Система команд микроконтроллера семейства 8051.

Общая характеристика.

Микро-ЭВМ рассматриваемого семейства являются типичными микропроцессорными устройствами с архитектурой SISC - со стандартным набором команд. Поэтому их система команд довольно обширна и включает в себя 111 основных команд. Их длина – один, два или три байта, причем большинство из них (94%) – одно- или двухбайтные. Все команды выполняются за один или два машинных цикла (соответственно 1 или 2 мкс при тактовой частоте 12 МГц), исключение – команды умножения и деления, которые выполняются за четыре машинных цикла (4 мкс). Микро-ЭВМ семейства 8051 используют прямую, непосредственную, косвенную и неявную, адресацию данных

В качестве операндов команд микро-ЭВМ семейства 8051 могут использовать отдельные биты, четырехбитные цифры, байты и двухбайтные слова.

Все эти черты обычны для набора команд любого SISC-процессора и по сранению с RISC набором команд обеспечивает большую компактность программного кода и увеличение быстродействия при выполнении сложных операций.

В то же время, набор команд семейства 8051 имеет несколько особенностей, связанных с типичными функциями выполняемыми микроконтроллерами - управлением, для которого типичным является оперирование с одноразрядными двоическими сигналами, большое число операций ввода выводи и ветвлений программы.

Наиболее существенная особенность системы команд рассматриваемых микро ЭВМ это возможность адресации отдельных бит в резидентной памяти данных. Кроме того, как отмечалось, некоторые регистры блока регистров специальных функций также допускают адресацию отдельных бит. Карты адресов отдельных бит в резидентной памяти данных и в блоке регистров специальных функций.

Типы команд

Всего микро-ЭВМ выполняют 13 типов команд, они приведены в таблице. Как следует из нее, первый байт команды всегда содержит код операции (КОП), а второй и третий (если они присутствуют в команде) – адреса операндов или их непосредственные значения.

Таблица. 6. Типы команд

Типы операндов

Состав операндов включает в себя операнды четырёх типов: биты, 4-битные цифры, байты и 16-битные слова.

Микроконтроллер имеет 128 программно-управляемых флагов пользователя. Имеется также возможность адресации отдельных битов блока регистров специальных функций и портов. Для адресации битов используется прямой 8-битный адрес (bit). Косвенная адресация битов невозможна. Карты адресов отдельных битов представлены на рис. 6 .

Четырёхбитные операнды используются только при операциях обмена SWAP и XCHD.

Восьмибитным операндом может быть ячейка памяти программ (ПП) или данных (резидентной (РПД) или внешней (ВПД)), константа (непосредственный операнд), регистры специальных функций, а также порты ввода/вывода. Порты и регистры специальных функций адресуются только прямым способом. Байты памяти могут адресоваться также и косвенным образом через адресные регистры R0, R1, DPTR и PC.

Двухбайтные операнды - это константы и прямые адреса, для представления которых используются второй и третий байты команды.

Рис. 9. Карта адресуемых битов в резидентной памяти данных

Группы команд.

Система команд семейства MCS-51 содержит 111 базовых команд, которые по функциональному признаку можно подразделить на пять:

• пересылки данных;
• арифметических операций;
• логических операций;
• операций над битами;
• передачи управления.

Формат команд - одно-, двух- и трехбайтовый, причем большинство команд (94) имеют формат один или два байта. Первый байт любых типа и формата всегда содержит код операции, второй и третий байты содержат либо адреса операндов, либо непосредственные операнды.

Состав операндов включает в себя операнды четырех типов: биты, ниблы (4 разряда), байты и 16-битные слова. Время исполнения команд составляет 1, 2 или 4 машинных цикла. При тактовой частоте 12 мГц длительность машинного цикла составляет 1 мкс, при этом 64 команды исполняются за 1 мкс, 45 команд - за 2 мкс и 2 команды (умножение и деление) - за 4 мкс.

Набор команд MCS-51 поддерживает следующие режимы адресации.

Прямая адресация (Direct Addressing).Операнд определяется 8-битным адресом в инструкции. Эта адресация используется только для внутренней памяти данных и регистров SFR.

Косвенная адресация (Indirect Addressing).В этом случае инструкция адресует регистр, содержащий адрес операнда. Данный вид адресации может применяться при обращении как к внутреннему, так и внешнему ОЗУ. Для указания 8-битных адресов могут использоваться регистры R0 и R1 выбранного регистрового банка или указатель стека SP.

Для 16-битной адресации используется только регистр "указатель данных" (DPTR - Data Pointer).

Регистровая адресация (Register Instruction).Данная адресация применяется для доступа к регистрам R0+R7 выбранного банка. Команды с регистровой адресацией содержат в байте кода операции трехбитовое поле, определяющее номер регистра. Выбор одного из четырех регистровых банков осуществляется программированием битов селектора банка (RS1, RS0) в PSW.

Непосредственная адресация (Immediate constants).Операнд содержится непосредственно в поле команды вслед за кодом операции и может занимать один или два байта (data₈, data₁₆).

Индексная адресация (Indexed Addressing).Индексная адресация используется при обращении к памяти программ и только при чтении. В этом режиме осуществляется просмотр таблиц в памяти программ. 16-битовый регистр (DPTR или PC) указывает базовый адрес требуемой таблицы, а аккумулятор указывает на точку входа в нее. Адрес элемента таблицы находится сложением базы с индексом (содержимым аккумулятора).

Другой тип индексной адресации применяется в командах "перехода по выбору" (Case Jump). При этом адрес перехода вычисляется как сумма указателя базы и аккумулятора.

Неявная адресация (Register-Specific Instructions).Некоторые инструкции используют индивидуальные регистры (например, операции с аккумулятором, DPTR), при этом данные регистры не имеют адреса, указывающего на них; это заложено в код операции