8051单片机中DPTR的扩展设计

摘要 首先对比分析在执行大规模数据转移时，传统8051单片机和进行DPTR扩展后的8051单片机在数据转移执行效率上的差别。通过详细分析DPTR操作所涉及的因素，具体实现对DPTR的扩展，并进行实际仿真测试。
关键词 8051单片机 DPTR 数据转移执行效率

　　单片机的出现是计算机技术发展史上的一个里程碑，它使计算机从海量数值计算进入到控制领域。在单片机中，以8051系列最为经典，至今仍是最普及、广泛使用的8位MCU架构。业界许多技术人员在其基础上不断进行性能扩展，使得8051系列芯片不断完善，从而形成一个庞大的体系。在传统的8051系列单片机中，设置了一组双字节寄存器（数据指针DPTR），用于访问外接的64 KB数据存储器和I/O接口电路；但在现今的8051单片机应用中，特别是在嵌入式系统中，往往涉及大规模的数据转移操作，而传统8051的一组数据指针使用起来则显得捉襟见肘，因此若在8051设计中将数据指针设计为两组或多组，则在执行大规模数据转移操作时会相当简便、迅速。在这种背景下，本文首先以数据转移执行效率为衡量标准，分析了DPTR扩展的意义，并在Oregano公司的MCS8051核[1]上实现了DPTR扩展。

1  DPTR扩展意义

　　为描述8051中的DPTR扩展的意义，我们针对实现大规模数据转移，分别对DPTR扩展前后作了对比。为使对比更加清晰明了，提出了数据转移执行效率的概念。

　　数据转移执行效率v定义为进行单字节数据转移所耗费的机器周期数，即v=nt。其中，n表示所转移数据字节数；t表示所耗费的机器周期，可设定其单位为字节/机器周期。

　　在未进行DPTR扩展的8051中，可通过设置地址缓冲区的方法来实现大规模的数据转移。具体的例程如下：

　　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用于存放数据源地址s_adr(s_adrh为高字节, s_adrl为低字节)，52H、53H用于存放数据目的地址t_adr(t_adrh为高字节, t_adrl为低字节)，实现将源地址起始64字节数据转移至目的地址。在8051中，执行n字节数据移位操作耗费（14+28×n+2）个机器周期，数据转移执行效率为v=n/（14+28×n+2）。在本例程中，n为64，计算得出共需耗费1 808个机器周期，执行效率v约为0.035 4字节/机器周期，而且在此实现方法中需占用8051的4个片内存储器（RAM）单元。

　　如8051中拥有两组DPTR，并可通过特殊指令来实现DPTR选取。可设定SETDPTR0指令表示选取DPTR0，SETDPTR1指令表示选取DPTR1，#s_adr表示数据源地址，#t_adr表示数据目的地址，则程序可设计为：

　　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， 对于特殊指令SETDPTR0和SETDPTR1，可通过设置特殊功能寄存器(SFR)以表示DPTR状态，并对此SFR进行操作，以实现DPTR选取。因此DPTR选取指令可由3字节指令实现，则在两组DPTR情况下执行大规模数据转移需耗费（14+12×n+2）个机器周期，数据转移执行效率为v=n/（14+12×n+2)。在本例程中，执行64字节数据转移需耗费784个机器周期，执行效率约为0.085 64字节/机器周期。

　　通过以上对比发现，拥用两组DPTR的8051比传统8051在大规模数据传输时的数据转移执行效率比为（14+28×n+2）/（14+12×n+2）。由图1可知，随着所转移数据量的不断加大，即n值增大时，执行效率比也不断增大，且最后趋近于2.33。

图1  数据转移执行效率对比图

　　经过以上分析得出：在8051中设置两组DPTR将会使其在数据转移执行效率上有很大提高。从资源占用方面考虑，使用扩展DPTR的方式来实现数据转移，仅需在8051中添加一个SFR，因此在8051中实现DPTR扩展，可在资源占用很少的条件下，明显加快数据转移速率。这对于在嵌入式系统应用中，进行大规模数据转移意义重大。

