2. Микроконтроллеры семейства mcs51

В настоящее время различными фирмами выпускается множество модификаций и аналогов этого семейства, как фирмой Intel, так и другими производителями, тактовая частота и объем памятивозросли в десятки раз и продолжают повышаться. Дополняется и набор встроенных в БИС модулей, в большое число современных моделей встроен рези- дентный быстродействующий АЦП, имеющий до 12, а сейчас может быть и более разря- дов. Но в основе семейства МСS51 БИС 8051, 80С51, 8751, 87С51, 8031, 80С31 фирмы Intel, первые образцыкоторыхбыли выпущеныв 1980 году.

Микроконтроллеры семейства MCS51 выполнены по высококачественной n-МОП технологии (серия 8ХХХ, аналог - серия 1816 в России и Белоруссии) и k-МОП техноло- гии (серия 8ХСХХ, аналог - серия 1830). Второй символ, следующий за 8 означает: 0 – РПЗУ на кристалле нет, 7 – РПЗУ объемом 4К с ультрафиолетовым стиранием. Третий символ: 3 – ПЗУ накристалленет, 5 – если нетРПЗУ, то на кристалле масочное ПЗУ.

И так 80С51 – БИС по k-МОП технологии с масочным ПЗУ на кристалле, 8031 – БИС n-МОП без памяти программ (ПЗУ, РПЗУ) на кристалле, 8751 – БИС n-МОП с ре- зидентным (размещенным на кристалле) РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием. Мы да- лее и будем рассматривать БИС 8751, делая, если нужно оговорки об отличиях других схем, приводя те параметры, которые были опубликованы для первых серийных БИС. Дополнительную информацию о всех современных модификациях Вы, при необходимо- сти, можете найти в фирменных справочниках и технической документации.

А. Общие характеристики и назначение выводов

Основу семейство MCS51 составляет пять модификаций МК (имеющих идентич- ные основные характеристики), основное различие между которыми состоит в реали- зации памяти программ и мощности потребления (см. таблицу 3.1). Микроконтоллер восьмиразрядный, т.е. имеет команды обработки восьмиразрядных слов, имеет Гарвард- скую архитектуру, тактовая частота у базовых образцов семейства составляет 12 МГц.

Таблица 3.1.

Микро- схемы	Внутренняя память про- грамм, байт	Тип памяти программ	Внутренняя память данных, байт	Тактовая частота, МГц	Ток потреб- ления, мА
8031	-	внешняя	128	12,0	150,0
8051	4К	ПЗУ	128	12,0	150,0
8751	4К	РПЗУ	128	12,0	220,0
80С31	-	внешняя	128	12,0	18,0
80С51	4К	ПЗУ	128	12,0	18,0

МК 8051 и 80С51 содержат масочно-программируемое при изготовлении кристалла ПЗУ памяти программ емкостью 4096 байт и рассчитаны на применение в массовой продукции. МК 8751 содержит РПЗУ емкостью 4096 байт с ультрафиолетовым стиранием и удобна на этапе разработки системы при отладке программ, а также при производстве не- большими партиями или при создании систем, требующих в процессе эксплуатации пе-

риодической подстройки.

МК 8031 и 80С31 не содержат встроенной памяти программ. Они, как и описанные ранее модификации могут использовать до 64 Кбайт внешней памяти программ и эффек- тивно использоваться в системах, требующих существенно большего по объему (чем 4 Кбайт на кристалле) ПЗУ памяти программ.

Каждый МК семейства содержит резидентную память данных емкостью 128 байт с возможностью расширения общего объема оперативной памяти данных до 64 Кбайт за счет использования внешних ИС ОЗУ.

МК содержат все узлы, необходимые для автономной работы:

1. центральный восьмиразрядный процессор;

2. память программ объемом 4 Кбайт (только 8751 и 87С51);

3. память данных объемом 128 байт;

4. четыре восьмиразрядных программируемых порта ввода-вывода;

5. два 16-битовых многорежимных таймера/счетчика;

6. систему автовекторных прерываний с пятью векторами и двумя программно управ- ляемыми уровнями приоритетов;

7. последовательный интерфейс, включающий универсальный дуплексный приемопе- редатчик, способный функционировать в четырех режимах;

8. тактовый генератор.

