--- # System prepended metadata title: 2nd小考 tags: [microcomputer, note, thu] --- # 2nd小考 ###### tags: `microcomputer` `note` `thu` {%hackmd theme-dark %} ## ***CH7*** ## MCS-51內部功能 ![](https://i.imgur.com/kf9AU4I.png) ### 外部程式記憶器與外部RAM 使用程式位址暫存器作為記憶器位址暫存器(RAM) I/O埠0與2作為位址與資料匯流排 ### 使用PSEN、RD、WR控制線 區分目前存取的記憶器為程式記憶器((PSEN啟動)或是資料記憶器((RD)或(WR)啟動) ## CPU時序 ### 機器週期 一個機器週期(machine cycle)=12個時脈週期(clock cycle) =>分為6個狀態，稱為S1~S6 =>每個狀態由2個clock cycle組成，稱為phase 1 (P1)與phase 2 (P2) P1:算術與邏輯運算動作，P2:內部暫存器的轉移 ALE(Address Latch Enable): 位址栓鎖訊號，用於外部記憶體讀寫。 CPU在每一個機器週期的S1(S1 P2)與S4(S4 P2)狀態時 產生2個時脈週期的ALE訊號。 ### 指令長度 1位元組(INC A) 2位元組(ADD A,#data) 3位元組(CJNE A,direct,disp8) 指令執行時間為1到2個機器週期 MUL與DIV為4個機器週期 ![](https://i.imgur.com/d5iXUbK.png) ## 硬體介面 ![](https://i.imgur.com/wL0gbn5.png) ### 支援接腳: Vcc與GND(電源)、XTAL1、XTAL2(時脈輸入)、RST(reset) ### 4個並列I/O埠 ***I/O埠0(P0.7~P0.0，雙向，8位元):*** 輸出埠時，每一個接腳可以吸取8個TTL的輸入電流 輸入埠時，每一個接腳可當作高阻抗輸入端使用 存取外部程式或資料記憶器時，多工的低序位元組的位址匯流排與資料匯流排，且具有內部提升電路，將其提升到高電位 ***I/O埠1(P1.7~P1.0，雙向，8位元):*** 輸入埠，寫入1於I/O埠1接腳的門閂電路後，每一個I/O接腳均由內部的提升電阻器提升到高電位 輸出埠，每一個I/O接腳可以吸取或供給4個TTL的輸入電流 ***I/O埠2(P2.7~P2.0，雙向，8位元):*** 輸入埠，每一個I/O接腳在外部電路為低電位時，輸出𝐼_𝐼𝐿(內部有提升電路連接到電源) 輸出埠，每一個I/O接腳可以吸取或供給4個TTL的輸入電流 ***I/O埠2(P2.7~P2.0，雙向，8位元):*** 存取外部程式記憶器或是使用16位元的位址(MOVX @DPTR)存取外部RAM時，為高序位元組的位址匯流排 ***I/O埠3(P3.7~P3.0，雙向，8位元):*** 輸出埠，每一個I/O接腳可以吸取或供給4個TTL的輸入電流 輸入埠，每一個I/O接腳在外部電路為低電位時，輸出𝐼_𝐼𝐿(內部有提升電路連接到電源) 具備另一組副功能:規劃(寫入資料於程式記憶器或快閃記憶器)內部程式記憶器時，也當作某些控制信號的輸入端 I/O埠3的副功能 : ![](https://i.imgur.com/lKoCCPk.png) ## 記憶器介面 ### 可使用$\overline{(RD)}$與$\overline{(WR)}$直接存取64k($2^{16}$)位元組的外部RAM及使用$\overline{(PSEN)}$存取到64k($2^{16}$)位元組的程式記憶器 ### MCS-51為一個8位元系統，當其存取記憶器的資料時，每次均為一個位元組 * 位址匯流排為16位元(A15~A0) * 資料匯流排為8位元(D7~D0) 為將所有位址匯流排信號接腳、資料匯流排信號接腳、控制信號包裝在標準的PDIP內 低序的8條位址匯流排與資料匯流排以多工方式輸出 