摘要 首先對比分析在執(zhí)行大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移時，傳統(tǒng)8051單片機和進行DPTR擴展后的8051單片機在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移執(zhí)行效率上的差別。通過詳細分析DPTR操作所涉及的因素，具體實現(xiàn)對DPTR的擴展，并進行實際仿真測試。
關(guān)鍵詞 8051單片機 DPTR 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移執(zhí)行效率

　　單片機的出現(xiàn)是計算機技術(shù)發(fā)展史上的一個里程碑，它使計算機從海量數(shù)值計算進入到控制領(lǐng)域。在單片機中，以8051系列最為經(jīng)典，至今仍是最普及、廣泛使用的8位MCU架構(gòu)。業(yè)界許多技術(shù)人員在其基礎(chǔ)上不斷進行性能擴展，使得8051系列芯片不斷完善，從而形成一個龐大的體系。在傳統(tǒng)的8051系列單片機中，設(shè)置了一組雙字節(jié)寄存器（數(shù)據(jù)指針DPTR），用于訪問外接的64 KB數(shù)據(jù)存儲器和I/O接口電路；但在現(xiàn)今的8051單片機應(yīng)用中，特別是在嵌入式系統(tǒng)中，往往涉及大規(guī)模的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移操作，而傳統(tǒng)8051的一組數(shù)據(jù)指針使用起來則顯得捉襟見肘，因此若在8051設(shè)計中將數(shù)據(jù)指針設(shè)計為兩組或多組，則在執(zhí)行大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移操作時會相當簡便、迅速。在這種背景下，本文首先以數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移執(zhí)行效率為衡量標準，分析了DPTR擴展的意義，并在Oregano公司的MCS8051核[1]上實現(xiàn)了DPTR擴展。

1  DPTR擴展意義

　　為描述8051中的DPTR擴展的意義，我們針對實現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，分別對DPTR擴展前后作了對比。為使對比更加清晰明了，提出了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移執(zhí)行效率的概念。

　　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移執(zhí)行效率v定義為進行單字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移所耗費的機器周期數(shù)，即v=nt。其中，n表示所轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；t表示所耗費的機器周期，可設(shè)定其單位為字節(jié)/機器周期。

　　在未進行DPTR擴展的8051中，可通過設(shè)置地址緩沖區(qū)的方法來實現(xiàn)大規(guī)模的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。具體的例程如下：

　　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用于存放數(shù)據(jù)源地址s_adr(s_adrh為高字節(jié), s_adrl為低字節(jié))，52H、53H用于存放數(shù)據(jù)目的地址t_adr(t_adrh為高字節(jié), t_adrl為低字節(jié))，實現(xiàn)將源地址起始64字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至目的地址。在8051中，執(zhí)行n字節(jié)數(shù)據(jù)移位操作耗費（14+28×n+2）個機器周期，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移執(zhí)行效率為v=n/（14+28×n+2）。在本例程中，n為64，計算得出共需耗費1 808個機器周期，執(zhí)行效率v約為0.035 4字節(jié)/機器周期，而且在此實現(xiàn)方法中需占用8051的4個片內(nèi)存儲器（RAM）單元。

　　如8051中擁有兩組DPTR，并可通過特殊指令來實現(xiàn)DPTR選取?？稍O(shè)定SETDPTR0指令表示選取DPTR0，SETDPTR1指令表示選取DPTR1，#s_adr表示數(shù)據(jù)源地址，#t_adr表示數(shù)據(jù)目的地址，則程序可設(shè)計為：

　　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， 對于特殊指令SETDPTR0和SETDPTR1，可通過設(shè)置特殊功能寄存器(SFR)以表示DPTR狀態(tài)，并對此SFR進行操作，以實現(xiàn)DPTR選取。因此DPTR選取指令可由3字節(jié)指令實現(xiàn)，則在兩組DPTR情況下執(zhí)行大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移需耗費（14+12×n+2）個機器周期，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移執(zhí)行效率為v=n/（14+12×n+2)。在本例程中，執(zhí)行64字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移需耗費784個機器周期，執(zhí)行效率約為0.085 64字節(jié)/機器周期。

　　通過以上對比發(fā)現(xiàn)，擁用兩組DPTR的8051比傳統(tǒng)8051在大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸時的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移執(zhí)行效率比為（14+28×n+2）/（14+12×n+2）。由圖1可知，隨著所轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)量的不斷加大，即n值增大時，執(zhí)行效率比也不斷增大，且最后趨近于2.33。

