Программная модель ОМК

ОМК выполняет действия над 8-разрядными операндами. Программная модель центрального процессора 8051 (рисунок 6) содержит шесть регистров. Все регистры, кроме программного счетчика (счетчика команд) PC, являются частью объединенного адресного пространства ОЗУ данных. Для обращения к ним могут быть использованы как символьные имена регистров ‑ АСС, В, PSW, SP, DPH, DPL, так и их абсолютные адреса ‑ 0E0h, 0F0h, 0D0h, 81h, 82h, 83h соответственно.

Аккумулятор ACС

Регистр B

Регистр косвенной адресации DPTR

Программный счетчик PC

Указатель стека SP

Регистр признаков PSW

RS1

RS0

Рисунок 6.- Программная модель центрального процессора

Аккумулятор (ACС) является источником операнда и местом фиксации результата при выполнении арифметических, логических операций и ряда операций передачи данных. Кроме того, только с использованием аккумулятора могут быть выполнены операции сдвигов, проверка на нуль, формирование флага паритета и т.п.

Регистр B ‑ дополнительный 8-разрядный регистр. Используется в операциях умножения и деления. В других командах может интерпретироваться как регистр общего назначения.

Регистр-указатель данных DPTR ‑ 16-разрядный регистр (DPH ‑ старший байт, DPL ‑ младший байт). Используется как регистр косвенной адресации при обращении к памяти команд и внешней памяти данных. Система команд предусматривает возможность обращения к отдельным байтам (DPH или DPL) регистра DPTR, что позволяет использовать эти регистры для хранения промежуточных результатов вычислений или как источник одного из операндов.

Программный счетчик PC ‑ 16-разрядный регистр, содержит адрес текущей команды либо адрес операнда, используемого в текущей команде. После сброса микроконтроллера (МК) программный счетчик автоматически устанавливается в «0». Поэтому в МК с процессорным ядром MCS-51 любая программа пользователя должна начинаться с адреса 0000h. Команды обращения к РС отсутствуют. Однако он программно доступен с помощью специальных процедур.

Указатель стека SP ‑ 8-разрядный регистр, содержит адрес вершины стека. Архитектура процессорного ядра MCS-51 предполагает размещение области стековой памяти только в области внутреннего ОЗУ данных. Глубина стека ограничена объемом резидентного ОЗУ. При сбросе ОМК указатель стека устанавливается в состояние 07h, назначая область стека в первый банк регистров. Поэтому при использовании стека после сброса необходимо задавать требуемое значение SP. Обычно вершина стека размещается в старших адресах свободной зоны.

При записи в стек (команда PUSH), содержимое указателя SP увеличивается на 1, а при чтении (команда POP) – уменьшается на 1. Указатель стека аппаратно увеличивается на 2 при выполнении команд вызова подпрограммы (CALL) и обращении к подпрограмме обработки прерываний и уменьшается на 2 при выполнении команд возврата RET, RETI. В стек при этом соответственно записывается или извлекается содержимое РС.

Слово состояния процессора ССП (PSW) При выполнении большинства команд в АЛУ формируется ряд признаков операции (флагов), которые фиксируются в регистре ССП. В таблице 2 приводится перечень флагов ССП, даются их символические имена и описываются условия их формирования.

Формат слова состояния процессора PSW

Таблица 2

Символ	Позиция	Имя и назначение
C	PSW.7	Флаг переноса из старшего разряда. Устанавливается и сбрасывается при выполнении арифметических и логических операций аппаратно. Возможно изменение значения С программными средствами.
AC	PSW.6	Флаг вспомогательного переноса из третьего разряда в четвертый. Устанавливается и сбрасывается только аппаратными средствами при выполнении команд сложения и вычитания.
F0	PSW.5	Флаг 0. Может быть установлен, сброшен или проверен программой как флаг, специфицируемый пользователем.
RS1 RS0	PSW.4 PSW.3	Выбор банка регистров. Устанавливается и сбрасывается программой для выбора рабочего банка регистров (см. примечание)
OV	PSW.2	Флаг арифметического переполнения. Устанавливается и сбрасывается аппаратно при выполнении арифметических операций
‑	PSW.1	Не используется
P	PSW.0	Флаг паритета. Устанавливается и сбрасывается в каждом цикле команды только аппаратно. Принимает значение 1 при четном числе единичных бит в аккумуляторе.
Примечание.	RS1	RS0	Банк	Границы адресов
			00H-07H
			08H-0FH
			10H-17H
			18H-1FH

Наиболее «активным» флагом ССП является флаг переноса, который принимает участие и модифицируется в процессе выполнения многих операций, включая сложение, вычитание и сдвиги. Кроме того, флаг переноса (C) выполняет функции «булевого аккумулятора» в командах, манипулирующих с битами.

