嵌入式系統 - 暫存器

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暫存器用於CPU中臨時儲存資訊，這些資訊可能是要處理的資料，也可能是指向要獲取資料的地址。在8051中，有一種資料型別是8位的，從MSB（最高有效位）D7到LSB（最低有效位）D0。對於8位資料型別，任何大於8位的資料型別都必須分解成8位的塊才能進行處理。

8051最常用的暫存器是A（累加器）、B、R0-R7、DPTR（資料指標）和PC（程式計數器）。除DPTR和PC外，所有這些暫存器都是8位的。

8051中的儲存暫存器

我們將在此討論以下型別的儲存暫存器：

  • 累加器
  • R暫存器
  • B暫存器
  • 資料指標 (DPTR)
  • 程式計數器 (PC)
  • 堆疊指標 (SP)

累加器

累加器（暫存器A）用於所有算術和邏輯運算。如果沒有累加器，則每次計算（加法、乘法、移位等）的結果都必須儲存到主記憶體中。訪問主記憶體比訪問累加器之類的暫存器慢，因為大型主記憶體使用的技術比暫存器使用的技術慢（但更便宜）。

“R”暫存器

“R”暫存器是一組八個暫存器，即R0、R1到R7。這些暫存器在許多操作中充當輔助或臨時儲存暫存器。考慮一個10和20的和的例子。將變數10儲存在累加器中，將另一個變數20儲存在，例如，暫存器R4中。要處理加法運算，執行以下命令：

ADD A,R4

執行此指令後，累加器將包含值30。“R”暫存器是非常重要的輔助或**輔助暫存器**。如果沒有這些“R”暫存器，累加器本身將不是很有用。“R”暫存器用於臨時儲存值。

讓我們來看另一個例子。我們將R1和R2中的值加在一起，然後從結果中減去R3和R4的值。

MOV A,R3   ;Move the value of R3 into the accumulator 
ADD A,R4   ;Add the value of R4 
MOV R5,A   ;Store the resulting value temporarily in R5 
MOV A,R1   ;Move the value of R1 into the accumulator 
ADD A,R2   ;Add the value of R2 
SUBB A,R5  ;Subtract the value of R5 (which now contains R3 + R4)

如您所見，我們使用R5臨時儲存R3和R4的和。當然，這不是計算(R1 + R2) – (R3 + R4)最有效的方法，但它確實說明了“R”暫存器作為臨時儲存值的方式。

8 Bit registers

“B”暫存器

“B”暫存器與累加器非常相似，因為它可以儲存8位（1位元組）值。“B”暫存器僅由兩條8051指令使用：**MUL AB**和**DIV AB**。要快速輕鬆地將A乘以或除以另一個數字，您可以將另一個數字儲存在“B”中並使用這兩條指令。除了使用MUL和DIV指令外，“B”暫存器通常還用作另一個臨時儲存暫存器，就像第九個R暫存器一樣。

資料指標

資料指標 (DPTR) 是8051唯一使用者可訪問的16位（2位元組）暫存器。累加器、R0-R7暫存器和B暫存器是1位元組值暫存器。DPTR用於指向資料。8051使用它透過DPTR指示的地址訪問外部儲存器。DPTR是唯一可用的16位暫存器，通常用於儲存2位元組值。

程式計數器

程式計數器 (PC) 是一個2位元組地址，它告訴8051在記憶體中可以找到下一條要執行的指令的位置。當8051初始化時，PC從0000h開始，每次執行指令後都會遞增。PC並不總是遞增1。有些指令可能需要2或3個位元組；在這種情況下，PC將遞增2或3。

**分支、跳轉**和**中斷**操作將程式計數器載入到下一個順序位置以外的地址。啟用上電覆位將導致暫存器中的所有值丟失。這意味著復位時PC的值為0，迫使CPU從ROM位置0000獲取第一個操作碼。這意味著我們必須將第一個操作碼位元組放在ROM位置0000，因為那是CPU期望找到第一條指令的地方。

堆疊指標 (SP)

堆疊指標與除DPTR和PC之外的所有暫存器一樣，可以儲存8位（1位元組）值。堆疊指標指示從堆疊中刪除下一個值的地址。當一個值被壓入堆疊時，SP的值會遞增，然後將該值儲存在生成的記憶體位置。當一個值從堆疊中彈出時，該值將從SP指示的記憶體位置返回，然後SP的值將遞減。

此操作順序很重要。當8051初始化時，SP將初始化為07h。如果同時將一個值壓入堆疊，則該值將儲存在內部RAM地址08h中，因為8051將首先遞增SP的值（從07h到08h），然後將壓入的值儲存在該記憶體地址（08h）。SP由8051透過六條指令直接修改：PUSH、POP、ACALL、LCALL、RET和RETI。

8051中的ROM空間

一些8051系列成員只有4KB的片上ROM（例如8751、AT8951）；有些有8KB ROM，如AT89C52，還有一些系列成員有32KB和64KB的片上ROM，例如達拉斯半導體。需要記住的是，8051系列的任何成員都不能訪問超過64KB的操作碼，因為8051中的程式計數器是16位暫存器（0000到FFFF地址）。

8051內部程式ROM的第一個位置的地址為0000H，而最後一個位置可能因晶片上ROM的大小而異。在8051系列成員中，AT8951有4KB的片上ROM，其記憶體地址為0000（第一個位置）到0FFFH（最後一個位置）。

ROM Space

8051標誌位和PSW暫存器

程式狀態字 (PSW) 暫存器是一個8位暫存器，也稱為**標誌暫存器**。它是8位的，但只有6位被使用。兩個未使用的位是**使用者定義標誌**。四個標誌稱為**條件標誌**，這意味著它們指示指令執行後產生的條件。這四個是**CY**（進位）、**AC**（輔助進位）、**P**（奇偶校驗）和**OV**（溢位）。RS0和RS1位用於更改暫存器組。下圖顯示了程式狀態字暫存器。

PSW暫存器包含反映CPU當前狀態的狀態位。

CY CA F0 RS1 RS0 OV - P

CY PSW.7 進位標誌
AC PSW.6 輔助進位標誌
F0 PSW.5 使用者可用於通用目的的標誌0。
RS1 PSW.4 暫存器組選擇位1
RS0 PSW.3 暫存器組選擇位0
OV PSW.2 溢位標誌
- PSW.1 使用者可定義標誌
P PSW.0 奇偶校驗標誌。在指令週期期間由硬體設定/清除，以指示累加器中1位的奇數/偶數。

我們可以使用RS0和RS1位選擇相應的暫存器組位。

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

  • **CY，進位標誌** - 每當從D7位進位時，此進位標誌被設定為 (1)。它在8位加法或減法運算後受到影響。它也可以透過指令直接重置為1或0，例如“SETB C”和“CLR C”，其中“SETB”代表設定位進位，“CLR”代表清除進位。

  • **AC，輔助進位標誌** - 如果在ADD或SUB運算期間從D3和D4進位，則AC位被設定；否則，它被清除。它用於執行二進位制編碼十進位制算術的指令。

  • **P，奇偶校驗標誌** - 奇偶校驗標誌僅表示累加器暫存器中1的數量。如果A暫存器包含奇數個1，則P = 1；對於偶數個1，P = 0。

  • **OV，溢位標誌** - 每當有符號數運算的結果太大導致高階位溢位到符號位時，此標誌被設定。它僅用於檢測有符號算術運算中的錯誤。

示例

在執行以下指令後，顯示9CH和64H相加後的CY、AC和P標誌的狀態。

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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