Система команд МК содержит 111 базовыхкомандс форматом1, 2, или 3 байта. Микроконтроллер имеет:

• 32 регистра общего назначения РОН, организованных как четыре банка по восемь регистров с именами R0… R7, выбор того или иного банка определяется программой пу- тем установки соответствующих бит в регистре состояния программы PSW;

• 128 программно-управляемых флагов (битовый процессор, см. далее);

• набор регистров специальных функций, управляющих элементами МК. Существуют следующие режимы работы микроконтроллера:

1). Общий сброс. 2).Нормальное функционирование. 3).Режим пониженно- го энергопотребления и режимхолостого хода. 4). Режим программирования ре- зидентного РПЗУ, если оно есть.

Мы здесь основное внимание уделим первым двум режимам работы, подробное описаниесоставаи работыМКвовсех режимахприведено в приложенииП1.

РОН и зона битового процессора расположены в адресном пространстве рези- дентной ОЗУ с адресами от 0 до80h.

В верхней зоне адресов резидентной оперативной памяти расположены регистры спе- циальных функций (SFR, Special Function Registers). Их назначение приведено в табл. 3.2.

Таблица 3.2.

Обозначение	Наименование	Адрес
* АСС	Аккумулятор	Е0Н
* В	Регистр В	F0Н
* PSW	Регистр состояния программы	D0Н
SР	Указатель стека	81Н
DPTR	Указатель данных. 2 байта:
DPL	Младший байт	82Н
DPH	Старший байт	83Н
* Р0	Порт 0	80Н
* Р1	Порт 1	90Н
* Р2	Порт 2	А0Н
* Р3	Порт 3	В0Н
* IР	Регистр приоритетов прерываний	В8Н
* IЕ	Регистр разрешения прерываний	А8Н
ТМОD	Регистр режимов таймера/счетчика	89Н
* TCON	Регистр управления таймера/счетчика	88Н
ТН0	Таймер/счетчик 0. Старший байт	8СН
ТL0	Таймер/счетчик 0. Младший байт	8АН
ТН1	Таймер/счетчик 1. Старший байт	8DН
ТL1	Таймер/счетчик 1. Младший байт	8ВН
* SCON	Управление последовательным портом	98Н
SBUF	Буфер последовательного порта	99Н
PCON	Управление потреблением	87Н

* — регистры, допускающие побитовую адресацию

Кратко рассмотрим функции регистров SFR, приведенных в таблице 3.2.

Аккумулятор АCC - регистр аккумулятора. Команды, предназначенные для рабо-

ты с аккумулятором, используют мнемонику "А", например, MOV А, Р2. Мнемоника "АСС' используется, к примеру, при побитовой адресации аккумулятора. Так, символи- ческое имя пятого бита аккумулятора при использовании ассемблера А5М51 будет сле- дующим: АСС. 5. .

Регистр В. Используется во время операций умножения и деления. Для других инструкций регистр В может рассматриваться как дополнительный сверхоперативный регистр.

Регистр состояния программы PSW содержит информацию о состоянии про- граммы и устанавливается частично автоматически по результату выполненной опера- ции, частично пользователем. Обозначение и назначение разрядов регистра приведены соответственно в таблицах 3.3 и 3.4.

Таблица 3.3.

Биты	7	6	5	4	3	2	1	0
Обозначение	CY	AC	F0	RS1	RS0	OV	-	P

Таблица 3.4.

Би- ты	Обозна- чение			Назначение битов		Доступ к биту
7	CY			Флаг переноса. Изменяется во время выполнения ряда арифметических и логических инструкций.		Аппаратно или программно
6	АС			Флаг дополнительного переноса. Аппаратно уста- навливается/сбрасывается во время выполнения инструкций сложения или вычитания для указания переноса или заема в бите 3 при образовании младшего полубайта результата (D0-D3).		Аппаратно или программно
5	F0			Флаг 0. Флаг, определяемый пользователем.		Программно
4	RS1			Указатель банка рабочих регистров		Программно
3	RS0			Указатель банка рабочих регистров		Программно
--	RS1	RS0	Банк 0 с адресами (00Н - 07Н) Банк 1 с адресами (08Н – 0FН) Банк 2 с адресами (10Н - 17Н) Банк 3 с адресами (18Н – 1FН)
	0	0
	0	1
	1	0
	1	1
2	OV			Флаг переполнения. Аппаратно устанавливается или сбрасывается во время выполнения арифмети- ческих инструкций для указания состояния пере- полнения		Аппаратно или программно
1	--			Резервный. Содержит триггер, доступный по запи- си и чтению, который можно использовать
0	P			Бит четности. Аппаратно сбрасывается или уста- навливается в каждом цикле инструкций для указа- ния четного или нечетного количества разрядов ак- кумулятора, находящихся в состоянии "1".		Аппаратно или программно

Указатель стека SР - 8-битовый регистр, содержимое которого инкрементирует- ся перед записью данных в стек при выполнении команд PUSH и CALL. При начальном сбросе указатель стека устанавливается в 07Н, а область стека в ОЗУ данных начинается с адреса 08Н. При необходимости путем переопределения указателя стека область стека может быть расположена в любом месте внутреннего ОЗУ данных микроконтроллеры.

