摘要：MAXQ內(nèi)核是功能強(qiáng)大的、單周期、基于傳遞觸發(fā)的CPU。本文通過演示如何根據(jù)簡單的MOVE操作建立整個(gè)指令集來證明MAXQ的強(qiáng)大性能。

MAXQ處理器家族包括功能強(qiáng)大的8位、16位與32位單周期微控制器，能夠在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行多個(gè)操作。本文探討了MAXQ20內(nèi)核的工作機(jī)制，并展示了其強(qiáng)勁性能。

程序模型

MAXQ20內(nèi)核是一個(gè)16位CPU，這意味著所有的累加器以及大多數(shù)工作寄存器(堆棧、數(shù)據(jù)指針和計(jì)數(shù)器)均為16位長度。MAXQ20能夠?qū)ぶ?4k字的代碼空間(也就是64kB指令)與64k字(128kB)的數(shù)據(jù)空間(圖1)。

注意，對于一個(gè)基于MAXQ20內(nèi)核的處理器來說，這些存儲(chǔ)器空間大部分是空的。另外，由于固定用途ROM與數(shù)據(jù)RAM位于代碼空間的高32kb內(nèi)，訪問這一區(qū)域的用戶代碼需要用到專門的內(nèi)核特性，本文不討論這一部分內(nèi)容。


圖1. MAXQ20內(nèi)核的程序員模型包括16個(gè)通用累加器，兩個(gè)循環(huán)計(jì)數(shù)器和一組數(shù)據(jù)指針。

累加器

十六個(gè)作為“累加器”的寄存器組成了一個(gè)通用寄存器陣列。累加器指針寄存器(AP)所指向的寄存器被指定為“有效累加器”，成為算術(shù)與邏輯運(yùn)算的目標(biāo)寄存器。因此，通過改變AP寄存器的值，這十六個(gè)寄存器當(dāng)中的任意一個(gè)均可被指定為算術(shù)邏輯單元(ALU)的操作目標(biāo)。無論何時(shí)訪問有效累加器，均可通過累加器指針控制寄存器(APC)實(shí)現(xiàn)累加器指針AP的自動(dòng)增減，從而簡化多倍精度運(yùn)算過程。在圖2中，A[0]是有效累加器，但是任何累加器訪問操作都可以使A[1]或者A[15]變?yōu)橛行Ю奂悠?，具體取決于APC寄存器的值。


圖2. 有效累加器通過AP寄存器指定，AP寄存器本身可通過累加器訪問指令來修改。

GR寄存器

通用寄存器(GR)有助于從16位字中提取單獨(dú)字節(jié)。程序員可以使用GR將字節(jié)組裝為一個(gè)字：低字節(jié)加載到GRL (通用寄存器-低字節(jié))內(nèi)，高字節(jié)加載到GRH (通用寄存器-高字節(jié))內(nèi)，然后可從GR中讀取組裝完畢的字。反過來，程序員也可以使用GR將一個(gè)字分解為兩個(gè)字節(jié)。加載到GR的字可以在GRS (通用寄存器-字節(jié)交換)中以字節(jié)交換的形式讀出。最后，通過讀取GRXL (通用寄存器擴(kuò)展低字節(jié))，可以將加載到GRL寄存器的字節(jié)擴(kuò)展為有符號的字。參見圖3。

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圖3. GR寄存器支持字節(jié)提取、字節(jié)交換以及16位符號擴(kuò)展功能。

循環(huán)計(jì)數(shù)器

提供兩個(gè)循環(huán)計(jì)數(shù)器：循環(huán)計(jì)數(shù)器0 (LC[0])與循環(huán)計(jì)數(shù)器1 (LC[1])。這些寄存器可以作為通用寄存器來使用，但主要用作循環(huán)計(jì)數(shù)器，從而在計(jì)數(shù)器值不為零時(shí)執(zhí)行遞減和跳轉(zhuǎn)(DJNZ)操作。

堆棧

MAXQ20內(nèi)核具有一個(gè)專用的16級內(nèi)部堆棧。一個(gè)堆棧指針指示下次使用的堆棧位置或者指示PUSH或CALL操作。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器指針

MAXQ微控制器有三個(gè)訪問數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的指針。DP[0]和DP[1]是兩個(gè)簡單的16位指針。通過一個(gè)基址指針(BP)與一個(gè)8位無符號偏移量(OFFS)相加獲得第三個(gè)指針。

注意，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器通過這三個(gè)數(shù)據(jù)指針之一進(jìn)行尋址，與此不同，代碼存儲(chǔ)器通過指令指針尋址。盡管所有MAXQ處理器都包含存儲(chǔ)器管理單元(MMU)，允許將任意存儲(chǔ)器片段作為代碼或者數(shù)據(jù)來處理，但代碼與數(shù)據(jù)總線是分離的。采用獨(dú)立的總線來提取代碼與數(shù)據(jù)是MAXQ20內(nèi)核的基本特點(diǎn)，允許在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問代碼和數(shù)據(jù)。

