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嵌入式系统 - 寄存器

寄存器用于在 CPU 中临时存储信息，这些信息可能是要处理的数据，也可能是指向要获取的数据的地址。在 8051 中，有一种数据类型是 8 位，从 MSB（最高有效位）D7 到 LSB（最低有效位）D0。对于 8 位数据类型，任何大于 8 位的数据类型在处理之前都必须分成 8 位块。

8051 中最广泛使用的寄存器是 A（累加器）、B、R0-R7、DPTR（数据指针）和 PC（程序计数器）。除 DPTR 和 PC 外，所有这些寄存器都是 8 位的。

8051 中的存储寄存器

我们将在这里讨论以下类型的存储寄存器 −

  • 累加器
  • R 寄存器
  • B 寄存器
  • 数据指针 (DPTR)
  • 程序计数器 (PC)
  • 堆栈指针 (SP)

累加器

累加器，即寄存器 A，用于所有算术和逻辑运算。如果没有累加器，则每次计算（加法、乘法、移位等）的每个结果都将存储到主存储器中。访问主存储器比访问寄存器（如累加器）慢，因为用于大型主存储器的技术比用于寄存器的技术慢（但更便宜）。

"R"寄存器

"R"寄存器是一组八个寄存器，即 R0、R1 至 R7。这些寄存器在许多操作中用作辅助或临时存储寄存器。考虑 10 和 20 之和的示例。将变量 10 存储在累加器中，将另一个变量 20 存储在寄存器 R4 中。要处理加法运算，请执行以下命令 −

ADD A,R4

执行此指令后，累加器将包含值 30。因此，"R"寄存器是非常重要的辅助寄存器或辅助寄存器。如果没有这些"R"寄存器，累加器本身就没什么用。"R"寄存器用于临时存储值。

让我们再举一个例子。我们将 R1 和 R2 中的值相加，然后从结果中减去 R3 和 R4 的值。

MOV A,R3 ;将 R3 的值移入累加器
ADD A,R4 ;添加 R4 的值
MOV R5,A ;将结果值暂时存储在 R5 中
MOV A,R1 ;将 R1 的值移入累加器
ADD A,R2 ;添加 R2 的值
SUBB A,R5 ;减去 R5 的值（现在包含 R3 + R4）

如您所见，我们使用 R5 暂时保存 R3 和 R4 的总和。当然，这不是计算 (R1 + R2) – (R3 + R4) 的最有效方法，但它确实说明了使用"R"寄存器作为临时存储值的方法。

8 位寄存器

"B"寄存器

"B"寄存器与累加器非常相似，因为它可以保存 8 位（1 字节）值。"B"寄存器仅由两个 8051 指令使用：MUL AB 和 DIV AB。要快速轻松地将 A 乘以或除以另一个数字，您可以将另一个数字存储在"B"中并使用这两个指令。除了使用 MUL 和 DIV 指令外，"B"寄存器还经常用作另一个临时存储寄存器，就像第九个 R 寄存器一样。

数据指针

数据指针 (DPTR) 是 8051 中唯一可供用户访问的 16 位（2 字节）寄存器。累加器、R0–R7 寄存器和 B 寄存器是 1 字节值寄存器。DPTR 用于指向数据。8051 使用它通过 DPTR 指示的地址访问外部存储器。DPTR 是唯一可用的 16 位寄存器，通常用于存储 2 字节值。

程序计数器

程序计数器 (PC) 是一个 2 字节地址，它告诉 8051 下一个要执行的指令在内存中的位置。8051 初始化时，PC 从 0000h 开始，每次执行指令后都会递增。PC 并不总是递增 1。某些指令可能需要 2 或 3 个字节；在这种情况下，PC 将递增 2 或 3。

分支、跳转和中断操作会将程序计数器加载到下一个连续位置以外的地址。激活上电复位将导致寄存器中的所有值丢失。这意味着 PC 的值在复位时为 0，从而强制 CPU 从 ROM 位置 0000 获取第一个操作码。这意味着我们必须将上行代码的第一个字节放在 ROM 位置 0000 中，因为这是 CPU 期望找到第一条指令的位置。

堆栈指针 (SP)

