Микроконтроллер AT89C2051.

Глава 13. Структурная схема микроконтроллера.

В предыдущих главах мы рассмотрели общие принципы построения микропроцессорных систем. Дальнейшее обучение целесообразно проводить на примере конкретного микропроцессора. И так, что же такое AT89C2051. Это представитель семейства однокристальных микроконтроллеров американской фирмы Atmel.

Микросхема выполнена в стандартном DIP – корпусе и имеет 20 выводов. Основное достоинство рассматриваемого микроконтроллера – это совместимость по системе команд с широко распространенной микросхемой фирмы Intel - MCS-51 (советский аналог 1816ВЕ51). Разработчики ставили задачу создать микросхему, максимально совместимую со своим аналогом, но при этом имеющую меньшие габариты и более удобную в применении. Для этого они отказались от одного из портов ввода/вывода, отказались от всех режимов, требующих внешних микросхем обвязки, встроили тактовый генератор в корпус контроллера и применили в качестве памяти команд электрически перепрограммирываемое ПЗУ, что дало возможность очень быстро и легко перепрограммировать микросхему.

Применение системы команд популярного в свое время микропроцессора, позволяет использовать для создания и отладки программ уже существующие инструментальные программные средства.

Программы для микропроцессоров разрабатываются с использованием компьютеров. При этом применяются другие программы, помогающие в разработке первых. Программы, которые мы разрабатываем, называются прикладными программами. А те, при помощи которых мы это делаем, называются инструментальными.

К достоинствам микросхемы AT89C2051 относится наличие режима защиты программы, зашитой» в память программ микросхемы от несанкционированного копирования.

Перечисленные выше достоинства, а так же достаточно низкая стоимость ($1,5) и послужили причиной выбора именно этого процессора для разработки позиционера.

На рисунке 31 приведена структурная схема микроконтроллера AT89C2051. Рассмотрим основные элементы схемы. Схема очень напоминает типовую схему микропроцессорной системы (рис. 28). Но имеются и существенные различия, связанные с тем, что вся эта схема находится внутри одной микросхемы.

Итак попорядку:

ППЗУ программ. Встроенное перепрограммируемое ПЗУ объемом 2 Килобайта. Выполнено по технологии электрически стираемого ПЗУ (так называемая Флэш-память).  В эту память записывается программа, по которой микроконтроллер начинает работать после включения питания и окончания сигнала сброса. Программирование ППЗУ программ производится при помощи специального устройства - программатора. Программатор последовательно, байт за байтом записывает программу в ячейки ПЗУ, начиная с первой. На техническом жаргоне это называется «прошить ПЗУ». Технология флэш-памяти допускает перепрограммирование, то есть повторную запись. Для этого информацию в ППЗУ сначала стирают. Для стирания используется повышенное напряжение 12 вольт. При этом напряжение питания микросхемы от 2.7 до 6 вольт (обычно оно равно 5 вольтам). Программатор может так же произвести стирание ППЗУ программ. При этом происходит стирание сразу всей записанной информации. В стертое ППЗУ программ можно «зашивать» новую программу.  Допускается: 1000 циклов записи/стирания.

При помощи того же программатора можно читать записанную в ППЗУ программ информацию. Этот режим введен для контроля правильности прошивки.

Рис. 31.

Для того, что бы исключить возможность несанкционированного чтения информации и незаконного дублирования, в микросхеме применена двухуровневая блокировка памяти программ. При помощи все того же программатора, в любой момент можно прошить один или два бита защиты. После прошивки первого бита блокируется возможность допрограммировать ППЗУ программ. При прошивке второго бита становится невозможным и чтение. Схему повторить всегда можно. А вот программу, придется создавать самому. Прочитать и затем тиражировать ее не удастся. Биты защиты очищаются в процессе стирания ППЗУ программ.

ОЗУ данных. Используется для хранения оперативных данных. Оно имеет 128  восьмиразрядных ячеек памяти. Как и в большинстве однокристальных микроЭВМ, микросхема AT89C2051 применяется принцип совмещения ОЗУ данных с регистрами общего назначения процессора и портами ввода/вывода. Подробнее об этом мы поговорим в последующих главах. Внешняя память данных, в отличии от аналога (MCS-51), в рассматриваемой микросхеме не применяется.

Порты P1 и P3. Это два восьмиразрядных порта ввода/вывода. Они имеют названия P1 и P3 потому, что в микросхеме – оригинале (MCS-51) имелось четыре порта ввода/вывода. Поставив перед собой задачу, сократить количество выводов до 20, конструкторы были вынуждены сократить количество портов ввода/вывода. В связи с этим были исключены порты P0 и P2. Кроме того, порт P3 теперь не полный. Линия P3.6 не выходит не на один из внешних выводов микросхемы и используется, как вход для сигнала от встроенного аналогового компаратора.

