Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Новосибирский Государственный Технический Университет

В.Н. Веприк, в.А. Афанасьев, а.И. Дружинин, а.А. Земсков, а.Р. Исаев, о.В. Малявко микроконтроллеры семейства mcs-51

Учебное пособие по курсам

"Микропроцессорные системы"

и "Проектирование микропроцессорных систем"

для студентов старших курсов

факультета автоматики и вычислительной техники

всех форм обучения

Новосибирск

1997

В.Н. Веприк, В.А. Афанасьев, А.И. Дружинин, А.А. Земсков, А.Р. Исаев, О.В. Малявко.

Микроконтроллеры семейства MCS-51: Учебное пособие. - Новосибирск.

Предлагаемое Вашему вниманию учебное пособие содержит общее описание архитектуры, функциональных возможностей и системы команд семейства однокристальных микроконтроллеров (Embedded Microcontrollers) MCS-51, производимых фирмой INTEL. Во второй части пособия приводится описание учебного микропроцессорного контроллера УМПК-51, предлагаемого студентам в качестве объекта исследования при выполнении цикла лабораторных работ.

Материал пособия может использоваться при курсовом и дипломном проектировании, а также может быть полезным для инженеров - схемотехников, занимающихся разработкой и эксплуатацией электронной аппаратуры.

Авторы выражают глубокую признательность АОЗТ "Новые технологии"- официальному дистрибьютору фирмы INTEL за предоставление материалов, на основе которых выполнена данная работа.

Табл.15, ил.25, список лит. 12 назв.

Рецензенты: Е.Д. Баран, Г.Г. Матушкин.

Работа подготовлена на кафедре

вычислительной техники

©	Новосибирский государственный технический университет

Введение.

Семейство 8-разрядных однокристальных микроконтроллеров MCS-51 появилось на мировом рынке в начале восьмидесятых годов. Первые модификации кристаллов (около 7) были выполнены по высококачественной n-МОП (HMOS) технологии и являлись функционально завершенными однокристальными микроЭВМ гарвардской архитектуры, один из основных принципов которой состоит в логическом разделении адресных пространств памяти программ и данных. С развитием полупроводниковой технологии последующие версии микросхем MCS-51 стали изготавливать по более совершенной и низкопотребляющей КМОП (CHMOS) технологии (в активном режиме потребление кристаллов было доведено до 10¸50 мА).

Система команд MCS-51, ориентированная на реализацию различных цифровых алгоритмов управления, при сохранении некоторой внешней схожести с системой команд предыдущего семейства MCS-48, качественно расширилась, в ней появились принципиальные нововведения:

• битово-ориентированные операции и адресуемые в памяти данных битовые поля, что дало возможность говорить о реализации на кристалле битового процессора;

• реализовано исполнение команд умножения, деления и вычитания;

• усовершенствована работа со стеком;

• расширена группа команд передачи управления;

Система команд стала выглядеть более симметричной, то есть менее зависимой от пересылок данных через аккумулятор.

Функциональные возможности встроенных периферийных устройств также расширились за счет введения:

• двух 16-разрядных таймеров-счетчиков;

• аппаратного последовательного дуплексного порта;

• двухуровневой системы прерываний;

• четырех 8-битовых портов ввода-вывода.

Принципиальные изменения в структуре временного цикла работы процессора привели к ускорению работы с внешней памятью программ и данных, а также реакций на внешние и внутренние прерывания. Суммарный размер адресного пространства внешней памяти программ и данных увеличился до 128 Кбайт. 16-разрядные регистры счетчика команд (Program Counter) и указателя данных (Data Pointer) позволили напрямую обращаться ко всему диапазону адресов, что дало разработчикам возможность реализации алгоритмов быстрой обработки крупных массивов данных.

Все программно-доступные узлы микроконтроллера были сведены в специальную область памяти данных (Special Function Register), что позволило обращаться к ним почти так же, как и к обычным ячейкам резидентного ОЗУ.

В более поздних модификациях кристаллов усовершенствование шло по пути наращивания дополнительных функциональных возможностей с сохранением полной программной совместимости с более ранними версиями. Особенностями последних модификаций микроконтроллеров семейства MCS-51 являются:

• полностью статический дизайн;

• 3- и 5-вольтовые версии кристаллов;

• широкий спектр встроенных периферийных устройств;

• максимальная тактовая частота - 24 мГц; для отдельных групп кристаллов - 33 мГц.

В настоящее время в состав MCS-51 входит около 60 версий кристаллов, кроме того, имеется и доступна подробная фирменная документация (к сожалению, пока мало переведенная на русский язык). Для подготовки математического обеспечения микроконтроллеров MCS-51 используются в основном языки "ASM-51", "С", для которых существуют ряд достаточно хорошо зарекомендовавших себя компиляторов, библиотек стандартных подпрограмм и программных эмуляторов, производимых различными зарубежными и отечественными фирмами.

Несмотря на достаточную "древность" семейства (более 15 лет) и появление на мировом рынке за последние годы однокристальных микроконтроллеров большей производительности и усовершенствованной архитектуры - MCS-51, MCS-251, MCS-96, контроллеры MCS-51 еще достаточно долго будут широко использоваться в сравнительно простых встроенных системах управления [1,4,6,10,11].