Микроконтроллеры семейства mcs-51

Ядром микропроцессорных систем сбора и обработки данных является микроконтроллер. Мировой промышленностью производится ряд семейств микроконтроллеров, отличающихся разрядностью данных и системой команд. В дальнейшем мы будем рассматривать восьмиразрядные микроконтроллеры как наиболее простые и чаще встречающиеся в современных системах сбора и обработки данных. Рассмотрение работы микроконтроллера проведём на основе микроконтроллера семейства МСS-51. Это микроконтроллер, имеющий CISC архитектуру (архитектура с полным набором команд). Наряду с такой архитектурой широко распространены микроконтроллеры с RISC архитектурой (архитектура с сокращённым набором команд).

1. Общие сведения об однокристальных микро ЭВМ семейства МСS-51

Архитектура семейства МСS-51 фирмы Intel в своё время была определена настолько удачно, что является по существу, одним из стандартов “де - факто” на мировом рынке универсальных 8-ми разрядных микроконтроллеров [2].

Архитектура – это совокупность внутренних и внешних программно доступных ресурсов, системы команд, системы прерываний, функций ввода/вывода и протоколов обмена по магистрали.

Архитектура семейства воплощается производителем в виде набора связанных функционально-топологических модулей. Конкретный микропроцессор семейства представляет комбинацию этих модулей, основой которой является операционное ядро [2].

Аналоги этого семейства производятся в России, Белоруссии, Европе (Philips, Siemens), в США (Atmel, SiLabs, Analog Device, Dallas Semiconductors), Китае (Winbond) и Японии.

Общая характеристика базовой модели

В семейство микроконтроллеров входят различные микросхемы микроконтроллеров, обладающих различными ресурсами (наличие таймеров, АЦП, цифроаналоговых преобразователей (ЦАП), усилителей, ШИМ-модуляторов, параллельных портов, последовательных портов, сторожевого таймера, мультиплексоров, мониторов питания, частоты, ресурсов и т. д.) на кристалле. Однако все типы микроконтроллеров обладают ресурсами базовой модели, являющейся наиболее простой. Поэтому рассмотрим работу микроконтроллера на примере базовой модели семейства.

Микроконтроллеры МСS-51 являются функционально завершёнными однокристальными микроЭВМ гарвардской архитектуры (раздельное адресное пространство памяти программ и данных), содержащими все необходимые узлы для работы в автономном режиме, и предназначены для реализации различных цифровых алгоритмов управления. Все микросхемы семейства обладают аналогичной архитектурой и имеют ряд общих узлов.

1. Центральный 8-ми разрядный процессор, ориентированный на управление исполнительными устройствами, имеет встроенную схему 8-ми разрядного аппаратного умножения и деления чисел. Наличие в наборе команд большого количества операций с прямоадресуемыми битами дает возможность говорить о процессоре для работы с битовыми данными (булевом процессоре).

2. Внутренняя (расположенная на кристалле) память программ масочного или перепрограммируемого типа (чаще всего это флэш-ПЗУ), имеющая для различных кристаллов объём от 4 до 32 кб, в некоторых версиях отсутствует.

3. Не менее 128 байтное резидентное (расположенное на кристалле) ОЗУ данных, которое используется для организации регистровых банков, стека и хранения пользовательских данных.

4. Четыре восьмиразрядных порта, содержащих 32 двунаправленные интерфейсные линии, индивидуально настраиваемые на ввод или вывод информации.

5. Два 16-битных многорежимных таймера/счётчика, используемых для подсчёта внешних событий, организации временных задержек, других функций времени и тактирования последовательного порта.

6. Последовательный порт в виде двунаправленного асинхронного приёмопередатчика (UART), предназначенный для организации каналов связи между микроконтроллером и внешними устройствами с широким диапазоном скоростей передачи информации. Имеются средства для аппаратно-программного объединения микроконтроллеров в связанную систему.

7. Приоритетную двух уровневую систему прерываний, поддерживающую не менее 5-ти векторов прерываний от 4-х внутренних и 2-х внешних источников событий.

8. Встроенный тактовый генератор.

Центральный процессор имеет следующие технические характеристики:

1) Разрядность арифметико-логического устройства (АЛУ) - 8 бит;

2) Число выполняемых команд – 111;

3) Длина команд – 1, 2 или 3 байта;

4) Число регистров общего назначения (РОН) – 32;

5) Число прямоадресуемых битовых переменных – 128;

6) Число прямоадресуемых битов в области регистров специальных функций (SFR) – 128;

7) Максимальный объём памяти программ – 64 кб;

8) Максимальный объём внешней памяти данных – 64 кб;

9) Максимальный объём внутренней памяти данных (ОЗУ) – 256 байт;

10) На частоте 12 МГц обеспечивается время выполнения команд:

сложения – 1 мкс, пересылки “регистр – внешняя память данных ” – 2 мкс, умножение/деление – 4 мкс;

11) Методы регистрации операнда: регистровый, косвенный, прямой, непосредственный.

РОНы и определяемые пользователем программно управляемые флаги расположены в адресном пространстве внутреннего ОЗУ данных.