第3章 mcs51指令系统.ppt

第3章mcs-51指令系统,学习目标：通过学习任务二的完成方法，掌握mcs-51单片机的数据传送指令的功能及mcs-51单片机的寻址方式。任务描述：利用p1口外接的8只led发光二极管模拟彩灯。常见的彩灯模式有：流水式彩灯、追逐式彩灯、累积式彩灯、开幕式与闭幕式彩灯以及将上述模式组合而成的复合式彩灯。大多数的彩灯都是采用单片机控制的，简单的彩灯单片机的控制程序也较为简单，复杂的彩灯单片机控制程序也较为复杂。,任务二p1口外接8只led发光二极管模拟彩灯,1、硬件电路,2、工作原理当p1.0p1.7中的某端口为低电平时，对应的发光二极管亮，为高电平灭。我们只要控制p1口各位的电平状态，就可以控制8只led的亮与灭。例如使（p1）=01010101b=55h，d7、d5、d3、d14只led亮，d6、d4、d2、d04只led灭，从效果上看亮与灭是相间隔的；反之，使（p1）=10101010b=aah，则另外4只led亮，若反复以一定时间间隔不断从p1口轮流输出55h和aah，则p1口上8只led会呈现流水彩灯的效果。,1）将立即数送p1口的程序org0000h；定义程序从程序存贮器0000h单元开始存放loop：movp1，#55h；立即数55h送p1口，4只led亮sjmploop；原地踏步end；程序结束2）通过累加器a控制p1口的程序org0000hloop：mova，#0aah；将立即数aah送累加器amovp1，a；累加器a中的数送p1端口sjmploop；转移到loopend,3.控制程序,3）流水式彩灯程序,org0000hloop：movp1,#55h；将立即数55h送p1端口lcalltime；调延时子程序timemovp1,#0aah；将立即数aah送p1端口lcalltime；调延时子程序timesjmploop；转移到looptime：movr6,#200；延时子程序timetime1：movr7,#200time2：nopnopnopdjnzr7,time2djnzr6,time1retend,4）开幕式与闭幕式彩灯程序,org0000hljmpmain；跳转到主程序org0030hmain：movr0,#8；r0送循环次数8movdptr,#tab；给数据指针赋值loop：mova,#00h；movca,a+dptrmovp1,alcalltimeincdpldjnzr0,loopsjmpmaintime：movr6,#200time1：movr7,#200time2：nopnopnopdjnzr7,time2djnzr6,time1rettab：db81h,0c3h,0e7h,0ffh,18h,3ch,7eh,0ffhend,用模拟仿真软件进行程序的编辑、编译，观察程序运行结果。提出问题：1、什么是数据传送操作与数据传送指令？mcs-51单片机有哪些数据传递指令?2、什么是指令的寻址方式?mcs-51单片机指令系统采用了哪几种寻址方式?3、指令在cpu内部的执行过程？以下我们通过mcs-51指令系统展开阐述。,3.1mcs-51指令系统概述3.2数据传送类指令3.3算术运算类指令3.4逻辑运算及移位类指令3.5控制转移类指令3.6布尔变量操作类指令,第3章mcs-51指令系统,3.1mcs-51指令系统概述,一台计算机所具有的所有指令的集合就是它的指令系统。mcs-51系列单片机指令系统一共有111条，其中单字节指令有49条，双字节指令有45条，三字节指令有17条。在这111条指令中，一共使用了7种寻址方式、42种助记符来说明33种功能。一般把mcs-51系列单片机指令系统中的共111条指令，分为如下五大类：（1）数据传送类指令（29条）（2）算术运算类指令（24条）（3）逻辑运算及移位类指令（24条）（4）控制转移类指令（17条）（5）位操作类指令（17条）,指令的表示方法称之为指令格式。mcs-51指令系统的典型指令格式为：标号：功能助记符【（目的操作数），（源操作数）】；注释其中，标号是该语句的符号地址，可根据需要而设置。