第4章 MCS-51系列单片机指令系统

指令是CPU执行某种操作的命令，CPU所具有的全部指令的集合称为指令系统。计算机的指令系统是表征计算机性能的重要指标，每种类型的计算机都有自己的指令系统。指令系统是制造厂家在设计CPU时所赋予它的功能，用户必须正确书写和使用。因此，学习指令系统，掌握指令的功能和应用是十分重要的，这是用汇编语言进行程序设计的基础。本章我们将详细介绍MCS-51系列单片机指令系统的功能和使用方法。

4.1 概述

4.1.1 指令和指令系统

微型计算机的功能是从外部世界接受信息，经CPU加工、处理，然后把结果送到计算机外部。设计一台计算机，首先要提供一套具有特定功能的操作命令，这种操作命令称为指令。CPU所能执行的各种指令的集合称为指令系统。从指令是反映计算机内部的一种操作来看，指令系统全面展示了计算机的操作功能，也就是它的工作原理；从用户使用的角度看，指令系统是提供用户使用计算机功能的软件资源。

设计一种微处理器，一般从设计指令开始。指令系统因机种不同而异。例如代码01001111B（4FH），对Z80CPU是将累加器A中的内容传送给寄存器C；对于M6800 CPU是将累加器A清零；而对MCS-51单片机却是将累加器A和工作寄存器R7进行“与”操作。

指令一般有功能、时间和空间三种属性。功能属性是指每条指令所对应的一个特定的操作功能；时间属性是指一条指令执行所用的时间，一般用机器周期来表示；空间属性是指一条指令在程序存储器中存储时所占用的字节数。这三种属性在使用中最重要的是功能属性，但时间、空间属性在有些场合也要用到。如一些实时控制应用程序中，有时需要计算一个程序段的确切执行时间或编写软件延时程序，这时就都要用到每条指令的时间属性；在程序存储器的空间设计或进行相对转移指令的偏移量计算时，就要用到指令的空间属性。不同情况下关注的属性是不同的。

微型计算机的指令系统由几十条到几百条指令构成。每种指令又由两个字段构成，即操作码字段和操作数字段。操作码字段表明指令执行何种性质的操作，例如加法操作、减法操作、传送操作等。它由一组二进制代码表示，在汇编语言中又用助记符代表。操作数字段指明指令的操作所需要的数据。该字段中，可以是操作数本身或操作数地址。在指令中，操作数可有一个或两个，前者称为单操作数指令，后者称为双操作数指令，而双操作数又分别称为源操作数和目的操作数。

一种CPU的指令系统是该CPU本身所固有的，用户无法改变，只能接受和应用它。虽然各种CPU指令系统各不相同，但它们的指令类型、指令格式、指令基本操作及寻址方式有很多共同之处。因此学习好一种CPU的指令系统，再掌握其他CPU的指令系统就容易了。

4.1.2 程序与程序设计

计算机要完成一项工作，必须按要求去执行各种操作，即一步步地执行一条条指令，这些按预定要求编排的指令序列称为程序。编排程序的过程称为程序设计。程序必须存放在存储器中，CPU逐条取出指令并执行之，从而完成预定的任务。下面通过一个例子进行说明。

【例4-1】 在程序存储器中存放着一个ASCII码表，通过查表，将十六进制数转换成ASCII码。设十六进制数存放在R0中的低4位，要求将转换后的ASCII码送回到R0中（用MCS-51单片机指令编写）。

如图4-1 所示，程序和数据块已存放在存储器中，都是以二进制数的形式存放的。带“·”的地址中存放的是指令的操作码，这些操作码规定了机器执行什么操作；程序中还有指令的操作数，是指令的操作对象，地址单元3008H～3017H中存放的是0～F的ASCII码。在微机应用中，大量的工作是编写程序。程序设计过程就是根据任务要求和算法，从指令系统中选取合适的指令，给出必要的操作数（或操作数地址），加以合理的排列而得到程序的一个过程。

