Однокристальные микроЭВМ семейства МК51

Общие сведения об однокристальных микроЭВМ семейства МК51 и их структура


Восьмиразрядные высокопроизводительные однокристальные микроЭВМ (ОМЭВМ) семейства МК51 выполнены по высококачественной n-МОП технологий (серия 1816) и КМОП технологии (серия 1830).

Использование ОМЭВМ семейства МК51 по сравнению с МК48 обеспечивает увеличение объема памяти команд и памяти данных.

Новые возможности ввода-вывода и периферийных устройств расширяют диапазон применения и снижают общие затраты системы. В зависимости от условий использования, быстродействие системы увеличивается минимум в два с половиной раза и максимум в десять раз.

Семейство МК51 включает пять модификаций ОМЭВМ (имеющих идентичные основные характеристики), основное различие между которыми состоит в реализации памяти программ и мощности потребления.

ОМЭВМ КР1816ВЕ51 и КР1830ВЕ51 содержат масочно-программируемое в процессе изготовления кристалла ПЗУ памяти программ емкостью 4096 байт и рассчитаны на применение в массовой продукции. За счет использования внешних микросхем памяти общий объем памяти программ может быть расширен до 64 Кбайт.

ОМЭВМ КМ1816ВЕ751 содержит ППЗУ емкостью 4096 байт со стиранием ультрафиолетовым излучением и удобна на этапе разработки системы при отладке программ, а также при производстве небольшими партиями или при создании систем, требующих в процессе эксплуатации периодической подстройки.

За счет использования внешних микросхем памяти общий объем памяти программ может быть расширен до 64 Кбайт.

ОМЭВМ КР1816ВЕ31 и КР183ОВЕ31 не содержат встроенной памяти программ, однако могут использовать до 64 Кбайт внешней постоянной или перепрограммируемой памяти программ и эффективно использоваться в системах, требующих существенно большего по объему (чем 4 Кбайт на кристалле) ПЗУ памяти программ.

Каждая из перечисленных выше микросхем является соответственно аналогом БИС 8051, 80С51, 8751, 8031, 80С31 семейства MCS-51 фирмы Intel (США). Сравнительные данные микросхем приведены в табл. 2.1.

Каждая ОМЭВМ рассматриваемого семейства содержит встроенное ОЗУ памяти данных емкостью 128 байт с возможностью расширения общего объема оперативной памяти данных до 64 Кбайт за счет использования внешних микросхем ЗУПВ.

Общий объем памяти ОМЭВМ семейства МК51 может достигать 128 Кбайт: 64 Кбайт памяти программ и 64 Кбайт памяти данных.

При разработке на базе ОМЭВМ более сложных систем могут быть использованы стандартные ИС с байтовой организацией, например, серии КР580.

В дальнейшем обозначение "МК51" будет общим для всех моделей семейства, за исключением случаев, которые будут оговорены особо.

ОМЭВМ содержат все узлы, необходимые для автономной работы:

1) центральный восьмиразрядный процессор;

2) память программ объемом 4 Кбайт (только КМ1816ВЕ751, КР1816ВЕ51 и КР1830ВЕ51);

3) память данных объемом 128 байт;

4) четыре восьмиразрядных программируемых канала ввода-вывода;

5) два 16-битовых многорежимных таймера/счетчика;

6) систему прерываний с пятью векторами и двумя уровнями;

7) последовательный интерфейс;

8) тактовый генератор.

Система команд ОМЭВМ содержит III базовых команд с форматом 1, 2, или 3 байта.


Таблица 1.

Микросхемы Аналог Объем Тип Объем Максималь- Ток


внутрен- памяти внут- ная частота потреб-


ней па- про- ренней следования ления,


мяти про- грамм памяти тактовых


грамм,
данных, сигналов,


байт
байт МГц мА
КР1816ВЕ31 8031АН - внешн. 128 12,0 150,0
КР1816ВЕ51 8051АН 4К ПЗУ 128 12,0 150,0
КМ1816ВЕ751 8751Н 4К ППЗУ 128 12,0 220,0
КР1830ВЕ31 80С31ВН - внешн. 128 12,0 18,0
КР1830ВЕ51 80С51ВН 4К ПЗУ 128 12,0 18,0

ОМЭВМ имеет:

— 32 POH;

— 128 определяемых пользователем программно-управляемых флагов;

— набор регистров специальных функций.