标号通常用于转移指令所需的转移地址。标号一般由18个字符组成，但第一个字符必须是字母，其余的可以是字母也可以是其他符号或数字。标号和操作码之间用冒号“：”分开。操作码和操作数（源操作数和目的操作数）是指令的核心部分。操作码其功能在于告诉单片机的cpu做何种操作。操作数分为目的操作数和源操作数，采用符号（如寄存器、标号等）或者常量（如立即数、地址值等）表示。注释是对指令的功能或作用的说明，但是注释不是一个指令的必要组成部分，可有可无。,3.1.1指令格式,“寻址”是指寻找操作数所在地址的方式.mcs-51指令系统7种寻址方式:立即数寻址直接寻址寄存器寻址寄存器间接寻址位寻址变址寻址相对寻址,3.1.2寻址方式,指令系统中的符号说明,指令的书写必须遵守一定的规则，为了叙述方便，我们采用表3.2的约定。rnridirect#data#data16addr16addr11reldptr数据指针。bit内部ram（包括专用寄存器）中的直接寻址位。a累加器。（直接寻址方式的累加器表示为acc）。bb寄存器。c进位标志位，它是布尔处理机的累加器，也称之为累加位。间址寄存器的前缀标志。/加在位地址的前面，表示对该位状态取反。（）某寄存器或某单元的内容。（）由间接寻址的单元中的内容。箭头左边的内容被箭头右边的内容所取代。,1.寄存器寻址方式寄存器寻址就是操作数在寄存器中，因此指定了寄存器就能得到操作数。例如指令：mova,r0寄存器寻址方式的寻址范围包括：（1）四个寄存器组共32个通用寄存器。但在指令中只能使用当前寄存器组，因此在使用前，常需通过对psw中rs1，rs2位的状态设置，来进行当前寄存器组的选择。（2）部分专用寄存器。例如累加器a，b寄存器对以及数据指针dptr等。,2.直接寻址方式指令中操作数直接以单元地址的形式给出，就称之为直接寻址。例如指令：mova,3ah因为直接寻址方式只能使用8位二进制地址，因此这种寻址方式的寻址范围只限于内部ram，具体说就是：（1）低128单元。在指令中直接以单元地址形式给出。（2）专用寄存器。直接寻址是访问专用寄存器的惟一方法。,3.寄存器间接寻址方式寄存器寻址方式，寄存器中存放的是操作数。而寄存器间接寻址方式，寄存器中存放的则是操作数的地址，即操作数是通过寄存器间接得到的，因此称之为寄存器间接寻址。例如指令：mova,r0的功能是以r0寄存器内容3ah为地址，把该地址单元的内容送累加器a。,寄存器间接寻址方式的寻址范围：（1）内部ram低128单元对内部ram低128单元的间接寻址，应使用r0或r1作间址寄存器，其通用形式为ri（i=0或1）。（2）外部ram64kb对外部ram64kb的间接寻址应使用dptr作间址寄存器，其形式为dptr。例如：movxa，dptr，其功能是把dptr指定的外部ram单元的内容送累加器a。外部ram的低256单元是一个特殊的寻址区，除可以使用dptr作间址寄存器寻址外，还可使用r0或r1作间址寄存器寻址。例如movxa，r0，即把r0指定的外部ram单元的内容送累加器a。此外对于堆栈操作指令（push和pop）也应算作是寄存器间接寻址，即以堆栈指针（sp）作间址寄存器的间接寻址方式。,4.立即寻址方式所谓立即寻址就是操作数在指令中直接给出。在立即数前面加“#”标志。例如：mova,#3ah其中3ah就是立即数，指令功能是把数据3ah送累加器a。除8位立即数外，mcs-51指令系统中还有一条16位立即寻址指令，即：movdptr,#data16其功能是把16位立即数送数据指针dptr。,5.位寻址方式mcs-51有位处理功能，可以对数据位进行操作，因此就有相应的位寻址方式。例如：anlc,30h指令功能是累加位c的状态和地址为30h的位状态进行逻辑与操作，并把结果保存在c中。位寻址的寻址范围：（1）内部ram中的位寻址区。例如：movc，2bh指令功能是把位寻址区的2bh位状态送累加位。（2）专用寄存器的可寻址位。可供位寻址的专用寄存器共有11个，实有寻址位83位。对这些寻址位在指令中有如下四种表示方法：直接使用位地址。