Указатель данных DPTR состоит из старшего байта (DPH) и младшего байта

(DPL). Содержит 16-битовый адрес при обращении к внешней памяти. Может использо-

ваться как 16-битовый регистр или как два независимых восьмибитовых регистра.

Порт0 - ПортЗ. Отдельными битами регистров специальных функций Р0, Р1, Р2, РЗ являются биты -"защелки" выводов портовР0, Р1, Р2, РЗ.

Буфер последовательного порта SBUF представляет собой два отдельных реги- стра: буфер передатчика и буфер приемника. Когда данные записываются в SBUF, они поступают в буфер передатчика, причем запись байта в SBUF автоматически иницииру- ет его передачу через последовательный порт. Когда данные читаются из SBUF, они вы- бираются из буфера приемника.

Регистры таймера. Регистровые пары (ТН0, ТL0) и (ТН1, TL1) образуют 16-

битовые счетные регистры соответственно таймера/счетчика 0 и таймера/счетчика 1.

Регистры управления. Регистры специальных функций IР, IЕ, ТМOD, ТСОN, SCON и РСОN содержат биты управления и биты состояния системы прерываний, тай-

меров/счетчиков и последовательного порта. Они будут подробно рассмотрены далее.

V R VPP

RxD TxD INT0 INT1 T0 T1 WR

RD

P1.0 MC P1.1

P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7

RST BQ2 BQ1 EA

P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7

O B

Vcc

P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7

PME ALE

P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7

PROG

МК при функционировании обеспечивает:

• минимальное время выполнения команд сложения-1 мкс;

• аппаратное умножение и деление с минимальным време- нем выполнения - 4 мкс.

В МК предусмотрена возможность задания частоты внутреннего генератора с помощью кварца, LС-цепочки или внешнего генератора.

Расширенная система команд обеспечивает побайтовую и побитовую адресацию, двоичнуюи двоично-десятичную арифметику, индикацию пере- полнения и определения четности/нечетности, воз- можность реализации логического процессора.

Важнейшей и отличительной чертой архитек- туры семейства MCS51 является то, что АЛУ может наряду с выполнением операций над 8-разрядными типами данных манипулировать одноразрядными данными. Отдельные программно-доступные биты могут быть установлены, сброшены или заменены их дополнением, могут пересылаться, проверяться и

Рис.3.2. Внешние выводы

микроконтроллера

использоваться в логических вычислениях. Тогда как поддержка простых типов данных (при сущест-

вующей тенденции к увеличению длины слова) может с первого взгляда показаться ша- гом назад, этокачестводелает микроконтроллеры семействаMCS51 особенно удобными для применений, в которых используются контроллеры. Алгоритмы работы по- следних по своей предполагают наличие входных и выходных булевых переменных, которые сложно реализовать при помощи стандартных микропроцессоров. Все эти свой- ства в целом называются булевым процессором семейства MCS51. Благодаря такому мощному АЛУ набор инструкций микроконтроллеры семейства MCS51 одинаково хоро- шо подходит как для применений управления в реальном масштабе времени, так и для ал- горитмов с большим объемом данных.

Схемотехническое изображение микроконтроллера представлено на рис. 3.2. В ба- зовом варианте он упакован в 40-выводной DIP корпус. Рассмотрим назначение выводов.

Начнем с выводов питания «0 В» и «5 В», по которым он получает основное пита- ние. Ток потребления приведен в табл. 3.1.

Вывод «RST» - сброс микроконтроллера. При подаче на этот вывод активного вы- сокого уровня запускается режим общего сброса и МК производит следующие действия:

- устанавливает счетчик команд PC и все регистры специальных функций, кроме защелок портов Р0—РЗ, указателя стека SP и регистра SBUF, в ноль;

порта;

• указатель стека принимает значение равное 07Н;

• запрещает все источники прерываний, работу таймеров-счетчиков и последовательного

• выбирает БАНК 0 ОЗУ, подготавливает порты Р0—РЗ для приема данных и опре-

деляет выводы ALE и РМЕ как входы для внешней синхронизации;

• в регистрах специальных функций PCON, IP и IE резервные биты при- нимают случайные значения, а все остальные биты сбрасываются в ноль;

• в регистре SBUF устанавливаются случайные значения.