圖1  數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移執(zhí)行效率對比圖

　　經(jīng)過以上分析得出：在8051中設(shè)置兩組DPTR將會使其在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移執(zhí)行效率上有很大提高。從資源占用方面考慮，使用擴展DPTR的方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，僅需在8051中添加一個SFR，因此在8051中實現(xiàn)DPTR擴展，可在資源占用很少的條件下，明顯加快數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移速率。這對于在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中，進行大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移意義重大。

2  具體設(shè)計實現(xiàn)

　　在8051中對DPTR實現(xiàn)擴展，首先需要對DPTR的相關(guān)指令進行分析，再確定對其進行擴展會影響到哪些指令操作；并根據(jù)其所涉及的指令，分析相應(yīng)的模塊，最后針對各模塊分別進行設(shè)計修改。

2.1  相關(guān)指令分析

　　在8051標準指令集的111條指令中，與DPTR有關(guān)的指令共有5類，分別為：

　?、?nbsp; 程序存儲器查表指令，“MOVC A,@A+DPTR”；
　　②  片外RAM傳送指令，“MOVX A, @DPTR”和“MOVX @ DPTR , A”；
　?、?nbsp; 寄存器數(shù)據(jù)傳送指令，即可對DPTR進行讀寫操作，在8051中DPTR由DPH（DPTR高8位字節(jié)）和DPL（DPTR低8位字節(jié)）構(gòu)成，且DPH和DPL與一般的SFR一樣，都可作為寄存器進行讀寫、壓棧等操作；
　　④  程序轉(zhuǎn)移指令，“JMP @A+DPTR”;
　?、?nbsp; 運算指令，可分別對DPH和DPL進行運算操作。

　　通過對以上與DPTR相關(guān)的5類指令分析可知：第③類指令和第⑤類指令是將DPTR作為SFR進行操作的。第①類指令和第④類指令都是DPTR與PC指針進行的數(shù)據(jù)傳送操作；第②類指令是對片外RAM地址寄存器進行的數(shù)據(jù)傳送操作。因此，DPTR的操作具體涉及8051中以下3個模塊：SFR讀寫模塊、PC指針模塊及片外RAM地址模塊，故對DPTR的擴展也在這3個模塊中進行。

2.2  具體模塊設(shè)計

　　對于DPTR狀態(tài)寄存器可設(shè)為dptr_sel，通過對DPTR狀態(tài)標志位dps操作，實現(xiàn)DPTR選取。當dps＝0時，選取DPTR0；當dps＝1時，選取DPTR1。在8051中，DPTR分別由DPH和DPL組成，因此對DPTR的選取實際上是對特殊功能寄存器DPH0、DPL0和DPH1、DPL1的選取。

　　基于以上的設(shè)計思路，筆者分別在涉及DPTR操作的3個模塊中進行了相應(yīng)的修改。本設(shè)計所選用MCS8051核由VHDL語言設(shè)計，完全兼容標準8051指令集。

　　在SFR讀寫模塊中，應(yīng)針對讀、寫模塊分別進行修改。通過分析MCS8051設(shè)計代碼可知，對于DPTR的讀操作，是通過將DPTR中數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)暫存寄存器S_REGDATA，再通過對S_REGDATA進行讀操作來實現(xiàn)的，因此可在進行DPTR數(shù)據(jù)暫存前，利用選擇位dps來對DPTR進行選取。具體示意如圖2所示。

　　在對DPTR進行寫操作時，實際上是對DPH和DPL進行操作（DPH地址為83H，DPL地址為82H），因此對DPTR進行寫操作時需對DPH和DPL分別進行操作。在MCS8051中對SFR的寫操作，實際上是先將要寫入的數(shù)據(jù)暫存在S_DATA寄存器中，再通過將S_DATA數(shù)據(jù)分別寫入DPH和DPL來實現(xiàn)的。因此可在S_DATA數(shù)據(jù)寫入前對DPTR0和DPTR1進行選擇判斷，來實現(xiàn)對DPTR0和DPTR1的寫操作，即dps＝1時，將S_DATA數(shù)據(jù)寫入DPH1和DPL1；dps＝0時，將S_DATA數(shù)據(jù)寫入DPH0和DPL0，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2  DPTR讀模塊示意圖　　　　圖3  DPTR寫模塊結(jié)構(gòu)圖

　　在PC指針模塊和片外RAM地址模塊中，由于也是涉及DPTR的讀操作，因此該模塊的修改與SFR讀模塊中的修改類似，也是利用dps來實現(xiàn)DPTR0、DPTR1的選取。

