51单片机指令系统详解

指令系统

微型机的功能是由指令系统体现的。所以，寻址方式和指令系统是衡量微型机的重要指标。

MSC-51的指令系统一共有111条指令，包括单字节49条，双字节46条和三字节16条。按周期分，有单周期，双周期和三周期指令。在晶振频率为12MHZ时，三种不同周期的指令执行的时间分别为1μs{\mu}sμs、2μs{\mu}sμs、4μs{\mu}sμs.

按照功能来分一共可以分为以下五类

数据传送类指令
算数运算类指令
逻辑运算类指令
程序控制类指令
位（布尔）操作类指令

数据传送类指令：

数据传送类指令是最常用，最基本的一类指令。它们可以实现寄存器与寄存器之间、寄存器与片内RAM之间、片内RAM单元之间的数据传送等。

八位数通用传送指令

MOV 目的，源

指令中，源操作数是指带传送的数据源，它可以是立即数、累加器A，工作寄存器或片内RAM存储单元；目的操作数是指数据源传送到的目的地，不能是立即数。

指令执行后，源操作数不变，目的操作数被改变。

累加器A为目的的操作数的指令

MOV A,Rn;A<-Rn
MOV A,direct;A<-(direct)
MOV A,@Ri;A<-(Ri)
MOV A,#data;A<-data

工作寄存器Rn为目的的操作数的指令

MOV Rn,A;Rn<-A 传送的是A中保存的数
MOV Rn,direct;Rn<-(direct)
MOV Rn,#data;Rn<-data
;把源操作数的累加器A，片内RAM单元，SFR内容或立即数传送到R0~R7的某个寄存器中

直接地址为目的操作数的指令

MOV direct,A;(direct)<-A
MOV direct,Rn;(direct)<-Rn
MOV direct,direct;(direct)<-(direct)
MOV direct,@Ri;(direct)<-Ri
MOV direct,#data;(direct)<-data
;需要注意的是:MOV direct,direct和MOV direct,#data均为三字节指令，但汇编后，它们的指令机器代码排列顺序不同。
;操作码 源direct 目的direct(源地址在前，目的地址在后)
;操作码 direct data 目的地址在前，源操作数在后

间接地址为目的操作数的指令

MOV @Ri,A;(Ri)<-A 把A中的数传送给(Ri)地址下保存的数。比如Ri=30H,A=20H,则操作后(30H)=20H
MOV @Ri,direct;(Ri)<-(direct)
MOV @Ri,#data;(Ri)<-data

16位数目标地址传送指令

MOV DPTR,#data 16
;唯一的16位立即数传送指令
;DPTR是一个16位的地址寄存器，所以通常称16位立即数为目标地址
;这也是一个三字节的指令。汇编成机器码的时候，立即数的高位字节在前，低位字节在后
MOV DPTR,#2068H
;机器代码 90 20 68

堆栈操作指令

PUSH direct ;SP<-SP+1,(SP)<-(direct)
POP direct ;(direct)<-(SP),SP<-SP-1
;SP始终指向栈顶，PUSH是入栈指令，POP是出栈指令
;eg:设SP=30H,(50H)=80H
PUSH 50H ;SP从30H变为31H,同时把(50H)->(31H)
POP 40H ;把(31H)->(40H),同时SP从31H变为30H

查表指令（程序存储器内容送累加器A）

主要有两条

查表指令（以PC作为基址）

MOVC A,@A+PC ;PC<-PC+1,A<-(A+PC)
;通过将PC当前值与累加器A中的地址偏移量相加，将得到的地址中间的数取给A
;步骤如下：
;1.将地址偏移量(待查数据表的项数)送累加器A
;2.用加法指令(ADD A,#data)对累加器A进行修正，修正量data由PC(CURRENT)+data=数据表首地址计算出
;若data=1,则可以采用INC A指令对A进行修正
;这里主要是通过参考PC地址在PC后面进行查表。这里面数据只能存放在PC的后面，且需要与命令保持一定的间距

查表指令(以DPTR作为基址)

MOVC A,@A+DPTR  ;A<-A+DPTR
;这是一条单字节指令，以DPTE为基址寄存器，存放数据表的首地址
;由于DPTR为一个十六位的寄存器，可以任意设定初值，因此数据表可以随意设置。
ORG 0200H
HEXABC: MOV DPTR,#DTAB ;置数据表首地址MOVC A,@A+DPTR ;查表RET
DTAB:  DB 30H;...DB 39H;...DB 46H
;这里面取DTAB的值就是DTAB所在的地址

