6.Семейство MCS-251

Изначально наиболее "узкими" местами архитектуры MCS-51 были восьмиразрядное АЛУ на базе аккумулятора и относительно медленное выполнение инструкций (для самых "быстрых" из них требуется 12 периодов тактовой частоты). Это ограничивало применение МК семейства в устройствах, требующих повышенного быстродействия и сложных вычислений (16- и 32-битных). Насущным стал вопрос принципиальной модернизации старой архитектуры. Проблема осложнялась тем, что к началу 90-х годов уже была создана масса наработок в области программного и аппаратного обеспечения, и одной из основных задач разработки новой архитектуры стала реализация аппаратной и программной совместимости со старыми разработками на базе MCS-51. Для решения этой задачи была создана совместная группа из специалистов компаний Intel и Philips, но позднее пути этих двух фирм разошлись. В результате в 1995 г. появилось два существенно различающихся семейства: MCS-251/151 у Intel и 51XA у Philips . Основные характеристики архитектуры MSC-251:

24-разрядное линейное адресное пространство, обеспечивающее адресацию до 16 Mбайт памяти;

регистровая архитектура, допускающая обращение к регистрам как к байтам, словам и двойным словам;

страничный режим адресации для ускорения выборки инструкций из внешней программной памяти; очередь инструкций;

расширенный набор команд, включающий 16-битные арифметические и логические инструкции; расширенное до 64 Кбайт адресное пространство стека; выполнение самой "быстрой" инструкции за два такта; совместимость на уровне двоичного кода с программами для MCS-51.

Система команд MCS-251 построена на базе двух наборов инструкций: первый является копией системы команд MCS-51, а второй состоит из расширенных инструкций, реализующих преимущества архитектуры MSC-251. Перед использованием МК его необходимо сконфигурировать, т. е. с помощью программатора "прожечь" конфигурационные байты, определяющие, какой из наборов инструкций станет активным после включения питания.Если установить набор инструкций MCS-51, то MSC-251 будет совместим с MCS-51 на уровне двоичного кода (режим Binary Mode). Расширенные инструкции в этом режиме также доступны, но через "форточку" - зарезервированный код инструкции 0A5H. Естественно, длина каждой расширенной инструкции увеличивается в таком случае на 1 байт.

Если же изначально установить набор расширенных инструкций, то программы, написанные для MCS-51, потребуют перекомпиляции на кросс-средствах для MCS-51, так как теперь уже стандартные инструкции будут доступны через ту же "форточку" 0A5H и длина их также увеличится на 1 байт. Такой режим называется Source Mode. Он позволяет с максимальной эффективностью использовать расширенные инструкции и достигнуть наибольшего быстродействия, но требует переработки программного обеспечения.

Для пользователей, ориентированных на применение MCS-251 в качестве механической замены MCS-51, фирма Intel выпускает МК MCS-251 с уже запрограммированными битами конфигурации в состоянии Binary Mode. Такие МК получили обозначение MCS-151.

Помимо Intel, МК MCS-251 по ее лицензии выпускает компания Temic Semiconductors. Подробную информацию о ее продукции можно получить на web-site фирмы .Основные технические характеристики МК семейства MCS-251 приведены в таблице

В настоящее время Intel, устремленная на рынок Pentium-процессоров, прекратила производство кристаллов MCS-51. В целом для конкретного разработчика этот факт может остаться и не замеченным, если только он не использует 8xC51GB и 80C152Jx - эти кристаллы не имеют своих точных аналогов среди изделий других фирм. Что же касается всех остальных МК семейства MCS-51, то они многократно растиражированы другими компаниями и уход Intel с рынка никак на нем не скажется.

Таблица.13. МК семейства MCS-251 фирмы Intel

Примечание. Максимальная тактовая частота всех модификаций - 16 МГц, число линий ввода/вывода - 32.МК TSC8xC251A1 имеет четырехканальный восьмиразрядный АЦП. Напряжение питания всех МК -4,5...5,5 В, рабочий интервал температур - от -40 до +85 оС.

Принятые сокращения: РСА - массив программируемых счетчиков; WDT - сторожевой таймер; UART универсальный асинхронный последовательный приемопередатчик; I2 С - двухпроводная двунаправленная шина; SPI - последовательный периферийный интерфейс. Корпус: D - DIP, L - PLCC, Q -QFP.

7.Однокристальные микроконтроллеры Intel MCS-96.

7.1.Общая характеристика.

В семейство MCS-96 фирмы Intel (иногда будет использоваться и название 80C196) входит более 30 разновидностей микроконтроллеров. Это 16-разрядные, быстродействующие ИС высокой степени интеграции, ориентированные на решение задач управления процессами в реальном масштабе времени. Типичные области применения для этих микроконтроллеров - управление двигателями, модемы, безъюзовые тормозные системы, контроллеры жестких дисков, медицинское оборудование.

