Встроенные микропроцессорные системы на основе однокристальных микро ЭВМ
ВСТРОЕННЫЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ОДНОКРИСТАЛЬНЫХ МИКРОЭВМ
Содержание
1. Структура микроконтроллера семейства MCS-51
2. Программно доступные ресурсы и организация памяти
3. Система команд
4. Способы адресации операндов
5. Программная модель битового процессора
6. Применение битового процессора
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Структура микроконтроллера семейства MCS-51
Внутренняя структура исходного микроконтроллера семейства MCS-51 (рис.1) включает следующий набор функциональных модулей:
8-разрядное АЛУ с аппаратной реализацией операций типа умножение;
внутренняя память программ (4Кбайт) и ОЗУ данных (128 байт);
четыре универсальных программируемых параллельных 8-разрядных порта ввода-вывода с возможностью реализации определенных альтернативных функций;
два 16-разрядных программируемых таймера/счетчика;
дуплексный последовательный порт.
Этот набор аппаратных средств и совокупность реализуемых функций делают МК семейства 8051 эффективным средством сбора, предобработки информации и управления объектом.
Усовершенствование HMOS технологии, рост степени интеграции позволил в рамках устоявшейся архитектуры расширить набор внутренних интерфейсных блоков, увеличить внутреннюю память программ и данных. Таким образом появились микроконтроллеры типа 8052. Далее семейство продолжало увеличиваться за счет модификаций типа 80С51/52/54/58, выполненных с использованием фирменной комплиментарной MOS технологии (CHMOS). Эта технология позволила уменьшить рассеиваемую мощность при обычной работе и ввести особые режимы, дополнительно снижающие энергопотребление. Появились микроконтроллеры типа 80L52/54/58 с пониженным напряжением питания.
С группой 80C51FA/FB/FC связано введение в архитектуру семейства модуля РСА (programmable counter array) и сторожевого таймера WDT (watchdog timer). Модуль РСА предназначен для выполнения различных операций счета и определения длительности интервалов времени, в том числе при широтно-импульсной модуляции. Сторожевой таймер обеспечивает перезагрузку процессора при зависаниях. Старшими членами семейства являются микроконтроллеры типа 80C51GB, имеющие встроенный 8-разрядный АЦП, шесть параллельных портов. Современные версии микроконтроллеров семейства MCS-51 выполнены с использованием полностью статической схемотехники. Это позволяет останавливать микроконтроллер при отладке разрабатываемой системы.
Рисунок 1 – Структура микроконтроллера 8051AH
2. Программно доступные ресурсы и организация памяти
ОМЭВМ (МК семейства MCS-51) имеет: 32 POH; 128 определяемых пользователем программно-управляемых флагов; набор регистров специальных функций. POH и определяемые пользователем программно-управляемые флаги расположены в адресном пространстве внутреннего ОЗУ данных. Регистры специальных функций (SFR, SPECIAL FUNCTION REGISTERS) с указанием их адресов приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Регистры специальных функций
-
Обозначение
Наименование
Адрес
* АСС
Аккумулятор
0Е0Н
* В
Регистр В
0F0H
* PSW
Регистр состояния программы
0D0H
SP
Указатель стека
81Н
DPTR
Указатель данных. 2 байта:
DPL
Младший байт
82Н
DPH
Старший байт
83Н
* Р0
Порт 0
80Н
* Р1
Порт 1
90Н
* Р2
Порт 2
0А0Н
* РЗ
Порт 3
0В0Н
* IP
Регистр приоритетов прерываний
0В8Н
* IE
Регистр разрешения прерываний
0А8Н
TMOD
Регистр режимов таймера/счетчика
89Н
* TCON
Регистр управления таймера/счетчика
88Н
TH0
Таймер/счетчик 0. Старший байт
8СН
TL0
Таймер/счетчик 0. Младший байт
8АН
TH2
Таймер/счетчик 1. Старший байт
8DH
TL1
Таймер/счетчик 1. Младший байт
8ВН
* SCON
Управление последовательным портом
98Н
SBUF
Буфер последовательного порта
99Н
PCON
Управление потреблением
87Н
* – регистры, допускающие побитовую адресацию.
Аккумулятор. АСС – регистр аккумулятора. Команды, предназначенные для работы с аккумулятором, используют мнемонику "А", например, MOV А, Р2. Мнемоника "АСС" используется, к примеру, при побитовой адресации аккумулятора. Так, символическое имя пятого бита аккумулятора при использовании ассемблера ASM51 будет следующим: АСС.5.
Регистр В. Используется во время операций умножения и деления. Для других инструкций регистр В может рассматриваться как дополнительный сверхоперативный регистр.
Регистр состояния программы. Регистр PSW содержит информацию о состоянии программы.
Указатель стека SP. 8-битовый регистр, содержимое которого инкрементируется перед записью данных в стек при выполнении команд PUSH и CALL. При начальном сбросе указатель стека устанавливается в 07Н, а область стека в ОЗУ данных начинается с адреса 08Н. При необходимости путем переопределения указателя стека область стека может быть расположена в любом месте внутреннего ОЗУ данных микроЭВМ.
Указатель данных. Указатель данных (DPTR) состоит из старшего байта (DPH) и младшего байта (DPL). Содержит 16-битовый адрес при обращении к внешней памяти. Может использоваться как 16-битовый регистр или как два независимых восьмибитовых регистра.
