Ведение

В области промышленной автоматики большое распространение получили встраиваемые контроллеры выполненные на базе однокристальных микропроцессоров и микроконтроллеров. Поэтому для таких как как 140604 “Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов” и 220301 ”Автоматика технологических процессов и производств”, изучение микроконтроллеров является одним из самых важных разделов.

В мире происходит непрерывное развитие и появление все новых и новых 16- и 32-разрядных микроконтроллеров и микропроцессоров, но наибольшая доля мирового микропроцессорного рынка и по сей день остается за 8-разрядными устройствами. По всем прогнозам аналитических компаний на ближайшее время, лидирующее положение 8-разрядных микроконтроллеров на мировом рынке сохранится.

В настоящее время среди всех 8-разрядных микроконтроллеров - семейство MCS-51 является несомненным лидером по количеству разновидностей и количеству компаний, выпускающих его модификации. Оно получило свое название от первого представителя этого семейства - микроконтроллера 8051. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке.

Основные достоинства семейства MCS-51:

• архитектура, являющаяся стандартом де-факто;

• чрезвычайная широта семейства и разнообразие возможностей;

• наличие высокопроизводительных и расширенных версий процессоров;

• значительное число свободно доступных программных и аппаратурных наработок;

• легкость аппаратного программирования, в т. ч. и внутрисхемного;

• дешевизна и доступность базовых чипов;

• наличие специализированных версий контроллеров

• наличие версий контроллеров с пониженным уровнем электромагнитных помех;

• широкая известность среди разработчиков старшего поколения, как в мире, так и в странах СНГ;

• поддержка архитектуры ведущими учебными заведениями мира.

И, наконец, главное преимущество: освоив базовый чип семейства, легко перейти к работе с такими вычислительными «монстрами», как микроконтроллеры Cygnal, Dallas Semiconductor, Analog Devices, Texas Instruments.

На сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров семейства 8051, выпускаемых почти 20-ю компаниями. Каждый год появляются все новые варианты представителей этого семейства.

Основными направлениями развития являются:

• увеличение быстродействия (повышение тактовой частоты и переработка архитектуры);

• снижение напряжения питания и потребления;

• увеличение объема ОЗУ и FLASH памяти на кристалле с возможностью внутрисхемного программирования;

• введение в состав периферии микроконтроллера сложных устройств типа системы управления приводами, CAN и USB интерфейсов и т.п.

Основными производителями разновидностей 51-го семейства в мире являются фирмы Philips, Siemens, Intel, Atmel, Dallas, Temic, Oki, AMD, MHS, Gold Star, Winbond, Silicon Systems и ряд других.

Примерами микроконтроллеров семейства MCS-51 с расширенными возможностями могут служить 8XC51FA, 8XC51GB, 80С152.

1. Архитектура семейства mcs51.

Широкое распространение получили 8-разрядные однокристальные микроконтроллеры семейства MCS-51. Это семейство образовалось на основе микроконтроллера Intel 8051, получившего большую популярность у разработчиков микропроцессорных систем благодаря удачно спроектированной архитектуре. Архитектура микроконтроллера – это совокупность внутренних и внешних программно-доступных аппаратных ресурсов и системы команд.

1.1 Общие характеристики.

Основные характеристики семейства:

• 8-разрядный центральный процессор (ЦП), ориентированный на управление исполнительными устройствами;

• ЦП имеет встроенную схему 8-разрядного аппаратного умножения и деления чисел;

• наличие в наборе команд большого количества операций для работы с прямоадресуемыми битами даёт возможность говорить о процессоре для работы с битовыми данными (булевом процессоре);

• внутреннюю (расположенную на кристалле) память программ масочного или репрограммируемого типа, имеющую для различных кристаллов объём от 4 до 32 Кб, в некоторых версиях она отсутствует;

• не менее чем 128 байтное резидентное ОЗУ данных, которое используется для организации, регистровых банков, стека и хранения пользовательских данных; (256 байт)

• не менее 32-х двунаправленных интерфейсных линий (портов), индивидуально настраиваемых на ввод или вывод информации; (до 6)

• два 16-битных многорежимных счетчика/таймера, используемых для подсчёта внешних событий, организации временных задержек и тактирования коммуникационного порта; (три)

• двунаправленный дуплексный асинхронный приемопередатчик (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;

• двухуровневую приоритетную систему прерываний, поддерживающую не менее 5 векторов прерываний от 4-х внутренних и 2-х внешних источников событий;

• встроенный тактовый генератор.

1.2 Структурная схема.

