Микроконтроллеры mcs 51 структурная схема. Микроконтроллеры MCS–51. Cтруктурная схема, АЛУ, память данных. Схемные особенности портов

УДК 681.5, 681.325.5 (075.8)

ББК 32.973.202-018.2 я 73

Щербина А. Н. Вычислительные машины, системы и сети. Микроконтроллеры и микропроцессоры в системах управления: у чеб. пособие / А.Н. Щербина, П.А. Нечаев- СПб.: Из-во Политехн. ун-та, 2012.-226 с.

Соответствует содержанию государственного образовательного стандарта направлений подготовки и специальностей в области управления в технических системах, электроэнергетики и электротехники и содержанию примерной учебной программы дисциплины «Вычислительные машины, системы и сети».

Рассмотрены фундаментальные вопросы логической организации микропроцессорных систем на примере базовой архитектуры микроконтроллерного семейства MCS-51 фирмы Intel. Описана технология программирования микроконтроллеров на языках Ассемблер и СИ.

Может быть полезным для студентов и преподавателей высших технических заведений, специалистов по автоматизации технологических процессов и производственного оборудования, а также для инженеров-проектировщиков микропроцессорных систем.

Также соответствует содержанию государственного образовательного стандарта дисциплин «Микроконтроллеры и микропроцессоры в системах управления» и «Электронные устройства автоматики» бакалаврской, инженерной и магистерской подготовки по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника».

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.

