MCS-51

Rodina MCS-51 je označení pro osmibitové jednočipové mikropočítače se smíšenou harvardskou a Von Neumannovou architekturou (je oddělena programová a datová paměť, ale formát instrukci a dat je totožný a přenáší se po stejné sběrnici^[1]) vyvinuté společností Intel a na trh uvedené roku 1980. Předním zástupcem této řady je jednočip Intel 8051. Mikrokontroléry, do této řady náležející, mají všechny rysy v tomto článku popsané stejné, až na drobné detaily (velikost pamětí, absence některých přídavných komponent apod.), které jsou zmíněné u každého typu jednotlivě (na konci článku je jejich seznam). Kvůli vnitřním vlastnostem se více či méně zdařilé klony vyrábějí dodnes a to prakticky všemi firmami zabývající se výrobou čipových zařízení (nejvýznamnějším výrobce je po Intelu Atmel či Motorola, mezi další patří např. Texas Instruments, National Semiconductors, Siemens, Toshiba, či NEC). Své mikrořadiče založené na MCS-51 vyráběla jednu dobu i Tesla. Řada MCS-51 je přímým nástupcem rodiny MCS-48, obsahuje však všestranná vylepšení. Tuto řadu nelze přesně zařadit mezi RISC a CISC, obsahuje od každé něco.

Základní informace

osmibitová architektura – Veškeré operace jsou osmibitové, kromě adresace a práce s registrem DPTR.
šestnáctibitová adresace – Jak paměť programu, tak i paměť dat lze adresovat v rozsahu 16 bitů (tj. 64kB).
napájení – Obvykle 5V, existují ale instance (např. od Atmelu), které fungují již od 2,4V.
hodinový oscilátor – Je součástí čipu, krystal se však připojuje externě, dnes obvyklé frekvence 0–33MHz.
paměť programu – Bývá většinou součástí čipu a je velká 1–64 kB.
vnitřní datová paměť RAM – Je velká 64–256 bajtů.
datová paměť XRAM – Může být součástí čipu, přímo lze adresovat až 64kB.
sériová jednotka UART – Je součástí snad všech instancí procesorů této rodiny, některé mají i více sériových kanálů.
čítače/časovače – Bývá jich dva a více.
přerušení – Zdroje přerušení jsou vnitřní (např. z časovačů nebo sériové linky), mohou být však i externí.
Zvládají dvojkové i desítkové operace.
Obsahují bitově adresovatelnou paměť.
Jednočipy od Intelu dokážou pracovat v teplotě v rozmezí od −40 °C do 70 °C.

Struktura

Na obrázku (výše) je vyobrazena struktura mikropočítače. Obsahuje oscilátor, na který se přes vývody XTAL1 a XTAL2 připojuje krystal (piezoelektrický rezonátor), vysílající hodinový signál určující mj. frekvenci procesoru (obvykle je tato frekvence 12MHz, přičemž jeden strojový cykl je 12 cyklů hodinových, jedna instrukce tak trvá 1μs, složitější 2μs a násobení a dělení 4 mikrosekundy). Bez něj by zařízení nemohlo fungovat. Následují čtyři skupiny osmibitových portů (P0–P1), sloužící ke komunikaci s vnějšími zařízeními. Přes ně se také připojuje vnější paměť (datová nebo programová). Její zapojení je však složitější a bude popsáno později. Následuje vnitřní programová paměť, jejíž velikost se pohybuje v rozmezí 1–64kB a je u každého typu a výrobce jiná. Poté je přítomna sériová jednotka s plně duplexním kanálem. Jejím prostřednictvím mohou např. komunikovat dva procesory navzájem. Dále najdeme jednotku s čítači/časovači, ty bývají většinou šestnáctibitové a po dvou kusech. Čítací frekvence může být odvozena od hodinového signálu přicházejícího z krystalu nebo z vnějšího zařízení připojeného pomocí vstupů T0 či T1. Kromě ní tu nalezneme vnitřní datová paměť RAM, jejíž velikost se pohybuje od 64 bajtů do 256 bajtů. Součástí je vlastní paměť pro data a několik další speciálních registrů označovaných jako SFR (Special Function Registers). K řadiči jsou vedeny důležité řídící vývody (zejména pro práci s vnější paměti), jež budou popsány níže. Předposlední je CPU s aritmeticko-logickou jednotkou (ALU někde též ALJ), která obsahuje kromě standardní sčítačky, odečítačky, násobičky a děličky i jednotku pro booleovské (binární) aritmetické operace. ALU je z důvodu vyšší rychlosti přímo spojena s registry Acc, B a stavovým registrem PSW. Vlastní CPU je jinak propojeno pomocí společné sběrnice prakticky se všemi periferiemi. Poslední jednotkou je řadič přerušení, který se používá pro snadnější komunikaci s vnějšími zařízeními. Počet zdrojů a úrovně priority jsou dány typem procesoru. Je možné je maskovat. Procesor je prostřednictvím vývodů Ucc a GND (zemnění) napájen 5 volty, existují však některé nízkospotřební typy od Atmela, které začínají na 2,4 voltech.