Структурная схема контроллера представлена на рис.1. и состоит из следующих основных функциональных узлов: блока управления, арифметико-логического устройства, блока таймеров/счетчиков, блока последовательного интерфейса и прерываний, программного счетчика, памяти данных и памяти программ. Двусторонний обмен осуществляется с помощью внутренней 8-разрядной магистрали данных. По такой схеме построены практически все представители семейства MCS-51. Различные микросхемы этого семейства различаются только регистрами специального назначения (в том числе и количеством портов).

Рис 1. Структурная схема контроллера К1830ВЕ751

Блок управления и синхронизации (Timing and Control) - предназначен для выработки синхронизирующих и управляющих сигналов, обеспечивающих координацию совместной работы блоков ОЭВМ во всех допустимых режимах ее работы. В состав блока управления входят:

• устройство формирования временных интервалов,

• логика ввода-вывода,

• регистр команд,

• регистр управления потреблением электроэнергии,

• дешифратор команд, логика управления ЭВМ.

Устройство формирования временных интервалов предназначено для формирования и выдачи внутренних синхросигналов фаз, тактов и циклов. Количество машинных циклов определяет продолжительность выполнения команд.

Регистр команд предназначен для записи и хранения 8-ми разрядного кода операции выполняемой команды. Код операции, с помощью дешифратора команд и логики управления ЭВМ, преобразуется в микропрограмму выполнения команды.

Регистр управления потреблением (PCON) позволяет останавливать работу микроконтроллера для уменьшения потребления электроэнергии и уменьшения уровня помех от микроконтроллера. Еще большего уменьшения потребления электроэнергии и уменьшения помех можно добиться, остановив задающий генератор микроконтроллера. Этого можно достичь при помощи переключения бит регистра управления потреблением PCON. Для варианта изготовления по технологии n-МОП регистр управления потреблением PCON содержит только один бит, управляющий скоростью передачи последовательного порта SMOD, а биты управления потреблением электроэнергией отсутствуют.

Арифметико-логическое устройство (ALU) представляет собой параллельное восьмиразрядное устройство, обеспечивающее выполнение арифметических и логических операций. АЛУ состоит из:

• регистров аккумулятора, регистров временного хранения TMP1 и TMP2,

• ПЗУ констант,

• сумматора,

• дополнительного регистра (регистра В),

• аккумулятора (ACC),

• регистра состояния программ (PSW).

Регистры временного хранения - восьмиразрядные регистры, предназначенные для приема и хранения операндов на время выполнения операций над ними. Эти регистры программно не доступны.

ПЗУ констант обеспечивает выработку корректирующего кода при двоично-десятичном представлении данных, кода маски при битовых операциях и кода констант.

Параллельный восьмиразрядный сумматор представляет собой схему комбинационного типа с последовательным переносом, предназначенную для выполнения арифметических операций сложения, вычитания и логических операций сложения, умножения, неравнозначности и тождественности.

Регистр B - восьмиразрядный регистр, используемый во время операций умножения и деления. Для других инструкций он может рассматриваться как дополнительный сверхоперативный регистр.

Аккумулятор - восьмиразрядный регистр, предназначенный для приема и хранения результата, полученного при выполнении арифметико-логических операций или операций сдвига

Блок последовательного интерфейса и прерываний (ПИП) предназначен для организации ввода - вывода последовательных потоков информации и организации системы прерывания программ. В состав блока входят:

• буфер ПИП,

• логика управления,

• регистр управления,

• буфер передатчика,

• буфер приемника,

• приемопередатчик последовательного порта,

• регистр приоритетов прерываний,

• регистр разрешения прерываний,

• логика обработки флагов прерываний и схема выработки вектора.

Счетчик команд (Program Counter) предназначен для формирования текущего 16-разрядного адреса внутренней памяти программ и 8/16-разрядного адреса внешней памяти программ. В состав счетчика команд входят 16-разрядные буфер РС, регистр РС и схема инкремента (увеличения содержимого на 1).

Память данных (RAM) предназначена для временного хранения информации, используемой в процессе выполнения программы.

Порты P0, P1, P2, P3 являются квазидвунаправленными портами ввода - вывода и предназначены для обеспечения обмена информацией ОЭВМ с внешними устройствами, образуя 32 линии ввода- вывода.

Регистр состояния программы (PSW) предназначен для хранения информации о состоянии АЛУ при выполнении программы.

Память программ (EPROM) предназначена для хранения программ и

представляет собой постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

Регистр указателя данных (DPTR) предназначен для хранения 16 - разрядного адреса внешней памяти данных.

Указатель стека (SP) представляет собой восьмиразрядный регистр, предназначенный для организации особой области памяти данных (стека), в которой можно временно сохранить любую ячейку памяти.