2  具体设计实现

　　在8051中对DPTR实现扩展，首先需要对DPTR的相关指令进行分析，再确定对其进行扩展会影响到哪些指令操作；并根据其所涉及的指令，分析相应的模块，最后针对各模块分别进行设计修改。

2.1  相关指令分析

　　在8051标准指令集的111条指令中，与DPTR有关的指令共有5类，分别为：

　　①  程序存储器查表指令，“MOVC A,@A+DPTR”；
　　②  片外RAM传送指令，“MOVX A, @DPTR”和“MOVX @ DPTR , A”；
　　③  寄存器数据传送指令，即可对DPTR进行读写操作，在8051中DPTR由DPH（DPTR高8位字节）和DPL（DPTR低8位字节）构成，且DPH和DPL与一般的SFR一样，都可作为寄存器进行读写、压栈等操作；
　　④  程序转移指令，“JMP @A+DPTR”;
　　⑤  运算指令，可分别对DPH和DPL进行运算操作。

　　通过对以上与DPTR相关的5类指令分析可知：第③类指令和第⑤类指令是将DPTR作为SFR进行操作的。第①类指令和第④类指令都是DPTR与PC指针进行的数据传送操作；第②类指令是对片外RAM地址寄存器进行的数据传送操作。因此，DPTR的操作具体涉及8051中以下3个模块：SFR读写模块、PC指针模块及片外RAM地址模块，故对DPTR的扩展也在这3个模块中进行。

2.2  具体模块设计

　　对于DPTR状态寄存器可设为dptr_sel，通过对DPTR状态标志位dps操作，实现DPTR选取。当dps＝0时，选取DPTR0；当dps＝1时，选取DPTR1。在8051中，DPTR分别由DPH和DPL组成，因此对DPTR的选取实际上是对特殊功能寄存器DPH0、DPL0和DPH1、DPL1的选取。

　　基于以上的设计思路，笔者分别在涉及DPTR操作的3个模块中进行了相应的修改。本设计所选用MCS8051核由VHDL语言设计，完全兼容标准8051指令集。

　　在SFR读写模块中，应针对读、写模块分别进行修改。通过分析MCS8051设计代码可知，对于DPTR的读操作，是通过将DPTR中数据传送给数据暂存寄存器S_REGDATA，再通过对S_REGDATA进行读操作来实现的，因此可在进行DPTR数据暂存前，利用选择位dps来对DPTR进行选取。具体示意如图2所示。

　　在对DPTR进行写操作时，实际上是对DPH和DPL进行操作（DPH地址为83H，DPL地址为82H），因此对DPTR进行写操作时需对DPH和DPL分别进行操作。在MCS8051中对SFR的写操作，实际上是先将要写入的数据暂存在S_DATA寄存器中，再通过将S_DATA数据分别写入DPH和DPL来实现的。因此可在S_DATA数据写入前对DPTR0和DPTR1进行选择判断，来实现对DPTR0和DPTR1的写操作，即dps＝1时，将S_DATA数据写入DPH1和DPL1；dps＝0时，将S_DATA数据写入DPH0和DPL0，具体结构如图3所示。

图2  DPTR读模块示意图　　　　图3  DPTR写模块结构图

　　在PC指针模块和片外RAM地址模块中，由于也是涉及DPTR的读操作，因此该模块的修改与SFR读模块中的修改类似，也是利用dps来实现DPTR0、DPTR1的选取。

3  仿真测试

　　在MCS8051中，针对以上3个模块分别作了修改，将DPTR扩展为两组，通过对DPTR_SEL（设定为SFR的E1H）中DPTR状态标志位dps进行操作，来实现对DPTR0和DPTR1的选取，并利用仿真软件Modelsim6.0进行了仿真测试。由于在实现DPTR扩展时主要针对SFR读写模块、PC指针模块和片外RAM地址模块这3个模块进行了修改，因此对于DPTR扩展的仿真测试也分3个模块进行。

