3.2 单片机控制系统软件开发知识（1）
3.2.1 指令系统的概念与分类
1.指令系统的概念
我们知道，计算机如果只有硬件而没有软件（程序）是不能工作的，单片机也不例外。单片机之所以能够按照人们的意愿工作，是因为单片机运行了相应的程序，而程序是由单片机所能识别的指令组成的。
指令是CPU用来控制功能部件完成某一指定动作的指示和命令。指令是与计算机内部结构、硬件资源密切联系的，一条指令对应着一种基本操作。
某种计算机所有指令的集合称为指令系统。指令系统全面描述了CPU的功能，是由生产厂家确定的。不同的CPU具有不同的指令系统，指令系统越丰富，说明CPU的功能越强。例如，Z80单片机中没有乘法和除法指令，乘法和除法运算必须用软件来实现，因此执行速度相对较慢；而MCS-51单片机提供了乘法和除法指令，实现乘法和除法运算就要快得多。
MCS-51单片机指令系统共有33种功能，42种助记符，111条指令。单片机与一般通用微处理器指令系统的区别在于其突出了控制功能，具体表现为有大量的转移指令和位操作指令。
2.指令系统的分类
MCS-51单片机的指令系统内容丰富、完整，功能较强。
1）按指令功能分类
按指令的功能可以分为五大类：
（1）数据传送指令（29条）；
（2）算术运算指令（24条）；
（3）逻辑运算指令（24条）；
（4）控制转移指令（22条）；
（5）位操作指令（12条）。
2）按指令长度分类
单片机中的指令并不是固定的长度，对于不同的指令，在程序存储器ROM中占用的字节数是不同的。按指令长度可分为：
（1）单字节指令（49条）；
（2）双字节指令（45条）；
（3）三字节指令（17条）。
3）按指令执行时间分类
每条指令在执行时要消耗一定的时间，以机器周期为单位。按指令执行时间可分为：
（1）单周期指令（64条）；
（2）双周期指令（45条）；
（3）四周期指令（2条）。
3.2.2 指令格式及指令符号
计算机能直接识别和执行的指令是二进制代码编码指令，称为机器指令。机器指令不便于记忆和阅读。
为了编写程序的方便，人们采用有一定含义的符号（助记符）来表示机器指令，称为汇编指令。汇编指令是符号化的机器指令，与机器指令是一一对应的。汇编指令转换成机器指令之后，单片机才能识别和执行。
1.汇编指令格式
汇编指令是构成汇编语言程序的基本单元。汇编指令通常由标号、操作码助记符、操作数和注释几部分组成。一般格式为：
[标号：] 操作码助记符 [操作数1] [，操作数2] [，操作数3] [；注释]
1）标号
标号表示该指令所在的地址，是用户根据程序需要（子程序入口或转移指令目标地址）而设定的符号地址，“[ ]”表示可选项。汇编时，可以以该指令所在的首地址来代替标号。
标号是以英文字母开始的由1～8个字母或数字组成的字符串，但第1个字符必须是英文字母，不能是数字或其他符号。标号必须用冒号与操作码分隔开。
2）操作码
操作码助记符是表示指令操作功能的英文缩写，如MOV表示数据传送操作、ADD表示加法操作等。操作码是指令的核心部分，每条指令都必须有操作码，不能缺省。
3）操作数
操作数字段表示指令的操作对象，其表示形式与寻址方式有关。指令中的操作数一般有以下几种形式：
（1）没有操作数项，操作数隐含在操作码中，如指令“RET”；
（2）只有一个操作数，如指令“CPL A”；
（3）有两个操作数，如指令“MOV A，#00H”，操作数之间以逗号相隔；
（4）有三个操作数，如指令“CJNE A，#00H，NEXT”，操作数之间也以逗号相隔。
操作数和操作码之间以空格分隔，操作数之间以逗号分隔。双操作数时，逗号前面的操作数称为源操作数，逗号后面的操作数称为目的操作数。
4）注释
注释是编程者为该指令在程序中的作用或该程序段功能进行的说明，以方便程序的阅读。注释必须以“；”开始，注释的长度不限，一行不够时，可以换行书写，但换行时注意在开头仍应加“；”号。
2.指令中符号的约定
在介绍汇编指令系统时，指令中的符号约定如下。
