Микроконтроллер семейства MCS-51

1. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ СЕМЕЙСТВА MCS–51

Основой микроконтроллера (см. рис. 1) является 8–ми битовое Арифметическо–Логическое устройство (АЛУ). Память МК имеет Гарвардскую архитектуру, т.е. логически разделена: на память программ – ПП (внутреннюю или внешнюю), адресуемую 16–ти битовым счетчиком команд (СК) и память данных – внутреннюю (Резидентная память данных – РПД) 128 (или 256) байт, а также внешнюю (Внешняя память данных – ВПД) до 64 Кбайт. Физически память программ реализована на ПЗУ (доступна только по чтению), а память данных – на ОЗУ (возможна запись и чтение данных).

Прием и выдача внешних сигналов осуществляется через 4 восьмибитовых порта Р0..Р3. При обращении к внешней памяти программ (ВПП) или памяти данных (ВПД) порты Р0 и Р2 используются как мультиплексированная внешняя шина Адрес/Данные. Линии порта Р3 могут выполнять также альтернативные функции (см. табл. 1).

16–ти битовый регистр DPTR формирует адрес ВПД или базовый адрес Памяти программ в команде преобразования Аккумулятора. Регистр DPTR может также использоваться как два независимых 8–ми битовых регистра (DPL и DPH) для хранения операндов.

8–ми битовый внутренний регистр команд (РК) принимает код выполняемой команды; этот код дешифрируется схемой управления, которая генерирует управляющие сигналы (см. рис. 1).

Обращение к регистрам специальных функций – РСФ (SFR – на рис. 1 они обведены пунктирной линией) возможно только с использованием прямой байтовой адресации в диапазоне адресов от 128 (80h) и более.

Резидентная память данных (РПД) в первых моделях микроконтроллеров семейства MCS–51 имела объем 128 байт. Младшие 32 байта РПД являются одновременно и регистрами общего назначения – РОН (4 банка по 8 РОНов). Программа может обратиться к одному из 8–ми РОНов активного банка. Выбор активного банка РОНов осуществляется программированием двух бит в регистре состояния процессора – PSW.

Таблица 1 – Назначение выводов MCS–51

№ выв.	Обозначение	Назначение
1..8	Р1[0..7]	8–ми битовый квазидвунаправленный порт ввода/вывода
9	RST	Сигнал сброса (активный уровень – высокий); Сигнал RST обнуляет : PC и большинство Регистров Специальных Функций (SFR), запрещая все прерывания и работу таймеров; выбирает Банк РОНов 0; записывает в порты Р0_Р3 "все единицы", подготавливая их на ввод; записывает код 07H в указатель стека (SP);
10..17	P3[0..7] P3[0] P3[1] P3[2] P3[3] P3[4] P3[5] P3[6] P3[7]	8–ми битовый квазидвунаправленный порт ввода/вывода; после записи в соответствующий разряд "1" – выполняет дополнительные (альтернативные) функции: Вход последовательного порта – RxD; Выход последовательного порта – TxD; Вход внешнего прерывания 0 – ~INT0; Вход внешнего прерывания 1 – ~INT1; Вход таймера/счетчика 0 – Т0; Вход таймера/счетчика 1 – Т1; Выход строб. сигнала при записи в ВПД – ~WR; Выход строб. сигнала при чтении из ВПД – ~RD;
18, 19	X1, X2	Выводы для подключения кварцевого резонатора или LC–контура;
20	GND	Общий вывод;
21..28	P2[0..7]	8–ми битовый квазидвунаправленный порт ввода /вывода; или выход адреса A[8_15] в режиме работы с внешней памятью (ВПП или ВПД);
29	PME	Строб чтения Внешней Памяти Программ, выда–ется только при обращении к внешнему ПЗУ;
30	ALE	Строб адреса Внешней памяти (ВПП или ВПД);
31	ЕА	Отключение РПП, уровень "0" на этом входе пе–реводит МК на выборку команд только из ВПП;
39..32	Р0[0..7]	8–ми битовый двунаправленный порт ввода/ вывода; при обращении к Внешней Памяти выдает адреса A[0_7] (которые записываются во внешний регистр по сигналу ALE), а затем обменивается байтом синхронно с сигналом ~PME (для команд) или ~WR,~RD (для данных в ВПД), при обращении к Внешней Памяти в регистр порта Р0 записываются все единицы, разрушая хранимую там информацию;
40	Ucc	Вывод напряжения питания

Переключение банков РОНов упрощает выполнение подпрограмм и обработку прерываний, т.к. не нужно пересылать в стек содержимое РОНов основной программы при вызове подпрограммы (достаточно в подпрограмме перейти в другой активный банк РОНов).

