Микроконтроллеры MCS–51. Cтруктурная схема, АЛУ, память данных

Базовая версия MCS–51 Краткие сведения. Современные 8–разрядные микроконтроллеры (МК) обла­дают такими ресурсами управления в режиме реального времени, для получения которых раньше использовались дорогие многокристальные компоновки в виде отдельных плат микроЭВМ, A именно:

? имеют достаточную емкость памяти, физическое и логическое ее разделение на память программ и память данных (гарвардскую архитектуру) и систему команд, ориентированную на выполнение алгоритмов управления;

? включают в себя все устройства (процессор, ПЗУ, ОЗУ, порты ввода–вывода, систему прерываний, средства обработки битовой информации и др.), необ­ходимые для реализации микропроцессорной системы управления мини­мальной конфигурации. В 70–е годы прошлого столетия фирмой Intel разработан и освоен промыш­ленный выпуск семейства 8–разрядных микроконтроллеров MCS–48, объединен­ных рядом общих признаков (разрядностью, системой команд, набором основных функциональных блоков и др.). Базовая версия этого семейства включает в себя:

? 8–разрядный процессор;

? внутреннюю память программ (1/2/4К байт);

? внутреннюю память данных (64/128/256 байт);

? до 27 внутренних и 16 внешних линий ввода–вывода;

? один 8–разрядный таймер–счетчик;

? одноуровневую систему прерываний с двумя источниками запросов. В 1980 г. той же фирмой было разработано новое семейство восьмиразрядных микроконтроллеров MCS–51, которое совместимо с архитектурой семейства MCS–48, но обладает более широкими возможностями.

Архитектура семейства MCS–51 оказалась настолько удачной, что и по настоящее время является одним из стандартов 8–разрядных МК. Поэтому объектом изучения выбраны МК этого семейства, получившие широкое распространение в сравнительно простых си­стемах управления.

Для семейства MCS–51 разработаны различные средства подготовки программ (компиляторы, аппаратно–программные эмуляторы и др.) и имеется большое число библиотек стандартных подпрограмм. В состав семей­ства входят разнообразные модификации микросхем (версии кристаллов) микро­контроллеров. В статьях этого раздела достаточно подробно рассматривается базовая версия микроконтроллеров семейства MCS–51 (микросхеме 8051 соответствует отече­ственный аналог КP1816ВЕ51), наиболее простая в структурно–функциональном плане и с точки зрения понимания.

Последующие серии микросхем, сохраняя со­вместимость с базовой версией, отличаются от нее улучшенной технологией из­готовления, электрическими параметрами, дополнительными аппаратными сред­ствами и функциональными возможностями. Структурно–функциональным осо­бенностям последующих модификаций микросхем семейства MCS–51 посвящены следующие статьи. Обобщенная структурная схема MCS–51. В состав МК, обобщенная струк­турная схема которого приведена на рис. 7.1.1, входят:

? 8–разрядный центральный процессор ЦП, состоящий из АЛУ, устройства уп­равления УУ и формирователя адреса ФА;

? масочное ПЗУ емкостью 4К байта для хранения программ;

? ОЗУ емкостью 128 байт для хранения данных;

? четыре программируемых порта Р0–Р3 для ввода–вывода информации;

? блок последовательного интерфейса БПИ для обмена информацией с внеш­ними устройствами по двухпроводной линии;

? блок таймеров/счетчиков БT/C для поддержания режима реального времени;

? блок прерываний БП для организации прерываний исполняемых программ. Эти средства образуют резидентную часть микроконтроллера, размещенную непосредственно на кристалле. В состав МК входит большое число регистров, которые отнесены к отдельным функциональным блокам и на схеме не показаны.

На схеме также не показаны цепи управления. Двусторонний обмен информацией между блоками осуществляется по внутренней 8–разрядной шине данных ШД–8.

По внутренней 16–разрядной шине адреса ША–16 сформированный в ЦП адрес выводится в ПЗУ (12 разрядов адреса) и в ОЗУ (8 младших разрядов).

При ис­пользовании внешней памяти в порт Р0 выводятся 8 младших разрядов адреса и в порт P2 — 3 или 8 старших разрядов.

