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.