© Щербина А. Н., Нечаев П. А., 2012

© Санкт-Петербургский государственный

политехнический университет, 2012

ISBN 978-5-7422-3553-8

Введение.. 7

Глава 1. Архитектура семейства MCS51. 10

1.1 Общие характеристики 10

1.2 Структурная схема 11

1.3 Назначение выводов микроконтроллера 8051 15

1.4 Организация памяти 17

1.4.1 Память программ (ПЗУ) 18

1.4.2 Память данных (ОЗУ) 19

1.4.3 Регистры специальных функций. 20

1.4.4 Регистр флагов (PSW) 23

1.5 Устройство управления и синхронизации 26

1.6 Организация портов ввода-вывода 27

1.6.1 Общие сведения. 27

1.6.2 Альтернативные функции. 27

1.7. Таймеры / счетчики микроконтроллеров семейства 8051. 28

1.7.1. Структура таймеров-счетчиков. 28

1.7.2 Режимы работы таймеров-счетчиков. 30

1.8. Последовательный порт 32

1.8.1. Структура последовательного порта. 32

1.8.2. Регистр управления/статуса приемопередатчика SCON.. 34

1.8.3. Регистр управления мощностью PCON.. 36

1.9. Система прерываний 37

1.9.1. Структура системы прерываний. 37

1.9.2 Выполнение подпрограммы прерывания. 40

Глава 2. Особенности микроконтроллера 80C51GB.. 42

2.1 Функциональные особенности 42

2.2 Порты I/O P0-P5 43

2.2.1 Функционирование портов ввода-вывода. 43

2.2.2 Запись в порт.. 46

2.3 Особенности системы прерываний 8XC51GB.. 49

Разрешение/запрещение прерываний. 50

Управление приоритетами прерываний. 51

Внешние прерывания. 54

2.3. Узел АЦП 56

2.4. Аппаратный сторожевой таймер 61

2.5. Обнаружение сбоя тактового генератора 63

2.6. Матрица программируемых счётчиков РСА 64

2.6.1. Структура PCA.. 64

2.6.2. Регистр режима счётчика РСА (CMOD) 66

2.6.3. Регистр управления счётчика РСА (CON) 67

2.6.4. Модули сравнения/фиксации. 68

2.7. Расширенный последовательный порт 76

2.8. Таймеры/счетчики 79

Расположение выводов микроконтроллеров группы 8XC51GB.. 86

Глава 3. Программирование MK 8051GB.. 89

3.1. Программная модель 89

3.2 Типы данных 93

3.3 Способы адресации данных 93

3.4 Система команд 95

3.4.1 Общая характеристика. 95

3.4.2 Типы команд. 96

3.4.3 Типы операндов. 97

3.4.4 Команды пересылки данных микроконтроллера. 98

3.4.5 Команды арифметических операций 8051. 101

3.4.6 Команды логических операций микроконтроллера 8051. 104

3.4.7 Команды операций над битами микроконтроллера 8051. 106

3.5 Отладка программ 111

Глава 4. Язык программирования ASM-51. 112

4.2 Запись текста программы 113

4.3 Алфавит языка. 114

4.4 Идентификаторы. 115

4.5 Числа 117

4.6 Директивы 118

4.7 Реализация подпрограмм на языке ASM51 122

4.7.1 Структура подпрограммы-процедуры на языке ASM51. 122

4.7.2 Передача переменных-параметров в подпрограмму. 123

4.7.3 Реализация подпрограмм-функций на языке ASM51. 123

4.7.4 Реализация подпрограмм обработки прерываний на языке ASM51. 124

4.8 Структурное программирование на языке ассемблера. 125

4.9 Особенности трансляции многомодульных программ.. 126

4.10 Использование сегментов 128

4.10.1 Разбиение памяти МК на сегменты.. 128

4.10.2 Абсолютные сегменты памяти. 129

4.10.2 Перемещаемые сегменты памяти. 131

Глава 5. Язык программирования С-51. 134

5.1 Общая характеристика языка 134

5.3 Структура программ С-51 136

5.3. Элементы языка программирования С-51 138

5.3.1. Символы.. 138

5.3.2. Лексические единицы, разделители и использование пробелов. 141

5.3.3 Идентификаторы.. 142

5.3.4 Ключевые слова. 143

5.3.5 Константы.. 143

5.4. Выражения в операторах языка 146

программирования C-51 146

5.5. Приоритеты выполнения операций 148

5.6. Операторы языка программирования C-51 149

5.6.1. Операторы объявления. 150

5.6.2 Исполняемые операторы.. 150

5.6.3 Оператор присваивания. 151

5.6.4 Условный оператор. 151

5.6.5 Структурный оператор {}. 152

5.6.6 Оператор цикла for. 152

5.6.7 Оператор цикла с проверкой условия до тела цикла while. 153

5.6.8 Оператор цикла с проверкой условия после тела цикла do while. 154

5.6.9 Оператор break. 155

5.6.10 Оператор continue. 155

5.6.11 Оператор выбора switch. 155

5.6.12 Оператор безусловного перехода goto. 157

5.6.13 Оператор выражение. 158

5.6.14 Оператор возврата из подпрограммы return. 158

5.6.15 Пустой оператор. 158

5.7. Объявление переменных в языке программирования C-51. 159

5.7.1. Объявление переменной. 159

5.7.3 Целые типы данных. 161

5.7.4 Числа с плавающей запятой. 162

5.7.5 Переменные перечислимого типа. 162

5.7.6. Объявление массивов в языке программирования C-51. 164

5.7.7. Структуры.. 165

5.7.8. Объединения (смеси) 166

5.8. Использование указателей в языке C-51 167

5.8.1. Объявление указателей. 167

5.8.2. Нетипизированные указатели. 168

5.8.3. Память зависимые указатели. 169

5.9. Объявление новых типов переменных 169

5.10. Инициализация данных 170

5.11. Использование подпрограмм в языке программирования С-51. 170

5.11.1. Определение подпрограмм.. 171

5.11.2. Параметры подпрограмм.. 173

5.11.3. Предварительное объявление подпрограмм.. 174

5.11.4 Вызов подпрограмм.. 176

5.11.5 Рекурсивный вызов подпрограмм.. 176

5.11.6 Подпрограммы обработки прерываний. 177

5.11.7 Области действия переменных и подпрограмм.. 178

5.12. Многомодульные программы 179

Глава 6. Подготовка программ в интегрированной среде разработки Keil μVision2. 182

6.1 Создание проекта на языке ASM-51 182

6.2 Пример создания проекта на языке C для учебного контроллера в интегрированной среде разработки Keil μVision2 188

Глава 7. Описание учебного контроллера.. 199

7.1. Структура контроллера 199

7.2. Адресное пространство 200

7.2.1. Распределение памяти. 200

7.2.2 Внешняя память. 201

7.2.3. Внутренняя память данных. 202

7.3. Распределение портов ввода-вывода 202

7.4. Последовательный порт………………………………...203

7.5. Работа с ЖКИ 205

7.6. Панели контроллера…………………………………………………213

ПРИЛОЖЕНИЕ П2 СТРУКТУРА ОТЧЁТА О ЛАБРОРАТОРНОЙ РАБОТЕ……..217

Приложение П3 Коды машинных команд. 217

Список литературы... 224

Введение

В освоении специальностей, связанных с автоматизацией технологических процессов и производств, изучение микроконтроллеров является одним из важных разделов.

В мире происходит непрерывное развитие и появление все новых и новых 16- и 32-разрядных микроконтроллеров и микропроцессоров, но наибольшая доля мирового микропроцессорного рынка и по сей день остается за 8-разрядными устройствами. По всем прогнозам аналитических компаний на ближайшее время, лидирующее положение 8-разрядных микроконтроллеров на мировом рынке сохранится.

