Устройство управления и синхронизации
Функциональное назначение выводов корпуса МК51
Микроконтроллер выполнен на основе высокоуровневой n-МОП технологии и выпускается в корпусе БИС, имеющем 40 внешних выводов. Цоколевка корпуса МК51 и наименования выводов показаны на рис. 3.1. Для работы MK51 требуется один источник электропитания +5 В. Через четыре программируемых порта ввода/вывода MK51 взаимодействует со средой в стандарте ТТЛ-схем с тремя состояниями выхода. Корпус МК51 имеет два вывода для подключения кварцевого резонатора, четыре вывода для сигналов, управляющих режимом работы МК, и восемь линий порта 3, которые могут быть запрограммированы пользователем на выполнение специализированных (альтернативных) функций обмена информацией со средой.
Структурная схема МК51
Основу структурной схемы МК51 (рис. 3.2) образует внутренняя двунаправленная 8-битная шина, которая связывает между собой все основные узлы и устройства: резидентную память, АЛУ, блок регистров специальных функций, устройство управления и порты ввода/вывода. Рассмотрим основные элементы структуры и особенности организации вычислительного процесса в МК51.
Арифметическо-логическое устройство
8-битное АЛУ может выполнять арифметические операции сложения, вычитания, умножения и деления; логические операции И, ИЛИ, исключающее ИЛИ, а также операции циклического сдвига, сброса, инвертирования и т.п. В АЛУ имеются программно недоступные регистры T1 и T2, предназначенные для временного хранения операндов, схема десятичной коррекции и схема формирования признаков.
Простейшая операция сложения используется в АЛУ для инкрементирования содержимого регистров, продвижения регистра-указателя данных и автоматического вычисления следующего адреса РПП. Простейшая операция вычитания используется в АЛУ для декрементирования регистров и сравнения переменных.
Простейшие операции автоматически образуют "тандемы" для выполнения в АЛУ таких операций, как, например, инкрементирование 16-битных регистровых пар. В АЛУ реализуется механизм каскадного выполнения простейших операций для реализации сложных команд. Так, например, при выполнении одной из команд условной передачи правления по результату сравнения в АЛУ трижды инкрементируется СК, дважды производится чтение из РПД, выполняется арифметическое сравнение двух переменных, формируется 16-битный адрес перехода и принимается решение о том, делать или не делать переход по программе. Все перечисленные операции выполняются в АЛУ всего лишь за 2 мкс.
Важной особенностью АЛУ является его способность оперировать не только байтами, но и битами. Отдельные программно-доступные биты могут быть установлены, сброшены, инвертированы, переданы, проверены и использованы в логических операциях. Эта способность АЛУ, оперировать битами, столь важна, что во многих описаниях МК51 говорится о наличии в нем "булевского процессора". Для управления объектами часто применяются алгоритмы, содержащие операции над входными и выходными булевскими переменными (истина/ложь), реализация которых средствами обычных микропроцессоров сопряжена с определенными трудностями.
Таким образом, АЛУ может оперировать четырьмя типами информационных объектов: булевскими (1 бит), цифровыми (4 бита), байтными (8 бит) и адресными (16 бит). В АЛУ выполняется 51 различная операция пересылки или преобразования этих данных. Так как используется 11 режимов адресации (7 для данных и 4 для адресов), то путем комбинирования "операция/ режим адресации" базовое число команд 111 расширяется до 255 из 256 возможных при однобайтном коде операции.
Резидентная память
Память программ и память данных, размещенные на кристалле МК5 физически и логически разделены, имеют различные механизмы адресации, работают под управлением различных сигналов и выполняют разные функции.
Память программ (ПЗУ или СППЗУ) имеет емкость 4 Кбайта и предназначена для хранения команд, констант, управляющих слов инициализации, таблиц перекодировки входных и выходных сменных и т.п. РПП имеет 16-битную шину адреса, через которую обеспечивается доступ из счетчика команд или из регистра-указателя данных. Последний выполняет функции базового регистра при косвенных переходах по программе или используется в командах, оперирующих с таблицами.
Память данных (ОЗУ) предназначена для хранения переменных в процессе выполнения прикладной программы, адресуется одним байтом и имеет емкость 128 байт. Кроме того, к адресному пространству РПД примыкают адреса регистров специальных функций (РСФ), которые перечислены в таблице 2.1.
