Система команд 8051 (MCS-51)

Регистры, которые видит программист

Аккумулятор A (в SFR — ACC, адрес E0h) — источник и приёмник большинства операций. Регистр B (F0h) нужен командам MUL и DIV, в остальном это обычная ячейка. Восемь рабочих регистров R0–R7 лежат в начале внутренней памяти данных, причём таких наборов четыре — банки с адресами 00h–07h, 08h–0Fh, 10h–17h и 18h–1Fh. Текущий банк выбирают биты RS1 и RS0 регистра PSW, после сброса включён банк 0.

16-битный указатель данных DPTR состоит из DPH (83h) и DPL (82h) и служит адресом для команд MOVX, MOVC и JMP @A+DPTR. Указатель стека SP (81h) после сброса равен 07h, стек растёт вверх и находится во внутренней памяти: PUSH сначала увеличивает SP, затем записывает байт, поэтому первый сохранённый байт попадает в ячейку 08h — регистр R0 банка 1. Если банки 1–3 нужны, SP переносят выше командой вроде MOV SP, #2Fh.

Регистр состояния PSW (D0h) хранит флаги (руководство Intel, глава 2):

Флаги меняют только команды ADD, ADDC и SUBB (C, OV, AC), MUL и DIV (C сбрасывается, OV по результату), DA, RRC и RLC (C), команды с операндом C — CLR, SETB, CPL, ANL, ORL, MOV C, bit — и CJNE (C). INC, DEC, DJNZ, логические операции над байтами и пересылки флаги C, OV и AC не трогают. Запись в PSW как в обычный байт, конечно, меняет и флаги.

Режимы адресации

Прямой и косвенный способы различают одно и то же значение адреса. У кристаллов с 256 байтами внутреннего ОЗУ, например 8052, старшие 128 байтов (80h–FFh) доступны только косвенно, а регистры SFR с теми же адресами — только прямо (руководство Intel, глава 1). Стек тоже обращается к памяти косвенно, поэтому может занимать старшие 128 байтов, но не пространство SFR.

Арифметика

Команды вычитания без заёма нет — перед первой SUBB флаг C сбрасывают командой CLR C. Уменьшить DPTR тоже нельзя: INC DPTR — единственный 16-битный инкремент. OV при сложении устанавливается, когда сумма двух положительных чисел со знаком получилась отрицательной или наоборот; у MUL — когда произведение больше 255; у DIV — при делении на ноль.

Логические операции

Логические команды флаги не меняют (кроме чётности P, которая всегда следует за аккумулятором), RLC и RRC меняют только C. Формы с адресом direct позволяют маскировать биты порта или SFR без участия аккумулятора: ANL P1, #0F0h обнуляет младшие четыре линии порта 1 одной командой.

Пересылка данных

MOV direct, direct пересылает байт между любыми ячейками внутреннего ОЗУ и SFR, минуя аккумулятор. MOVX с адресом в R0 или R1 выставляет на порт P0 только 8 бит адреса; старшие разряды при необходимости задают через другой порт заранее, отдельной командой. В MOVC A, @A+PC к аккумулятору прибавляется адрес уже следующей команды, поэтому таблица должна начинаться не дальше 255 байтов после неё — обычно её ставят сразу за подпрограммой чтения. PUSH и POP адресуют сохраняемый байт только прямо: регистр R0 текущего банка сохраняют по его адресу, например PUSH 00h для банка 0, а аккумулятор — как PUSH ACC.

Битовые команды

Косая черта в ANL C, /bit означает, что берётся инверсия бита, сам бит не меняется. JBC удобна для флагов событий: проверка и сброс выполняются одной неделимой командой, и прерывание не может вклиниться между ними.

Переходы и подпрограммы

У AJMP и ACALL старшие 5 бит адреса берутся из счётчика команд, 3 бита — из кода операции, остальные 8 — из второго байта: поэтому для каждой из этих команд в таблице кодов 8 разных кодов (01h, 21h … E1h и 11h, 31h … F1h). CJNE, кроме перехода, устанавливает C, если первый операнд меньше второго как беззнаковое число, — так 8051 выполняет сравнение «больше-меньше». DJNZ флаги не меняет, значение 00h переходит в FFh. RETI, в отличие от RET, ещё и снимает блокировку прерываний того же уровня приоритета; PSW она не восстанавливает — его сохраняет и восстанавливает сам обработчик.

