1.1. Микроконтроллеры фирмы Intel

Фирма Intel является родоначальницей архитектуры семейства MCS-51, которое получило свое название от первого представителя этого семейства - микроконтроллера 8051, выпущенного в 1980 году на базе технологии n-МОП. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке. С точки зрения технологии микроконтроллер 8051 являлся для своего времени очень сложным изделием - в кристалле было использовано 128 тыс. транзисторов, что в 4 раза превышало количество транзисторов в 16-разрядном микропроцессоре 8086. Указанный микроконтроллер остается ядром семейства MCS-51 и по сей день.

Основными элементами базовой архитектуры семейства (архитектуры микроконтроллера 8051) являются:

- 8-разрядное АЛУ;

- 4 банка регистров, по 8 в каждом;

- внутренняя (резидентная) память программ 4 Кбайт, имеющая тип ROM или EPROM (8751);

- внутренняя (резидентная) память данных 128 байт;

- 21 регистр специальных функций;

- булевый процессор;

- два 16-разрядных таймера/счетчика;

- контроллер последовательного порта (UART);

- контроллер обработки прерываний с двумя уровнями приоритетов;

- четыре 8-разрядных порта ввода/вывода, два из которых используются в качестве шины адреса/данных для доступа к внешней памяти программ и данных;

- встроенный тактовый генератор.

Затем был выпущен микроконтроллер 8052, который отличался увеличенным объемом резидентной памяти программ и данных, введенным третьим таймером и соответственно расширенным контроллером прерываний.

Следующим принципиальным шагом в развитии MCS-51 стал перевод технологии изготовления на КМОП (модификация 8xC51). Это позволило реализовать режимы Idl (холостой ход) и Power Down (пониженное потребление), обеспечивающие резкое снижение энергопотребления кристалла и открывшие дорогу к применению микроконтроллера в энергозависимых приложениях, например, в автономных приборах с батарейным питанием.

И последним важным этапом развития МК 8051 фирмой Intel стал выпуск микроконтроллеров 8xC51FA/FB/FC и 8xC51RA/RB/RC, которые для краткости часто обозначаются как 8xC51Fx и 8xC51Rx. Главной отличительной особенностью этой группы кристаллов является наличие у них специализированного таймера/счетчика (РСА). Кроме того, микроконтроллеры 8xC51Rx дополнительно содержат сторожевой таймер (WDT). Рассмотрим архитектуру и функциональные возможности PCA более подробно.

В состав РСА входят:

- 16-разрядный таймер/счетчик;

- пять 16-разрядных модуля выборки и сравнения, каждый из которых связан со своей линией порта ввода/вывода микроконтроллера.

Таймер/счетчик обслуживает все пять модулей выборки и сравнения, которые могут быть запрограммированы на выполнение одной из следующих функций:

- 16-битовая выборка значения таймера по положительному фронту внешнего сигнала;

- 16-битовая выборка значения таймера по отрицательному фронту внешнего сигнала;

- 16-битовая выборка значения таймера по любому фронту внешнего сигнала;

- 16-битовый программируемый таймер;

- 16-битовое устройство скоростного вывода;

- 8-битовый ШИМ.

Выполнение всех перечисленных функций происходит в РСА на аппаратном уровне и не загружает центральный процессор. Указанное позволяет повысить общую пропускную способность, повысить точность измерений и обработки сигналов и снизить время реакции микроконтроллера на внешние события, что особенно важно для систем реального времени. Реализованный в 8xC51Fx (8xC51Rx) РСА оказался настолько

Обозначение	Макс. частота (МГц)	РПП ROM/EPROM (байт)	РПД (байт)	Таймеры/ счетчики
8051AH	12	ROM 4K	128	2
8751BH	12	EPROM 4K	128	2
8052AH	12	ROM 8K	256	3
8752BH	12	EPROM 8K	256	3
8xC51BH	24	4K	128	2
8xC52	24	8K	256	3
8xC54	33	16K	256	3
8xC58	33	32K	256	3
8xC5x-L	24	8…32K	256	3
8xC51FA	24	8K	256	3+PCA
8xC51FB	24	16K	256	3+PCA
8xC51FC	24	32K	256	3+PCA
8xL51Fx	16	8…32K	256	3+PCA
8xC51RA	24	8K	512	3+PCA+WDT
8xC51RB	24	16K	512	3+PCA+WDT
8xC51RC	24	32К	512	3+PCA+WDT
8xC251SA	16	8K	1K	3+PCA+WDT
8xC251SB	16	16K	1K	3+PCA+WDT
8xC251SP	16	8K	512	3+PCA+WDT
8xC251SQ	16	16K	512	3+PCA+WDT
TSC8xC251A1	16	24K	1K	2+WDT
8xC151SA	16	8K	256	3+PCA+WDT
8xC151SB	16	16K	256	3+PCA+WDT

удачным, что архитектура этих микроконтроллеров стала промышленным стандартом, а сам РСА многократно воспроизводился в различных модификациях МК 8051.