例如psw寄存器位5地址为d5h。位名称表示方法。例如psw寄存器位5是f0标志位，则可使用f0表示该位。单元地址加位的表示方法。例如d0h单元（即psw寄存器）位5，表示为d0.5。专用寄存器符号加位的表示方法。例如psw寄存器的位5，表示为psw.5。,6.变址寻址方式mcs-51的变址寻址是以dptr或pc作基址寄存器，以累加器a作变址寄存器，并以两者内容相加形成的16位地址作为操作数地址。例如指令：movca,a+dptr其功能是把dptr和a的内容相加，再把所得到的程序存储器地址单元的内容送a。假定指令执行前（a）=54h，（dptr）=3f21h，则该指令的操作示意请参见图3-2。,图3-2变址寻址示意图,变址寻址形成的操作数地址为3f21h+54h=3f75h，而3f75h单元的内容为7fh，故该指令执行结果是a的内容为7fh。对mcs-51指令系统的变址寻址方式作如下说明：（1）变址寻址方式只能对程序存储器进行寻址，或者说它是专门针对程序存储器的寻址方式。（2）变址寻址的指令只有三条：movca，a+dptrmovca，a+pcjmpa+dptr其中前两条是程序存储器读指令，后一条是无条件转移指令。（3）尽管变址寻址方式较为复杂，但变址寻址的指令却都是一字节指令。,7.相对寻址方式相对寻址方式是为实现程序的相对转移而设计的，为相对转移指令所采用。在相对寻址的转移指令中，给出了地址偏移量（在mcs-51指令系统中以“rel”表示），把pc的当前值加上偏移量就构成了程序转移的目的地址。但这里的pc当前值是指执行完该转移指令后的pc值，即转移指令的pc值加上它的字节数。因此转移的目的地址可用如下公式表示；目的地址=转移指令地址+转移指令字节数+rel在mcs-51指令系统中，有多条相对转移指令，这些指令多数为二字节指令，但也有个别为三字节的。偏移量rel是一个带符号的8位二进制补码数，所能表示的数的范围是-128+127，因此相对转移是以转移指令所在地址为基点，向前最大可转移（127+转移指令字节数）个单元地址，向后最大可转移（128-转移指令字节数）个单元地址。,3.1.4指令系统中的符号说明,指令的书写必须遵守一定的规则，为了叙述方便，我们采用表3.2的约定。rnridirect#data#data16addr16addr11reldptr数据指针。bit内部ram（包括专用寄存器）中的直接寻址位。a累加器。（直接寻址方式的累加器表示为acc）。bb寄存器。c进位标志位，它是布尔处理机的累加器，也称之为累加位。间址寄存器的前缀标志。/加在位地址的前面，表示对该位状态取反。（）某寄存器或某单元的内容。（）由间接寻址的单元中的内容。箭头左边的内容被箭头右边的内容所取代。,3.2数据传送类指令,3.2.1内部ram数据传送指令组,1.立即数传送指令8位立即数传送指令共四条：mova，#data；adatamovdirect，#data；directdatamovrn，#data；rndatamovri，#data；（ri）data16位立即数传送指令一条：movdptr，#data16；dptrdata16,2.内部ram单元之间的数据传送指令内部ram单元之间的数据传送指令共有五条：movdirect2，direct1；direct2（direct1）movdirect，rn；direct（rn）movrn，direct；rn（direct）movdirect，ri；direct（ri）movri，direct；（ri）（direct）3.累加器的数据传送指令与累加器有关的数据传送指令共有六条：mova，rn；a（rn）movrn，a；rn（a）mova，direct；a（direct）movdirect，a；direct（a）mova，ri；a（ri）movri，a；（ri）（a）,3.2.2外部ram数据传送指令组,对外部ram单元只能使用间接寻址方法，但可以分别使用dptr和ri作间址寄存器，因此相应地就有两组指令：1.