Порт0 – ПортЗ. Регистрами специальных функций Р0, Р1, Р2, РЗ являются регистры-"защелки" соответственно портов Р0, Р1, Р2, РЗ.
Буфер последовательного порта. SBUF представляет собой два отдельных регистра: буфер передатчика и буфер приемника. Когда данные записываются в SBUF, они поступают в буфер передатчика, причем запись байта в SBUF автоматически инициирует его передачу через последовательный порт. Когда данные читаются из SBUF, они выбираются из буфера приемника.
Регистры таймера. Регистровые пары (TH0,TL0) и (TH2,TL1) образуют 16-битовые счетные регистры соответственно таймера/счетчика 0 и таймера/счетчика 1.
Регистры управления. Регистры специальных функций IP, IE, TMOD, TCON, SCON и PCON содержат биты управления и биты состояния системы прерываний, таймеров/счетчиков и последовательного порта. ОМЭВМ при функционировании обеспечивает:
минимальное время выполнения команд сложения – 1 мкс;
аппаратное умножение и деление с минимальным временем выполнения команд умножения/деления – 4 мкс.
Все ОМЭВМ рассматриваемого семейства имеют несколько адресных пространств, функционально и логически разделенных за счет разницы в механизмах адресации и сигналах управления записью и чтением: память программ; внутренняя память данных; внешняя память данных.
Структура адресного пространства ОМЭВМ показана на рис. 2. Слева приводятся адреса соответствующих областей памяти.
Рисунок 2 – Пространство памяти ОМЭВМ
Память программ имеет 16-битовую адресную шину, ее элементы адресуются использованием счетчика команд (PC) или инструкций, которые вырабатывают 16-разрядные адреса.
Память программ доступна только по чтению. ОМЭВМ не имеют команд и управляющих сигналов, предназначенных для записи в память программ. Память программ имеет байтовую организацию и общий объем до 64 Кбайт. Ряд OMЭВМ (КР1816ВЕ51, КМ1816ВЕ751, КР1830ВЕ51) содержат расположенную на кристалле внутреннюю память программ емкостью 4 Кбайт, которая может быть расширена до 64 Кбайт за счет подключения микросхем внешней памяти программ.
ОМЭВМ семейства MCS-51 имеют внешний вывод DEMA, с помощью которого можно запретить работу внутренней памяти программ, для чего необходимо подать на вывод DEMA "0". При этом внутренняя память программ отключается и, начиная с нулевого адреса, все обращения происходят к внешней памяти программ с формированием сигнала РМЕ. В случае, если DEMA=1, работают и внутренняя, и внешняя память программ. Для ОМЭВМ, не имеющих внутренней памяти программ, для нормальной работы всегда необходимо задавать DEMA=0.
Таким образом, доступ к внешней памяти программ осуществляется в двух случаях:
1) при действии сигнала DEMA=0 независимо от адреса обращения;
2) в любом случае, если программный счетчик (PC) содержит число, большее чем 0FFFH.
Внутренняя память данных ОМЭВМ состоит из двух областей: 128 байт оперативной памяти (ОЗУ) с адресами 0-7FH и области регистров специальных функций, занимающей адреса 80Н–FFH. Распределение пространства внутренней памяти данных показано на рис. 3. Физически внутреннее ОЗУ данных и область регистров специальных функций являются отдельными устройствами.
Все ячейки внутреннего ОЗУ данных могут адресоваться с использованием прямой и косвенной адресации (режимы адресации даны в описании системы команд ОМЭВМ). Кроме того, внутреннее ОЗУ данных имеет следующие особенности.
Младшие 32 байта внутреннего ОЗУ данных сгруппированы в 4 банка по 8 регистров в каждом (БАНК0 – БАНКЗ на рис. 3). Команды программы могут обращаться к регистрам, используя их имена R0 – R7. Два бита PSW (указатели банка рабочих регистров RS0 и RS1) определяют, с регистрами какого банка производятся манипуляции. Наличие такого механизма работы с ячейками ОЗУ позволяет экономить память программ, т. к. команды, работающие с регистрами R0–R7, короче команд, использующих прямую адресацию.
Следующие после банков регистров внутреннего ОЗУ данных 16 байт (адреса 20Н–2FH) образуют область ячеек, к которым возможна побитовая адресация. Набор команд ОМЭВМ семейства MCS-51 содержит значительное количество инструкций, позволяющих работать с отдельными битами, используя при этом прямую адресацию. 128 бит, составляющих рассматриваемую область внутреннего ОЗУ данных, имеют адреса 00Н–7FH и предназначены для работы с такими инструкциями.
Рисунок 3 – Адресное пространство внутренней памяти данных
Внешняя память данных формируется дополнительными микросхемами памяти, подключаемыми к ОМЭВМ, и может иметь емкость до 64 Кбайт. Пространства внутренней и внешней памяти данных не пересекаются, т.к. доступ к ним осуществляется с помощью разных команд. Для работы с внешней памятью данных существуют специальные команды MOVX, которые не влияют на внутреннюю память данных ОМЭВМ. Таким образом, в системе могут одновременно присутствовать внутренняя память данных с адресами 00Н – FFH и внешняя память данных с адресами 0000Н – FFFFH.
