Архитектура микроконтроллеров MCS-51

68 Pages·2014·1.713 MB·Russian

by  Грошева Л.С., Плющаев В.И.

Федеральное агентство морского и речного транспорта
Федеральное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Волжская государственная академия водного транспорта»

Кафедра радиоэлектроники

Л.С. Грошева, В.И. Плющаев

Архитектура
микроконтроллеров MCS-51

Учебное пособие
для студентов очного и заочного обучения
специальностей 162107, 250503 «Техническая
эксплуатация транспортного радиооборудования»
и 180407.65 «Эксплуатация судового электрооборудования
и средств автоматики»

Нижний Новгород
Издательство ФБОУ ВПО «ВГАВТ»
2014
УДК 681.325.5:621.382
Г89

Грошева, Л.С.
Архитектура микроконтроллеров MCS-51 : учеб. пособие для
студ. оч. обуч. специальностей 162107, 250503 «Техническая экс-
плуатация транспортного радиооборудования» и 180407.65 «Экс-
плуатация судового электрооборудования и средств автоматики» /
Л.С. Грошева, В.И. Плющаев. – Н. Новгород : Изд-во ФБОУ ВПО
«ВГАВТ», 2014. – 68 с.

Рассматриваются особенности базовой архитектуры микрокон-
троллеров семейства MCS-51, система команд и принципы под-
ключения к микроконтроллеру типовых периферийных устройств.

Для студентов, изучающих дисциплины «Программируемые
микроэлектронные устройства» и «Микропроцессорные системы
управления».

Работа рекомендована к изданию кафедрой радиоэлектроники
(протокол № 2 от 11.09.2013 г.).

© ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2014
2
Введение

Характерной особенностью современного судостроения является
создание судов с высокой степенью комплексной автоматизации, ко-
торая позволяет существенно повысить технико-экономическую эф-
фективность эксплуатации. В настоящее время основным направлени-
ем в судостроении является переход от систем автоматизации отдель-
ных механизмов, агрегатов, технологических процессов к интегри-
рованным системам управления судовыми техническими средст-
вами. Современные судовые комплексы решают задачи: навигации
и связи; управления движением судна, судовой энергетической ус-
тановкой, грузовыми и балластными операциями; обеспечения
безопасности судна, экипажа и пассажиров; контроля и диагности-
ки технических средств судна и пр.
Увеличение объема автоматизации, ужесточение требований к
качеству функционирования управляющих устройств и их надеж-
ности, рост объема обрабатываемой и передаваемой информации,
усложнение алгоритмов управления, решение задач диагностирова-
ния и прогнозирования, стремление к унификации и стандартизации
оборудования предопределили широкое использование на судах раз-
личного рода микропроцессорной (МП) техники. Практически вся су-
довая аппаратура, связанная с получением, передачей, обработкой и
отображением информации, выполнена на базе МП-техники.
Огромная номенклатура выпускаемых в мире микропроцессо-
ров определяется многообразием решаемых ими задач, условиями
эксплуатации и технико-экономическими требованиями. Микро-
процессоры отличаются архитектурой, быстродействием, энерго-
потреблением, габаритами, ценой и другими параметрам. Можно
выделить три основных направления развития микропроцессоров:
– универсальные микропроцессоры;
– сигнальные микропроцессоры;
– микроконтроллеры.
Универсальные микропроцессоры в основном предназначены
для построения сложных вычислительных систем (универсальные
ЭВМ, панельные компьютеры, рабочие станции, встраиваемые
ЭВМ и т.п.). На судах вычислительные системы на базе универ-
сальных микропроцессоров широко используются в системах:
3
– навигационно-информационных (электронная картография,
планирование переходов, обеспечение навигационной безопасно-
сти, формирование и хранения различных баз данных и пр.);
– связи и коммуникаций (связь с внешними и судовыми прием-
никами и потребителями информации; прием, хранение и передача
информации, ведение журналов и отчетов, выдача справочной ин-
формации и т.п.);
– обеспечения безопасности плавания (обработка информации
радиолокационных станций, автоматических идентификационных
систем и других приборов с целью предупреждения столкновения);
– управления движением судов (движение по заданному мар-
шруту, удержание на курсе, маневрирование судна и пр.);
– управления, контроля и диагностики главной движительной
установки, судовой системы электроснабжения, отдельными агре-
гатами и механизмами;
– управления балластными и грузовыми операциями;
– контроля и управления системами жизнеобеспечения (венти-
ляция и кондиционирование, водоснабжение и канализация и пр.).
Сигнальные процессоры – это микропроцессоры, особенностью
работы которых является поточный характер обработки больших объ-
емов данных в реальном масштабе времени и, как правило, с интен-
сивным обменом данными с внешними устройствами. Сигнальные
процессоры активно используются для обработки сигналов в радио-
технической аппаратуре. Базовая архитектура сигнальных процессо-
ров – это совокупность специализированных компонентов, направлен-
ная на повышение производительности и отличающая их от микро-
схем других типов. Она обусловлена применением модифицирован-
ной гарвардской архитектуры, использованием конвейерного режима
работы, наличием специализированных устройств умножения с нако-
плением, реализацией короткого командного цикла.
На судах сигнальные процессоры используются в системах ра-
диосвязи, телекоммуникаций (модемы, сетевые устройства, мо-
бильные устройства связи), системах видеонаблюдения, портатив-
ных медиаустройствах, а также в системах управления сервопри-
водами и электроприводами переменного и постоянного тока и т.п.
Микроконтроллеры (или однокристальные микроЭВМ) пред-
ставляют собой СБИС, включающие в свой состав все устройства,
необходимые для реализации цифровой системы управления ми-
нимальной конфигурации: процессор, память данных, память про-
4
грамм, встроенный генератор тактовых сигналов, порты ввода-
вывода для связи с внешними объектами, систему прерываний,
таймеры-счетчики, последовательный канал связи. Специфическая
организация ввода-вывода информации предопределяет область их
применения в качестве специализированных вычислителей, вклю-
чаемых в контур управления объектами или процессами. Аппарат-
но-программные средства и система команд также приспособлены
к решению задач управления и регулирования. Использование
микроконтроллеров позволяет достичь исключительно высоких
показателей эффективности при низкой стоимости. При создании
нижних уровней управляющих систем микроконтроллеры оказы-
ваются вне конкуренции. Сейчас около двух третей мирового рын-
ка МП-средств занимают микроконтроллеры (более половины его
занимают микроконтроллеры семейства МCS-51, MCS-96 и др.).
На судах микроконтроллеры широко используются:
– в радио- и радиолокационном оборудовании;
– в навигационном оборудовании;
– для создания регуляторов различного типа и локальных сис-
тем управления отдельными механизмами, агрегатами или звенья-
ми технологических процессов;
– в системах передачи данных судовых информационно-управ-
ляющих комплексов;
– для создания систем мониторинга параметров систем и агре-
гатов судна;
– в общесудовых системах (пожарной и аварийно-предупре-
дительной сигнализации, управления ходовыми огнями и пр.) и
многих других.
Микроконтроллеры на современном судне можно найти прак-
тически в любом судовом оборудовании – от носимой радиостан-
ции и аварийного радиобуя до главного распределительного щита
судовой электростанции и системы управления главной силовой
энергетической установкой судна.