傳送-觸發(fā)架構(gòu)

觀察程序員模型，有些人會(huì)認(rèn)為該架構(gòu)采用傳統(tǒng)的指令獲取-譯碼單元實(shí)現(xiàn)裝載指令、指令譯碼，隨后激活CPU的特定單元。然而，這卻是一個(gè)誤區(qū)。MAXQ架構(gòu)與其它較為傳統(tǒng)的CPU相比，根本區(qū)別在于MAXQ內(nèi)核的傳送-觸發(fā)特性。

傳送-觸發(fā)技術(shù)能夠以簡單的MOVE指令完成CPU提供的各項(xiàng)功能。盡管MAXQ匯編器支持30條以上的指令操作碼，我們可以采用以下方式對MAXQ指令集包含的每條指令進(jìn)行編程：

        move Ma[b], Mc[d]
or
        move Ma[b], #immediate_value

其中，標(biāo)識符Ma[b]指示寄存器模塊a與寄存器子譯碼b。簡而言之：包括ADD、位操作和尋址外部存儲(chǔ)器在內(nèi)的每一條指令，都可編程為兩個(gè)寄存器之間的傳送操作，或?qū)⒘⒓磾?shù)傳送至寄存器的形式。

執(zhí)行一條MAXQ指令時(shí)，會(huì)將源寄存器的值或一個(gè)立即數(shù)載入目的寄存器。此外，這個(gè)數(shù)據(jù)傳送操作還會(huì)觸發(fā)其它事件，如遞增或遞減一個(gè)指針、設(shè)置某些狀態(tài)位或者執(zhí)行其它功能。因此，這種架構(gòu)具有傳送-觸發(fā)特性。為實(shí)現(xiàn)這種架構(gòu)，需要大量輔助寄存器的支持。在MAXQ20內(nèi)核中，總計(jì)有512個(gè)寄存器地址，被劃分為兩大類：外設(shè)寄存器空間與系統(tǒng)寄存器空間(圖4)。

前六個(gè)寄存器模塊(模塊0到5)專門用作外設(shè)寄存器；后九個(gè)模塊(模塊7到F)用作系統(tǒng)寄存器(模塊6被保留)。盡管對應(yīng)不同的MAXQ處理器類型其外設(shè)寄存器模塊各不相同，但所有MAXQ處理器的系統(tǒng)寄存器配置是相同的(圖5)。


圖4. MAXQ20內(nèi)核中的寄存器劃分為兩大部分：寄存器組0到5是外設(shè)寄存器，不同的MAXQ器件會(huì)有所不同；寄存器組7到15是系統(tǒng)寄存器，在所有MAXQ器件中保持相對固定。


圖5. MAXQ系統(tǒng)寄存器分配表，包括所有MAXQ20處理器共有的寄存器和用來執(zhí)行指令集的附加寄存器。

MAXQ指令譯碼

因?yàn)槊織lMAXQ指令實(shí)際上都是一個(gè)傳送操作，每條指令都可劃分為三個(gè)字段：源(SOURCE)指定數(shù)據(jù)從何處移出；目標(biāo)(DESTINATION)指定數(shù)據(jù)傳送到何處；格式位則指明源是一個(gè)立即數(shù)(FORMAT == 0)，還是一個(gè)寄存器標(biāo)示符(FORMAT == 1) (圖6)。


圖6. 一條MAXQ指令包含三個(gè)部分：一個(gè)源標(biāo)識符、一個(gè)目的標(biāo)識符和一個(gè)用來指明源標(biāo)識符是立即操作數(shù)還是寄存器操作數(shù)的源格式位。

以指令操作碼0x0923為例，該指令的FORMAT位被清零，表示源標(biāo)識符(23)應(yīng)當(dāng)被視作一個(gè)8位立即數(shù)來處理。目標(biāo)模塊是模塊9，對應(yīng)累加器陣列。該陣列中的寄存器0是累加器A[0]。所以，這條指令的作用是將值0x0023加載到寄存器A[0]。在本例當(dāng)中，源標(biāo)識符與目的標(biāo)識符均不提供附加功能。

第二個(gè)例子可考慮操作碼0xBF09。在這條指令中，F(xiàn)ORMAT位被置為1，表示源標(biāo)識符應(yīng)當(dāng)被看作是一個(gè)寄存器。上文已對模塊9的寄存器0進(jìn)行了分析：即表示累加器A[0]。在目的字段，模塊F是數(shù)據(jù)指針模塊，寄存器3 (指令中第12至14位)表示數(shù)據(jù)指針DP[0]。因此，這條指令將A[0]的內(nèi)容傳送至DP[0]中。