3  仿真測試

　　在MCS8051中，針對以上3個模塊分別作了修改，將DPTR擴展為兩組，通過對DPTR_SEL（設(shè)定為SFR的E1H）中DPTR狀態(tài)標志位dps進行操作，來實現(xiàn)對DPTR0和DPTR1的選取，并利用仿真軟件Modelsim6.0進行了仿真測試。由于在實現(xiàn)DPTR擴展時主要針對SFR讀寫模塊、PC指針模塊和片外RAM地址模塊這3個模塊進行了修改，因此對于DPTR擴展的仿真測試也分3個模塊進行。

3.1  針對SFR讀寫模塊的測試

　　該模塊的測試主要為測試DPTR0和DPTR1的數(shù)據(jù)傳輸。首先對DPTR狀態(tài)標志dps位進行操作，分別選取DPTR0和DPTR1；其次分別對其進行寫操作；最后將DPTR0和DPTR1中數(shù)據(jù)值依次輸出寄存器A中。具體波形如圖4所示。

圖4  SFR讀寫測試波形

　　由圖4可知，在執(zhí)行指令75E100前后（即將dps復(fù)位,選取DPTR0），DPH和DPL輸出（執(zhí)行指令E583,E582）到寄存器A中的值不同。指令75E100執(zhí)行前DPH輸出為55，DPL輸出為66，執(zhí)行后輸出分別為11和22，因此表明通過dps進行DPTR選取，讀寫操作無誤，即對SFR讀寫模塊的修改無誤。

3.2  針對PC指針的數(shù)據(jù)查表測試

　　針對此模塊，進行了一個查表測試，即向DPTR0和DPTR1中分別寫入data1和data2兩個數(shù)據(jù)表的地址；而后利用dps選取DPTR0和DPTR1，再分別對其進行數(shù)據(jù)查表輸出。具體波形如圖5所示。

圖5  PC指針的數(shù)據(jù)查表波形

　　選取DPTR1（已存入data2地址，執(zhí)行指令75E180）后，將寄存器A清零(執(zhí)行指令7400)，并將查表數(shù)據(jù)輸出（執(zhí)行指令93），輸出數(shù)據(jù)為11H；而后選取DPTR0,再次將寄存器A清零，并進行查表輸出，輸出數(shù)據(jù)為44H。對比可發(fā)現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)與表中數(shù)據(jù)一致。由此表明，通過dps選取DPTR0和DPTR1，進行數(shù)據(jù)查表操作無誤，即對PC指針模塊的修改無誤。

3.3  片外RAM數(shù)據(jù)讀寫測試

　　對于片外RAM數(shù)據(jù)讀寫測試，即大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，測試方案為：首先將DPTR0和DPTR1中分別寫入地址adr0和adr1,再分別對這兩個地址寫入數(shù)據(jù)，最后將這兩個地址的數(shù)據(jù)通過DPTR0和DPTR1讀出，將讀出的結(jié)果與寫入結(jié)果對比，具體測試波形如圖6所示。

圖6  片外RAM數(shù)據(jù)讀寫波形

　　將dps置位（執(zhí)行指令75E180）選取DPTR1后，將片外RAM中adr1數(shù)據(jù)讀出，輸出數(shù)據(jù)為77H；將dps復(fù)位（執(zhí)行指令75E100）選取DPTR0后,將adr0數(shù)據(jù)讀出，輸出數(shù)據(jù)為44H。經(jīng)對比可發(fā)現(xiàn)與所寫入的數(shù)據(jù)一致。由此可表明，通過dps選擇DPTR0和DPTR1對片外RAM進行數(shù)據(jù)讀寫無誤，即表明對片外RAM地址模塊的修改無誤。

3.4  FPGA仿真測試

　　基于MCS8051這款8051微控制器，我們還進行了實際的FPGA仿真測試。首先利用RS232接口，在從計算機上將大規(guī)模數(shù)據(jù)接收并寫入到MCS8051片外RAM的地址adr0中；再利用例程2所給方法，進行大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移寫入到地址adr1中；最后通過RS232接口將adr1中數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機。通過對比發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，筆者對于DPTR的擴展無誤。

結(jié)語

　　通過擴展DPTR可使8051在大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移時的執(zhí)行效率大大提高，這使得采用擴展8051作為微控制器的嵌入式系統(tǒng)，在大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移時，其處理速度將大大提高。利用文中所闡述的方法也可將DPTR擴展為多組，但其具體應(yīng)用意義尚需進一步探討。

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楊磊(碩士研究生)，主要研究方向為密碼系統(tǒng)芯片設(shè)計；
張遠洋（碩士研究生），主要研究方向為密碼工程與應(yīng)用；
李崢（副教授），主要研究方向為信息安全理論與技術(shù)。