В настоящее время среди всех 8-разрядных микроконтроллеров семейство MCS-51 является несомненным лидером по количеству разновидностей и количеству компаний, выпускающих его модификации. Оно получило свое название от первого представителя этого семейства - микроконтроллера 8051. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке.

Достоинства семейства MCS-51:

· архитектура, являющаяся стандартом де-факто;

· чрезвычайная широта семейства и разнообразие возможностей;

· наличие высокопроизводительных и расширенных версий процессоров;

· значительное число свободно доступных программных и аппаратурных наработок;

· легкость аппаратного программирования, в т. ч. и внутрисхемного;

· дешевизна и доступность базовых чипов;

· наличие специализированных версий контроллеров для особых условий применения

· наличие версий контроллеров с пониженным уровнем электромагнитных помех;

· широкая известность среди разработчиков старшего поколения, как в мире, так и в странах СНГ;

· поддержка архитектуры ведущими учебными заведениями мира.

И, наконец, главное преимущество: освоив базовый чип семейства, легко начнеть работать с такими вычислительными «монстрами», как микроконтроллеры Cygnal, Dallas Semiconductor, Analog Devices, Texas Instruments.

В состав семейства MCS-51 входит целый ряд микросхем от самых простых микроконтроллеров до достаточно сложных. На сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров семейства 8051, выпускаемых почти 20-ю компаниями. Каждый год появляются все новые варианты представителей этого семейства.

Основными направлениями развития являются:

· увеличение быстродействия (повышение тактовой частоты и переработка архитектуры);

· снижение напряжения питания и энергопотребления;

· увеличение объема ОЗУ и FLASH памяти на кристалле с возможностью внутрисхемного программирования;

· введение в состав периферии микроконтроллера сложных устройств типа системы управления приводами, CAN и USB интерфейсов и т.п.

Микроконтроллеры семейства MCS-51 позволяют выполнять как задачи управления различными устройствами, так и реализовывать отдельные узлы аналоговой схемы. Все микросхемы этого семейства работают с одной и той же системой команд. Большинство из них выполняется в одинаковых корпусах с совпадающей цоколевкой (нумерация ножек для корпуса). Это позволяет использовать для разработанного устройства микросхемы разных фирм - производителей без переделки принципиальной схемы устройства и программы.

Основными производителями разновидностей 51-го семейства в мире являются фирмы Philips, Siemens, Intel, Atmel, Dallas, Temic, Oki, AMD, MHS, Gold Star, Winbond, Silicon Systems и ряд других.

Характеристики аналогов микроконтроллеров семейства MCS-51 (Intel 8XC51FA, 8XC51GB, 80С152) с расширенными возможностями приведены в табл. В.1.

Таблица В.1

Глава 1. Архитектура семейства MCS51

8-разрядные однокристальные микроконтроллеры семейства MCS-51 приобрели большую популярность у разработчиков микропроцессорных систем контроля благодаря удачно спроектированной архитектуре. Архитектура микроконтроллера – это совокупность внутренних и внешних программно-доступных аппаратных ресурсов и системы команд. Архитектура семейства MCS-51 в значительной мере предопределяется ее назначением - построение компактных и дешевых цифровых устройств. Микроконтроллеры, выполняющие все функции микроЭВМ с помощью единственной микросхемы, получили название однокристальных ЭВМ (ОЭВМ).

Фирма Intel выпустила около 50 моделей на базе операционного ядра микроконтроллера Intel 8051. Одновременно многие другие фирмы, такие как Atmel, Philips, начали производство своих микроконтроллеров, разработанных в стандарте MCS-51.

Общие характеристики

Основные характеристики семейства:

· 8-разрядный центральный процессор (ЦП), ориентированный на управление исполнительными устройствами;

· ЦП имеет встроенную схему 8-разрядного аппаратного умножения и деления чисел;

· наличие в наборе команд большого количества операций для работы с прямоадресуемыми битами даёт возможность говорить о процессоре для работы с битовыми данными (булевом процессоре);

· внутренняя (расположенная на кристалле) память программ масочного или репрограммируемого типа, имеющая для различных кристаллов объём от 4 до 32 Кб, в некоторых версиях она отсутствует;

· не менее чем 128 байтное резидентное ОЗУ данных, которое используется для организации, регистровых банков, стека и хранения пользовательских данных;

· не менее 32-х двунаправленных интерфейсных линий (портов), индивидуально настраиваемых на ввод или вывод информации;

· два 16-битных многорежимных счетчика/таймера, используемых для подсчёта внешних событий, организации временных задержек и тактирования коммуникационного порта;

· двунаправленный дуплексный асинхронный приемопередатчик (UART), предназначенный для организации каналов связи между микроконтроллером и внешними устройствами с широким диапазоном скоростей передачи информации. Имеются средства для аппаратно-программного объединения микроконтроллеров в связанную систему;

· двухуровневая приоритетная система прерываний, поддерживающая не менее 5 векторов прерываний от 4-х внутренних и 2-х внешних источников событий;

· встроенный тактовый генератор.