位址匯流排與資料匯流排與I/O port 0 和 2重疊使用相同的接腳 ***($\overline{EA}$)(External access，輸入)(低電位啟動):*** 只使用外部的程式記憶器，提供0000H~0FFFFH空間，接到低電位 接高電位時，同時使用內部與外部程式記憶器 ***($\overline{RD}$)(Read，輸出)(低電位啟動):*** 啟動時，表示MCS-51欲自資料匯流排(即記憶器或IO裝置中)中，讀取資料 ***($\overline{WR}$)(Write，輸出)(低電位啟動):*** 啟動時，寫入資料於資料匯流排中。當為低電位時，CPU的資料匯流排中含有正確的資料 ***($\overline{PSEN}$)(program store enable，輸出)(低電位啟動):*** 啟動時，指示正在讀取外部程式記憶器中的資料 每一個機器週期中均啟動兩次 ***若維持在不啟動的狀態*** 讀取內部程式記憶器中的資料 ***ALE(address latch enable，輸出):*** 指示MCS-51的位址/資料匯流排上的資料為成立的位址資料。 ### ALE相關: #### 正常指令執行期間(不存取外部RAM時)，持續輸出一個頻率為1/6系統時脈的脈波(可當作外部的時序信號或是時脈) #### MOVX存取外部RAM時，第2個機器週期中，ALE只輸出一個脈波 #### 若不希望ALE持續輸出脈波 * 設定SFR中的8EH位置的位元0之值為1 * 只在MOVX或是MOVC執行時，才啟動而輸出適當的脈波 * 從高阻抗電路提升為高電位 ### 中斷控制 #### 包含一個兩層次導向性優先權中斷系統 位於程式記憶器最底端的48個位元組$\overline{(INT0)}$、 $\overline{(INT1)}$ #### $\overline{(INT0)}$ (P3.2)與$\overline{(INT0)}$ (P3.3)(低電位啟動，輸入):可抑制式中斷輸入線 當兩信號為低電位時，且IE暫存器中對應的位元與EA位元值均為1時 CPU完成目前的指令執行後，將認知此中斷，並產生一個中斷程序 ### 內部記憶體規劃 #### 內部含有0k~64k位元組的快閃記憶器或是EEPROM 包含規劃內部程式記憶器的相關控制信號與電路 ALE/$\overline{PROG}$ 與 ($\overline{EA}$)/$V_{pp}$ ALE/$\overline{PROG}$ (Program，輸入) :規劃內部程式記憶器時，由此接腳加入規劃脈波 $\overline{EA}$/$V_{pp}$(Program，輸入) :規劃內部程式記憶器時，此信號必須接於$V_{pp}$ ## 晶片模組 ### 單一模組 ![](https://i.imgur.com/QIIjvlN.png) ### 擴充(多重) ![](https://i.imgur.com/wxV6raE.png) ## 記憶器類型 ### 提供獨立的資料記憶器與程式記憶器位址空間，各為64k位元組 * **內部程式記憶器與內部RAM** 用於需要小容量的資料記憶器之系統中，容量由8k到64k位元組不等 * **內部程式記憶器與外部RAM** 需要大容量的資料記憶器中，程式記憶器8k~64k位元組不等，容量最多為64k位元組 * **外部程式記憶器與外部RAM** 外部程式記憶器通常使用EEPROM或是快閃記憶器。有時也使用SRAM，以方便程式的下載與測試。外部RAM與程式記憶器容量最多個為64k位元組 * **內部程式記憶器與外部RAM及外部程式記憶器** 內部的程式記憶器儲存監督程式，而外部的程式記憶器儲存應用程式。