注意，在某些情況下寄存器模塊中的個(gè)別位置并不一定對應(yīng)實(shí)際的寄存器。或者，它們可以對應(yīng)一個(gè)實(shí)際寄存器，但訪問這個(gè)寄存器時(shí)會(huì)實(shí)現(xiàn)一些附加功能。舉例來說，我們將前一個(gè)例子稍作修改，采用操作碼0xAF09。只是目的寄存器模塊中的寄存器子譯碼發(fā)生了變化。這條指令現(xiàn)在并不加載寄存器DP[0]，而是使DP[0]遞減，并將源數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到DP[0]所指向的新存儲(chǔ)器位置。也就是說，這條指令執(zhí)行了一個(gè)預(yù)先遞減指針指向位置的間接存儲(chǔ)操作。在MAXQ匯編器中，這可以按照@ DP[0], A[0]的形式進(jìn)行編程，但也可以簡單地編程為M15[2], M9[0]。

前綴寄存器

每個(gè)模塊包含32個(gè)寄存器，但只有四位用于選擇源寄存器，三位用于指定目的寄存器。乍一看，這似乎意味著無法讀取一半的源寄存器子譯碼，并且不能對四分之三的目的寄存器子譯碼進(jìn)行寫操作。幸好MAXQ的架構(gòu)設(shè)計(jì)解決了這個(gè)問題。每一款MAXQ處理器都提供一個(gè)前綴寄存器，用來提供這些額外的寄存器地址位，并提供按字傳送操作中的高字節(jié)數(shù)據(jù)。詳細(xì)信息請參閱模塊11—前綴一節(jié)。

一次一個(gè)模塊地創(chuàng)建MAXQ指令集

以下各節(jié)詳細(xì)闡述了系統(tǒng)寄存器模塊，以及它們?nèi)绾蜗嗷プ饔靡詣?chuàng)建所有列出和未列出的指令。我們首先來研究MAXQ20內(nèi)核的核心：累加器陣列。

模塊9—累加器

盡管大多數(shù)衍生器件只提供16個(gè)累加器，MAXQ架構(gòu)可支持最多32個(gè)累加器。通過模塊9直接訪問這些累加器。該模塊內(nèi)每個(gè)寄存器代表一個(gè)累加器。從概念上講，模塊9是最簡單的模塊，但是還有兩個(gè)模塊會(huì)影響累加器陣列。

模塊8—系統(tǒng)控制

這個(gè)模塊包含一些管理系統(tǒng)操作的寄存器，比如中斷控制和程序狀態(tài)標(biāo)志位。其中的許多寄存器超出了本文的討論范圍，若需了解更多信息請參考器件規(guī)格資料。表1列出了一部分寄存器模塊。

表1. 模塊8功能

Sub	Function	S/D	Description
0	Accumulator Pointer Register	S/D	Designates the active accumulator, i.e., the accumulator that serves as the destination of ALU operations.
1	Accumulator Pointer Control Register	S/D	Tells the AP how to behave. For this discussion, it is a general-purpose 8-bit register.
4	Program Status Flags Register	S/D	Contains the flags (carry, zero, equal) that a user may wish to monitor in the main program. The register is usually used as a source, but can also serve as a destination. Note that some of the bits are read-only (e.g., the Z flag is the logical NOR of all the bits in the active accumulator).
5	Interrupt Control Register	S/D	Manages the interrupt subsystem.
6	Interrupt Mask Register	S/D	Typically contains bits that mask interrupts at the module level.
7	Comparator Register	DO	Write-only subdecode. Not really a register, since there is no actual memory behind it. When this subdecode is written, the Equal bit is set in the PSF if the source operand matches the contents of the current accumulator; otherwise, the Equal bit is cleared.
8	System Control Register	S/D	Contains bits that control aspects of system operation (read/write).
11	Interrupt Identification Register	SO	Contains a collection of bits that identify the source of an interrupt.
14	Clock Control Register	S/D	Contains bits pertaining to the system clock. In particular, controls the master clock divide ratio, as well as clock source if more than one source is present in the particular microcontroller.
15	Watchdog Control Register	S/D	Controls the operation of the watchdog timer. Most MAXQ parts contain a watchdog timer that can reset the processor if it becomes stuck in a program loop.

值得特別注意的是AP與APC寄存器。AP寄存器確定哪個(gè)累加寄存器是有效的，也就是說，它指定了執(zhí)行算術(shù)、邏輯與位運(yùn)算的目標(biāo)寄存器。它可以指向陣列中的任意累加器。

APC寄存器包含了一組位，它們定義了累加器操作完成后AP寄存器是如何改變的。因此，AP寄存器能夠以2的冪為模進(jìn)行循環(huán)遞增或遞減，從而簡化了多倍精度運(yùn)算。

模塊10—累加器功能

累加器的大部分實(shí)際工作是在模塊10中完成的。它能夠訪問傳統(tǒng)ALU功能以及有效累加器的數(shù)據(jù)位。模塊10非常獨(dú)特，它在作為源寄存器、目的寄存器或者既作為源寄存器又作為目的寄存器的情況下有著不同的行為(表2)。

表2. 模塊10作為源寄存器

Sub	Function	Description
0	Active Accumulator	The contents of the active accumulator are moved to the destination and the AP is changed according to the APC.
1	Active Accumulator	The contents of the active accumulator are moved to the destination and the AP is unchanged.

