Контролери сімейства МК51

Однокристальний контролери сімейства МК51

Однокристальний мікроконтролери - окремий клас мікросистем. Повний набір їх коштів розташований на одному кристалі. Сюди крім центрального процесора входять пам'ять, підсистема вводу-виводу, засоби в режимі реального часу (РВ). Інтеграція всіх складових частин мікро-ЕОМ на одному кристалі внесла ряд обмежень на принципи її організації, вимагає нових рішень у розвитку її архітектури, не властивих багатокристальні компонування. У результаті було отримано новий клас мікроконтролерів (МК) з притаманними тільки йому принципами побудови архітектури та структурної схеми.

Структурна організація, набір команд і апаратурно-програмні засоби введення/виводу інформації мікроконтролерів найкраще пристосовані для вирішення завдань управління і регулювання в приладах, пристроях і системах автоматики, а не для вирішення задач обробки даних. Мікроконтролери не є машинами класичного "фон-неймановского" типу, так як фізична і логічна розділеність пам'яті програм і пам'яті даних виключає можливість модифікації і/або заміни (перевантаження) прикладних програм мікроконтролерів під час роботи, що сильно ускладнює їх використання в якості універсальних засобів обробки даних.

МК51 має у своєму складі: процесор, до складу якого входять 1-байтного АЛУ і схема апаратурною реалізації команд множення і ділення; стирані ПЗУ програм ємністю 4 Кбайта, ОЗУ даних ємністю 128 байт; два 16-бітових таймера/лічильника; програмувальні схеми введення/виводу (32 лінії); блок дворівневого векторного переривання від п'яти джерел; асинхронний канал дуплексного послідовного введення/виводу інформації зі швидкістю до 375 кбіт/с; генератор, схему синхронізації і управління.

Структурна організація і система команд МК51.

Мікроконтролер виконаний на основі високорівневої n-МОН технології і випускається в корпусі БІС, що має 40 зовнішніх висновків. Через чотири програмованих порту введення/виводу МК51 взаємодіє із середовищем в стандарті ТТЛ-схем з трьома станами по виходу. У сучасному виконанні мікроконтроллер може бути виконаний також в К-МОП виконанні

Призначення висновків.

GND - потенціал землі;

EA/VPP - відключення резидентної пам'яті програм/напруга програмування (21В);

VCC - основна напруга живлення +5 В;

ALE/PROG - строб адреси зовнішньої пам'яті/для подачі рівня GND при програмуванні;

PSEN - дозвіл зовнішньої пам'яті програм;

RD - стробірующій сигнал при читанні з зовнішньої пам'яті даних або пристрої введення/виводу;

WR - стробірующій сигнал при записі в зовнішню пам'ять даних або пристрої введення/виводу;

T0 - вхідний сигнал, опитуваний по командах умовного переходу, так само використовується при програмуванні;

Т1 - вхідний сигнал, опитуваний по командах умовного переходу, використовується як входу внутрішнього лічильника зовнішніх подій;

INT0, INT1 - сигнал запиту переривання;

RST/VPD - сигнал загального скидання/вхід харчування при зниженому енергоспоживанні;

RXD і TXD - входи послідовного інтерфейсу;

XTAL1, XTAL2 - входи підключення кварцового резонатора;

P0, P1, P2, P3 - квазідвунаправленние порти паралельного вводу-виводу (порт P3 несе додаткові функції)

Арифметико-логічний пристрій

8-бітове АЛП може виконувати арифметичні операції додавання, віднімання, множення і ділення; логічні операції і, або, що виключає або, а також операції зсуву, скидання, інвертування і т.д. В АЛП є програмно недоступні регістри Т1 і Т2, призначені для тимчасового збереження операндів, схема десяткового корекції та схема формування ознак. Важливою особливістю АЛП є його здатність оперувати не тільки байтами, але і битами. Окремі програмно доступні біти можуть бути встановлені, скинуті, інвертовані, передані, перевірені та використані в логічних операціях.

резидентна пам'ять

Пам'ять програм і пам'ять даних, розміщені на кристалі МК51, фізично і логічно розділені, мають різні механізми адресації, працюють під управлінням різних сигналів і виконують різні функції.

Пам'ять програм (РПП): має ємність 4 Кбайта і призначена для зберігання команд, констант, керуючих слів ініціалізації, таблиць перекодування вхідних та вихідних змінних і т.п. РПП має 16-бітну шину адреси, через яку забезпечується доступ з лічильника команд або з регістра покажчика даних. Останній виконує функції базового регістра при непрямих переходах за програмою або використовується в командах, що оперують з таблицями.