Обращение к ячейкам внешней памяти данных осуществляется только с использованием косвенной адресации по регистрам R0 и R1 активного банка регистров внутреннего ОЗУ (команды типа MOV @Ri) или по регистру специальных функций DPTR (команды типа MOV @DPTR). Соответственно в первом случае будет формироваться 8-разрядный, а во втором случае 16-разрядный адреса внешней памяти данных.
При обращениях к внешней памяти данных адрес выводится через порт Р0 (младший байт) и порт Р2 (старший байт) ОМЭВМ. Обмен байтом данных (запись и чтение) производится через порт Р0 ОМЭВМ, т.е. порт Р0 используется как шина адреса/данных в режиме мультиплексирования.
Считывание данных из внешней памяти данных в ОМЭВМ производится с помощью выходного сигнала ОМЭВМ RD, а запись данных из ОМЭВМ во внешнюю память данных с помощью выходного сигнала ОМЭВМ WR.
Каждый тип внешней памяти (память программ, память данных) может быть добавлен независимо от другого и каждый использует те же адреса и шины данных, но различные сигналы управления.
3. Система команд
Система команд ОМЭВМ семейства MCS-51 имеет 111 команд и позволяет реализовать обработку данных, обеспечить выполнение логических, арифметических операций, а также управление в режиме реального времени. Реализованы побитовая, потетрадная (4 бита), побайтовая (8 бит) и 16-разрядная обработка данных.
Полное описание команд и примеры их выполнения приведены в приложении Б.
В машинном коде команда занимает один, два или три байта и выполняется за один, два или четыре (умножение и деление) машинных цикла. При частоте тактового генератора, равной 12 МГц, одноцикловые команды выполняются за 1 мкс, двухцикловые – за 2 мкс и т.д. Из 111 типов команд 64 выполняются за 1 мкс (12 тактов), 45 команд – за 2 мкс (24 такта) и две команды – умножение и деление (MUL, DIV) выполняются за 4 мкс (48 тактов).
Все команды условных переходов осуществляются относительно содержимого счетчика команд с адресом перехода, вычисляемым ЦПУ во время выполнения команды.
Трехбайтовые команды перехода и вызова LCALL, LJMP (с 16-разрядным адресом) позволяют осуществлять переход и обращение по любому адресу адресного пространства памяти программ емкостью 64 Кбайт. Если необходим переход в пределах области памяти программ 2 К, то можно использовать команды перехода и вызова с 11-разрядным адресом (ACALL, AJMP). Переход внутри участка памяти, определяемый 8-разрядной величиной смещения, осуществляется по команде SJMP. В табл. 2 приведены обозначения и символы, используемые в системе команд.
Систему команд ОМЭВМ условно можно разбить на пять групп: арифметические команды; логические команды с байтовыми переменными; команды передачи данных; команды битового процессора; команды ветвления программ и передачи управления.
Арифметические команды. В наборе команд ОМЭВМ имеются следующие арифметические операции: сложение, сложение с учетом флага переноса, вычитание с заёмом, инкрементирование, декрементирование, сравнение, десятичная коррекция, умножение и деление.
Таблица 2 – Обозначение символов в наборе команд
-
Обозначение, символ
Назначение
1
2
А
Аккумулятор
Rr
Регистры текущего выбранного банка регистров
r
Номер загружаемого регистра, указанного в команде
direct
Прямо адресуемый 8-битовый внутренний адрес ячейки данных, который может быть ячейкой внутреннего ОЗУ данных (0-127) или SFR (128-255)
@Rr
Косвенно адресуемая 8-битовая ячейка внутреннего ОЗУ данных
data 8
8-битовое непосредственное данное, входящее в код операции (КОП)
Data 16
16-битовое непосредственное данное, входящее КОП
Data Н
Старшие биты (15-8) непосредственных 16-битовых данных
Data L
Младшие биты (7-0) непосредственных 16-битовых данных
Addr 11
11-битовый адрес назначения
Addr 16
16-битовый адрес назначения
Addr L
Младшие биты адреса назначения
disp 8
8-битовый байт смещения со знаком
bit
Бит с прямой адресацией, адрес которого содержит КОП, находящийся во внутреннем ОЗУ данных или SFR
al5,al4...a0
Биты адреса назначения
(X)
Содержимое элемента Х
((X))
(X) [M]
Содержимое по адресу, хранящемуся в элементе Х
Разряд М элемента Х
(X)[MI-M2]
Группа разрядов М1-М2 элемента Х
+
-
*
/
AND
OR
XOR
/X
Операции:
сложения
вычитания
умножения
деления
логического умножения (операция И)
логического сложения (операция ИЛИ)
сложения по модулю 2 (операция "Исключающее ИЛИ")
инверсия элемента Х
В АЛУ производятся действия над целыми числами без знака. В двухоперандных операциях: сложение (ADD), сложение с переносом (ADDC) и вычитание с заёмом (sub>B) аккумулятор является первым операндом и принимает результат операции. Вторым операндом может быть рабочий регистр выбранного банка рабочих регистров, регистр внутренней памяти данных с косвенно-регистровой и прямой адресацией или байт непосредственных данных. Указанные операции влияют на флаги: переполнения, переноса, промежуточного переноса и флаг четности в слове состояния процессора (PSW).