使用dptr进行间接寻址movxa，dptr；a（dptr）movxdptr，a；（dptr）（a）由于dptr是16位地址指针，因此指令的寻址范围为64kb。2.使用ri进行间接寻址movxa，ri；a（ri）movxri，a；（ri）（a）i=（0，1），由于r0和r1是8位地址指针，因此指令的寻址范围只限于外部ram的低256个单元。,对外部ram数据传送指令作如下说明：（1）mcs-51指令系统中没有专用的存储器读写指令，实际上外部数据存储器数据传送指令就是外部ram的读写指令。（2）外部ram数据传送指令与内部ram数据传送指令相比，在指令助记符中增加了“x”，“x”是代表外部之意。（3）外部ram的数据传送，只能通过累加器a进行。,3.2.3程序存储器数据传送指令组,这里所说的程序存储器既包括内部程序存储器，也包括外部程序存储器。由于对程序存储器只能读而不能写，因此其数据传送都是单向的，即从程序存储器读出数据，并且只能向累加器a传送。这类指令共两条：movca，a+dptr；a（a）+（dptr）movca，a+pc；a（a）+（pc）这两条指令都是一字节指令，并且都为变址寻址方式，其寻址范围为64kb。这两条指令通常用于查表操作，因此可以看成是查表专用指令。,3.2.4数据交换指令组,1.整字节交换指令地址单元与累加器a进行8位数据交换，共有如下三条指令：xcha，rn；（a）（rn）xcha，direct；（a）（direct）xcha，ri；（a）（ri）2.半字节交换指令地址单元与累加器a进行低4位的半字节数据交换。只有一条指令：xchda，ri；（a）30(ri)303.累加器高低半字节交换指令只有一条指令：swapa；（a）30（a）74,3.2.5堆栈操作指令组,堆栈操作有进栈和出栈两种，因此相应有两条指令：进栈指令：pushdirect；sp（sp）+1，（sp）（direct）其功能为内部ram低128单元或专用寄存器内容送栈顶单元。出栈指令：popdirect；direct（sp），sp（sp）-1其功能为栈顶单元内容送内部ram低128单元或专用寄存器。,3.3算术运算类指令,3.3.1加法指令组,共有四条加法运算指令：adda，rn；a（a）+（rn）adda，direct；a（a）+（direct）adda，ri；a（a）+（ri）adda，#data；a（a）+data8位二进制数加法运算指令的一个加数总是累加器a，而另一加数可中不同寻址方式得到，其相加结果再送回累加器a。加法运算影响psw位的状态。如果位3有进位，则辅助进位标志ac置1，否则ac清0；如果位7有进位，则进位标志cy置1，否则cy清0。,3.3.2带进位加法指令组,带进位的加法运算，共有三个数参加运算，即累加器a，不同寻址方式的加数，以及进位标志位cy的状态。运算结果送累加器a。其余与加法指令add相同。带进位加法指令共四条：addca，rn；a（a）+（rn）+（cy）addca，direct；a（a）+（direct）+（cy）addca，ri；a（a）+（ri）+（cy）addca，#data；a（a）+data+（cy）,3.3.3带借位减法指令组,带进位减法指令也有四条：subba，rn；a（a）-（rn）-（cy）subba，direct；a（a）-（direct）-（cy）subba，ri；a（a）-（ri）-（cy）subba，#data；a（a）-data-（cy）这些指令的功能是从累加器a中减去不同寻址方式的操作数以及进位标志cy状态，其差再回送累加器a。减法运算只有带借位减法指令，而没有不带借位的减法指令。若进行不带借位的减法运算，只需用clrc指令先把进位标志位清0即可。带借位减法指令影响psw的状态，如果位3有借位，则ac置1，否则清0；如果位7有借位，则cy置1，否则cy清0；此外两个带符号数相减也有溢出的问题，如溢出位ov置1测表示有溢出出现。,3.3.4加1指令组,共有五条加1指令：inca；a（a）+1incrn；rn（rn）+1incdirect；direct（direct）+1incri；（ri）（ri）+1incdptr；dptr（dptr）+1这些指令可以对累加器、寄存器、内部ram单元以及数据指针进行加1操作。