Контроллеры (стр. 3 из 12)

- анализ автоматизированных контроллеров, и микропроцессоров, на основе чего произведена их классификация;

- рассмотрена и проанализирована проблема выбора инструментальных средств для разработки контроллера, на основании чего выбраны языки С-51 и Assembler;

- на основании анализа требуемого к контроллера было сформулирована задача и требования к комплексу программ деятельности контроллера.

Обобщенная структура и алгоритм функционирования контроллера

Данные в системе представляют собой информацию в виде переменных, которым жестко заданы адреса переменных для обмена между программами обслуживания контроллера.

Выбор инструментальных средств и элементной базы.

При выборе элементной базы прибора контроля учитывались следующие обстоятельства:

- построить разрабатываемую технику на современном уровне (по функциям, стоимости, энергопотреблению и габаритам) исключительно на отечественных элементах не представляется возможным;

- так как мощность, потребляемая МК, в значительной мере определяет возможности разработки экономичной аппаратуры, применения кабелей питания небольшого сечения и должна быть выбрана микро мощная элементная база. Часть схемы контроллера может быть выполнена на элементной базе с небольшим быстродействием, однако для другой части схемы должны быть применены микро мощные элементы с высоким быстродействием. Одним из, таким элементом является микроконтроллер Intel 87C51FB.

Применяемый в разработке микроконтроллер Intel 87C51FB обладает следующими основными характеристиками, которые необходимо знать для выполнения поставленной в дипломном проекте задаче.

Intel87C51FB относится к семейству n-МОП технологии и выпускается в корпусе БИС, имеющем 40 внешних выводов. Цоколевка корпуса и наименования выводов показаны на рис 3.1. Для работы Intel87C51FB требуется один источник электропитания +5 В. Через четыре программируемых порта ввода/вывода Intel87C51FB взаимодействует со средой в стандарте ТТЛ-схем с тремя состояниями выхода. Корпус Intel87C51FB имеет два вывода для подключения кварцевого резонатора, четыре вывода для сигналов, управляющих режимом работы МК, и восемь линий порта 3, которые могут быть запрограммированы пользователем на выполнение специализированных (альтернативных) функций обмена информацией со средой.

Рис 3.1.

Разработки на базе контроллеров Intel87C51FB поддерживается ассемблером, программным симулятором, внутрисхемным эмулятором фирмы Phyton и программатором.

Серия Intel87C51FB подходит для широкого спектра приложений от схем высокоскоростного управления автомобильными и электрическими двигателями до экономичных удаленных приемопередатчиков, показывающих приборов и связных процессоров. Наличие ПЗУ позволяет подстраивать параметры в прикладных программах (коды передатчика, скорости двигателя, частоты приемника и т.д.).

Малые размеры корпусов, как для обычного, так и для поверхностного монтажа, делает эту серию микроконтроллеров пригодной для портативных приложений. Низкая цена, экономичность, быстродействие, простота использования и гибкость ввода/вывода делает Intel87C51FB привлекательным даже в тех областях, где ранее не применялись микроконтроллеры. Например, таймеры, замена жесткой логики в больших системах, сопроцессоры.

Приведем краткий обзор характеристик МК:

- 111 базовых команд;

- Большинство команд (94) имеют формат один или два байта и выполняются за один или два машинных цикла;

- рабочая частота 12 МГц

- -байтное АЛУ и схемы аппаратурной реализации команд умножения и деления;

- 14 - битовые команды;

- двунаправленная 8-битная шина;

- стираемое программируемое ПЗУ программ емкостью 64 Кбайт;

- ОЗУ данных емкостью 128 байта;

- два 16-битных таймера/счетчика;

- программируемые схемы ввода/вывода (32 линий);

- блок двухуровневого векторного прерывания от пяти источников;

- асинхронный канал дуплексного последовательного ввода/вывода информации со скоростью до 375 Кбит/с;

- генератор, схему синхронизации и управления;

- 8 х 4 регистров общего использования;

- 128 программно-управляемых флагов;

- прямая, косвенная и относительная адресация данных и команд;

- четыре источника прерывания:

Структурная схема микропроцессора

Рассмотрим структурную схему микроконтроллера Intel87C51FB рисунок 3.2.

Рис 3.2.

Основу структурной схемы образует внутренняя двунаправленная 8-битная шина, которая связывает между собой все основные узлы и устройства: резидентную память, АЛУ, блок регистров специальных функций, устройство управления и порты ввода/вывода. Рассмотрим основные элементы структуры и особенности организации вычислительного процесса.