Для логического расширения интерфейса исполь­зуется совмещение функций линий портов. В качестве примера на рис. 7.1.1 пунктиром показаны линии порта Р3, выполняющие аль­тернативные функции передачи управляющих сигналов, о назначении которых будет сказано ниже. Для создания внутреннего тактового ге­нератора к выводам микросхемы МК подклю­чаются кварцевый резонатор и два конденса­тора (рис. 7.1.1). Вместо внутреннего тактово­го генератора для синхронизации можно ис­пользовать внешний источник колебаний. Условное графическое обозначение мик­росхемы МК приведено на рис. 7.1.2, обозна­чение и назначение выводов — в табл. 7.1.1. Рассмотрим функциональные блоки МК и принцип их работы. Арифметическо–логическое устройство. Арифметическо–логическое уст­ройство предназначено для выполнения арифметических (включая умножение и деление) и логических операций над восьмиразрядными операндами, A также операций логического сдвига, обнуления, установки и др. Структурная схема АЛУ приведена на рис. 7.1.3.

В состав АЛУ входят

? параллельный восьмиразрядный сумматор SМ комбинационного типа с по­следовательным переносом, выполняющий арифметические (сложение и вы­читание) и логические (сложение, умножение, неравнозначность и тожде­ственность) операции;

? аккумулятор A, обеспечивающий функции основного арифметического ре­гистра;

? регистр В, используемый для реализации операций умножения и деления или как дополнительный сверхоперативный регистр, функции которого определя­ет пользователь;

?регистры (программно недоступные) временного хранения РВХ1, РВХ2, предназначенные для приема и хранения операндов на время выполнения операции;

? ПЗУ констант ПЗУК, хранящее корректирующий код для двоично–десятичного представления данных, код маски при битовых операциях и код констант;

? регистр слова состояния программы PSW, фиксирующий состояние АЛУ по­сле выполненной операции. В табл. 7.1.2 приведены сведения о назначении битов отдельных разрядов регистра PSW. Устройство управления. Устройство управления (УУ) центрального процес­сора предназначено для координации совместной работы всех узлов МК с по­мощью вырабатываемых синхроимпульсов и управляющих сигналов. В его состав входят (рис. 7.1.4):

? узел синхронизации и управления УСУ, который формирует синхроимпульсы, задающие машинные циклы и их отдельные состояния (S) и фазы (Р), и в за­висимости от режима работы МК вырабатывает необходимый набор управля­ющих сигналов. На выполнение команды отводится один, два или четыре ма­шинных цикла.

Каждый машинный цикл имеет шесть состояний S1–S6, A каж­дое состояние включает в себя две фазы P1, P2, длительность которых составляет период колебаний тактового генератора T_0SC.

Длительность ма­шинного цикла равна 12T_0SC. Все машинные циклы одинаковые, начинаются с фазы S1P1 и заканчиваются фазой S6P2.

Помимо синхроимпульсов устрой­ство синхронизации в каждом машинном цикле формирует два (иногда один) сигнала стробирования младшего байта адреса ALE в виде положительного импульса в фазах S1P2–S2P1 и S4P2–S5P1. Временные диаграммы на рис. 7.1.5 иллюстрируют организацию машинных циклов;

? регистр команд РК, дешифратор команд ДК и ПЛМ, позволяющие в каждом машинном цикле сформировать набор микроопераций в соответствии с мик­ропрограммой выполняемой команды;

? логика ввода–вывода ЛВВ для приема и выдачи сигналов, обеспечивающих обмен информацией МК с внешними устройствами через порты Р0–Р3;

? регистр PCON, имеющий единственный задействованный бит SMOD в пози­ции PCON.7 для удвоения скорости передачи данных через последователь­ный порт. Остальные биты зарезервированы для дальнейшего использования. Формирователь адреса. Формирователь адреса (ФА), или счетчик команд РС, предназначен для формирования текущего 16–разрядного адреса программной памяти и 8/16–разрядного адреса внешней памяти данных. В его состав входят (рис. 7.1.6):

? 16–разрядный буфер Б, осуществляющий связь между 8–разрядной шиной данных ШД и 16–разрядной внутренней шиной (ВШ) формирователя адреса;

? схема инкремента СИ для увеличения значения текущего адреса памяти программ на единицу;

? регистр для хранения текущего адреса команд РТА, поступающего из СИ;

? регистр указателя данных DPTR, состоящий из двух 8–разрядных регистров DPHи DPL. Он служит для хранения 16–разрядного адреса внешней памяти данных и может быть использован в качестве двух независимых программно доступных РОН;

? регистр формирователя адреса РФА для хранения исполнительного 16–раз­рядного адреса памяти программ или 8/16–разрядного адреса внешней памяти данных. Этот регистр используется также для передачи данных че­рез порт Р0 во внешние устройства при выполнении команд MOVX @Rm, A и MOVX @DPRT, A.