累加器A与片外数据存储器传送指令
- CPU访问片外数据存储器RAM时，只能通过累加器A进行，包括读取片外RAM的数据和把数据写到片外RAM存储单元中。指令如下：
```
MOVX A,@Ri ;A<-(Ri)
MOVX A,@DPTR ;A<-(DPTR)
MOVX @Ri,A ;(Ri)<-A
MOVX @DPTR,A ;(DPTR)<-A
```
  例如，把片内RAM 40H单元中的内容送到片外RAM2000H单元中去：
```
MOV A,40H
MOV DPTR,#2000H
MOVX @DPTR,A
;访问外部只有上面的四个操作，其他操作都是违规的
```

交换指令

交换指令一共有五条：

字节交换指令

XCH A,Rn ;A<->Rn
XCH A,direct ;A<->direct
XCH A,@Rn ;A<->(Ri)
;XCH的功能是将累加器A中的内容与源操作数所指的数据互相交换

半字节交换指令

XCHD A,@Ri ;A.3~A.0<->(Ri.3~Ri.0)
;该指令的功能是，将累加器A中的低四位与Ri间接寻址单元内容的低四位相互交换，而各自的高四位的内容不变。
;对于十六进制位来说，就是只交换个位的数字

累加器A的高四位与低四位内容呼唤指令

SWAP A ;A.3~A.0<->A.7~A.4
;将A的高、低两半字节相互交换。本指令也可以看作4位循环移位指令

算数运算类指令

MCS-51算数运算类指令主要是对8位无符号二进制数进行加减乘除四则运算。增一，减一；实现对BCD码的压缩。一共有24条

在加法，带进位的假发和带借位的剑法的指令中，累加器A中总是存放着目的操作数，并存放操作的中间结果。这些指令都影响程序状态字寄存器PSW的进位位CY，溢出位OV，半进位位AC和奇偶标志位P。乘法和除法只影响标志位OV和P

加法类指令

主要有四条

ADD A,Rn ;A<-A+Rn
ADD A,direct ;A<-A+(direct)
ADD A,@Ri ;A<-A+(Ri)
ADD A,#data ;A<-A+data

带进位的加法指令

ADDC A,Rn ;A<-A+Rn+CY
ADD A,direct ;A<-A+(direct)+CY
ADD A,@Ri ;A<-A+(Ri)+CY
ADD A,#data ;A<-A+data+CY

加一指令

INC A
INC Rn
INC direct
INC @Ri
INC DPTR
;把操作数所指定单元的内容加一。其操作除了第一条指令影响奇偶标志位外，其余指令操作均不影响PSW。程序设计中，+1指令的使用十分频繁，通常配合寄存器间址指令使用，用于修改地址指针。

带借位的减法指令

SUBB A,Rn
SUBB A,direct
SUBB A,@Ri
SUBB A,#data
;A<-A-Rn-CY

减一指令

DEC A ;A<-A-1
DEC Rn
DEC direct
DEC @Ri
;这组指令的功能是把操作数所指定的单元内容减一，其操作除了第一条指令影响奇偶标志外，其余指令操作均不影响PSW标志

乘法指令

MUL AB
;将A,B，两个八字节位的无符号数相乘。结果为16字节数。结果的高八位保存在B中，低八位保存在A中。如果B中有数，则OV(溢出位)置为一。

除法指令

DIV AB ;A/B 商保存在A中，余数保存在B中
;如果被除数B为零，则OV置为1，否则置为零

逻辑运算类指令

这类指令主要用于对八字节数进行逻辑运算。包括逻辑与，或，异或，取反，以及逻辑移位指令。

逻辑“与”指令

ANL A,Rn
ANL A,direct
ANL A,@Ri
ANL A,#data
ANL direct,A
ANL direct,#data
;前四条指令的目的操作数是累加器A，源操作数可以是工作寄存器，片内RAM和立即数。指令的功能是，将A中的内容和源操作数所指定的内容按位逻辑与，结果存入目的操作数中。
;逻辑与指令常用于屏蔽某些位

逻辑“或”指令

ORL A,Rn
ORL A,direct
ORL A,@Ri
ORL A,#data
ORL direct,A
ORL direct,#dataORL
;使用逻辑和逻辑与一样。两个的缩写也可以看出，一个是AND LOGICAL 一个是OR LOGICAL

逻辑异或指令

XRL  A,Rn
XRL A,direct
XRL A,@Ri
XRL A,#data
XRL direct,A
XRL direct,#dataORL
;使用逻辑与上面一样。 X OR LOGICAL

累加器A清零指令
```
CLR A;A<-0
```

累加器A取反指令

CPL A ;A<-!A
;这条指令的功能是将累加器A的内容逐位取反

累加器A循环移位指令

RL A ;(REMOVE LEFT的缩写)，循环向左移动一位。比如说0000 1111B移动之后变成0001 1110B 后面的操作同理
RR A ;循环向右移动一位
RLC A ; REMOVE LEFT C 将累加器A的内容连同进位位CY向左循环移动一位(CY D0~D7)可以看成九位数的循环移位
RRC A ;带进位位的循环向右移位