（1）Rn（n=0～7）：当前选中的工作寄存器组的工作寄存器R0～R7。
（2）@Ri（i=0、1）：以R0或R1做寄存器间接寻址，“@”为间接寻址符。
（3）direct：8位直接地址。可以是内部RAM单元地址（00H～7FH），或特殊功能寄存器（SFR）地址（80H～FFH）。
（4）@DPTR：以数据指针DPTR的内容（16位）为地址的寄存器间接寻址，对外部RAM 64KB地址空间寻址。
（5）#data：8位立即数。“#”表示data是立即数。
（6）#data16：16位立即数。
（7）addr11：11位目标地址。短转移（AJMP）及短调用（ACALL）指令中为转移目标地址，2KB范围内转移，指令中用标号代替。
（8）addr16：16位目标地址。长转移（LJMP）及长调用（LCALL）指令中为转移目标地址，转移范围64KB，指令中用标号代替。
（9）rel：相对转移地址。8位补码地址，偏移量为-128～+127，指令中可用标号代替。
（10）DPTR：16位数据指针。
（11）bit：位地址。内部RAM（20H～2FH）中可寻址位和SFR中的可寻址位。
（12）A：累加器。
（13）B：B寄存器。
（14）C：即Cy位，进位标志或进位位，或位操作指令中的位累加器。
（15）/：位操作数的取反操作前缀，如“/bit”。
（16）（X）：X中的内容。
（17）（（X））：由X间接寻址的单元中的内容。
（18）←：箭头右边内容送入箭头所指的单元。
说明：由于历史原因，为了与大多数书籍、资料目前书写习惯一致，在表示符号位（Cy，OV，EA等）的内容时，在不会引起误解的前提下，采取BIT=X而非（BIT）=X的形式，请读者在阅读以下章节时留意。
3.2.3 寻址方式
从指令格式可知，操作数是指令的重要组成部分，指出了参与操作的对象。寻找操作数或操作数地址的方式称为寻址方式，一条指令采用什么样的寻址方式，是由指令的功能决定的。寻址方式越多，指令功能就越强。寻址方式不仅影响指令的长度，还影响指令的执行速度。
MCS-51指令系统共使用了7种寻址方式：立即寻址、寄存器寻址、直接寻址、寄存器间接寻址、变址寻址、相对寻址和位寻址。这7种寻址方式所对应的寻址空间如表3.3所示。
表3.3 寻址方式对应的寻址空间
1.立即寻址（Immediate Addressing）
立即寻址是指操作数在指令中直接给出，该操作数我们称为立即数。立即数可以是一个字节，也可以是两个字节。汇编后，立即数存放在程序存储器中。立即数前应加“#”标记，以便和直接寻址方式相区分。
立即寻址一般用于为寄存器或存储器赋常数初值。
例如指令：
MOV A，#40H ；A←40H
指令中的“40H”为立即数，该指令的功能是将立即数40H送累加器A。指令执行后（A）=40H，指令中用“#”表示立即数。
2.直接寻址（Direct Addressing）
直接寻址方式是在指令代码中直接给出操作数的地址，操作数存放在该地址的存储单元中，这种寻址方式是对内部数据存储器进行访问。
直接寻址方式的寻址空间为：
（1）片内RAM的低128字节；
（2）特殊功能寄存器SFR。
注意：对片内RAM的低128字节进行直接寻址时，以直接地址形式表示；对SFR进行直接寻址时，通常以寄存器符号（符号地址）来表示，当然也可以用直接地址来表示。
例如指令：
MOV A，50H ；A←（50H）
指令中的“50H”为直接地址，该指令是把内部RAM中50H单元（直接寻址）的内容送入累加器A中。假设指令执行前A的内容为8BH（表示为（A）=8BH），50H单元的内容为36H（表示为（50H）=36H），则指令执行后（A）=36H，（50H）=36H（不变）。
例如指令：
MOV A，P1 ；A←（P1）
指令中的“P1”为I/O口P1的符号地址，该指令也可以写为：
MOV A，80H ；A←（80H）
3.寄存器寻址（Register Addressing）
