Bloková štruktúra mikropočítača Intel 8051

1. Bloková štruktúra mikropočítača Intel 8051

2. ROM RAM Styková jednotka Magnet. pamäť adresová zbernica dátová zbernica riadiaca zbernica Vstupná jednotka Výstupná jednotka Hodiny Bloková schéma CPU

3. CPU • CPU (central processor unit) – centrálna procesorová jednotka slúži na vykonávanie inštrukcií a riadi činnosť počítača • CPU=ALJ + RJ • CPU potrebuje k svojej činnosti tzv. hodiny, ktoré udávajú taktovaciu frekvenciu, teda počet impulzov za sekundu, počas ktorých dokáže CPU vykonať práve jednu operáciu

4. Pamäte • Mikropočítač Intel 8051 má dva typy pamätí: • ROM – read only memory, nazýva sa tiež riadiaca pamäť a obsahuje inštrukcie, ktoré má vykonať procesor • RAM – random access memory, nazýva sa tiež pamäť dát a obsahuje dáta, ktoré vstupujú do výpočtu, resp. z neho vystupujú

5. RAM • Pamäť RAM sa skladá z registrov - t.j. voľných pamäťových miest. Keďže procesor je 8-bitový, aj jeho registre sú 8-bitové. Pamäť RAM uchováva dáta privedené do procesora cez I/O linky alebo porty a dáta vypočítané procesorom. Na to slúži časť pamäte RAM označená ako FREE RAM.  • Druhá časť označená ako SFR (Special Function register - špeciálne funkčné registre) obsahuje takisto 8-bitové registre, ale ich obsah, ktorý takisto užívateľ programovo napĺňa, priamo vplýva na chovanie sa procesora a nastavuje sa nimi režim činnosti mikroprocesora.  SFR špeciálne funkčné registre 128 byteov FREE RAM 128 byteov

6. SFR Oblasť SFR obsahuje 128 jedno- byteových registrov napríklad: P1 a P3 vstupno-výstupné registre, v ktorých je uložené slovo na Vstupe do mikropočítača, resp. do nich ukladáme slovo, ktoré chceme preniesť na výstup ACC – akumulátor PSW – stavové slovo

7. FREE RAM • Najčastejšie registre používané na uchovávanie dát sú registre R0 až R7. Táto sústava 8 registrov tvorí tzv. banku registrov. Užívateľ má k dispozícii 4 takéto banky registrov. Súčasne môže pracovať len s jednou bankou - ak chce načítať, alebo zapísať údaje do inej banky registrov, musí sa do nej prepnúť vhodným nastavením špeciálneho funkčného registra PSW. • Nad bankami registrov je bitovo adresovateľná oblasť - túto teda môžeme pristupovať k dátam priamo po jednotlivých bitoch. Nad bitovo adresovateľnou oblasťou je ďalšia voľná oblasť, adresovaná však už len po bytoch.

8. Vstupno-výstupné jednotky • Realizujú styk počítača s okolím • Vstupná jednotka slúži na načítanie informácií z okolia počítača, je akýmisi „očami a ušami“ počítača • Výstupná jednotka poskytuje informácie z počítača do okolia, je akýmisi „ústami“ počítača • V/V jednotky komunikujú so svojim okolím prostredníctvom elektrických signálov

9. Porty • Ako vstupno-výstupné jednotky slúžia v ČP 8051 takzvané porty • 8051 má 4 porty (P0 až P3) • Na porty je možné zapisovať údaje alebo z nich môžeme údaje čítať • Údaje, ktoré chceme zapísať/čítať zapisujeme/čítame do/z RAM (oblasť SFR), kde má každý port vyhradené svoje miesto o veľkosti 1B

10. Styková jednotka a magnetická pamäť • Magnetická pamäť je prídavná pamäť, ktorá sa dá pripojiť ako ďalšia RAM v prípade, že základná RAM nepostačuje k riadnemu chodu programu • Styková jednotka slúži na styk počítača s magnetickou pamäťou

11. Zbernice • Sú to paralelne vedené vodiče, po ktorých sa vysiela binárny kód ku rôznym častiam počítača • Podľa toho, aké signály sa vysielajú po zbernici, rozlišujeme zbernice na: • Dátovú – prenášajú sa po nej dáta • Adresovú – prenášajú sa po nej adresy • Riadaciu – prenášajú sa po nej riadiace signály