加1指令的操作不影响程序状态字psw的状态。即使incdptr指令在加1过程中低8位有进位，也是直接进上高8位而不置位进位标志cy。,3.3.5减1指令组,共有四条减1指令：deca；a（a）-1decrn；rn（rn）-1decdirect；direct（direct）-1decri；（ri）（ri）-1这些指令可以进行累加器、寄存器以及内部ram单元的减1操作。减1操作不影响程序状态字psw的状态。此外还应注意，在mcs-51指令系统中，只有数据指针dptr加1指令，而没有dptr减1指令。,3.3.6乘除指令组,1.乘法指令mulab这条指令把累加器a和寄存器b中的两个无符号8位数相乘，所得16位乘积的低位字节放在a中，高位字节放在b中。乘法运算影响psw的状态，包括进位标志位cy总是被清0，溢出标志位状态与乘积有关，若乘积小于ffh（即b的内容为0），则ov清0，否则ov被置1。2.除法指令divab这条指令进行两个8位无符号数的除法运算，其中被除数置于累加器a中，除数置于寄存器b中。指令执行后，商存于a中，余数存于b中。除法运算影响psw的状态，包括进位标志位cy总是被清0，而溢出标志位ov状态则反映除数情况，当除数为0（b=0）时，ov置1，表明除法没有意义，无法进行；其它情况ov都被清0。,3.3.7十进制调整指令,十进制调整指令是一条专用指令，用于对bcd码十进制数加法运算的结果进行修正。其指令格式为：daa因相加结果在累加器中，因此也就是对累加器a的内容进行修正。十进制调整的修正方法应是：累加器低4位大于9或辅助进位位（ac）=1测进行低4位加6修正：a（a）+06h累加器高4位大于9或进位标志位（cy）=1，则进行高4位加6修正：a（a）+60h累加器高4位为9，低4位大于9则进行高4位加6修正，低4位加6修正：a（a）+66h,3.4逻辑运算及移位类指令,3.4.1逻辑与运算指令组,逻辑运算都是按位进行的，逻辑与运算用符号八表示。六条逻辑与运算指令如下：anla，rn；a（a）（rn）anla，direct；a（a）（direct）anla，ri；a（a）（ri）anla，#data；a（a）dataanldirect，a；direct（direct）（a）anldirect，#data；direct（direct）data,3.4.2逻辑或运算指令组,逻辑或运算指令用符号表示，六条逻辑或运算指令如下：orla，rn；a（a）（rn）orla，direct；a（a）（direct）orla，ri；a（a）（ri）orla，#data；a（a）dataorldirect，a；direct（direct）（a）orldirect，#data；direct（direct）data,3.4.3逻辑异或运算指令组,六条异或运算指令为：xrla，rn；a（a）（rn）xrla，direct；a（a）（direct）xrla，ri；a（a）（ri）xrla，#data；a（a）dataxrldirect，a；direct（direct）（a）xrldirect，#data；direct（direct）data,3.5控制转移类指令,3.5.1无条件转移指令组,不规定条件的程序转移称之为无条件转移。mcs-51共有四条无条件转移指令：1.长转移指令ljmpaddr16；pcaddr162.绝对转移指令ajmpaddr11；pc（pc）+2，pc100addr113.短转移指令sjmprel4.变址寻址转移指令jmpa+dptr；pc（a）+（dptr）,3.5.2条件转移指令组,所谓条件转移就是程序转移是有条件的。执行条件转移指令时，如指令中规定的条件满足，则进行程序转移，否则程序顺序执行。条件转移有如下指令：1.累加器判零转移指令jzrel；若（a）=0，则pc（pc）+2+rel若（a）0，则pc（pc）+2jnzrel；若（a）0，则pc（pc）+2+rel若（a）=0，则pc（pc）+22.