寄存器寻址方式是在指令中给出寄存器名称，寄存器的内容作为操作数。
寄存器寻址方式的可寻址空间：
（1）当前工作寄存器R0～R7（当前工作寄存器区由RS1、RS0来选定）；
（2）累加器A；
（3）寄存器B；
（4）数据寄存器DPTR。
寄存器寻址方式的操作码中隐含了寄存器的编码，对当前工作寄存器R0～R7进行访问时，指令操作码的低3位指明了所用的寄存器。
例如指令：
MOV A，R2 ；A←（R2）
该指令是将工作寄存器R2的内容送给累加器A。假设指令执行前A的内容为08H（表示为（A）=08H），R2的内容为4EH（表示为（R2）=4EH），则指令执行后（A）=4EH，（R2）=4EH（不变）。
工作寄存器是内部RAM的一部分，如果选择第0组工作寄存器，则R0就是内部RAM的00H单元。那么这样一来，“MOV A，00H”和“MOV A，R0”就没有区别了吗？
的确，这两条指令执行的结果是完全相同的，都是将00H单元中的内容送到A中去，但是执行的过程不同。执行第一条指令需要2个机器周期，而第二条指令则只需要1个机器周期。第一条指令变成最终的目标码要两个字节（E5H 00H），而第二条指令则只要一个字节（E8H）就可以了。寄存器寻址方式指令代码短，执行速度快。
在SFR中，除了A、B、R0～R7和DPTR以外，其余的特殊功能寄存器只能采用直接寻址方式。
4.寄存器间接寻址方式（Register Indirect Addressing）
寄存器间接寻址方式是在指令中给出寄存器，以寄存器的内容作为操作数的地址，把该地址对应单元的内容作为操作数。可用于寄存器间接寻址的寄存器有R0、R1和DPTR。为了不与寄存器寻址相混淆，寄存器间接寻址方式中寄存器前必须加“@”（@读成“at”）。
寄存器间接寻址的可寻址空间：
（1）内部RAM 00H～7FH（@R0、@R1）；
（2）外部RAM 0000H～FFFFH（@DPTR、@R0、@R1）。
在访问外部RAM的页内256个单元××00H～××FFH时，用R0、R1工作寄存器间接寻址。
在访问外部RAM整个64KB（0000H～FFFFH）地址空间时，用数据指针DPTR来间接寻址。
例如指令：
MOV A，@R0 ；A←（（R0））
指令中的“@R0”表示R0间接寻址单元的内容。该指令的操作是将寄存器R0的内容（设（R0）=50H）作为地址，把片内RAM 50H单元的内容（设（50H）=48H）送入累加器A，指令执行后（A）=48H。指令中“@”表示寄存器间接寻址，称为间址符。
5.变址寻址（Base-Register-plus-Index-Register-Indirect Addressing）
变址寻址以程序计数器PC或数据指针DPTR作为基址寄存器，以累加器A作为变址寄存器（存放8位无符号的偏移量），两者内容相加形成的16位程序存储器地址作为指令操作数的地址。变址寻址用于读取程序存储器中的常数表或原始的数据。
变址寻址的寻址空间：程序存储器ROM（@A+DPTR，@A+PC）。
例如指令：
MOVC A，@A+DPTR ；A←（（A）+（DPTR））
指令中“@A+DPTR”表示变址寻址的程序存储单元的内容。该指令是把DPTR的内容作为基地址，把A的内容作为偏移量，两量相加形成16位地址，将该地址的程序存储器ROM单元的内容送给A。
假设指令执行前（DPTR）=2100H，（A）=56H，（2156H）=36H。则该指执行后（A）=36H。
又例如指令：
2040H： MOVC A，@A+PC ；A←（（A）+（PC））
假设指令执行前（A）=0E0H，（2121H）=45H。该指令为单字节指令，所以执行此指令时程序指针PC的当前值（PC）=2041H，则该指执行后（A）=45H。
变址寻址过程如图3.7所示。
图3.7 变址寻址过程示意图
实际上指令中有两个或三个操作数时，往往具有几种类型的寻址方式。例如指令：
MOV B，#4FH 寄存器寻址 立即寻址
