Микроконтроллер семейства 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. Переключение банков РОНов упрощает выполнение подпрограмм и обработку прерываний, т.к. не нужно пересылать в стек… Читать ещё >
Микроконтроллер семейства MCS-51 (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
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 | |
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; | |
GND | Общий вывод; | ||
21.28 | P2[0.7] | 8-ми битовый квазидвунаправленный порт ввода /вывода; или выход адреса A[815] в режиме работы с внешней памятью (ВПП или ВПД); | |
PME | Строб чтения Внешней Памяти Программ, выда-ется только при обращении к внешнему ПЗУ; | ||
ALE | Строб адреса Внешней памяти (ВПП или ВПД); | ||
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[07] (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; | |
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
1. РЕГИСТРОВАЯ АДРЕСАЦИЯ — 8-ми битовый операнд находится в РОНе выбранного (активного) банка регистров;
2 НЕПОСРЕДСТВЕННАЯ АДРЕСАЦИЯ (обозначается знаком — #) — операнд находится во втором (а для 16-ти битового операнда и в третьем) байте команды;
3 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;
4 ПРЯМАЯ БАЙТОВАЯ АДРЕСАЦИЯ — (dir) — используется для обращения к ячейкам РПД (адреса 00h…7Fh) и к регистрам специальных функций SFR (адреса 80h…0FFh);
5 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);
6 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);
7 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) | |
00h.07h | ||||
08h.0Fh | ||||
10h.17h | ||||
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.