控制转移类指令
- 控制转移类指令属于程序控制指令。其作用是改变程序执行的方向，或者调用子程序，或者从子程序返回。这些都是通过改变程序计数器PC实现的。
- 这类指令可以分为转移指令，调用子程序指令和返回指令。
  1. 转移类指令
    
    转移类指令通过改变PC的内容，以改变正在执行的指令顺序，转向新的地址继续执行下去，从而实现程序的分支。根据指令转移的条件，转移指令可以分为无条件转移指令和条件转移指令。前者CPU无条件的转移到指定位置执行程序，后者只有当条件满足的时候才能实现程序的转移，否则继续执行下一条指令。
    - 无条件转移指令
```
LJMP addr16 ;PC<-addr16
AJMP addr11 ;PC<-PC+2,PC.10~PC.0<-addr11
JMP @A+DPTR ;PC<-A+DPTR
SJMP rel ;PC<-PC+rel
;第一条指令(LJMP LONG J MOVE POSITION)是长转移指令。它的功能是把转移地址addr16送入程序计数器PC,CPU便会无条件转移到addr16处执行程序。由于addr16是16位二进制数，因此，程序可以转移到64KB范围内的任何地址单元去执行(2^16=64K).
;第二条指令(AJMP addr11)叫绝对转移指令，因为指令中只提供了低11位的地址。所以程序只能转移到下一条指令开始的2KB范围内执行。AJMP是二字节指令。执行过程为：先进行取指令操作，PC中的内容加一两次。PC+2，形成PC的当前地址；第二步是PC当前值的高五位地址PC.15~PC.11和指令机器码中的低11位地址一起构成16位的转移地址。（+2的步骤不能省）
;第三条指令(JMP @A+DPTR)是编制寻址转移指令，为单字节无条件转移指令。在指令执行之前，应该预先把目标地址的基本地址送入DPTR，目标转移地址对基本地址的偏移量放在累加器A中，在指令执行的时候，CPU把DPTR中的基地址和累加器A中的地址偏移量相加，形成目标转移地址送入程序计数器PC.如果结果超过64KB，那么会从最后一位转向零重新开始计数。
;第四条指令(SJMP)是短转移指令(short JMP)，是无条件相对转移指令。指令的操作数是相对地址。该指令执行后，程序便转移到当前PC值与REL值之和所只是的地址单元。
```
      MCS-51单片机的指令系统中没有停机指令，但在程序中，为了等待中断或者程序结束，需要使程序“原地踏步”，通常可以使用SJMP指令来完成，即反复让CPU执行SJMP指令，这就是动态停机。如果有中断发生，或者CPU复位，就可以脱离该状态。
```
SJMP $
```
    - 条件转移指令
      
      多数情况下，程序的转移是有条件的。根据给定的条件进行检测，若条件得到满足，则程序转向指定的目标地址去执行；否则，不转移，继续往下执行程序。这类条件转移指令都是相对转移指令，其转移的范围是以转移指令的下一条指令的第一个字节地址为起始地址的-128~127个字节内。
      1. 判0转移指令
        
        JZ rel ;(J ZERO) JNZ rel ;(J NOT ZERO) ;上述两条指令都是对累加器A的内容进行检测，根据A中的内容是否为0来决定程序是否转移。指令执行后，A的内容不变。
        
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        NO
        
        YES
        
        JZ rel
        
        A=0?
        
        PC<-PC+2
        
        PC<-PC+rel
      2. 判CY转移指令
        
        JC rel ;J CY JNC rel ;J NOT CY ;这两条指令是以PSW中的进位标志CY作为检测条件，根据CY标志的情况来决定程序是否转移。程序流程与JZ类似
      3. 比较转移指令
        
        CJNE A,direct,rel ;COMPARE J NOT EQUATION 比较A和DIRECT是否相等判断是否转移 CJNE A,#data,rel CJNE Rn,#data,rel CJNE @Ri,#data,rel ;值得注意的是，CJNE是三字节指令，所以判断为不转移之后，PC<-PC+3. ;三字节的相对转移指令的偏移量计算规则如下： ;向后转移：偏移量=目的地址-(源地址+3） ;向前转移：偏移量=(目的地址+0100H)-(源地址+3）
      4. 循环转移指令
        
        DJNZ Rn,rel DJNZ direct,rel ;在程序设计时，可以设置一个计数器，计数器的值就是要重复执行的次数，每执行一次某段程序，计数器的值减一；若计数器的值不为零，则循环转移继续进行，直到计数器的值减为零为止，循环转移结束。指令执行示意图如下图 ;注意，在使用DJNZ指令之前，应该将循环次数赋值给计数器，即Rn或(direct) ;EG: CLR A MOV 50H,#64H ;设置循环次数 L1: INC A DJNZ 50H,L1 ;50H不为零则转L1
        
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        Rn,rel
        
        Y
        
        N
        
        return
        
        PC
        
        DJNZ
        
        Rn-1->Rn
        
        Rn=0?
        