外部RAM與程式記憶器可合併成一個SRAM ### RAM SRAM(6264: 8k* 8；62256: 32k* 8) 於SRAM中，若只有一條讀取與寫入控制輸入線時，標示為R/$\overline{W}$ 若被選取($\overline{CE}$為低電位) : R/$\overline{W}$ =1，讀取，R/$\overline{W}$ =0，寫入 讀取與寫入控制信號各別使用一條輸入線，標示為$\overline{OE}$ 與 $\overline{WE}$ ### SRAM元件被選取時 $\overline{(OE)}$ =0，讀取， $\overline{(WE)}$ = 0，寫入 兩者皆為1時，沒有任何動作 資料輸出端為高阻抗狀態 6246具有兩條晶片選擇輸入線($\overline{CE1}$ 與CE2)、各自的讀取與寫入控制輸入線($\overline{(OE)}$、$\overline{(WE)}$) 62256只有一條晶片選擇輸入線($\overline{(CE)}$ 與 $\overline{(OE)}$，$\overline{(WE)}$ ### SRAM記憶器接腳分佈: ![](https://i.imgur.com/aAsxisB.png) #### MCS-51的低序位元組與資料匯流排，是由I/O埠0以多工的方式依序輸出，必須使用門閂電路(74LS373)，藉著ALE控制信號鎖住低序位元組的位址 ### 外部資料記憶器: ![](https://i.imgur.com/pPiOMn3.png) 讀取週期中，由於$\overline{(WE)}$均保持在高電位，記憶器元件的$\overline{(WE)}$輸入端為高電位 * $\overline{(OE)}$輸入端由於$\overline{(RD)}$信號的加入而為低電位 * 若其$\overline{(CE1)}$輸入端也為低電位，該記憶器元件被致能，而輸出由位址線定址的記憶器位元組資料於資料匯流排上 寫入週期中，由於$\overline{(RD)}$信號均保持在高電位，記憶器元件的$\overline{(OE)}$輸入端為高電位，其輸出緩衝器處於關閉狀態 $\overline{WE}$輸入端由於$\overline{(WR)}$信號的加入而為低電位 * 若$\overline{(CE)}$輸入端也為低電位，該記憶器元件的寫入電路被致能 * 寫入資料匯流排上的資料於由位址線指定的記憶器元件位致中 ### 快閃記憶器 ![](https://i.imgur.com/ROCdnAj.png) #### 快閃記憶器接腳分布 ![](https://i.imgur.com/bLZx2Ak.png) #### SRAM 記憶器組織 ![](https://i.imgur.com/fGT9I9a.png) ### 外部程式記憶器 ![](https://i.imgur.com/7Kngto9.png) --- ## ***CH8*** ## **中斷與處理** ## 主要應用 * 協調I/O動作與處理 * 偵測軟體程式執行時，可能產生的意外情況 * 偵測硬體電路的意外狀況 * 提供使用者存取系統資源的管道 * 提供危機性事件的處理 * 提醒CPU定時的處理某些例行性程式 ## 中斷類型 ### 內部中斷(internal interrupt, TRAP) 1. CPU內部的硬體電路產生的中斷 1. 大部分16或32位元的微處理器中，當CPU內部發生異常的事件(除以0或執行一個不合法的指令)，都會產生一個硬體中斷 1. CPU轉移控制權到一個預定的ISR，做一些應急的處理 1. 例外(exception)或是TRAP * MCS-51並未提供，只有ARM或x86/x64 #### 軟體中斷(software interrupt) 1. CPU執行一個軟體中斷指令產生的中斷 1. 大部分16或32位元的微處理器，通常提供一種特殊的軟體指令 1. 程式的控制權轉移之用 1. 指令執行後，CPU即產生一個中斷程序，而執行相關的ISR * MCS-51並未提供，只有ARM或x86/x64 ### 外部中斷(external interrupt) #### 可抑制式中斷(maskable interrupt) 中斷信號可以被擋住(抑制)，令CPU不對其採取任何行動 * MCS-51與x86/x64 #### 不可抑制式中斷(nonmaskable interrupt) 中斷信號產生後，CPU必然會對其採取因應措施(行動) * x86/x64中的NMI (non maskable interrupt) **CPU在認知一個中斷後，即暫時中止目前正在執行的程式，而進入中斷服務程式繼續執行指令，以處理中斷需求的動作。