Пам'ять даних (РПД): призначена для зберігання змінних в процесі виконання прикладної програми, адресується одним байтом і має ємність 128 байт. Крім того, до адресного простору РПД примикають адреси регістрів спеціальних функцій.

Пам'ять програм, так само як і пам'ять даних, може бути розширена до 64 Кбайт шляхом підключення зовнішніх ВІС.

У МК51 передбачені чотири банку по вісім робочих регістрів R0 ... R7; банк вибирається полем RS в слові стану програми. Вони виконують общецелевие функції з проміжного зберігання даних. За аналогією з МК48 R0 і R1 кожного банку реалізують також функцію 8-розрядних покажчиків даних. За допомогою набору робочих регістрів істотно зменшується тривалість перемикання контекстів ЦП, що дуже важливо для мікроконтролерів реального часу. У МС51 відсутнє обмеження, що накладаються на процедури обслуговування переривань, властиві МК48.

Пам'ять програм (64 Кбайт) - однорідна лінійна область, реалізована як внутрішніми, так і зовнішніми засобами. Для сумісності з МК48 передбачено ряд команд, які дозволяють розглядати пам'ять у вигляді набору 2-Кбайтних банків. Подібно архітектурі МК48 всі банки робочих регістрів, а також системний стек розташовуються у внутрішній пам'яті даних. Визначено два способи адресації пам'яті: прямий (direct) і непрямий (@ Ri, де i = 0 ... 1). За допомогою прямої адресації доступна тільки молодша адресного простору внутрішньої пам'яті даних (128 байт), тоді як непряма забезпечує доступ до будь-якої її осередки з діапазону 256 байт. Введення прямої адресації розширило можливості однокристальних мікроконтролерів з обробки даних. Зокрема, з'явилися засоби доступу до робочих регістрів і системного стеку, інтерпретується як звичайні елементу пам'яті.

Мікроконтролер МК51 має розвинену підсистему введення-виведення та засоби управління режимом реального часу. Для їх управління в мікроконтролері передбачено ряд регістрів, які розміщені в окремо прямо адресуються просторі спеціальних регістрів (128 байт). Сюди ж включені і деякі регістри ЦП. Простір спеціальних регістрів разом з молодшою частиною адресного простору внутрішньої пам'яті даних утворюють прямо адресуються область. При цьому спочатку розміщується молодша половина простору внутрішньої пам'яті даних, а потім простір спеціальних регістрів.

Блок регістрів спеціальних функцій

Символ

Найменування

Адреса

ACC

Акумулятор

0E0H

Регістр-розширник акумулятора

0F0H

PSW

Слово стану програми

0D0H

Регістр-покажчик стека

81H

DPRT

Регістр-вказівник даних (DPH)

83H

(DPL)

82H

Порт 0

80H

Порт 1

90H

Порт 2

0A0H

Порт 3

0B0H

Регістр пріоритетів

0B8H

Регістр маски переривань

0A8H

TMOD

Регістр режиму таймера/лічильника

89H

TCON

Регістр керування/стану таймера

88H

TH0

Таймер 0 (старший байт)

8CH

TL0

Таймер 0 (молодший байт)

8AH

TH1

Таймер 1 (старший байт)

8DH

TL1

Таймер 1 (молодший байт)

8BH

SCON

Регістр управління приемопередатчиком

98H

SBUF

Буфер прийомопередатчика

99H

PCON

Регістр управління потужністю

87H

Формат слова стану програми (PSW)

Символ

Позиція

Ім'я та значення

PSW.7

Прапор переносу. Встановлюється і апаратурними засобами або програмою при виконанні арифметичних і логічних операцій

PSW.6

Прапор допоміжного переносу. Встановлюється і скидається тільки апаратурними засобами при виконанні команд додавання і віднімання і сигналізує про перенесення або позику в бите 3

PSW.5

Прапор 0. Може бути встановлений, скинутий або перевірений програмою як прапор спеціфіціруемий користувачем

RS1

RS0

PSW.4

PSW.3

Вибір банку регістрів. Встановлюється і скидається апаратно при виконанні арифметичних операцій

PSW.2

Прапор переповнення. Встановлюється і скидається апаратно при виконанні арифметичних операцій

PSW.1

Не використовується

PSW.0

Прапор паритету. Встановлюється і скидається апаратно в кожному циклі команди і фіксує непарне/парне число одиничних біт в акумуляторі, тобто виконує контроль по парності (PSW.0)

