Общая характеристика базовой модели

Date: 2015-10-07; view: 458.

В семейство микроконтроллеров входят различные микросхемы микроконтроллеров, обладающих различными ресурсами (наличие таймеров, АЦП, цифроаналоговых преобразователей (ЦАП), усилителей, ШИМ-модуляторов, параллельных портов, последовательных портов, сторожевого таймера, мультиплексоров, мониторов питания, частоты, ресурсов и т. д.) на кристалле. Однако все типы микроконтроллеров обладают ресурсами базовой модели, являющейся наиболее простой. Поэтому рассмотрим работу микроконтроллера на примере базовой модели семейства.

Микроконтроллеры МСS-51 являются функционально завершёнными однокристальными микроЭВМ гарвардской архитектуры (раздельное адресное пространство памяти программ и данных), содержащими все необходимые узлы для работы в автономном режиме, и предназначены для реализации различных цифровых алгоритмов управления. Все микросхемы семейства обладают аналогичной архитектурой и имеют ряд общих узлов.

1. Центральный 8-ми разрядный процессор, ориентированный на управление исполнительными устройствами, имеет встроенную схему 8-ми разрядного аппаратного умножения и деления чисел. Наличие в наборе команд большого количества операций с прямоадресуемыми битами дает возможность говорить о процессоре для работы с битовыми данными (булевом процессоре).

2. Внутренняя (расположенная на кристалле) память программ масочного или перепрограммируемого типа (чаще всего это флэш-ПЗУ), имеющая для различных кристаллов объём от 4 до 32 кб, в некоторых версиях отсутствует.

3. Не менее 128 байтное резидентное (расположенное на кристалле) ОЗУ данных, которое используется для организации регистровых банков, стека и хранения пользовательских данных.

4. Четыре восьмиразрядных порта, содержащих 32 двунаправленные интерфейсные линии, индивидуально настраиваемые на ввод или вывод информации.

5. Два 16-битных многорежимных таймера/счётчика, используемых для подсчёта внешних событий, организации временных задержек, других функций времени и тактирования последовательного порта.

6. Последовательный порт в виде двунаправленного асинхронного приёмопередатчика (UART), предназначенный для организации каналов связи между микроконтроллером и внешними устройствами с широким диапазоном скоростей передачи информации. Имеются средства для аппаратно-программного объединения микроконтроллеров в связанную систему.

7. Приоритетную двух уровневую систему прерываний, поддерживающую не менее 5-ти векторов прерываний от 4-х внутренних и 2-х внешних источников событий.

8. Встроенный тактовый генератор.

Центральный процессор имеет следующие технические характеристики:

1) Разрядность арифметико-логического устройства (АЛУ) - 8 бит;

2) Число выполняемых команд – 111;

3) Длина команд – 1, 2 или 3 байта;

4) Число регистров общего назначения (РОН) – 32;

5) Число прямоадресуемых битовых переменных – 128;

6) Число прямоадресуемых битов в области регистров специальных функций (SFR) – 128;

7) Максимальный объём памяти программ – 64 кб;

8) Максимальный объём внешней памяти данных – 64 кб;

9) Максимальный объём внутренней памяти данных (ОЗУ) – 256 байт;

10) На частоте 12 МГц обеспечивается время выполнения команд:

сложения – 1 мкс, пересылки “регистр – внешняя память данных ” – 2 мкс, умножение/деление – 4 мкс;

11) Методы регистрации операнда: регистровый, косвенный, прямой, непосредственный.

РОНы и определяемые пользователем программно управляемые флаги расположены в адресном пространстве внутреннего ОЗУ данных.

Структурная схема кристалла 80С51.

Наиболее простая структурная схема кристалла имеет вид, представленный на рис. 11. Она содержит:

- контроллер прерываний – узел, управляющий действиями микроконтроллера во время обработки внешних и внутренних прерываний;

- постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) объёмом не менее 4К;

- ОЗУ объёмом не менее 128 байт, предназначенное для организации регистровых банков, стека и хранения пользовательских данных;

- два таймера\счётчика ТС0 и ТС1, предназначенные для подсчёта внешних событий, реализации различных функций времени (временные задержки, генерация импульсных сигналов);

- процессор – ядро микроконтроллера, выполняющее арифметические, и логические операции с данными.

- тактовый генератор, задающий временную сетку, к узлам которой жёстко привязаны определённые события в микроконтроллере;

- порты ввода-вывода, обеспечивающие обмен данными с внешними устройствами в параллельном коде;

- последовательный порт, предназначенный для обмена данными с внешними устройствами в последовательном коде;

- системная магистраль представляет собой, расположенные на кристалле 16-разрядную шину адреса и 8-разрядную шину данных. Эти шины связывают между собой основные узлы микроконтроллера;

На рис. 11 изображены линии, по которым в микроконтроллер поступают внешние сигналы, и линии, по которым идут данные, поступающие в микроконтроллер и выходящие из него. Внешние прерывания подаются в виде логических уровней или задних фронтов импульсов на определённые 2 линии параллельного порта. По этим сигналам запрашивается переключение микроконтроллера с выполнения текущей программы на выполнение подпрограммы обработки прерывания по поступившему запросу.

RST – вход инициализации. Высокий уровень на этом входе в течение 2-х машинных циклов запускает процесс инициализации микроконтроллера. Инициализация микроконтроллера заключается в установке начальных значений регистров специальных функций и обнуления программного счётчика для того, чтобы выполнение программы начиналось с нулевого адреса. Инициализация необходима при включении питания микроконтроллера и при зацикливании программы (зависании микроконтроллера).

ALE – выход сигнала фиксации младшего байта адреса. Активное значение сигнала на этом выходе разрешает фиксацию младшего байта адреса во внешней микросхеме регистра-защёлки при обращениях микроконтроллера к внешней (расположенной во внешней микросхеме) памяти программ или данных. При переходе логического уровня на этом вводе из состояния 1 в 0 младший байт адреса ячейки внешней памяти запоминается в микросхеме регистра-защёлки. У микроконтроллеров с репрограммируемой внутренней (расположенной на кристалле микроконтроллера) памятью программ этот вывод имеет альтернативную функцию PROG#. При программировании внутренней памяти на него подаётся стробирующий сигнал (импульс определённой длительности).

PSEN – выход сигнала разрешения чтения байта из микросхемы памяти программ. Активное значение этого сигнала (низкий уровень) разрешает чтение байта из внешней памяти программ.

ЕА – выход сигнала переключающего источник кода при обращении к младшим 4к байтам памяти программ. При ЕА=0 и диапазоне адресов ОООН…FFFFH MK 8051 выполняют цикл обращения к внешней памяти программ, при ЕА=1 обращение по одному из этих адресов приводит к чтению из внутренней (расположенной на кристалле микроконтроллера) памяти программ. У микроконтроллеров с репрограммируемой внутренней памятью этот вывод имеет альтернативную функцию . При программировании внутренней памяти на него подаётся напряжение программирования.

P0, P1, P2, P3.Линии одноимённых 8-разрядных портов микроконтроллера, покоторым происходит обмен с внешними устройствами.

TxD –выход передатчика последовательного порта.

RxD – вход приёмника последовательного порта микроконтроллера.

XTAL1 - вход инвертирующего усилителя синхронизатора.

XTAL2 - выход инвертирующего усилителя синхронизатора.

К этим вводам подключается цепь обратной связи, обычно состоящая из кварцевого резонатора и двух конденсаторов, превращающая усилитель, расположенный на кристалле, в тактовый генератор.