如果源寄存器處于模塊10，而目的寄存器處于模塊10以外的任意模塊，則累加器的內(nèi)容被傳送到目的寄存器。如果模塊10的子譯碼值為0，則根據(jù)APC寄存器的位對AP寄存器進(jìn)行修改；如果子譯碼值為1，則AP寄存器值不變。

注意，當(dāng)前版本的宏匯編器并不支持子譯碼1。這是因?yàn)闆]有助記符或者修飾符表示子譯碼1。所以，指令move A[1], ACC生成的操作代碼永遠(yuǎn)是0x990A，而絕不會(huì)是0x991A (表3)。

表3. 模塊10作為目的寄存器

Sub	Function	Description
0	MOVE	The source is moved to the accumulator.
1	AND	The contents of the source are logically ANDed with the accumulator.
2	OR	The contents of the source are logically ORed with the accumulator.
3	XOR	The contents of the source are logically exclusive-ORed with the accumulator.
4	ADD	The contents of the source are arithmetically added to the accumulator. Overflow out of the MSB sets the carry bit.
5	SUB	The contents of the source are arithmetically subtracted from the accumulator. Underflow sets the carry bit.
6	ADDC	The contents of the source and the carry bit are added to the accumulator.
7	SUBB	The contents of the source and the carry bit are subtracted from the accumulator.

當(dāng)模塊10被指定為目的標(biāo)識符，并且源標(biāo)識符是一個(gè)立即數(shù)或者處于模塊10以外的任意模塊時(shí)，源信息會(huì)傳送到ALU；目的信息通過ALU的輸出來獲取，而不是直接來自源信息。算術(shù)與邏輯指令就是通過這種方式完成操作的。

注意，對于源寄存器的表示方式并沒有限制。它可以是一個(gè)立即數(shù)，一個(gè)間接存儲(chǔ)器位置，甚至可以是堆棧中的數(shù)值或一個(gè)外設(shè)寄存器(表4)。

表4. 模塊10既作為源寄存器、又作為目的寄存器

Dest Sub	SRC Sub	Function	Description
0	0	MOVE	The contents of the accumulator are moved to the accumulator; logically, an NOP. However, the AP register can be changed.
	1	CPL	The accumulator is complemented bitwise.
	2	SLA	The accumulator is shifted left one bit; low-order bit is set to zero. High-order bit is copied to carry.
	3	SLA2	The accumulator is shifted left two bits; low-order two bits are set to zero. Bit 14 is copied to carry.
	4	RL	Accumulator is rotated left by one bit, with bit 15 copied to bit 0. Bit 15 is also copied to carry.
	5	RLC	Accumulator is rotated left by one bit, with bit 15 copied to carry and carry copied to bit 0.
	6	SLA4	Accumulator is shifted left four bits; low-order four bits are set to zero. Bit 12 is copied to carry.
	7	XCHN	The nibbles in each byte of the accumulator are reversed; 0x1234 becomes 0x2143.
	8	XCH	The bytes of the accumulator are reversed; 0x1234 becomes 0x3412.
	9	NEG	The accumulator is arithmetically negated.
	10	SR	The accumulator is shifted right one bit. Bit 15 is loaded with zero. Bit 0 is moved to carry.
	11	SRA4	Accumulator is shifted right four bits; high-order four bits are set to zero. Bit 3 is copied to carry.
	12	RR	Accumulator is rotated right by one bit, with bit 0 copied to bit 15. Bit 0 is also copied to carry.
	13	RRC	Accumulator is rotated right by one bit, with bit 0 copied to carry and carry copied to bit 15.
	14	SRA2	The accumulator is shifted right two bits; high-order two bits are set to zero. Bit 1 copied to carry.
	15	SRA	The accumulator is shifted right one bit; high-order bit is set to zero. Low-order bit copied to carry.
1	Bit	AND C	The carry bit is logically ANDed with the designated bit in the accumulator.
2	Bit	OR C	The carry bit is logically ORed with the designated bit in the accumulator.
3	Bit	XOR C	The carry bit is logically XORed with the designated bit in the accumulator.
5	0	C ← 0	The carry bit is set to zero.
	1	C ← 1	The carry bit is set to one.
	2	C ← C	The carry bit is complemented.
	3	NOP	Guaranteed NOP
6	Bit	C ← ACC	The designated bit in the accumulator is loaded into carry.
7	Bit	ACC ← C	Carry is loaded into the designated bit in the accumulator.

