2019年02月19日 | C51的指令与时序的一点总结

我们知道C51的指令存储在ROM中，它需要从ROM中取出指令才能知道该干什么事。一条指令，首先应该告诉计算机要做什么性质的操作，是加减，还是跳转判断等；其次，还需要给出拿去运算的数据，可以是直接的数据（就是立即能用的数，立即数），也可以是数据存放的地址。那么如何告诉计算机我这个操作码后面跟的是立即数还是地址呢？简单，做个记号，用#来表示立即数，没记号的都是地址。取出指令时，要放在指令寄存器IR里，送到指令译码器ID里进行译码，随后生成相应的控制命令C，这一点是自然而然的，因为计算机本身是要通过硬件执行的，一个指令代码要译码过后才能被解读。不然直接给CPU一个10001000它根本不知道该干什么，通过译码，可能也是生成一些10001000类似的数，但是其对应电平可以直接操作一些硬件，产生相应的动作，在外面的人看来，就是形成了各种不同得控制信号。

这里还需要注意到一件事，就是我取指的时候，程序计数器pc是要+1的，这个加1不是说直接加1，而是说指向下一条指令的意思，它可能就在上一条指令的物理地址的后面，也可以是跳转过的，距离上一条指令很远。都可以，反正就是要指向下一条计算机要运行的指令。那么，这个判断是在什么时候进行呢，具体怎么执行呢？比如MOV类指令，取指后我这个PC物理地址应该加1还是2还是3或者更多？

翻开某本教材的后面的附录：

MOV A,Rn                               E8H~EFH                       字节1 机器周期1

MOV A,direct                          E5H direct                       字节2 机器周期1

MOV A,#data                         74H data                           字节2 机器周期1

MOV direct2,，direct1        85H direct1，direct2       字节3 机器周期2

MOV DPTR，#data16        90H addr15-8 addr7-0    字节3 机器周期2

MOVX A,@Ri                        E2H~E3H                          字节1 机器周期2 这里侧面显示寄存器间接寻址的只能是R0和R1

MOVX A,@DPTR                  E0H                                    字节1 机器周期2

我们看到了，指令系统规定了的字节和机器周期对不同内容的MOV指令是不同的，这也是很合理的。如果可以简单的话，谁不想每条指令都是1个字节一个机器周期呀。因为这是最快的了。然而，天下没这种好事——你既想有不同的指令来包含不同的内容，又想这种指令是那么的简短以至于可以放在一个字节里，或者在一个机器周期里就执行完。

对于译码器而言，他看到了的MOV和我们看到的MOV肯定是不同的。我们就看到了上面每条都是MOV打头，但是他看到的是可能E8H，74H之类的。所以，比如他看到了74H，立马就知道了这是MOV A，#data型的，他肯定也知道了这个指令是有两个字节的，因为需要下一个字节存放操作码，也就是某个立即数。所以，他肯定也告诉了PC需要往后移动两个字节作为下一条指令的地址。这样，我们也能理解了为什么MOV direct2 ,direct1需要3字节（一个操作码85H,两个地址direct1、2正好三个字节来存储），也理解了为啥MOV A, Rn只需要1个字节（因为R0-R7只用8个数就能代表，全体用一个字节来代表绰绰有余）。而对于我们而言，我们只看到MOV的头，就会心生疑惑，不是说取指第一字节就该决定PC加多少了吗？那光看MOV的头也看不出到底该加多少呢。我们有这样的疑惑是因为我们不知道虽然都是MOV，但是不同类型的MOV他们在指令系统里的编码是不同的。计算机确实只要看到第一个字节里的编码就能知道这个MOV是哪种具体的MOV，以及后面还有几个字节和需要的周期。

再来考虑机器周期数目问题，首先能在一个周期里办完的那肯定最好咯。2个以上的机器周期肯定是事务复杂导致的，不过好在除了乘MUL除DIV是4周期，别的都是2周期或更少了。实际上，对于51的指令，字节数和机器周期数的组合只可能是11,12,21,22,32和14.

下图是MCS-51系列单片机的指令时序图：

用这个图再来解释一次，

11组合的比如MOV A,Rn  其操作码E8H~EFH 

21组合的比如MOV A,direct 其操作码E5H direct  

12组合的比如MOVX A,@Ri其操作码 E2H~E3H 

我们发现，可能设计者的初衷就是每个机器周期的S1S4都去读一次操作码或者操作数，然后根据实际情况对这些读到的做处理或者不作处理。比如12组合的读一次就够了（比如E2H就在第一个字节，读一次就行了计算机已经知道了全部内容），而后面的每次读到的都是和第一次一样的，所以判为无效。而对于21组合的来说，S4是需要去读一下操作码的。

这是访问外部程序存储器的相关内容，对应的汇编代码有

MOVC A,@A+DPTR        93H        1字节 2周期

MOVC A,@A+PC              83H        1字节 2周期

很明显由于是对外部ROM的读取，故而没有MOVC @A+PC,A这种写操作。

这里的ALE是地址锁存信号，因为扩展ROM的时候，要用16线去寻址，此时P0口既要做地址的低8位与P2口的高8位组成16位去寻址选中指令单元，又要将选中的指令单元里的内容即具体的指令代码传入CPU中执行相应动作，故而需要有个机制来分时复用。这个机制就是ALE和PSEN，ALE为高时，P0是做地址口用的，上面会出现地址信息，同时PSEN无效，也就是读外部指令是失效的。而ALE从高跳转为低的时候的下降沿，这个时候把刚才P0口的地址锁存在锁存器中，因为接下来的低电平时刻我需要用P0口来传数据。当然，P0口保持地址输出的状态应该比ALE下降沿稍微久一点，确保锁存时刻上面的地址信号是还在的。锁存好地址后，就知道去哪里取指了，将取出的指令内容用P0口传回CPU，自然的，这时候PSEN应该让他有效，允许读数据进来。传好之后，ALE再次变成高电平，这时P0口上又出现了低8位地址，PSEN再次无效，不让数据读进来，一直等下一个下降沿的到来时锁存在锁存器中。

再看这种情况，这是MOVX类型，这种类型不论是采用Ri还是DPTR间接寻址,都只是1字节2周期。

MOVX A,@Ri                        E2H~E3H                          字节1 机器周期2 

MOVX A,@DPTR                  E0H                                    字节1 机器周期2

对应这两个读操作，还有两个写操作。

MOVX  @Ri,A                        F2H~F3H                          字节1 机器周期2 

MOVX @DPTR,A                  F0H                                    字节1 机器周期2

在读入ROM中的指令后，得知是MOVX指令，CPU得知接下去要操作的RAM中的数据地址，因此P0口将出现对应地址。如果是DPTR类型的，由于他是16位寻址，所以仍然是P2高8位P0低8位的方式。如果是Ri类型，那么只需要用P0做8位地址输出就可以。在ALE下降沿进行锁存。然后在P0口进行数据的读入或者输出。由于这是对外部RAM的读写操作，所以要注意读写线的信号使能。

而且你还能注意到一些区别，之前外部程序存储器PSEN信号是一直在P0口作为数据传入时是有效的。而在MOVX这里，有点差别，他的失效时间会更长，以保证数据传送不被干扰。