Устройство управления и синхронизации
Устройство управления и синхронизации (УУС) предназначено для выработки синхронизирующих и управляющих сигналов, обеспечивающих координацию совместной работы блоков МК51 во всех допустимых режимах его работы. В состав УУС входят (рис.8) [3]: - устройство формирования временных интервалов; - логика ввода-вывода; - регистр команд; - дешифратор команд; - программируемая логическая матрица ПЛМ; - регистр управления потреблением электроэнергии PCON; - логика управления ЭВМ. Работа процессора носит циклический характер. Цикл работы процессора (машинный цикл) характеризуется наличием обращения ЦП к основной памяти для осуществления информационного обмена и выполнения операции над данными. В зависимости от сложности команды микропроцессору требуется один или несколько машинных циклов. Рис.8. Структурная схема УУС
Устройство формирования временных интервалов предназначено для формирования и выдачи внутренних синхросигналов фаз, тактов и циклов. Количество машинных циклов определяет продолжительность выполнения команд. Практически все команды ОЭВМ выполняются за один или два машинных цикла, кроме команд умножения и деления, продолжительность выполнения которых составляет четыре машинных цикла. Машинный цикл (рис.9) имеет фиксированную длительность и содержит шесть состояний SI-S6, каждое из которых по длительности соответствует такту, и, в свою очередь, состоит из двух временных интервалов, определяемых фазами Р1 и Р2. Обычно в фазе Р1 выполняется операция в АЛУ, а в фазе Р2 межрегистровый обмен данными. Длительность фазы равна периоду следования внешнего сигнала CLK, являющегося первичным сигналом синхронизации микроконтроллера. Все машинные циклы одинаковы, состоят из 12 периодов сигнала CLK, начинаются фазой S1P1 и заканчиваются фазой S6P2. Дважды за один машинный цикл формируется сигнал ALE. Рис.9. Диаграмма формирования машинных циклов
Сигнал CLK вырабатывается либо встроенным тактовым генератором МК51 при подключении к ее выводам 18 (Х2) и 19 (Х1) кварцевого резонатора или LC-цепочки, либо внешним источником тактовых сигналов. Схема подключения кварцевого резонатора и LC-цепочки к выводам Х2 и Х1 показана на рис 10.
Рис.10. Подключение кварцевого резонатора либо LC-цепочки к внутреннему задающему генератору МК51
Выводы Х2, Х1 являются соответственно входом и выходом инвертирующего усилителя, который может быть включен в режим генератора при подключении к выводам кварцевого резонатора или LC-цепочки. Номинальная частота кварцевого резонатора равна 12мГц, что обеспечивает длительность машинного цикла 1 мкc. Примечание. В зависимости от технологии изготовления СБИС, выводы Х1,Х2 имеют различное назначение. Для n-МОП Х1 является входом, а Х2 выходом, для КМОП наоборот.
В некоторых случаях при работе микроконтроллера используется внешний тактовый генератор, должен обеспечивать следующие характеристики внешнего синхросигнала МК51: - длительность низкого уровня сигнала - не менее 20 нс; - длительность высокого уровня сигнала - не менее 20 нс; - времена фронтов нарастания и спада сигнала - не более 20 нс. Внешний синхросигнал для п-МОП (серия 8051) подается на вывод 18 (Х2), а для КМОП (серия 80С51) - на вывод 19 (Х1). При этом необходимо обеспечивать требуемые уровни напряжения синхросигнала. Логика ввода - вывода предназначена для приема и выдачи сигналов, обеспечивающих обмен информации с внешними устройствами, в том числе и через порты ввода-вывода Р0-Р3. Внешние сигналы управления имеют следующее назначение: - ALE - разрешение фиксации младшего байта адреса во внешнем регистре (Address Lath Enable) при обращении к внешней памяти; - - - - - RST - внешний сигнал сброса (RST=1) микроконтроллера в исходное состояние (R e s tar t). Регистр команд предназначен для записи и хранения 8- разрядного кода операции выполняемой команды. Регистр команд программно не доступен. Дешифратор команд преобразует код операции в 24- разрядный код для ПЛМ, с помощью которой вырабатывается набор микроопераций в соответствии с микропрограммой выполнения команды. Логика управления ЭВМ формирует набор сигналов управления, которые организуют работу всех устройств микроконтроллера, принимающих участие в реализации команды. Регистр управления потреблением (PCON) позволяет останавливать работу микроконтроллера для уменьшения потребления электроэнергии и уменьшения уровня помех от микроконтроллера. Еще большего уменьшения потребления электроэнергии и уменьшения помех можно добиться, остановив задающий генератор микроконтроллера. Этого можно достичь при помощи переключения бит регистра управления потреблением PCON. Такая возможность существует для микроконтроллера, изготовленного по технологии КМОП. Для варианта изготовления по технологии n-МОП регистр управления потреблением PCON содержит только один бит, управляющий скоростью передачи последовательного порта SMOD, а биты управления потреблением электроэнергией отсутствуют. В табл.4 приведены значения битов управления регистра PCON с технологией КМОП. Все биты регистра PCON программно доступны по записи ("0" и "1") и чтению. Таблица 4
Функции бита SMOD будут рассмотрены при описании работы последовательного порта. Биты PCON с номерами 4-6 зарезервированы для дальнейшего расширения семейства МК51. При «чтении» значение этих разрядов не определено. Биты GF1 и GF0 пользователь может задействовать по своему усмотрению (флаги пользователя). В МК51, выполненных по КМОП технологии, имеются два режима уменьшенного энергопотребления: режим холостого хода и режим пониженного энергопотребления. Источником питания в этих режимах является вывод Ucc. Режимы уменьшенного потребления инициируются установкой битов PD и IDL в регистре PCON. Логика работы этих битов показана на рис. 11.
