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
Символ
Наименование
Адрес
ACC
Аккумулятор
0E0H
B
Регистр-расширитель аккумулятора
0F0H
PSW
Слово состояния программы
0D0H
SP
Регистр-указатель стека
81H
DPRT
Регистр-указатель данных (DPH)
83H
(DPL)
82H
P0
Порт 0
80H
P1
Порт 1
90H
P2
Порт 2
0A0H
P3
Порт 3
0B0H
IP
Регистр приоритетов
0B8H
IE
Регистр маски прерываний
0A8H
TMOD
Регистр режима таймера/счетчика
89H
TCON
Регистр управления/статуса таймера
88H
TH0
Таймер 0 (старший байт)
8CH
TL0
Таймер 0 (младший байт)
8AH
TH1
Таймер 1 (старший байт)
8DH
TL1
Таймер 1 (младший байт)
8BH
SCON
Регистр управления приемопередатчиком
98H
SBUF
Буфер приемопередатчика
99H
PCON
Регистр управления мощностью
87H
Формат слова состояния программы (PSW)
Символ
Позиция
Имя и значение
C
PSW.7
Флаг переноса. Устанавливается и аппаратурными средствами или программой при выполнении арифметических и логических операций
AC
PSW.6
Флаг вспомогательного переноса. Устанавливается и сбрасывается только аппаратурными средствами при выполнении команд сложения и вычитания и сигнализирует о переносе или заеме в бите 3
F0
PSW.5
Флаг 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
OV
PSW.2
Флаг переполнения. Устанавливается и сбрасывается аппаратно при выполнении арифметических операций
-
PSW.1
Не используется
P
PSW.0
Флаг 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)
Символ
Позиция
Имя 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)
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.