Структурная схема

Структурная схема контроллера представлена на рис.1.1 и состоит из следующих основных функциональных узлов: блока управления, арифметико-логического устройства, блока таймеров/счетчиков, блока последовательного интерфейса и прерываний, программного счетчика, памяти данных и памяти программ. Двусторонний обмен осуществляется с помощью внутренней 8-разрядной магистрали данных. По такой схеме построены практически все представители семейства MCS-51. Различные микросхемы этого семейства различаются только регистрами специального назначения (в том числе и количеством портов).

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

устройство формирования временных интервалов;

логика ввода-вывода;

регистр команд;

регистр управления потреблением электроэнергии;

дешифратор команд, логика управления ЭВМ.

Рис. 1.1. Структурная схема контроллера I8051.

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

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

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

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

регистров аккумулятора, регистров временного хранения TMP1 и TMP2;

ПЗУ констант;

сумматора;

дополнительного регистра (регистра В);

аккумулятора (ACC);

регистра состояния программ (PSW).

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

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

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

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

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

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

буфер ПИП;

логика управления;

регистр управления;

буфер передатчика;

буфер приемника;

приемопередатчик последовательного порта;

регистр приоритетов прерываний;

регистр разрешения прерываний;

логика обработки флагов прерываний и схема выработки вектора.

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

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

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

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

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

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

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

1.3 Назначение выводов микроконтроллера 8051 (рис. 1.2)

· U ss - потенциал общего провода ("земли");

· U cc - основное напряжение питания +5 В;

· X1,X2 - выводы для подключения кварцевого резонатора;

· RST - вход общего сброса микроконтроллера;

· PSEN - разрешение внешней памяти программ, выдается только при обращении к внешнему ПЗУ;

· ALE - строб адреса внешней памяти;

· ЕА - отключение внутренней программной память; уровень 0 на этом входе заставляет микроконтроллер выполнять программу только из внешнего ПЗУ; игнорируя внутреннее(если последнее имеется);

Рис. 1.2. Назначение выводов 8051.

· P1 - восьмибитный квазидвунаправленный порт ввода/вывода, каждый разряд порта может быть запрограммирован как на ввод, так и на вывод информации, независимо от состояния других разрядов;

· P2 - восьмибитный квазидвунаправленный порт, аналогичный Р1, выводы этого порта используются для выдачи адресной информации при обращении к внешней памяти программ или данных (если используется 16-битовая адресация последней). Кроме того, выводы порта используются при программировании для ввода в микроконтроллер старших разрядов адреса;

· РЗ - восьмибитный квазидвунаправленный порт, аналогичный Р1, выводы этого порта могут выполнять ряд альтернативных функций, которые используются при работе таймеров, порта последовательного ввода-вывода, контроллера прерываний, и внешней памяти программ и данных;

· P0 - мультиплексируемый восьмибитный двунаправленный порт ввода-вывода информации, через этот порт в разные моменты времени выводятся младший байт адреса и данные.

Организация памяти

Вся серия MCS-51 имеет гарвардскую архитектуру, то есть раздельные адресные пространства памяти программ и данных. Структура памяти изображена на рис. 1.3.

Объем внутренней (резидентной) памяти программ (ROM, EPROM или OTP ROM), располагаемой на кристалле, в зависимости от типа микросхемы может составлять 0 (ROMless), 4К (базовый кристалл), 8К, 16К или 32К. При необходимости пользователь может расширять память программ установкой внешнего ПЗУ. Доступ к внутреннему или внешнему ПЗУ определяется значением сигнала на выводе ЕА (External Access):

EA=V cc (напряжение питания) - доступ к внутреннему ПЗУ;

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

Для кристаллов без ПЗУ(ROMless) вывод ЕА должен быть постоянно подключен к V ss .

Рис. 1.3. Организация памяти семейства MCS-51

Строб чтения внешнего ПЗУ - (Program Store Enable) генерируется при обращении к внешней памяти программ и является неактивным во время обращения к ПЗУ, расположенному на кристалле. Область нижних адресов памяти программ используется системой прерываний. Архитектура базовой микросхемы 8051обеспечивает поддержку пяти источников прерываний:

· двух внешних прерываний;

· двух прерываний от таймеров;

· прерывания от последовательного порта.