Instance

Označení	Výrobce	Vývodů	Paměť programu	RAM mimo SFR	Zajímavosti
AT89C1051	Atmel	20	1kB Flash	64	Vestavěný analogový komparátor
AT89C51	Atmel	40		128	http://www.atmel.com/dyn/products/product_card.asp?part_id=1930
AT89C2051	Atmel	20	2kB Flash	128	Vestavěný analogový komparátor
AT89C4051	Atmel	20	4kB Flash	128
AT89S52	Atmel	40	8kB FLASH	256	Rozšíření MCS-52, a podpora sériového programování.
I8031	Intel	40	Bez ROM	128	Neobsahuje paměť programu.
DS80C320/DS80C323	DALLAS SEMICONDUCTOR	40	64kB	256+64kB

A mnoho dalších

Paměť a registry

Paměť programu

Jednočip v sobě obsahuje integrovanou paměť pro program a pro data. Programová paměť byla dříve typu ROM, později se přešlo na PROM, EPROM, EEPROM a nakonec FLASH. Dnes se nejčastěji vyrábějí s posledními dvěma vyjmenovanými typy pamětí. Velikost lze rozšířit až na 64 kB (registr IP je tedy široký 16 bitů).

Datová paměť

Je rovněž součástí čipu, byla vždy typu RAM, po odpojení napájení se tedy celá vymaže (obsahuje nuly). Velikost činí 64–256 bajtů, rozšířitelná na 64 kB. Je možné k ní přistupovat buď pomocí registrů, nebo pomocí adres. Na obrázku níže je rozdělení datové paměti.

Rozdělení datové paměti RAM v mikrořadičích řady MCS-51

Registry, 00h až 1Fh

Adresy 0–31 jsou tzv. pracovní registry, rozdělené do čtyř sad, každý představuje jeden registr, je jich celkem 8 (R0, R1, R2, R3, R4, R5, R6 a R7 resp. adresy 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 a 7 – toto mapování je však výchozí a je možné ho nastavit). V každou chvíli lze pracovat pomocí jejich symbolických názvů pouze s jednou sadou, lze však mezi nimi přepínat pomocí instrukce SETB jejímž prostřednictvím nastavujeme hodnoty bitových registrů RS0 nebo RS1 (00 – 1. sada, 11 – 4. sada). Druhou možností, jak pracovat s ostatními pracovními registry je použít jejich adresu, jak uvádí příklad:

  clr  RS0           ; Jsme v souboru registrů 0
  clr  RS1
  mov  R0,#8         ; Adresa R0 v souboru registrů 1
  mov  @R0,#123      ; Přiřazeno do R0 souboru 1
                     ; nyní je v R0 hodnota 8
  setb RS0           ; Nyní je v R0 hodnota 123

Bitově adresovatelná paměť, 20h až 30h

Adresy 32–47 jsou oproti mnohým verzím jednočipů něčím zvláštní – je možné je bitově adresovat. Každý bit z této oblasti má svou vlastní adresu (0–127). Hodnoty se nastavují prostřednictvím instrukcí SETB (nastaví logickou 1), CLR (nastaví logickou 0) a CPL (neguje hodnotu). Používají se následovně:

SETB P1.0    ; Posílá log. 1 na port P1, linku 0
CLR  F0      ; Nastavuje log. 0 uživatelskému příznakovému registru F0
CPL  64      ; Neguje bitovou hodnotu na bitové adrese 64

Zbylá datová paměť 30h až (7Fh nebo 0FFh )

V všech instancích je tato paměť přítomna minimálně do adresy 40h, běžně však bývá až do adresy 7Fh. U nejnovějších modelů až do 0FFh, zde by sice zdánlivě mohla kolidovat se SFR, tomu je ale zabráněno jejím zpřístupněním pouze přes nepřímou adresaci.

Tuto oblast paměti lze využít libovolně například pro globální proměnné programu, v každém případě, pokud použijeme zásobník, musí tento být umístěn v této paměti.

