第4章 MCS-51系列單片機(jī)指令系統(tǒng)

指令是CPU執(zhí)行某種操作的命令，CPU所具有的全部指令的集合稱為指令系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)是表征計(jì)算機(jī)性能的重要指標(biāo)，每種類型的計(jì)算機(jī)都有自己的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)是制造廠家在設(shè)計(jì)CPU時(shí)所賦予它的功能，用戶必須正確書寫和使用。因此，學(xué)習(xí)指令系統(tǒng)，掌握指令的功能和應(yīng)用是十分重要的，這是用匯編語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。本章我們將詳細(xì)介紹MCS-51系列單片機(jī)指令系統(tǒng)的功能和使用方法。

4.1 概述

4.1.1 指令和指令系統(tǒng)

微型計(jì)算機(jī)的功能是從外部世界接受信息，經(jīng)CPU加工、處理，然后把結(jié)果送到計(jì)算機(jī)外部。設(shè)計(jì)一臺(tái)計(jì)算機(jī)，首先要提供一套具有特定功能的操作命令，這種操作命令稱為指令。CPU所能執(zhí)行的各種指令的集合稱為指令系統(tǒng)。從指令是反映計(jì)算機(jī)內(nèi)部的一種操作來(lái)看，指令系統(tǒng)全面展示了計(jì)算機(jī)的操作功能，也就是它的工作原理；從用戶使用的角度看，指令系統(tǒng)是提供用戶使用計(jì)算機(jī)功能的軟件資源。

設(shè)計(jì)一種微處理器，一般從設(shè)計(jì)指令開始。指令系統(tǒng)因機(jī)種不同而異。例如代碼01001111B（4FH），對(duì)Z80CPU是將累加器A中的內(nèi)容傳送給寄存器C；對(duì)于M6800 CPU是將累加器A清零；而對(duì)MCS-51單片機(jī)卻是將累加器A和工作寄存器R7進(jìn)行“與”操作。

指令一般有功能、時(shí)間和空間三種屬性。功能屬性是指每條指令所對(duì)應(yīng)的一個(gè)特定的操作功能；時(shí)間屬性是指一條指令執(zhí)行所用的時(shí)間，一般用機(jī)器周期來(lái)表示；空間屬性是指一條指令在程序存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)時(shí)所占用的字節(jié)數(shù)。這三種屬性在使用中最重要的是功能屬性，但時(shí)間、空間屬性在有些場(chǎng)合也要用到。如一些實(shí)時(shí)控制應(yīng)用程序中，有時(shí)需要計(jì)算一個(gè)程序段的確切執(zhí)行時(shí)間或編寫軟件延時(shí)程序，這時(shí)就都要用到每條指令的時(shí)間屬性；在程序存儲(chǔ)器的空間設(shè)計(jì)或進(jìn)行相對(duì)轉(zhuǎn)移指令的偏移量計(jì)算時(shí)，就要用到指令的空間屬性。不同情況下關(guān)注的屬性是不同的。

微型計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)由幾十條到幾百條指令構(gòu)成。每種指令又由兩個(gè)字段構(gòu)成，即操作碼字段和操作數(shù)字段。操作碼字段表明指令執(zhí)行何種性質(zhì)的操作，例如加法操作、減法操作、傳送操作等。它由一組二進(jìn)制代碼表示，在匯編語(yǔ)言中又用助記符代表。操作數(shù)字段指明指令的操作所需要的數(shù)據(jù)。該字段中，可以是操作數(shù)本身或操作數(shù)地址。在指令中，操作數(shù)可有一個(gè)或兩個(gè)，前者稱為單操作數(shù)指令，后者稱為雙操作數(shù)指令，而雙操作數(shù)又分別稱為源操作數(shù)和目的操作數(shù)。

一種CPU的指令系統(tǒng)是該CPU本身所固有的，用戶無(wú)法改變，只能接受和應(yīng)用它。雖然各種CPU指令系統(tǒng)各不相同，但它們的指令類型、指令格式、指令基本操作及尋址方式有很多共同之處。因此學(xué)習(xí)好一種CPU的指令系統(tǒng)，再掌握其他CPU的指令系統(tǒng)就容易了。