Флаг арифметического переполнения (OV) фиксирует превышение длины разрядной сетки при операциях над целыми числами со знаком.

Флаг АС используется в процедуре коррекции результата при выполнении двоично-десятичного сложения.

Флаг паритета Р обеспечивает контроль передаваемой информации. Значение бита паритета изменяется при любой операции, в которой АСС является приемником результата. При приеме информации выполняется повторное формирование Р, а затем производится сравнение битов паритета, вычисленных при приеме и передаче информации.

АЛУ не управляет флагами селекции банка регистров (RS0, RS1) и F0. Их значения полностью определяются прикладной программой.

В регистре признаков отсутствуют флаги нулевого Z и отрицательного N результатов. Признак нулевого состояния аккумулятора формируется аппаратно во всех командах, в которых аккумулятор является приемником результата. В регистре признаков равенство нулю не отображается. Команды условного перехода по признаку Z (JZ и JNZ) следует использовать после выполнения команд, в которых результат операции записывается в аккумулятор.

Признак знака результата фиксируется в старшем бите АСС и доступен с помощью битовых команд условных переходов (JB, JNB).

Назначение и функции регистров специальных функций подробно рассмотрены в разделе 4.

РПД разделена на 3 зоны, каждая из которых имеет свои функциональные особенности:

Зона регистров общего назначения (РОН) состоит из 4-х банков, расположенных с адреса 00h по 1Fh. Каждый банк состоит из 8 ячеек РПД. После сброса, активным является нулевой банк. Номер банка устанавливается в слове состояния процессора. Достоинством этой зоны является возможность использования прямой регистровой адресации. Команды работы с регистрами однобайтовые и выполняются за минимальное время (1мкс). Обычно в этой зоне располагают регистры временного хранения информации. Исключение составляют регистры R0, R1 каждого банка, которые могут использоваться как регистры косвенной адресации при обращении к РПД или как индексные регистры при обращении к внешней памяти данных.

Зона регистров специальных функций (РСФ) расположена с адреса 80h по 0FFh. В ней находятся основные регистры данных и управления.

Обращение к РСФ возможно только с указанием прямого адреса. В 8051 используется только часть адресов зоны РСФ. Неиспользованные адреса зарезервированы для развития ОМК данной серии.

8051 предоставляет большие возможности для работы с битовыми переменными, которые должны быть расположены в битовой зоне. Битовое пространство начинается в битовой зоне РПД (адреса 20h-2Fh), а заканчивается в зоне регистров специальных функций. Обращение к битам возможно только с использованием команд прямой битовой адресации. Адресное пространство битовой зоны и РПД имеют различную метрику.

Cвободная зона ‑ особенностей по способам адресации не имеет.

Структура адресного пространства РПД представлена на рисунке 7. РПД представляет собой единое адресное пространство, каждая зона которого обладает определенными особенностями. В тоже время имеется возможность обращаться к любой ячейке памяти РПД, используя прямую или косвенную адресации.

Наличие зон, обладающих различными функциональными возможностями, при грамотном их использовании позволяет минимизировать как длину кода программ, так и время их выполнения.

Адрес

Регистр

7Fh 30h

Ячейки резидентного ОЗУ (свободная зона)

0FFh

2Fh

0F0h

2Eh

2Dh

0E0h

2Ch

2Bh

0D0h

PSW

2Ah

29h

0B8h

‑

28h

27h

0B0h

26h

25h

0A8h

‑

24h

23h

0A7h

22h

99h

SBUF

21h

98h

SCON

20h

1Fh

Банк 3 (R7-R0)

90h

8Dh

TH1

18h

8Ch

TH0

17h

Банк 2 (R7-R0)

8Bh

TL1

8Ah

TL0

10h

89h

TMOD

0Fh

Банк 1 (R7-R0)

88h

TCON

87h

PCON

08h

83h

DPH

07h

Банк 0 (R7-R0)

82h

DPL

81h

00h

80h

Рисунок 7.- Структура внутренней памяти данных

СИСТЕМА КОМАНД 8051

8051 обладает гибкой системой команд, ориентированной, главным образом, на реализацию контроллерных функций. Характеристики системы команд определяются форматами данных и команд.

Форматы данных. Тип представления данных: числовые, логические, битовые. Числовые данные могут быть представлены в двоичном и двоично-десятичном кодах в целочисленном формате. Обработка двоичных данных может выполняться в дополнительном коде. Длина формата байт, два байта, бит. В операциях обмена тетрадами используется дополнительное представление информации ‑ полубайтами (4 бита).

