Реферат: Микроконтроллер семейства MCS-51
МИКРОКОНТРОЛЛЕР СЕМЕЙСТВА MCS–51
1. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ СЕМЕЙСТВА MCS–51
Основой микроконтроллера (см. рис. 1) является 8–ми битовое Арифметическо–Логическое устройство (АЛУ). Память МК имеет Гарвардскую архитектуру, т.е. логически разделена: на память программ – ПП (внутреннюю или внешнюю), адресуемую 16–ти битовым счетчиком команд (СК) и память данных – внутреннюю (Резидентная память данных – РПД) 128 (или 256) байт, а также внешнюю (Внешняя память данных – ВПД) до 64 Кбайт. Физически память программ реализована на ПЗУ (доступна только по чтению), а память данных – на ОЗУ (возможна запись и чтение данных).
Прием и выдача внешних сигналов осуществляется через 4 восьмибитовых порта Р0… Р3. При обращении к внешней памяти программ (ВПП) или памяти данных (ВПД) порты Р0 и Р2 используются как мультиплексированная внешняя шина Адрес/Данные. Линии порта Р3 могут выполнять также альтернативные функции (см. табл. 1).
16–ти битовый регистр DPTR формирует адрес ВПД или базовый адрес Памяти программ в команде преобразования Аккумулятора. Регистр DPTR может также использоваться как два независимых 8–ми битовых регистра (DPL и DPH) для хранения операндов.
8–ми битовый внутренний регистр команд (РК) принимает код выполняемой команды; этот код дешифрируется схемой управления, которая генерирует управляющие сигналы (см. рис. 1).
Обращение к регистрам специальных функций – РСФ (SFR – на рис. 1 они обведены пунктирной линией) возможно только с использованием прямой байтовой адресации в диапазоне адресов от 128 (80h) и более.
/>
Резидентная память данных (РПД) в первых моделях микроконтроллеров семейства MCS–51 имела объем 128 байт. Младшие 32 байта РПД являются одновременно и регистрами общего назначения – РОН (4 банка по 8 РОНов). Программа может обратиться к одному из 8–ми РОНов активного банка. Выбор активного банка РОНов осуществляется программированием двух бит в регистре состояния процессора – PSW.
Таблица 1 – Назначение выводов MCS–51
№ выв.
Обозначение
Назначение
1..8
Р1[0..7]
8–ми битовый квазидвунаправленный порт ввода/вывода
9
RST
Сигнал сброса (активный уровень – высокий);
Сигнал RSTобнуляет: PCи большинство Регистров Специальных Функций (SFR), запрещая все прерывания и работу таймеров; выбирает Банк РОНов 0; записывает в порты Р0_Р3 «все единицы», подготавливая их на ввод; записывает код 07Hв указатель стека (SP);
10..17
P3[0..7]
P3[0]
P3[1]
P3[2]
P3[3]
P3[4]
P3[5]
P3[6]
P3[7]
8–ми битовый квазидвунаправленный порт ввода/вывода; после записи в соответствующий разряд «1» – выполняет дополнительные (альтернативные) функции:
Вход последовательного порта – RxD;
Выход последовательного порта – TxD;
Вход внешнего прерывания 0 – ~INT0;
Вход внешнего прерывания 1 – ~INT1;
Вход таймера/счетчика 0 – Т0;
Вход таймера/счетчика 1 – Т1;
Выход строб. сигнала при записи в ВПД – ~WR;
Выход строб. сигнала при чтении из ВПД – ~RD;
18, 19
X1, X2
Выводы для подключения кварцевого резонатора или LC–контура;
20
GND
Общий вывод;
21..28
P2[0..7]
8–ми битовый квазидвунаправленный порт ввода /вывода; или выход адреса A[8_15] в режиме работы с внешней памятью (ВПП или ВПД);
29
PME
Строб чтения Внешней Памяти Программ, выда–ется только при обращении к внешнему ПЗУ;
30
ALE
Строб адреса Внешней памяти (ВПП или ВПД);
31
ЕА
Отключение РПП, уровень «0» на этом входе пе–реводит МК на выборку команд только из ВПП;
39..32
Р0[0..7]
8–ми битовый двунаправленный порт ввода/ вывода; при обращении к Внешней Памяти выдает адреса A[0_7] (которые записываются во внешний регистр по сигналу ALE), а затем обменивается байтом синхронно с сигналом ~PME (для команд) или ~WR,~RD (для данных в ВПД), при обращении к Внешней Памяти в регистр порта Р0 записываются все единицы, разрушая хранимую там информацию;
40
Ucc
Вывод напряжения питания
Переключение банков РОНов упрощает выполнение подпрограмм и обработку прерываний, т.к. не нужно пересылать в стек содержимое РОНов основной программы при вызове подпрограммы (достаточно в подпрограмме перейти в другой активный банк РОНов).
