F351（9）：用Forth 打造16位的新8051指令和新编译器的方法

杨***

一、新的16位的8051指令设计

（1）8051指令集是8位的指令集，对于16/32位的数据操作就需要多条指令来完成。用8位8051汇编语言来写的程序，无论是用Keil的A51或者是用Fort的F051写的汇编语言程序比起C语言程序都有两个明显的差距：一个程序太长，另一个是重复性很高。如果汇编语言程序能够直接采用16/32位指令，则可以大大地缩短这个差距。

（2）本文范例仍然用LED交替闪烁的例子，其C语言的程序见下图：

（3）上面C51程序涉及16位数据操作有4种：第26行的16位变量初值操作、第27和29行的16位减1操作、第28和30行的16位条件转移操作以及第46和50行的16位函数参数初值操作。本文将介绍如何用Forth打造这4种16位指令，以实现缩短Forth语言程序，达到与C语言程序一一对应的效果。

（4）Forth程序的设计与实现方法是“自上而下”的设计，“自下而上”的实现。为了打造新的“16位指令”，首先设计出最终的与上面C51程序对应的Forth语言程序,。

设计程序如下：

在上面的Forth 80151语言程序与C51程序一一对应，对应C51程序写在每行程序的注释中。

（5）参数设计：F80151语言采用Keil的C51规范，单个16位的函数参数放在R6R7寄存器对中，即Delay_MS函数的参数MS放在寄存器对R6R7中。

（6）变量设计：F80151语言采用Keil的C51规范，在进行优化后，将单个16位的函数局部变量放在R2R3寄存器对中，即Delay_MS函数的局部变量n放在寄存器对R2R3中。

（7）命名设计：F80151语言采用Keil的C51规范和8086的助记符规范，将16位目标操作数R6R7命名为“AX”寄存器，将16位源操作数R2R3命名为“BX”寄存器。

（8）指令设计：根据上面程序，共需要9条新的80151的16位指令：

1）“F151_AX_LD#”，初值指令，将16位立即数加载到AX寄存器中。

2）“F151_BX_LD#” ，初值指令，将16位立即数加载到BX寄存器中。

3）“F151_AX_DEC” ，减1指令，将16位AX寄存器中的值减1。

4）“F151_BX_DEC” ，减1指令，将16位BX寄存器中的值减1。

5）“F151_AX_JNZ” ，条件转移指令，如果16位AX寄存器中的值不等于0则转移。

6）“F151_BX_JNZ” ，条件转移指令，如果16位BX寄存器中的值不等于0则转移。

7）“F151_RETURN”，函数返回指令

8）“F151_SFR_LD#” ，初值指令，将8位立即数加载到SFR寄存器中。

9）“F151_GOTO”，无条件转移指令。

（9）总结：用Forth 打造16位的8051指令，先完成程序设计、参数设计、变量设计、命名设计和指令设计，然后再去用Forth语言去实现这些指令。

二、Forth程序的项目管理方法

（10）通常一个大一点的编程项目都是由多个程序文件组成，这就需要一个“项目管理”方法来控制这些程序按一定的次序进行编译、连接和输出，Forth语言编程也不例外：

Forth程序项目管理方法是不用专门的IDE，由用户在自己程序中各种“编译命令”来控制编译器按程序语句次序对文件进行模块加载、源程序编译、模块保存和HEX烧录文件生成。