История MCS-96 насчитывает более 12 лет. За это время специалисты фирмы Intel увеличили адресное пространство с 64 КБайт до 6 Мбайт, повысили тактовую частоту с 10 до 50 МГц, улучшили быстродействие в 16 раз и добились понижения цены на базовый кристалл* примерно в 4 раза.

По сравнению с восьмиразрядными однокристальными микроконтроллерами, данное микроконтроллерное семействопозволяет существенно расширить область применения встраиваемых микроконтроллеров в первую очередь за счет более высокой скорости и точности вычислений , а также за счет использованиярасположенных на кристалле новых периферийных устройств, обеспечивающихболее высокую скорость обработки сигналов в управляющей системе и более высокую надежность функционирования системы.

Микроконтроллеры 80C196 фактически стали индустриальным стандартом для 16-разрядных встроенных систем управления, обеспечивая сочетание высоких технических показателей и экономической эффективности. Например, именно благодаря этим микроконтроллерам, установленным в системе управления зажиганием, специалистам концерна Ford удалось существенно снизить потребление топлива, уменьшить выбросы вредных веществ и одновременно повысить скоростные характеристики своих машин.

7.1.1.Структура микроконтроллера.

Микроконтроллеры семейства MCS-96 являются микропроцессорными устройствами синхронного типа. Выполнение всех действий в микроконтроллере привязано во времени к тактовым сигналам, вырабатываемым внутренним генератором тактовых импульсов. Частота следования тактовых импульсов стабилизируется с помощью внешнего кварцевого резонатора. Высшее значение тактовой частоты (F max) у микроконтроллеров разных типов может иметь значение 10, 12, 16 и 20 Мгц.

Основными функциональными частями микроконтроллера являются процессор, память и периферия (набор периферийных устройств).

В состав процессора входят арифметико-логическое устройство (АЛУ, ALU) и регистровое оперативное запоминающее устройство (РОЗУ, RRAM).

АЛУ В отличие от микроконтроллеров других семейств АЛУ микроконтроллера семейства MCS-96 не имеет регистра-аккумулятора. В качестве регистра-аккумулятора может использоваться любой регистр

РОЗУ.

На частоте 16 МГц АЛУ выполняет 2 млн. оп/с при выполнении элементарных операций над знаковыми/беззнаковыми данными длиной 1 или 2 байт. Для этих чисел имеются также и операции умножения и деления (быстродействие: 580 тыс. умножений/сек, 330 тыс. делений/сек).

РОЗУ у микроконтроллеров разных типов может содержать 232, 360, 488 или 1000 восьмиразрядных регистров. Регистры РОЗУ используются для хранения только данных.

Память представлена постоянным запоминающим устройством (ПЗУ, ROM). У микроконтроллеров некоторых типов в состав памяти входит оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, RAM). Ячейки памяти в ОЗУ и ПЗУ могут использоваться для хранения данных и команд программы.

ПЗУ у контроллеров разных типов может содержать 8К, 12К, 16К, 24К или 32К восьмиразрядных ячеек памяти. В ПЗУ имеется область, предназначенная для хранения специальных данных (векторы прерывания, ключ защиты ПЗУ и другие специальные коды).

ОЗУ у контроллеров разных типов может иметь 128, 256 или 512 восьмиразрядных ячеек памяти. При использовании ОЗУ для размещения команд программы открывается возможность выполнять модификацию команд в процессе выполнения программы.

Процессор обращается к памяти через контроллер памяти (КП, МС). Через контроллер памяти осуществляется также обращение к внешней памяти, реализованной с помощью микросхем ОЗУ и ПЗУ. Контроллер памяти позволяет при одном обращении к памяти считывать или записывать как восьмиразрядные, так и шестнадцатиразрядные коды.

Максимальный суммарный объем внешней и внутренний памяти (без РОЗУ) у микроконтроллеров большинства типов составляет 64Кх8 бит. У микроконтроллеров подсемейства NT суммарный объем памяти может быть доведен до 1 Мх8 бит. Микроконтроллеры, в обозначении типа которых на втором месте стоит цифра 0 (Х=0), не имеют внутреннего ПЗУ. Его функции реализуются с помощью микросхем ПЗУ, входящих в состав внешней памяти.

ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА МИКРОКОНТРОЛЛЕРА семейства MCS-96 по выполняемым функциям могут быть отнесены к одной из шести групп:

1.устройства ввода и вывода данных, представленных многоразрядными двоичными кодами;

2.устройства ввода и вывода отдельных дискретных сигналов (включено-выключено);