Обращение к РПД возможно с использованием косвенной или прямой байтовой адресации (прямая байтовая адресация позволяет обратиться только к первым 128-ми байтам РПД).
Расширенная область РПД (у микроконтроллеров семейства MCS-52 и последующих семейств) с адреса 128 (80h) до 255 (FFh) может адресоваться только с использованием косвенного метода адресации.
Таблица 2 – Блок Регистров Специальных Функций (s f r)
Адрес
dir
Мнемо–код
Наименование
0E0h
* ACC
Аккумулятор
0F0h
* B
Регистр расширитель аккумулятора
0D0h
* PSW
Слово состояния процессора
0B0h
* P3
Порт 3
0A0h
* P2
Порт 2
90h
* P1
Порт 1
80h
* P0
Порт 0
0B8h
* IP
Регистр приоритетов прерываний
0A8h
* IE
Регистр маски прерываний
99h
SBUF
Буфер последовательного приемо–передатчика
98h
* SCON
Регистр управления/статуса последовательного порта
89h
TMOD
Регистр режимов таймеров/счетчиков
88h
* TCON
Регистр управления/статуса таймеров/счетчиков
8Dh
TH1
Таймер 1 (старший байт)
8Bh
TL1
Таймер 1 (младший байт)
8Ch
--PAGE_BREAK--TH0
Таймер 0 (старший байт)
8Ah
TL0
Таймер 0 (младший байт)
83h
DPH
Регистр–указатель данных (DPTR) (старший байт)
82h
DPL
Регистр–указатель данных (DPTR) (младший байт)
81h
SP
Регистр–указатель стека
87h
PCON
Регистр управления мощностью потребления
2. ПРОГРАММНАЯ МОДЕЛЬ MCS–51
/>
/>
ТИПЫ КОМАНД MCS–51
Почти половина команд выполняется за 1 машинный цикл (МЦ). При частоте кварцевого генератора 12 МГц время выполнения такой команды – 1 мкс. Остальные команды выполняются за 2 машинных цикла, т.е. за 2мкс. Только команды умножения (MUL) и деления (DIV) выполняются за 4 машинных цикла.
За время одного машинного цикла происходит два обращения к Памяти Программ (внутренней или внешней) для считывания двух байтов команды или одно обращение к Внешней Памяти Данных (ВПД).
3. МЕТОДЫ (СПОСОБЫ) АДРЕСАЦИИ MCS–51
РЕГИСТРОВАЯ АДРЕСАЦИЯ – 8–ми битовый операнд находится в РОНе выбранного (активного) банка регистров;
НЕПОСРЕДСТВЕННАЯ АДРЕСАЦИЯ (обозначается знаком – # ) – операнд находится во втором (а для 16–ти битового операнда и в третьем) байте команды;
КОСВЕННАЯ АДРЕСАЦИЯ (обозначается знаком – @ ) – операнд находится в Памяти Данных (РПД или ВПД), а адрес ячейки памяти содержится в одном из РОНов косвенной адресации (R0 или R1); в командах PUSH и POP адрес содержится в указателе стека SP; регистр DPTR может содержать адрес ВПД объемом до 64К;
ПРЯМАЯ БАЙТОВАЯ АДРЕСАЦИЯ – (dir) – используется для обращения к ячейкам РПД (адреса 00h…7Fh) и к регистрам специальных функций SFR (адреса 80h…0FFh);
ПРЯМАЯ БИТОВАЯ АДРЕСАЦИЯ – (bit) – используется для обращения к отдельно адресуемым 128 битам, расположенным в ячейках РПД по адресам 20H…2FH и к отдельно адресуемым битам регистров специальных функций (см. табл. 3 и программную модель);
КОСВЕННАЯ ИНДЕКСНАЯ АДРЕСАЦИЯ (обозначается знаком – @ )– упрощает просмотр таблиц в Памяти Программ, адрес ПП определяется по сумме базового регистра (PC или DPTR) и индексного регистра (Аккумулятора);
НЕЯВНАЯ (ВСТРОЕННАЯ) АДРЕСАЦИЯ – в коде команды содержится неявное (по умолчанию) указание на один из операндов (чаще всего на Аккумулятор).