當(dāng)源與目的標(biāo)識符均為模塊10時(shí)，它或者是一個(gè)純累加器指令，或者是一個(gè)包含進(jìn)位的位操作。在任何情況下，都使用源與目的寄存器來指示特定操作。

目的子譯碼0指定了所有的純累加器指令，包括取補(bǔ)碼、取反碼以及所有移位、循環(huán)與交換指令。目的子譯碼1、2、3、6與7涵蓋了按位加載與帶進(jìn)位操作。最終，目的子譯碼5實(shí)現(xiàn)純進(jìn)位操作：載入0和1與取補(bǔ)碼。

注意，目的子譯碼5的一個(gè)源子譯碼為指定的NOP指令。在任何情況下，對于既無附加功能又訪問空寄存器的操作都會(huì)視為NOP操作；MOVE M10[5], M10[3]命令特定用來保證在當(dāng)前或?qū)淼腗AXQ器件中不執(zhí)行操作。這條指令(0xDA3A)是所有當(dāng)前匯編程序中的運(yùn)行代碼，用于NOP助記符。

模塊12—指令指針
模塊12的獨(dú)特之處在于它包含了一些條件加載操作。如果模塊12被用作源模塊，只是簡單地將IP復(fù)制到目的標(biāo)識符。但如果模塊12是目的模塊，則除非滿足指定的條件，否則不會(huì)執(zhí)行任何操作(表5)。

表5. 模塊12子譯碼

Sub	Description
0	If source, load the destination from IP. If destination, load IP from the source.
1	If source, load the destination from IP. If destination, load IP from source only if ACC == 0.
2	If source, load the destination from IP. If destination, load IP from source only if C == 1.
3	If source, load the destination from IP. If destination, load IP from source only if the most recent CMP instruction set the EQ flag.
4	If source, load the destination from IP. If destination, load IP from source only if the high-order bit of the accumulator is set.
5	If source, load the destination from IP. If destination, load IP from source only if ACC == 0.
6	If source, load the destination from IP. If destination, load IP from source only if C == 0.
7	If source, load the destination from IP. If destination, load IP from source only if the most recent CMP instruction cleared the EQ flag.

模塊12還有一個(gè)獨(dú)特之處，也就是當(dāng)加載8位立即數(shù)源時(shí)，源數(shù)值被解釋為一個(gè)有符號整型數(shù)，并加到指令指針中預(yù)先遞增的數(shù)據(jù)上。這個(gè)加法操作使得相對短跳轉(zhuǎn)更為簡單，進(jìn)而大大節(jié)省了代碼尺寸。這也同樣意味著任意短或長跳轉(zhuǎn)指令都可以是有條件的。

這個(gè)模塊僅僅支持指令指針寄存器(IP)的簡單加載與存儲(chǔ)。CALL指令被當(dāng)作一個(gè)可同樣加載IP的堆棧指令，而不是作為一個(gè)執(zhí)行壓棧的IP指令。因此，CALL指令的傳送在堆棧指針模塊(模塊13)中實(shí)現(xiàn)。同樣，不存在直接RET指令，它由POP IP所代替。

模塊13—堆棧指針

模塊13不僅包含與堆棧指針相關(guān)的寄存器，還包含循環(huán)計(jì)數(shù)器與中斷向量。注意，部分子譯碼僅僅作為目的時(shí)有效。子譯碼8只在作為源時(shí)才有效(表6)。

表6. 模塊13子譯碼

Sub	Function	S/D	Description
0	PUSH/POP	S/D	If the destination, increment the stack pointer and store the source operand on the stack. If the source, load the value on the stack to the destination and decrement the stack pointer.
1	Stack Pointer	S/D	Points to the most recently used location on the internal dedicated stack.
2	Interrupt Vector	S/D	Points to the location in program memory where the interrupt service routine resides.
3	CALL	DO	Pushes the current IP to the stack, then loads IP from the source operand. Will cause unpredictable results if used as a source operand.
4	DJNZ LC[0]	DO	Decrements LC[0] and loads IP with the source IF LC[0] != 0. Will cause unpredictable results if used as a source operand.
5	DJNZ LC[1]	DO	Decrements LC[1] and loads IP with the source IF LC[1] != 0. Will cause unpredictable results if used as a source operand.
6	LC[0]	S/D	Data is moved to/from loop counter 0.
7	LC[1]	S/D	Data is moved to/from loop counter 1.
8	POPI	SO	The value on the stack is copied to the destination, the stack point is decremented, and the IN SERVICE bit is cleared. Primarily used to implement a RETI operation.