POH и определяемые пользователем программно-управляемые флаги расположены в адресном пространстве внутреннего ОЗУ данных. Регистры специальных функций (SFR, SPECIAL FUNCTION REGISTERS) с указанием их адресов приведены в таблице 2.


Таблица 2

Обозначение Наименование Адрес
* АСС Аккумулятор 0Е0Н
* В Регистр В 0F0H
* PSW Регистр состояния программы 0D0H
SP 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 0А0Н
* РЗ Порт 3 0В0Н
* IP Регистр приоритетов прерываний 0В8Н
* IE Регистр разрешения прерываний 0А8Н
TMOD Регистр режимов таймера/счетчика 89Н
* TCON Регистр управления таймера/счетчика 88Н
TH0 Таймер/счетчик 0. Старший байт 8СН
TL0 Таймер/счетчик 0. Младший байт 8АН
TH1 Таймер/счетчик 1. Старший байт 8DH
TL1 Таймер/счетчик 1. Младший байт 8ВН
* SCON Управление последовательным портом 98Н
SBUF Буфер последовательного порта 99Н
PCON Управление потреблением 87Н

* — регистры, допускающие побитовую адресацию.

Ниже кратко описываются функции регистров, приведенных в таблице 1. Подробно эти регистры рассматриваются в соответствующих разделах настоящего описания.

Аккумулятор. АСС — регистр аккумулятора. Команды, предназначенные для работы с аккумулятором, используют мнемонику "А", например, MOV А, Р2.

Мнемоника "АСС" используется, к примеру, при побитовой адресации аккумулятора. Так, символическое имя пятого бита аккумулятора при использовании ассемблера ASM51 будет следующим: 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. Регистр PSW содержит информацию о состоянии программы.

Указатель стека SP. 8-битовый регистр, содержимое которого инкрементируется 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 микроЭВМ.

Указатель данных. Указатель данных (DPTR) -состоит из старшего байта (DPH) и младшего байта (DPL). Содержит 16-битовый адрес при обращении к внешней памяти. Может использоваться как 16-битовый регистр или как два независимых восьмибитовых регистра.

Порт0—ПортЗ. Регистрами специальных функций Р0, Р1, Р2, РЗ являются регистры-"защелки" соответственно портов Р0, Р1, Р2, РЗ.

Буфер последовательного порта. SBUF представляет собой два отдельных регистра: буфер передатчика и буфер приемника. Когда данные записываются в SBUF, они поступают в буфер передатчика, причем запись байта в SBUF автоматически инициирует его передачу через последовательный порт. Когда данные читаются из SBUF, они выбираются из буфера приемника.

Регистры таймера. Регистровые пары (TH0.TL0) и (THI.TLI) образуют 16-битовые счетные регистры соответственно таймера/счетчика 0 и таймера/счетчика 1.

Регистры управления. Регистры специальных функций IP, IE, TMOD, TCON, SCON и PCON содержат биты управления и биты состояния системы прерываний, таймеров/счетчиков и последовательного порта.

ОМЭВМ при функционировании обеспечивает: — минимальное время выполнения команд сложения — 1 мкс: — аппаратное умножение и деление с минимальным временем выполнения команд умножения/деления — 4 мкс.

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

Архитектура семейства МК51 несмотря на то, что она основана на архитектуре семейства МК48, все же не является полностью совместимой с ней. В новом семействе имеется ряд новых режимов адресации, дополнительные инструкции, расширенное адресное пространство и ряд других аппаратных отличий.