Память программ, так же как и память данных, может быть расширена до 64 Кбайт путем подключения внешних БИС.
Аккумулятор и ССП. Аккумулятор является источником операнда и местом фиксации результата при выполнении арифметических, логических операций и ряда операций передачи данных. Кроме того, только с использованием аккумулятора могут быть выполнены операции сдвигов, проверка на нуль, формирование флага паритета и т.п.
Таблица 2.1. Блок регистров специальных функций
| Символ | Наименование | Адрес |
| *ACC | Аккумулятор | 0E0H |
| * B | Регистр-расширитель аккумулятора | 0F0H |
| * PSW | Слово состояния программы | 0D0H |
| SP | Регистр-указатель стека | 81H |
| DPTR | Регистр-указатель данных (DPH) (DPL) | 83H |
| 82H | ||
| * P0 | Порт 0 | 80H |
| * P1 | Порт 1 | 90H |
| * P2 | Порт 2 | 0A0H |
| * P3 | Порт 3 | 0B0H |
| * IP | Регистр приоритетов | 0B8H |
| * IE | Регистр маски прерываний | 0A8H |
| TMOD | Регистр режима таймера/счетчика | 89H |
| * TCON | Регистр управления/статус таймера | 88H |
| TH0 | Таймер 0 (старший байт) | 8CH |
| TL0 | Таймер 0 (младший байт) | 8AH |
| TH1 | Таймер 1 (старший байт) | 8DH |
| TL1 | Таймер 1 (младший байт) | 8BH |
| * SCON | Регистр управления приемопередатчиком | 98H |
| SBUF | Буфер приемопередатчика | 99H |
| PCON | Регистр управления мощностью | 87H |
| Примечание. Регистры, имена которых отмечены знаком (*), допускают адресацию отдельных бит. |
При выполнении многих команд в АЛУ формируется ряд признаков операции (флагов), которые фиксируются в регистре ССП. В таблице 2.2 приводится перечень флагов ССП, даются их символические имена и описываются условия их формирования.
Таблица 2.2. Формат слова состояния программы (ССП)
| Символ | Позиция | Имя и назначение | ||
| C | PSW.7 | Флаг переноса. Устанавливается и сбрасывается аппаратурными средствами или программой при выполнении арифметических и логических операций | ||
| AC | PSW.6 | Флаг вспомогательного переноса. Устанавливается и сбрасывается только аппаратурными средствами при выполнении команд сложения и вычитания и сигнализирует о переносе или заем в бите 3 | ||
| F0 | PSW.5 | Флаг 0. Может быть установлен, сброшен или проверен программой как флаг, специфицируемый пользователем | ||
| RS1 RS0 | PSW.4 PSW.3 | Выбор банка регистров. Устанавливается и сбрасывается программой для выбора рабочего банка регистров (см. примечание) | ||
| OV | PSW.2 | Флаг переполнения. Устанавливается и сбрасывается аппаратно при выполнении арифметических операций | ||
| _ | PSW.1 | Не используется | ||
| P | PSW.0 | Флаг паритета. Устанавливается и сбрасывается аппаратуры в каждом цикле команды и фиксирует нечетное/четное число единичных бит в аккумуляторе, т.е. выполняет контроль по четности | ||
| Примечание. | RS1 | RS0 | Банк | Границы адресов |
| 00H-07H | ||||
| 08H-0FH | ||||
| 10H-17H | ||||
| 18H-1FH |
Наиболее "активным" флагом ССП является флаг переноса, которые принимает участие и модифицируется в процессе выполнения множеств операций, включая сложение, вычитание и сдвиги. Кроме того, флаг переноса (C) выполняет функции "булевого аккумулятора" в командах, манипулирующих с битами. Флаг переполнения (OV) фиксирует арифметическое переполнение при операциях над целыми числами со знаком и делает возможным использование арифметики в дополнительных кодах. АЛУ не управляет флагами селекции банка регистров (RS0, RS1), и их значение полностью определяется прикладной программой и используется для выбора одного из четырех регистровых банков.
