Все микроконтроллеры из семейства MCS-51 имеют  общую систему команд. Наличие  дополнительного оборудования влияет только на количество регистров специального назначения.

     Основными производителями клонов 51-го семейства  в мире являются фирмы Philips, Siemens, Intel, Atmel, Dallas, Temic, Oki, AMD, MHS, Gold Star, Winbond, Silicon Systems и ряд других.

     В рамках СССР производство микроконтроллера 8051 осуществлялось в Киеве, Воронеже (1816ВЕ31/51, 1830ВЕ31/51), Минске (1834ВЕ31) [9].

     Для данной задачи – разработки системы  охранной сигнализации - микроконтроллер  этого семейства является оптимальным, так как сочетает в себе большие  возможности управления, необходимые  для решения поставленной нами задачи. А так же к его качествам можно отнести высокую надежность, что является обязательным условием охранных систем, и дешевизну.

     Приведем  описание микроконтроллера семейства 8051.(Рисунок 13) 

     

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рисунок 13 - Структурная схема микроконтроллера КМ1816ВЕ51

     Общие характеристики.

     Микроконтроллер семейства 8051 имеют следующие аппаратные особенности:

– внутреннее ОЗУ объемом 128 байт;

   – четыре двунаправленных побитно настраиваемых восьмиразрядных порта ввода-вывода;

– два 16-разрядных таймера-счетчика;

– встроенный тактовый генератор;

– адресация 64 КБайт памяти программ и 64 Кбайт памяти данных;

– две линии запросов на прерывание от внешних устройств;

– интерфейс для последовательного обмена информацией с другими микроконтроллерами или персональными компьютерами.

     Микроконтроллер выполнен на основе высокоуровневой  n-МОП технологии. Через четыре программируемых параллельных порта ввода/вывода и один последовательный порт микроконтроллер взаимодействует с внешними устройствами. Основу структурной схемы (рис. 1) образует внутренняя двунаправленная8-битная шина, которая связывает между собой основные узлы и устройства микроконтроллера: резидентную память программ (RPM), резидентную память данных (RDM), арифметико-логическое устройство (ALU), блок регистров специальных функций, устройство управления (CU) и порты ввода/вывода (P0-P3).

     Арифметико-логическое устройство.

     8-битное  арифметико-логическое устройство (ALU) может выполнять арифметические операции сложения, вычитания, умножения и деления; логические операции И, ИЛИ, исключающее ИЛИ, а также операции циклического сдвига, сброса, инвертирования и т.п. К входам подключены программно-недоступные регистры T1 и T2, предназначенные для временного хранения операндов, схема десятичной коррекции (DCU) и схема формирования признаков результата операции (PSW).

     Простейшая  операция сложения используется в ALU для инкрементирования содержимого регистров, продвижения регистра-указателя данных (RAR) и автоматического вычисления следующего адреса резидентной памяти программ. Простейшая операция вычитания используется в ALU для декрементирования регистров и сравнения переменных.

     Простейшие  операции автоматически образуют “тандемы”  для выполнения таких операций, как, например, инкрементирование 16-битных регистровых пар. В ALU реализуется механизм каскадного выполнения простейших операций для реализации сложных команд. Так, например, при выполнении одной из команд условной передачи управления по результату сравнения в ALU трижды инкрементируется счётчик команд (PC), дважды производится чтение из RDM, выполняется арифметическое сравнение двух переменных, формируется 16-битный адрес перехода и принимается решение о том, делать или не делать переход по программе. Все перечисленные операции выполняются всего лишь за 2 мкс.

     Важной  особенностью ALU является его способность оперировать не только байтами, но и битами. Отдельные программно-доступные биты могут быть установлены, сброшены, инвертированы, переданы, проверены и использованы в логических операциях. Эта способность достаточно важна, поскольку для управления объектами часто применяются алгоритмы, содержащие операции над входными и выходными булевыми переменными, реализация которых средствами обычных микропроцессоров сопряжена с определенными трудностями.

     Таким образом, ALU может оперировать четырьмя типами информационных объектов: булевыми (1 бит), цифровыми (4 бита), байтными (8 бит) и адресными (16 бит). В ALU выполняется 51 различная операция пересылки или преобразования этих данных. Так как используется 11 режимов адресации (7 для данных и 4 для адресов), то путем комбинирования операции и режима адресации базовое число команд 111 расширяется до 255 из 256 возможных при однобайтном коде операции.

     На  рисунке 14 приведены назначение выводов микроконтроллера семейства 8051. 