Расширенная система команд обеспечивает побайтовую и побитовую адресацию, двоичную и двоично-десятичную арифметику, индикацию переполнения и определения четности/нечетности, возможность реализации логического процессора.

Важнейшей и отличительной чертой архитектуры семейства МК51 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 использоваться в логических вычислениях.

Тогда как поддержка простых типов данных (при существующей тенденции к увеличению длины слова) может с первого взгляда показаться шагом назад, это качество делает микроЭВМ семейства МК51 особенно удобными для применений, в которых используются контроллеры. Алгоритмы работы последних по своей сути предполагают наличие входных и выходных булевых переменных, которые сложно реализовать при помощи стандартных микропроцессоров.

Все эти свойства в целом называются булевым процессором семейства МК51.

Благодаря такому мощному АЛУ набор инструкций микроЭВМ семейства МК51 одинаково хорошо подходит как для применений управления в реальном масштабе времени, так и для алгоритмов с большим объемом данных.

Микросхемы семейства КМ1816ВЕ751 конструктивно выполнены в металлокерамическом корпусе типа 2123.40-6 с прозрачной для ультрафиолетового излучения крышкой. Остальные рассматриваемые в данном описании ОМЭВМ семейства МК51 конструктивно выполнены в пластмассовых корпусах типа 2123.40-2.

Условное графическое обозначение микросхем показано на рис. 1, назначение выводов приведено в табл. 2.

ОМЭВМ 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 информацией между функциональными блоками осуществляется с помощью внутренней 8-разрядной магистрали данных.


Рис .1. Условное графическое обозначение


Таблица 2.2

N вывода Обозн. Назначение Тип
1-8 P1.0-P1.7 8-разрядный двунаправленный порт Р1. Вход адреса А0-А7 при проверке внутреннего ПЗУ (РПЗУ). вход/ выход
9 RST Сигнал общего сброса. Вывод резервного питания ОЗУ от внешнего источника (для 1816) вход
10-17 P3.0-P3.7 8-разрядный двунаправленный порт P3 с дополнительными функциями: вход/ выход

P3.0 Последовательные данные приемника - RxD вход

P3.1 Последовательные данные передатчика - TxD выход

P3.2 Вход внешнего прерывания 0- INТ0 вход

P3.3 Вход внешнего прерывания 1- INTI вход

P3.4 Вход таймера/счетчика 0: - Т0 вход

P3.5 Вход таймера/счетчика 1: - Т1 вход

P3.6 Выход стробирующего сигнала при выход


записи во внешнюю память данных: - WR

P3.7 Выход стробирующего сигнала при чтении из внешней памяти данных - RD выход
18 19 BQ2 BQI Выводы для подключения кварцевого резонатора. выход вход
20 0 В Общий вывод
21-28 P2.0-P2.7 8-разрядный двунаправленный порт Р2. Выход адреса А8-А15 в режиме работы с внешней памятью. В режиме проверки внутреннего ПЗУ выводы Р2.0 - Р2.6 используются как вход адреса А8-А14. Вывод Р2.7 -разрешение чтения ПЗУ: - Е вход/ выход
29 PME Разрешение программной памяти выход
30 ALE Выходной сигнал разрешения фиксации адреса. При программировании РПЗУ сигнал: - PROG вход/ выход

Литература


Тавернье К. PIC-микроконтроллеры. Практика применения: Пер. с фр. -М: ДМКПресс, 2008. - 272 с.: ил. (Серия «Справочник»).

Борзенко А.Е. IBM PC: устройство, ремонт, модернизация. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: ТОО фирма «Компьютер Пресс», 2006. – 344с.: ил.

Цифровые интегральные микросхемы: Справ./М. И. Богданович, И.Н. Грель, В.А. Прохоренко, В.В. Шалимо.–Мн.: Беларусь, 2001. – 493 с.: ил.

ДСТУ 3008-95. Документация. Отчеты в сфере науки и техники. Структура и правила оформления.

Охрана труда в вычислительных центрах. Ю.Г. Собаров и др. – М.: Машиностроение, 2000. – 192с.