Использование разряда переноса позволяет многократно повысить точность при операциях сложения (ADDC) и вычитания (sub>B).
Выполнение операций сложения и вычитания с учетом знака может быть осуществлено с помощью программного управления флагом переполнения (OV) регистра PSW. Флаг промежуточного переноса (АС) обеспечивает выполнение арифметических операций в двоично-десятичном коде.
Операции инкрементирования и декрементирования на флаги не влияют.
Операции сравнения не влияют ни на операнд назначения, ни на операнд источника, но они влияют на флаг переноса.
Существуют три арифметические операции, которые выполняются только на аккумуляторе: две команды проверки содержимого аккумулятора A (JZ, JNZ), и команда десятичной коррекции при сложении двоично-десятичных кодов.
При операции умножения содержимое аккумулятора А умножается на содержимое регистра В и результат размещается следующим образом: младший байт в регистре A, старший – в регистре B.
В случае выполнения операции деления целое от деления помещается в аккумулятор А, остаток от деления – в регистр В.
Логические команды с байтовыми переменными. Система команд ОМЭВМ позволяет реализовать логические операции: "И", "ИЛИ", "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ" на регистре-аккумуляторе (А) и байте-источнике. Вторым операндом (байтом-источником) при этом может быть рабочий регистр в выбранном банке рабочих регистров; регистр внутреннего ОЗУ, адресуемый с помощью косвенно-регистровой адресации; прямо адресуемые ячейки внутреннего ОЗУ и регистры специальных функций; непосредственная величина.
Указанные логические операции могут быть реализованы на любом прямо адресуемом регистре внутреннего ОЗУ или регистре специальных функций с использованием в качестве второго операнда содержимого аккумулятора А или непосредственных данных.
Существуют логические операции, которые выполняются только на аккумуляторе: сброс и инвертирование всех восьми разрядов А; циклический сдвиг влево и вправо; циклический сдвиг влево и вправо с учетом флага переноса; обмен местами старшей и младшей тетрад внутри аккумулятора.
Команды передачи данных. Таблицы символов (кодов), зашитые в ПЗУ программы, могут быть выбраны с помощью команд передачи данных с использованием косвенной адресации. Байт константы может быть передан в аккумулятор из ячейки памяти программ, адресуемой суммой базового регистра (PC или DPTR) и индексного регистра (содержимого А). Это обеспечивает, например, удобное средство реализации алгоритма преобразования кода ASCII в семисегментный код.
Любая ячейка 256-байтового блока внешнего ОЗУ данных может быть выбрана с использованием косвенно-регистровой адресации через регистры указатели R0 или R1 (выбранного банка рабочих регистров).
Ячейка внутри адресного пространства 64 Кбайт внешнего ОЗУ также может быть выбрана с использованием косвенно-регистровой адресации через регистр-указатель данных DPTR.
Команды передачи между прямо адресуемыми регистрами позволяют заносить величину из порта в ячейку внутреннего ОЗУ без использования рабочих регистров или аккумулятора.
В логическом процессоре любой прямо адресуемый бит может быть помещен в бит переноса и наоборот.
Содержимое аккумулятора может быть обменено с содержимым рабочих регистров (выбранного банка) и с содержимым адресуемых с помощью косвенно-регистровой адресации ячеек внутреннего ОЗУ, а также с содержимым прямо адресуемых ячеек внутреннего ОЗУ и с содержимым регистров специального назначения.
Младшая тетрада (разряды 3-0) содержимого аккумулятора может быть обменяна с младшей тетрадой содержимого ячеек внутреннего ОЗУ, выбираемых с помощью косвенно-регистровой адресации.
Команды ветвления и передачи управления. Адресное пространство памяти программ ОМЭВМ не имеет страничной организации, что позволяет свободно перемещать фрагменты программы внутри адресного пространства, при этом не требуется перезасылка (изменение) номера страницы.
Перемещение отдельных фрагментов программы обеспечивает возможность использования перемещаемых программных модулей различными программами.
Команды 16-разрядных переходов и вызовов подпрограмм позволяют осуществлять переход в любую точку адресного пространства памяти программ объёмом 64 Кбайт.
Команды 11-разрядных переходов и вызовов подпрограмм обеспечивают переходы внутри программного модуля емкостью 2 Кбайт. В системе команд имеются команды условных и безусловных переходов относительно начального адреса следующей команды в пределах от (РС)-128 до (РС)+127. Команды проверки отдельных разрядов позволяют осуществлять условные переходы по состоянию "0" или "1" прямо адресуемых битов. Команды проверки содержимого аккумулятора (на ноль/не ноль) позволяют осуществлять условные переходы по содержимому А.
Косвенно-регистровые переходы в системе команд ОМЭВМ обеспечивают ветвление относительно базового регистра (содержимого DPTR или PC) со смещением, находящимся в аккумуляторе А.
Команды битового процессора. Битовый процессор является частью архитектуры ОМЭВМ семейства MCS-51 и его можно рассматривать как независимый процессор побитовой обработки. Битовый процессор выполняет свой набор команд, имеет свое побитово адресуемое ОЗУ и свой ввод-вывод.
