3.1 概 述

在前面章节的学习中，已经对单片机的内部结构和工作原理有了一个基本了解。在此基础上，本章将进一步介绍指令的格式、分类和寻址方式，并用大量实例阐述MCS-51指令系统中每条指令的含义和特点，以便为汇编语言设计打下基础。

单片机的功能是从外部世界接收信息，并在CPU中进行加工、处理，然后再将结果送回外部世界。要完成上述一系列操作，首先要提供一套具有特定功能的操作命令，这种操作命令就称为指令。CPU所能执行的各种指令的集合称为指令系统，不同的机种有不同的指令系统。例如，01001111B（4FH）代码，对于Z80CPU是完成将累加器A中的内容传送给寄存器C；对于M6800CPU是完成将累加器清零操作；而对MCS-51单片机却是完成累加器A和工作寄存器R7的“与”运算。

3.1  概    述

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。指令系统是制造厂家在设计CPU时所赋予它的。用户必须正确书写和使用指令。学习指令系统，掌握指令的功能和应用是非常重要的，这是用汇编语言进行程序设计的基础。本章将详细介绍MCS-51单片机指令系统的寻址方式和各种指令。

3.1.1  基本概念

以一组二进制码表示的指令称为机器指令。计算机只能识别和执行机器指令。在计算机中，指令依次地存储于程序存储器中。指令的编码规则称为指令格式。一条指令的二进制码位数称为指令的长度。不同类型的计算机，指令的长度和格式是不一样的，所能执行的指令类型和数目也不同，通常把某类计算机所能执行的全部指令的集合称为指令系统。

1．指令格式

指令的具体格式依赖于计算机的结构特征，但指令的组成是一样的，都包含操作码和操作数两个部分。指令的一般格式为：

操作码   操作数

操作码用来表示执行什么性质和类型的操作，如加法、减法等。操作码的位数取决于计算机的指令系统中指令的条数。例如，对于32条指令的指令系统，操作码为5位。若指令系统中有N条指令，操作码的位数为n，则有关系式：

N≤2ⁿ

操作数用以指出参加操作的数据或数据的存储地址。

不同类型的指令，操作数的个数是不一样的。在具有多个操作数的指令中，各操作数分别称为第一操作数、第二操作数等。例如：加法指令，两个数a和b相加，a和b就是参加操作的两个操作数。对于加法等操作，有些计算机指令还指出存放操作结果的地址，另外一些计算机把运算结果总是存放在某一个寄存器中（称为累加器）。

若指令的操作数字段的内容就是一个参加操作的数据，则这种操作数称为立即数。对于大多数的指令，操作数存放于寄存器或存储器中（这部分存储器常称为数据存储器），此时指令的操作数字段仅指出操作数所在的寄存器或存储器地址。

存储器由若干单元组成，每个单元都有一个相应的地址（这类似于一幢大楼，有若干房间，每个房间都有房间号），计算机是根据地址对存储器存取数据的。存储器的地址也是由一组二进制码表示的，地址的位数依赖于存储器空间的大小。若存储器共有M个单元，地址有m位，则有：

2^m≥M

产生操作数地址的方式称为寻址方式，常用的一般有立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、相对寻址和变址寻址等。

2．指令类型

一台计算机的功能在很大程度上依赖于它的指令系统。指令系统中指令越丰富，指令的功能越强，则程序设计越方便，速度越快，效率也越高。按照指令的功能，指令可以分成数据传送、算术运算、逻辑运算、位操作指令和程序控制等几种类型。

3．字和字长

如前所述，计算机中的数据和指令都是一组二进制编码，它们是作为一个整体来进行处理和运算的，统称为机器字，简称字。一个机器字所包含的二进制码位数称为字长，更确切地说，字长是指CPU一次可处理（如数据传送、数据运算等）的二进制数的位数。计算机的字长应和存储器单元、运算器中各部件的位数相一致。

机器字的位数越多，它所表示的数据有效位数越多，精度就越高，运算的误差也越小，在运算速度一定的情况下，“字长”长的计算机，处理数据的速度高。

字长是衡量计算机性能的一个重要指标，为了便于处理，计算机的字长为字节的整数倍。一个字节为8位二进制码，根据字长分类，计算机常可以分为8位机、16位机、32位机和64位机等。

3.1.2  MCS-51系列单片机的指令系统

MCS-51单片机的指令系统专用于MCS-51系列单片机，它有42个操作码，代表33种操作功能，其中有的功能可以有几种操作码（如数据传送的操作码助记符有MOV、MOVC、MOVX等），指令的操作码与操作数各种可能的寻址方式相结合共有111条指令。其指令系统有如下特点。

（1）指令执行时间快。64条指令执行时间为1个机器周期，45条为两个机器周期，两条为4个机器周期（乘、除运算）。以12MHz晶振为例，1个机器周期时间为1ms，则64条指令的执行时间为1ms，45条指令的执行时间为2ms，2条指令的执行时间为4ms。

（2）指令短。其中单字节指令有49条，双字节指令有46条，最长的是三字节指令，只有16条。

（3）用一条指令即可实现两个一字节的相乘或相除。

（4）具有丰富的位操作指令。可对内部数据RAM和特殊功能寄存器中的直接位地址作多种位操作。

（5）可直接用传送指令实现端口的输入输出操作。

此外，MCS-51单片机的硬件结构中有一个位处理机，指令系统中相应地设计了一个处理位变量的指令子集。这个子集在设计需大量处理位变量的程序时十分有效和方便，是MCS-51指令系统的一大特色。

3.1.3  MCS-51系列单片机的指令类型

MCS-51指令系统可从不同角度进行分类。按指令的长度可分为单字节、双字节和多字节指令；按指令执行时间可分为单机器周期、双机器周期和4机器周期指令。注意，指令执行时间和指令的长度是两个完全不同的概念，前者表示执行一条指令所用的时间，后者表示一条指令在ROM中所占的存储空间，两者不能混淆。若按指令功能进行分类，MCS-51指令系统可分为数据传递与交换、算术运算、逻辑运算、程序转移、位操作、CPU控制6类。其中：

（1）数据传送类指令29条，分为片内RAM、片外RAM和ROM的传送指令，堆栈操作及数据交换指令。

（2）算术运算类指令24条，分为加、减、乘、除、加1、减1及十进制调整指令。

（3）逻辑运算类指令24条，分为逻辑“与”、“或”、“异或”、“非”及移位指令。

（4）位操作类指令12条，分为位传送、置位、清零及位逻辑运算指令。

（5）控制转移类指令22条，分为无条件转移、条件转移、比较转移、循环转移及子程序调用和返回指令。

3.1.4 指令中的常用符号

在描述MCS-51指令系统时，经常使用各种缩写符号，其含义如表3-1所示。

表3-1  指令中常用符号及含义

续上表