** #### 導向性中斷(vectored interrupt) 一個中斷的中斷服務程式(ISR)的起始位址，需要由產生該中斷的來源I/O裝置，提供一些(位址)資料 * x86/x64微處理器中的INTR #### 非導向性中斷(nonvectored interrupt) 1. 一個中斷的中斷服務程式(ISR)的起始位址，只由CPU內部自行決定時 1. 每一個中斷的中斷服務程式的起始位址，在設計CPU時已經事先設定為固定的位址。 * MCS-51中的所有中斷和x86/x64中的NMI ## CPU對中斷的反應 ### 中斷輸入控制線的輸入信號是否會被CPU認知 * 中斷致能旗號IE(interrupt enable flag)(EA, enable all) * IE=0，不管該中斷輸入線是否有中斷信號產生，CPU皆不會認知此中斷 * IE=1，CPU才會認知該中斷 ### 為了簡化CPU內部的硬體設計與指令執行的完整性， * 目前指令執行週期結束，才會認知一個中斷 ### CPU對中斷的反應 * 目前指令執行週期結束 * IE=1(對可抑制式中斷而言) * 有中斷信號發生 #### 導向性中斷: ![](https://i.imgur.com/Jpc15nD.png) 1. ***導向性中斷*中，當CPU認知一個中斷及送出中斷認知信號後，即自動地由資料匯流排中，讀取一個位元組的資訊** * 中斷向量(interrupt vector)或中斷類型(interrupt type) * 決定ISR的起始位址 2. **中斷向量內容可以為** * 單位元組的指令(Z80中的RST) * 中斷向量表的指標(x86/x64) * 由微處理器的類型與工作模式而定 3. ***非導向性中斷*** * CPU認知一個中斷後，自動由內部硬體取得對應的中斷向量 * 決定ISR的起始位址 * MCS-51中的所有中斷均屬於此類型 4. **任何一個微處理器通常擁有多條中斷輸入線** * 處理每一條中斷輸入線，皆有不同的優先順序 * 中斷優先權(interrupt priority) * 每一條輸入線相當於一個優先權層次(interrupt level) 5. **每一條輸入線皆可被外部I/O裝置用來要求中斷服務** * 較低層次的中斷服務程式可以被另外一個較高層次的中斷所中斷 * 多層次(multilevel)中斷系統 6. **x86/x64，有兩條中斷輸入線(NMI與INTR)** * NMI有較高的優先權 7. **MCS-51中，一共有5個中斷來源** * 由中斷優先權(IP)暫存器動態地分成高、低兩種不同的優先權層次 * 相同優先權群中的中斷不能被另外一個中斷所中斷 ### MCS-51中斷結構 #### MCS-51在取樣中斷後 * CPU檢查高、低兩個優先權中斷群中的中斷 * 事先設定好的輪呼次序，決定目前可以被服務的中斷，提供服務 * 輪呼次序是固定的，但優先權可以選擇為高或低 * 優先權由IP暫存器與輪呼共同決定 ![](https://i.imgur.com/jN9aHy7.png) ### 中斷來源控制 #### 外部中斷輸入線可由定時器控制暫存器(time control register) 中的位元IT0與IT1規劃成位準偵測(Level sensitive) 或負緣偵測(negavite edge sensitive) #### ITx(x=1/0)為0時，$\overline{INTx}$為低位準偵測，ITx為1時，為負緣偵測 #### 負緣偵測時，外部中斷$\overline{INTx}$的信號上升為高電位的一個週期，然後下降為低電位的一個機器週期 * TCON暫存器中的中斷旗號位元IEx為1，產生中斷 * IEx在CPU進入對應中斷服務程式後，即自動被清除為0 #### 位準偵測時，$\overline{INTx}$的信號必須持續啟動(維持在低電位)直到該中斷被認知為止 * 恢復為不起動狀態，否則將再度產生中斷 * 中斷旗號位元的值與$\overline{INTx}$的反向值相同 #### 當定時器/計數器0與1(定時器0模式3除外)計時終了或計數溢位時 * 對應的中斷旗號位元TFx即設定為1，因而產生中斷 * CPU進入對應中斷服務程式後，即清除該中斷旗號位元TFx為0 #### 在串列埠中，TI(transmit interrupt)與RI(receive interrupt)共用一個中斷。 * 進入中斷服務程式後，必須判別是TI或RI產生的中斷，以提供適當的服務 * TI與RI必須由中斷服務程式清除 #### MCS-52，定時器2的中斷由TF2或EXF2產生 * 判別是TF2或EXF2產生的中斷 * 由中斷服務程式清除 #### 均可由軟體設定為1，以產生中斷，或是清除為0，清除任何懸置尚未服務的中斷 ![](https://i.imgur.com/RELEFdE.png) ### 中斷智能暫存器 * 全體致能(Enable all, EA)位元控制所有中斷的產生與否 * EA為一般微處理器中的中斷致能(IE) * 當EA為0，所有中斷均不被接受 * EA為1，一個中斷的接受與否，尤其各別的控制位元決定 #### 暫存器控制功能 1. ES (enable serial port) >> 串列通訊埠 1. ET1 (enable timer 1) >> 定時器1 1. EX1 (enable external interrupt 1) >> 外部中斷輸入$\overline{INT1}$ 1. ET0 (enable timer 0) >> 定時器 0 1. EX0 (enable external interrupt 0) >> 外部中斷輸入$\overline{INT0}$ #### 其值為0:抑制中斷 ； 其值為1:致能中斷 #### ET2(enable timer 2)為MCS-52的定時器2的中斷控制位元 ![](https://i.imgur.com/Wm8oIGM.png) ### 中斷優先權暫存器 #### MCS-51中的每一個中斷來源，均可以依據IP的內容，規畫為高優先權中斷群或是低優先權中斷群 #### 中斷優先權暫存器中的每一個位元對應一個中斷來源 * PT2(MCS-52的定時器2) * PS(串列通訊埠) * PT1(定時器1) * PX1(外部中斷輸入$\overline{INT1}$) * PT0(定時器0) * PX0(外部中斷輸入$\overline{INT0}$) **當其值為0，對應來源歸入低優先權；其值為1，對應來源歸入高優先權** #### 低優先權中斷群中的中斷 * 可被高優先權中斷群中的中斷所中斷 * 不會被另一個低優先權中斷群的中斷所中斷 #### 高優先權中斷群中的中斷，則不會被任何其他的中斷所中斷。當有2個或多個中斷來源同時產生 -> 高優先權的中斷將被認知(依據事先設定好的輪呼次序) #### 輪呼次序為$\overline{INT0}$(優先權最高)->定時器0->$\overline{INT1}$->定時器1->串列通訊埠->定時器2->(優先權最低) #### MCS-51/52提供2個層次的中斷優先控制 1. 中斷優先權暫存器決定 1. 輪呼次序 ![](https://i.imgur.com/4lW4fLa.png) ## 中斷處理 ### 中斷處理程序 #### 於每一個機器週期的S5P2時 * 取樣中斷旗號位元 * 其次的機器週期執行輪呼動作，選取一個中斷提供服務 * MCS-52的定時器2的TF2在S2P2設定，並且在產生設定時器溢位的同一個機器週期中，執行輪呼動作 #### 認知一個中斷後，若無下列一個狀況發生時，CPU即執行一個硬體的LCALL副程式呼叫動作，跳到ISR中執行，並抑制相同優先權層次的其他中斷產生中斷，稱為 ***中斷處理程序(中斷程序)*** * 已經有一個較高或是相同優先權層次的中斷服務程式正在執行 * 目前的輪呼動作不是在一個執行中的指令的最後一個週期 * 目前正在執行中的指令為RETI指令或是任何寫入IE或是IP暫存器的指令 #### 三條件中任一情況發生時: 暫停產生硬體的LCALL副程式呼叫動作 #### 狀況2: 確保在進入一個中斷服務程式之前，已經完成目前正在進行中的指令之動作 #### 狀況3: 確保在進入一個ISR之前，若目前正在進行中的指令為RETI或是任何寫入IE或IP暫存器的指令時，至少能在繼續執行一個指令。 * **輪呼動作** -> 每一個機器週期均重複一次 * 一個中斷旗號啟動後，因上述狀況而其ISR無法被執行，並且在狀況解除之後，該中斷旗號也不再啟動時，該中斷將不被服務。 * 每一個中斷向量皆**配置8個位元組** -> 較複雜的應用中，ISR多於8個位元組，可以在此位置上置放一個LJMP指令 ![](https://i.imgur.com/SXAIPO5.png) ### 中斷遲滯時間 * 中斷的需求產生到進入ISR，開始執行指令的時間 * 關鍵的因素 ![](https://i.imgur.com/hY436Nh.png) #### 當進入一個ISR後，除非被中斷的程式至少執行一個指令，否則將不再進入該ISR * 利用此一特性，MCS-51可以單步執行指令，其做法為設定$\overline{INT0}$為位準啟動方式，並設定該ISR為: ![](https://i.imgur.com/n5NhwsE.png) #### 若$\overline{INT0}$(P3.2)正常為低電位 * CPU 進入$\overline{INT0}$ISR，等待$\overline{INT0}$上升為高電位，然後下降為低電位 * 接著執行RET1指令，回到程式中執行一個指令，再進入$\overline{INT0}$ISR，重複上述動作。 #### 每一個$\overline{INT0}$的高電位脈波將促使程式執行一個指令 ### 中斷服務程式 #### ISR的結構與副程式的結構類似 * 運用CALL呼叫副程式，RET則由副程式回到主程式 #### CPU認知一個中斷後，呼叫該中斷的ISR * ISR欲回到主程式，使用RET ![](https://i.imgur.com/uCK6VIQ.png) #### 設計一個ISR，需遵守下列三步驟: ***撰寫ISR*** 1. 在中斷向量表中的適當位置內填入ISR，或是在該位置中填入LJMP指令，使其跳到ISR中執行 1. 若需要，設定IP暫存器 1. 設定適當的中斷致能位元 ![](https://i.imgur.com/zBTTzdP.png) ### 巢路中斷 ![](https://i.imgur.com/ju6pmuT.png) $\overline{INT1}$產生中斷，中斷向量為13H ### 系統重置 #### 系統重製為讓CPU回到一個已知的初始狀態 * 恢復內部的SFR內容為預先設定的值，然後重新執行開機程式 #### 功率控制為適當管理功率消耗(Power consumption) * 在一特定的應用中，僅需最小的功率消耗 #### 如何重置MCS-51系統? * 啟動RST信號完成 * 時脈信號啟動後，RST設為高電位，且延續兩個機器週期以上時，即系統重置。 #### SFR的初值 * PC、ACC、暫存器B、DPTR & PSW均清除為0。(CPU由0000H位址開始執行指令) * SP設為07H * I/O port設為0FFH * IP為xxx00000B，IE為0xx00000B (MCS-51) * IP為xx000000B，IE為0X000000B (MCS-52) * 定時器暫存器與SCON均清除為0，SBUF則為未定值(xxH) * PCON為0xxx0000B ### 電源控制 ![](https://i.imgur.com/wWhsVIm.png) ![](https://i.imgur.com/NYf16TV.png) ![](https://i.imgur.com/jVEmfmB.png) ### ***Author: TMWF***