Каталог :: Программирование и комп-ры

Реферат: Контроллеры семейства МК51

                Однокристальные контроллеры семейства МК51                
Однокристальные микроконтроллеры - отдельный класс микросистем. Полный набор
их средств расположен на одном кристалле. Сюда кроме центрального процессора
входят память, подсистема ввода-вывода, средства поддержки режима реального
времени (РВ). Интеграция всех составных частей микро-ЭВМ на одном кристалле
внесла ряд ограничений на принципы ее организации, потребовала новых решений
в развитии ее архитектуры, не свойственных многокристальным компоновкам. В
результате был получен новый класс микроконтроллеров (МК) с присущими только
ему принципами построения архитектуры и структурной схемы.
Структурная организация, набор команд и аппаратурно-программные средства
ввода/вывода информации микроконтроллеров лучше всего приспособлены для
решения задач управления и регулирования в приборах, устройствах и системах
автоматики, а не для решения задач обработки данных. Микроконтроллеры не
являются машинами классического "фон-неймановского" типа, так как физическая
и логическая разделенность памяти программ и памяти данных исключает
возможность модификации и/или замены (перегрузки) прикладных программ
микроконтроллеров во время работы, что сильно затрудняет их использование в
качестве универсальных средств обработки данных.
МК51 имеет в своем составе: процессор, в состав которого входят 1-байтное АЛУ
и схема аппаратурной реализации команд умножения и деления; стираемое ПЗУ
программ емкостью 4 Кбайта, ОЗУ данных емкостью 128 байт; два 16-битных
таймера/счетчика; программируемые схемы ввода/вывода (32 линии); блок
двухуровневого векторного прерывания от пяти источников; асинхронный канал
дуплексного последовательного ввода/вывода информации со скоростью до 375
кбит/с; генератор, схему синхронизации и управления.
                 Структурная организация и система команд МК51.                 
Микроконтроллер выполнен на основе высокоуровневой n-МОП технологии и
выпускается в корпусе БИС, имеющем 40 внешних выводов. Через четыре
программируемых порта ввода/вывода МК51 взаимодействует со средой в стандарте
ТТЛ-схем с тремя состояниями по выходу. В современном исполнении
микроконтроллер может быть выполнен также в К-МОП исполнении
     
                               Назначение выводов.                               
GND - потенциал земли;
EA/VPP - отключение резидентной памяти программ/напряжение программирования
(21В);
VCC - основное напряжение питания +5В;
ALE/PROG - строб адреса внешней памяти/для подачи уровня GND при
программировании;
PSEN - разрешение внешней памяти программ;
RD - стробирующий сигнал при чтении из внешней памяти данных или  устройства
ввода/вывода;
WR - стробирующий сигнал при записи во внешнюю память данных или устройства
ввода/вывода;
T0 - входной сигнал, опрашиваемый по командам условного перехода, так же
используется при программировании;
Т1 - входной сигнал, опрашиваемый по командам условного перехода,
используется в качестве входа внутреннего счетчика внешних событий;
INT0, INT1 - сигнал запроса прерывания;
RST/VPD - сигнал общего сброса/вход питания при пониженном энергопотреблении;
RXD и TXD - входы последовательного интерфейса;
XTAL1, XTAL2 - входы подключения кварцевого резонатора;
P0, P1, P2, P3 - квазидвунаправленные порты параллельного ввода-вывода (порт
P3 несет дополнительные функции)
                        Арифметико-логическое устройство                        
8-битное АЛУ может выполнять арифметические операции сложения, вычитания,
умножения и деления; логические операции и, или, исключающее или, а так же
операции сдвига, сброса, инвертирования и т.д. В АЛУ имеются программно
недоступные регистры Т1 и Т2, предназначенные для временного хранения
операндов, схема десятичной коррекции и схема формирования признаков. Важной
особенностью АЛУ 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.
                               Резидентная память                               
Память программ и память данных, размещенные на кристалле МК51, физически и
логически разделены, имеют различные механизмы адресации, работают под
управлением различных сигналов и выполняют различные функции.
Память программ(РПП): имеет емкость 4 Кбайта и предназначена для хранения
команд, констант, управляющих слов инициализации, таблиц перекодировки
входных и выходных переменных и т.п. РПП имеет 16-битную шину адреса, через
которую обеспечивается доступ из счетчика команд или из регистра указателя
данных. Последний выполняет функции базового регистра при косвенных переходах
по программе или используется в командах, оперирующих с таблицами.
Память данных (РПД): предназначена для хранения переменных в процессе
выполнения прикладной программы, адресуется одним байтом и имеет емкость 128
байт. Кроме того, к адресному пространству РПД примыкают адреса регистров
специальных функций.
Память программ, так же как и память данных, может быть расширена до 64 Кбайт
путем подключения внешних БИС.
В МК51 предусмотрены четыре банка по восемь рабочих регистров R0...R7; банк
выбирается полем RS в слове состояния программы. Они выполняют общецелевые
функции по промежуточному хранению данных. По аналогии с МК48 R0 и R1 каждого
банка реализуют также функцию 8-разрядных указателей данных. С помощью набора
рабочих регистров существенно уменьшается длительность переключения
контекстов ЦП, что очень важно для микроконтроллеров реального времени. В
МС51 отсутствует ограничения, накладываемые на процедуры обслуживания
прерываний, свойственные МК48.
Память программ (64 Кбайт) - однородная линейная область, реализуемая как
внутренними, так и внешними средствами. Для совместимости с МК48 предусмотрен
ряд команд, которые позволяют рассматривать память в виде набора 2-Кбайтных
банков. Подобно архитектуре МК48 все банки рабочих регистров, а также
системный стек располагаются во внутренней памяти данных. Определены два
способа адресации памяти: прямой (direct) и косвенный (@Ri, где i=0...1). С
помощью прямой адресации доступна только младшая адресного пространства
внутренней памяти данных (128 байт), тогда как косвенная обеспечивает доступ
к любой ее ячейки из диапазона 256 байт. Введение прямой адресации расширило
возможности однокристальных микроконтроллеров по обработки данных. В
частности, появились средства доступа к рабочим регистрам и системному стеку,
интерпретируемым как обычные ячейки памяти.
Микроконтроллер МК51 имеет развитую подсистему ввода-вывода и средства
управления режимом реального времени. Для их управления в микроконтроллере
предусмотрен ряд регистров, которые размещены в отдельно прямо адресуемом
пространстве специальных регистров (128 байт). Сюда же включены и некоторые
регистры ЦП. Пространство специальных регистров вместе с младшей частью
адресного пространства внутренней памяти данных образуют прямо адресуемую
область. При этом сначала размещается младшая половина пространства
внутренней памяти данных, а затем пространство специальных регистров.
                       Блок регистров специальных функций                       
     