Широкое распространение получило представление о том, что в микропроцессорах, архитектура которых опирается на аккумулятор, большинство команд работают с ним, используя адресацию "по умолчанию" (неявную). В МК51 дело обстоит иначе. Хотя процессор в МК51 имеет в своей основе аккумулятор, однако, он может выполнять множество команд и без участия аккумулятора. Например, данные могут быть переданы из любой ячейки РПД в любой регистр, любой регистр может быть загружен непосредственным операндом и т.д. Многие логические операции могут быть выполнены без участия аккумулятора. Кроме того, переменные могут быть инкрементированы, декрементированы и проверены (test) без использования аккумулятора. Флаги и управляющие биты могут быть проверены и изменены аналогично.
Регистры-указатели. 8-битный указатель стека (РУС) может адресовать любую область РПД. Его содержимое инкрементируется прежде, чем данные будут запомнены в стеке в ходе выполнения команд PUSH и CALL. Содержимое РУС декрементируется после выполнения команд POP и RET. Подобный способ адресации элементов стека называют прединкрементным/постдекрементным. В процессе инициализации МК51 после сигнала СБР в РУС автоматически загружается код 07H. Это значит, что если прикладная программа не переопределяет стек, то первый элемент данных в стеке будет располагаться в ячейке РПД с адресом 08Н.
Двухбайтный регистр-указатель данных (РУД) обычно используется для фиксации 16-битного адреса в операциях с обращением к внешней памяти. Командами МК51 регистр-указатель данных может быть использован или как 16-битный регистр, или как два независимых 8-битных регистра (DPH и DPL).
Таймер/счетчик. В составе средств МК51 имеются регистровые пары с символическими именами ТНО, TLO и THI, TLI, на основе которых функционируют два независимых программно-управляемых 16-битных таймера/счетчика событий.
Буфер последовательного порта. Регистр с символическим именем SBUF представляет собой два независимых регистра - буфер приемника и буфер передатчика. Загрузка байта в SBUF немедленно вызывает начало процесса передачи через последовательный порт. Когда байт считывается из SBUF, это значит, что его источником является приемник последовательного порта.
Регистры специальных функций. Регистры с символическими именами IP, IE, TMOD, TCON, SCON и PCON используются для фиксации и программного изменения управляющих бит и бит состояния схемы прерывания, таймера/счетчика, приемопередатчика последовательного порта и для управления мощностью электропитания МК51. Их организация будет описана ниже при рассмотрении особенностей работы МК51 в различных режимах.
Устройство управления и синхронизации
Кварцевый резонатор, подключаемый к внешним выводам X1 и X2 корпуса МК51, управляет работой внутреннего генератора, который в свою очередь формирует сигналы синхронизации.
а - команда 1 байт/1 цикл, например INC A; б - команда - 2 байта/1 цикл, например ADD A, #d; в - команда 1 байт/2 цикла, например INC DPTR; г - команда 1 байт/2 цикла, например MOVX.
Устройство управления МК51 на основе сигналов синхронизации формирует машинный цикл фиксированной длительности, равной 12 периодам резонатора или шести состояниям первичного управляющего автомата (S1_S6). Каждое состояние управляющего автомата содержит две фазы (P1, P2) сигналов резонатора. В фазе Р1, как правило, выполняется операция в АЛУ, а в фазе P2 осуществляется межрегистровая передача. Весь машинный цикл состоит из 12 фаз, начиная с фазы S1P1 и кончая фазой S6P2, как показано на рис. 3.3. Эта временная диаграмма иллюстрирует работу устройства управления МК51 при выборке и исполнении команд различной степени сложности. Все заштрихованные сигналы являются внутренними и недоступны пользователю МК51 для контроля. Внешними, наблюдаемыми сигналами являются только сигналы резонатора и строба адреса внешней памяти. Как видно из временной диаграммы, сигнал САВП формируется дважды за один машинный цикл (S1P2-S2P1 и S4P2-S5P1) и используется для управления процессом обращения к внешней памяти.
Большинство команд МК51 выполняется за один машинный цикл. Некоторые команды, оперирующие с 2-байтными словами или связанные с обращением к внешней памяти, выполняются за два машинных цикла. Только команды деления и умножения требуют четырех машинных циклов. На основе этих особенностей работы устройства управления МК51 производится расчет времени исполнения прикладных программ.