Порты микроконтроллера MCS-51

Все четыре порта МК51 предназначены для ввода или вывода информации побайтно. Схемотехника портов ввода/вывода МК51 для одного бита показана на рис.3.4(порты 1 и 2 имеют примерно такую же структуру, как и порт 3). Каждый порт содержит управляемые регистр-защелку, входной буфер и выходной драйвер.

Рис. 3.4. Схемотехника портов ввода/вывода МК51:

а - порт 0; б - порт 3

Выходные драйверы портов 0 и 2, а также входной буфер порта 0 используются при обращении к внешней памяти (ВП). При этом через 1 порт 0 в режиме временного мультиплексирования сначала выводится младший байт адреса ВП, а затем выдается или принимается байт данных. Через порт 2 выводится старший байт адреса в тех случаях, когда 1 разрядность адреса равна 16 бит.

Все выводы порта 3 могут быть использованы для реализации альтернативных функций, перечисленных в табл.8.1. Альтернативные функции могут быть задействованы путем записи 1 в соответствующие биты регистра-защелки (Р3.0-Р3.7) порта 3.

Таблица 8.1. Альтернативные функции порта 3

Символ	Позиция	Имя и назначение
RD	P3.7	Чтение. Активный сигнал низкого уровня формируется аппаратурно при обращении к ВПД
WR	P3.6	Запись. Активный сигнал низкого уровня формируется аппаратурно при обращении к ВПД
T1	P3.5	Вход таймера/счетчика 1 или тест-вход
T0	P3.4	Вход таймера/счетчика 0 или тест-вход
INT1	P3.3	Вход запроса прерывания 1. Воспринимается сигнал низкого уровня или срез
INT0	P3.2	Вход запроса прерывания 0. Воспринимается сигнал низкого уровня или срез
TXD	P3.1	Выход передатчика последовательного порта в режиме УАПП. Выход синхронизации в режиме сдвигающего регистра
RXD	P3.0	Вход приемника последовательного порта в режиме УАПП. Ввод/вывод данных в режиме сдвигающего регистра

 

Порт 0 является двунаправленным, а порты 1, 2 и З - квазидвунаправленными. Каждая линия портов может быть использована независимо для ввода или вывода информации. Для того чтобы некоторая линия порта использовалась для ввода, в D-триггер регистра-защелки порта должна быть записана 1, которая закрывает МОП-транзистор выходной цепи.

По сигналу СБР в регистры-защелки всех портов автоматически записываются единицы, настраивающие их тем самым на режим ввода.

Все порты могут быть использованы для организации ввода/вывода информации по двунаправленным линиям передачи. Однако порты 0 и 2 не могут быть использованы для этой цели в случае, если МК-система имеет внешнюю память, связь с которой организуется через общую разделяемую шину адреса/данных, работающую в режиме временного мультиплексирования.

Запись в порт. При выполнении команды, которая изменяет содержимое регистра-защелки порта, новое значение фиксируется в регистре в момент S6P2 последнего цикла команды. Однако опрос содержимого регистра-защелки выходной схемой осуществляется во время фазы Р1 и, следовательно, новое содержимое регистра-защелки появляется на выходных контактах порта только в момент S1P1 следующего машинного цикла.

Нагрузочная способность портов. Выходные линии портов 1, 2 и 3 могут работать на одну ТТЛ-схему. Линии порта 0 могут быть нагружены на два входа ТТЛ-схем каждая. Линии порта 0 могут работать и на n-МОП-схемы, однако при этом их необходимо подключать на источник электропитания через внешние нагрузочные резисторы за исключением случая, когда шина порта 0 используется в качестве шины адреса/данных внешней памяти.

Входные сигналы для МК51 могут формироваться ТТЛ-схемами или n-МОП-схемами. Допустимо использование в качестве источников сигналов для МК51 схем с открытым коллектором или открытым стоком. Однако при этом время изменения входного сигнала при переходе из 0 в 1 окажется сильно затянутым.

Особенности работы портов. Обращение к портам ввода/вывода возможно с использованием команд, оперирующих с байтом, отдельным битом и произвольной комбинацией бит. При этом в тех случаях, когда порт является одновременно операндом и местом назначения результата, устройство управления автоматически реализует специальный режим, который называется "чтение-модификация-запись". Этот режим обращения предполагает ввод сигналов не с внешних выводов порта, а из его регистра-защелки, что позволяет исключить неправильное считывание ранее выведенной информации.

