8051單片機(jī)中DPTR的擴(kuò)展設(shè)計(jì)
關(guān)鍵詞 805l單片機(jī)DPTR 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移執(zhí)行效率
單片機(jī)的出現(xiàn)是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑，它使計(jì)算機(jī)從海量數(shù)值計(jì)算進(jìn)入到控制領(lǐng)域。在單片機(jī)中，以8051系列最為經(jīng)典，至今仍是最普及、廣泛使用的8位MUC架構(gòu)。北界許多技術(shù)人員在其基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行性能擴(kuò)展，使得805l系列芯片不斷完善，從而形成一個(gè)龐大的體系。在傳統(tǒng)的8051系列單片機(jī)中，設(shè)置了一組雙字節(jié)寄存器(數(shù)據(jù)指針DPTR)，用于訪問(wèn)外接的64 KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和I／O接口電路；但在現(xiàn)今的8051單片機(jī)應(yīng)用中，特別是在嵌入式系統(tǒng)中，往往涉及大規(guī)模的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移操作，而傳統(tǒng)805l的一組數(shù)據(jù)指針使用起來(lái)則顯得捉襟見(jiàn)肘，因此若在8051設(shè)計(jì)中將數(shù)據(jù)指針設(shè)計(jì)為兩組或多組，則在執(zhí)行大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移操作時(shí)會(huì)相當(dāng)簡(jiǎn)便、迅速。在這種背景下，本文首先以數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移執(zhí)行效率為衡量標(biāo)準(zhǔn)，分析了DPTR擴(kuò)展的意義，并在Oregano公司的MCS8051核上實(shí)現(xiàn)了DPTR擴(kuò)展。
1 DPTR擴(kuò)展意義
為描述8051中的DPTR擴(kuò)展的意義，我們針對(duì)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，分別對(duì)DPTR擴(kuò)展前后作了對(duì)比。為使對(duì)比更加清晰明了，提出了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移執(zhí)行效率的概念。
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移執(zhí)行效率v定義為進(jìn)行單字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移所耗費(fèi)的機(jī)器周期數(shù)，即XXXX其中，n表示所轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；t表示所耗費(fèi)的機(jī)器周期，可設(shè)定其單位為字節(jié)／機(jī)器周期。
在未進(jìn)行DPTR擴(kuò)展的8051中，可通過(guò)設(shè)置地址緩沖區(qū)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。具體的例程如下：
在此例程中，50H、5lH用于存放數(shù)據(jù)源地址s_adr(s_adrh為高字節(jié)，s_adrl為低字節(jié))，52H、53H用于存放數(shù)據(jù)目的地址t_adr(t_adrh為高字節(jié)，t_adr1為低字節(jié))，實(shí)現(xiàn)將源地址起始64字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至目的地址。在8051中，執(zhí)行”字節(jié)數(shù)據(jù)移位操作耗費(fèi)(14+28×n+2)個(gè)機(jī)器周期，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移執(zhí)行效率為v=n/(14+28×n+2)。在本例程中，n為64，計(jì)算得出共需耗費(fèi)1 808個(gè)機(jī)器周期，執(zhí)行效率v約為O．0354字節(jié)／機(jī)器周期，而且在此實(shí)現(xiàn)方法中需占用8051的4個(gè)片內(nèi)存儲(chǔ)器(RAM)單元。
如8051中擁有兩組DPTR，并可通過(guò)特殊指令來(lái)實(shí)現(xiàn)DPTR選取?？稍O(shè)定SETDPTR0指令表示選取DPTR0，SETDPTRl指令表示選取DPTRl，#s_adr表示數(shù)據(jù)源地址，#t_adr表示數(shù)據(jù)目的地址，則程序可設(shè)計(jì)為：
程序中，對(duì)于特殊指令SETDPTR0和SETDPTRl，可通過(guò)設(shè)置特殊功能寄存器(SFR)以表示DPTR狀態(tài)，并對(duì)此SFR進(jìn)行操作，以實(shí)現(xiàn)DPTR選取。因此DPTR選取指令可由3字節(jié)指令實(shí)現(xiàn)，則在兩組DPTR情況下執(zhí)行大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移需耗費(fèi)(14+12×n+2)個(gè)機(jī)器周期，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移執(zhí)行效率為v=n／(14+12×n+2)。在本例程中，執(zhí)行64字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移需耗費(fèi)784個(gè)機(jī)器周期，執(zhí)行效率約為0．085 64字節(jié)／機(jī)器周期。
通過(guò)以上對(duì)比發(fā)現(xiàn)，擁用兩組DPTR的8051比傳統(tǒng)8051在大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移執(zhí)行效率比為(14+28×n+2)／(14+12×n+2)。由圖1可知，隨著所轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)量的不斷加大，即n值增大時(shí)，執(zhí)行效率比也不斷增大，且最后趨近于2．33。