SFR-Registry 80h

Obecně se jim říká SFR (Special Function Register), většina z nich má vlastní názvy. Prostřednictvím adresy 160 tak lze odesílat data přes port P0 apod. Názvy těchto jednotlivých registrů uvádí následující tabulka:

Acc	akumulátor, střadač (někde též A, od angl. slova accumulator), univerzální registr, pracují s ním všechny ALU funkce
B	používá se při násobení
TH0,TH1 a TL0 a TL21	dva čítače/časovače
P0, P1, P2, P3	V/V porty (jinak též brány)
DPL, DPH	společně tvoří jeden registr 16bitový registr DPTR (lze k nim však možno přistupovat i jednotlivě – DPL tvoří spodních osm a DPH vrchních osm bitů), používá se zejména k adresaci dat na externí datové paměti, přesuny dat provádí instrukce MOVX
SBUF, SCON	řízení sériového přenosu
TCON, TMOD	řízení časovačů
PCON	řízení spotřeby
IP	řízení priority přerušení (B8H)
IE	řízení povolení přerušení (A8H) – spodních 7 bitů nastavuje jednotlivá přerušení, nejvyšší bit povolí všechna
SP	(stack pointer) – ukazatel vrcholu zásobníku
PSW	stavový byte, Charakterizuje výsledek předchozí operace, nulovost ACC a podobně.
PC	(program counter, někdy též IP – instruction pointer) – programový čítač (čítač instrukcí)

Registr PSW (adresa D0h) slouží k uchování informace různých stavů procesoru. Lze k němu přistupovat pomocí bitové adresy D0h–D7h nebo názvů. Jak jsou jednotlivé bity (flagy, vlajky) řazeny, uvádí následující obrázek:

P (parity) – signalizuje paritu střadače, při lichém počtu jedniček se nastaví na hodnotu 1, mění se s každou instrukcí
OV (owerflow) – signalizuje přetečení, při zpracovávání čísel se chová jako znaménko. Nastavuje se při aritmetických operacích, u dělení signalizuje pokus dělit nulou.
RS0 a RS1 – používá se k přepínání bank pracovních registrů (R0–R7) jak uvádí následující tabulka:
F0 – uživatelsky definovatelný bit
AC (Auxiliary carry) – nastaví se při přenosu mezi čtvrtým a pátým bitem v registru Acc (střadač), význam má pouze u instrukce DAA
C (carry) – signalizuje přenos informace mezi osmým a devátým bitem, použije se též při operacích porovnávání
Jeden bit zůstal nevyužit (rezervován), je možné ho použít u některých verzí mikrořadičů jako uživatelský bit.

Externí připojení paměti

Pro komunikaci s externí pamětí programu je používán řídící signál PSEN pro čtení.  Pro komunikaci s externí pamětí dat je používán řídící signál RD (čtení) a WR (zápis).  Přístup do paměti programu je vždy realizován 16bit adresou.  Přístup do paměti dat je realizován použitím 16bit adresy (pomocí DPTR) nebo 8bit adresy (nepřímá adresace z registru). 

Podmínky pro přístup k vnější paměti:

aktivní signál EA
čítač instrukcí PC (Program Counter) obsahuje číslo větší než FFFH.

Pokud není v procesoru integrována paměť programu, je signál EA trvale aktivován. Program je pak celý načítán z externí paměti.  Když CPU vykonává program v externí paměti, všechny piny portu 2 jsou nastaveny jako výstupní, a nemohou být používány pro normální v/v použití. Během vybavováni dat externího programu P2 vysílá vyšší byte čítače instrukce (PC). Během tohoto vysíláni výstupní budiče P2 využívají velkého zvyšovacího odporu a to v případě, kdy bity čítače instrukcí (PC) jsou jedničkové.

Porty

Mikropočítače řady MCS-51 umožňují externě připojit další zařízení (LED diody, snímače, jiné procesory atp.) pomocí portů. Celkem je k dispozici 32 V/V linek, dělených do čtyř osmibitových skupin – brán (P0 – P3). Lze přes ně posílat pouze digitální signál, některé podtypy však mají integrovaný i A/D převodník, takže umožňuje alespoň data v analogové formě přijímat.

Seznam procesorů

Další podobné

MCS-48
AVR

Externí odkazy

Reference

↑ http://www.dhservis.cz/docs_soubory/skripta_8051.pdf

Pahýl

Tento článek je příliš stručný nebo postrádá důležité informace.
Pomozte Wikipedii tím, že jej vhodně rozšíříte. Nevkládejte však bez oprávnění cizí texty.

[1] ttp://www.dhservis.cz/docs_soubory/skripta_8051.pdf

[1]