Giáo trình Vi điều khiển - Chương 6: Các lệnh số học và các chương trình

Nội dung text: Giáo trình Vi điều khiển - Chương 6: Các lệnh số học và các chương trình

1. CHƯƠNG 6 Các lệnh số học và các chương trình 6.1 Phép cộng và trừ không dấu. Các số không dấu được định nghĩa như những dữ liệu mà tất cả mọi bit của chúng đều được dùng để biểu diễn dữ liệu và khó có bit dành cho dấu âm hoặc dương. Điều này có nghĩa là toán hạng có thể nằm giữa 00 và FFH (0 đến 255 hệ thập phân) đối với dữ liệu 8 bit. 6.1.1 Phép cộng các số không dấu. Trong 8051 để cộng các số với nhau thì thanh ghi tổng (A) phải được dùng đến. Dạng lệnh ADD là: ADD A, nguồn; A = A + nguồn Lệnh ADD được dùng để cộng hai toán hạng. Toán hạng đích luôn là thanh ghi A trong khi đó toán hạng nguồn có thể là một thanh ghi dữ liệu trực tiếp hoặc là ở trong bộ nhớ. Hãy nhớ rằng các phép toán số học từ bộ nhớ đến bộ nhớ không bao giờ được phép trong hợp ngữ. Lệnh này có thể thay đổi một trong các bit AF, CF hoặc PF của thanh ghi cờ phụ thuộc vào các toán hạng liên quan. Tác động của lệnh ADD lên cờ tràn sẽ được trình bày ở mục 6.3 vì nó chủ yếu được sử dụng trong các phép toán với số có dấu. Xét ví dụ 6.1 dưới đây: Ví dụ 6.1: Hãy biểu diễn xem cá lệnh dưới đây tác động đến thanh ghi cờ như thế nào? MOV A, # 0F5H ; A = F5H MOV A, # 0BH ; A = F5 + 0B = 00 Lời giải: F5H 1111 0101 + 0BH + 0000 1011 100H 0000 0000 Sau phép cộng, thanh ghi A (đích) chứa 00 và các cờ sẽ như sau: CY = 1 vì có phép nhớ từ D7 PF = 1 vì số các số 1 là 0 (một số chẵn) cờ PF được đặt lên 1. AC = 1 vì có phép nhớ từ D3 sang D4 6.1.1.1 Phép cộng các byte riêng rẽ. ở chương 2 đã trình bày một phép cộng 5 byte dữ liệu. Tổng số đã được cất theo chú ý nhỏ hơn FFH là giá trị cực đại một thanh ghi 8 bit có thể được giữ. Để tính tổng số của một số bất kỳ các toán hạng thì cờ nhớ phải được kiểm tra sau mỗi lần cộng một toán hạng. Ví dụ 6.2 dùng R7 để tích luỹ số lần nhớ mỗi khi các toán hạng được cộng vào A. Ví dụ 6.2: Giả sử các ngăn nhớ 40 - 44 của RAM có giá trị sau: 40 = (7D); 41 = (EB); 42 = (C5); 43 = (5B) và 44 = (30). Hãy viết một chương trình tính tổng của các giá
2. ADD A, #8DH ; Cộng byte thấp vào A → a = 74H và CY = 1 MOV R6, A ; Lưu byte thấp của tổng vào R6 MOV A, #3CH ; Nạp byte cao vào A → A = 3CH ADDC A, #3BG ; Cộng byte cao có nhớ vào A → A = 78H ; MOV R7, A ; Lưu byte cao của tổng vào R7 6.1.1.3 Hệ thống số BCD (số thập phân mã hoá theo nhị phân). Số BCD là số thập phân được mã hoá theo nhị phân 9 mà không dùng số thập phân hay số thập lục (Hex). Biểu diễn nhị phân của các số từ 0 đến 9 được gọi là BCD (xem hình 6.1). Trong tài liệu máy tính ta thường gặp hai khái niệm đối với các số BCD là: BCD được đóng gói và BCD không đóng gói. Digit BCD Digit BCD 0 0000 5 0101 1 0001 6 0110 2 0010 7 0111 3 0011 8 1000 4 0100 9 1001 Hình 6.1: Mã BCD. a- BCD không đóng