子譯碼3、4和5用作IP寄存器的代理。將遞增后的指令指針壓棧之后，子譯碼3加載指令指針，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)傳統(tǒng)的CALL指令。子譯碼4和5將指定的循環(huán)計(jì)數(shù)器遞減后重新加載到循環(huán)計(jì)數(shù)器，并且如果預(yù)先遞減的循環(huán)計(jì)數(shù)器不為零，則將源操作數(shù)也加載到指令指針中。載入目的子譯碼的源可以是任意形式，例如，指令DJNZ LC[0], A[1]完全有效，該指令會(huì)遞減LC[0]，當(dāng)遞減結(jié)果不為零時(shí)跳轉(zhuǎn)至A[1]存儲(chǔ)的地址位置。

模塊14—GR、BP和DPC

模塊14包含DPC寄存器、GR寄存器和全部與基址指針和偏移寄存器相關(guān)的寄存器(表7)。

表7. 模塊14子譯碼

Sub	Function	S/D	Description
0	@BP[offs]	S/D	Reads or writes the data memory location pointed to by BP+offs
1	@BP[offs++]	S/D	If source, reads the data memory location pointed to by BP+offs and then increments offs. If destination, increments offs and then stores the source data at BP+offs.
2	@BP[offs--]	S/D	If source, reads the data memory location pointed to by BP+offs and then decrements offs. If destination, decrements offs and then stores the source data at BP+offs.
3	offs	S/D	The 8-bit offset register
4	DPC	S/D	The data pointer control register defines which data pointer is the current source pointer and the word/byte status of each data pointer.
5	GR	S/D	The 16-bit general register
6	GRL	S/D	The low-order byte of the 16-bit general register
7	BP	S/D	The 16-bit base memory pointer
8	GRS	SO	The byte-swapped version of the GR
9	GRH	S/D	The high-order byte of the 16-bit general register
10	GRXL	SO	The sign-extended low byte of the GR
11	BP[offs]	SO	The sum of the base pointer and the offset

數(shù)據(jù)指針控制寄存器(DPC)說明了數(shù)據(jù)指針是如何發(fā)揮作用的。特別地，它為每一個(gè)數(shù)據(jù)指針提供了一個(gè)位，用來定義該指針是工作于字模式還是字節(jié)模式。它同樣包含了一個(gè)字段，用于定義哪個(gè)指針是當(dāng)前的源指針。這一點(diǎn)非常必要，因?yàn)楫?dāng)源指針被加載后，訪問源時(shí)只有一條用于操作數(shù)的數(shù)據(jù)總線。

當(dāng)需要按字節(jié)來訪問16位數(shù)據(jù)時(shí)，使用GR寄存器就會(huì)很方便。只要GR裝入了16位數(shù)據(jù)，就可以分別通過GRL和GRH寄存器提取低字節(jié)與高字節(jié)。GRS寄存器中包含GR數(shù)據(jù)字節(jié)交換后的結(jié)果；GRXL寄存器與GRL寄存器相同，區(qū)別僅在于它的高字節(jié)是低字節(jié)的符號擴(kuò)展。

基址指針寄存器(BP)是MAXQ架構(gòu)中三個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器指針寄存器之一，并且只有它支持偏移量寄存器。BP通常指向數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基址，8位無符號偏移寄存器指向該結(jié)構(gòu)的某一個(gè)數(shù)據(jù)單元。注意，該寄存器的遞增或遞減操作僅僅會(huì)修改偏移寄存器，絕不會(huì)修改基址寄存器的內(nèi)容。

模塊15—數(shù)據(jù)指針

模塊15包含了MAXQ架構(gòu)中三個(gè)數(shù)據(jù)指針中的兩個(gè)。根據(jù)子譯碼的不同，訪問這個(gè)模塊將執(zhí)行一個(gè)直接或間接加載，或者存儲(chǔ)操作，并可能在間接訪問后遞增或遞減數(shù)據(jù)指針。這些寄存器子譯碼既可以用作源寄存器又可以用作目的寄存器(表8)。

表8. 模塊15子譯碼

Sub	Function	Description
0	@DP[0]	Reads or writes the data memory location pointed to by DP[0].
1	@DP[0]++	If source, reads the data memory location pointed to by DP[0] and then increments DP[0]. If destination, increments DP[0] and then stores the source data at DP[0].
2	@DP[0]--	If source, reads the data memory location pointed to by DP[0] and then decrements DP[0]. If destination, decrements DP[0] and then stores the source data at DP[0].
3	DP[0]	Data pointer 0
4	@DP[1]	Reads or writes the data memory location pointed to by DP[1]
5	@DP[1]++	If source, reads the data memory location pointed to by DP[1] and then increments DP[1]. If destination, increments DP[1] and then stores the source data at DP[1].
6	@DP[1]--	If source, reads the data memory location pointed to by DP[1] and then decrements DP[1]. If destination, decrements DP[1]. and then stores the source data at DP[1].
7	DP[1]	Data pointer 1

