\section{MCS-51}

Die MCS-51 Architektur wurde von Intel um 1980 entwickelt und wird, in \"ahnlicher Form, noch heute eingesetzt. Einer der bekanntesten Vertretter der Architektur ist der Intel 8051 Microkontroller. Heutzutage werden von verschiedensten Frimen Prozessoren angeboten, die ein ISA besitzen, welches mit dem MCS-51 kompatibel ist, jedoch ein schnelleres Instruktiontiminig bieten. Als Beispiel ist das CPI-51 von Silicon Laboratories zu nennen.

Obwohl die MCS-51 eine 8-Bit Architektur ist, z\"ahlt sie zu den CISC Architektur \footnote{Wenn man RISC als Load-Store-Architektur definiert}, stellt eine Harvard-Architekur dar und ist eine Accumulator Maschine.

\subsection{Einsatzgebiet}
Trotz des Alters von MCS-51 werden kompatible Prozessoren noch immer verbaut. Durch die hohe Vielfalt an Endprodukten k\"onnen sie in vielen Gebieten eingesetzt werden, z.B. wenn ein geringer Stromverbrauch ben\"otigt wird und 8-Bit ausreichend sind. Der von Intel im ``MCS\copyright 51 Microcontroller Family User's Manual (1994)'' angegebene Einsatzzweck sind regelungstechnische Anwendungen.

\subsection{Conditional Jumps}
Conditional Jumps sind als Instruktionen vorhanden, jedoch in limitierten Umfang. Es sind nur (not) zero auf Bytes, Carry set auf das Statusbyte und Bit (not) set auf einige ausgew\"ahlte Bytes im RAM m\"oglich. Alle anderen Sprungtypen m\"ussen auf die vorhandenen Zur\"uckgef\"uhrt werden.

Latenzen werden in Hardware behandelt und sind nicht auf dem ISA Level sichtbar. Es ist jedoch anzumerken das in der MCS-51 Architektur eine Unterscheidung zwischen Clocktakt und Maschinenzyklen zu machen ist. Eine Instruktion ben\"otigt f\"ur ihre Ausf\"uhrung mindestens einen Maschinenzyklus. Ein Maschinenzyklus wird in vier Teilbereiche unterteilt die denen einer \"ublichen Pipeline entsprechen und je 3 Clocktakte ben\"otigen. Dadurch entspricht eine Maschinenzyklus 12 Clocktakten. 
Diese Unterscheidung muss bei modernen Designs, wie dem CPI-51, nicht mehr gemacht werden. Diese besitzen schon eine vollst\"andige Pipeline wodurch gilt das ein Maschinenzyklus einem Clocktakt entspricht.

\subsection{Ziele}
Als Ziel der Architektur ist das angegebene Einsatzgebiet (Regelungstechnik) zu sehen. Intel hebt dabei besonders die guten boolschen Operationen hervor, die auf Bitebene arbeiten k\"onnen,

\subsection{W\"unsche und gute Features}
Als angenehme Features sind folgende Punkte zu nennen:
\begin{itemize}
	\item Teilweise Anwendung von boolschen Operatoren auf einzelne Bits
	\item Interrupts mit Priorit\"aten
	\item In der ISR-Vector Tabelle sind 8 Bytes f\"ur jeden Interrupt vorhanden, wodurch kleine ISR's direkt in dieser platziert werden k\"onnen.
	\item Es gibt 4 Registerbanken zu 8 Registern die \"ueber das PSW \footnote{Program Status Word} ausgew\"ahlt werden k\"onnen.
	\item Eine Division liefert Quotient und Rest.
	\item Die DJNZ-Operation \footnote{decrement jump not zero} ist bei Schleifen gut einsetzbar.
	\item Es ist die Anbindung von externem RAM m\"oglich und es gibt eigene MOV-Instruktionen daf\"ur. Jedoch ben\"otigt man f\"ur die Anbindnung Port0 und Port2 und kann diese nicht mehr Anderweitig verwenden.
\end{itemize}

Als etwas gew\"ohnungsbed\"urftig kann man folgende Features bezeichnen:
\begin{itemize}
	\item Die Entscheidung das Upper RAM\footnote{die obere H\"alfte des RAMs} nur indirekt adressierbar zu machen. 
		Bei direkter Adressierung greift man auf das SFR\footnote{Special Function Register} zu, indem Peripherie, Statusbytes, Accumulator, \ldots des Prozessors sind.
	\item Es sind nur 16 Byte des Lower RAM und Bytes im SFR, deren Adresse auf 0x0h oder 0x8h enden, direkt Bit-adressierbar.
\end{itemize}

\subsection{Listing}
Das Ergebnis der \"Ubersetzung h\"angt von Vorbedingungen ab die nicht angegeben sind, es wurden deshalb folgende Bedingungen angenommen: 
\begin{itemize}
	\item Der Array liegt im externen RAM
	\item Die Adresse ist 16-Bit lang
	\item In Register 7 wird len \"uebergeben und in Register 5 und 6 das High- bzw. Low-Byte der Adresse.
	\item In Register 7 wird das Ergebnis zur\"uckgeliefert
\end{itemize}
Das Timing wurde f\"ur die Original MCS-51 Architektur ermittelt und f\"ur die CPI-51. Da diese Architekturen kompatibel sind, ist keine Unterschied in der Programmgr\"o\ss e vorhanden.
\begin{lstlisting}[caption=MCS-51 Code]
crl r4 //clears r4 (sum)
cjne r7, #0, exec //only execute prog if len/i > 0

sjmp exit //jump to exit

exec:
mov DPL, r6  //load datapointer low with r6
mov DPH, r5  //load datapointer high with r5

loop:
	movx A, @DPTR // read arr[i] from address stored in DPTR
	add A, r4     // add sum to arr[i]
	mov r4, A     // mov sum into r4
	inc DPTR      // increment address

djnz r7, loop     // decrement i and jump if not zero

exit:
mov r7,r4 //returns sum in r7

ret
\end{lstlisting}

Es werden pro Schleifeniteration 5 Instruktionen ausgef\"uhrt. Dadurch ergibt sich bei einem MCS-51 eine Ausf\"uhrungszeit von 8$\mu$s was 8 Maschinenzyklen und damit 96 Clocktakte. 
Ein CPI-51 ben\"otigt 9 Clocktakte f\"ur eine Iteration, bei der letzen Ausf\"uhrung einen weniger.

Die Codesize der Schleife ist 6 Bytes.

