Состав семейства MCS-51

Состав семейства MCS-51 

В настоящее  время среди всех 8-разрядных микроконтроллеров - семейство MCS-51 является несомненным  чемпионом по количеству разновидностей и количеству компаний, выпускающих  его модификации. Оно получило свое название от первого представителя этого семейства - микроконтроллера 8051, выпущенного в 1980 году на базе технологии n-МОП. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке. С точки зрения технологии микроконтроллер 8051 являлся для своего времени очень сложным изделием - в кристалле было использовано 128 тыс. транзисторов, что в 4 раза превышало количество транзисторов в 16-разрядном микропроцессоре 8086. 

Важную роль в достижении такой высокой популярности семейства 8051 сыграла открытая политика фирмы Intel, родоначальницы архитектуры, направленная на широкое распространение  лицензий на ядро 8051 среди большого количества ведущих полупроводниковых  компаний мира. 

В результате на сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров  семейства 8051, выпускаемых почти 20-ю  компаниями. Эти модификации включают в себя кристаллы с широчайшим спектром периферии: от простых 20-выводных устройств с одним таймером и 1К программной памяти до сложнейших 100-выводных кристаллов с 10-разрядными АЦП, массивами таймеров-счетчиков, аппаратными 16-разрядными умножителями и 64К программной памяти на кристалле. Каждый год появляются все новые варианты представителей этого семейства. Основными направлениями развития являются: увеличение быстродействия (повышение тактовой частоты и переработка архитектуры), снижение напряжения питания и потребления, увеличение объема ОЗУ и FLASH памяти на кристалле с возможностью внутрисхемного программирования, введение в состав периферии микроконтроллера сложных устройств типа системы управления приводами, CAN и USB интерфейсов и т.п. 

Микросхемы для  этого семейства производятся целым  рядом фирм различных стран мира таких как Philips, Siemens, Intel, Atmel, Dallas, Temic, Oki, AMD, MHS, Gold Star, Winbond, Silicon Systems и ряд других. Микроконтроллеры семейства MCS 51 выпускают и российские заводы. Производство микроконтроллера 8051 осуществлялось в Киеве, Воронеже (1816ВЕ31/51, 1830ВЕ31/51), Минске (1834ВЕ31) и Новосибирске (1850ВЕ31). В качестве примера, в таблице 1 приведены названия нескольких микросхем, производимых зарубежными фирмами, в таблице 2 приведены микросхемы российского производства. 

Таблица 1. Микросхемы, производимые зарубежными фирмамиМикроконтроллер ОЗУ ПЗУ EEPROM SPI Таймеры PCA PCA1 АЦП

AT89C1051 128 байт 1К байт - - 2 - - комп

AT89C2051 128 байт 2К байт - - 2 - - комп

I8051 128 байт 4К байт - - 2 - - -

I8031 128 байт - - - 2 - - -

I8Х52 256 байт 8К байт - - 3 - - -

AT89c52 256 байт 8К байт - - 3 - - -

AT89с8252 256 байт 8К байт 2K байт + 3 - - -

AT89c55 256 байт 20К байт - - 3 - - -

I8Х54 256 байт 16К байт - - 3 - - -

I8Х58 256 байт 32К байт - - 3 - - -

I8Х51FA 128 байт 8К байт - - 4 + - -

I8Х51FB 256 байт 16К байт - - 4 + - -

I8Х51FC 256 байт 32К байт - - 4 + - -

I8Х51GB 256 байт 8К байт - + 5 + + + 
 

Примечание: вместо символа 'X' в названии микроконтроллера должны стоять символы:

0 - n-МОП без  ПЗУ

3 - n-МОП с ПЗУ

7 - n-МОП с РПЗУ

0с - КМОП без  ПЗУ

3с - КМОП с ПЗУ

7с - КМОП с  РПЗУ

9с - КМОП с  FLASH 

Таблица 2. Микросхемы российского производстваМикроконтроллер ОЗУ ПЗУ ППЗУ Таймер 2 PCA PCA1 АЦП