Форматы команд. Команды одноадресные, двухадресные, безадресные. Длина команды – байт, два байта, три байта. При обращении к РПД могут использоваться прямой регистровый, прямой, косвенный, непосредственный, стековый способы адресации. Внешняя память данных допускает применение только косвенной и индексной адресации. При работе с памятью команд возможно применение косвенного, индексного и относительного способов адресации.

Система команд МК51 содержит 111 базовых команд, которые удобно разделить по функциональному признаку на пять групп: команды передачи данных, арифметических операций, логических операций, передачи управления, операций с битами. Система команд приведена в приложении, где используются следующие обозначения:

#d ‑ непосредственный операнд;

ad ‑ адрес РПД;

аd16 ‑ адрес памяти команд или внешней памяти данных;

Rn ‑ регистр текущего банка;

Ri ‑ нулевой или первый регистр текущего банка

bit – прямой адрес бита,

rel ‑ 8-разрядное смещение в дополнительном коде для выполнения относительных переходов. Величина смещения позволяет передавать управление в пределах –128 - +127 байт относительно адреса следующей команды;

@ ‑ признак косвенной адресации;

Рассмотрим обобщенные характеристики основных команд.

К командам передачи данных (пересылок) относятся:

MOV – пересылка при работе с РПД;

MOVX – пересылка c внешней памятью данных (ВПД);

MOVC – пересылка c памятью команд;

MOV A, (Rn, ad, @Ri, #d);

MOV Rn, (A, ad, #d);

MOV ad, (Rn, А, @Ri, #d);

MOV (A, Rn, ad), #d;

MOV @Ri, (ad, Rn, #d);

MOV ad1, ad2;

MOV DPTR,#d16

Команды этой группы не модифицируют признаки результата за исключением команды загрузки PSW и пересылок, в которых приемником результата является аккумулятор А. В этом случае устанавливается бит паритета и аппаратно формируется признак равенства «0» – Z=1, который можно использовать для выполнения команд условного перехода JZ (JNZ).

XCH А, (Rn, ad, @Ri) ‑ обмен содержимым А и (Rn, @Ri, ad);

XCHD A, @Ri ‑ обмен содержимым младших тетрад байтовых операндов;

SWAP ‑ обмен содержимым тетрад в аккумуляторе;

PUSH ad – запись в стек;

POP ad – чтение из стека;

Недостатком этой группы является отсутствие команд типа MOV Rn1, Rn2 и MOV Rn, @Ri;

Обращение к внешней памяти команд ВПК и ВПД осуществляется через регистр-указатель DPTR. Обращение к регистру возможно с помощью команды MOV DPTR, #d16, старший (DPH) и младший (DPL) байты этого регистра доступны через зону РСФ.

MOVX A, @DPTR;

MOVX @DPTR, A;

MOVX @Ri, A;

MOVX A, @Ri ‑ странично-косвенный метод доступа: Смещение внутри страниц задает содержимое Ri, а номер страницы формируется на выходе порта P2. На основе этого способа можно организовать индексную адресацию.

Для чтения памяти команд используется:

MOVC A, @A+DPTR; (A):=@(A+DPTR), где в А находится целое без знаковое смещение.

Для верификации памяти команда предусмотрена:

MOVC A, @A+PC; {PC:=PC+1; (A):=((A+PC))}, где РС – программный счетчик.

Арифметические операции:

ADD A, (Rn, ad, @Ri, #d) – сложение;

ADDC A, (Rn, ad, @Ri, #d) ‑ сложение с переносом;

DA А ‑ команда двоично-десятичной коррекции при сложении;

SUBB A, (Rn, ad, @Ri, #d) ‑ вычитание с заёмом. Это единственная команда вычитания. Перед её использованием необходимо контролировать значение бита С.

Команды сложения, вычитания формируют флаги С, АС, OV, P.

INC(DEC) (A, Rn, @Ri, ad) ‑ инкремент (декремент);

INC DPTR.

Если необходим декремент, то его реализация возможна только с использованием команд декремента регистров DPL(младший байт DPTR), и DPH (старший байт DPTR).

Команды инкремента и декремента флаги не устанавливают.

MUL AB – беззнаковое умножение 8x8 (B)(A):=(A)*(B);

DIV AB – беззнаковое деление 8/8 (A)(B):=A/B.

При умножении старший байт результата записывается в регистр-расширитель В, а младший ‑ в А. Если содержимое А>256, то формируется флаг арифметического переполнения OV. Бит С всегда сбрасывается.

При делении частное записывается в А, а остаток ‑ в В. Флаги переноса C и арифметического переполнения OV сбрасываются. При делении на 0 устанавливается флаг OV.