模塊7—布爾變量操作

借助布爾變量操作(BVM)模塊(模塊7)，允許對典型MAXQ處理器中的許多寄存器進(jìn)行按位提取和置位/清零(圖7)操作。需要注意，并不是所有模塊均與BVM模塊連接。通常情況下，只有外設(shè)模塊會(huì)與BVM相連；系統(tǒng)寄存器則不會(huì)。因此，在BVM與系統(tǒng)寄存器之間傳送數(shù)據(jù)可能產(chǎn)生不可預(yù)料的結(jié)果。


圖7. 模塊7的子譯碼指定了要提取或者替換的位，如果作為源標(biāo)識符，則表示要加載的立即數(shù)位值。

作為目的標(biāo)識符，BVM代理進(jìn)位功能。源的一位數(shù)據(jù)被提取并復(fù)制到進(jìn)位中。如果BVM是源標(biāo)識符，子譯碼第3位(整個(gè)源標(biāo)識符的第7位)的值將被復(fù)制到目的寄存器的指定位中。

需注意，BVM僅僅作用于外設(shè)寄存器的第0位至第7位。由于大多數(shù)外設(shè)寄存器(尤其是I/O端口)僅為8位長度，所以這種工作模式是可以接受的。但如果訪問16位外設(shè)寄存器，只有低8位是可用的。

模塊11—前綴

前綴模塊是MAXQ架構(gòu)獨(dú)有的特性，它解決了所有16位微控制器共同面臨的局限性。由于采用16位寄存器，立即數(shù)載入指令需要一個(gè)16位的操作數(shù)，這意味著一個(gè)有效的立即數(shù)載入指令需要多于16位的代碼。

有幾種解決方案來處理這種局限性，比如采用可變長度的指令和寄存器，并允許獨(dú)立訪問低字節(jié)和高字節(jié)(MAXQ中的GR寄存器就是這樣一個(gè)例子)。但這些方案都不盡完美，因?yàn)樗鼈兪沟米g碼邏輯變得非常復(fù)雜，或者需要引入新的寄存器(圖8)。


圖8. 當(dāng)前綴寄存器作為目的寄存器時(shí)，8位立即數(shù)源提供16位立即操作數(shù)的高字節(jié)；目的子譯碼則為源操作數(shù)和目的操作數(shù)提供附加位，以尋址每個(gè)模塊當(dāng)中的所有32個(gè)寄存器。

前綴機(jī)制從兩方面改善了這一操作過程。首先，這種機(jī)制僅向那些需要附加位的特定指令添加前綴，從而節(jié)省了代碼空間與執(zhí)行時(shí)間。其次，由于既可為立即數(shù)又可為寄存器標(biāo)識符提供附加位，該機(jī)制在擴(kuò)展寄存器空間的同時(shí)又保持了整體架構(gòu)的性能。

前面提到，盡管每一個(gè)寄存器模塊都包含32個(gè)寄存器，但源寄存器只有4位標(biāo)識符，目標(biāo)寄存器只有3位標(biāo)識符。前綴機(jī)制則可提供這些附加位。

前綴機(jī)制的鮮明特色表現(xiàn)為幾個(gè)方面。首先，前綴指令中目的部分的特定位被用作立即數(shù)源位，用來訪問子譯碼大于15的源地址寄存器，以及子譯碼大于7的目的地址寄存器。通過這種方式，單條前綴指令既能夠訪問任何寄存器或立即數(shù)，也能夠訪問任何寄存器子譯碼。

其次，前綴寄存器還有另一個(gè)獨(dú)特之處，即它載入的任意值僅能夠保持一個(gè)時(shí)鐘周期。在此之后，該寄存器會(huì)自動(dòng)清零。也就是說，必須在緊靠被前綴寄存器修改的指令之前，向前綴寄存器傳送所需數(shù)據(jù)。這同樣意味著前綴指令是不可中斷的。如果緊隨一個(gè)前綴操作之后發(fā)生了一次中斷，則當(dāng)中斷返回主函數(shù)時(shí)前綴信息會(huì)丟失。

如圖9所示，前綴寄存器中的位分別送至源標(biāo)識符、目的標(biāo)識符和立即數(shù)中。所以，盡管絕大多數(shù)指令可以在單周期內(nèi)執(zhí)行，以下指令仍然需要兩個(gè)周期：尋址子譯碼大于7的目標(biāo)寄存器；尋址子譯碼大于15的源寄存器；或者加載大于255的立即數(shù)。


圖9. 前綴寄存器可提供附加位，以實(shí)現(xiàn)16位立即操作數(shù)，以及尋址每個(gè)模塊中所有32個(gè)源和目的寄存器。

為了說明這個(gè)過程，我們考慮指令move A[0], #010h。這條指令將一個(gè)立即數(shù)傳送到模塊9的寄存器0中，因此匯編器會(huì)生成如下的操作碼：0910。但如果指令是A[10], #0320h的話，匯編器會(huì)自動(dòng)地插入一條前綴指令：2B03 2920。