На рис. 1.4 изображена карта нижней области программной памяти.

Рис. 1.4. Карта нижней области программной памяти

Память программ (ПЗУ)

У микроконтроллеров семейства 8051, память программ и память данных являются самостоятельными и независимыми друг от друга устройствами, адресуемыми различными командами и управляющими сигналами.

Объем встроенной памяти программ, расположенной на кристалле микроконтроллера 8051 , равен 4 Кбайт (в семействе до 32). При обращении к внешней памяти программ все микроконтроллеры семейства 8051 всегда используют 16-разрадный адрес, что обеспечивает им доступ к 64 Кбайт ПЗУ. Микроконтроллер обращается к программной памяти при чтении кода операции и операндов (используя счетчик команд PC), а также при выполнении команд копирования байта из памяти программ в аккумулятор. При выполнении команд копирования данных адресация ячейки памяти программ, из которой будут прочитаны данные, может осуществляться с использованием как счетчика PC, так и специального двухбайтового регистра-указателя данных DPTR.

Память данных (ОЗУ)

Объем расположенной на кристалле памяти данных - 128 байт. Объем внешней памяти данных может достигать 64 Кбайт. Первые 32 байта организованы в четыре банка регистров общего назначения, обозначаемых соответственно банк 0 - банк 3. Каждый из них состоит из восьми регистров R0–R7. В любой момент программе доступен, при регистровой адресации, только один банк регистров, номер которого содержится в третьем и четвертом битах слова состояния программы PSW .

Адреса битовой области памяти микроконтроллера 8051

Таблица 1.1

Оставшееся адресное пространство может конфигурироваться разработчиком по своему усмотрению: в нем можно разместить стек, системные и пользовательские области данных. Обращение к ячейкам памяти данных возможно двумя способами. Первый способ - прямая адресация ячейки памяти. В этом случае адрес ячейки является операндом соответствующей команды. Второй способ - косвенная адресация с помощью регистров-указателей R0 или R1: перед выполнением соответствующей команды в один из них должен быть занесен адрес ячейки, к которой необходимо обратиться.

Для обращения к внешней памяти данных используется только косвенная адресация с помощью регистров R0 и R1 или с помощью 16-разрядного регистра-указателя DPTR.

Часть памяти данных представляет собой битовую область, в ней имеется возможность при помощи специальных битовых команд адресоваться к каждому разряду ячеек памяти. Адрес прямо адресуемых битов может быть записан также в виде (АдресБайта).(Разряд). Соответствие этих двух способов адресации можно определить по табл. 1.1.

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:

Опрос состояния системы прерываний производится в конце каждого машинного цикла в фазе S5P2 , за исключением команд RETI и любых команд с обращением к регистрам IE и IP. От момента фиксации запроса на прерывания до обслуживания прерывания требуется от 38 до 86 периодов частоты fOSC , в зависимости от фазы поступления запроса и числа машинных циклов команды, во время выполнения которой поступил запрос.

При реализации прерывания аппаратным способом выполняется команда LCALL addr16, обеспечивающая запоминание в стеке текущего состояния программного счетчика (запоминание адреса возврата), и переход к стартовому адресу addr16 соответствующей процедуры обслуживания. С каждым источником запроса прерываний связан свой

2.7. Методы адресации и система команд семейства MCS-51

Система команд семейства MCS-51 ориентирована на организацию гибкого ввода-вывода данных через универсальные порты P0...P3 и первичную обработку информации. Особое внимание уделено операциям с битами и передаче управления по их значению. Команды, выполняющие такие операции, составляют многочисленную группу и образуют вместе с соответствующими аппаратными средствами так называемый «булев процессор» в составе архитектуры MCS-51.

Система команд предоставляет программисту возможность использовать большинство операций с полным набором методов адресации и программно-доступных ресурсов аппаратуры.

2.7.1. Методы адресации

Каждая команда сообщает процессору выполняемую операцию и методы доступа к операндам. Код команды имеет несколько полей, имеющих определенное функциональное назначение. Важнейшими полями любой команды являются код операции (КОП), определяющий действие команды, и адресная часть. Поля адресной части содержат информацию об адресах операндов и результата операции, а в некоторых случаях информацию об адресе следующей команды.

Если адрес указывает на номер ячейки памяти, в которой находится или куда заносится операнд, то его называют прямым адресом.