Память данных. Память данных предназначена для приема, хранения и выда­чи информации, используемой в процессе выполнения программы. Внутренняя (резидентная) память (рис. 7.1.7) данных состоит из ОЗУ ем­костью 128 байт, указателя стека SP, регистра адреса ОЗУ РА и дешифратора Дш. Указатель стека SP представляет собой 8–разрядный регистр, предназ­наченный для приема и хранения адре­са ячейки стека, к которой было после­днее обращение. После сброса в ука­зателе стека устанавливается адрес 07Н, что соответствует началу стека с адресом 08Н. Регистр адреса РА совместно с дешифратором Дш позволяет осуществить доступ к требуемой ячейке памяти, содержащей байт или бит информации.

В МК предусмотрена возможность увеличения объема памяти данных до 64 Кбайт путем подключения внешних запоминающих устройств. В качестве при­мера на рис. 7.1.8 показана страничная организация внешней памяти данных ВПД емкостью 2К байт с использованием команд типа MOVX @Rm(m = 0; 1). При этом порт Р0 работает как мультиплексированная шина адрес/данные, три линии порта P2 используются для адресации страницы внешнего ОЗУ, A остальные пять линий могут быть задействованы в качестве линий ввода–вывода. На рис. 7.1.9 приведены временные диаграммы циклов чтения и записи при работе МК с внешним ОЗУ. На диаграммах обозначено:

? PCL OUT — выдача младшего байта счетчика команд PC;

? РСН — старший байт счетчика команд PC;

? DPL, DPH — младший и старший байты регистра указателя данных DPTR, ко­торый используется в качестве регистра для косвенной адресации в коман­дах MOVX @DPTR,A и MOVX A,@DPTR;

? P2 SFR — защелки порта P2;

? Rm (m = 0, 1) — регистры, используемые в командах MOVX @Rm, A и MOVX A, @Rm в качестве регистров косвенного адреса;

? Z — высокоомное состояние;

? D — период, в течение которого данные из порта Р0 вводятся в микроконт­роллер. Память программ. Память программ предназначена для хранения программ, имеет свое (отдельно от памяти данных) адресное пространство и доступна толь­ко для чтения. В ее состав входит дешифратор Дш и ПЗУ (рис. 7.1.10). Для адресации памяти программ используется 16–разрядный счетчик РС, поэтому ее максимальная ем­кость составляет 64К байта. Внутренняя память про­грамм состоит из ПЗУ емкостью 4К байт и 12–разрядного дешифратора. Внешняя память подключается по схеме на рис. 7.1.11. Если на вывод ?EA МК подается 0 В (как показано на рис. 7.1.11), внутренняя память программ отключается. Все обращения к памяти начинаются с адреса 0000h. При подключении вывода ?ЕА к источнику питания обращение к внутренней памя­ти программ по адресам 0000h–FFFFh и к внешней памяти программ по адресам 0FFFh–FFFFhпроисходит автоматически.

Для чтения внешней памяти программ МК вырабатывается сигнал ?PSEN. При работе с внутренней памятью сигнал чтения не ис­пользуется. При обращениях к внешней па­мяти программ всегда формируется 16–раз­рядный адрес. Младший байт адреса передается через порт Р0 в первой половине машинного цикла и фиксируется по срезу строба АLЕ в реги­стре Во второй половине цикла порт Р0 используется для ввода в МК байта данных из внешней памяти.

Старший байт адреса передается через порт P2 в течение всего времени обращения к памяти.

Временные диаграммы циклов чтения и записи при работе МК с внешним ОЗУ приведены на рис. 7.1.12. На диаграммах обозначено:

? PCL OUT — выдача младшего байта счетчика команд PC;

? РСН OUT — выдача старшего байта счетчика команд PC;

? DPH — старший байт регистра указателя данных DPTR, который используется в качестве регистра для косвенной адресации в командах MOVX @DPTR,A и MOVX A,@DPTR;

? P2 SFR — защелки порта P2;

? INS IN — ввод байта инструкции (команды) из памяти программ;

? ADDR OUT — выдача младшего байта адреса внешней памяти данных из ре­гистров Rm (m = 0, 1) или из регистра DPL (младшего регистра DPTR). Порты ввода–вывода. Назначение портов. Порты Р0, P1, P2, Р3 пред­назначены для обмена информацией между МК и внешними устройствами, A так­же для выполнения следующих функций:

? через порт Р0 выводится младший байт адреса А7…A0; выводится из МК и вводится в МК байт данных при работе с внешней памятью программ и внеш­ней памятью данных (с разделением во времени);

? через порт P2 выводится старший байт адреса A15…А8 при работе с внеш­ней памятью программ и внешней памятью данных (только при использова­нии команд MOVX A,@DPTR и MOVX @DPTR,A);

? линии порта Р3 могут быть задействованы на выполнение альтернативных функций, если в фиксатор–защелку этой линии занесена 1, в противном слу­чае на выводе линии фиксируется 0. Альтернативные функции выводов порта P3 приведены в табл. 7.1.3.