        PC<-PC+2
        
        PC<-PC+rel
    - 调用子程序以及返回指令
      1. 调用子程序指令
        
        LCALL addr16 ;PC<-PC+3,SP<-SP+1,(SP)<-PC.7~PC.0 SP<-SP+1,(SP)<-PC.15~PC.8,PC<-addr16 ACALL addr11 ;PC<-PC+2,SP<-SP+1,(SP)<-PC.7~PC.0 SP<-SP+1,(SP)<-PC.15~PC.8,PC.10~PC.0<-addr11 ;第一条指令LCALL为长调用指令，addr16是子程序入口地址。执行的时候，先将断口处分成两部分压入堆栈。子程序执行完之后，需要返回到主程序原来的断口地址处。其实也就是说，堆栈起到保存初始地址的作用。 ;ACALL的执行逻辑和LCALL类似，只不过ACALL只有两个字节大小，同时转移范围只有PC的前11位。
      2. 返回指令
        
        RET ;PC.15~PC.8<-(SP),SP<-SP-1 PC.7~PC.0<-(SP),SP<-SP-1 RETI ;PC.15~PC.8<-(SP),SP<-SP-1 PC.7~PC.0<-(SP),SP<-SP-1 ;子程序返回指令，功能是将堆栈内的断口地址弹出送入PC,CPU返回到原断口地址处，继续执行原程序。 ;第二条指令为中断返回指令。这条指令除了执行RET指令的功能之外，还会清除内部相应的中断状态寄存器(该寄存器由CPU相应中断时置位)的内容。所以这条指令只能用于中断服务程序，返回之后原程序不会继续向下运行。
      3. 空操作指令
        
        NOP ;(NONE POINTER)PC<-PC+1 ;单字节指令。无任何影响。这条指令通常用于产生一个机器周期的延迟或者在程序中补空，便于程序调试时指令的增删。
位操作类指令
- 单片机从硬件到软件构成了完整的按位操作的不二处理器，也称为位处理器。在这里面，CPU不是以字节或者字而是以位作为处理对象进行操作的。进行位操作的时候，以进位标志CY作为位累加器，具有一套按位处理指令集，包括数据传送，位逻辑运算和位条件控制转移等指令。
- MSC-51单片机内部诗句存储器中，有两部分按位寻址的存储地址空间：一部分是片内RAM的20H~2FH共16个字节单元128位，位地址为00H-7FH,各位地址相应于从20H字节单元的最低位开始，到2FH字节单元的最高位；另一部分是特殊功能寄存器区，字节地址能被8整除的专用寄存器也具有位地址，其位地址从80H-F7H.中间有极少数位没有被定义，这部分不能按位寻址。
- 在汇编语言中，位地址的表达方式有以下几种：
  1. 直接用位地址表示，如
    
    D4H,2FH
  2. 用点操作符号表示。点操作符前面部分是字节地址或者是可以被位寻址的专用寄存器，后面部分的数字表示它们的位。
    
    例如：(D0H).4,PSW.4
  3. 寄存器的位定义名称。如：RS1.0V
  4. 用户定义的位符号地址。例如：L1 BIT PSW.4,将PSW.4定义为位符号地址L1之后，允许在指令中使用L1代替PSW.4
- 位数据传送指令
```
MOV C,bit ;CY<-(bit)
MOV bit,C
;注意的是，其中的一个操作数必须是位累加器CY，另一个操作数可以是任何可以被直接寻址的位
```
- 位状态修改指令
```
CLR C ;清零
CLR bit
CPL C ;逻辑取反
CPL bit
SETB C ;重置位1
SETB bit
```
- 位逻辑运算指令
```
ANL C,bit  ;C AND BIT
ANL C,/bit ;C AND !BIT
ORL C,bit
ORL C,/bit
```
- 位条件转移指令
```
JB bit,rel  ;若(bit)=1,则PC<-PC+rel,否则,PC<-PC+3  J BIT
JNB bit,rel  ;若(bit)=0,则PC<-PC+rel,否则,PC<-PC+3 J NOT BIT
JBC bit,rel  ;若(bit)=1,则PC<-PC+rel,同时bit清零;否则，PC<-PC+3,bit清零  J B CLR
```