Рис.11. Логика работы битов PD и IDL регистра PCON Режим холостого хода. Любая команда, по которой установится управляющий бит IDL (PCON.0) в регистре управления мощностью, переведет МК51 в режим холостого хода. При этом продолжает работу внутренний генератор синхросигналов (см.рис.11). Все регистры сохраняют свое значение. На выводах всех портов удерживается то логическое состояние, которое на них было в момент перехода в режим холостого хода. На выводах ALE и Режим пониженного энергопотребления. В тех применениях микроконтроллеров, где потребление электроэнергии, а следовательно, габаритные размеры и масса источника электропитания являются одними из основных показателей качества изделия, воможно использование МК51 в режиме пониженного энергопотребления. Перевод МК51 в этот режим возможен по команде, которая установит бит PCON.1 в регистре управления мощностью (см.табл.4). В этом режиме останавливается генератор синхросигналов, содержимое РПД и регистров специальных функций сохраняется, а на выходных контактах портов удерживаются значения, соответствующие содержимому их буферных регистров. Выходы сигналов ALE и PSEN сбрасываются. При этом электропитание осуществляется через вывод RST. В режиме пониженного энергопотребления напряжение электропитания (VCC) может быть отключено. Перед выходом из режима оно должно быть восстановлено до номинального значения. Выход из режима пониженного энергопотребления возможен только по сигналу RST. При этом переопределяются все регистры специальных функций, но содержимое РПД не изменяется. (В некоторых модификациях МК51 этот режим может отсутствовать.)
2.1.3. Программный счетчик
Программный счетчик или устройство формирования адреса предназначено для формирования текущего 16-разрядного адреса памяти программ (РПП) и адреса внешней памяти данных (ВПД). В состав устройства входят (рис.12): - 16-разрядный буфер РС; - 16-разрядный регистр PC; - 16-разрядный регистр указателя данных DPTR; - схема инкремента PC; - 16-разрядный адресный регистр памяти; - 8-разрядный указатель стека SP.
Рис. 12. Структурная схема программного счетчика Буфер РС осуществляет связь между 16-разрядной внутренней шиной ШВ и 8-разрядной шиной данных ШД, обеспечивая запись, хранение и коммутацию данных. Регистр указателя данных DPTR служит для хранения 16- разрядного адреса внешней памяти данных. Он состоит из двух 8-разрядных регистров DPH и DPL, расположенных в области регистров специальных функций SFR. Регистры DPH и DPL программно доступны и могут использоваться в качестве двух независимых РОН, если нет необходимости в хранении 16-разрядного адреса внешней памяти. Регистр PC или счетчик команд (P rogram C ounter) адресует память программ и содержит текущий 16-разрядный адрес байта команды. Схема инкремента PC увеличивает текущее значение 16-разрядного адреса памяти программ на единицу. Регистр адреса памяти (Addr RG) предназначен для хранения и выдачи на внутреннюю шину адреса ША прямого 16-разрядного адреса памяти программ или 8/16-разрядного адреса внешней памяти данных Указатель стека SP хранит текущий 8-разрядный адрес вершины стека, расположенного во внутреннем ОЗУ (РПД). Перед записью байта информации в стек содержимое SP увеличивается на единицу и по этому адресу производится запись. При чтении из стека информация читается по адресу, хранимому в SP, и после чтения содержимое SP уменьшается на единицу. При инициализации работы микроконтроллера в счетчик команд PC загружается начальный адрес 0000Н и выполнение программы начинается с команды, расположенной по этому адресу. После ее выполнения в счетчик PC загружается адрес следующей по порядку команды. Поскольку значение адреса следующей команды отличается от адреса предыдущей на число байт, определяющих длину (формат) команды, то следующий адрес формируется путем инкрементирования значения адреса предыдущего, пропорционально числу байт (1,2,3 раза). Таким образом, формируется процесс последовательного выполнения команд, согласно порядку их расположения в памяти программ. Если программа содержит адреса перехода, то в счетчик команд загружается адрес перехода.
|
- чтение из внешней памяти программ ВПП (P rogramm S tore E nable).
- чтение из внешней памяти данных ВПД;
- запись во внешнюю память данных ВПД;
- конфигурирование памяти программ (E xternal A ccess);
формируется уровень лог.1. Выйти из режима холостого хода можно или по сигналу RST, или по прерыванию. Любой из разрешенных сигналов прерывания приведет к аппаратурному сбросу бита PCON.0 и прекратит тем самым режим холостого хода. После исполнения команды RETI (выход из подпрограммы обслуживания прерывания) будет исполнена команда, которая следует в программе за командой, переведшей МК51 в режим холостого хода. (В некоторых модификациях МК51 этот режим может отсутствовать). Ток потребления уменьшается в четыре раза.