Методы адресации представляют собой набор механизмов доступа к операндам. Одни из них просты, приводят к компактному формату команды и быстрому доступу к операнду, но имеют ограниченный объем доступных ресурсов. Другие позволяют оперировать всеми имеющимися в системе ресурсами, но команда получается длинной, на ее

ввод и выполнение тратится много времени. Набор методов адресации в каждой системе команд является компромиссным сочетанием известных механизмов адресации, выбранных проектировщиками архитектуры исходя из набора решаемых задач.

Ниже приведены основные методы адресации, используемые в системе команд семейства MCS-51.

Неявная адресация . В команде не содержится явных указаний об адресе участвующего в операции операнда или адресе, по которому помещается результат операции, но этот адрес подразумевается. В командах наиболее часто неявно адресуется аккумулятор как приемник результата операции. Например, результат сложения содержимого аккумулятора (A) и регистра R1 текущего банка данных командой ADD A,R1 записывается в неявно адресуемый аккумулятор. Вся указанная команда занимает в памяти один байт, в то время как адрес только аккумулятора (8Eh области SFR) содержит один байт.

Непосредственная адресация . В поле адреса команды содер-

жится не адрес операнда, а непосредственно сам операнд. На непосредственную адресацию указывает специальный символ # перед числом. Например, командой MOV A,#15h шестнадцатеричное число 15 (второй байт команды) загружается в аккумулятор. В системе команд непосредственная адресация обозначена как #data, где data – число

(data = 00h...FFh).

Прямая адресация . В поле адреса команды указан прямой адрес ячейки памяти данных, в которой находится или куда заносится операнд. Например, командой MOV A,15h содержимое ячейки DSEG с адресом 15h загружается в аккумулятор. Ячейка памяти имеет прямую адресацию, а аккумулятор - неявную. В зависимости от местонахождения адресуемого операнда, прямая адресация подразделяется на прямую регистровую и абсолютную.

Прямая регистровая адресация . В поле адреса команды указан прямой адрес регистра текущего регистрового банка. Регистров в каждом банке восемь, и для их адресации необходим трехбитовый прямой адрес. В мнемонике команд адресуемый регистр обозначен Rn, где n=0...7. Все поля команды умещаются в один байт. Такую адресацию называют короткой. Например, MOV R4,R1.

Прямая абсолютная адресация позволяет обратиться к любой ячейке DSEG и области SFR. Прямой адрес в этом случае занимает один байт, а команда – два байта. В системе команд байт прямого адреса обозначен словом direct (прямой) (direct = 00h…FFh). Например, команда MOV 80h,R2 (или MOV P0,R2) загружает содержимое регистра R2 текущего банка данных в порт Р0 (ячейка 80h области SFR). Если оба операнда имеют прямую абсолютную адресацию, то команда становится трехбайтовой (Например, MOV 80h,15h).

Косвенная адресация . В поле адреса указан адрес ячейки памяти, в которой находится прямой адрес операнда. В системе команд на косвенную адресацию указывает специальный символ @. Свойством

хранить прямой адрес обладают регистры R0 и R1 (@Ri, i = 0,1) каждого регистрового банка. Например, если содержимое регистра R1 текущего банка регистров равно 15h, то команда MOV A,@R1 выполнит то же действие, что и приведенная выше команда MOV A,15h – загрузит содержимое ячейки памяти DSEG с адресом 15h в аккумулятор. Однако команда MOV A,@R1 однобайтовая, но самое главное, здесь имеется возможность программным способом изменять адрес, изменяя содержимое регистра R1.

Относительная адресация . При относительной адресации прямой адрес формируется путем сложения базового адреса с адресным полем команды. В качестве базового адреса используется содержимое программного счетчика, а адресное поле команды представляет собой восьмиразрядное смещение rel (relative - относительный). Число rel интерпретируется командой как целое со знаком, представленное в дополнительном коде. Диапазон его представления - (-128...+127). При определении числа rel следует учесть, что программный счетчик указывает на следующую, подлежащую выполнению, команду. Относительная адресация широко используется в командах передачи управления, что позволяет создавать перемещаемые программные модули. Команды передачи управления с относительной адресацией позволяют организовать ветвление относительно текущего положения программного счетчика PC в обе стороны на (-128...+127) байт.

В программах на языке ассемблера в поле смещения можно указать метку, на которую необходимо перейти. В результате трансляции ассемблер вычислит величину смещения, если она не превышает (-128…+127). В противном случае будет выдано сообщение об ошибке.