3.1  针对SFR读写模块的测试

　　该模块的测试主要为测试DPTR0和DPTR1的数据传输。首先对DPTR状态标志dps位进行操作，分别选取DPTR0和DPTR1；其次分别对其进行写操作；最后将DPTR0和DPTR1中数据值依次输出寄存器A中。具体波形如图4所示。

图4  SFR读写测试波形

　　由图4可知，在执行指令75E100前后（即将dps复位,选取DPTR0），DPH和DPL输出（执行指令E583,E582）到寄存器A中的值不同。指令75E100执行前DPH输出为55，DPL输出为66，执行后输出分别为11和22，因此表明通过dps进行DPTR选取，读写操作无误，即对SFR读写模块的修改无误。

3.2  针对PC指针的数据查表测试

　　针对此模块，进行了一个查表测试，即向DPTR0和DPTR1中分别写入data1和data2两个数据表的地址；而后利用dps选取DPTR0和DPTR1，再分别对其进行数据查表输出。具体波形如图5所示。

图5  PC指针的数据查表波形

　　选取DPTR1（已存入data2地址，执行指令75E180）后，将寄存器A清零(执行指令7400)，并将查表数据输出（执行指令93），输出数据为11H；而后选取DPTR0,再次将寄存器A清零，并进行查表输出，输出数据为44H。对比可发现输出数据与表中数据一致。由此表明，通过dps选取DPTR0和DPTR1，进行数据查表操作无误，即对PC指针模块的修改无误。

3.3  片外RAM数据读写测试

　　对于片外RAM数据读写测试，即大规模数据转移，测试方案为：首先将DPTR0和DPTR1中分别写入地址adr0和adr1,再分别对这两个地址写入数据，最后将这两个地址的数据通过DPTR0和DPTR1读出，将读出的结果与写入结果对比，具体测试波形如图6所示。

图6  片外RAM数据读写波形

　　将dps置位（执行指令75E180）选取DPTR1后，将片外RAM中adr1数据读出，输出数据为77H；将dps复位（执行指令75E100）选取DPTR0后,将adr0数据读出，输出数据为44H。经对比可发现与所写入的数据一致。由此可表明，通过dps选择DPTR0和DPTR1对片外RAM进行数据读写无误，即表明对片外RAM地址模块的修改无误。

3.4  FPGA仿真测试

　　基于MCS8051这款8051微控制器，我们还进行了实际的FPGA仿真测试。首先利用RS232接口，在从计算机上将大规模数据接收并写入到MCS8051片外RAM的地址adr0中；再利用例程2所给方法，进行大规模数据转移，将数据转移写入到地址adr1中；最后通过RS232接口将adr1中数据发送到计算机。通过对比发送和接收的数据发现，笔者对于DPTR的扩展无误。

结语

　　通过扩展DPTR可使8051在大规模数据转移时的执行效率大大提高，这使得采用扩展8051作为微控制器的嵌入式系统，在大规模数据转移时，其处理速度将大大提高。利用文中所阐述的方法也可将DPTR扩展为多组，但其具体应用意义尚需进一步探讨。

参考文献

[1]  http://oregano.at/ip/ip12.htm.
[2]  卢毅，赖杰. VHDL与数字电路设计[M]. 北京：科学出版社，2001:99139.
[3]  吴炳胜，王桂梅.  80C51单片机原理与应用[M]. 北京：冶金工业出版社，2001.
[4]  王春玲. VHDL设计中电路优化问题探讨[J]. 单片机与嵌入式系统应用,2006(1):6971.
[5]  关华深，罗春，罗明清. 一款SoC的功能测试系统的设计[J]. 电子工程师,2005(4):1618.

杨磊(硕士研究生)，主要研究方向为密码系统芯片设计；
张远洋（硕士研究生），主要研究方向为密码工程与应用；
李峥（副教授），主要研究方向为信息安全理论与技术。