Карта кодов операций

Время выполнения

Длительность команды в машинных циклах переводится во время умножением на 12 периодов генератора: при кварце 12 МГц цикл равен 1 мкс, при 11,0592 МГц — около 1,085 мкс. Простой цикл задержки:

        MOV  R7, #250      ; 1 cycle
WAIT:   DJNZ R7, WAIT      ; 2 cycles, 250 times

занимает 1 + 250 · 2 = 501 машинный цикл — 501 мкс при 12 МГц. Сама команда LCALL и возврат RET добавят ещё по 2 цикла, если задержка оформлена подпрограммой. У современных совместимых кристаллов с ускоренным ядром число тактов на команду другое — для них цикл задержки пересчитывают по таблице из даташита конкретной микросхемы.

Примеры

Сложение 16-битных чисел R1:R0 и R3:R2 с результатом в R1:R0:

        MOV  A, R0
        ADD  A, R2         ; low bytes, C = carry out
        MOV  R0, A
        MOV  A, R1
        ADDC A, R3         ; high bytes plus carry
        MOV  R1, A         ; C = 1 if the sum does not fit in 16 bits

Таблица констант в памяти программ — квадрат числа 0–7:

        MOV  DPTR, #SQUARES
        MOVC A, @A+DPTR    ; A = SQUARES[A]
        ; ...
SQUARES: DB  0, 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49

Сравнение «меньше» с помощью CJNE:

        CJNE A, #40, CHECK ; C = 1 if A < 40 (unsigned)
CHECK:  JC   BELOW         ; A < 40
        ; A >= 40 here

Если A равно 40, CJNE не переходит, но следующая команда — та же метка CHECK, и C при этом сброшен.

Ветвление по номеру в аккумуляторе через таблицу переходов:

        RL   A             ; AJMP takes 2 bytes: index * 2
        MOV  DPTR, #TABLE
        JMP  @A+DPTR
TABLE:  AJMP CASE0
        AJMP CASE1
        AJMP CASE2
        AJMP CASE3

Двоично-десятичное сложение:

        MOV  A, #29h       ; BCD 29
        ADD  A, #14h       ; binary result 3Dh
        DA   A             ; A = 43h, that is BCD 43

Логика над битами без ветвлений — вывод P1.0 = P3.2 AND NOT F0:

        MOV  C, P3.2
        ANL  C, /F0
        MOV  P1.0, C

Частые ошибки

• AJMP или ACALL за пределы блока 2 КБ. Адрес назначения должен лежать в том же блоке, что и следующая команда; ассемблер выдаст ошибку, но при переносе кода её легко получить. LJMP и LCALL длиннее на байт, зато работают с любым адресом.
• SUBB без CLR C. Если флаг переноса остался от предыдущей операции, результат окажется на единицу меньше.
• Прямая адресация вместо косвенной для старших 128 байтов. MOV 90h, #55h записывает в порт P1 — регистр SFR с адресом 90h, а MOV R0, #90h и затем MOV @R0, #55h — в ячейку 90h внутреннего ОЗУ кристалла с 256 байтами памяти.
• Стек поверх банков регистров. После сброса SP = 07h, и стек растёт прямо в банк 1. Если используются банки 1–3 или битовая область 20h–2Fh, SP нужно перенести в начале программы.
• Чтение порта командами read-modify-write. ANL, ORL, XRL, JBC, CPL, INC, DEC, DJNZ, MOV Px.y, C, CLR Px.y и SETB Px.y, когда операнд — порт или его бит, читают защёлку порта, а не уровень на выводе (руководство Intel, глава 3). Так сделано, чтобы вывод, нагруженный, например, на базу транзистора, не читался как 0. Состояние самого вывода читают командами вроде MOV A, P1 и MOV C, P1.0.
• RET вместо RETI в обработчике прерывания. Возврат произойдёт, но контроллер прерываний будет считать обработчик незавершённым, и прерывания того же и более низкого приоритета больше не придут.
• Деление на ноль. DIV AB с B = 0 устанавливает OV, а A и B после неё не определены — проверяйте OV или делитель заранее.

Память, регистры SFR, таймеры, UART и прерывания описаны в статье об архитектуре 8051, обзор семейства и отличия 8051, 8052, AT89S52 и AT89C2051 — на странице «Микроконтроллеры 8051». Для сравнения: система команд AVR разобрана на странице «Система команд AVR», а Thumb-2 ядер Cortex-M — на странице Thumb-2.