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рисунок 14 – Назначение выводов 8051

 

     Обозначения на этом рисунке:

     – Vss - потенциал общего провода ("земли");

     – Vcc - основное напряжение литания +5 В;

     – X1,X2 - выводы для подключения кварцевого резонатора;

     –  RESET - вход общего сброса микроконтроллера;

     – PSEN - разрешение внешней памяти программ; выдается только при обращении к внешнему ПЗУ;

     – ALE - строб адреса внешней памяти;

     – ЕА - отключение внутренней программной память; уровень 0 на этом входе заставляет микроконтроллер выполнять программу только внешнее ПЗУ; игнорируя внутреннее(если последнее имеется);

     – P1 - восьми битный квази двунаправленный порт ввода/вывода: каждый разряд порта может быть запрограммирован как на ввод, так и на вывод информации, независимо от состояния других разрядов;

     – P2 - восьми битный квази двунаправленный порт, аналогичный Р1; кроме того, выводы этого порта используются для выдачи адресной информации при обращении к внешней памяти программ или данных (если используется 16-битовая адресация последней). Выводы порта используются при программировании 8751 для ввода в микроконтроллер старших разрядов адреса:

     – РЗ - восьми битный квази двунаправленный порт, аналогичный. Р1; кроме того, выводы этого порта могут выполнять ряд альтернативных функций, которые используются при работе таймеров, порта последовательного ввода-вывода, контроллера прерываний, и внешней памяти программ и данных;

     – P0 - восьми битный двунаправленный порт ввода-вывода информации: при работе с внешними ОЗУ и ПЗУ по линиям порта в режиме временного мультиплексирования выдается адрес внешней памяти, после чего осуществляется передача или прием данных.

     Организация ОЗУ, ПЗУ и регистров  микроконтроллера 8051.

     Память  программ (ПЗУ).

     Как и у большинства микроконтроллеров, у микроконтроллеров семейства  8051, память программ и память данных являются самостоятельными и независимыми друг от друга устройствами, адресуемыми различными командами и управляющими сигналами.

     Объем встроенной памяти программ, расположенной  на кристалле микроконтроллера 8051, равен 4 Кбайт. При обращении к внешней памяти программ все микроконтроллеры семейства 8051 всегда используют 16-разрадный адрес, что обеспечивает им доступ к 64 Кбайт ПЗУ. Микроконтроллер обращается к программной памяти при чтении кода операции и операндов (используя счетчик команд PC), а также при выполнении команд переноса байта из памяти программ в аккумулятор. При выполнении команд переноса данных адресация ячейки памяти программ, из которой будут прочитаны данные, может осуществляться с использованием как счетчика PC, так и специального двухбайтового регистра-указателя данных DPTR.

     Память  данных (ОЗУ).

     Объем расположенной на кристалле памяти данных—128 байт. Объем внешней памяти данных может достигать 64 Кбайт. Первые 32 байта организованы в четыре банка  регистров общего назначения, обозначаемых соответственно банк 0 — банк 3. Каждый из них состоит из восьми регистров R0 — R7. В любой момент программе доступен только один банк регистров, номер которого содержится в третьем и четвертом битах слова состояния программы PSW (см. ниже).

     Оставшееся  адресное пространство может конфигурироваться  разработчиком по своему усмотрению: в нем располагаются стек, системные  и пользовательские области данных. Обращение к ячейкам памяти данных возможно двумя способами. Первый способ — прямая адресация ячейки памяти. В этом случае адрес ячейки является операндом соответствующей команды. Второй способ — косвенная адресация с помощью регистров R0 или R1: перед выполнением соответствующей команды в один из них должен быть занесен адрес ячейки, к которой необходимо обратиться.

     Для обращения к внешней памяти данных используется только косвенная адресация  с помощью регистров R0 и R1 или  с помощью 16-разрядного регистра-указателя DPTR. Он относится к группе регистров  специальных функций, и с его помощью можно адресовать все 64 Кбайта внешней памяти.

     Часть памяти данных представляет собой так  называемую битовую область, в ней  имеется возможность при помощи специальных битовых команд адресовываться к каждому разряду ячеек памяти. Адрес прямо адресуемых битов может быть записан либо в виде (Адрес Байта ).(Разряд), например выражение 21.3 означает третий разряд ячейки памяти с адресом 21H, либо в виде абсолютного битового адреса. Соответствие этих двух способов адресации можно определить по таблице. 
 
 
 

     Таблица 1 – Адреса битовых областей памяти микроконтроллера 8051