8051架构描述

1.1 引言

8051是最流行的CPU。8051兴起于20世纪80年代，由intel开创。当然，现在intel已经不再理会这种低端的8位CPU，它主打的是通用处理器，也就是我们电脑上用的那种。因此，8051的架构不像ARM架构一样有专利的困扰，各位可以放心地将其应用在各自的项目当中。

8051和它的“后辈们”——x86的各种高端处理器相比，其优点是功能简单、架构单一。因此由8051这种8位处理器形成的MCU占据了单片机市场的主流。就算ARM公司费尽心机开发出各种小面积、高性能的处理器内核，它们也无法取代8051在开发者心目中的地位，原因在于8051处理器优越的性能。

本章将带领诸位去领略这款经典8位处理器的架构，让我们从架构这一方面了解它的优异性。

本书的目的是在FPGA上开发兼容8051的软核处理器。因此在开发之前，我们必须对它的架构非常熟悉。在探讨之前，必须明确一点，在FPGA上设计兼容8051的软核处理器到底应该设计到什么程度？笔者在上一本关于处理器设计的书《兼容ARM9的软核处理器设计：基于FPGA》中，对兼容ARM9的软核处理器进行了FPGA设计研究。当时的设计目的是要和原版的ARM9TDMI一模一样，仿佛稍微有一些不同，就没有设计成功一样。现在看来，其实大可不必。

这大概是“山寨”的必由之路：一开始对某原版产品分析得仔仔细细，列出基本功能，然后开始模仿，并模仿到每一个细节都相似，然后推向市场，声称开发出了一款功能与原版类似的产品。比如市面上经常看到的仿苹果手机，从界面到开机屏幕，再到桌面布局，几乎做到惟妙惟肖，真假难辨。然后呢？……

但我的“山寨”之路却不想停留在模仿表面上，原因在于软核处理器设计出来后，它的最大目的不是“炫耀”，而在于它的实用价值。它的的确确能够帮助开发者在FPGA开发板上玩出花样，玩出精彩，它最大的目的在于帮助更多爱好开发FPGA设计的人。既然如此定位，在“山寨”的路上就得前进一步，在原版的基础上进行创新和扬弃。

对处理器架构进行创新的想法萌发于对嵌入式软件开发工具的熟悉。最开始，FPGA设计者对嵌入式软件的各种开发工具知之甚少，只知它最后生成了BIN文件，且这个文件可以被FPGA设计的ROM“吃”进去。因此只需要阅读某某公司出来的既定的“处理器架构”文档，按照该文档预定的方方面面进行设计就可以，设计者几乎不会想到对某些要点进行更改。这个想法几乎是有点“逆天”的，因为当设计者连模仿到某种相似的程度都做不到，怎么可能想到对处理器的架构进行更改呢？但现在若能够对它模仿得惟妙惟肖，那为什么不能按照设计者的意愿将其定制成自己感觉舒服的架构呢？但前提是需要嵌入式软件开发工具配合。编者在用了大大小小的嵌入式开发软件后，发现它们其实挺配合的。

用嵌入式开发软件做什么，也就是嵌入式软件能起什么作用？嵌入式软件就是一个翻译机，主要是把C语言翻译成机器语言，也就是生成BIN文件。然后这些含有机器语言的BIN文件被软核处理器“吃”进去。这些机器语言对阅读者来说是天书，但对于软核处理器却是对口的。软核处理器会按照该BIN文件规定的一条条指令进行执行，那么C语言想表达的意思就得到了执行。因此嵌入式软件主要干的活就是翻译C语言。

处理器架构设计者除了规定该类处理器支持指令的含义外，还规定了该类处理器的硬件架构，例如ARM9的七种工作模式、Cortex-m0的多类中断支持、8051的计数器和串口。这些硬件架构一旦被制定完毕，即被各方开发者奉为至宝，并严格按照该类硬件架构进行设计，从不敢越雷池半步。但嵌入式软件开发者使用开发软件的时候，要重新学习这些硬件特性，并在编写C语言程序的时候体现它们。他们倒是敢作敢为，因为嵌入式程序是他们写的，他们有这个能力使硬件架构按照某种规则活动。

就本书的8051处理器来说，不管是前人实现的8051软核处理器还是市面上出售的8051的单片机，都有两个特殊操作的计数器。嵌入式开发者在开发8051的嵌入式软件时，必先学习如何调理好这两个计数器。但软核处理器设计者们可以改变这个规则。他们完全可以按照项目的需要配备计数器，而无须计较什么规定。对于8051软核处理器来说，用到什么就设计什么，有些东西没有用，则完全可以去除。因此设计者也可去掉这两个计数器，这也表示改变了8051的既定架构，但这种改变又有何不可呢？设计者完全可以按照需要生成自己的计数器，而不需要学习8051规定的那套繁琐的使用规则。

处理器架构可被人为地区分成两部分：一部分是可以改变的；一部分是不可以改变的。划分的依据在于嵌入式软件，如果改了某部分，则嵌入式软件不能自如地翻译C语言，那么这部分就属于不可改变的。不可改变的部分包括有多少个寄存器、多少条指令支持。如果设计者去掉了某条指令，但软件翻译的时候却不知道哪条指令被去掉了，因此它仍会将相应的C语言翻译成这条指令，那么软核处理器在碰到该指令的时候，就无法处理了。当然就连这个也是可以商量的，比如乘法指令，因为硬件乘法比较耗费资源，所以可以让软核处理器不支持乘法指令，然后再编写C程序的时候，有意改变编程风格，避免让嵌入式软件生成到乘法指令，那么其实连指令集也都可以改变。

另外一部分就是可以更改的。比如架构规定了两个堆栈指针，但项目只需要一个堆栈指针即可，C程序和汇编程序里面也根本不会用到两个堆栈指针，那么为什么还要两个呢？架构当初这么设计是为了照顾大多数人的需要，但现在，设计者既然自己设计了软核处理器，那么完全可以做到专用——可以任意设计处理器，需要什么硬件架构，就可以在FPGA上实现。

因此，本章在讲8051架构的时候就分开来讲，具体分为两部分：一是必须要实现的特性；二是可以舍弃的特性。对于必须要实现的特性，那毫无疑问必须要弄清楚，而且要理解得非常透彻非常明白，在执行设计的时候，也要彻底。但对于可以舍弃的特性，我们只需了解即可。以前面举的两个计数器为例，在此就不再详细讲解如何将其设为何种模式，如何让它工作等。读者在阅读了本书后，一定能够自行添加需要的计数器。在这种情况下，再去将就原来的计数器就显得毫无意义。当然，若特别钟情原来的架构或原来的嵌入式软件，而非要适用原来架构的设计者，也可以查找8051的资料，弄明白它的方方面面，然后自行添加上去。

这个原则好比日常所使用的键盘。它有26个字母和标点符号、以及Esc、F1～F12、Insert、Delete、Home、End、PgUp、PgDn等按键。26个字母好比核心指令，你一个也不能省，省略了则不能叫键盘了，标点符号要看情况省，这就好比某些乘、除法指令，可以在某种特殊情况下省。至于Esc、F1～F12、Insert、Delete、Home、End、PgUp、PgDn等按键，你完全可以按需配置，无须学习既有键盘的那套规则。