第4章 MCS-51系列單片機指令系統(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)。計算機的指令系統(tǒng)是表征計算機性能的重要指標，每種類型的計算機都有自己的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)是制造廠家在設(shè)計CPU時所賦予它的功能，用戶必須正確書寫和使用。因此，學習指令系統(tǒng)，掌握指令的功能和應(yīng)用是十分重要的，這是用匯編語言進行程序設(shè)計的基礎(chǔ)。本章我們將詳細介紹MCS-51系列單片機指令系統(tǒng)的功能和使用方法。

4.1 概述

4.1.1 指令和指令系統(tǒng)

微型計算機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)果送到計算機外部。設(shè)計一臺計算機，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)。從指令是反映計算機內(nèi)部的一種操作來看，指令系統(tǒng)全面展示了計算機的操作功能，也就是它的工作原理；從用戶使用的角度看，指令系統(tǒng)是提供用戶使用計算機功能的軟件資源。

設(shè)計一種微處理器，一般從設(shè)計指令開始。指令系統(tǒng)因機種不同而異。例如代碼01001111B（4FH），對Z80CPU是將累加器A中的內(nèi)容傳送給寄存器C；對于M6800 CPU是將累加器A清零；而對MCS-51單片機卻是將累加器A和工作寄存器R7進行“與”操作。

指令一般有功能、時間和空間三種屬性。功能屬性是指每條指令所對應(yīng)的一個特定的操作功能；時間屬性是指一條指令執(zhí)行所用的時間，一般用機器周期來表示；空間屬性是指一條指令在程序存儲器中存儲時所占用的字節(jié)數(shù)。這三種屬性在使用中最重要的是功能屬性，但時間、空間屬性在有些場合也要用到。如一些實時控制應(yīng)用程序中，有時需要計算一個程序段的確切執(zhí)行時間或編寫軟件延時程序，這時就都要用到每條指令的時間屬性；在程序存儲器的空間設(shè)計或進行相對轉(zhuǎn)移指令的偏移量計算時，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。

微型計算機的指令系統(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。它由一組二進制代碼表示，在匯編語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)可有一個或兩個，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。因此學習好一種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

計算機要完成一項工作，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。編排程序的過程稱為程序設(shè)計。程序必須存放在存儲器中，CPU逐條取出指令并執(zhí)行之，從而完成預(yù)定的任務(wù)。下面通過一個例子進行說明。

【例4-1】 在程序存儲器中存放著一個ASCII碼表，通過查表，將十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成ASCII碼。設(shè)十六進制數(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單片機指令編寫）。

如圖4-1 所示，程序和數(shù)據(jù)塊已存放在存儲器中，都是以二進制數(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)，是指令的操作對象，地址單元3008H～3017H中存放的是0～F的ASCII碼。在微機應(yīng)用中，大量的工作是編寫程序。程序設(shè)計過程就是根據(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過程。

上例中的二進制代碼稱為指令代碼。由于計算機的CPU只能認識和識別二進制代碼，所以又稱為機器碼。一種計算機有幾十種甚至上百種機器指令，都用二進制碼表示是很困難的。所以，通常用十六進制碼表示指令碼，但這仍解決不了記憶問題和閱讀問題。

為了記憶和閱讀方便，制造廠家對指令系統(tǒng)中的每一條指令都給出了符號作為指令助記符。如圖4-1中的第一個操作碼“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）和標號編寫的程序稱為匯編（符號）語言程序。用匯編語言編寫的例4-1的程序如下：

              標號         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）語言程序也稱為源程序，計算機要執(zhí)行程序，需要將源程序翻譯成機器語言，這個過程稱為匯編。有時需要將機器語言翻譯成源程序，這個過程稱為反匯編。

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言的標準格式。一個匯編語言程序由若干行組成，每行包含一條指令。每行分為4個區(qū)段：

            [標號：]     操作碼       [操作數(shù)]     [；注釋]

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

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

① 標號是該指令的符號地址，標號值代表這條指令在程序存儲器中的存放地址，可根據(jù)需要設(shè)定。標號必須以字母開始，以冒號“:”結(jié)束，所用字符一般不超過8個（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號。一旦某個標號賦給某個語句，則其他語句的操作數(shù)可以直接引用該標號，以便尋址或控制程序轉(zhuǎn)移。標號在每條語句中是任選項。

② 操作碼在匯編語言中由英文字母縮寫而成。操作碼是匯編語言程序每一句所必需的部分，它決定了語句的操作性質(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“,”分開。另外，有些語句中可以無操作數(shù)，只是一個命令。

④ 注釋以分號“;”開頭，計算機在匯編時對這部分不予處理，是程序員對指令操作的解釋。注釋必須在一行之內(nèi)寫完，換行時需要另外以分號“;”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，一定要嚴格按規(guī)定的格式書寫程序。

4.1.3 操作數(shù)的類型

計算機在工作過程中，主要是對數(shù)據(jù)的處理，即對操作數(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)可以用二進制、十六進制或十進制等數(shù)制形式表示，也可以寫成一個可求出確定值的表達式來表示。

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．存儲器操作數(shù)

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