СимволНаименованиеАдрес
ACCАккумулятор0E0H
BРегистр-расширитель аккумулятора0F0H
PSWСлово состояния программы0D0H
SPРегистр-указатель стека81H
DPRTРегистр-указатель данных (DPH)83H
(DPL)82H
P0Порт 080H
P1Порт 190H
P2Порт 20A0H
P3Порт 30B0H
IPРегистр приоритетов0B8H
IEРегистр маски прерываний0A8H
TMODРегистр режима таймера/счетчика89H
TCONРегистр управления/статуса таймера88H
TH0Таймер 0 (старший байт)8CH
TL0Таймер 0 (младший байт)8AH
TH1Таймер 1 (старший байт)8DH
TL1Таймер 1 (младший байт)8BH
SCONРегистр управления приемопередатчиком 98H
SBUFБуфер приемопередатчика99H
PCONРегистр управления мощностью87H
Формат слова состояния программы (PSW)
СимволПозицияИмя и значение
CPSW.7Флаг переноса. Устанавливается и аппаратурными средствами или программой при выполнении арифметических и логических операций
ACPSW.6Флаг вспомогательного переноса. Устанавливается и сбрасывается только аппаратурными средствами при выполнении команд сложения и вычитания и сигнализирует о переносе или заеме в бите 3
F0PSW.5Флаг 0. Может быть установлен, сброшен или проверен программой как флаг специфицируемый пользователем