Обращение к РПД возможно с использованием косвенной или прямой байтовой адресации (прямая байтовая адресация позволяет обратиться только к первым 128-ми байтам РПД).

Расширенная область РПД (у микроконтроллеров семейства MCS-52 и последующих семейств) с адреса 128 (80h) до 255 (FFh) может адресоваться только с использованием косвенного метода адресации.

Таблица 2 – Блок Регистров Специальных Функций (s f r)

Адрес dir	Мнемо–код	Наименование
0E0h	* ACC	Аккумулятор
0F0h	* B	Регистр расширитель аккумулятора
0D0h	* PSW	Слово состояния процессора
0B0h	* P3	Порт 3
0A0h	* P2	Порт 2
90h	* P1	Порт 1
80h	* P0	Порт 0
0B8h	* IP	Регистр приоритетов прерываний
0A8h	* IE	Регистр маски прерываний
99h	SBUF	Буфер последовательного приемо–передатчика
98h	* SCON	Регистр управления/статуса последовательного порта
89h	TMOD	Регистр режимов таймеров/счетчиков
88h	* TCON	Регистр управления/статуса таймеров/счетчиков
8Dh	TH1	Таймер 1 (старший байт)
8Bh	TL1	Таймер 1 (младший байт)
8Ch	TH0	Таймер 0 (старший байт)
8Ah	TL0	Таймер 0 (младший байт)
83h	DPH	Регистр–указатель данных (DPTR) (старший байт)
82h	DPL	Регистр–указатель данных (DPTR) (младший байт)
81h	SP	Регистр–указатель стека
87h	PCON	Регистр управления мощностью потребления

2. ПРОГРАММНАЯ МОДЕЛЬ MCS–51

ТИПЫ КОМАНД MCS–51

Почти половина команд выполняется за 1 машинный цикл (МЦ). При частоте кварцевого генератора 12 МГц время выполнения такой команды – 1 мкс. Остальные команды выполняются за 2 машинных цикла, т.е. за 2мкс. Только команды умножения (MUL) и деления (DIV) выполняются за 4 машинных цикла.

За время одного машинного цикла происходит два обращения к Памяти Программ (внутренней или внешней) для считывания двух байтов команды или одно обращение к Внешней Памяти Данных (ВПД).

3. МЕТОДЫ (СПОСОБЫ) АДРЕСАЦИИ MCS–51

РЕГИСТРОВАЯ АДРЕСАЦИЯ – 8–ми битовый операнд находится в РОНе выбранного (активного) банка регистров;

НЕПОСРЕДСТВЕННАЯ АДРЕСАЦИЯ (обозначается знаком – # ) – операнд находится во втором (а для 16–ти битового операнда и в третьем) байте команды;

КОСВЕННАЯ АДРЕСАЦИЯ (обозначается знаком – @ ) – операнд находится в Памяти Данных (РПД или ВПД), а адрес ячейки памяти содержится в одном из РОНов косвенной адресации (R0 или R1); в командах PUSH и POP адрес содержится в указателе стека SP; регистр DPTR может содержать адрес ВПД объемом до 64К;

ПРЯМАЯ БАЙТОВАЯ АДРЕСАЦИЯ – (dir) – используется для обращения к ячейкам РПД (адреса 00h…7Fh) и к регистрам специальных функций SFR (адреса 80h…0FFh);

ПРЯМАЯ БИТОВАЯ АДРЕСАЦИЯ – (bit) – используется для обращения к отдельно адресуемым 128 битам, расположенным в ячейках РПД по адресам 20H…2FH и к отдельно адресуемым битам регистров специальных функций (см. табл. 3 и программную модель);

КОСВЕННАЯ ИНДЕКСНАЯ АДРЕСАЦИЯ (обозначается знаком – @ )– упрощает просмотр таблиц в Памяти Программ, адрес ПП определяется по сумме базового регистра (PC или DPTR) и индексного регистра (Аккумулятора);

НЕЯВНАЯ (ВСТРОЕННАЯ) АДРЕСАЦИЯ – в коде команды содержится неявное (по умолчанию) указание на один из операндов (чаще всего на Аккумулятор).

