基于EDA技术的8051单片机指令系统剖析

MCS- 51系列单片机的指令系统是一种简明高效的指令系统，其基本指令共有111条，其中单字节指令49条，双字节指令4'5条，三字节指令17条。如果按功能可以讲这些指令分为五类:数据传送类(29条)、算术操作类(24条)、逻辑操作类(24条)、控制转移类(17条)以及位变量操作类(17条)。对于反向设计而言，我们关心的不是它的各种具体指令的多少而是指令的寻址方式。所谓的寻址方式就是寻找确定参与操作的数的真正地址。MCS-51系列单片机的111条指令一共只采用了5种寻址方式。5种寻址方式以及它们的寻址空间如表1所示。

1.寄存器寻址

寄存器寻址方式可用于访问选定寄存器区的8个工作寄存器RO-R7。由指令操作码的低三位指示所用的寄存器，寄存器A, B, DPTR, AB和Cy位(位处理机的累加器)也可作为寻址对象。在这种寻址方式中被寻址的寄存器的内容就是操作数。

在实现这类寻址方式时，确定被寻址寄存器的物理地址时关键。由于选定寄存器区由PSW的相关位来决定，指令的低三位又指示了具体的寄存器，所以可以用下面的VHDL语句来确定相关寄存器的物理地址:

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表示的是指令代码。物理地址确定以后，对RAM的操作就很好进行。

2.直接寻址

直接寻址是访问特殊功能寄存器的唯一方法。它也可以用于访问内部RAM(128个字节)。采用直接寻址方式的指令是双字节指令，其中第一个字节是操作码，第二个字节是内部RAM或特殊功能寄存器的直接地址。地址已经给出，显然不需要像寄存器寻址那样先计算地址，直接针对由ROM给出地址就可以对RAM进行相关操作。

3.寄存器间接寻址

寄存器间接寻址可用于访问内部RAM或者外部数据存储器。访问访问内部RAM或者外部数据存储器的低256个字节时，可以采用RO或R1作为间址寄存器。这类指令为单字节指令，其最低为表示采用RO还是R1作为间址寄存器。访问内部RAM和外部数据存储器时采用不同的指令，所以不会引起混淆。

访问外部数据存储器，还可用数据指针DPTR作为间址寄存器，DPTR是16位寄存器，故它可对整个外部数据存储器空Il(64K)寻址。

在执行PUSH(压栈)POP(出栈)指令时，也采用寄存器间接寻址，这时堆栈指针SP用作间址寄存器。

实现这类寻址方式必须分为两步，首先确定4个通用工作寄存器区中可以作为间接寻址寄存器的8个单元的地址，然后读出所选定的寄存器中的值，这个值就是当前指令要寻址的空间的物理地址。确定间接寻址寄存器的地址可以由下面的VHDL语句来实现:

ri_adr<=((psw and“00011000”)or(s-command (7downto 0) and“110000000111”)),

其中ri_ adr表示的是用于间接寻址的寄存器的物理地址，s_command表示的是当前指令的操作码。然后通过另外一个读RAM的进程就可以确定间址寄存器中的值，从而得到指令需要的存储器单元的地址。至千其他特殊功能寄存器作为间址寄存器的情况，由于间址寄存器的地址事先已经能够确定，所以这种方式下寻找存储器单元的地址就仅需要上述两步中的后一个步骤就可以确定指令需要的存储器单元的地址。

4.立即寻址

采用立即寻址方式的指令是双字节的，第一个字节是操作码，第二个字节是立即操作数。因此，这种寻址方式实现起来比直接寻址还要容易，操作数就是放在程序存储器内的常数。

5.基址寄存器加变址寄存器间接寻址

这种寻址方式用于访问程序存储器的一个单元，该单元的地址是基址寄存器(DPTR或PC)与变址寄存器A的内容之和。虽然这类寻址方式也是间接寻址，对于使用DPTR作为基址寄存器的情况，它的实现方法和用数据指针DPTR作为间址寄存器时的间接寻址的情况很相似，因为其间址寄存器事实上还是确定的。与用数据指针DPTR作为间址寄存器时的间接寻址的情况有所不同的是，确认最终需要的地址还要进行一次加法运算，这在使用VHDL语言描述的时候是很容易实现的。用PC作为基址寄存器时，需要知道PC当前值，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读出其值，PC并没有被分配地址，不能使用读RAM的方式取得其值，所以内部有必要设置编写这样一个进程，它用于读出那些位于CPU内部、没有分配地址的辅助寄存器的值。

表1 表寻址方式及寻址空间