4. ФОРМАТ СЛОВА СОСТОЯНИЯ ПРОЦЕССОРА (PSW)
/>
C – флаг переноса (CARY) или заема, выполняет также функции «булевого Аккумулятора» в командах, оперирующих с битами;
AC – флаг вспомогательного (дополнительного) переноса – устанавливается в «1», если в команде сложения (ADD, ADDC) был перенос из младшей тетрады в старшую (т.е. из 3-го бита в 4-й бит);
F0 – флаг пользователя – устанавливается, сбрасывается и проверяется программно;
RS1
RS0
Банк
Адрес (dir)
00h..07h
1
1
08h..0Fh
1
2
10h..17h
1
1
3
18h..1Fh
RS1,RS0 – Выбор банка регистров:
OV – Флаг арифметического переполнения; его значение определяется операцией «Исключающее ИЛИ» сигналов входного и выходного переносов старшего разряда АЛУ; единичное значение этого флага указывает на то, что результат арифметической операции в дополнительном коде вышел за допустимые пределы: –128…+127; при выполнении операции деления флаг OV сбрасывается, а в случае деления на ноль – устанавливается; при умножении флаг OV устанавливается, если результат больше 255 (0FFH);
Разряд PSW[1] – Резервный, содержит триггер, доступный по записи или чтению;
P – флаг паритета – является дополнением количества единичных битов в аккумуляторе до четного; формируется комбинационной схемой (программно доcтупен только по чтению).
В микроконтроллерах MCS-51 отсутствует флаг "Z". Но в командах условного перехода (JZ, JNZ) проверяется комбинационной схемой текущее (нулевое или ненулевое) содержимое Аккумулятора.
Все команды пересылок и обмена операндов могут осуществляться через Аккумулятор (см. рис. 3). Причем пересылки из/в Внешней Памяти (Памяти Программ или Памяти Данных) могут осуществляться только через Аккумулятор.
Большинство пересылок могут осуществляться также через прямоадресуемый байт (dir). Существуют даже пересылки dir – dir (см. рис. 3).
Отсутствующие пересылки из РОНа в РОН могут быть реализованы как пересылки из РОНа в прямоадресуемый байт dir (с учетом того, что РОНы расположены в начальной области Резидентной Памяти Данных, ячейки которой могут адресоваться как dir).
Команды обмена XCH позволяют пересылать байты без разрушения обоих операндов.
Арифметические команды выполняются только в Аккумуляторе. Поэтому первый операнд необходимо предварительно поместить в Аккумулятор и потом сложить или вычесть второй операнд. Результат помещается в Аккумулятор.
/>
Команда вычитание SUBB выполняется только с заемом (т.е. из результата вычитается и флаг Сary). Поэтому для выполнения команды вычитания без заема необходимо предварительно выполнить команду очистки флага С (CLR C).
Команда умножения однобайтовых операндов – MUL AB – размещает двухбайтовый (16 бит) результат: младший байт – в Аккумулятор, старший байт – в регистр В.
Результат выполнения команды деления однобайтовых операндов – DIV AB – помещается: частное – а Аккумулятор, остаток – в регистр В.
Арифметическая команда INC добавляет к выбранному операнду единицу. Арифметическая команда DEC вычитает из выбранного операнда единицу. Команда десятичной коррекции Аккумулятора ( DA A ) помогает складывать двоично-десятичные числа (BCD-числа) без перевода их в шестнадцатеричный формат (hex-формат). Исходные операнды должны быть обязательно в BCD-формате, т.е. в каждой тетраде одного байта находятся только числа от 0 до 9 (там не могут быть шестнадцатеричные числа: A, B, C, D, E, F). Поэтому в одном байте могут находиться числа от 00 до 99 для упакованных BCD-чисел или числа от 0 до 9 для неупакованных BCD-чисел.
Команда DA A – десятичной коррекции выполняет действия над содержимым Аккумулятора после сложения BCD-чисел в процессоре (числа складывались по законам шестнадцатеричной арифметики) следующим образом (см. пример):
/>
если содержимое младшей тетрады Аккумулятора больше 9 или установлен флаг вспомогательного переноса (AС = 1), то к содержимому Аккумулятора добавляется 6 (т.е. недостающие шесть цифр в hex-формате);
если после этого содержимое старшей тетрады Аккумулятора больше 9 или установлен флаг C, то число 6 добавляется к старшей тетраде Аккумулятора.
Команду десятичной коррекции DA A не применяют после команды инкремента (INC), потому что команда инкремента не влияет (не изменяет) на флаги С и АС.
Логические команды:
логическое «И» – ANL,
логическое «ИЛИ» – ORL,
логическая команда «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» – XRL – выполняются в Аккумуляторе (как и арифметические), но имеется возможность выполнить логические команды также и в прямоадресуемом байте (dir). При этом второй операнд может быть:
в Аккумуляторе или
непосредственный операнд в команде.
Команды вращения (RR A, RL A) и команды вращения через флаг CARY (RRC A, RLC A) циклически сдвигают содержимое Аккумулятора на 1 бит.ресылки битовых операндов осуществляются только через флаг С.