Команды, оперирующие с битами, обеспечивают прямую адресацию 128 битов (0–127) в шестнадцати ячейках внутреннего ОЗУ (ячейки с адресами 20Н–2FH) и прямую побитовую адресацию регистров специального назначения, адреса которых кратны восьми:
Р0(80Н), TCON(88H), Р1(90Н), SCON(98H), Р2(А0Н), IЕ(А8Н), РЗ(В0Н), IР(В8Н), PSW(D0H), А(Е0Н), B(F0H).
Каждый из отдельно адресуемых битов может быть установлен в "1", сброшен в "0", инвертирован, проверен. Могут быть реализованы переходы: если бит установлен; если бит не установлен; переход, если бит установлен, со сбросом этого бита; бит может быть перезаписан в (из) разряда переноса. Между любым прямо адресуемым битом и флагом переноса могут быть произведены логические операции "И", "ИЛИ", где результат заносится в разряд флага переноса. Команды побитовой обработки обеспечивают реализацию сложных функций комбинаторной логики и оптимизацию программ пользователя.
4. Способы адресации операндов
Существуют следующие способы адресации операндов-источников:
регистровая адресация;
прямая адресация;
косвенно-регистровая адресация;
непосредственная адресация;
косвенная адресация по сумме базового и индексного регистра.
Первые три способа используются также для адресации операнда назначения. Указанные пять способов адресации, используемые в различных сочетаниях, обеспечивают 21 режим адресации. Многие команды содержат поля: "приемник", "источник", которые определяют тип данных, метод адресации и участвующие операнды.
Для команд, не выполняющих операции перезаписи, операнд назначения является и операндом-источником.
Большое количество команд включает операнды, расположенные во внутреннем ОЗУ данных ОМЭВМ. Выбор адресного пространства памяти программ или внешней памяти данных в качестве второго операнда определяется командной мнемоникой (если только второй операнд не является непосредственной величиной).
Адресуемая область внутреннего ОЗУ данных определяется способом адресации и величиной адреса. Например, обращение к регистрам специальных функций может быть выполнено только с помощью прямой адресации.
Регистровая адресация. Регистровая адресация используется для обращения к восьми регистрам выбранного банка (эти же регистры могут быть выбраны с помощью прямой адресации и косвенно-регистровой адресации как обычные ячейки внутреннего ОЗУ данных).
Регистровая адресация используется также для обращения к регистрам А, В, АВ (сдвоенному регистру), DPTR и к флагу переноса С. Использование регистровой адресации позволяет получать двухбайтовый эквивалент трехбайтовых команд прямой адресации.
ПРИМЕР: MOV A,Rn; CLR A; DEC Rn; ADD A,Rn; MOV DPTR,#data16 и др.
Прямая адресация. Прямая байтовая адресация используется для обращения к ячейкам внутренней памяти (ОЗУ) данных (0 – 127) и к регистрам специальных функций.
ПРИМЕР: MOV A,direct(MOV A,4FH); MOV direct,direct; IN direct; ADD A,direct и др.
Прямая побитовая адресация используется для обращения к отдельно адресуемым 128 битам, расположенным в ячейках с адресами 20Н–2FH и к отдельно адресуемым битам регистров специальных функций.
ПРИМЕР: SETB BIT(SETB 1FH); CLR TF0; CLR C.
Косвенно-регистровая адресация. Косвенно-регистровая адресация используется для обращения к ячейкам внутреннего ОЗУ данных. В качестве регистров-указателей используется регистры R0, R1 выбранного банка. В командах PUSH и POP используется содержимое указателя стека (SP). Косвенно-регистровая адресация используется также для обращения к внешней памяти данных. В этом случае с помощью регистров-указателей R0 и R1 (выбранного банка рабочих регистров) выбирается ячейка из блока в 256 байт внешней памяти данных. 16-разрядный указатель данных (DPTR) может быть использован для обращения к любой ячейке адресного пространства внешней памяти данных объемом до 64 Кбайт.
ПРИМЕР: MOV A,@Ri (MOV A,@R0); INC @Ri; ADD A,@Ri; XRL A,@Ri; MOVX @Ri,A; MOVX A,@DPTR.
Непосредственная адресация. Непосредственная адресация позволяет выбрать из адресного пространства памяти программ константы, явно указанные в команде.
ПРИМЕР: MOV A,#data (MOV A,#1FH); MOV DPTR,#data16 (MOV DPTR,#5B4EH); ADD A,#data; XRL A,#data.
Косвенно-регистровая адресация по сумме базового и индексного регистров. Косвенно-регистровая адресация по сумме: базовый регистр плюс индексный регистр (содержимое аккумулятора А) упрощает просмотр таблиц, зашитых в памяти программ. Любой байт из таблицы может быть выбран по адресу, определяемому суммой содержимого DPTR или PC и содержимого А.
ПРИМЕР: MOVC A,@A+DPTR; MOVC A,@A+PC; JMP @A+DPTR.
5 Программная модель битового процессора
Пригодность архитектуры каждого компьютера для конкретного класса задач определяется тем, насколько его система команд соответствует задачам, которые должны быть выполнены. Поэтому для дискретного управления в реальном масштабе времени наличие в системе команд операций непосредственно над битами приводит к созданию более производительных систем и программ обработки входной и выходной двоичной информации. С этой целью в ОМЭВМ семейства MCS-51 введены специальные средства, называемые битовым процессором, которые поддерживают прямые логические операции с отдельными битами и операции их тестирования и позволяют использовать однобитовые переменные в логических операциях.