数值比较转移指令数值比较转移指令把两个操作数进行比较，以比较结果作为条件来控制程序转移。共有四条指令：cjnea，#data，rel；累加器内容与立即数不等转移cjnea，direct，rel；累加器内容与内部ram单元内容不等转移cjnern，#data，rel；寄存器内容与立即数不等转移cjneri，#data，rel；内部ram前128单元内容与立即数不等转移,3.减1条件转移指令这是一组把减1与条件转移两种功能结合在一起的指令。共两条：（1）寄存器减1条件转移指令djnzrn，rel；这是一条两字节指令，其功能为：寄存器内容减1，如所得结果为0，则程序顺序执行；如没有减到0，则程序转移。具体表示如下：rn（rn）-1若（rn）0，则pc（pc）+2+rel若（rn）=0，则pc（pc）+2（2）直接寻址单元减1条件转移指令djnzdirect，rel这是一条三字节指令，其功能为：直接寻址单元内容减1，如所得结果为0，则程序顺序执行；如没有减到0，则程序转移。具体表示如下：direct（direct）-1若（direct）0，则pc（pc）+3+rel若（direct）=0，则pc（pc）+3,3.5.3子程序调用与返回指令组,1.子程序的概念在一个程序中经常遇到反复多次执行某程序段的情况，可采用子程序结构，即把重复的程序段编写为一个子程序，通过主程序调用而使用它。这样不但减少了编程工作量，而且也缩短了程序的长度。调用子程序的程序称之为主程序，主程序和子程序之间的调用关系可用图3-5表示。,图3-5子程序调用示意图,2.子程序调用指令mcs-51共有两条子程序调用指令：（1）绝对调用指令acalladdr11为了实现子程序调用，该指令共完成两项操作：1）断点保护断点保护是通过自动方式的堆栈操作实现的，即把加2以后的pc值自动送堆栈保存起来，待子程序返回时再送回pc。2）构造目的地址目的地址的构造是在pc加2的基础上，以指令提供的11位地址取代pc的低11位，而pc的高5位不变。acall指令的操作内容可表示为：pc（pc）+2sp（sp）+1，（sp）（pc）70sp（sp）+1，（sp）（pc）158pc100addr11,（2）长调用指令lcalladdr16本指令是三字节指令，调用地址在指令中直接给出。指令执行后，断点进栈保存，调用addr16地址的子程序。因此本指令的操作内容可表示为：pc（pc）+3sp（sp）+1，（sp）（pc）70sp（sp）+1，（sp）（pc）158pcaddr16长调用指令的子程序调用范围是64kb。3.返回指令返回指令共有两条ret；子程序返回指令reti；中断服务子程序返回指令子程序返回指令执行子程序返回功能，从堆栈中自动取出断点地址送给程序计数器pc，使程序在主程序断点处继续向下执行。因此本指令的操作内容可表示为：pc158（sp），sp（sp）-1pc70（sp），sp（sp）-1,3.5.4空操作指令,nop；pc（pc）+1空操作指令也算一条控制指令，即控制cpu不作任何操作，只消耗一个机器周期的时间。空操作指令是单字节指令，因此执行后pc加1，时间延续一个机器周期。nop指令常用于程序的等待或时间的延迟。,3.6布尔变量操作类指令,3.6.1位传送指令组,位传送操作就是可寻址位与累加位cy之间的相互传送，共有两条指令：movc，bit；cy（bit）movbit，c；bit（cy）指令中的c就是cy。由于没有两个可寻址位之间的传送指令，因此它们之间无法实现直接传送。如需要这种传送，应使用这两条指令以cy作中介实现之。,3.6.4位控制转移指令组,1.以c状态为条件的转移指令共两条指令：jcrel；（cy）=1转移指令，其转移控制为：若（cy）=1，则pc（pc）+2+rel若（cy）1，则pc（pc）+2jncrel；（cy）=0转移指令，其转移控制为：若（cy）=0，则pc（pc）+2+rel若（cy）0，则pc（pc）+22.以位状态为条件的转移指令共三条指令：jbbit，