Подобный механизм обращения к портам реализован в следующих командах:

ANL - логическое И, например ANL Р1, А;

ORL - логическое ИЛИ, например ORL P2, А;

XRL - исключающее ИЛИ, например XRL РЗ, А;

JBC - переход, если в адресуемом бите единица, и последующий сброс бита, например JBC P1.1, LABEL; CPL - инверсия бита, например CPL P3.3;

INC - инкремент порта, например INC P2;

DEC - декремент порта, например DEC P2;

DJNZ - декремент порта и переход, если его содержимое не равно нулю, например DJNZ РЗ, LABEL;

MOV PX.Y, C - передача бита переноса в бит Y порта X;

SET PX.Y - установка бита Y порта X;

CLR PX.Y - сброс бита Y порта X.

Совсем не очевидно, что последние три команды в приведенном списке являются командами "чтение-модификация-запись". Однако это именно так. По этим командам сначала считывается байт из порта, а затем записывается новый байт в регистр-защелку.

Причиной, по которой команды "чтение-модификация-запись" обеспечивают раздельный доступ к регистру-защелке порта и к внешним выводам порта, является необходимость исключить возможность неправильного прочтения уровней сигналов на внешних выводах. Предположим для примера, что линия Y порта Х соединяется с базой мощного транзистора и выходной сигнал на ней предназначен для его управления. Когда в данный бит записана 1, то транзистор включается. Если для проверки состояния исполнительного механизма (в нашем случае - мощного транзистора) прикладной программе требуется прочитать состояние выходного сигнала в том же бите порта, то считывание сигнала с внешнего вывода порта, а не из D-триггера регистра-защелки порта приведет к неправильному результату: единичный сигнал на базе транзистора имеет относительно низкий уровень и будет интерпретирован в МК как сигнал 0. Команды "чтение-модификация-запись" реализуют считывание из регистра-защелки, а не с внешнего вывода порта, что обеспечивает получение правильного значения 1.

На рис.3.5. приведены временные диаграммы, иллюстрирующие процесс выполнения операций ввода/вывода информации через порты МК51.

Рис. 3.5. Временные диаграммы операций ввода/вывода

Доступ к внешней памяти

В микроконтроллерных системах, построенных на основе МК51, возможно использование двух типов внешней памяти: постоянной памяти программ (ВПП) и оперативной памяти данных (ВПД). Доступ к ВПП осуществляется при помощи управляющего сигнала РВПП, который выполняет функцию строб-сигнала чтения. Доступ к ВПД обеспечивается управляющими сигналами ЗП, которые формируются в линиях Р3.7 и Р3.6 при выполнении портом 3 альтернативных функций.

При обращении к ВПП всегда используется 16-битный адрес. Доступ к ВПД возможен с использованием 16-битного адреса (MOVX A, @DPTR) или 8-битного адреса (MOVX A, @Ri).

В любых случаях использования 16-битного адреса старший байт адреса фиксируется (и сохраняется неизменным в течение одного цикла записи или чтения) в регистре-защелке порта 2.

Если очередной цикл внешней памяти (MOVX A, @DPTR) следует не сразу же за предыдущим циклом внешней памяти, то неизменяемое содержимое регистра-защелки порта 2 восстанавливается в следующем цикле. Если используется 8-битный адрес (MOVX A, @Ri), то содержимое регистра-защелки порта 2 остается неизменным на его внешних выводах в течение всего цикла внешней памяти.

Через порт 0 в режиме временного мультиплексирования осуществляется выдача младшего байта адреса и передача байта данных. Сигнал САВП должен быть использован для записи байта адреса во внешний регистр. Затем в цикле записи выводимый байт данных появляется на внешних выводах порта 0 только перед появлением сигнала ЗП. В цикле чтения вводимый байт данных принимается в порт 0 по фронту стробирующего сигнала. При любом обращении к внешней памяти устройство управления MK51 загружает в регистр-защелку порта 0 код 0FFH, стирая тем самым информацию, которая могла в нем храниться.

Доступ к ВПП возможен при выполнении двух условий: либо на вход отключения резидентной памяти программ (ОРПП) подается активный сигнал, либо содержимое счетчика команд превышает значение 0FFFH. Наличие сигнала ОРПП необходимо для обеспечения доступа к младшим 4К адресам адресного пространства ВПП при использовании МК31 (микроконтроллера без резидентной памяти программ).

Временные диаграммы на рис. 3.6 иллюстрируют процесс генерации управляющих сигналов САВП и РВПП при обращении к внешней памяти.