Центральний процесор МК51 містить спеціальну логіку для виконання ряду однобітних операцій, в яких роль акумулятора реалізує прапорець перенесення СУ. Для зберігання бульових даних в архітектурі МК51 передбачено окреме прямо адресуються простір BSEG (256 біт), яке фізично поєднане з прямо адресується частиною внутрішньої пам'яті даних і областю спеціальних регістрів. Hаприклад, акумулятор A, доступний як елемент регістровий пам'яті, може бути прямо адресований і як елемент простору спеціальних регістрів (адреса 0E0h), і як область бітів з адресами 0E0h ... 0E7h. При цьому бітовий адреса 0E0h відноситься до молодшого розряду акумулятора.

Розміщення в області спеціальних регістрів чотири 8-розрядних псевдодвунаправленних порту вводу-виводу суміщені з двійкового простором, що забезпечує доступ до окремих їх розрядами незалежно один від одного.

Послідовний інтерфейс

У складі МК1 введений дуплексний периферійний зв'язковий адаптер, який може бути запрограмований для роботи в одному з чотирьох основних режимів:

0 синхронний послідовний ВВ зі швидкістю OSC/12;

1 асинхронний з 10-бітовим кадром і змінною швидкістю передачі;

2 асинхронний з 11-бітовим кадром і фіксованою швидкістю передачі

OSC/32 або OSC/64;

3 асинхронний з 11-бітовим кадром і змінною швидкістю передачі.

Через універсальний асинхронний приймач (УАПП) здійснюється прийом, передача інформації, представленої послідовним кодом, у повному дуплексному режимі обміну. До складу УАПП входять приймає й передає зсуваються регістри, а також спеціальний буферний регістр (SBUF) приймача. Запис байта в буфер призводить до автоматичної перепису байти в зсувний регістр і ініціює початок передачі байта. Наявність буферного регістра приймача дозволяє поєднувати операцію читання раніше прийнятого байти з прийомом чергового байта. Якщо до моменту закінчення прийому байта попередній байт не був лічений з SBUF, то він буде втрачено.

Управління режимом роботи УАПП здійснюється через спеціальний регістр з символічним ім'ям SCON. Цей реєстр містить не тільки керуючі біти, що визначають режим роботи послідовного порту, але і дев'ятий біт прийнятих або переданих даних (RB8 і TB8) і біти переривання прийомопередатчика (RI і TI).

Таймери

Два програмованих 16-бітових таймера/лічильника (Т/С0 і Т/С1) можуть бути використані в якості таймерів або лічильників зовнішніх подій. При роботі в якості таймера вміст Т/С інкрементіруется у кожному машинному циклі. При роботі в якості лічильника вміст Т/С інкрементіруется під впливом переходу з 1 в 0 зовнішнього вхідного сигналу, що подається на відповідний (Т0, Т1) висновок МК51. Так як на розпізнавання переходу потрібно два машинних цикли, то максимальна частота підрахунку вхідних сигналів дорівнює 1/24 частоти резонатора. На тривалість періоду вхідних сигналів обмежень зверху немає. Для гарантованого прочитання вважаємо вхідного сигналу він повинен утримувати значення 1 як мінімум протягом одного машинного циклу.

Регістр режиму роботи таймера/лічильника (TMOD)

Символ

Позиція

Ім'я та значення

GATE

TMOD.7 для T/C1

TMOD.3 для T/C0

Управління блокуванням.

C/T

TMOD.6 для T/C1

TMOD.2 для T/C0

Біт вибору режиму таймера або лічильника подій.

TMOD.5 для T/C1

TMOD.1 для T/C0

Біти вибору режиму роботи

TMOD.4 для T/C1

TMOD.0 для T/C0

Структурна схема роботи T/C0 (T/C1)

Система переривань

Зовнішні переривання INT0 і INT1 можуть бути викликані або рівнем, або перепадом сигналу з 1 в 0 на входах МК51 в залежності від значень керуючих біт IT0 і IT1 в регістрі TCON.

Переривання можуть бути викликані або скасовані програмою, тому що всі розглянуті вище прапори переривань програмно-доступні і можуть бути встановлені/скинуті програмою з тим же результатом, як якби вони були встановлені/скинуті апаратурними засобами.

У блоці регістрів спеціальних функцій є два регістри, призначених для управління режимом переривань і рівнями пріоритету. Їх символічні імена IE та IP відповідно.