（11）Forth提倡用一个专门的文本文件来使用这些编译命令，控制编译的进行，这个文件称为“项目文件”。

（12）本文范例“F051_16指令”子目录下有下列文件：

1）“01_P151.J”，Forth“项目”文件，文本文件。

2）“02_META.J”，Forth“元接口”程序文件，文本文件。

3）“03_BOOT.J”，Forth“引导”程序文件，文本文件。

4）“11_MAIN.J”，Forth“主函数”程序文件，文本文件。

5）“LOAD.COM”，DOS“COM”程序加载器。

6）“YTJ_F051.COM”，“倚天剑XCC51交叉编译器”DOS程序。

7）“YTJ_XCC51_V21.BAT”，启动“倚天剑XCC51交叉编译器”的批处理文件。

8）“Zap_HEX.bat”，防止头脑不清醒时出错，编译前先删除旧HEX格式烧录文件的批处理文件。

（13）在DOS、WinXP已经Win7-32位等操作系统下，双击“YTJ_XCC51_V21.BAT”批处理文件就可以进入DOS环境，执行YTJ_F051.COM程序，进入“倚天剑XCC51交叉编译器”命令行界面，此时键入“TF_LAOD 01_P151.J<CR>”，就可以编译本范例项目，生成“H80151.hex”烧录文件，把它烧录到STC8H单片机中执行就可以看到LED灯闪烁了。

下面是这一过程的视频：

视频中可以看到：

1）双击“YTJ_XCC51_V21.BAT”批处理文件进入进入倚天剑XCC51交叉编译器”命令行界面的过程：

2）可以看到键入“TF_LAOD 01_P151.J<CR>”，开始编译本范例项目，生成“H80151.hex”烧录文件的过程：

3）可以看到把它烧录到STC8H单片机中后打狗棒开发板上LED灯闪烁的过程：

4）可以看到重新启动“倚天剑XCC51交叉编译器”进入命令行界面，键入了错误的命令“LIST”后，系统提示出错的结果和键入“BYE”命令后退出系统的过程：

（14）重要结论：倚天剑XCC51交叉编译器具有执行手工命令，读写DOS文件以及完善的命令出错复位功能，如果再加上对文件的删除功能，就构成了一个“寄生在DOSINT21”上的微型的“操作系统”了。

三、构造80151新16位指令的方法

（15）作为Forth“自下而上”的实现部分，本文范例的新16位指令在Forth程序文件“02_META.J”中构建：

（16）第29行到第36行的程序转移指令的构造最简单，这两条指令本来在8051指令集中有，在F151中只需要加增加新定义就可以了。

重要说明：倚天剑XCC51交叉编译器 的设计目标是作为一个Forth操作系统，因此采用标准Forth语法，采用英文冒号“:”和分号“;”来定义一个Forth复合词。前面介绍的金湖X51 Forth的设计目标是作为专门的Forth编译器，因此把英文冒号“:”和分号“;”留给了目标机专用，其本身用英文冒号“CW_:”和分号“;_CW”来定义一个Forth复合词。

（17）第43行到第45行构造了一个将16位立即数赋值给R6R7寄存器对的新16位指令。在Keil的A51汇编语言中，这个操作需要两条指令来完成：

MOV        R6, # HIGH(立即数)

MOV        R7, # LOW(立即数)

第44行Forth程序中的“DUP”字的意思就是把立即数复制两份，分别给R6和R7赋值用。

其中“R6,”的意思是将R6设置为目的操作数,其中的“100 / FF AND”这三个字换成十进制的意思是“把立即数除以256，然后再与255执行二进制AND操作”，这就是妥妥的“HIGH(立即数)”函数的操作了，然后的“MOV#”字就是执行8051的MOV指令。

同理该行程序后面的“FF AND”就是“LOW(立即数)”函数，然后“MOV#”指令将16位立即数的低8位赋值给R7。

（18）第54行到第58行构造了16位寄存器减1的新16位指令。实现的方法就是写一段将R6R7寄存器对做减去16位立即数1的8051指令程序。只是8051指令集中的寄存器名“A”、“B”、“C”在Forth语言中也是十六进制数符号，为避免混乱，在Forth汇编语言中将它变为了“ACC”、“BCC”和“CY”了。