Рисунок 3.6. Временные диаграммы операций с обращением к внешней памяти

Основная функция сигнала САВП – обеспечить временное согласование передачи из порта 0 на внешний регистр младшего байта адреса в цикле чтения из ВПП. Сигнал САВП приобретает значение 1 дважды в каждом машинном цикле. Это происходит даже тогда, когда в цикле выборки нет обращения к ВПП. Доступ к ВПД возможен только в том случае, если сигнал САВП отсутствует. Первый сигнал САВП во втором машинном цикле команды MOVX блокируется. Следовательно, в любой МК-системе, не использующей ВПД, сигнал САВП генерируется с постоянной частотой, равной 1/16 частоты резонатора, и может быть использован для синхронизации внешних устройств или для реализации различных временных функций.

При обращении к РПП сигнал РВПП не генерируется, а при обращении к ВПП он выполняет функцию строб-сигнала чтения. Полный цикл чтения ВПД, включая установку и снятие сигнала ЧТ, занимает 12 периодов резонатора.

Временные диаграммы на рис. 3.7 и рис. 3.8 иллюстрируют процесс выборки команды из ВПП и работу с ВПД в режимах чтения и записи соответственно.

Рисунок 3.7. Временная диаграмма выборки команды из ВПП

Рисунок 3.8. Временная диаграмма работы с ВДП

Особый режим работы МК51. Содержимое памяти программ МК51 заполняется единожды на этапе разработки МК-системы и не может быть модифицировано в завершенном (конечном) изделии. По этой причине микроконтроллеры не являются машинами классической "фон-неймановской" архитектуры. Оперативная память данных (резидентная или внешняя) не может быть использована для хранения кодов программы, так как в МК выборка команд производится только из области адресов памяти программ. Эта особенность архитектуры МК объясняется тем, что в большинстве применений МК требуется наличие одной неизменяемой прикладной программы, хранимой в ПЗУ, наличие ОЗУ небольшой емкости для временного хранения переменных и эффективных, а следовательно, разных методов адресации памяти программ и памяти данных.

Однако на этапе разработки и отладки прикладных программ машина "фон-неймановского" типа оказывается очень удобной, так как позволяет разработчику оперативно изменять коды прикладной программы, размещаемой в ОЗУ. С этой целью МК-система может быть модифицирована для совмещения адресного пространства ВПП и ВПД путем подключения внешней логики, как показано на рис. 3.9

 

Рисунок 3.9. Схема совмещения адресного пространства

Здесь на выходе схемы И формируется строб-сигнал чтения, который может быть использован для объединения памяти программ и памяти данных во внешнем ОЗУ. При этом необходимо учитывать, что в МК51 на схемном уровне реализуются пять различных и независимых механизмов адресации для доступа к ПРР, РПД, ВПП, ВПД и блоку регистров специальных функций. Вследствие этого перемещаемая версия прикладной программы, которая отлаживается в среде внешней памяти программ/данных, будет отличаться от загружаемой в РП (окончательной) версии программы.

Подобный способ организации управления внешней памятью может быть использован в тех применениях МК51, где требуется оперативная перезагрузка или модификация прикладных программ (с помощью УВВ), как в ЭВМ классической архитектуры.

Таймер/счетчик MCS-51

Два программируемых 16-битных таймера/счетчика (T/C0 и T/C1) могут быть использованы в качестве таймеров или счетчиков внешних событий. При работе в качестве таймера содержимое T/C инкрементируется в каждом машинном цикле, т.е. через каждые 12 периодов резонатора. При работе в качестве счетчика содержимое Т/С инкрементируется под воздействием перехода из 1 в 0 внешнего входного сигнал; подаваемого на соответствующий (T0, T1) вывод МК51. Опрос значения внешнего входного сигнала выполняется в момент времени S5P2 каждого машинного цикла. Содержимое счетчика будет увеличено на 1 в том случае, если в предыдущем цикле был считан входной сигнал высокого уровня (1), а в следующем – сигнал низкого уровня (0). Новое (инкрементированное) значение счетчика будет сформировано в момент S3P1 в цикле, следующем за тем, в котором был обнаружен переход сигнала из 1 в 0. Так как на распознавание перехода требуется два машинных цикла, то максимальная частота подсчета входных сигналов равна 1/24 частоты резонатора. На длительность периода входных сигналов ограничений сверху нет. Для гарантированного прочтения входного считаемого сигнала он должен удерживать значение 1 как минимум течение одного машинного цикла МК51.

Для управления режимами работы T/C и для организации взаимодействия таймеров с системой прерывания используются два регистра специальных функций (РРТС и РУСТ), описание которых приводите в табл.10.1. и табл.10.2 соответственно. Как следует из описания управляющих бит РРТС, для обоих T/C режимы работы 0, 1 и 2 одинаковы. Режимы для T/C0 и T/C1 различны. Рассмотрим кратко работу T/C во всех четырех режимах.