gói. Trong số BCD không đóng gói thì 4 bít thấp của số biểu diễn số BCD còn 4 bit còn lại là số 9. Ví dụ “00001001” và “0000 0101” là những số BCD không đóng gói của số 9 và số 5. Số BCD không đóng gói đòi hỏi một byte bộ nhớ hay một thanh ghi 8 bit để chứa nó. b- BCD đóng gói. Trong số BCD đóng gói thì một byte có 2 số BCD trong nó một trong 4 bit thấp và một trong 4 bit cao. Ví dụ “0101 1001” là số BCD đóng gói cho 59H. Chỉ mất 1 byte bộ nhớ để lưu các toán hạng BCD. Đây là lý do để dùng số BCD đóng gói vì nó hiệu quả gấp đôi trong lưu giữ liệu. Có một vấn để khi cộng các số BCD mà cần phải được khắc phục. Vấn đề đó là sau khi cộng các số BCD đóng gói thì kết quả không còn là số BCD. Ví dụ: MOV A, #17H ADD A, #28H Cộng hai số này cho kết quả là 0011 1111B (3FH) không còn là số BCD! Một số BCD chỉ nằm trong giải 0000 đến 1001 (từ số 0 đến số 9). Hay nói cách khác phép cộng hai số BCD phải cho kết quả là số BCD. Kết quả trên đáng lẽ phải là 17 + 28 = 45 (0100 0101). Để giải quyết vấn đề này lập trình viên phải cộng 6 (0110) vào số thấp 3F + 06 = 45H. Vấn đề tương tự cũng có thể xảy ra trong số cao (ví dụ khi cộng hai số 52H + 87H = D94). Để giải quyết vấn đề này ta lại phải cộng 6 vào số cao (D9H + 60H = 139). Vấn đề này phổ biến đến mức mọi bộ xử lý như 8051 đều có một lệnh để sử lý vấn đề này. Trong 8051 đó là lệnh “DA A” để giải quyết vấn đề cộng các số BCD.
3. NEXT: INC R0 ; Tăng R0 dịch con trỏ lên ô nhớ kế tiếp DJNZ R2, AGAIN ; Lặp lại cho đến khi R2 = 0 6.1.2 Phép trừ các số không dấu. Cú pháp: SUBB A, nguồn; A = A - nguồn - CY. Trong rất nhiều các bộ xử lý có hai lệnh khác nhau cho phép trừ đó là SUB và SUBB (trừ có mượn - Sub, tract with Borrow). Trong 8051 ta chỉ có một lệnh SUBB duy nhất. Để thực hiện SUB từ SUBB, do vậy có hai trường hợp cho lệnh SUBB là: với CY = 0 và với CY = 1. Lưu ý rằng ở đây ta dùng cờ CY để mượn. 6.1.2.1 Lệnh SUBB với CY = 0. Trong phép trừ thì các bộ vi xử lý 8051 (thực tế là tất cả mọi CPU hiện đại) đều sử dụng phương pháp bù 2. Mặc dù mỗi CPU đều có mạch cộng, nó có thể quá cồng kềnh (và cần nhiều bóng bán dẫn) để thiết kế mạch trừ riêng biệt. Vì ly do đó mà 8051 sử dụng mạch cộng để thực hiện lệnh trừ. Giả sử 8051 sử dụng mạch cộng để thực hiện lệnh trừ và rằng CY - 0 trước khi thực hiện lệnh thì ta có thể tóm tắt các bước mà phần cứng CPU thực hiện lệnh SUBB đối với các số không dấu như sau: 1. Thực hiện lấy bù 2 của số trừ (toán hạng nguồn) 2. Cộng nó vào số bị trừ (A) 3. Đảo nhớ Đây là 3 bước thực hiện bởi phần cứng bên trong của CPU 8051 đối với mỗi lệnh trừ SUBB bất kể đến nguồn của các toán hạng được cấp có được hỗ trợ chế độ đánh địa chỉ hay không? Sau ba bước này thì kết quả có được và các cờ được bật. Ví dụ 6.5 minh hoạ 3 bước trên đây: Ví dụ 6.5: Trình bày các bước liên quan dưới đây: CLR C ; Tạo CY = 0 MOV A, #3FH ; Nạp 3FH vào A (A = 3FH) MOV