Базовая адресация представляет разновидность относительной адресации. Прямой адрес в этом случае формируется путем сложения адреса, указанного в команде, с содержимым базового регистра, в котором хранится базовый адрес. Функцию базового регистра в семействе MCS-51 выполняет регистр-указатель данных DPTR или программный счетчик PC. Этот тип адресации особенно удобен при обработке таблиц и массивов данных. В командах MOVC A,@A+DPTR и MOVC A,@A+PC 16-разрядный прямой адрес формируется как сумма содержимого регистров DPTR и A или PC и A.

Страничная адресация . При использовании страничной адресации память разбивается на ряд страниц одинаковой длины. Адресация страниц осуществляется отдельным регистром страниц, а адресация ячеек памяти внутри страницы – адресом, содержащимся в команде. Прямой адрес формируется конкатенацией (присоединением) адреса страниц и адреса ячейки памяти внутри страницы. В команде MOVX A,@Ri функцию регистра страниц выполняет порт P2 (старший байт адреса), а содержимое регистра Ri (младший байт адреса) задает адрес внутри страницы. При этом память разбивается на 256 страниц по 256 ячеек в каждой из них.

Стековая адресация используется в безадресных командах и представляет собой сочетание автоинкрементного и автодекрементного способов адресации, работающее по принципу LIFO (L ast I nput – F irst O utput)- «последним вошел – первым вышел». Стек располагается в DSEG и растет в сторону увеличения адреса. Адрес вершины стека содержится в указателе стека SP. При записи байта в стек сначала выполняется инкремент содержимого SP, а затем по этому адресу производится запись. При чтении байта из стека сначала выполняется чтение по адресу, на который указывает SP, а затем - декремент SP. При использовании стека необходимо учитывать, что глубина стека (максимальное число ячеек памяти, занятых под стек) аппаратными средствами не контролируется. При чрезмерном увеличении стека могут быть заняты не предназначенные для него ячейки памяти с потерей информации в них. Аппаратно стек используется для сохранения адреса возврата при обслуживании прерывания.

2.7.2. Система команд семейства MCS-51

Система команд представлена в таблицах П2.1...П2.6 приложения 2. В таблицах указаны наименование команды, ее мнемоника, двоичный код операции, влияние выполняемой команды на флаги C, OV, AC и P, длина команды в байтах (Б) и время выполнения в машинных циклах (Ц), а также содержание преобразования, выполняемого командой. В качестве разделителя адресных полей в командах используется запятая. Для улучшения читаемости можно добавить пробелы после запятой, если их поддерживает используемый ассемблер.

Все множество команд можно разбить на 5 групп: операции передачи данных, арифметические операции, логические операции, операции с битами и операции передачи управления.

Группа команд операций передачи данных (таблица П2.1 ) со-

держит команды MOV (передачи данных между DSEG и RSEG), MOVC (между CSEG и A), MOVX (между XSEG и A), команды обращения к стеку PUSH и POP, а также две команды обмена XCH и XCHD. Все команды передачи данных, у которых приемником является аккумулятор, устанавливают флаг паритета P содержимого аккумулятора, а команды с прямой адресацией, у которых приемником является регистр PSW, изменяют все флаги. Наиболее емкой является команда MOV, использующая четыре способа адресации: прямой регистровый (A, Rn, DPTR), прямой (direct), косвенный (@Ri), непосредственный (#data, #data16). Второй операнд команды является источником, первый – приемником. Для указания приемника служат три способа адресации (кроме непосредственного), а для указания источника все четыре. Трехбайтовая команда MOV direct,direct обеспечивает пересылку между двумя любыми ячейками памяти (DSEG и SFR), включая RSEG. Для обмена с RSEG предусмотрены специальные двух- и однобайтовые форматы:

Специальная команда MOV DPTR,#data16 позволяет загрузить 16-разрядный указатель DPTR значением data16.

Команда MOVC позволяет считывать информацию из программной памяти CSEG не в регистр команд устройства управления, а в аккумулятор операционного устройства. В команде используются два способа адресации: по базе DPTR и относительно PC. В обоих случаях целое без знака смещение (индекс) хранится в аккумуляторе. Приемником результата также служит аккумулятор. Команда позволяет выполнять быструю перекодировку по таблицам.

Обращение к внешней памяти осуществляется с помощью команды MOVX . Обмен производится по байтам между аккумулятором и внешним XSEG. Ячейка XSEG может быть адресована двумя способами: косвенно через 16-разрядный указатель DPTR и странично косвенно через 8-разрядный указатель Ri, i=0,1. В последнем случае регистром страниц служит регистр P2.

Безадресные команды PUSH и POP обеспечивают передачу дан-

ных между DSEG, RSEG и SFR.