• устанавливает фиксаторы-защелки портов Р0—РЗ в "1".

Состояния регистров микроконтроллера после сброса приведены в таблице 3.5.

Таблица 3.5.

Регистр	Информация
PC	0000H
АСС	00H
В	00H
PSW	00H
SP	07H
DPTR	0000H
P0-P3	0FFH
IP	ХЮС00000В
IE	0XX00000B
TMOD	00H
TCON	00H
TH0	00H
TL0	00H
TH1	00H
TL1	00H
SCON	00H
SBUF	Неопределенная
PCON	0ХХХ0000В для k-MOП 0XXXXXXXB для n-МОП

Вывод RST имеет и альтернативную функцию. Через него подается резервное питания для сохранения неизменным содержимого ОЗУ микроконтроллера при снятии основного.

Выводы BQ1, BQ2 – предназначены для подключения кварцевого резонатора, оп- ределяющего тактовую частоту работы МК.

Вывод ЕА` (External Adress – внешний адрес) - предназначен для активизации ре- жима чтенияуправляющих кодов из внешней памяти программ, при подаче на этот вывод активного низкогоуровня. Вывод имеет иальтернативное назначение (функцию). На него подается напряжение программирования РПЗУ в режиме программирования.

Вывод PME (Program Memory Enable – разрешение памяти программ) - предна- значен для управления циклом чтения из памяти программ и автоматически активизиру- ется МК в каждом машинном цикле.

Вывод ALE (Adress Length Enable – разрешение младшего адреса) стробирует вы- вод младшей части адреса по порту Р0. Вывод используется и при программировании РПЗУ, при этом на него подается стробирующий процесс программирования импульс.

МК содержит четыре группы портов: Р0, Р1, Р2, и Р3. Это оставшиеся из 40-авыводов микроконтроллера. Эти порты могут служитьдля побитного ввода – вывода информации, но помимо этого каждый из них имеет свою специализацию. Обобщенная функциональная схе- ма порта представлена на рис. 3.3. Порт содержит выходные ключи на полевых транзисторах, подключенные к выводу, переключатель функций, защелку на D-триггере и логику управле- ния. Взащелку по внутреннейшине МК можетбытьзаписана единица илиноль. Эта инфор- мация через переключатель функций поступает на выходные ключи и вывод МК. В состоя- нии единицы оба транзистора N и N1 закрыты, но открыт N2. В состоянии нуля N открывает-

ся, а N2 закрывается. В момент, когда порт выполняет альтернативную функцию, на которую онспециализирован, состояние защелкис вывода снимается. Микроконтроллер отдельно мо- жет считать состояние защелки порта и состояние его вывода, установленное внешним сигна- лом. Для этого в ассемблере МК имеются специальные команды, активизирующие соответст- вующие линии. Для чтения состояния вывода в защелку соответствующего порта должна

быть предварительно записана

От внутрен-

Управление Защелка

Переключатель функций

Vcc

Выходные

ключи

единица. При активизации линии «чтение защелки» на выходе ячейки «И», к которой подключенаэта линияпоявля-

ней шины МК ^{D Q}

Запись в защелку ^{C Q}

Чтение защелки

Чтение

N1 N2

N

Вывод порта

ется состояние защелки, по- ступающее на внутреннюю шину МК, при активизации

«чтение вывода» - состояние внешнего вывода порта.

Порт Р0 – универсаль- ный двунаправленный порт

вывода

GND

ввода-вывода. За этим портом

закреплена функция организа- ции внешних шин адресов и

Рис. 3.3. Функциональная схема порта микроконтроллера

данных для расширенияпамя- ти программ и памяти данных

микроконтроллера. Когда идет обращение к внешней памяти программ или выполняется ко- манда обращения к внешней памяти данных, на выводах порта устанавливается младшая часть адреса (А0…А7), которая стробируется высоким уровнем на выводе ALE. Затем, при записи в память данных, записываемая информация с внутренней шины МК поступает на выводы порта Р0. В операциях чтения, наоборот, информация с выводов порта поступает на внутреннюю ши- ну. Особенностью порта Р0 является отсутствие «подтягивающего» транзистора N2, обеспечи- вающего подачу питания на вывод. При записи в защелку порта единицы он просто переводит- ся в высокоимпедансное состояние, что необходимо для нормальной работы шины данных. При необходимости запитывать через вывод какие либо внешние устройства, следует преду- сматривать внешние резисторы от цепей питания на вывод порта.

