МИКРОКОНТРОЛЛЕР СЕМЕЙСТВА MCS-511. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ СЕМЕЙСТВА MCS-51Основой 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 RST обнуляет : PC и 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 07H в 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)
2. ПРОГРАММНАЯ МОДЕЛЬ MCS-51ТИПЫ КОМАНД MCS-51Почти 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-511. РЕГИСТРОВАЯ АДРЕСАЦИЯ - 8-ми битовый операнд находится в РОНе выбранного (активного) банка регистров;2 НЕПОСРЕДСТВЕННАЯ АДРЕСАЦИЯ (обозначается знаком - # ) - операнд находится во втором (а для 16-ти битового операнда и в третьем) байте команды;3 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;4 ПРЯМАЯ БАЙТОВАЯ АДРЕСАЦИЯ - (dir) - используется для обращения к ячейкам РПД (адреса 00h…7Fh) и к регистрам специальных функций SFR (адреса 80h…0FFh);5 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);6 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);7 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)
0
0
0
00h..07h
0
1
1
08h..0Fh
1
0
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.