Команда обмена XCH обеспечивает двухсторонний обмен байтами, а команда XCHD - младшими тетрадами байтовых операндов.

Группа команд арифметических операций (таблица П2.2 ) со-

держит команды сложения ADD, сложения с учетом переноса ADDC, вычитания с учетом заема SUBB, увеличения и уменьшения на единицу INC и DEC, десятичной коррекции сложения в двоично-десятичном (BCD) коде упакованного формата, умножения MUL и деления DIV. Операции выполняются над беззнаковыми целыми числами. В операциях сложения и вычитания первым операндом и приемником результата служит аккумулятор. Для определения второго операнда используется прямая регистровая, прямая абсолютная, непосредственная и косвенная адресации. Операции INC и DEC применимы к аккумулятору, прямо адресуемому регистру, прямо или косвенно адресуемой ячейке памяти. Кроме того, операция INC применима к содержимому 16разрядного регистра указателя DPTR.

В операциях целочисленного умножения и деления без знака участвуют аккумулятор и регистр B. При умножении 8-разрядное значение A умножается на 8-разрядное значение B, а 16-разрядный результат записывается в пару BA. При этом регистр B хранит старшую часть произведения. Флажок OV устанавливается, если произведение больше 255. При делении 8-разрядного значения A на 8-разрядное значение B частное записывается в A, а остаток в B. При попытке деления на 0 устанавливается флаг переполнения OV.

Команда десятичной коррекции аккумулятора DA размещается после команды сложения. Слагаемые необходимо представить в BCD коде. Коррекция выполняется стандартным способом.

Группа команд логических операций (таблица П2.3 ) содержит три типовые операции: ANL – логическое И, ORL – логическое ИЛИ, XRL – логическое исключающее ИЛИ. Источником первого операнда

служит либо аккумулятор A, либо прямо адресуемая ячейка памяти. Второй операнд задается одним из четырех основных методов адресации. В состав группы входят также одноместные операции над содержимым аккумулятора: CLR - очистки, CPL – инверсии, а также RL, RLC, RR и RRC – операции циклического и расширенного сдвигов вправо и влево. Сюда же включена операция обмена тетрад в аккумуляторе SWAP,которая может интерпретироваться как циклический сдвиг байта на четыре разряда.

Группа команд операций с битами (таблица П2.6 ) содержит ко-

манды SETB – установки бита в 1, CLR – сброса бита в 0, CPL – инверсии бита, ANL и ORL – логическое И и логическое ИЛИ содержимого флага C и прямо адресуемого бита, MOV – пересылка бита.

В битовых операциях флаг C исполняет роль булевого аккумулятора. В качестве операндов используется содержимое флага C или прямо адресуемого бита bit области BSEG. В операциях ANL и ORL можно использовать содержимое прямо адресуемого бита (bit) или инверсию содержимого (/bit).

В эту группу входят также команды условного перехода с относительным 8-разрядным смещением rel. Условный переход может быть осуществлен как при установленном (команда JB), так и при сброшенном (команда JNB) бите. Особо следует отметить команду JBC, которая при установленном бите реализует ветвление и одновременно с этим сбрасывает бит в 0.

Группа команд передачи управления (таблицы П2.4 и П2.5 ) со-

держит команды безусловного перехода AJMP, LJMP, SJMP, JMP, условного перехода JZ, JNZ, CJNE, вызова ACALL, LCALL, возврата RET, RETI и модификации с условным переходом DJNZ. Сюда же включена пустая команда NOP.

В командах передачи управления широко применяется относительная адресация, позволяющая создавать перемещаемые программные модули. В качестве относительного адреса выступает 8-разрядное смещение rel – байт со знаком, обеспечивающее переход на (–128… +127) байт относительно текущего положения PC. Для перехода в любую другую точку 64 Кбайтового адресного пространства может быть использован либо прямой addr16, либо косвенный @A+DPTR адрес. В последнем случае содержимое A интерпретируется как целое без знака. Вариант короткой прямой адресации addr11 внутри 2 Кбайтовой текущей страницы введен для совместимости с семейством MCS-48.

Все эти типы адресации применяются в командах перехода. В командах вызова используются только прямой addr16 и внутристраничный addr11 способы адресации. Во всех условных командах используется только относительная адресация.

Когда микроконтроллер опознает запрос на прерывание, он генерирует команду LCALL addr16 , что автоматически обеспечивает запоминание адреса возврата в стеке. Информация о состоянии программы (содержимое регистра PSW) автоматически не сохраняется. При этом

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.

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

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

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

Таблица 3

Выбор рабочего банка регистров

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

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: