Микроконтроллеры MCS51Базовая 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.

рис. 7.1.1

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.

табл. 7.1.1

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.

рис. 7.1.2

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.

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.

табл. 7.1.2

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):

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 T0SC. Длительность ма­шинного цикла равна 12T0SC. 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;

рис. 7.1.5

●     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.

рис. 7.1.6

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.

рис. 7.1.7

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.

рис. 7.1.8

На рис. 7.1.9 приведены временные диаграммы циклов чтения и записи при работе МК с внешним ОЗУ. На диаграммах обозначено:

●     PCL OUT — выдача младшего байта счетчика команд PC;

●     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.

рис. 7.1.9

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).

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.

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 0000hFFFFh и к внешней памяти программ по адресам 0FFFhFFFFhпроисходит 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.

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.

рис. 7.1.13

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 ¯WRRD 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 второй части.


Рекомендуйте эту статью другим!



Общая характеристика оптоэлектронных приборов
сен 02, 2016 592

Общая характеристика оптоэлектронных приборов

Оптоэлектронными называют приборы, которые чувствительны к электромагнитному излучению в…
Обмен данными в параллельном коде
нояб 01, 2015 687

Обмен данными в параллельном коде

Прямой ввод/вывод данных. Как уже отмечалось, прямой ввод/вывод воз­можен только с…
dvig per toka 1
мая 12, 2017 140

Испытания электродвигателей переменного тока, перечень работ, периодичность

Помимо проверки состояния механических элементов и смазки, при капитальных и текущих…
Второй закон Киргоффа
дек 21, 2013 8510

Второй закон Кирхгофа. Определение и формула.

Второй закон Кирхгофа описывает алгебраическую зависимость между падениями напряжений и…
Нулевой рабочий проводник 1
фев 12, 2014 11318

Нулевой рабочий проводник

Нулевой рабочий проводник также называют нейтралью. Большинство бытовых приборов питаются…