В связи с этим в систему команд ОМЭВМ семейства MCS-51 введены специальные инструкции для выполнения операций с битовыми переменными. Имеется 17 таких команд, которые перечислены в табл. 3.
Таблица 3 – Команды битового процессора
-
Мнемоническое обозначение
Описание команды
Число байтов
Число циклов
SETB C
Установка флага переноса
1
1
SETB bit
Установка бита
2
1
CLRC
Сброс флага переноса
1
1
CLR bit
Сброс бита
2
1
CPL C
Инверсия флага переноса
1
1
CPL bit
Инверсия бита
2
1
MOV C, bit
Пересылка бита во флаг переноса
2
1
MOV bit,C
Пересылка флага переноса в бит
2
2
ANL C, bit
"Логическое И" бита и флага переноса
2
2
ANL. C, /bit
"Логическое И" инверсии бита и флага переноса
2
2
ORL C, bit
"Логическое ИЛИ" бита и флага переноса
2
2
ORL C,/bit
"Логическое ИЛИ" инверсии бита и флага переноса
2
2
JC rel8
Переход, если флаг переноса установлен
2
2
JNC rel8
Переход, если флаг переноса сброшен
2
2
JB bit,rel8
Переход, если бит установлен
3
2
JNB bit,rel8
Переход, если бит сброшен
3
2
JBC bit,rel8
Переход, если бит установлен, и сброс этого бита
3
2
ОБОЗНАЧЕНИЯ:
С – флаг переноса;
bit – 128 программно-доступных битов, любой I/O вывод, бит управления или состояния;
/bit – 128 программно-доступных битов, любой I/O вывод, бит управления или состояния, взятые с инверсией;
rel8– байт относительного смещения (условный переход осуществляется в диапазоне от -128 до +127 байтов относительно адреса первого байта следующей команды).
Эти команды в зависимости от выполняемой функции могут быть одно-, двух- или трехбайтные. Те из них, которые оперируют с флагом переноса, имеют однобайтный код или код, за которым следует байт смещения, использующийся для вычисления адреса условного перехода (рис. 4.а). В более обобщенных командах битовых операций после кода добавляется байт адреса прямоадресуемого бита, образуя двух- или трехбайтные команды (рис. 4.б). На рис. 4 для справки приведены коды этих команд.
С помощью указанных команд можно обращаться непосредственно к 128 битам внутреннего ОЗУ и к 83 битам одиннадцати восьмиразрядных регистров ОМЭВМ.
-
Код команды:
Код команды:
SETB С
11010011В (D3H)
CLR С
11000011В (С3Н)
CPL С
10110011В(В3Н)
Код команды
Смещение
JC
<ге18>
01000000В (40Н)
JNC
<ге18>
01010000В (50Н)
а) Команды проверки и управления флагом переноса
Код команды
Адрес бита
Код команды:
SETB
<bit>
11010010B (D2H)
CLR
<bit>
11000010В (С2Н)
CPL
<bit>
10110010В (В2Н)
MOV С,
<bit>
10100010В (А2Н)
MOV
<bit>, С
10010010В (92Н)
ANL С,
<bit>
10000010В (82Н)
ANL С,
</bit>
10110000В (В0Н)
ORL С,
<bit>
01110010В(72Н)
ORL С,
</bit>
10100000В (А0Н)
Код команды
Адрес бита 1
Смещение
JB
<bit>,
<ге18>
00100000В (20Н)
JNB
<bit>,
00010000В (10H)
00110000В (30Н)
JBC
<bit>,
<ге18>
00010000В (10H)
б) Команды проверки и операций с битами
Рисунок 4 – Форматы команд операций над битами
В зависимости от значения байта адреса прямо адресуемый бит выбирается из двух групп битов. Значения адреса от 0 (00Н) до 127 (7FH) определяют биты в 16-байтном блоке внутреннего ОЗУ между адресами 20Н и 2FH (см. рис.5а). Они пронумерованы последовательно от младшего бита младшего байта к старшему биту старшего байта. Адреса битов от 128 (80Н) до 255 (0FFH) соответствуют битам регистров специальных функций. Адреса этих битов вычисляются иначе, чем адреса ячеек ОЗУ: пять старших битов адреса совпадают с собственными адресами регистров, а три младших бита адреса идентифицируют позицию бита в пределах регистра (см. рис.5б).
Хотя MCS-51 имеет 20 регистров специальных функций, побитовый доступ обеспечен только для 11 (PSW, АСС, В, P0, P1, P2, P3, TCON, SCON, IE, IP). У 6 из них (PSW, Р3, TCON, SCON, IE, IP) разряды имеют собственные символические имена (рис.6).
Команды общего назначения, адресующиеся непосредственно к битам, могут обращаться к ним (в том числе и к биту переноса), используя соответствующую мнемонику: CY, AC, F0 и т.д.
К битам всех 11 регистров также можно обратиться, используя соответствующее позиционное обозначение: PSW.1, АСС.2, В.З, Р0.4 и т.д.
Регистр АСС (аккумулятор) и регистр В относятся к байтовой арифметике, но их отдельные биты могут использоваться в программе в качестве произвольных 16 флагов. В сумме со 128 ячейками ОЗУ это дает 144 битовые ячейки общего назначения для хранения переменных или программных флагов.