КР1816ВЕ51 128 байт 4К байт - - - - -

КР1816ВЕ751 128 байт - 4К байт - - - -

КР1816ВЕ31 128 байт - - - - - -

КР1830ВЕ51 128 байт 4К байт - - - - -

КР1830ВЕ751 128 байт - 4К байт - - - -

КР1830ВЕ 31 128 байт - - - - - - 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Архитектура микроконтроллеров MCS-51 

Архитектура семейства MCS-51 в значительной мере предопределяется ее назначением - построение компактных и дешевых цифровых устройств. Все функции микроЭВМ реализуются с помощью единственной микросхемы. В состав семейства MCS-51 входит целый ряд микросхем от самых простых микроконтроллеров до достаточно сложных. Микроконтроллеры семейства MCS-51 позволяют выполнять как задачи управления различными устройствами, так и реализовывать отдельные узлы аналоговой схемы. Все микросхемы этого семейства работают с одной и той же системой команд, большинство из них выполняется в одинаковых корпусах с совпадающей цоколевкой (нумерация ножек для корпуса). Это позволяет использовать для разработанного устройства микросхемы разных фирм - производителей (таких как Intel, Dallas, Atmel, Philips и т.д.) без переделки принципиальной схемы устройства и программы. 

Рис 1. Структурная  схема контроллера К1830ВЕ751 

Структурная схема  контроллера представлена на рис.1. и состоит из следующих основных функциональных узлов: блока управления, арифметико-логического устройства, блока таймеров/счетчиков, блока  последовательного интерфейса и прерываний, программного счетчика, памяти данных и памяти программ. Двусторонний обмен осуществляется с помощью внутренней 8-разрядной магистрали данных. Рассмотрим подробнее назначение каждого блока. По такой схеме построены практически все представители семейства MCS-51. Различные микросхемы этого семейства различаются только регистрами специального назначения (в том числе и количеством портов). Система команд всех контроллеров семейства MCS-51 содержит 111 базовых команд с форматом 1, 2 или 3 байта и не изменяется при переходе от одной микросхемы к другой. Это обеспечивает прекрасную переносимость программ с одной микросхемы на другую. 

Блок управления и синхронизации 

Блок управления и синхронизации (Timing and Control) предназначен для выработки синхронизирующих и управляющих сигналов, обеспечивающих координацию совместной работы блоков ОЭВМ во всех допустимых режимах ее работы.В состав блока управления входят:

устройство формирования временных интервалов,

логика ввода-вывода,

регистр команд,

регистр управления потреблением электроэнергии,

дешифратор команд, логика управления ЭВМ. 

Устройство формирования временных интервалов предназначено  для формирования и выдачи внутренних синхросигналов фаз, тактов и циклов. Количество машинных циклов определяет продолжительность выполнения команд. Практически все команды ОЭВМ выполняются за один или два машинных цикла, кроме команд умножения и деления, продолжительность выполнения которых составляет четыре машинных цикла. Обозначим частоту задающего генератора через Fг. Тогда длительность машинного цикла равна 12/Fг или составляет 12 периодов сигнала задающего генератора. Логика ввода - вывода предназначена для приема и выдачи сигналов, обеспечивающих обмен информации с внешними устройствами через порты ввода вывода Р0-Р3. 

Регистр команд предназначен для записи и хранения 8-ми разрядного кода операции выполняемой  команды. Код операции, с помощью  дешифратора команд и логики управления ЭВМ, преобразуется в микропрограмму выполнения команды. 

Регистр управления потреблением (PCON) позволяет останавливать работу микроконтроллера для уменьшения потребления электроэнергии и уменьшения уровня помех от микроконтроллера. Еще большего уменьшения потребления электроэнергии и уменьшения помех можно добиться, остановив задающий генератор микроконтроллера. Этого можно достичь при помощи переключения бит регистра управления потреблением PCON. Для варианта изготовления по технологии n-МОП (серия 1816 или иностранных микросхем, в названии которых в середине отсутствует буква 'c') регистр управления потреблением PCON содержит только один бит, управляющий скоростью передачи последовательного порта SMOD, а биты управления потреблением электроэнергией отсутствуют. 