12. Dátová zbernica • Po tejto zbernici sa prenášajú dáta k rôznym zariadeniam počítača napríklad medzi pamäťou a procesorom • Podľa šírky zbernice sa počítače delia na 8,16,32,64 bitové • Počítač Intel 8051 má 8 bitovú dátovú zbernicu a preto ho zaradzujeme medzi 8 bitové počítače

13. Adresová zbernica • Vysielajú sa po nej adresy zariadení a adresy pamäťových buniek v RAM pamäti • V počítači Intel 8051 je 16 bitová adresová zbernica, ktorá dokáže „zaadresovať“ 216=65535 pamäťových buniek

14. Riadiaca zbernica • Slúži na prenos riadiacich signálov medzi zariadeniami počítača • Vysiela napríklad signály, ktoré sprístupňujú pamäť pre čítanie resp. zapisovanie alebo napr. prenos kódu inštrukcie z pamäte do inštrukčného registra

15. Púzdro a piny 8051

16. Porty P0-P3 • P0 - P3 sú tvorené špeciálnym zapojením registrov, ktoré umožňuje využívať porty oboma smermi. • Aby sme mohli prečítať vstupujúci údaj z pinu daného portu, musíme najprv na port  vyslať logickú "1". Pri reštarte počítača sa tento stav nastavuje automaticky.

17. Pin EA (External Access) • Má význam len pre I8051 a ovplyvňuje používanie CODE memory (ROM) v ktorej sa nachádza programový kód. • V prípade že EA = 0 tak sa program vykonáva iba z vonkajšej CODE pamäti. • Ak sa EA = 1 potom sa kombinuje vnútorná pamäť pre kód od adresy 0-0FFFH a externá pamäť 1000H-FFFFH. • Do prekrytej externej pamäte (internou pamäťou) sa pristupuje cez rozdielne inštrukcie.

18. ALE, PSEN*, RD*, RW* • ALE - Adress Low Enable • Pretože nižších 8 bitov adresovej zbernice sa musí deliť o port P0 s dátovou zbernicou, rieši sa to v priebehu inštrukčného cyklu tak, že najprv sa na porte objaví adresa a jej prítomnosť signalizuje signál ALE. • Ten sa využíva na zápis adresy do pomocných externých registrov. • Po odovzdaní adresy signál ALE sa vracia na pôvodnú hodnotu "1" a port P0 je uvoľnený pre dátovú zbernicu.   • PSEN*,RD*,WR*  • Sú riadiace signály, ktoré sú generované pri vykonávaní inštrukcií MOV,  MOVX a MOVC. • Spolu s Adresnou a  Dátovou zbernicou  (Porty P0 a P1) a so signálom ALE sa podieľajú na komunikácii s externou ROM pamäťou (PSEN* - čítanie) a s externou RAM pamäťou (RD*- čítanie, WR*- zápis). • Hviezdička (*) znamená, že signál je aktívny, ak je na príslušnom pine logická 0

19. Ostatné piny • INT0*, INT1* - obsluha externých prerušení • RXD, TXD – pin pre prijímanie a vysielanie údajov pri sériovej komunikácii dvoch zariadení • T0,T1 umožňujú riadiť vnútorné časovače pre synchronizáciu toku dát • VCC, GND – pin pre napájanie mikropočítača (VCC) a pre uzemnenie mikropočítača (GND)

20. Inštrukčný cyklus

21. Inštrukčný cyklus • Je to postupnosť krokov, počas ktorých procesor vyberie inštrukciu, dekóduje inštrukciu, spracuje inštrukciu a uloží výsledky vykonania inštrukcie • Po ukončení IC sa programové počítadlo zvýši o požadovanú hodnotu, najčastejšie o 1

22. Fázy inštrukčného cyklu • F (Fetch) – fáza výberu inštrukcie • D (Decode) – fáza dekódovania inštrukcie • O (Operate) – fáza výberu operandu • E (Execute) – fáza vykonania inštrukcie • S (Store) – fáza uloženia výsledku

23. Vývojový diagram IC ŠTART Vyslanie adresy inštrukcie Vykonanie inštrukcie Uloženie výsledku Prenos inštrukcie z ROM do dekódera Výber operandov Dekódovanie operačného kódu Inštrukcie Nastavenie novej hodnoty PC