Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Опубликован: 03.03.2010 | Доступ: свободный | Студентов: 4748 / 1015 | Оценка: 4.35 / 3.96 | Длительность: 24:14:00
ISBN: 978-5-9963-0267-3
Специальности: Разработчик аппаратуры
Лекция 14:

Архитектура однокристального микроконтроллера

< Лекция 13 || Лекция 14: 12345 || Лекция 15 >
Аннотация: Цель лекции: изучить архитектуру однокристальных микроконтроллеров, рассмотреть работу основных функциональных блоков микроконтроллера - системы прерывания, таймеров/счетчиков, параллельных и последовательного портов.
Ключевые слова: архитектура, микроконтроллер, MCS, ПЗУ, бит, тактовая частота, структурная схема, АЛУ, PSW, память программ, память данных, последовательный порт, тактовый генератор, RSI, байт, ОЗУ, значение, доступ, память, ОЗУ данных, ПО, определение, программа, система команд, прямой, адрес, оперативная память, Указатель стека, SP, адресное пространство, порт ввода-вывода, регистр управления, косвенная адресация, запись, обмен информацией, внешняя память, счетчик команд, program counter, PC, массив, операции, регистр, команда, IND, CLR, CPL, MOV, pop, bit-by-bit, регистр состояния, исключающее ИЛИ, операции сдвига, безусловный переход, ADR, условный переход, команды переходов, управляющая система, микропроцессорная система, структура системы, прерывание, запрос прерывания, запрос, последовательный интерфейс, EA, PS/2, ITO, место, инкремент, таймер, счетчик, счетный вход, вывод, минимум, THX, логит, интервал, параллельный порт, регистр адреса, порт, логическая схема, информация, выход, цикла, REN

Структура микроконтроллера МК-51

Архитектура однокристальных микроконтроллеров MCS-51, разработанная фирмой Intel, стала де-факто стандартной для этого типа микропроцессоров. Микропроцессоры, имеющие такую архитектуру, с определенными модификациями выпускаются различными фирмами. В нашей стране микроконтроллеры данной архитектуры относятся к семейству МК-51 и в настоящее время содержат следующие схемы: К1816ВЕ31, К1816ВЕ51, К1816ВЕ751, К1830ВЕ31, К1830ВЕ51. Все они являются функционально завершенными и содержат на кристалле все необходимые узлы для построения законченной системы управления минимальной конфигурации. Основные электрические характеристики этих схем представлены в табл. 14.1.

Таблица 14.1. Характеристики БИС семейства МК-51
Микросхема Аналог Емкость внутренней памяти программ, байт Тип памяти программ Ток потребления,мА
К1816ВЕ31 8031AH - внешняя 150
К1816ВЕ51 8051AH 4K ПЗУ 150
К1816ВЕ751 8751H 4K ППЗУ 220
К1830ВЕ31 80C31BH - внешняя 18
К1830ВЕ51 80C51BH 4K ПЗУ 18

Все приведенные в табл. 14.1 м микроконтроллеры имеют емкость внутренней памяти данных в 128 бит и максимальную внешнюю тактовую частоту - 12 МГц.

Дальнейшее описание будет относиться к микросхеме К1816ВЕ51, если иное не оговорено особо.

Структурная схема МК-51 представлена на рис. 14.1.

МК содержит:

  • арифметико-логический блок (АЛБ), включающий в себя:
    • 8-разрядное АЛУ;
      Структурная схема однокристального микроконтроллера семейства МК-51

      Рис. 14.1. Структурная схема однокристального микроконтроллера семейства МК-51
      • регистр-аккумулятор A и дополнительный регистр-аккумулятор B, использующиеся при выполнении операций умножения и деления;
      • битовое АЛУ;
      • битовый аккумулятор, находящийся в разряде C слова состояния процессора PSW, который в байтовых арифметических операциях фиксирует сигнал переноса;
    • внутреннюю память программ емкостью 4 Кбайт, в которой также могут храниться константы;
    • внутреннюю память данных емкостью 128 байт, используемую для организации банков регистров общего назначения, стека и хранения пользовательских данных; часть этой памяти имеет побитовый доступ;
    • 32 двунаправленных интерфейсных линии, индивидуально настраиваемых на ввод или вывод информации и организованных в виде четырех 8-разрядных портов P0-P3;
    • два 16-разрядных многорежимных таймера/счетчика TC0 и TC1, используемых для организации временных задержек, внешних событий (количества сигналов, поступающих по внешним входам Т0 и Т1) и тактирования последовательного порта;
    • двунаправленный дуплексный асинхронный последовательный порт;
    • двухуровневую приоритетную маскируемую систему прерываний от трех внутренних источников (таймеров/счетчиков и последовательного порта) и двух внешних, поступающих по входам INT0 и INT1;
    • устройство управления (УУ);
    • встроенный тактовый генератор (ТГ), тактирование которого проводится внешним генератором с частотой fBQ; частота машинного цикла составляет fBQ / 12, время выполнения команд МК составляет 1-4 периода машинного цикла.