堆栈指针与除 DPTR 和 PC 之外的所有寄存器一样，可以保存 8 位（1 字节）值。堆栈指针指示下一个值从堆栈中移除的位置。当将值推送到堆栈上时，SP 的值会增加，然后将该值存储在结果内存位置。当从堆栈中弹出值时，该值会从 SP 指示的内存位置返回，然后 SP 的值会减少。

此操作顺序很重要。初始化 8051 时，SP 将被初始化为 07h。如果同时将一个值推送到堆栈，则该值将存储在内部 RAM 地址 08h 中，因为 8051 将首先增加 SP 的值（从 07h 到 08h），然后将推送的值存储在该内存地址（08h）中。8051 通过六条指令直接修改 SP：PUSH、POP、ACALL、LCALL、RET 和 RETI。

8051 中的 ROM 空间

8051 的一些家族成员只有 4K 字节的片上 ROM（例如 8751、AT8951）；一些有 8K ROM，如 AT89C52，还有一些家族成员有 32K 字节和 64K 字节的片上 ROM，如 Dallas Semiconductor。需要记住的是，8051 系列的任何成员都无法访问超过 64K 字节的操作码，因为 8051 中的程序计数器是一个 16 位寄存器（地址为 0000 到 FFFF）。

8051 内部程序 ROM 的第一个位置的地址为 0000H，而最后一个位置可能因芯片上 ROM 的大小而异。在 8051 系列成员中，AT8951 具有 $k 字节的片上 ROM，其内存地址为 0000（第一个位置）到 0FFFH（最后一个位置）。

ROM Space

8051 标志位和 PSW 寄存器

程序状态字 (PSW) 寄存器是一个 8 位寄存器，也称为 标志寄存器。它有 8 位宽，但只使用了 6 位。两个未使用的位是 用户定义标志。其中四个标志称为 条件标志，这意味着它们指示执行指令后产生的条件。这四个是 CY（进位）、AC（辅助进位）、P（奇偶校验）和 OV（溢出）。位 RS0 和 RS1 用于更改组寄存器。下图显示了程序状态字寄存器。

PSW 寄存器包含反映 CPU 当前状态的状态位。

CY CA F0 RS1 RS0 OV - P

CY PSW.7 进位标志
AC PSW.6 辅助进位标志
F0 PSW.5 标志 0 可供用户用于一般用途。
RS1 PSW.4 寄存器组选择器位 1
RS0 PSW.3 寄存器组选择器位0
OV PSW.2 溢出标志
- PSW.1 用户可定义标志
P PSW.0 奇偶校验标志。在指令周期内由硬件设置/清除，以指示累加器中 1 位的偶数/奇数。

我们可以使用 RS0 和 RS1 位选择相应的寄存器组位。

RS1 RS2 寄存器组 地址
0 0 0 00H-07H
0 1 1 08H-0FH
1 0 2 10H-17H
1 1 3 18H-1FH

  • CY，进位标志 − 只要 D7 位有进位，此进位标志就会被设置 (1)。8 位加法或减法运算后会受到影响。也可以通过"SETB C"和"CLR C"等指令直接将其重置为 1 或 0，其中"SETB"代表设置位进位，"CLR"代表清除进位。

  • AC，辅助进位标志 − 如果在 ADD 或 SUB 操作期间 D3 和 D4 有进位，则设置 AC 位；否则，清除 AC 位。它用于执行二进制编码的十进制算术的指令。

  • P，奇偶校验标志 − 奇偶校验标志仅表示累加器寄存器中的 1 的数量。如果 A 寄存器包含奇数个 1，则 P = 1；对于偶数个 1，P = 0。

  • OV，溢出标志 − 当有符号数运算的结果太大导致高位溢出到符号位时，将设置此标志。它仅用于检测有符号算术运算中的错误。

示例

在以下指令中添加 9CH 和 64H 后，显示 CY、AC 和 P 标志的状态。

MOV A, #9CH

ADD A, # 64H

Solution:  9C   10011100 
          +64   01100100 
          100   00000000 
			 
CY = 1 since there is a carry beyond D7 bit  
AC = 0 since there is a carry from D3 to D4 
P  = 0 because the accumulator has even number of 1's
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