Рисунок 5 – Адреса прямо адресуемых битов
Все 32 вывода портов Р0-РЗ могут индивидуально адресоваться как вход, выход или вход/выход в любой комбинации. Любой вывод может служить программно реализуемым стробом, тестовым входом или последовательным каналом ввода/вывода.
Для обработки битов регистров ОЗУ, не имеющих побитового доступа, могут быть использованы логические операции с байтами.
Регистр слова состояния программы PSW содержит биты флагов и состояния процессора, включая флаг переноса. Операции обработки байтов, воздействуя на регистр PSW, могут таким образом влиять и на бит переноса.
Рисунок 6 – Формат регистров специальных функций, имеющих символические имена прямо адресуемых битов
В языке ассемблера MCS-51, как показано в табл.3, адрес бита указывается одним из трех способов: числом или выражением, соответствующим прямому адресу бита; названием или адресом регистра, содержащего данный бит, и позицией бита в регистре (0-7), разделенными точкой; для определенных битов (рис.6) – указанием символического имени. Биты также могут обозначаться произвольными именами директивой ассемблера "BIT". Например, 5-й бит регистра PSW может быть очищен любой из четырех команд:
-
USR_FLG
BIT PSW.5
; Описание символа пользователя
CLR 0D5H
; Абсолютная адресация
CLR PSW.5
; Использование точечного оператора
CLR F0
; Использование собственного имени бита
CLR USR_FLG
; Символ пользователя.
6. Применение битового процессора
Программная реализация последовательного порта. ОМЭВМ семейства MCS-51 могут программно принимать и передавать последовательные данные с использованием системы команд битового процессора. Поскольку любой вывод порта может служить последовательным входом или выходом, одновременно можно организовать несколько последовательных линий связи.
На рис. 7 показаны алгоритмы приема и передачи байтов данных. Программа будет обращаться к этому алгоритму 8 раз, синхронизируясь старт-битом, тактовым сигналом, программной задержкой или прерыванием от таймера. Данные принимаются путем опроса входного вывода, присвоения биту переноса состояния этого вывода, сдвига бита переноса в буфер данных и сохранения полученного значения в ОЗУ. Передача происходит путем сдвига содержимого буфера передаваемого байта через перенос и выдачи состояния флага переноса на выходной вывод.
Рисунок 7 – Алгоритмы последовательного порта ввода/вывода
На рис. 8 приведены программы, реализующие показанные на рис. 7 алгоритмы приема и передачи для трех различных микропроцессоров: 8085, 8048 и 8051. Программная реализация последовательного порта на MCS-51 наиболее эффективна. Представленные оценочные характеристики подтверждают эффективность реализации последовательного порта на базе MCS-51.
Решение уравнений комбинаторной логики. На рис. 9 показана реализация на ТТЛ-элементах функции шести переменных от U до Z, которая является решением уравнения
Q = (U (V+W))+(X Y)+Z.
Уравнения такого рода решаются с помощью карт Карно или аппарата алгебры булевой логики. Для сравнения выполним эту функцию тремя способами, ограничиваясь тремя подмножествами системы команд MCS-51.
Предположим, что U и V являются входными выводами некоторого порта, W и Х – биты состояния двух периферийных контроллеров, a Y и Z – программные флаги, ранее установленные в программе. Окончательный результат должен выдаваться на выходной вывод порта.
Первые два способа решения основываются на алгоритме, показанном на рис. 10, который может быть выполнен практически любым микропроцессором. Выполнение программы идет с проверками и ветвлением, до тех пор пока не будет получен результат, который выдается на порт.
-
8085
8048
8051
IN SERPORT
MOV C,SERPIN
ANI MASK
CLRC
JZ L0
JNT0 L0
CMC
CPLC
L0: LXI HL,SERBUF
L0: MOV R0,#SERBUF
MOV A,M
MOV A,@R0
MOV A,SERBUF
RR
RRC A
RRCA
MOV M,A
MOV @R0,A
MOV SERBUF,A
8 команд
7 команд
4 команды
14 байт
9 байт
7 байт
56 состояний
9 циклов
4 цикла
19 мкс
22,5 мкс
4 мкс
а) подпрограмма ввода
8085
8048
8051
LXI HL,SERBUF
MOV R0,#SERBUF
MOV A,M
MOVA,@RO
MOV A,SERBUF
RR
RRCA
RRCA
MOV M,A
MOV @R0,A
MOV SERBUF,A
IN SERPORT
JC H2
JCHI
L0: ANI NOT MASK
ANL SERPRT,#NOT MASK
MOV SERPIN,C
JMP CNT
JMPCNT
H2: ORI MASK
H2: ORL SERPRT,#MASK
CNT: OUT SERPORT
CNT:
10 команд
8 команд
4 команды
20 байт
13 байт
7 байт
72 состояния
11 циклов
5 циклов
24 мкс
27,5 мкс
5 мкс
б) подпрограмма вывода
Рисунок 8 –
Подпрограммы последовательного ввода/вывода
В первом варианте решения (пример 1) не используются команды битового процессора, хотя используется мнемоника MCS-51. Другие процессоры могут выполнить аналогичные действия, используя собственную мнемонику типа INPUT, OUTPUT, LOAD, STORE и т.д.