經(jīng)過(guò)以上分析得出：在805l中設(shè)置兩組DPTR將會(huì)使其在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移執(zhí)行效率上有很大提高。從資源占用方面考慮，使用擴(kuò)展DPTR的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，僅需在8051中添加一個(gè)SFR，因此在805l中實(shí)現(xiàn)DPTR擴(kuò)展，可在資源占用很少的條件下，明顯加快數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移速率。這對(duì)于在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中，進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移意義重大。
2 具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
在8051中對(duì)DPTR實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，首先需要對(duì)DPTR的相關(guān)指令進(jìn)行分析，再確定對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展會(huì)影響到哪些指令操作；并根據(jù)其所涉及的指令，分析相應(yīng)的模塊，最后針對(duì)各模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)修改。
2.1 相關(guān)指令分析
在8051標(biāo)準(zhǔn)指令集的111條指令中，與DPTR有關(guān)的指令共有5類，分別為：
①程序存儲(chǔ)器查表指令，“MOVC A，@A+DPTR”；
②片外RAM傳送指令，“MOVX A，@DPTR”和“MOVX@DPTR，A”；
③寄存器數(shù)據(jù)傳送指令，即可對(duì)DPTR進(jìn)行讀寫(xiě)操作，在8051中DPTR由DPFI(DPTR高8位字節(jié))和DPL(DPTR低8位字節(jié))構(gòu)成，且DPH和DPL與一般的SFR一樣，都可作為寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)、壓棧等操作；
④程序轉(zhuǎn)移指令，“JMP@A+DPTR”；
⑤運(yùn)算指令，可分別對(duì)DPH和DPL進(jìn)行運(yùn)算操作。
通過(guò)對(duì)以上與DPTR相關(guān)的5類指令分析可知：第③類指令和第⑤類指令是將DPTR作為SFR進(jìn)行操作的。第①類指令和第④類指令都是DPTR與PC指針進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳送操作；第②類指令是對(duì)片外RAM地址寄存器進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳送操作。因此，DPTR的操作具體涉及8051中以下3個(gè)模塊：SFR讀寫(xiě)模塊、PC指針模塊及片外RAM地址模塊，故對(duì)DPTR的擴(kuò)展也在這3個(gè)模塊中進(jìn)行。
2．2 具體模塊設(shè)計(jì)
對(duì)于DPTR狀態(tài)寄存器可設(shè)為dptr_sel，通過(guò)對(duì)DPTR狀態(tài)標(biāo)志位dps操作，實(shí)現(xiàn)DPTR選取。當(dāng)dps=0時(shí)，選取DPTR0當(dāng)dps=1時(shí)，選取DPTRl。在805l中，DPTR分別由DPH和DPL組成，因此對(duì)DPTR的選取實(shí)際上是對(duì)特殊功能寄存器DPH0、DPLO和DPHl、DPLl的選取。
基于以上的設(shè)計(jì)思路，筆者分別在涉及DPTR操作的3個(gè)模塊中進(jìn)行了相應(yīng)的修改。本設(shè)計(jì)所選用MCS8051核由VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)，完全兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令集。
在SFR讀寫(xiě)模塊中，應(yīng)針對(duì)讀、寫(xiě)模塊分別進(jìn)行修改。通過(guò)分析MCS8051設(shè)計(jì)代碼可知，對(duì)于DPTR的讀操作，是通過(guò)將DPTR中數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)暫存寄存器S_REGDATA，再通過(guò)對(duì)S_REGDATA進(jìn)行讀操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此可在進(jìn)行DPTR數(shù)據(jù)暫存前，利用選擇位dps來(lái)對(duì)DPTR進(jìn)行選取。具體示意如圖2所示。
在對(duì)DPTR進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，實(shí)際上是對(duì)DPH和DPL進(jìn)行操作(DPH地址為83H，DPL地址為82H)，因此對(duì)DPTR進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)需對(duì)DPH和DPL分別進(jìn)行操作。在MCS8051中對(duì)SFR的寫(xiě)操作，實(shí)際上是先將要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)暫存在S_DATA寄存器中，再通過(guò)將S_DATA數(shù)據(jù)分別寫(xiě)入DPH和DPL來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此可在S_DATA數(shù)據(jù)寫(xiě)入前對(duì)DPTR0和DPTRl進(jìn)行選擇判斷，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)DPTR0和DPTRl的寫(xiě)操作，即dps=l時(shí)，將S_DATA數(shù)據(jù)寫(xiě)入DPHl和DPLl；dps=0時(shí)，將S_DATA數(shù)據(jù)寫(xiě)入DPH0和DPLO，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。