如果沒有前綴指令，操作碼2920會(huì)被解釋為A[2], #020h。而前綴將一位添加到目的標(biāo)識符，并將一些位添加到立即數(shù)中，從而允許處理器向任意寄存器子譯碼加載任意值，并且永遠(yuǎn)不會(huì)超過兩個(gè)執(zhí)行周期。

實(shí)例

獨(dú)特的MAXQ20內(nèi)核結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)一些其它處理器不能完成的操作。

向量中斷

MAXQ20內(nèi)核僅具有一個(gè)中斷向量寄存器，一些用戶可能認(rèn)為這是一個(gè)缺陷。但實(shí)際情況是：考慮到具有兩個(gè)外部中斷的系統(tǒng)，可將其中的設(shè)備A連接至端口0位0，設(shè)備B連接至端口0位1；對應(yīng)的中斷選擇可以像跳轉(zhuǎn)PIO一樣操作簡單。在地址0上，編碼為：

        0000: IRET
        0001: jump SERVICE_DEVICE_A
        0002: jump SERVICE_DEVICE_B
        0003: jump SERVICE_DEVICE_A

該例中，設(shè)備A具有中斷服務(wù)優(yōu)先權(quán)。也就是說，如果兩個(gè)中斷請求線同時(shí)有效(端口0上位0和位1均有效)，先響應(yīng)設(shè)備A。在中斷服務(wù)程序結(jié)束時(shí)，只有當(dāng)設(shè)備A中斷不再有效時(shí)，才能夠響應(yīng)設(shè)備B中斷。

任務(wù)管理器

在多數(shù)應(yīng)用程序中，輪詢?nèi)蝿?wù)列表非常重要，以便產(chǎn)生一個(gè)多任務(wù)處理環(huán)境下的原始數(shù)據(jù)類型。這點(diǎn)在無需優(yōu)先權(quán)限時(shí)非常有用(或不需要實(shí)時(shí)操作的情況)。MAXQ結(jié)構(gòu)簡化了這種程序：

task_wheel_init:
        move dp[0], #task_list
task_wheel:
        move dp[0], dp[0]
        jump @dp[0]++
.
.
.
task_list:
        dw      task_01
        dw      task_02
        dw      task_03
        dw      task_wheel_init

在該例子中，DP[0]指向任務(wù)列表。在task_wheel程序中，DP[0]被選中用來作為源指針，并接著從任務(wù)列表中加載指令指針。每當(dāng)完成一個(gè)任務(wù)時(shí)，不是執(zhí)行一個(gè)RET，而是簡單地跳轉(zhuǎn)至task_wheel程序即可。

向量表中的最后一個(gè)入口地址用來重新初始化指針，并且任務(wù)調(diào)度器開始重新掃描向量表。

遍歷列表

通常，為做好標(biāo)記的入口快速搜索非標(biāo)準(zhǔn)大小的對象是非常有用的。但對于某些處理器結(jié)構(gòu)來說實(shí)現(xiàn)此功能是有困難的，因?yàn)槠浯鎯?chǔ)器訪問功能已從ALU刪除。在MAXQ中，這是一個(gè)非常簡單的任務(wù)。

TAG	LEN	Data
3F	09	00	01	02	03	04	05	06	07	08	?	?	?	?	?
17	0E	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	1A	1B	1C	1D
35	07	20	21	21	22	23	24	25	?	?	?	?	?	?	?

對于這個(gè)例子，假設(shè)該列表包含由標(biāo)記、長度和數(shù)據(jù)串組成的數(shù)據(jù)對象。遍歷該列表的程序如下：

item_seek:
        move acc, @dp[0]++     ;Get tag
        jump z, item_not_found ;Tag==0 means end of list
        cmp  a[1]              ;A[1] has target tag
        jump e, item_found     ;If item==target, exit
        move acc, @dp[0]++     ;If no match, get data len
        add  dp[0]             ;Add to pointer
        move dp[0], acc        ;Store pointer back
        jump item_seek         ;...and seek next item.

該程序8個(gè)指令遍歷列表，尋找匹配項(xiàng)或標(biāo)記為零的項(xiàng)，以此來終止列表。采用8MHz MAXQ20內(nèi)核時(shí)，該程序每秒遍歷一百萬次。

結(jié)論

盡管MAXQ的內(nèi)核看起來比較簡單，但是傳送-觸發(fā)架構(gòu)使得它在速度與靈活性方面具有突出的優(yōu)勢。由于通過寄存器接口直接尋址外設(shè)，嵌入式外設(shè)的數(shù)據(jù)傳送速度極快?？偟膩碚f，MAXQ內(nèi)核在任何方面都是大多數(shù)微控制器應(yīng)用的上佳選擇。