基于EDA技術(shù)的8051單片機(jī)指令系統(tǒng)剖析

　　MCS- 51系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)是一種簡(jiǎn)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(duì)于反向設(shè)計(jì)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(jī)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(gè)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(jī)的累加器)也可作為尋址對(duì)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(shí)現(xiàn)這類尋址方式時(shí)，確定被尋址寄存器的物理地址時(shí)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(duì)RAM的操作就很好進(jìn)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(gè)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(gè)字節(jié)是操作碼，第二個(gè)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(jì)算地址，直接針對(duì)由ROM給出地址就可以對(duì)RAM進(jìn)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(chǔ)器。訪問訪問內(nèi)部RAM或者外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的低256個(gè)字節(jié)時(shí)，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(chǔ)器時(shí)采用不同的指令，所以不會(huì)引起混淆。

　　訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(duì)整個(gè)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空Il(64K)尋址。

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

　　實(shí)現(xiàn)這類尋址方式必須分為兩步，首先確定4個(gè)通用工作寄存器區(qū)中可以作為間接尋址寄存器的8個(gè)單元的地址，然后讀出所選定的寄存器中的值，這個(gè)值就是當(dāng)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(shí)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(dāng)前指令的操作碼。然后通過另外一個(gè)讀RAM的進(jìn)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(chǔ)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(chǔ)器單元的地址就僅需要上述兩步中的后一個(gè)步驟就可以確定指令需要的存儲(chǔ)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(gè)字節(jié)是操作碼，第二個(gè)字節(jié)是立即操作數(shù)。因此，這種尋址方式實(shí)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(chǔ)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(chǔ)器的一個(gè)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(duì)于使用DPTR作為基址寄存器的情況，它的實(shí)現(xiàn)方法和用數(shù)據(jù)指針DPTR作為間址寄存器時(shí)的間接尋址的情況很相似，因?yàn)槠溟g址寄存器事實(shí)上還是確定的。與用數(shù)據(jù)指針DPTR作為間址寄存器時(shí)的間接尋址的情況有所不同的是，確認(rèn)最終需要的地址還要進(jìn)行一次加法運(yùn)算，這在使用VHDL語言描述的時(shí)候是很容易實(shí)現(xiàn)的。用PC作為基址寄存器時(shí)，需要知道PC當(dāng)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(shè)置編寫這樣一個(gè)進(jìn)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