Схемные особенности портов

На рис. 7.1.13 показаны схемы для од­ного канала каждого из портов МК, включающего в себя:

? защелку для фиксации принимаемого бита данных;

? выходной усилительный каскад (драйвер);

? узел связи с выходным каскадом (за исключением P2);

? цепь для передачи бита данных со стороны вывода порта, состоящую из бу­феров В2 и В3 (для порта Р4). Защелкой служит D–триггер, тактируемый внутренним сигналом «Запись в за­щелку». Бит данных с прямого выхода D–триггера может быть считан программно через буфер В1 сигналом «Чтение защелки» на линию внутренней шины данных (ШД) МК.

Выходной каскад порта Р0 представляет собой инвертор, особенности кото­рого проявляются в том, что нагрузочный транзистор VT2 открывается только при обращениях к внешней памяти (при передаче через порт адреса и данных). Во всех других режимах нагрузочный транзистор закрыт. Поэтому для использования Р0 (рис. 7.1.13, а) в качестве выходного порта общего назначения к его выводам необходимо подключить внешние нагрузочные резисторы. При записи 1 в защел­ку порта инверторный транзистор VT1 запирается и внешний вывод порта Р0.Х переводится в высокоомное состояние. В этом режиме вывод порта Р0.Х может служить входом. Если порт Р0 используется как порт ввода/вывода общего на­значения, каждый из его выводов Р0.Х может независимо от других работать как вход или как выход. Выходные каскады портов P1, P2, Р3 (рис. 7.1.13, б, в, г) выполнены по схемам инверторов с внутренним нагрузочным резистором, в качестве которого исполь­зован транзистор VT2.

Для уменьшения времени переключения при переходе выводов портов из состояния 0 в состояние 1 параллельно нагрузочному транзи­стору VT2 введен дополнительный транзистор VT3. Транзистор VT3 с помощью элементов в цепи затвора отпирается на время, равное двум периодам колеба­ний задающего кварцевого генератора (в течение фаз S1P1, S2P2 машинного цикла). Выходные каскады портов Р0, P2 (рис. 7.1.13, A, в) с помощью мультиплексора MX могут быть подключены либо к защелкам, либо к внутренним шинам «Адрес/ данные» и «Адрес». Выходной каскад порта P1 (рис. 7.1.13, 6) постоянно подклю­чен к защелке.

Если вывод порта Р3 является выходом и его защелка содержит 1, то его вы­ходным каскадом управляет аппаратно внутренний сигнал «Альтернативная функ­ция выхода», обеспечивающий выполнение соответствующей альтернативной функции, т.е. на внешнем выводе формируется один из сигналов ?WR,?RD или RxD. Если же вывод порта задействован на вход, то поступающий на него альтер­нативный сигнал (TxD, ?INT0, ?INT1, Т0, Т1) передается на внутреннюю линию «Аль­тернативная функция входа».

Режим записи в порт.

При выполнении команды записи в порт новое зна­чение записывается в защелку в фазе S6P2 и выводится непосредственно на вы­ходной контакт порта в фазе S1P1 следующего машинного цикла.

Режим чтения порта

Команды чтения портов считывают информацию не­посредственно с внешних контактов выводов порта или с выходов защелок. В первом случае бит данных с вывода порта считывается программно через буфер В2 сигналом «Чтение выводов» на линию внутренней шины данных (ШД) МК. Отметим, что сигналы «Запись в защелку», «Чтение защелки», «Чтение выво­дов» вырабатываются аппаратно при выполнении соответствующих команд.

Во втором случае реализуется так называемый режим «Чтение—Модифика­ция—Запись», в котором команда считывает сигнал состояния защелки, при не­обходимости модифицирует его и затем записывает обратно в защелку. Режим «Чтение—Модификация—Запись» реализуется при выполнении следующих команд: ANL, ORL, XRL, JBC; CPL; INC; DEC; DJNC; MOV PX,Y; CLR PX.Y; SETB PX,Y.

Чтение информации с выходов защелок позволяет исключить ошибки при интер­претации логического уровня на выводе порта. Продолжение статьи читайте во второй части.