R3, #23H ; Nạp 23H vào R3 (R3 = 23H) SUBB A, R3 ; Trừ A cho R3 đặt kết quả vào A Lời giải: A = 3F 0011 1111 0011 1111 - R3 = 23 0010 0011 + 1101 1101 bù 2 của R3 (bước 1) 1C 1 0001 1100 - 1C (bước 2) 0 CF = 0 (bước 3) Các cờ sẽ được thiết lập như sau: CY = 0, AC = 0 và lập trình viên phải được nhìn đến cờ nhớ để xác định xem kết quả là âm hay dương. Nếu sau khi thực hiện SUBB mà CY = 0 thì kết quả là dương. Nếu CY = 1 thì kết quả âm và đích có giá trị bù 2 của kết quả. Thông thường kết quả được để ở dạng bù 2 nhưng các lệnh bù CPL và tăng INC có thể được sử dụng để thay đổi nó. Lệnh CPL thực hiện bù 1 của toán hạng sau đó toán hạng được tăng lên 1 (INC) để trở thành dạng bù 2. Xem ví dụ 6.6. Ví dụ 6.6: Phân tích chương trình sau:
4. MOV A, #25H ; Nạp vào A giá trị 25H MOV B, 65H ; Nạp vào B giá trị 65H MUL AB ; 25H*65H = E99 với B = 0EH và A = 99H Bảng 6.1: Tóm tắt phép nhân hai số không dấu (MULAB) Nhân Toán hạng 1 Toán hạng 2 Kết quả Byte*Byte A B A = byte thấp, B = byte cao 6.2.2 Chia hai số không dấu. 8051 cùng chỉ hỗ trợ phép chia hai số không dấu byte cho byte với cú pháp: DIV AB ; Chia A cho B Khi chia một byte cho một byte thì tử số (số bị chia) phải ở trong thanh ghi A và mẫu số (số chia) phải ở trong thanh ghi B. Sau khi lệnh chia DIV được thực hiện thì thương số được đặt trong A, còn số dư được đặt trong B. Xét ví dụ dưới đây: MOV A, #95 ; Nạp số bị chia vào A = 95 MOV B, #10 ; Nạp số chia vào B = 10 DIV AB ; A = 09 (thương số); B = 05 (số dư) Lưu ý các điểm sau khi thực hiện “DIV AB” Lệnh này luôn bắt CY = 0 và OV = 0 nếu tử số không phải là số 0 Nếu tử số là số 0 (B = 0) thì OV =1 báo lỗi và CY = 0. Thực tế chuẩn trong tất cả mọi bộ vi xử lý khi chia một số cho 0 là bằng cách nào đó báo có kết quả không xác định. Trong 8051 thì cờ OV được thiết lập lên 1. Bảng 6.2: Tóm tắt phép chia không dấu (DIV AB). Phép chia Tử số Mẫu số Thương số Số dư Byte cho Byte A B A B 6.2.3 Một ứng dụng cho các lệnh chia. Có những thời điểm khi một bộ ADC được nối tới một cổng và ADC biểu diễn một số dư nhiệt độ hay áp suất. Bộ ADC cấp dữ liệu 8 bit ở dạng Hex trong dải 00 - FFH. Dữ liệu Hex này phải được chuyển đổi về dạng thập phân. Chúng ta thực hiện chia lặp nhiều lần cho 10 và lưu số dư vào như ở ví dụ 6.8. Ví dụ 6.8: a- Viết một chương trình để nhận dữ liệu dạng Hex trong phạm vi 00 - FFH từ cổng 1 và chuyển đổi nó về dạng thập phân. Lưu các số vào trong các thanh ghi R7, R6 và R5 trong đó số có nghĩa nhỏ nhất được cất trong R7. b- Phân tích chương trình với giả thiết P1 có giá trị FDH cho dữ liệu. Lời giải: a) MOV A, #0FFH MOV P1, A ; Tạo P1 là cổng đầu vào MOV A, P1 ; Đọc dữ liệu từ P1 MOV B, #10 ; B = 0A Hex (10 thập phân)