RS1

RS0

PSW.4

PSW.3

Выбор банка регистров. Устанавливается и

сбрасывается аппаратно при выполнении арифметических операций

OVPSW.2Флаг переполнения. Устанавливается и сбрасывается аппаратно при выполнении арифметических операций
-PSW.1Не используется
PPSW.0Флаг паритета. Устанавливается и сбрасывается аппаратно в каждом цикле команды и фиксирует нечетное/четное число единичных бит в аккумуляторе, т.е. выполняет контроль по четности (PSW.0)
Центральный процессор МК51 содержит специальную логику для выполнения ряда однобитных операций, в которых роль аккумулятора реализует флажок переноса СУ. Для хранения булевых данных в архитектуре МК51 предусмотрено отдельное прямо адресуемое пространство BSEG (256 бит), которое физически совмещено с прямо адресуемой частью внутренней памяти данных и областью специальных регистров. Hапример, аккумулятор A, доступный как элемент регистровой памяти, может быть прямо адресован и как элемент пространства специальных регистров (адрес 0E0h), и как область битов с адресами 0E0h...0E7h. При этом битовый адрес 0E0h относится к младшему разряду аккумулятора. Размещенные в области специальных регистров четыре 8-разрядных псевдодвунаправленных порта ввода-вывода совмещены с битовым пространством, что обеспечивает доступ к отдельным их разрядам независимо друг от друга. Последовательный интерфейс В составе МК1 введен дуплексный периферийный связной адаптер, который может быть запрограммирован для работы в одном из четырех основных режимов: 0 синхронный последовательный ВВ со скоростью OSC/12; 1 асинхронный с 10-битовым кадром и переменной скоростью передачи; 2 асинхронный с 11-битовым кадром и фиксированной скоростью передачи OSC/32 или OSC/64; 3 асинхронный с 11-битовым кадром и переменной скоростью передачи. Через универсальный асинхронный приемопередатчик (УАПП) осуществляется прием, передача информации, представленной последовательным кодом, в полном дуплексном режиме обмена. В состав УАПП входят принимающий и передающий сдвигающие регистры, а также специальный буферный регистр (SBUF) приемопередатчика. Запись байта в буфер приводит к автоматической переписи байта в сдвигающий регистр и инициирует начало передачи байта. Наличие буферного регистра приемника позволяет совмещать операцию чтения ранее принятого байта с приемом очередного байта. Если к моменту окончания приема байта предыдущий байт не был считан из SBUF, то он будет потерян. Управление режимом работы УАПП осуществляется через специальный регистр с символическим именем SCON. Этот регистр содержит не только управляющие биты, определяющие режим работы последовательного порта, но и девятый бит принимаемых или передаваемых данных (RB8 и TB8) и биты прерывания приемопередатчика (RI и TI). Таймер/счетчик Два программируемых 16-битных таймера/счетчика (Т/С0 и Т/С1) могут быть использованы в качестве таймеров или счетчиков внешних событий. При работе в качестве таймера содержимое Т/С инкрементируется в каждом машинном цикле. При работе в качестве счетчика содержимое Т/С инкрементируется под воздействием перехода из 1 в 0 внешнего входного сигнала, подаваемого на соответствующий (Т0, Т1) вывод МК51. Так как на распознавание перехода требуется два машинных цикла, то максимальная частота подсчета входных сигналов равна 1/24 частоты резонатора. На длительность периода входных сигналов ограничений сверху нет. Для гарантированного прочтения входного считаемого сигнала он должен удерживать значение 1 как минимум в течение одного машинного цикла. Регистр режима работы таймера/счетчика (TMOD)
СимволПозицияИмя и значение
GATE

TMOD.7

для T/C1

TMOD.3

для T/C0

Управление блокировкой.
C/T

TMOD.6

для T/C1

TMOD.2

для T/C0

Бит выбора режима таймера или счетчика событий.
M1

TMOD.5

для T/C1

TMOD.1

для T/C0

Биты выбора режима работы
M0

TMOD.4

для T/C1

TMOD.0

для T/C0

Структурная схема работы T/C0 (T/C1)

Режимы 0 и 1 (режим 0 для совместимости с МК48 13-ти разрядный) Режим 2 Режим 3 Система прерываний Внешние прерывания INT0 и INT1 могут быть вызваны либо уровнем, либо перепадом сигнала из 1 в 0 на входах МК51 в зависимости от значений управляющих бит IT0 и IT1 в регистре TCON. Прерывания могут быть вызваны или отменены программой, так как все рассмотренные выше флаги прерываний программно-доступны и могут быть установлены/сброшены программой с тем же результатом, как если бы они были установлены/сброшены аппаратурными средствами. В блоке регистров специальных функций есть два регистра, предназначенных для управления режимом прерываний и уровнями приоритета. Их символические имена IE и IP соответственно. Список литературы 1. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтролле­рах / В.В.Сташин, А.В. Урусов, О.Ф. Мологонцева. - М.:Энергоатомиздат, 1990. - 224 с. 2. Кобылинский А.В., Липовецкий Г.П. Однокристальные микроЭВМ серии МК1816 // Микропроцессорные средства и системы. 1986. №1. С.10 3. МикроЭВМ: В 8 кн.: пособие / Под. ред. Л.Н. Преснухина. Кн. 7. Учебные стенды / Ю.И. Волков, В.Л. Горбунов, Д.И. Панфилов, С.Г. Ша­ронин. - М.: Высш. шк., 1988. - 224 с.: ил.