（19）第69行到第72行构造了根据16位寄存器AX的值进行转移的新16位指令。由于R6R7寄存器对16位数据是否为0的充分必要条件是R6和R7的二进制OR操作后为0，所以实现的方法就是将R6和R7在累加器ACC中ORL，然后使用8051指令集的“JNZ”指令进行条件转移。

（20）第81行到第83行构造了对SFR进行立即数赋值的新指令。这段程序是展示Forth编译器如何根据8051二进制指令来构造新指令的方法。

在8051指令集中，向DATA空间的某个地址dir8（8位地址）写入一个立即数data8（8位）的二进制机器码由3个字节组成：75,dir8, data8，其中十六进制数“75”指令操作码，对应的汇编语言语句为“MOV  dir8, # data8”或者写为“MOV  d8, # i8” 。

在倚天剑XCC51交叉编译器的Forth语言中，字“CODE_C,”的意思是把堆栈顶上一个数的最低8位以二进制的形式放到目标机的CODE空间中，存放的地址由编译器的地址指针“PC”决定，放完后“PC”的值加1，执行下一个存放地址。

第82行程序“75  CODE_C,  SWAP  CODE_C,  CODE_C,”的意思是首先将指令的操作码“75”写入CODE空间，然后交换两个操作数“SFR  V”的位置，先将SFR地址接着写入CODE空间，最后将要赋给SFR的值V写入CODE空间，形成一个完整的3字节机器码指令供CPU去执行。

（21）结论：使用上面这个方法，只要我们知道某个指令集的每个指令的二进制机器码，那么就可以用Forth系统构造出一个完整的“该指令集的编译器”。比如可以构造出80251指令集、ARM指令集或者RISC-V指令集的编译器。“倚天剑XCC51交叉编译器”就是针对8051单片机的编译器。

当然对于STC单片机现在和未来的新指令集，如法炮制，也可以用Forth系统打造出其专用的编译器，比如“Forth@AI8051U编译器”和“Forth@AI8052U编译器”。

四、Forth项目文件的结构

（22）Forth项目文件是一个文本文件，其内容本身也是一个“Forth源程序”，当用户输入命令“TF_LOAD项目文件名<CR>”之后，倚天剑XCC51交叉编译器就逐行从左到右依次执行每一个Forth字，对整个Forth项目进行编译、连接和输出。

下图是本文范例的项目文件程序：

（23）第17行首先加载“02_META.J”源程序文件。Forth字“TF_include”的意思将后面文件名指定的文件以文本文件的在这个位置“包含”进来。Forth字“TF_include”与C语言“#inlucde”的功能是一样的。

（24）当第17行程序加载“META”程序，构造好了新的16位指令以后，第20行程序加载“11_MAIN.J”Forth主程序，用新的16位指令集编译与C语言一一对应的主程序。

（25）作为一个在STC单片机的可从0000H地址启动的独立运行的程序，第23行程序继续为项目添加引导程序，为主程序的运行建立起工作环境。

（26）第26行程序将从地址0000H到标号“Forth_Code_Top”地址范围的机器码按HEX格式输出为“H80151.hex”烧录文件。

其中标号“Forth_Code_Top”在“03_BOOT.J”程序中定义，位于本次编译的所有机器码的顶部。

（27）在完成本次由“TF_LOAD”命令执行的所有编译任务后，第29行程序“BYE”命令强制倚天剑XCC51交叉编译器系统退出，PC机回到DOS状态。用户还想要做什么操作，必须重新启动Forth系统。如前面的视频展示的那样。

（28）由于Forth在进行编译的过程中，由可能改变了系统的某些状态，留下一些新定义的Forth字，因此需要第，如果不退出系统，如果用户后面进行了错误操作可能导致不可预料的结果。

（29）当然如果用户有足够的把握，也可以不要第29行程序，不退出Forth系统，用户可以继续用手工命令继续进行编译工作，手工生成HEX格式的烧录文件。

vxfk***

看上去很厉害的样子，学习一下

rayr***

学习啦