Однокристальные микроконтроллеры семейства MCS-51. Архитектура и основы программирования микроконтроллеров

                         Однокристальные микроконтроллеры семейства MCS-51

                                                    Лабораторная  работа  № 1

                            Архитектура и основы программирования микроконтроллеров

1.  Цель работы

Изучить внутреннюю структуру однокристальных микроконтроллеров семейства MCS-51 (МК51). Изучить основы программирования микроконтроллеров на языке Ассемблера.

                                        2.Основные теоретические сведения

Однокристальные микроконтроллеры широко используются для построения микроконтроллерных устройств (МКУ) и микроконтроллерных  систем (МКС), предназначенными для управления работой различных устройств промышленной автоматики, связи, измерительной техники.  Применение однокристальных микроконтроллеров, называемых иногда ОЭВМ, позволяет резко уменьшить трудозатраты на разработку схем МКУ и МКС. Основные трудозатраты (до 90 % от общих) составляет разработка программного обеспечения  микроконтроллера.

Однокристальные микроконтроллеры (МК) представляют собой микропроцессорную систему обработки информации, выполненную в виде одной большой интегральной микросхемы. МК объединяет в пределах одного полупроводникового кристалла основные функциональные блоки микропроцессорной системы: центральный процессор, постоянное запоминающее устройства (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), устройства для вода и вывода информации.

Одним из первых однокристальных микроконтроллеров является МК фирмы “Intel” марки

8051AH, выпущенный в 1980 году. Этот МК  явился основой семейства микроконтроллеров MCS-51, которое оказалось настолько удачным, что на два десятилетия стало стандартом «де-факто» в области однокристальных микроконтроллеров. 

Базовым микроконтроллером в семействе MCS-51 является 8051AH, с которого началось все семейство. Аналогом этого МК является отечественный КР1816ВЕ51 семейства МК51.

Микроконтроллер содержит следующие модули:

1)  центральный процессор; разрядность обрабатываемого слова составляет один байт;

2)  память программ объемом 4 Кбайт (ПЗУ);

3)  память данных объемом 128 байт (ОЗУ);

4)  четыре 8-разрядных параллельных порта ввода/вывода;

5)  два 16-разрядных многорежимных таймера/счетчика;

6)  последовательный порт;

7)  систему прерывания с пятью векторам;

8)  тактовый генератор;

9)  схему формирования сигналов внешних шин адрес/данные и управления для работы с внешней памятью программ и (или) данных.

Обмен информацией между модулями осуществляется по 8-разрядной внутренней шине.

МК семейства МК51 используют гарвардскую архитектуру: память программ (ПЗУ) и память данных (ОЗУ) имеют раздельное адресное пространство. И, как следствие, для обращения к ячейкам памяти разного типа должны быть использованы разные типы команд. Максимальный размер адресного пространства для каждого типа памяти составляет 64 Кбайта. Однако непосредственно на кристалле КР1816ВЕ51 располагается только 4 Кбайта ПЗУ и 128 байт ОЗУ. Микроконтроллеры семейства МК51 имеют открытую архитектуру, т.е. позволяют подключать внешнюю память. Поэтому при необходимости, как память программ, так и память данных могут быть увеличены посредством подключения дополнительных микросхем памяти.

Для разработки программ необходимо знание архитектуры микроконтроллера. Архитектура отражает возможности прикладного использования микроконтроллера (а не его техническую реализацию) и содержит описание программной модели МК и набора команд, с помощью которых обеспечивается программный доступ к элементам модели. Под программной моделью МК понимается совокупность программно-доступных элементов – регистров (устройств хранения многоразрядной двоичной информации).

Программная модель микроконтроллера семейства МК51 включает в себя модель центрального процессора, модель памяти и модель портов ввода/вывода.

Центральный процессор микроконтроллеров семейства МК51 выполняет действия над 8-разрядными операндами. Программная модель центрального процессора содержит шесть регистров, она изображена на рис. 1.1.     

                        Рис.1.1.  Программная модель центрального процессора МК51

Функции регистров в процессоре следующие.

     Программный счетчик (счетчик команд) PC (Program Counter) – 16-разрядный регистр, содержит адрес текущей команды выполняемой программы либо адрес операнда, используемого в текущей команде. При естественном ходе выборки команд, последовательно размещенных в памяти программ, содержимое счетчика увеличивается от команды к команде на число, равное количеству ячеек, занимаемых в памяти выполненной командой.

     Регистр-указатель данных  DPTR (Data Pointer) – 16-разрядный регистр (DPH – старший байт, DPL – младший байт). Основное назначение регистра DPTR – участи в формировании адреса при чтении данных (констант) из области памяти программ, а также при обмене с внешней памятью данных. Система команд МК51 предусматривает возможность обращения к отдельным байтам (DPH или DPL) регистра DPTR, что позволяет использовать эти регистры для хранения промежуточных результатов вычислений или как источник одного из операндов, указывая во втором байте команды абсолютный адрес DPH или DPL.

     Аккумулятор (A-регистр) – 8-разрядный регистр, в котором хранятся