在PC指針模塊和片外RAM地址模塊中，由于也是涉及DPTR的讀操作，因此該模塊的修改與SFR讀模塊中的修改類似，也是利用dps來(lái)實(shí)現(xiàn)DPTR0、DPTRl的選取。
3 仿真測(cè)試
在MCS8051中，針對(duì)以上3個(gè)模塊分別作了修改，將DPTR擴(kuò)展為兩組，通過(guò)對(duì)DPTR_SEK(設(shè)定為SFR的E1H)中DPTR狀態(tài)標(biāo)志位dps進(jìn)行操作，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)DPTR0和DPTRl的選取，并利用仿真軟件Modelsim6．0進(jìn)行了仿真測(cè)試。由于在實(shí)現(xiàn)DPTR擴(kuò)展時(shí)主要針對(duì)SFR讀寫(xiě)模塊、PC指針模塊和片外RAM地址模塊這3個(gè)模塊進(jìn)行了修改，因此對(duì)于DPTR擴(kuò)展的仿真測(cè)試也分3個(gè)模塊進(jìn)行。
3．1 針對(duì)SFR讀寫(xiě)模塊的測(cè)試
該模塊的測(cè)試主要為測(cè)試DPTR0和DPTRl的數(shù)據(jù)傳輸。首先對(duì)DPTR狀態(tài)標(biāo)志dps位進(jìn)行操作，分別選取DPTR0和DPTRl；其次分別對(duì)其進(jìn)行寫(xiě)操作；最后將DPTR0和DPTRl中數(shù)據(jù)值依次輸出寄存器A中。具體波形如圖4所示。
由圖4可知，在執(zhí)行指令75E100前后(即將dps復(fù)位，選取DPTR0)，DPH和DPL輸出(執(zhí)行指令E583，E582)到寄存器A中的值不同。指令75E100執(zhí)行前DPH輸出為55，DPL輸出為66，執(zhí)行后輸出分別為11和22，因此表明通過(guò)dps進(jìn)行DPTR選取，讀寫(xiě)操作無(wú)誤，即對(duì)SFR讀寫(xiě)模塊的修改無(wú)誤。
3．2 針對(duì)PC指針的數(shù)據(jù)查表測(cè)試
針對(duì)此模塊，進(jìn)行了一個(gè)查表測(cè)試，即向DPTR0和DPTRl中分別寫(xiě)入datal和data2兩個(gè)數(shù)據(jù)表的地址；而后利用dps選取DPTR0和DPTRl，再分別對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)查表輸出。具體波形如圖5所示。
選取DPTRl(已存入data2地址，執(zhí)行指令75E180)后，將寄存器A清零(執(zhí)行指令7400)，并將查表數(shù)據(jù)輸出(執(zhí)行指令93)，輸出數(shù)據(jù)為11H；而后選取DPTR0，再次將寄存器A清零，并進(jìn)行查表輸出，輸出數(shù)據(jù)為44H。對(duì)比可發(fā)現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)與表中數(shù)據(jù)一致。由此表明，通過(guò)dps選取DPTR0和DPTRl，進(jìn)行數(shù)據(jù)查表操作無(wú)誤，即對(duì)PC指針模塊的修改無(wú)誤。
3．3 片外RAM數(shù)據(jù)讀寫(xiě)測(cè)試
對(duì)于片外RAM數(shù)據(jù)讀寫(xiě)測(cè)試，即大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，測(cè)試方案為：首先將DPTR0和DPTRl中分別寫(xiě)入地址actr0和adrl，再分別對(duì)這兩個(gè)地址寫(xiě)人數(shù)據(jù)，最后將這兩個(gè)地址的數(shù)據(jù)通過(guò)DPTRO和DPTRl讀出，將讀出的結(jié)果與寫(xiě)入結(jié)果對(duì)比，具體測(cè)試波形如圖6所示。
將dps置位(執(zhí)行指令75E180)選取DPR1后，將片外RAM中adrl數(shù)據(jù)讀出，輸出數(shù)據(jù)為77H；將dps復(fù)位(執(zhí)行指令75E100)選取DPTR0后，將adr0數(shù)據(jù)讀出，輸出數(shù)據(jù)為44H。經(jīng)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)與所寫(xiě)入的數(shù)據(jù)一致。由此可表明，通過(guò)dps選擇DPTR0和DPTRl對(duì)片外RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)無(wú)誤，即表明對(duì)片外RAM地址模塊的修改無(wú)誤。
3．4 FPGA仿真測(cè)試
基于MCS805l這款8051微控制器，我們還進(jìn)行了實(shí)際的FPGA仿真測(cè)試。首先利用RS232接口，在從計(jì)算機(jī)上將太規(guī)模數(shù)據(jù)接收并寫(xiě)入到MCS8051片外RAM的地址adr0中；再利用例程2所給方法，進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移寫(xiě)入到地址adrl中；最后通過(guò)RS232接口將adrl中數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)。通過(guò)對(duì)比發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，筆者對(duì)于DPTR的擴(kuò)展無(wú)誤。
結(jié)語(yǔ)
通過(guò)擴(kuò)展DPTR可使8051在大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移時(shí)的執(zhí)行效率大大提高，這使得采用擴(kuò)展805l作為微控制器的嵌入式系統(tǒng)，在大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移時(shí)，其處理速度將大大提高。利用文中所闡述的方法也可將DPTR擴(kuò)展為多組，但其具體應(yīng)用意義尚需進(jìn)一步探討。
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