關鍵詞 8051單片機 DPTR 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移執(zhí)行效率
單片機的出現(xiàn)是計算機技術發(fā)展史上的一個里程碑，它使計算機從海量數(shù)值計算進入到控制領域。在單片機中，以8051系列最為經(jīng)典，至今仍是最普及、廣泛使用的8位MCU架構。業(yè)界許多技術人員在其基礎上不斷進行性能擴展，使得8051系列芯片不斷完善，從而形成一個龐大的體系。在傳統(tǒng)的8051系列單片機中，設置了一組雙字節(jié)寄存器（數(shù)據(jù)指針DPTR），用于訪問外接的64 KB數(shù)據(jù)存儲器和I/O接口電路；但在現(xiàn)今的8051單片機應用中，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)8051的一組數(shù)據(jù)指針使用起來則顯得捉襟見肘，因此若在8051設計中將數(shù)據(jù)指針設計為兩組或多組，則在執(zhí)行大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移操作時會相當簡便、迅速。在這種背景下，本文首先以數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移執(zhí)行效率為衡量標準，分析了DPTR擴展的意義，并在Oregano公司的MCS8051核[1]上實現(xiàn)了DPTR擴展。
1 DPTR擴展意義
為描述8051中的DPTR擴展的意義，我們針對實現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，分別對DPTR擴展前后作了對比。為使對比更加清晰明了，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定義為進行單字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移所耗費的機器周期數(shù)，即v=nt。其中，n表示所轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；t表示所耗費的機器周期，可設定其單位為字節(jié)/機器周期。
在未進行DPTR擴展的8051中，可通過設置地址緩沖區(qū)的方法來實現(xiàn)大規(guī)模的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。具體的例程如下：
MOVPRE:
MOV50H, #s_adrh
MOV51H, #s_adrl
MOV52H,#t_adrh
MOV53H,#t_adrl
MOVR2, #64
REMOVE:MOV DPH, 50H
MOV DPL, 51H
MOVX A, @DPTR
INC DPTR
MOV 50H, DPH
MOV 51H, DPL
MOV DPH, 52H
MOV DPL, 53H
MOVX @DPTR,A
INC DPTR
MOV 52H, DPH
MOV 53H, DPL
DJNZ R2, REMOVE
在此例程中，50H、51H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_adrl為低字節(jié))，實現(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n字節(jié)數(shù)據(jù)移位操作耗費（14+28×n+2）個機器周期，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，計算得出共需耗費1 808個機器周期，執(zhí)行效率v約為0.035 4字節(jié)/機器周期，而且在此實現(xiàn)方法中需占用8051的4個片內(nèi)存儲器（RAM）單元。
如8051中擁有兩組DPTR，并可通過特殊指令來實現(xiàn)DPTR選取。可設定SETDPTR0指令表示選取DPTR0，SETDPTR1指令表示選取DPTR1，#s_adr表示數(shù)據(jù)源地址，#t_adr表示數(shù)據(jù)目的地址，則程序可設計為：
MOVPRE:
SETDPTR0
MOVDPTR,#s_adr
SETDPTR1
MOV DPTR,#t_adr
MOV R2,#64
REMOVE2:
SETDPTR0
MOVX A,@DPTR
INC DPTR
SETDPTR1
MOVX @DPTR,A
INC DPTR
DJNZ R2,REMOVE2
程序中， 對于特殊指令SETDPTR0和SETDPTR1，可通過設置特殊功能寄存器(SFR)以表示DPTR狀態(tài)，并對此SFR進行操作，以實現(xiàn)DPTR選取。因此DPTR選取指令可由3字節(jié)指令實現(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（14+12×n+2）個機器周期，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784個機器周期，執(zhí)行效率約為0.085 64字節(jié)/機器周期。
通過以上對比發(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，執(zhí)行效率比也不斷增大，且最后趨近于2.33。
圖1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移執(zhí)行效率對比圖
2 具體設計實現(xiàn)
在8051中對DPTR實現(xiàn)擴展，首先需要對DPTR的相關指令進行分析，再確定對其進行擴展會影響到哪些指令操作；并根據(jù)其所涉及的指令，分析相應的模塊，最后針對各模塊分別進行設計修改。
2.1 相關指令分析
在8051標準指令集的111條指令中，與DPTR有關的指令共有5類，分別為：
�、� 程序存儲器查表指令，“MOVC A,@A+DPTR”；
�、� 片外RAM傳送指令，“MOVX A, @DPTR”和“MOVX @ DPTR , A”；
�、� 寄存器數(shù)據(jù)傳送指令，即可對DPTR進行讀寫操作，在8051中DPTR由DPH（DPTR高8位字節(jié)）和DPL（DPTR低8位字節(jié)）構成，且DPH和DPL與一般的SFR一樣，都可作為寄存器進行讀寫、壓棧等操作；
�、� 程序轉(zhuǎn)移指令，“JMP @A+DPTR”;
�、� 運算指令，可分別對DPH和DPL進行運算操作。
通過對以上與DPTR相關的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進行操作的。第①類指令和第④類指令都是DPTR與PC指針進行的數(shù)據(jù)傳送操作；第②類指令是對片外RAM地址寄存器進行的數(shù)據(jù)傳送操作。因此，DPTR的操作具體涉及8051中以下3個模塊：SFR讀寫模塊、PC指針模塊及片外RAM地址模塊，故對DPTR的擴展也在這3個模塊中進行。
2.2 具體模塊設計
對于DPTR狀態(tài)寄存器可設為dptr_sel，通過對DPTR狀態(tài)標志位dps操作，實現(xiàn)DPTR選取。當dps＝0時，選取DPTR0；當dps＝1時，選取DPTR1。在8051中，DPTR分別由DPH和DPL組成，因此對DPTR的選取實際上是對特殊功能寄存器DPH0、DPL0和DPH1、DPL1的選取。
基于以上的設計思路，筆者分別在涉及DPTR操作的3個模塊中進行了相應的修改。本設計所選用MCS8051核由VHDL語言設計，完全兼容標準8051指令集。
在SFR讀寫模塊中，應針對讀、寫模塊分別進行修改。通過分析MCS8051設計代碼可知，對于DPTR的讀操作，是通過將DPTR中數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)暫存寄存器S_REGDATA，再通過對S_REGDATA進行讀操作來實現(xiàn)的，因此可在進行DPTR數(shù)據(jù)暫存前，利用選擇位dps來對DPTR進行選取。具體示意如圖2所示。
在對DPTR進行寫操作時，實際上是對DPH和DPL進行操作（DPH地址為83H，DPL地址為82H），因此對DPTR進行寫操作時需對DPH和DPL分別進行操作。在MCS8051中對SFR的寫操作，實際上是先將要寫入的數(shù)據(jù)暫存在S_DATA寄存器中，再通過將S_DATA數(shù)據(jù)分別寫入DPH和DPL來實現(xiàn)的。因此可在S_DATA數(shù)據(jù)寫入前對DPTR0和DPTR1進行選擇判斷，來實現(xiàn)對DPTR0和DPTR1的寫操作，即dps＝1時，將S_DATA數(shù)據(jù)寫入DPH1和DPL1；dps＝0時，將S_DATA數(shù)據(jù)寫入DPH0和DPL0，具體結(jié)構如圖3所示。