1. Понятие о микропроцессорах и микроконтроллерах

1.1. Базовые определения

Микропроцессор – это программно управляемое устройство,
предназначенное для обработки цифровой информации и управле-
5
ния процессом этой обработки, реализованное в виде одной БИС
(большой интегральной схемы).
Для работы микропроцессора необходим базовый набор пери-
ферийных устройств:
– память для хранения программ (постоянное запоминающее
устройство);
– память для хранения данных (оперативное запоминающее
устройство);
– порты для организации обмена данными с внешними устрой-
ствами.
Микроконтроллер – это СБИС (сверхбольшая интегральная
схема), в состав которой входят микропроцессор, память для хра-
нения программ, память для хранения данных и порты для органи-
зации обмена данными с внешними устройствами.
Кроме того, в состав микроконтроллера могут входить внутри-
схемные периферийные устройства.
Базовая структура микроконтроллера приведена на рис. 1.

Микроконтроллер

Управляющие
Микропроцессор
сигналы
ШД ША
Память программ
Память данных
Внутрисхемные
периферийные
устройства Порты
ввода/вывода
ША – шина адреса
Внешние устройства
ШД – шина данных

Рис. 1. Базовая структура микроконтроллера

6
1.2. Шинная организация. Характеристики шин

Шина – набор проводников, предназначенных для передачи
цифровой информации одного типа.
В цифровых системах различают:
– шины адреса;
– шины данных;
– шины управления.
К основным характеристикам шин относятся:
– уровни сигнала, соответствующие логическим состояниям 0 и 1;
– разрядность;
– направление передачи данных.
Для всех шин используется положительная логика (высокий
уровень напряжения соответствует логической единице на соответ-
ствующей линии связи, низкий – логическому нулю). Напряжение
логической 1 – от 2,4 В до 5 В (при номинальном напряжении пи-
тания микросхемы 5 В), логического нуля 0 – от 0 В до 0,4 В.

Шина адреса:
1. Разрядность – 16 бит, определяет объем адресного про-
странства в 65 536 слов (или 64К).
2. Шина адреса однонаправленная, адрес передается от про-
цессора к периферийным устройствам.

Шина данных:
1. Разрядность – 8 бит, максимальный объем передаваемой за
1 цикл информации – 1 байт (FFв шестнадцатиричной системе или

256 в десятичной системе).
2. Шина данных двунаправленная, данные передаются от
процессора к периферийным устройствам и от периферии к про-
цессору. Наиболее часто встречающийся тип выходного каскада
для линий этой шины – выход с тремя состояниями.