4. ФОРМАТ СЛОВА СОСТОЯНИЯ ПРОЦЕССОРА (PSW)

C – флаг переноса (CARY) или заема, выполняет также функции "булевого Аккумулятора" в командах, оперирующих с битами;

AC – флаг вспомогательного (дополнительного) переноса – устанавливается в "1", если в команде сложения (ADD, ADDC) был перенос из младшей тетрады в старшую (т.е. из 3-го бита в 4-й бит);

F0 – флаг пользователя – устанавливается, сбрасывается и проверяется программно;

RS1	RS0	Банк	Адрес (dir)
0	0	0	00h..07h
0	1	1	08h..0Fh
1	0	2	10h..17h
1	1	3	18h..1Fh

RS1,RS0 – Выбор банка регистров:

OV – Флаг арифметического переполнения; его значение определяется операцией "Исключающее ИЛИ" сигналов входного и выходного переносов старшего разряда АЛУ; единичное значение этого флага указывает на то, что результат арифметической операции в дополнительном коде вышел за допустимые пределы: –128…+127; при выполнении операции деления флаг OV сбрасывается, а в случае деления на ноль – устанавливается; при умножении флаг OV устанавливается, если результат больше 255 (0FFH);

Разряд PSW[1] – Резервный, содержит триггер, доступный по записи или чтению;

P – флаг паритета – является дополнением количества единичных битов в аккумуляторе до четного; формируется комбинационной схемой (программно доcтупен только по чтению).

В микроконтроллерах MCS-51 отсутствует флаг "Z". Но в командах условного перехода (JZ, JNZ) проверяется комбинационной схемой текущее (нулевое или ненулевое) содержимое Аккумулятора.

Все команды пересылок и обмена операндов могут осуществляться через Аккумулятор (см. рис. 3). Причем пересылки из/в Внешней Памяти (Памяти Программ или Памяти Данных) могут осуществляться только через Аккумулятор.

Большинство пересылок могут осуществляться также через прямоадресуемый байт (dir). Существуют даже пересылки dir – dir (см. рис. 3).

Отсутствующие пересылки из РОНа в РОН могут быть реализованы как пересылки из РОНа в прямоадресуемый байт dir (с учетом того, что РОНы расположены в начальной области Резидентной Памяти Данных, ячейки которой могут адресоваться как dir).

Команды обмена XCH позволяют пересылать байты без разрушения обоих операндов.

Арифметические команды выполняются только в Аккумуляторе. Поэтому первый операнд необходимо предварительно поместить в Аккумулятор и потом сложить или вычесть второй операнд. Результат помещается в Аккумулятор.

Команда вычитание SUBB выполняется только с заемом (т.е. из результата вычитается и флаг Сary). Поэтому для выполнения команды вычитания без заема необходимо предварительно выполнить команду очистки флага С (CLR C).

Команда умножения однобайтовых операндов – MUL AB – размещает двухбайтовый (16 бит) результат: младший байт – в Аккумулятор, старший байт – в регистр В.

Результат выполнения команды деления однобайтовых операндов – DIV AB – помещается: частное – а Аккумулятор, остаток – в регистр В.

Арифметическая команда INC добавляет к выбранному операнду единицу. Арифметическая команда DEC вычитает из выбранного операнда единицу. Команда десятичной коррекции Аккумулятора ( DA A ) помогает складывать двоично-десятичные числа (BCD-числа) без перевода их в шестнадцатеричный формат (hex-формат). Исходные операнды должны быть обязательно в BCD-формате, т.е. в каждой тетраде одного байта находятся только числа от 0 до 9 (там не могут быть шестнадцатеричные числа: A, B, C, D, E, F). Поэтому в одном байте могут находиться числа от 00 до 99 для упакованных BCD-чисел или числа от 0 до 9 для неупакованных BCD-чисел.

Команда DA A – десятичной коррекции выполняет действия над содержимым Аккумулятора после сложения BCD-чисел в процессоре (числа складывались по законам шестнадцатеричной арифметики) следующим образом (см. пример):

если содержимое младшей тетрады Аккумулятора больше 9 или установлен флаг вспомогательного переноса (AС = 1), то к содержимому Аккумулятора добавляется 6 (т.е. недостающие шесть цифр в hex-формате);

если после этого содержимое старшей тетрады Аккумулятора больше 9 или установлен флаг C, то число 6 добавляется к старшей тетраде Аккумулятора.

Команду десятичной коррекции DA A не применяют после команды инкремента (INC), потому что команда инкремента не влияет (не изменяет) на флаги С и АС.

Логические команды:

логическое "И" – ANL,

логическое "ИЛИ" – ORL,

логическая команда "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ" – XRL – выполняются в Аккумуляторе (как и арифметические), но имеется возможность выполнить логические команды также и в прямоадресуемом байте (dir). При этом второй операнд может быть:

в Аккумуляторе или

непосредственный операнд в команде.

Команды вращения (RR A, RL A) и команды вращения через флаг CARY (RRC A, RLC A) циклически сдвигают содержимое Аккумулятора на 1 бит.ресылки битовых операндов осуществляются только через флаг С.