Логические команды :

ANL A, (Rn, @Ri, #d, ad); ‑ конъюнкция;

ANL ad, (A, #d);

Структура команд ORL (дизъюнкция), XRL (сумма по модулю 2) аналогична предыдущей.

CLR A ‑ очистка аккумулятора;

CPL A ‑ инвертирование аккумулятора;

В этих логических командах признаки не формируются, за исключением бита паритета P, если результат операции записывается в аккумулятор.

RR(RL) A ‑ правый(левый) циклический сдвиг;

RRC(RLC) A ‑ правый(левый) циклический сдвиг через бит С;

При сдвигах формируются признаки P и C.

Битовые команды:

При выполнении битовых команд бит С выполняет функции аккумулятора.

Команды пересылки бит:

MOV C, bit;

MOV bit, C;

SETB bit(C) ‑ установка бита С (или прямоадресуемого бита);

CLR bit (C) ‑ очистка бита С (или прямоадресуемого бита);

CPL C(bit) ‑ инверсия бита С (или прямоадресуемого бита);

ANL C, bit ‑ конъюнкция;

ORL C, bit – дизъюнкция;

ANL C, /bit

ORL C, /bit

В последних двух командах знак «/» указывает на то, что в качестве значения используется логическое отрицание адресуемого бита, однако сам бит источника при этом не изменяется.

При работе с битами используется только прямая адресация.

К командам передачи управления относятся команды, обеспечивающие условные и безусловные переходы, вызов подпрограмм и возврат из них, команда пустой операции NOP.

Переход по всему адресному пространству обеспечивает длинный безусловный переход LJMP ad16 и обращение к подпрограмме LCALL ad16.

Переход в пределах памяти программ размером 2048 байт выполняется с помощью безусловного абсолютного перехода AJMP ad11 и обращения к подпрограмме ACALL ad11. Такие команды содержат только 11 младших бит адреса перехода и имеют длину два байта.

Команда JMP @A+DPTR использует косвенную адресацию, при которой адрес перехода определяется суммированием содержимого DPTR и беззнакового смещения, находящегося в А. Эта команда позволяет выполнять множественное ветвление по адресу неизвестному в момент написания программы, модифицируя содержимое А или DPTR.

Команда SJMP rel выполняет безусловный, короткий, относительный переход.

При программировании на ассемблере достаточно указать только тип перехода JMP или CALL. В зависимости от длины перехода конкретная команда безусловного перехода выбирается компилятором автоматически.

RET ‑ возврат из подпрограммы;

RETI ‑ возврат из подпрограммы обработки прерывания.

Условные переходы представлены двумя группами команд байтовыми и битовыми. К байтовым командам относятся:

JZ(JNZ) rel – переход при нулевом (ненулевом) результате в А. Может быть реализован после любой операции, результат которой записывается в аккумулятор;

JC(JNC) rel – переход по значению бита С;

DJNZ Rn(ad), rel. Выполняется декремент содержимого регистра или ячейки РПД. Если результат операции не равен «0» ‑ выполняется переход, иначе ‑ следующая команда.

CJNE A, (ad, #d), rel;

CJNE (Rn, @Ri), #d, rel ‑ Выполняется вычитание из первого операнда второго; если результат операции не равен нулю ‑ выполняется переход, иначе ‑ следующая команда. Содержимое регистров, участвующих в операциях, не изменяется.

При сравнении формируется бит С = 0, если первый операнд больше второго и С = 1 при противоположном результате.

Битовые переходы выполняются по значению бита, адрес которого указан в формате команды JB(JNB) bit, rel.

В команде JBC bit, rel переход выполняется при единичном значении бита, адрес которого указан в команде, после чего бит сбрасывается в «0». Эта команда удобна при реализации семафоров.

Семафор представляет собой флаг, информирующий о состоянии связанного с ним ресурса: «1» – свободен, «0» – занят. Захват ресурса допускается только в том случае, если он свободен. Затем семафор должен быть переведен в состояние «Занято». Под ресурсом понимается всякий объект, распределяемый системой.

Например, данные от различных источников должны быть записаны в разделяемую память.

WAIT:

JBC bit, OK; Проверка флага

SJMP WAIT; Ресурс занят

OK:

;Ресурс свободен

При программировании в объектном коде адрес перехода вычисляется как:

rel:= адрес перехода ‑ адрес команды перехода + длина команды перехода;

В ОМК отсутствуют команды ввода-вывода. Обращение к внешним устройствам осуществляется как к ячейкам внешней памяти данных. Возможные форматы команд приведены на рисунке 8.