Шина управления:
1. Число разрядов – не стандартизировано, определяется структу-
рой микроконтроллера.
2. Шина управления является вспомогательной шиной, управ-
ляющие сигналы на которой определяют тип текущего цикла и
фиксируют моменты времени, соответствующие разным частям
или стадиям цикла. Кроме того, управляющие сигналы обеспечи-
7
вают согласование работы процессора (или другого хозяина маги-
страли) с работой памяти или устройства ввода / вывода. Управ-
ляющие сигналы также обслуживают прерывания, запрос и пре-
доставление прямого доступа к памяти.
3. Линии шины управления могут быть как однонаправленны-
ми, так и двунаправленными. Типы выходных каскадов могут быть
самыми разными: с двумя состояниями (для однонаправленных
линий), с тремя состояниями (для двунаправленных линий), с от-
крытым коллектором (для двунаправленных и мультиплексирован-
ных линий).

2. Структура микроконтроллера семейства MCS-51

2.1. Характеристики микроконтроллера семейства MCS-51

На сегодняшний день существует более 200 модификаций мик-
роконтроллеров семейства MCS-51, выпускаемых почти 20-тью
компаниями. Эти модификации включают в себя кристаллы с ши-
рочайшим спектром периферии: от простых 20-выводных уст-
ройств с одним таймером и 1К программной памяти до сложней-
ших 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), сниже-
ние напряжения питания и потребления, увеличение объема ОЗУ и
FLASH-памяти на кристалле с возможностью внутрисхемного про-
граммирования, введение в состав периферии микроконтроллера
сложных устройств типа системы управления приводами, CAN- и
USB-интерфейсов и т.п.
Все микроконтроллеры из семейства MCS-51 имеют общую
систему команд. Наличие дополнительного оборудования влияет
только на количество регистров специального назначения.
Основными производителями клонов 51-го семейства в мире
являются фирмы Philips, Siemens, Intel, Atmel, Dallas, Temic, Oki,
AMD, MHS, Gold Star, Winbond, Silicon Systems и ряд других.
8
В данном пособии рассматриваются особенности базовой архи-
тектуры микроконтроллеров семейства MCS-51, система команд и
принципы подключения к микроконтроллеру типовых периферий-
ных устройств.

2.2. Назначение контактов

Схема микроконтроллера семейства MCS-51 приведена на рис. 2.

+5B
DD1
R1 31 39
EA P0.0
C1 1 9 P0.1 3387
C2 1 8 X 1 PP00..23 3365
X2 P0.4
R2 9 P0.5 3343
RST PP00..67 32
C3 1
2 P1.0
3 P1.1 29
4 P1.2 PSEN
5 P1.3 30
678 PPPP1111....4567 ALE
1 0 2 1
11111111234567 PPPPPPPP33333333........40123567 II RT W NNTTRxxTT01DRDD 01 PPPPPPP P22222222........14562370 2222222 2345678

DRС1D 1,,1 RС – 22 – 8 – 9 С C К251 -103 - 3 1 7 0- .1 1а2 53В3птк 8Ф.2± к±21О00%м% +5B 42 00

С3– К10-17-1а 10мкФ±20%
GND

Рис. 2. Микроконтроллер семейства MCS-51
9
Вход ЕА (в некоторых модификациях DEMA – линия 31). Сиг-
нал на этом входе определяет вид памяти (внутренней или внешней),
с которой будет работать микросхема. При подаче на вход логиче-
ской 1 выполняется программа из внутренней памяти, при подаче
логического 0 – из внешней памяти по адресам от 0 до 65 536
(64 Кбайт).
Входы Х1 и Х2 (линии 19 и 18). Служат для подключения к вхо-
ду внутреннего генератора кварцевого резонатора, определяющего
тактовую частоту.
Вход RST (линия 9). При подаче логической 1 происходит сброс
микросхемы (регистры устанавливаются в исходное состояние,
программа начинает выполняться с нулевого адреса). RC-цепь на
входе (см. рис. 2) обеспечивает формирование сигнала сброса при
включении питания.
Сигнал PSEN (в некоторых модификациях PME – линия 29).
Управляющий сигнал, по которому данные из внешней памяти
программ считываются через порт Р0.
Сигнал ALE (линия 30). Управляющий сигнал, по которому млад-
ший байт адреса внешней памяти, выставленный через порт Р0, фик-
сируется в буферном регистре.
Линии 40 и 20. Служат для подключения источника питания.
Линии 32–39, 1–8, 21–28, 10–17. Соответственно, порты Р0, Р1,
Р2 и Р3. Принципы функционирования портов и назначения от-
дельных линий описаны ниже.

2.3. Внутренняя структура микроконтроллера MCS-51

Внутренняя структура микроконтроллера MCS-51 приведена на
рис. 3.
Блок управления предназначен для синхронизации работы всех
блоков микроконтроллера, а также приема, дешифрации кода коман-
ды и формирования управляющих воздействий для её выполнения.
Блок счетчика команд предназначен для хранения адреса очеред-
ного байта программы, а также формирования адреса при считывании
кода из памяти программ с автоматическим увеличением адреса.
АЛУ (арифметико-логическое устройство) предназначено для
выполнения арифметических, логических команд, команд сдвига и
обнуления.
10