Intel MCS-51

Intel MCS-51 (i8051) — сімейство мікроконтролерів, розроблених фірмою Intel 1980 року для використання у вбудованих системах. Дані мікроконтролери були досить популярними у 90-х роках, згодом їх витіснили розвиненіші аналоги фірм «Microchip Technology» і «Atmel». За рахунок вдалої реалізації мікроконтролера (вбудований УАПП, бітовий процесор i8051) велика кількість наявних на ринку мікроконтролерів має i8051 сумісні процесори, а за рахунок наявності великої кількості аналогів вивчення ядра MCS-51 є одним з перших кроків до вивчення сучасних мікропроцесорів у програмах курсів вищих навчальних закладів.

Мікроконтролер з сімейства MCS-51, Intel P8051AH (DIP корпус)

MCS-51 прийшли на заміну випущеним у 1976 році MCS-48 і на відміну від останніх мали зменшений час виконання команд (в 2,5 — 10 раз в залежності від умов експлуатації), збільшений обсяг вбудованої пам'яті, додаткові пристрої периферії, додаткові команди для програмування. За рахунок даних покращень, мікроконтролери стали зручнішими в програмуванні, дешевші в експлуатації. Наявність булевого процесора затвердила за даними пристроями галузь автоматизації виробництва, оскільки для управління часто використовуються саме полярні сигнали — ввімкнути/вимкнути двигун, запалити/вимкнути індикатор тощо.

Конструктивно, MCS-51 є однокристальними мікроконтролерами гарвардської архітектури, що виконані по n-МОН або КМОН технології. Містять у собі 8-бітний мікропроцесор i8051 з підтримкою булевих операцій над окремими бітами, до 4096 байт вбудованої пам'яті програм (доступної тільки на читання), до 256 байт вбудованої пам'яті даних (доступної на читання і запис), підтримка адресного простору у 64 Кб для пам'яті програм і 64 Кб для пам'яті даних, два-три 16-бітні таймери/лічильники, двосторонній УАПП, 32 лінії двосторонніх портів введення-виведення, генератор тактової частоти.

Існує радянський клон мікропроцесора — МК51 (КР1816ВЕ51).

Характеристика мікроконтролера

Внутрішня архітектура мікроконтролерів i8051.

Надалі буде розглядатись саме оригінальна версія мікроконтролера (якщо не обговорено інше), оскільки інші контролери принципово не відрізняються від оригінального MCS-51.

Ядро

• 8-бітовий арифметико-логічний пристрій, 8-бітові регістри
• Побітова адресація частини оперативної пам'яті
• Система команд із 111 інструкцій
• Архітектура системи команд: акумулятор

Пам'ять

• Гарвардська архітектура пам'яті
• 8-бітова шина даних
• 16-бітна шина адреси. Можливість адресації до 64 Кб пам'яті програм і до 64 Кб пам'яті даних
• 4096 байт вбудованої пам'яті програм (додаткові 60К досягаються за рахунок зовнішніх мікросхем пам'яті)
• 128 байт вбудованої пам'яті даних (додаткові 64К досягаються за рахунок зовнішніх мікросхем пам'яті)

Периферія

• 32 двосторонні однобітні лінії вводу-виводу
• Двосторонній послідовний порт
• Два 16-бітні таймери/лічильники
• Система з 5 переривань, з 2 рівнями пріоритетів
• Вбудований тактовий генератор
• Енергоощадний режим (тільки у версіях на КМОН технології)

Вбудовані пристрої

Порти вводу-виводу

Чотири 8-розрядні порти Р0…Р3 можуть використовуватися:

1. Як 8-розрядні паралельні порти введення/виведення інформації;
2. Як 32 однорозрядні лінії введення/виведення;
3. При роботі з зовнішньою пам'яттю програм і даних;
4. В режимі альтернативних функцій (8 ліній порту Р3);
5. При програмуванні та перевірці внутрішньої пам'яті програм.

Послідовний порт може бути запрограмований на один з чотирьох режимів прийому/передачі шляхом програмування розрядів SM0 і SM1 регістра SCON.

• Режим 0 — послідовний порт працює як восьмирозрядний регістр зсуву. Швидкість (частота) прийому/передачі в режимі 0 постійна і складає ${\displaystyle f_{BQ}/12}$, де ${\displaystyle f_{BQ}}$ — частота синхронізації ОМЕОМ.
• Режим 1 — прийом/передача даних здійснюється у форматі восьмирозрядного УАПП. Швидкість залежить від частоти переповнення регістра лічильника
• Режим 2 — режими 9-розрядного УАПП з постійною швидкістю обміну. Швидкість прийому/передачі програмно налаштовується на одну із двох можливих величин: ${\displaystyle f_{BQ}/32}$ або ${\displaystyle f_{BQ}/64}$
• Режим 3 — режими 9-розрядного УАПП з перемінною швидкістю обміну. Швидкість залежить від частоти переповнення регістра лічильника

Універсальний асинхронний приймач/передавач (УАПП)

Вбудований універсальний асинхронний приймач/передавач дозволяє досить просто перетворити мікроконтролер у послідовний інтерфейс вводу-виводу. За рахунок різноманітного способу підключення зовнішніх виходів напряму́ до внутрішніх регістрів зсуву і використання внутрішніх таймерів, можна реалізувати сполучення в багатьох режимах, включаючи синхронне і асинхронне. В деяких режимах можливе сполучення без використання зовнішніх компонентів. Режим сумісності з протоколом RS-485 також можливий для реалізації, проте основною перевагою ядра 8051 є можливість підстроювання до дійсних послідовних протоколів керування приладами.