    Формат регистра PSW представлен в табл. 14.2.

    Таблица 14.2. Назначение разрядов регистра слова состояния процессора
    Позиция в регистре Мнемоника бита Функция
    7 C Перенос в арифметических операциях.Битовый аккумулятор в логических операциях
    6 AC Флаг вспомогательного переноса. Устанавливается и сбрасывается аппаратно при выполнении сложения и вычитания и сигнализирует о переносе или займе в бите 3
    5 FO Флаг, специфицируемый пользователем
    4 RSI Номер рабочего банка регистров
    3 RSO Номер рабочего банка регистров
    2 OV Переполнение в арифметических операциях
    1 - Не используется
    0 P Признак четности числа единиц в аккумуляторе

Организация памяти

Одной из основных особенностей однокристальных микроконтроллеров, отличающих их от других типов микропроцессорных БИС, является так называемая "гарвардская архитектура", при которой память программ и память данных физически и логически отделены друг от друга.

Память данных

Память данных, расположенная на кристалле (внутренняя память данных), имеет емкость 128 байт с адресами 00h-7Fh. Она может быть расширена до 64 Кбайт за счет подключения блоков внешней памяти данных.

Помимо возможности использования ОЗУ в качестве массива оперативной памяти, отдельные ее области имеют самостоятельное значение. Часть ОЗУ применяется в качестве регистров общего назначения, часть имеет прямоадресуемый доступ к отдельным битам, образуя так называемую битовую память. В ОЗУ располагается также и область стека.

Распределение адресного пространства ОЗУ показано на рис. 14.2.

Структура внутренней памяти данных

Рис. 14.2. Структура внутренней памяти данных

Младшие 32 байта внутреннего ОЗУ данных сгруппированы в 4 банка по 8 регистров общего назначения в каждом (БАНК 0-БАНК 3). Определение рабочего в данный момент банка, то есть банка регистров, к которому обращается программа при использовании имен R0-R7, осуще ствляется установкой битов RS0 и RS1 в регистре слова состояния PSW.

Наличие нескольких банков регистров сокращает длину команд за счет уменьшения длины поля номера регистра, а также уменьшает время, необходимое для сохранения и восстановления регистров при работе с подпрограммами и обработчиками прерываний, что характерно для структуры задач, решаемых микроконтроллерами.

ОЗУ данных с адресами 20h-2Fh образует область ячеек, к которым возможен побитный доступ. Система команд МК-51 содержит значительное количество инструкций, позволяющих работать с отдельными битами, используя при этом прямую адресацию. 128 бит, составляющие рассматриваемую область внутреннего ОЗУ данных, имеют адреса бит 00h-7Fh и предназначены для работы с такими инструкциями. Таким образом, к ячейке с адресом, например, 21h можно обратиться как к байту, используя ее прямой адрес 21h, а можно обратиться к ее отдельным битам с помощью команд, работающих с битовой информацией. При этом младший бит этого байта имеет адрес 08h, а старший - 0Fh.

Ячейки памяти с адресами 30h-7Fh используются как обычная оперативная память.

Во внутреннем ОЗУ данных размещается также область стека. Ее положение не фиксировано, а определяется значением указателя стека SP.

Адресное пространство внутренней памяти данных с адресами 80h-FFh отведено под указание регистров специальных функций микропроцессора. Область регистров специальных функций содержит регистры-защелки портов ввода-вывода, регистры таймеров/счетчиков, регистры управления и т. п. Эти регистры допускают только прямую адресацию.

Все ячейки внутреннего ОЗУ данных могут адресоваться с использованием прямой и косвенной адресации. Обращение к регистрам специальных функций допускается с применением только прямой адресации.

К внешней памяти данных можно обращаться только на запись или чтение с помощью специальных команд. Эти команды осуществляют обмен информацией между внешней памятью данных и аккумулятором микроконтроллера и не влияют на внутреннюю память данных МК. Таким образом, в системе могут одновременно присутствовать внутренняя память данных с адресами 00h-0Fh и внешняя память данных с адресами 0000h-FFFFh.

< Лекция 13 || Лекция 14: 12345 || Лекция 15 >
Михаил Королёв
Михаил Королёв

Ильдар Мулюков
Ильдар Мулюков

почему? Может, я туплю и чего-то очевидного не понимаю?

Курс http://www.intuit.ru/studies/courses/604/460/info

Вика пуценко
Вика пуценко
Россия
Наталья Алмаева
Наталья Алмаева
Россия