Таблица 10.1. Регистр режима работы таймера/счетчика

Символ	Позиция	Имя и назначение
GATE	TMOD.7 для T/C1 и TMOD.3 для T/C0	Управление блокировкой. Если бит установлен, то таймер/счетчик "x" разрешен до тех пор, пока на входе "INTx" высокий уровень и бит управления "TRx" установлен. Если бит сброшен то Т/С разрешается, как только бит управления "TRx" устанавливается
C/ T	TMOD.6 для T/C1 и TMOD.2 для T/C0	Бит выбора режима таймера или счетчика событий. Если бит сброшен, то работает таймер от внутреннего источника сигналов синхронизации. Если бит установлен, то работает счетчик от внешних сигналов на входе "Тх"
M1	TMOD.5 для T/C1 и TMOD.1 для T/C0	Режим работы (см. примечание)
M0	TMOD.4 для T/C1 и TMOD.0 для T/C0
Примечание
M1	M0	Режим работы
		Таймер МК48. "TLx" работает как 5-битный предделитель
		16-битный таймер/счетчик. "ТНх" и "TLx" включены последовательно
		8-битный автоперезагружаемый таймер/счетчик. "ТНх" хранит значение, которое должно быть перезагружено в "TLx" каждый раз по переполнению
		Таймер/счетчик 1 останавливается. Таймер/счетчик 0: TL0 работает как 8-битный таймер/счетчик, и его режим определяется управляющими битами таймера 0. ТН0 работает только как 8-битный таймер, и его режим определяется управляющими битами таймера 1

Таблица 10.2. Регистр управления/статуса таймера

Символ	Позиция	Имя и назначение
TF1	TCON.7	Флаг переполнения таймера 1. Устанавливается аппаратурно при переполнении таймера/счетчика. Сбрасывается при обслуживании прерывания аппаратурно
TR1	TCON.6	Бит управления таймера 1. Устанавливается/сбрасывается программой для пуска/останова
TF0	TCON.5	Флаг переполнения таймера 0. Устанавливается аппаратурно. Сбрасывается при обслуживании прерывания
TR0	TCON.4	Бит управления таймера 0. Устанавливается/сбрасывается программой для пуска/останова таймера/счетчика
IE1	TCON.3	Флаг фронта прерывания 1. Устанавливается аппаратурно, когда детектируется срез внешнего сигнала ЗПР1 (INT1). Сбрасывается при обслуживании прерывания
IT1	TCON.2	Бит управления типом прерывания 1. Устанавливается/сбрасывается программно для спецификации запроса ЗПР1 (срез/низкий уровень)
IE0	TCON.1	Флаг фронта прерывания 0. Устанавливается по срезу сигнала ЗПР0. Сбрасывается при обслуживании прерывания
IT0	TCON.0	Бит управления типом прерывания 0. Устанавливается/сбрасывается программно для спецификации запроса ЗПР0 (срез/низкий уровень)

 

Режим 0. Перевод любого Т/С в режим 0 делает его похожим на таймер МК48 (8-битный счетчик), на вход которого подключен 5-битный предделитель частоты на 32. Работу Т/C в режиме 0 на примере Т/C1 иллюстрирует рис.3.10,а. В этом режиме таймерный регистр имеет разрядность 13 бит. При переходе из состояния "все единицы" в состояние "все нули" устанавливается флаг прерывания от таймера TF1. Входной синхросигнал таймера 1 разрешен (поступает на вход T/C), когда управляющий бит TR1 установлен в 1 и либо управляющий бит GATE (блокировка) равен 0, либо на внешний вывод запроса прерывания INT1 поступает уровень 1.

Отметим попутно, что установка бита GATE в 1 позволяет использовать таймер для измерения длительности импульсного сигнала, подаваемого на вход запроса прерывания.

Режим 1. Работа любого Т/С в режиме 1 такая же, как и в режиме 0, за исключением того, что таймерный регистр имеет разрядность 16 бит.

Режим 2. В режиме 2 работа организована таким образом, что переполнение (переход из состояния "все единицы" в состояние "все нули") 8-битного счетчика TL1 приводит не только к установке флага TF1(рис.3.10,б), но и автоматически перезагружает в TL1 содержимое старшего байта (TH1) таймерного регистра, которое предварительно было задано программным путем. Перезагрузка оставляет содержимое ТН1 неизменным. В режиме 2 Т/С0 и Т/С1 работают совершенно одинаково.

Рис. 3.10. Таймер/счетчик событий:

а - T/C1 в режиме 0: 13-битный счетчик:

б - Т/С1 в режиме 2: 8-битный автоперезагружаемый счетчик;