上例中的二进制代码称为指令代码。由于计算机的CPU只能认识和识别二进制代码，所以又称为机器码。一种计算机有几十种甚至上百种机器指令，都用二进制码表示是很困难的。所以，通常用十六进制码表示指令码，但这仍解决不了记忆问题和阅读问题。

为了记忆和阅读方便，制造厂家对指令系统中的每一条指令都给出了符号作为指令助记符。如图4-1中的第一个操作码“11101000”用MOV A，R0表示，“01010100”和“00001111”用ANL A，#0FH表示等，这就容易记忆，容易理解，清晰可读。

用助记符（操作符）、操作数（或其地址）和标号编写的程序称为汇编（符号）语言程序。用汇编语言编写的例4-1的程序如下：

              标号         操作码   操作数                  注释
                        ORG     0000H
            ASCCB:      MOV     A，R0                ;取数
                        ANL     A，#0FH              ;屏蔽高4位
                        ADD     A，#02H              ;变址调整
                        MOVC    A，@A+PC             ;查表
                        MOV     R0，A                ;送结果
                        RET                          ;返回
            ASCTAB:     DB      30H，31H，32H，33H，34H，35H，36H，37H
                        DB      38H，39H，41H，42H，43H，44H，45H，46H

汇编（符号）语言程序也称为源程序，计算机要执行程序，需要将源程序翻译成机器语言，这个过程称为汇编。有时需要将机器语言翻译成源程序，这个过程称为反汇编。

为了完成源程序的汇编工作，汇编程序给程序员在程序格式上做了一些规定。上例中给出的是汇编语言的标准格式。一个汇编语言程序由若干行组成，每行包含一条指令。每行分为4个区段：

            [标号：]     操作码       [操作数]     [；注释]

每行除操作码部分是必需的外，其他带中括号的区段是任选项，不是必需的。

在4个区段之间要用分隔符分开，标号后接一冒号，操作码和操作数之间用一空格隔开，注释段用一分号开始。另外，使用汇编语言编写的程序（源程序）不要求每行的各个区段都一一对齐，但将各个区段对齐可使程序就更加清晰、可读。

① 标号是该指令的符号地址，标号值代表这条指令在程序存储器中的存放地址，可根据需要设定。标号必须以字母开始，以冒号“:”结束，所用字符一般不超过8个（视汇编程序版本不同而异）。系统中保留使用的字符或字符组成不能用做标号。一旦某个标号赋给某个语句，则其他语句的操作数可以直接引用该标号，以便寻址或控制程序转移。标号在每条语句中是任选项。

② 操作码在汇编语言中由英文字母缩写而成。操作码是汇编语言程序每一句所必需的部分，它决定了语句的操作性质，反映了指令的功能。操作码和操作数之间用空格分开。

③ 操作数指示出的是参加运算的数据，可以是数字、操作数地址、寄存器等。操作数又分为目的操作数和源操作数两种，二者之间用逗号“,”分开。另外，有些语句中可以无操作数，只是一个命令。

④ 注释以分号“;”开头，计算机在汇编时对这部分不予处理，是程序员对指令操作的解释。注释必须在一行之内写完，换行时需要另外以分号“;”开始。注释内容可为任何字符。不需要每行都加注释，仅在某些关键行注释就可以了。

编程者（程序员）在编程时，一定要严格按规定的格式书写程序。

4.1.3 操作数的类型

计算机在工作过程中，主要是对数据的处理，即对操作数的处理。

操作数的类型有三种：立即数、寄存器操作数、存储器操作数。

1．立即数

立即数是作为指令代码的一部分出现在指令中的，它通常作为源操作数使用。

在汇编指令中，立即数可以用二进制、十六进制或十进制等数制形式表示，也可以写成一个可求出确定值的表达式来表示。

2．寄存器操作数

寄存器操作数把操作数存放在寄存器中，即用寄存器存放源操作数或目的操作数。

通常在指令中给出寄存器的名称，在双操作数指令中，可以作为源操作数，也可以作为目的操作数。

3．存储器操作数

存储器操作数把操作数放在存储器中，因此在汇编指令中给出的是存储器的地址。