Арифметическо-логическое устройство

8-битное АЛУ 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. В АЛУ имеются программно недоступные регистры T1 и T2, предназначенные для временного хранения операндов, схема десятичной коррекции и схема формирования признаков.

Простейшая операция сложения используется в АЛУ для инкрементирования содержимого регистров, продвижения регистра-указателя данных и автоматического вычисления следующего адреса РПП. Простейшая операция вычитания используется в АЛУ для декрементирования регистров и сравнения переменных.

Простейшие операции автоматически образуют "тандемы" для выполнения в АЛУ таких операций, как, например, инкрементирование 16-битных регистровых пар. В АЛУ реализуется механизм каскадного выполнения простейших операций для реализации сложных команд. Так, например, при выполнении одной из команд условной передачи правления по результату сравнения в АЛУ трижды инкрементируется СК, дважды производится чтение из РПД, 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 в АЛУ всего лишь за 2 мкс.

Важной особенностью АЛУ 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 АЛУ, оперировать битами, столь важна, что во многих описаниях Intel87C51FB говорится о наличии в нем "булевского процессора". Для управления объектами часто применяются алгоритмы, содержащие операции над входными и выходными булевскими переменными (истина/ложь), реализация которых средствами обычных микропроцессоров сопряжена с определенными трудностями.

Таким образом, АЛУ может оперировать четырьмя типами информационных объектов: булевскими (1 бит), цифровыми (4 бита), байтными (8 бит) и адресными (16 бит). В АЛУ 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 "операция/ режим адресации" базовое число команд 111 расширяется до 255 из 256 возможных при однобайтном коде операции.

Резидентная память

Память программ и память данных, размещенные на кристалле физически и логически разделены, имеют различные механизмы адресации, работают под управлением различных сигналов и выполняют разные функции.

Память программ (ПЗУ или СППЗУ) имеет емкость 64 Кбайта и предназначена для хранения команд, констант, управляющих слов инициализации, таблиц перекодировки входных и выходных сменных и т.п. РПП имеет 16-битную шину адреса, через которую обеспечивается доступ из счетчика команд или из регистра-указателя данных. Последний выполняет функции базового регистра при косвенных переходах по программе или используется в командах, оперирующих с таблицами.

Память данных (ОЗУ) предназначена для хранения переменных в процессе выполнения прикладной программы, адресуется одним байтом и имеет емкость 128 байт. Кроме того, к адресному пространству РПД примыкают адреса регистров специальных функций (РСФ), которые перечислены в табл. 3.1.

Память программ, так же как и память данных, может быть расширена путем подключения внешних БИС.

Аккумулятор и ССП. Аккумулятор является источником операнда и местом фиксации результата при выполнении арифметических, логических операций и ряда операций передачи данных. Кроме того, только с использованием аккумулятора могут быть выполнены операции сдвигов, проверка на нуль, формирование флага паритета и т.п.

Таблица 3.1.

Символ	Наименование	Адрес
* ACC	Аккумулятор	0E0H
* B	Регистр-расширитель аккумулятора	0F0H
* PSW	Слово состояния программы	0D0H
SP	Регистр-указатель стека	81H
DPTR	Регистр-указатель данных (DPH)(DPL)	83H
		82H
* P0	Порт 0	80H
* P1	Порт 1	90H
* P2	Порт 2	0A0H
*P3	Порт 3	0B0H
* IP	Регистр приоритетов	0B8H
* IE	Регистр маски прерываний	0A8H
TMOD	Регистр режима таймера/счетчика	89H
* TCON	Регистр управления/статус таймера	88H
TH0	Таймер 0 (старший байт)	8CH
TL0	Таймер 0 (младший байт)	8AH
TH1	Таймер 1 (старший байт)	8DH
TL1	Таймер 1 (младший байт)	8BH
* SCON	Регистр управления приемопередатчиком	98H
SBUF	Буфер приемопередатчика	99H
PCON	Регистр управления мощностью	87H
Примечание. Регистры, имена которых отмечены знаком (*), допускают адресацию отдельных бит.

При выполнении многих команд в АЛУ формируется ряд признаков операции (флагов), которые фиксируются в регистре ССП. В табл. 3.2. приводится перечень флагов ССП, даются их символические имена и описываются условия их формирования.