррекции DA A не применяют после команды инкремента (INC), потому что команда инкремента не влияет (не изменяет) на флаги С и АС.

Логические команды:

Логическое "И" – ANL,

Логическое "ИЛИ" – ORL,

Логическая команда "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ" – XRL– выполняются в Аккумуляторе (как и арифметические), но имеется возможность выполнить логические команды также и в прямоадресуемом байте (dir). При этом второй операнд может быть:

В Аккумуляторе или

Непосредственный операнд в команде.

Команды вращения (RR A, RL A) и команды вращения через флаг CARY (RRC A, RLC A) циклически сдвигают содержимое Аккумулятора на 1 бит.ресылки битовых операндов осуществляются только через флаг С.

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

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

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.

Система команд ОМЭВМ предоставляет большие возможности обработки данных, обеспечивает реализацию логических, арифметических операций, а также управление в режиме реалиного времени. Реализована побитовая, потетрадная (4 бита), побайтовая (8 бит) и 16-разрядная обработка данных.

БИС семейства MCS-51 - 8-разрядная ОМЭВМ: ПЗУ, ОЗУ, регистры специального назначения, АЛУ и внешние шины имеют байтовую организацию. Двухбайтовые данные используются только регистром-указателем (DPTR) и счетчиком команд (РС). Следует отметить, что регистр-указатель данных может быть использован как двухбайтовый регистр DPTR или как два однобайтовых регистра специального назначения DPH и DPL. Счетчик команд всегда используется как двухбайтовый регистр.

Набор команд ОМЭВМ имеет 42 мнемонических обозначения команд для конкретизации 33 функций этой системы.

Синтаксис большинства команд ассемблерного языка состоит из мнемонического обозначения функции, всед за которым идут операнды, указывающие методы адресации и типы данных. Различные типы данных или режимы адресации определяются установленными операндами, а не изменениями мнемонических обозначений.

Систему команд условно можно разбить на пять групп:

Существуют следующие типы адресации операндов-источников:

• Косвенно-регистровая адресация по сумме базового и индексного регистров

Таблица обозначений и символов, используемых в системе команд

Мнемонические обозначения функций однозначно связаны с конкретными комбинациями способов адресации и типами данных. Всего в системе команд возможно 111 таких сочетаний. В таблице приведен перечень команд, упорядоченных по алфавиту.

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 .