4.1.2 程序與程序設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)要完成一項(xiàng)工作，必須按要求去執(zhí)行各種操作，即一步步地執(zhí)行一條條指令，這些按預(yù)定要求編排的指令序列稱為程序。編排程序的過(guò)程稱為程序設(shè)計(jì)。程序必須存放在存儲(chǔ)器中，CPU逐條取出指令并執(zhí)行之，從而完成預(yù)定的任務(wù)。下面通過(guò)一個(gè)例子進(jìn)行說(shuō)明。

【例4-1】 在程序存儲(chǔ)器中存放著一個(gè)ASCII碼表，通過(guò)查表，將十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成ASCII碼。設(shè)十六進(jìn)制數(shù)存放在R0中的低4位，要求將轉(zhuǎn)換后的ASCII碼送回到R0中（用MCS-51單片機(jī)指令編寫）。

如圖4-1 所示，程序和數(shù)據(jù)塊已存放在存儲(chǔ)器中，都是以二進(jìn)制數(shù)的形式存放的。帶“·”的地址中存放的是指令的操作碼，這些操作碼規(guī)定了機(jī)器執(zhí)行什么操作；程序中還有指令的操作數(shù)，是指令的操作對(duì)象，地址單元3008H～3017H中存放的是0～F的ASCII碼。在微機(jī)應(yīng)用中，大量的工作是編寫程序。程序設(shè)計(jì)過(guò)程就是根據(jù)任務(wù)要求和算法，從指令系統(tǒng)中選取合適的指令，給出必要的操作數(shù)（或操作數(shù)地址），加以合理的排列而得到程序的一個(gè)過(guò)程。

上例中的二進(jìn)制代碼稱為指令代碼。由于計(jì)算機(jī)的CPU只能認(rèn)識(shí)和識(shí)別二進(jìn)制代碼，所以又稱為機(jī)器碼。一種計(jì)算機(jī)有幾十種甚至上百種機(jī)器指令，都用二進(jìn)制碼表示是很困難的。所以，通常用十六進(jìn)制碼表示指令碼，但這仍解決不了記憶問(wèn)題和閱讀問(wèn)題。

為了記憶和閱讀方便，制造廠家對(duì)指令系統(tǒng)中的每一條指令都給出了符號(hào)作為指令助記符。如圖4-1中的第一個(gè)操作碼“11101000”用MOV A，R0表示，“01010100”和“00001111”用ANL A，#0FH表示等，這就容易記憶，容易理解，清晰可讀。

用助記符（操作符）、操作數(shù)（或其地址）和標(biāo)號(hào)編寫的程序稱為匯編（符號(hào)）語(yǔ)言程序。用匯編語(yǔ)言編寫的例4-1的程序如下：

              標(biāo)號(hào)         操作碼   操作數(shù)                  注釋
                        ORG     0000H
            ASCCB:      MOV     A，R0                ;取數(shù)
                        ANL     A，#0FH              ;屏蔽高4位
                        ADD     A，#02H              ;變址調(diào)整
                        MOVC    A，@A+PC             ;查表
                        MOV     R0，A                ;送結(jié)果
                        RET                          ;返回
            ASCTAB:     DB      30H，31H，32H，33H，34H，35H，36H，37H
                        DB      38H，39H，41H，42H，43H，44H，45H，46H

匯編（符號(hào)）語(yǔ)言程序也稱為源程序，計(jì)算機(jī)要執(zhí)行程序，需要將源程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言，這個(gè)過(guò)程稱為匯編。有時(shí)需要將機(jī)器語(yǔ)言翻譯成源程序，這個(gè)過(guò)程稱為反匯編。

為了完成源程序的匯編工作，匯編程序給程序員在程序格式上做了一些規(guī)定。上例中給出的是匯編語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)格式。一個(gè)匯編語(yǔ)言程序由若干行組成，每行包含一條指令。每行分為4個(gè)區(qū)段：

