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。
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关键词 8051单片机 dptr 数据转移执行效率
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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
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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。
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