4. Микроконтроллеры семейства mcs-51
В настоящее время можно выделить 8-, 16- и 32-разрядные микроконтроллеры.
Статистика утверждает, что сейчас в области встраиваемых систем управления наибольшую долю рынка занимают восьмиразрядные микроконтроллеры. Но, вместе с тем, для решения многих современных задач вычислительной мощности 8-разрядных микроконтроллеров уже довольно часто оказывается недостаточно, поэтому в настоящее время начинает, активно развиваться и рынок 16- и 32-разрядных микроконтроллеров.
Архитектура семейства MCS-51 фирмы Intel была в свое время определена настолько удачно, что является на сегодня, по существу, одним из стандартов на мировом рынке 8-разрядных МК.
Первый МК 8051АН был разработан на основе фирменной N-МОП технологии с использованием схемотехники динамических элементов. Поскольку 8-разрядный микроконтроллер имеет степень интеграции, примерно соответствующую 16-разрядному МП, только такой подход позволил в начале 80-х годов реализовать столь развитую и перспективную архитектуру.
Сейчас существует более 10 производителей, выпускающих свои версии 8051. Эти версии, совместимые по выводам, программному коду, временным характеристикам, имеют существенные отличия от оригинала в части ускорения выполнения программ и расширения функциональных возможностей. Наиболее значительное развитие архитектуры 8051 сделано компанией при разработке микроконтроллеров семейств MCS-151 и MCS-251.
Компания Atmel, предлагает «урезанный» вариант 8051 (наряду с семейством микроконтроллер AVR), который размещен в 20-выводном корпусе. В некоторых версиях микроконтроллер 8051 компании Atmel (AT89S1051 и AT89S2051) содержится память EEPROM для хранения программ и энергонезависимая память данных.
Компания Dallas Semiconductor разработала быстродействующий вариант МК 8051HSM (high-speed microcontroller). Выпустив этот микроконтроллер, компания Dallas Semiconductor стала лидером по быстродействию среди всех поставщиков 8051. В МК 8051HSM команды выполняются в два – три раза быстрее по сравнению с базовым семейством 8051.
4.1. Структура микроконтроллеров семейства mcs-51
На рис. 30 приведена внутренняя структура МК 8051АН, исходная для семейства MCS-51. Назначение регистров специальных функций приведены в табл. 1. Данный микроконтроллер имеет следующие характеристики:
- 8-разрядное АЛУ с аппаратной реализацией операций типа умножение;
- внутренние память программ (4К байт) и ОЗУ данных (128 байт);
- четыре универсальных программируемых параллельных 8-разрядных порта ввода-вывода с возможностью реализации определенных альтернативных функций;
- два 16-разрядных программируемых счетчика-таймера;
- дуплексный последовательный порт;
- гарвардская архитектура, т.е. память программ и данных разделены;
- операционное ядро имеет аккумуляторную организацию, т.е. результат операции, как правило, помещается в регистр-аккумулятор;
- цикл шины равен 12 тактам генератора;
- максимальная частота тактового генератора 12 МГц;
- контроллер открытой архитектуры, с возможностью расширения и памяти программ, и памяти данных до 64 Кбайт.
Рис. 30. Внутренняя структура микроконтроллера MCS-51
АЛУ выполняет набор арифметических и логических операций, сдвигов и битовых операций, реализуя соответствующий набор команд микроконтроллера. АЛУ содержит регистр-аккумулятор A, который при выполнении большинства команд служит для размещения одного из операндов и результата операции, и дополнительный регистр B, который используется при реализации умножения и деления, а также может служить для хранения промежуточных результатов. К входам подключены программно-недоступные регистры недоступные регистры Т1 и Т2, предназначенные для временного хранения операндов, схема десятичной коррекции (DCU) и схема формирования признаков результата операции (PSW).
Таблица 1
Назначение регистров специальных функций
Регистр |
Назначение |
1 |
2 |
АСС |
Аккумулятор, основной операционный регистр |
В |
Дополнительный регистр для операций умножения и деления, в других командах может рассматриваться как обычный РОН |
PSW |
Регистр, хранящий слово состояния процессора |
IP |
Регистр приоритетов прерываний |
Р3 |
Регистр порта Р3 |
IE |
Регистр разрешения прерываний |
Р2 |
Регистр порта Р2 |
SBUF |
Регистр данных последовательного порта |
SCON |
Регистр управления последовательного порта |
Р1 |
Регистр порта Р1 |
ТН1 |
Старший регистр таймера-счетчика 1 |
ТН0 |
Старший регистр таймера-счетчика 0 |
TL1 |
Младший регистр таймера-счетчика 1 |
TL0 |
Младший регистр таймера-счетчика 0 |
TMOD |
Регистр режима таймеров-счетчиков |
TCON |
Регистр управления таймеров-счетчиков |
PCON |
Регистр управления энергопотреблением |
SP |
Регистр указателя стека |
РС |
Программный счетчик |
DPH, DPL |
Указатель данных DPTR состоит из регистра старшего байта DPH и регистра младшего байта DPL, содержит 16-разрядный адрес для обращения к внешней памяти данных |
Р0 |
Регистр порта Р0 |
АЛУ может оперировать четырьмя типами информационных объектов: булевыми (1 бит), цифровыми (4 бита), байтными (8 бит) и адресными (16 бит). В АЛУ выполняется 51 различная операция пересылки или преобразования этих данных. Так как используется 11 режимов адресации (7 для данных и 4 для адресов), то путем комбинирования операции и режима адресации базовое число команд 111 расширяется до 255 из 256 возможных при однобайтном коде операции.