47610 (Мікроконтролери CISC архітектури), страница 2

Незважаючи на існуючу тенденцію переходу до закритої архітектури МК, у деяких випадках виникає необхідність підключення додаткової зовнішньої пам'яті. Для цього використовуються порти введення-виведення. Такий спосіб дозволяє уникнути реалізації складних шинних інтерфейсів, однак приводить до зниження швидкодії системи при звертанні до зовнішньої пам'яті.

Кожен МК має декілька паралельних портів введення-виведення, які виконують роль пристроїв часового узгодження функціонування МК і об'єкта керування, що у загальному випадку працюють асинхронно. Звертання до регістра даних порту здійснюється тими ж командами, що і звертання до пам'яті даних. Крім того, у багатьох МК окремі розряди портів можуть бути опитані або встановлені бітовими командами процесора.

Більшість задач керування, що реалізуються за допомогою МК, виконуються у реальному часі. Під цим розуміється здатність системи одержати інформацію про стан керованого об'єкта, виконати необхідні розрахункові процедури і видати керуючі впливи (сигнали) на протязі інтервалу часу, достатнього для бажаної зміни стану об'єкта.

Покладати функції керування в реальному масштабі часу тільки на центральний процесор неефективно, тому що це займає ресурси, необхідні для розрахункових процедур. Тому в більшості сучасних МК використовується апаратна підтримка роботи в реальному часі з використанням таймерів.

Модулі таймерів служать для прийому інформації про час настання тих або інших подій від зовнішніх датчиків подій, а також для формування керуючих впливів у часі. Таймер – це 8-ми або 16-розрядний лічильник зі схемою керування. Схемотехнікою МК передбачається можливість використання таймера в режимі лічильника зовнішніх подій, тому його часто називають таймером/лічильником. Напрямок рахування – тільки прямий, тобто при надходженні вхідних імпульсів вміст лічильника інкрементується (збільшується на одиницю).

Лічильник може використовувати, у якості джерела вхідних сигналів як імпульсну послідовність з виходу керованого дільника частоти f_BUS, так і сигнали зовнішніх подій. У першому випадку говорять, що лічильник працює в режимі таймера, у другому – у режимі лічильника подій.

Наступним етапом розвитку модулів підсистеми реального часу МК стали модулі процесорів подій. Вперше модулі процесорів подій були використані компанією Intel у МК сімейства 8x51Fx. Цей модуль одержав назву програмувального лічильного масиву (Programmable Counter Array — PCA). Він забезпечує більш широкі можливості роботи в реальному масштабі часу і меньше витрачає ресурси центрального процесора, чим таймери/лічильники. Тенденція розвитку підсистеми реального часу сучасних МК – збільшення числа каналів процесорів подій і розширенні їхніх функціональних можливостей.

Обробка переривань у МК відбувається відповідно до загальних принципів обробки переривань у МПС. Модуль переривань приймає запит переривання і організує перехід до виконання програми, що перериває. Запити переривань можуть надходити як від зовнішніх джерел, так і від джерел, розташованих у різних внутрішніх модулях МК (зовнішні та внутрішні переривання). Як входи для прийому запитів зовнішніх переривань найчастіше використовуються виводи паралельних портів.

Адреса, що завантажується в програмний лічильник при переході до обробки переривання, називається «вектор переривання». Питання про пріоритети при одночасному надходженні декількох запитів на переривання вирішується в різних МК по-різному. Є МК з однорівневою системою пріоритетів (усі запити рівноцінні), багаторівневою системою з фіксованими пріоритетами і багаторівневою програмованою системою пріоритетів.

Сучасні МК надають користувачеві великі можливості в плані економії енергоспоживання і мають наступні режими роботи:

- активний режим (Run mode) — основний режим роботи МК. У цьому режимі МК виконує робочу програму, і всі його ресурси доступні. Споживана потужність має максимальне значення P_RUN.

- режим очікування (Wait mode, Idle mode або Halt mode). У цьому режимі припиняє роботу центральний процесор, але продовжують функціонувати периферійні модулі, що контролюють стан об'єкта керування. При необхідності сигнали від периферійних модулів переводять МК в активний режим, і робоча програма формує необхідні керуючі впливи. У режимі очікування потужність споживання МК знижується в порівнянні з активним режимом у 5...10 разів;

- режим останова (Stop mode, Sleep mode або Power Down mode). У цьому режимі припиняє роботу як центральний процесор, так і більшість периферійних модулів. Перехід МК зі стану останова в робочий режим можливий, як правило, тільки за перериваннями від зовнішніх джерел або після подачі сигналу скидання. У режимі останова потужність споживання МК P_STOP знижується в порівнянні з активним режимом приблизно на три порядки і складає одиниці мікроват.

