基于EDA技術(shù)的8051單片機指令系統(tǒng)剖析

MCS- 51系列單片機的指令系統(tǒng)是一種簡明高效的指令系統(tǒng)，其基本指令共有111條，其中單字節(jié)指令49條，雙字節(jié)指令4'5條，三字節(jié)指令17條。如果按功能可以講這些指令分為五類:數(shù)據(jù)傳送類(29條)、算術(shù)操作類(24條)、邏輯操作類(24條)、控制轉(zhuǎn)移類(17條)以及位變量操作類(17條)。對于反向設計而言，我們關(guān)心的不是它的各種具體指令的多少而是指令的尋址方式。所謂的尋址方式就是尋找確定參與操作的數(shù)的真正地址。MCS-51系列單片機的111條指令一共只采用了5種尋址方式。5種尋址方式以及它們的尋址空間如表1所示。

1.寄存器尋址

寄存器尋址方式可用于訪問選定寄存器區(qū)的8個工作寄存器RO-R7。由指令操作碼的低三位指示所用的寄存器，寄存器A, B, DPTR, AB和Cy位(位處理機的累加器)也可作為尋址對象。在這種尋址方式中被尋址的寄存器的內(nèi)容就是操作數(shù)。

在實現(xiàn)這類尋址方式時，確定被尋址寄存器的物理地址時關(guān)鍵。由于選定寄存器區(qū)由PSW的相關(guān)位來決定，指令的低三位又指示了具體的寄存器，所以可以用下面的VHDL語句來確定相關(guān)寄存器的物理地址:

rr_ adr<=unsigned((psw and“00011000”)or(rom_data_i and“00000111”));

其中rr_ adr表示的是寄存器的物理地址，rom_data_i表示的是指令代碼。物理地址確定以后，對RAM的操作就很好進行。

2.直接尋址

直接尋址是訪問特殊功能寄存器的唯一方法。它也可以用于訪問內(nèi)部RAM(128個字節(jié))。采用直接尋址方式的指令是雙字節(jié)指令，其中第一個字節(jié)是操作碼，第二個字節(jié)是內(nèi)部RAM或特殊功能寄存器的直接地址。地址已經(jīng)給出，顯然不需要像寄存器尋址那樣先計算地址，直接針對由ROM給出地址就可以對RAM進行相關(guān)操作。

3.寄存器間接尋址

寄存器間接尋址可用于訪問內(nèi)部RAM或者外部數(shù)據(jù)存儲器。訪問訪問內(nèi)部RAM或者外部數(shù)據(jù)存儲器的低256個字節(jié)時，可以采用RO或R1作為間址寄存器。這類指令為單字節(jié)指令，其最低為表示采用RO還是R1作為間址寄存器。訪問內(nèi)部RAM和外部數(shù)據(jù)存儲器時采用不同的指令，所以不會引起混淆。

訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，還可用數(shù)據(jù)指針DPTR作為間址寄存器，DPTR是16位寄存器，故它可對整個外部數(shù)據(jù)存儲器空Il(64K)尋址。

在執(zhí)行PUSH(壓棧)POP(出棧)指令時，也采用寄存器間接尋址，這時堆棧指針SP用作間址寄存器。

實現(xiàn)這類尋址方式必須分為兩步，首先確定4個通用工作寄存器區(qū)中可以作為間接尋址寄存器的8個單元的地址，然后讀出所選定的寄存器中的值，這個值就是當前指令要尋址的空間的物理地址。確定間接尋址寄存器的地址可以由下面的VHDL語句來實現(xiàn):

ri_adr<=((psw and“00011000”)or(s-command (7downto 0) and“110000000111”)),

其中ri_ adr表示的是用于間接尋址的寄存器的物理地址，s_command表示的是當前指令的操作碼。然后通過另外一個讀RAM的進程就可以確定間址寄存器中的值，從而得到指令需要的存儲器單元的地址。至千其他特殊功能寄存器作為間址寄存器的情況，由于間址寄存器的地址事先已經(jīng)能夠確定，所以這種方式下尋找存儲器單元的地址就僅需要上述兩步中的后一個步驟就可以確定指令需要的存儲器單元的地址。

4.立即尋址

采用立即尋址方式的指令是雙字節(jié)的，第一個字節(jié)是操作碼，第二個字節(jié)是立即操作數(shù)。因此，這種尋址方式實現(xiàn)起來比直接尋址還要容易，操作數(shù)就是放在程序存儲器內(nèi)的常數(shù)。

5.基址寄存器加變址寄存器間接尋址

這種尋址方式用于訪問程序存儲器的一個單元，該單元的地址是基址寄存器(DPTR或PC)與變址寄存器A的內(nèi)容之和。雖然這類尋址方式也是間接尋址，對于使用DPTR作為基址寄存器的情況，它的實現(xiàn)方法和用數(shù)據(jù)指針DPTR作為間址寄存器時的間接尋址的情況很相似，因為其間址寄存器事實上還是確定的。與用數(shù)據(jù)指針DPTR作為間址寄存器時的間接尋址的情況有所不同的是，確認最終需要的地址還要進行一次加法運算，這在使用VHDL語言描述的時候是很容易實現(xiàn)的。用PC作為基址寄存器時，需要知道PC當前值，但是PC和DPTR是不同的，DPTR是特殊功能寄存器，利用它的地址就可以讀出其值，PC并沒有被分配地址，不能使用讀RAM的方式取得其值，所以內(nèi)部有必要設置編寫這樣一個進程，它用于讀出那些位于CPU內(nèi)部、沒有分配地址的輔助寄存器的值。

表1 表尋址方式及尋址空間