            [標(biāo)號(hào)：]     操作碼       [操作數(shù)]     [；注釋]

每行除操作碼部分是必需的外，其他帶中括號(hào)的區(qū)段是任選項(xiàng)，不是必需的。

在4個(gè)區(qū)段之間要用分隔符分開，標(biāo)號(hào)后接一冒號(hào)，操作碼和操作數(shù)之間用一空格隔開，注釋段用一分號(hào)開始。另外，使用匯編語(yǔ)言編寫的程序（源程序）不要求每行的各個(gè)區(qū)段都一一對(duì)齊，但將各個(gè)區(qū)段對(duì)齊可使程序就更加清晰、可讀。

① 標(biāo)號(hào)是該指令的符號(hào)地址，標(biāo)號(hào)值代表這條指令在程序存儲(chǔ)器中的存放地址，可根據(jù)需要設(shè)定。標(biāo)號(hào)必須以字母開始，以冒號(hào)“:”結(jié)束，所用字符一般不超過(guò)8個(gè)（視匯編程序版本不同而異）。系統(tǒng)中保留使用的字符或字符組成不能用做標(biāo)號(hào)。一旦某個(gè)標(biāo)號(hào)賦給某個(gè)語(yǔ)句，則其他語(yǔ)句的操作數(shù)可以直接引用該標(biāo)號(hào)，以便尋址或控制程序轉(zhuǎn)移。標(biāo)號(hào)在每條語(yǔ)句中是任選項(xiàng)。

② 操作碼在匯編語(yǔ)言中由英文字母縮寫而成。操作碼是匯編語(yǔ)言程序每一句所必需的部分，它決定了語(yǔ)句的操作性質(zhì)，反映了指令的功能。操作碼和操作數(shù)之間用空格分開。

③ 操作數(shù)指示出的是參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)，可以是數(shù)字、操作數(shù)地址、寄存器等。操作數(shù)又分為目的操作數(shù)和源操作數(shù)兩種，二者之間用逗號(hào)“,”分開。另外，有些語(yǔ)句中可以無(wú)操作數(shù)，只是一個(gè)命令。

④ 注釋以分號(hào)“;”開頭，計(jì)算機(jī)在匯編時(shí)對(duì)這部分不予處理，是程序員對(duì)指令操作的解釋。注釋必須在一行之內(nèi)寫完，換行時(shí)需要另外以分號(hào)“;”開始。注釋內(nèi)容可為任何字符。不需要每行都加注釋，僅在某些關(guān)鍵行注釋就可以了。

編程者（程序員）在編程時(shí)，一定要嚴(yán)格按規(guī)定的格式書寫程序。

4.1.3 操作數(shù)的類型

計(jì)算機(jī)在工作過(guò)程中，主要是對(duì)數(shù)據(jù)的處理，即對(duì)操作數(shù)的處理。

操作數(shù)的類型有三種：立即數(shù)、寄存器操作數(shù)、存儲(chǔ)器操作數(shù)。

1．立即數(shù)

立即數(shù)是作為指令代碼的一部分出現(xiàn)在指令中的，它通常作為源操作數(shù)使用。

在匯編指令中，立即數(shù)可以用二進(jìn)制、十六進(jìn)制或十進(jìn)制等數(shù)制形式表示，也可以寫成一個(gè)可求出確定值的表達(dá)式來(lái)表示。

2．寄存器操作數(shù)

寄存器操作數(shù)把操作數(shù)存放在寄存器中，即用寄存器存放源操作數(shù)或目的操作數(shù)。

通常在指令中給出寄存器的名稱，在雙操作數(shù)指令中，可以作為源操作數(shù)，也可以作為目的操作數(shù)。

3．存儲(chǔ)器操作數(shù)

存儲(chǔ)器操作數(shù)把操作數(shù)放在存儲(chǔ)器中，因此在匯編指令中給出的是存儲(chǔ)器的地址。