Порт Р1 – универсальный двунаправленный порт ввода-вывода без альтернатив- ных функций.

Порт Р2 – универсальный двунаправленный портввода-вывода, в качестве альтер- нативной функции осуществляющий выдачу старшей части адреса (А8…А15) при обра- щении к внешней памяти.

Порт Р3 – универсальный двунаправленный порт ввода-вывода, каждый бит кото- рого предусматривает выполнениеразличныхальтернативных функций. Приэтом альтер- нативные функции реализуются только в том случае, если в защелки выводов порта запи- саны единицы, в противном случае выполнение альтернативных функций блокируется. Перечислим их раздельно для каждого бита:

Р3.0 – RxD (Read eXternal Date, читать внешние данные) – вход встроенного после- довательного приемо-передатчика.

Р3.1 – ТxD (Type eXternal Date, передавать внешние данные) – выход встроенного последовательного приемо-передатчика.

Р3.2 – INT0` (INTerrupt, прерывание) – вход внешнего прерывания 0.

Р3.3 – INT1` – вход внешнего прерывания 1.

Р3.4 – С/T0 – вход нулевого встроенного таймера/счетчика.

Р3.5 – С/T1 – вход первого встроенного таймера/счетчика.

Р3.6 – WR` (Write, писать) – вывод управления циклом записи в памяти данных.

Р3.7 – RD` (Read, читать) – вывод управления циклом чтения из памяти данных.

Выводы портаР1, Р2 и Р3 способны в единице выдавать тококоло0.2мА и принимать в нуле ток 3 мА, выводы порта Р0 мощнее и способны в единице выдавать ток около 0.8мА и при- нимать в нуле ток 5 мА. Краткая информация о назначении выводов микроконтроллера приведе- на в таблице 3.6.

Таблица 3.6.

N вывода	Обозначение	Назначение вывода	Тип
1-8	Р1.0-Р1.7	8-разрядныи двунаправленный порт Р1. Вход адреса А0-А7 при проверке внутреннего ПЗУ (РПЗУ)	вход/ выход
9	RST	Сигнал общего сброса. Вывод резервного пита- ния ОЗУ от внешнего источника (для 1816)	вход
10-17	Р3.0-Р3.7	8-разрядный двунаправленный порт P3 с допол- нительными функциями	вход/ выход
	Р3.0	Последовательные данные приемника - RхD	вход
	Р3.1	Последовательные данные передатчика - ТхD	выход
	Р3.2	Вход внешнего прерывания 0- INТ0`	вход
	РЗ.З	Вход внешнего прерывания 1-INT1`	вход
	Р3.4	Вход таймера/счетчика 0: - Т0	вход
	РЗ.З	Вход таймера/счетчика 1: - Т1	вход
	Р3.6	Выход стробирующего сигнала при записи во внешнюю память данных: - WR`	выход
	Р3.7	Выход стробирующего сигнала при чтении из внешней памяти данных – RD`	выход
18 19	BQ2 ВQ1	Выводы для подключения кварцевого резонато- ра.	выход вход
20	0 В	Общий вывод
21-28	Р2.0-Р2.7	8-разрядный двунаправленный порт Р2. Выход адреса А8-А15 в режиме работы с внешней па- мятью. В режиме проверки внутреннего ПЗУ выводы Р2.0 - Р2.6 используются как вход адреса А8-А14. Вывод Р2.7 - разрешение чтения ПЗУ.	вход/ выход
29	РМЕ`	Разрешение программной памяти	выход
30	АLЕ	Выходной сигнал разрешения фиксации адреса. При программировании РПЗУ сигнал: PROG	вход/ выход
31	ЕА`	Блокировка работы с внутренней памятью. При программировании РПЗУ подается сигнал UРR	вход/ выход
32-39	Р0.7-Р0.0	8-разрядный двунаправленный порт Р0. Шина адреса/данных г работе с внешней памятью. Вы- ход данных D7-D0 в режиме проверки внутрен- него ПЗУ (РПЗУ).	вход/ выход
40	Uсс	Вывод питания от источника напряжения +5В