З метою забезпечення надійного запуску, контролю роботи МК і відновлення працездатності системи (автоматічного скидання і ініціалізації) всі сучасні МК забезпечуються апаратними засобами забезпечення надійної роботи, а саме: схемою формування сигналу скидання МК, модулем моніторингу напруги живлення та сторожовим таймером.

2. Базова архітектура CISC МК.

В дійсний час, серед усіх 8-розрядних МК, сімейство MCS51 є безсумнівним чемпіоном з кількості різновидів і кількості компаній, що випускають його модифікації. Воно одержало свою назву від першого представника цього сімейства -- МК і8051, випущеного в 1980. Вдалий набір периферійних пристроїв, можливість гнучкого вибору зовнішньої або внутрішньої програмної пам'яті і невисока вартість забезпечили цьому МК успіх на ринку. З погляду технології МК і8051 був для свого часу дуже складним виробом -- у кристалі було використано 128 тис. транзисторів, що в 4 рази перевищувало кількість транзисторів у 16-розрядному мікропроцесорі 8086.

Важливу роль у досягненні такої високої популярності сімейства 8051 зіграла відкрита політика фірми Intel, спрямована на широке поширення ліцензій на ядро 8051 серед великої кількості провідних компаній - виробників світу.

У результаті на сьогоднішній день існує більш 200 модифікацій МК сімейства 8051, що випускаються майже 20-ю компаніями. Ці модифікації містять у собі кристали з найширшим спектром периферії: від простих 20-вивідних пристроїв з одним таймером до 100-вивідних кристалів з 10-розрядними АЦП, масивами таймерів-лічильників, апаратними 16-розрядними помножувачами і 64 Кб програмної пам'яті на кристалі. Основними напрямками розвитку є: збільшення швидкодії (підвищення тактової частоти і вдосконалення архітектури), збільшення обсягу ОЗП і FLASH- пам'яті на кристалі з можливістю внутрісхемного програмування, використання складних периферійних пристроїв.

Усі МК із сімейства MCS-51 мають загальну систему команд. Наявність додаткового устаткування впливає тільки на кількість регістрів спеціального призначення.

Склад та основні характеристики базової моделі сімейства МК MCS-51

Базовою моделлю сімейства МК MCS51 і основою для всіх наступних модифікацій є МК і8051. Це -- восьмирозрядний ОМК, що має:

- вбудований тактовий генератор;

- адресний простір пам'яті програм -- 64 КБ;

- адресний простір пам'яті даних -- 64 КБ;

- внутрішню (резидентну) пам'ять програм ПЗП -- 4 КБ;

- внутрішню (резидентну) пам'ять даних ОЗП -- 128 байт;

- додаткові можливості по виконанню операцій булевої алгебри (побітових операції);

- 32 двонапрямлені й індивідуально адресовані лінії введення/виведення (порти Р0-Р3);

- послідовний порт (Serial Port);

- 2 шістнадцатирозрядні багатофункціональні таймери/лічильники (Т/С 0, Т/С 1);

- повнодуплексний асинхронний прийомопередавач;

- векторну систему переривань із двома рівнями пріоритету і шістьма джерелами подій.

Спрощена структурна схема і8051 подана на рис. 2, призначення виводів мікросхеми -- на рис. 3.

Рис. 2. Структурна схема і8051

Bus control –блок керування; Interrupts control – система переривань; CPU – центральний процесор; OSC – генератор; ROM –ПЗП; RAM – ОЗП; I/O ports – порти введення-виведення.

Рис. 3. Призначення виводів I-8051.

