Семейство
микроконтроллеров MCS-51 включает в
себя значительный ряд микросхем от простых до сложных. Цены на данное семейство
умеренные, например микроконтроллер AT89C2051 можно купить за 1$. Данные микросхемы позволяют
реализовать все функции микроЭВМ. Так же все микроконтроллеры семейства MCS-51
работают с одной системой команд и выполнены в одинаковых корпусах, с
совпадающей нумерацией ножек. Все это позволяет использовать микросхемы разных
производителей (таких как Intel, Dallas, Atmel, Philips и т.д.). В
состав однокристального МК входит 8-разрядный ЦП, управляющее ПЗУ объемом 4
Кбайта, внутреннее ОЗУ объемом 128 байт, четыре двунаправленных побитно
настраиваемых восьмиразрядных порта ввода-вывода, четыре тестируемых входа,
канал последовательного ввода-вывода, два
или три 16-разрядных таймера-счетчика, две линии запросов на прерывание
от внешних устройств. Эти средства образуют резидентную часть МК, размещенную
непосредственно на кристалле. Двусторонний обмен осуществляется с помощью внутренней
8-разрядной магистрали данных, которая связывает между собой основные узлы и
устройства микроконтроллера. Базовая организация предоставляет встроенные средства
расширения своих ресурсов. Размер ПЗУ может быть увеличен до 64 кБайт за счет
подключения внешнего ПЗУ. Также, в дополнении к имеющемуся внутреннему ОЗУ,
может быть подключено внешнее ОЗУ объемом до 64 кБайт. Вся серия семейства имеет
гарвардскую архитектуру, то есть раздельные адресные пространства памяти
программ и данных. Структурная схема микроконтроллера представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Структурная схема микроконтроллера Арифметико-логическое
устройство (ALU) - это параллельное восьми разрядное устройство, выполняющее
различные арифметические операции, такие как сложение, вычитание, умножение и
деление; операции логического И, ИЛИ, исключающего ИЛИ, операции сброса,
инвертирования, а так же операции циклического сдвига и др. К входам АЛУ
подключены программно-недоступные регистры T1 и T2. Они предназначены для
временного хранения операндов, схема десятичной коррекции (DCU) и схема
формирования признаков результата операции (PSW). Простейшая операция сложения
используется в АЛУ для инкрементирования содержимого регистров, продвижения
регистра-указателя данных (RAR) и автоматического вычисления следующего адреса
резидентной памяти программ. Простейшая операция вычитания используется в АЛУ
для декрементирования регистров и сравнения переменных. В АЛУ реализуется
механизм каскадного выполнения простейших операций для реализации сложных
команд. Все перечисленные операции выполняются всего лишь за 2 мкс. АЛУ может
оперировать как байтами, так и отдельными битами. Есть отдельные биты, которые
доступны пользователю. Они могут быть сброшены, установлены, проверены,
переданы, инвертированы, с ними можно выполнить логические операции. Так же АЛУ
может оперировать цифровыми (4 бита) и адресными (16 бит) типами информационных
объектов. В АЛУ выполняется 51 различная операция, используется 11 режимов
адресации (4 для адресов и 7 для данных), путем комбинирования операции и
режима адресации базовое число команд 111 увеличивается до 255. Аккумулятор
(АСС или А) – главный регистр МК, является источником исходных операндов и
приёмником результата при выполнении ряда операций. Микроконтроллер также имеет
регистр расширитель аккумулятора B, использующийся при выполнении операций
умножения и деления, либо как регистр, определяемый пользователем. Блок
управления и синхронизации управляет работой микроконтроллера, обеспечивает
взаимодействие и координацию работы всех его узлов. Также обеспечивает
функционирование микроконтроллера в двух специальных режимах: режиме холостого
хода и режиме микропотребления. В состав блока управления входят: устройство
формирования временных интервалов, логика ввода-вывода, регистр команд, регистр
управления потреблением электроэнергии, дешифратор команд, логика управления
ЭВМ. Частота
внутреннего тактового генератора определяется подключенным к выводам X1 и X2
кварцевым резонатором (типичное значение f=12-24МГц). Некоторые из современных
МК имеют встроенный умножитель внешней тактовой частоты с системой фазовой
автоподстройки частоты (ФАПЧ), что позволяет применять дешёвые низкочастотные
резонаторы, например, с частотой 32768 Гц, применяемые в генераторах часов
реального времени. Так же допускается использование в качестве частотозадающей
цепи LC-цепочку. В этом случае частота опорного синхросигнала определяется
выражением: где f – частота генератора, L – индуктивность катушки, C – ёмкость
конденсатора.
Возможно
использование внешнего тактового генератора, его выход подключается к входу X1,
а вывод X2 подключается к общей шине. Блок
портов ввода-вывода содержит четыре 8-разрядных двунаправленных порта
ввода-вывода. Каждый порт имеет буферный регистр. Из этого регистра считываются
данные при вводе информации и записываются в регистр при выводе. Так же есть управляющий
регистр, определяющий направление передачи данных и режим использования выводов
порта — по прямому назначению или для реализации альтернативной функции
ввода-вывода (обращение к внешней памяти). К каждому отдельному разряду
параллельного порта возможно непосредственное обращение и настройка на
соответствующий режим работы.
|