Якщо УАПП (і таймер за необхідності) налаштований, то для програміста лишається написати просту процедуру переривання для заповнення регістру передачі (викликатиметься кожен раз, коли останній біт регістра передачі «віддається» УАППом) і/або очищення/збереження даних в регістрі-приймачі. Для роботи основної програми залишається тільки записувати у стек дані для відправлення і читати зі стеку дані для приймання.

Система переривань

Всього у мікроконтролера є 5 переривань:

1. IE0
2. TF0
3. IE1
4. TF1
5. TI+RI

В архітектурі 8051 коректне виконання переривання неможливе без завершення виконання попередньої команди^[1].

Програмістська модель

Архітектура пам'яті

Таблиця регістрів спеціальних функцій

Розміщення регістрів спеціальних функцій у віртуальній пам'яті мікроконтролера

Позначення	Найменування	Адреса	Поч. значення	Примітка
ACC	Акумулятор	E0H	00H	Цей регістр означає те саме, що і A при програмуванні на асемблері, проте позначення А вказує на роботу з акумулятором, а позначення ACC вказує на роботу з байтом пам'яті. Відповідно, використання мнемоніки A дозволяє скоротити довжину інструкції.
B	Регістр B	F0H	00H	Регістр використовується мікроконтролером тільки в операціях множення/ділення. В усіх інших операціях його можна використовувати як загальний регістр
PSW	Регістр стану програми	D0H	00H	Його аналог у х86 — регістр прапорців FLAGS
SP	Покажчик стеку	81H	07H
DPL	Молодший байт покажчика даних	82H	00H	Дані регістри формують один 16-бітний віртуальний регістр DPTR.
DPH	Старший байт покажчика даних	83Н	00H
P0	Порт 0	80H	FFH	Регістри-защіпки портів вводу-виводу
P1	Порт 1	90H	FFH
P2	Порт 2	A0H	FFH
P3	Порт 3	B0H	FFH
IP	Регістр пріоритетів переривань	B8H	XXX00000b
IE	Регістр дозволу переривань	A8H	0XX00000b
TMOD	Регістр режимів таймера/лічильника	89H	00H
TCON	Регістр керування таймера/лічильника	88H	00H
TH0	Таймер/лічильник 0 (старший байт)	8CH	00H
TL0	Таймер/лічильник 0 (молодший байт)	8AH	00H
TH1	Таймер/лічильник 1 (старший байт)	8DH	00H
TL1	Таймер/лічильник 1 (молодший байт)	8BH	00H
SCON	Керування послідовним портом	98H	00H
SBUF	Буфер послідовного порту	99H	Невизначено	Цей регістр, як і DPTR, є також віртуальним. При читанні замість даного регістру підставляється буфер приймача, при записі — буфер передавача. Дані буфери програмно недоступні (щоб програміст не зміг записати у буфер приймача і читати з буфера передавача), проте SBUF — доступний.
PCON	Керування енергоспоживанням	87H	n-МОН 0XXXXXXX КМОН 0XXX0000

Система команд

Приклади програм

Застосування

Листівка планетарного всюдихода Nanokhod

• Марсохід Nanokhod використовує для управління мікроконтролер TEMIC 80C154, який являє собою МК Intel 80C52 із збільшеною кількістю пам'яті програм, який в свою чергу являє собою 80С51 із збільшеною кількістю пам'яті даних і додатковим таймером.^[2][3][4]

Сімейство мікроконтролерів та аналоги

Відмінності між контролерами у межах сімейства

Мікроконтролери, засновані на ядрі 8051

• Atmel: AT89C51, AT89S51, AT83C5134
• Infineon: XC800
• NXP: NXP700 and NXP900 series
• Silicon Labs: C8051 series
• Texas Instruments: CC111x, CC24xx and CC25xx families of RF SoCs

Компілятори та емулятори MCS-51

• Small Device C Compiler (SDCC) — вільний крос-компілятор мови програмування C.

Примітки

1. Сергієнко, А. М.; та інші (2009). Деякі особливості проектування мікроконтролерів для СНК (PDF). Вісник НТУУ" КПІ": Інформатика, управління та обчислювальна техніка. (50). Архів оригіналу (PDF) за 23 січня 2022. Процитовано 2 грудня 2021.
2. Архівована копія. Архів оригіналу за 31 травня 2010. Процитовано 17 жовтня 2010.{{cite web}}: Обслуговування CS1: Сторінки з текстом «archived copy» як значення параметру title (посилання)
3. Архівована копія. Архів оригіналу за 27 жовтня 2008. Процитовано 17 жовтня 2010.{{cite web}}: Обслуговування CS1: Сторінки з текстом «archived copy» як значення параметру title (посилання)
4. http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/270/45052_DS.pdf

Посилання

• MCS^® 51 Microcontroller Family User's Manual, February 1994, Publication number 121517, Intel Corporation; PDF.