Благодаря возможностям проверки битов одна команда MCS51 может заменить последовательность "переслать/маскировать/условно перейти". Это позволяет сократить программу (пример 2). Для удобства каждой входной переменной присвоено символическое имя.
-
Рисунок 9 – Аппаратное решение логической функции
Рисунок 10 – Программное решение логической функции
Более красивое решение (пример 3) получается с применением команд битового процессора, благодаря чему удается написать программу без команд условного перехода. При завершении программы полученный результат присваивается флагу переноса, который копируется на выходной вывод.
Таким образом ОМЭВМ семейства MCS-51 могут моделировать любую комбинационную схему с N-числом входов с помощью самое большее N+1 строк исходной программы: по одной строке на каждый вход и еще одна на сохранение результата. Возможное ограничение при моделировании большого числа входов и выходов определяется длиной программы и фиксированным числом выводов портов.
Пример 1. Использование команд с байтовыми операндами
|
BFUNC1 |
вычисляет логическую функцию 6 переменных путем загрузки байта маскирования соответствующих битов в аккумуляторе и выполнения условных переходов. Байты и маски соответствуют адресам и битовым позициям. (Используется для процессоров, ориентированных на работу с байтами) |
||
|
OUTBUF |
DATA |
22H ; карта состояния выходов |
|
|
TESTV: |
MOV |
A,P2 |
|
|
ANL |
A,#00000100B |
||
|
JNZ |
TESTU |
||
|
MOV |
A,TCON |
||
|
ANL |
A,#00100000B |
||
|
JZ |
TESTX |
||
|
TESTU: |
MOV |
A,P1 |
|
|
ANL |
A,#00000010B |
||
|
JNZ |
SETQ |
||
|
TESTX: |
MOV |
A,TCON |
|
|
ANL |
A,#00001000B |
||
|
JNZ |
TESTZ |
||
|
MOV |
A,20H |
||
|
ANL |
A,#00000001B |
||
|
JZ |
SETQ |
||
|
TESTZ: |
MOV |
A,21H |
|
|
ANL |
A,#00000010B |
||
|
JZ |
SETQ |
||
|
CLRQZ: |
MOV |
A, OUTBUF |
|
|
ANL |
A,#11110111B |
||
|
JMP |
OUTQ |
||
|
SETQ: |
MOV |
A, OUTBUF |
|
|
ORL |
A,#00001000B |
||
|
OUTQ: |
MOV |
OUTBUF, A |
|
|
MOV |
P3,A |
||
|
Пример 2. Использование команд проверки битов |
|||
|
BFUNC2 |
вычисляет логическую функцию 6 переменных путем прямого опроса каждого бита. Биты обозначены в соответствии с символами, использованными в алгоритме (Используется возможность проверки битов) |
||
|
U |
BIT |
Pl.l |
|
|
V |
BIT |
P2.2 |
|
|
W |
BIT |
TF0 |
|
|
X |
BIT |
IE1 |
|
|
Y |
BIT |
20H.0 |
|
|
Z |
BIT |
21H.1 |
|
|
Q |
BIT |
P3.3 |
|
|
TEST_V: |
JB |
V,TEST_U |
|
|
JNB |
W,TEST_X |
||
|
TEST_U: |
JB |
U,SET_Q |
|
|
TEST_X: |
JNB |
X,TEST_Z |
|
|
JNB |
Y,SET_Q |
||
|
TEST_Z: |
JNB |
Z,SET_Q |
|
|
CLR_Q: |
CLR |
Q |
|
|
JMP |
NXTTST |
||
|
SET_Q: |
SETB |
Q |
|
|
NXTTST: |
... |
; продолжение программы |
|
|
Пример 3. Использование битового процессора |
|||
|
FUNC3 |
Вычисляет логическую функцию 6 переменных с использованием возможностей битового процессора MCS-51. |
||
|
MOV |
C,V |
||
|
ORL |
C,W |
; Выход вентиля ИЛИ |
|
|
ANL |
C,U |
; Выход верхнего вентиля И |
|
|
MOV |
0F,C |
; Сохранение промежуточного состояния |
|
|
MOV |
C,X |
||
|
ANL |
C,/Y |
; Выход нижнего вентиля И |
|
|
ORL |
C,0F |
; Использование ранее вычисленного значения |
|
|
ORL |
C,/Z |
; Использование последней входной переменной |
|
|
MOV |
C,/Z |
; Вывод результата |
В разделе 7 пособия рассмотрены практические примеры и их реализация на основе системы команд и программной модели ОМЭВМ семейства MCS-51. Все приведенные решения задач имеют программную совместимость с последующими модификациями 8-разрядных микроконтроллеров фирмы INTEL, включая MCS-251.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Компьютерная электроника. Учебник для вузов. 3-е изд. перераб. и доп. М.:Энергия. 2005.-488 с.
2. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы радиоэлектроники. М.:Энергия. 2003.-368 с.
3. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по электронике. М.:Энергия. 1999-280 с.
4. Козлова О.В., Новиков Ю.Л., Бочарова Т.Н. Стандарт предприятия. Оформление расчетно-пояснительной записки и графической части. СТП ВГТУ 004-2003.-42 с.
5. Теплотехнический справочник. Под общ. ред. В.Н. Юренева и П.Д. Лебедева. В –2х т. Изд. 2-е, перераб. М., "Энергия", 2006.-897 с.