第3章MCS-51单片机指令系统及程序设计

3.1 指令系统简介

指令是使计算机内部执行的一种操作，提供给用户编程时使用的一种命令，由构成计算机的电子器件特性所决定，计算机只能识别二进制代码。以二进制代码来描述指令功能的语言，称之为机器语言。由于机器语言不便被人们识别、记忆、理解和使用，因此给每条机器语言指令赋予助记符号来表示，这就形成了汇编语言。也就是说，汇编语言是便于人们识别、记忆、理解和使用的一种指令形式，它和机器语言指令一一对应，也是由计算机的硬件特性所决定的。计算机能够执行的全部操作所对应的指令集合，称为这种计算机的指令系统。

MCS-51系列单片机的指令系统具有两种形式：机器语言形式和汇编语言形式。单片机指令系统及实际中主要采用汇编语言形式，采用汇编语言编写的程序称为源程序。汇编语言程序不能被单片机直接识别并执行，必须经过一个中间环节把它翻译成机器语言程序，这个中间过程叫做汇编。

MCS-51单片机共有111条指令，从功能上可划分成数据传送、算术操作、逻辑操作、程序转移、位操作5大类，其中单字节指令49条，双字节指令45条，只有17条三字节指令。在一个机器周期内（12个系统时钟振荡周期）执行完的指令有64条，两个机器周期内执行完的指令有45条，只有乘法和除法两条指令占用4个机器周期。以系统时钟12MHz为例，机器周期为1μs，那么，大多数常用指令执行时间是1μs，平均不到2μs。MCS-51单片机指令系统具有占用存储空间少，且执行速度快的双重优点，有很强的实时处理能力，特别适合于现场控制的场合。

3.1.1 指令格式

指令系统中的指令描述了不同的操作，不同操作对应不同的指令。但结构上，每条指令通常由操作码和操作数两部分组成。操作码表示计算机执行该指令将进行何种操作，操作数表示参加操作的数本身或操作数所在的地址。MCS-51单片机的指令有无操作数、单操作数、双操作数三种情况。汇编语言指令有如下的格式。

            [标号：]操作码助记符[操作数][；注释]

其中，[]中的内容都不是必需的。

标号是语句地址的标志符号，必须以字母开始，后接1～8个字母、数字或下横线符号“_”，并以冒号“：”结尾，用户定义的标号不能和汇编保留符号（包括指令操作码助记符以及寄存器名等）重复。标号的值是它后面的操作码的存储地址，具有唯一性，因此标号不能多处重复定义。程序中定义过的标号名可在指令中作为操作数使用。标号的使用方便了子程序的调用、转移指令的转入及调试的查找和修改。下面给出一些常见的错误标号和正确标号，以加深理解。

操作码是由2～5个英文字母所组成的功能助记符，用来反映指令的功能，它是每条汇编指令中必需的部分。

操作数表示参与操作的数据所在的地址，取决于指令的寻址方式。它可以是具体的数、标号、寄存器和直接地址等。指令的操作数可以有3个、2个、1个或没有，操作码与操作数之间必须以空格分隔，操作数与操作数之间必须以逗号分开。