АЛУ. Арифметико-логическое устройство. Оно заменяет здесь центральный процессор. Дело в том, что АЛУ и есть центральный процессор в чистом виде. Без внутренних регистров и других вспомогательных элементов, функции которых в данном случае распределены между другими устройствами системы. Внутренние регистры, например, совмещены с ОЗУ данных.

Таймеры. В микросхеме имеются два встроенных 16-разрядных таймера/счетчика Т1 и Т2. Они могут использоваться программистом для задания любых интервалов времени. Причем счетчик T1 имеет режим работы, при котором он делится на два 8-разрядных таймера, которые могут работать по отдельности. Можно программно запустить и остановить любой из счетчиков. Счетчики могут работать как в режиме отсчета временных интервалов (в этом случае они считают импульсы внутреннего тактового генератора), так и в режиме подсчета внешних импульсов. В позиционере спутниковой антенны используются оба таймера. Один из них задает период динамической индикации, а второй используется для формирования временных интервалов, системы распознавания сигналов дистанционного пульта управления. При этом оба счетчика работают в режиме отсчета времени.

Последовательный канал. Это канал специального типа для последовательной передачи информации по одной линии (бит за битом по одному проводу). В любом компьютере имеются обычно два последовательных интерфейса. К одному из них часто подключается манипулятор «мышь». А второй предназначен в основном для подключения  модема. Именно такой канал и реализуется в микросхеме. В позиционере спутниковой антенны данный канал не применяется.

Встроенный контроллер прерываний. Способен обрабатывать шесть источников прерываний. Два источника – это внешне входы для запросов на прерывание. Следующие, два входа – это прерывания от первого и второго счетчиков/таймеров. Прерывание по этим входам происходит тогда, когда соответствующий счетчик/таймер досчитает до нуля (счетчик работает в режиме обратного счета). И, наконец последние два источника прерывания – это прерывания от последовательного канала ввода/вывода. Один от передатчика этого канала. Он срабатывает в тот момент, когда процесс отправки очередного байта закончился. И один от приемника. Срабатывает, когда приемник принял очередной байт.

Аналоговый компаратор. Обычный компаратор аналоговых сигналов. На его выходе появляется сигнал лог. 1, когда напряжение на входе «+» превысит напряжение на входе «-».

Внутренняя системная шина. По устройству и назначению полностью аналогична системной шине стандартной микропроцессорной системы.

Рис. 32.

На схеме рис. 31 не показан один важный элемент: встроенный тактовый генератор. На рисунке 32 показана блок-схема генератора с внешними навесными элементами, которые необходимо подключить к микросхеме для ее нормальной работы. Внешними элементами являются кварцевый резонатор, определяющий частоту тактового генератора и две согласующие емкости.

Схема генератора построена таким образом, что допускает синхронизацию от внешнего тактового генератора. При включении микросхемы в таком режиме, кварцевый генератор и согласующие емкости не устанавливаются, а на вход XTAL1 подается тактовый сигнал от внешнего генератора.

Микросхема AT89C2051 относится к полностатическим системам. Это означает, что частота тактового генератора может изменяться от 0 Гц от 24 МГерц. И во всем этом диапазоне частот микросхема сохраняет полную работоспособность. Из схемы рис. 32 видно, что сигнал внутреннего тактового генератора поступает на делитель, который делит тактовую частоту на шесть. И уже этот сигнал и служит для синхронизации всех внутренних цепей микроконтроллера. Наличие делителя - один из недостатков данной микросхемы. При максимально возможной тактовой частоте кварца в 24 МГц, микроконтроллер фактически работает на частоте в 4 МГц. Такое схемное решение обусловлено требованиями совместимости с микросхемой MCS-51. Но не смотря на такой недостаток, для многих применений, таких, как, например позиционер спутниковой антенны, быстродействия микроконтроллера AT89C2051 вполне хватает.

На правах рекламы:

Данный текст является самым первым черновиком моей книги. В начале 2016 года вышло в свет самое новое издание самого последнего варианта книги, в котором все обучение доведено до логического конца. После уроков по цифровой технике и булевой алгебры, главы посвященной устройству микропроцессорной системы и описания конкретной серии микроконтроллеров (AVR фирмы Atmel) в новой книге вы найдете подробный курс по самостоятельной разработке схем микроконтроллерных устройств и программ к ним. Подробнейшим образом разбирается каждый шаг разработки, каждая строчка программы.

Подробнее смотрите на главной странице этого сайта.