5. b- Các số dương: Dải của các số dương có thể được biểu diễn theo dạng cho trên hình 6.2 là từ 0 đến +127 thì phải sử dụng toán hạng 16 bit. Vì 8051 không hỗ trợ dữ liệu 16 bit nên ta không bàn luận đến. c- Các số âm: Đối với các số âm thì D7 = 1, tuy nhiên độ lớn được biểu diễn ở dạng số bù 2 của nó. Mặc dù hợp ngữ thực hiện việc chuyển đổi song điều quan trọng là hiểu việc chuyển đổi diễn ra như thế nào. Để chuyển đổi về dạng biểu diễn số âm (bù 2) thì tiến hành theo các bước sau: 1. Viết độ lớn của số ở dạng nhị phân 8 bit (không dấu). 2. Đảo ngược tất cả các bit 3. Cộng 1 vào nó. Ví dụ 6.9: Hãy trình bày cách 8051 biểu diễn số - 5. Lời giải: Hãy quan sát các bước sau: 0000 0101 Biểu diễn số 5 ở dạng 8 bit nhị phân 1111 1010 Đảo các bit 1111 1011 Cộng (thành số FB ở dạng Hex) Do vậy, số FBH là biểu diễn số có dấu dạng bù 2 của số - 5. Ví dụ 6.10: Trình bày cách 8051 biểu diễn - 34H. Lời giải: Hãy quan sát các bước sau: 0011 0200 Số 34 được cho ở dạng nhị phân 1100 1011 Đảo các bit 1100 1100 Cộng 1 (thành số CC ở dạng Hex) Vậy số CCH là biểu diễn dạng bù 2 có dấu của - 34H. Ví dụ 6.11: Trình bày cách 8051 biểu diễn - 128: Lời giải: Quan sát các bước sau: 1000 0000 Số 128 ở dạng nhị phân 28 bit 0111 1111 Đảo các bit 1000 0000 Cộng 1 (trở thành số 80 dạng Hex) Vậy - 128 = 80H là biểu diễn số có dấu dạng bù 2 của - 128. Từ các ví dụ trên đây ta thấy rõ ràng rằng dải của các số âm có dấu 8 bit là - 1 đến - 128. Dưới đây là liệt kê các số có dấu 8 bit: Số thập phân Số nhị phân Số Hex -128 1000 0000 80 -127 1000 0001 81 -126 1000 0010 82 -2 1111 1110 FE -1 1111 1111 FF
6. MOV A, # -128 ; A = 1000 0000 (A= 80H) MOV R4, # -2 ; R4 = 1111 (R4 = FEH) ADD A, R4 ; A = 0111 1110 (A = 7EH = +126, invalid) Lời giải: - 128 1000 0000 + - 2 1111 1110 -130 0111 1110 và OV = 1 Theo CPU thì kết quả + 126 là kết quả sai, nên cờ OV = 1. Ví dụ 6.14: Hãy quan sát đoạn mã sau và lưu ý cờ OV. MOV A, # -2 ; A = 1111 1110 (A = FEH) MOV R1, # -5 ; R1 = 1111 1011 (R1 = FBH) ADD A, R1 ; A = 1111 1001 (A = F9H = -7, correct, OV = 0) Lời giải: - 2 1111 1110 + - 5 1111 1011 - 7 1111 1001 và OV = 0 Theo CPU thì kết quả - 7 là đúng nên cờ OV = 0. Ví dụ 6.15: Theo dõi đoạn mã sau, chú ý vai trò của cờ OV. MOV A, # +7 ; A = 0000 0111 (A = 07H) MOV R1, # +18 ; R1 = 0001 0010 (R1 = 12H) ADD A, R1 ; A = 1111 1001 (A = 19H = -25, correct, OV = 0) Lời giải: 7 0000 0111 - 18 0001 0010 25 0001 1001 và OV = 0 Theo CPU thì kết quả - 25 là đúng nên cờ OV = 0. Từ các ví dụ trên đây ta có thể kết luận rằng trọng bất kỳ phép cộng số có dấu nào, cờ OV đều báo kết quả là đúng hay sai. Nếu cờ OV = 1 thì kết quả là sai, còn nếu OV = 0 thì kết quả là đúng. Chúng ta có thể nhấn mạnh rằng, trong phép cộng các số không dấu ta phải hiển thị trạng thái của cờ CY (cờ nhớ) và trong phép cộng các số có dấu thì cờ tràn OV phải được theo dõi bởi lập trình viên. Trong 8051 thì các lệnh như JNC và JC cho phép chương trình rẽ nhánh ngay sau phép cộng các số không dấu như ở phần 6.1. Đối với cờ tràn OV thì không có như vậy. Tuy nhiên,