注释表示用户对该条指令功能的解释或说明，它是为了方便阅读程序而做的一种标注。注释以“；”开始，注释部分不影响指令的执行。

3.1.2 指令的分类

汇编语言指令是以助记符表示的指令，每一条指令就是汇编语言的一条语句。按照指令的功能，可以把MCS-51的111条指令分为5类。

● 数据传送类指令，共29条。

● 算术运算类指令，共24条。

● 逻辑运算及移位类指令，共24条。

● 控制转移类指令，共17条。

● 布尔变量操作类指令，共17条。

为了便于后面的学习，在这里先对描述指令的一些符号的约定意义做以下说明。

① Ri和Rn：表示当前工作寄存器区中的工作寄存器，i取0或1，表示R0或R1；n取0～7，表示R0～R7。

② #data：表示包含在指令中的8位立即数。

③ #data16：表示包含在指令中的16位立即数。

④ rel：以补码形式表示的8位相对偏移量，范围为-128～+127，主要用在相对寻址的指令中。

⑤ addr16和addr11：分别表示16位直接地址和11位直接地址。

⑥ direct：表示可直接寻址的地址。

⑦ bit：表示可位寻址的直接位地址。

⑧“/”和“→”：“/”表示对该位操作数取反，但不影响该位的原值；“→”表示操作流程，将箭尾一方的内容送入箭头所指的另一方单元中去。

⑨ @：间接寄存器寻址或基址寄存器的前缀。

⑩ DPTR：数据指针。

A：累加器A。

B：累加器B，用于乘法和除法指令中。

C：进位标志位。

3.1.3 伪指令

伪指令仅仅在机器汇编时供汇编程序识别和执行，用来对汇编过程进行控制和操作。汇编时，伪指令并不产生供机器直接执行的机器码，也不会直接影响存储器中代码和数据的分布。

不同的MCS-51汇编程序对伪指令的规定有所不同，但基本的用法是相似的，下面介绍一些常用的伪指令及其基本用法。

1.定位伪指令

格式：ORG M

M一般为十进制数或十六进制数表示的16位地址。M指出在该伪指令后的指令的汇编地址，即生成的机器指令起始存储器的地址。在一个汇编语言源程序中允许使用多条定位伪指令，但其值应和前面生成的机器指令存放地址不重叠。

【例3-1】

                    ORG    0000H
            START： SJMP   MAIN
                      ︙
                    ORG    0030H
            MAIN： MOV    SP，#30H

以START开始的程序汇编位机器码后从0000H存储单元开始连续存放，不能超过0030H存储单元，以MAIN开始的程序机器码则从0030H存储单元开始连续存放。

2.汇编结束伪指令

格式：END

结束汇编伪指令END必须放在汇编语言源程序的末尾。机器汇编时遇到END就认为源程序已经结束，对END后面的指令都不再汇编。因此，一个源程序只能有一个END指令。

3.定义字节伪指令

格式：DB x 1，x 2，…，xn

定义字节伪指令DB（Define Byte）将其右边的数据依次存放到以左边标号为始址的存储单元中，xi为8位二进制数，可以采用二进制、十进制、十六进制和ASCII码等多种表示形式。DB通常用于定义一个常数表。

【例3-2】

                      ORG  7F00H
            TAB：    DB   01110010B，16H，45，′8′，′A′

汇编后存储单元内容为

           （7F00H）=72H     （7F01H）=16H     （7F02H）=2DH
           （7F03H）=38H     （7F04H）=40H

4.定义字伪指令

格式：DW y 1，y 2，…，yn

定义字伪指令DW（Define Word）功能与DB相似，但DW定义的是一个字（2个字节），主要用于定义16位地址表（高8位在前，低8位在后）。

【例3-3】

                    ORG  6000H
            TAB：  DW   1254H，32H，161

汇编后存储单元内容为

           （6000H）=12H     （6001H）=54H     （6002H）=00H
           （6003H）=32H     （6004H）=00H     （6005H）=0A1H

5.定义空间位指令

格式：DS表达式

定义空间伪指令DS从指定的地址开始，保留若干字节内存空间作为备用。汇编后，将根据表达式的值来决定从指定地址开始留出多少个字节空间，表达式也可以是一个指定的数值。

【例3-4】

            ORG  0F00H
            DS    10H
            DB   20H，40H

汇编后，从0F00H开始，保留16个字节的内存单元，然后从0F10H开始，按照下一条DB伪指令给内存单元赋值，得（0F10H）=20H，（0F11H）=40H。保留的空间将由程序的其他部分决定其用处。

DB、DW、DS伪指令都只对程序存储器起作用，不能用来对数据存储器的内容进行赋值或进行其他初始化的工作。

6.等值伪指令

格式：字符名称EQU数据或汇编符

等值伪指令EQU（equate）将其右边的数据或汇编符赋给左边的字符名称。字符名称必须先赋值后使用，通常将等值语句放在源程序的开头。“字符名称”被赋值后，在程序中就可以作为一个8位或16位的数据或地址来使用。编写源程序时，经常把一些常用的数据或地址赋值给有意义的“字符名称”，然后，在程序中可以将这些数据或地址用该“字符名称”来代替，便于程序的修改和维护，使程序的可读性大为提高。

7.数据地址赋值伪指令

格式：字符名称DATA表达式

数据地址赋值伪指令DATA将其右边“表达式”的值赋给左边的“字符名称”。表达式可以是一个8位或16位的数据或地址，也可以是包含定义“字符名称”在内的表达式，但不可以是一个汇编符号（如R0～R7）。

DATA伪指令定义的“字符名称”没有先定义后使用的限制，可以用在源程序的开头或末尾。

8.位地址赋值伪指令

格式：字符名称BIT位地址

位地址赋值伪指令BIT将其右边的位地址赋给左边的字符名称。

【例3-5】

            A1         BIT  ACC.1
            USER      BIT  PSW.5

这样就把位地址ACC.1赋给了变量A1，把位地址PSW.5赋给了变量USER，在编程中A1和USER就可以作为地址使用了。