2. Архитектура микроконтроллеров семейства 8051

2.1. Общие сведения

Базовая модель МК семейства 8051, имеющая CISC–систему команд и построенная на основе гарвардской архитектуры с раздельными областями памяти программ и данных, имеет следующие основные технические характеристики [1]–[3]:

• восьмиразрядное процессорное ядро, оптимизированное для реализации функций управления;

• встроенную память программ емкостью 4096 байт с возможностью расширения до 64 Кбайт за счет внешних ЗУ;

• встроенную память данных емкостью 128 байт с возможностью расширения до 64 Кбайт за счет внешних ЗУ;

• 21 регистр специального назначения;

• четыре банка рабочих регистров общего назначения;

• стек глубиной до 128 байт;

• 128 контролируемых пользователем отдельных разрядов, расположенных по фиксированным адресам в памяти данных;

• 32 двунаправленные линии ввода-вывода, организованные в четыре 8-разрядных порта;

• быстродействующий универсальный асинхронный приемопередатчик (UART – Universal Asynchronous Receiver-Transmitter), работающий в мультиплексном режиме;

• два 16-разрядных таймера/счетчика;

• векторная двухуровневая система прерываний с пятью источниками прерываний.

2.2. Структурная схема микроконтроллера

Основу структурной схемы МК 8051, представленной на рис. 2.1, составляет процессорное ядро с системной двунаправленной 8-разрядной магистралью, которая связывает между собой все модули. 16-разрядная шина адреса ША служит для обращения к внутренней памяти программ и к внешнему модулю памяти с постоянным и оперативным запоминающими устройствами.

Функциональные периферийные устройства представлены модулями системы прерываний, параллельных портов ввода-вывода, двух 16-раз­ряд­ных таймеров/счетчиков и универсального асинхронного последовательного приемопередатчика UART.

Рис. 2.1. Структура базового микроконтроллера 8051

Модуль памяти. В структуру базового МК 8051 входит резидентная память, разделяемая в соответствии с гарвардской архитектурой на память программ, предназначенную для хранения кодов исполняемой прикладной программы, и память данных, используемую для временного хранения информации. Резидентная память программ и данных может быть расширена за счет использования внешних микросхем памяти.

Память базового МК 8051 разделяется на следующие области:

• резидентную (внутреннюю) память программ РПП емкостью 4 Кбайт;

• внешнюю память программ ВПП общей емкостью до 64 Кбайт;

• резидентную память данных РПД – 128 байт оперативного запоминающего устройства и область регистров специальных функций РСФ емкостью 128 байт;

• внешнюю память данных ВПД общей емкостью до 64 Kбайт.

В области резидентной оперативной памяти расположена зона регистров специальных функций, каждый из которых предназначен для конфигурации или настройки одного из периферийных модулей МК или управления им.

Модуль прерываний. В базовой конфигурации МК имеется 5 источников прерываний – два внешних и три внутренних (2 таймера/счетчика и UART). Прерывание от каждого источника может иметь высокий или низкий приоритет и мо­жет быть индивидуально разрешено или запрещено.

Модуль параллельных портов ввода-вывода. Восьмиразрядные порты с символическими именами P0, P1, P2 и P3 предназначены для приема и выдачи бай­та данных в параллельном коде, а также имеют возможность поразрядного ввода-вывода. Для сокращения числа выводов линии параллельного порта выполняют альтернативные функ­ции. При обращении к внешней памяти порт P0 выполняет функции со­вмещенной шины адреса/данных AD, а порт P2 – шины старшего байта ад­реса A. Все линии порта P3 выполняют альтернативные функции управления и специального ввода-вывода.

Модуль таймеров/счетчиков. Два таймера/счетчика TC0 и TC1 служат для счета времени (таймер) или внешних событий (счетчик). При работе последовательного порта таймер/счетчик TC1 используется в качестве генератора, задающего скорость обмена данными.

Модуль последовательного порта UART. Используется для при­ема и переда­чи данных в последовательном коде с различными скоростями.