Арифметико-логическое устройство (ALU) представляет собой параллельное восьмиразрядное устройство, обеспечивающее выполнение арифметических и логических операций. АЛУ состоит из:

регистров аккумулятора, регистров временного хранения TMP1 и TMP2,

ПЗУ констант,

сумматора,

дополнительного регистра (регистра В),

аккумулятора (ACC),

регистра состояния  программ (PSW). 

Регистр аккумулятор  и регистры временного хранения - восьмиразрядные  регистры, предназначенные для приема и хранения операндов на время  выполнения операций над ними. Эти  регистры программно не доступны. 

ПЗУ констант обеспечивает выработку корректирующего кода при двоично-десятичном представлении  данных, кода маски при битовых  операциях и кода констант. 

Параллельный  восьмиразрядный сумматор представляет собой схему комбинационного  типа с последовательным переносом, предназначенную для выполнения арифметических операций сложения, вычитания и логических операций сложения, умножения, неравнозначности и тождественности. 

Регистр B - восьмиразрядный  регистр, используемый во время операций умножения и деления. Для других инструкций он может рассматриваться как дополнительный сверхоперативный регистр. 

Аккумулятор - восьмиразрядный  регистр, предназначенный для приема и хранения результата, полученного  при выполнении арифметико-логических операций или операций сдвига 

Блок последовательного  интерфейса и прерываний (ПИП) предназначен для организации ввода - вывода последовательных потоков информации и организации  системы прерывания программ. В состав блока входят:

буфер ПИП,

логика управления,

регистр управления,

буфер передатчика,

буфер приемника,

приемопередатчик  последовательного порта,

регистр приоритетов  прерываний,

регистр разрешения прерываний,

логика обработки  флагов прерываний и схема выработки  вектора. 

Счетчик команд (Program Counter) предназначен для формирования текущего 16-разрядного адреса внутренней памяти программ и 8/16-разрядного адреса внешней памяти программ. В состав счетчика команд входят 16-разрядные буфер РС, регистр РС и схема инкремента (увеличения содержимого на 1). 

Память данных (RAM) предназначена для временного хранения информации, используемой в процессе выполнения программы. 

Порты P0, P1, P2, P3 являются квазидвунаправленными портами  ввода - вывода и предназначены для  обеспечения обмена информацией  ОЭВМ с внешними устройствами, образуя 32 линии ввода- вывода. 

Регистр состояния  программы (PSW) предназначен для хранения информации о состоянии АЛУ при  выполнении программы. 

Память программ (EPROM) предназначена для хранения программ и представляет собой постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). В разных микросхемах применяются масочные, стираемые ультрафиолетовым излучением или FLASH ПЗУ. 

Регистр указателя  данных (DPTR) предназначен для хранения 16 - разрядного адреса внешней памяти данных или памяти программ. 

Указатель стека (SP) представляет собой восьмиразрядный регистр, предназначенный для организации особой области памяти данных (стека), в которой можно временно сохранить любую ячейку памяти. 

Система команд микроконтроллеров MCS-51 

Система команд микроконтроллера предоставляет большие возможности обработки данных, обеспечивает реализацию логических, арифметических операций, а также управление в режиме реального времени. 

В этой системе  команд реализована побитная, потетрадная (4 бита), побайтовая (8 бит) и 16-разрядная  обработка данных. Микросхемы семейства MCS-51 - это 8-разрядные микропроцессоры, а это означает, что ПЗУ, ОЗУ, регистры специального назначения, АЛУ и внешние шины имеют байтовую организацию. Двухбайтовые данные используются только регистром-указателем (DPTR) и счетчиком команд (PC).