Позначення сигналів на рис. 3:

• U_ss -- потенціал загального проводу ("землі");

• U_cc -- основна напруга живлення +5 В;

• XTAL1, XTAL2 -- виводи для підключення кварцового резонатора;

• RESET -- вхід загального скидання МК;

• PSEN -- дозвіл зовнішньої пам'яті програм;

• ALE -- строб адреси зовнішньої пам'яті;

• ЕА -- відключення внутрішньої програмної пам'яті;

• P1 -- восьмибітний квазідвонапрямлений порт введення/виведення (кожен розряд порту може бути запрограмований як на введення, так і на виведення інформації);

• P2 -- порт, аналогічний Р1; крім того, виводи цього порту використовуються для видачі адресної інформації при звертанні до зовнішньої пам'яті програм або даних;

• РЗ -- аналогічний Р1; крім того, виводи цього порту можуть виконувати ряд альтернативних функцій, що використовуються при роботі таймерів, порту послідовного введення/виведення, контролера переривань, і зовнішньої пам'яті програм і даних;

• P0 — восьмибітний двонапрямлений порт введення/виведення інформації.

2.2. Організація пам’яті базової моделі сімейства МК MCS-51

Вся серія MCS51 має гарвардську архітектуру (пам'ять даних відділена від пам'яті програм). Організація резидентної пам'яті програм (РПП) зображена на рис. 4.

Область нижніх адрес РПП використовується системою переривань, забезпечена підтримка п'яти джерел переривань -- двох зовнішніх (EINT1 та EINT1), двох переривань від таймерів та одного від послідовного порту. Молодша адреса ПЗП використовується для початку роботи ОМК після скидання сигналом RESET.

Пам'ять програм може бути розширена до 64 кБайт через приєднання зовнішніх ВІС ПЗП.

Рис. 4. Організація РПП

ОЗП або резидентна пам'ять даних (РПД) складається з двох областей. Перша область – ОЗП даних із інформаційній ємністю 128*8 біт з адресами 0 -- 7FH. Друга область – регістри спеціальних функцій SFR (Special Function Register) з адресами 80Н – FFH. РПД.

2.3. Регістри МК MCS-51

Структурна схема МК MCS-51, деталізована до регістрів, подана на рис.5. Розглянемо склад схеми та призначення її елементів.

Блок ЦП містить 8-розрядний АЛП (ALU) зі схемою десяткової корекції (DCU), два акумулятори -- А (Accumulator), що використовується як джерело і приймач при обчисленнях і пересиланнях, та В (Multiplication Register), що використовується як акумулятор лише у командах множення та ділення, і як РЗП – у інших випадках.

Рис. 5. Структурна схема і8051, деталізована до регістрів

Програмно-недоступні буферні регістри T1 і T2призначені для тимчасового збереження операндів та виконують функції розподілу вхідних та вихідних даних АЛП.

Регістр слова стану процесора PSW (Processor State Word) містить біти, що відображають результати виконання операцій та стан процесора (аналогічний за призначенням регістру прапорів процесора I8086).

Адреси комірок ПЗП визначаються вмістом лічильника команд PC (Program Counter) або вмістом регістра-покажчика даних DPTR (Data Pointer Register). Регістр DPTR може використовуватися як один 16-розрядний регістр, або як два незалежних 8-розрядних регістри DPL та DPH.

РПД адресується 8-розрядними регістром адреси PA або покажчиком стеку SP (Stack Pointer). Регістр адреси є програмно-недоступним регістром, у який завантажується адреса комірки ОЗП під час виконання команд. Регістр SP призначений для адресації вершини стеку, який є частиною РПД.

Регістри P0 – P3 – регістри відповідних портів.

Блок керування складається зі схеми керування та синхронізації CU, генератора OSC та 8-розрядного регістра команд IR. Код команди, зчитаної з РПП, запам’ятовується у IR, і надходить на дешифратор команд, який входить до складу CU. Дешифратор команд формує 24-розряднйи код, що надходить на програмовану логічну матрицю, а після цього – на блок логіки керування.

У складі блоку переривань, таймерів та послідовного порту є наступні регістри:

Регістр керування енергоспоживанням PCON (Power Control Register).

Регістри таймерів/лічильників TL0, TL1, TH0, TH1.

Створюють 16-бітні (Low/High) регістри таймерів/лічильників Т/C0 і Т/C1. Звертання до регістрів тільки байтове.

Регістр режиму таймерів/лічильників TMOD (Timer/Counter Mode Control Register).

Регістр керування таймерів/лічильників TCON (Timer/Counter Control Register).

Призначені для керування роботою таймерної секції МК.

Буфер послідовного порту SBUF (Serial Data Buffer).