Некоторые характеристики ряда микроконтроллеров MCS-51, выпускаемых фирмой Intel, приведены в табл.1.1.

Изначально наиболее "узкими" местами архитектуры MCS-51 были 8-разрядное АЛУ на базе аккумулятора и относительно медленное выполнение команд (для выполнения самых быстрых команд требуется 12 пе-

Таблица 1.1

	Линии ввода/вывода	Послед. каналы	АЦП, входы x разряды	Другая периферия, особенности	U пит. (В)
	32	UART	-	-	4,5…5,5
	32	UART	-	-	4,5…5,5
	32	UART	-	-	4,5…5,5
	32	UART	-	-	4,5…5,5
	32	UART	-	-	4,0…6,0
	32	UART	-	-	4,0…6,0
	32	UART	-	-	4,0…6,0
	32	UART	-	-	4,0…6,0
	32	UART	-	Низковольтный вариант 8xC52/54/58	2,7…3,6
	32	UART	-	-	4,0…6,0
	32	UART	-	4 уровня IRQ, clock out	4,0…6,0
	32	UART	-	4 уровня IRQ, clock out	4,0…6,0
	32	UART	-	Низковольтный вариант 8xC51Fx	2,7…3,6
	32	UART	-	4 уровня IRQ, clock out	4,0…6,0
	32	UART	-	4 уровня IRQ, clock out	4,0…6,0
	32	UART	-	4 уровня IRQ, clock out	4,0…6,0
	32	UART	-	-	4,5…5,5
	32	UART	-	-	4,5…5,5
	32	UART	-	-	4,5…5,5
	32	UART	-	-	4,5…5,5
	32	UART	4x8	-	4,5…5,5
	32	UART	-	-	4,5…5,5
	32	UART	-	-	4,5…5,5

риодов тактовой частоты (частоты синхронизации МК)). Это ограничивало применение микроконтроллеров семейства в приложениях, требующих повышенного быстродействия и сложных вычислений (16- и 32-битовых). Насущным стал вопрос принципиальной модернизации архитектуры MCS-51. Проблема модернизации осложнялась тем, что к началу 90-х годов уже была создана масса наработок в области программного и аппаратного обеспечения семейства MCS-51, в связи с чем одной из основных задач проектирования новой архитектуры была реализация аппаратной и программной совместимости с разработками на базе MCS-51.

Для решения указанной задачи была создана совместная группа из специалистов компаний Intel и Philips, но позднее пути этих двух фирм разошлись. В результате в 1995 году появилось два существенно отличающихся семейства: MCS-251/151 у Intel и MCS-51XA у Philips (см. подраздел 1.2).

Основные характеристики архитектуры MCS-251:

- 24-разрядное линейное адресное пространство, обеспечивающее адресацию до 16 Мбайт памяти;

- регистровая архитектура, допускающая обращение к регистрам как к байтам, словам и двойным словам;

- страничный режим адресации для ускорения выборки команд из внешней программной памяти;

- очередь инструкций;

- расширенный набор команд, включающий 16-битовые арифметические и логические операции;

- расширенное адресное пространство стека (до 64 Кбайт);

- выполнение самой быстрой команды за 2 такта.

Система команд MCS-251 включает два набора инструкций - первый набор является копией системы команд MCS-51, а второй состоит из расширенных инструкций, реализующих преимущества архитектуры MCS-251. Перед использованием микроконтроллера его необходимо сконфигурировать, т.е. с помощью программатора "прожечь" конфигурационные биты, определяющие, какой из наборов инструкций станет активным после включения питания. Если установить первый набор инструкций, то в этом случае МК семейства MCS-251 будет совместим с MCS-51 на уровне двоичного кода. Такой режим называется Binary Mode. Если же изначально установить набор расширенных инструкций (режим Source Mode), то тогда программы, написанные для MCS-51, потребуют перекомпиляции на кросс-средствах для MCS-251. Режим Source Mode позволяет с максимальной эффективностью использовать архитектуру MCS-251 и достигнуть наибольшего быстродействия.

Для пользователей, ориентированных на применение микроконтроллеров MCS-251 в качестве механической замены MCS-51, фирма Intel выпускает микроконтроллеры MCS-151, уже запрограммированные в состояние Binary Mode.

Некоторые характеристики ряда микроконтроллеров MCS-251/151 приведены в табл.1.1.

В настоящее время Intel, устремленная на рынок Pentium-процессоров, сворачивает производство кристаллов MCS-51. В целом для конкретного разработчика это может остаться и незамеченным, если только он не использует микроконтроллеры 8xC51GB и 80C152Jx, которые не имеют своих точных аналогов среди изделий других фирм. Что же касается всех остальных микроконтроллеров семейства MCS-51, то все они многократно растиражированы другими компаниями.