3.2.4 数据传送类指令
数据传送指令共有29条，分为片内寄存器、数据存储器传送（MOV）指令，片外数据存储器传送（MOVX）指令，程序存储器访问（MOVC）指令，数据交换（XCH、XCHD、SWAP）指令和堆栈操作（PUSH、POP）指令。源操作数可以采用寄存器、寄存器间接、直接、立即、变址5种寻址方式，目的操作数可以采用前3种寻址方式。数据传送指令是编程时使用最频繁的一类指令。
数据传送指令一般的操作是将源操作数传送到目的操作数，指令执行后，源操作数不改变，目的操作数修改为源操作数。如果要求在数据传送时不丢失目的操作数，则可以用交换指令。
数据传送指令不影响专用寄存器PSW中的各标志位，即Cy、AC和OV，这里不包括检验累加器奇偶的标志位P，以后对于P一般也不加以说明。
1.片内RAM及寄存器间的数据传送指令——MOV
1）以累加器A为目的操作数的指令（4条）
以累加器A为目的操作数的指令如表3.4所示。
表3.4 以累加器A为目的操作数的指令
说明：
（1）指令的功能是将源操作数的内容送入累加器A中。源操作数可以为寄存器寻址、直接寻址、寄存器间接寻址和立即寻址方式。
（2）源操作数是Rn时，属寄存器寻址。MCS-51内部RAM区中有4组工作寄存器，每组由8个寄存器组成。可通过改变PSW中的RS0、RS1来切换当前工作寄存器组。
【例3.1】 注释下列指令操作功能。
MOV A，R4 ；A←（R4），即R4寄存器内的数据传递给累加器A
MOV A，70H ；A←（70H），即70H单元内的数据传递给累加器A
MOV A，@R1 ；A←（（R1）），即R1寄存器内的数据作为地址，该地址内的数据传递给
；累加器A
MOV A，#88H ；A←88H，即88H这个数据传递给累加器A
【例3.2】 已知（A）=40H，（R0）=50H，内部RAM（40H）=30H，内部RAM（50H）=10H，解释下列指令的执行结果。
① MOV A，#20H
② MOV A，40H
③ MOV A，R0
④ MOV A，@R0
解：① MOV A，#20H 执行后（A）=20H。
② MOV A，40H 执行后（A）=30H。
③ MOV A，R0 执行后（A）=50H。
④ MOV A，@R0 执行后（A）=10H。
2）以Rn为目的操作数的指令（3条）
以Rn为目的操作数的指令如表3.5所示。
表3.5 以Rn为目的操作数的指令
该组指令的功能是把源操作数的内容送到当前工作寄存器区中的R7～R0中的某一个寄存器。源操作数可以为寄存器寻址、直接寻址和立即寻址方式。
【例3.3】 将A的内容传送至R1，30H单元的内容传送至R3，立即数80H传送至R7，用指令完成并注释操作功能。
MOV R1，A ；R1←（A） MOV R3，30H ；R3←（30H） MOV R7，#80H ；R7← 80H
3）以直接地址为目的操作数的指令（5条）
以直接地址为目的操作数的指令如表3.6所示。
表3.6 以直接地址为目的操作数的指令
该组指令的功能是将源操作数的内容送入直接地址所指的存储单元。源操作数有寄存器寻址、直接寻址、寄存器间接寻址和立即寻址方式。
【例3.4】 将A的内容传送至30H单元，R7的内容传送20H单元，立即数0FH传送至27H单元，40H单元内容传送至50H单元，用指令完成并注释操作功能。
MOV 30H，A ；30H← （A） MOV 20H，R7 ；20H← （R7） MOV 27H，#0FH ；27H← 0FH MOV 50H，40H ；50H ←（40H）
【例3.5】 若（R1）=50H，（50H）=18H，执行指令：
MOV 40H，@R1
结果：（40H）=18H。
4）以寄存器间接地址为目的操作数的指令（3条）
以寄存器间接地址为目的操作数的指令如表3.7所示。
表3.7 以寄存器间接地址为目的操作数的指令
该组指令的功能是将源操作数的内容送入R0或R1寄存器间接寻址所确定的内部RAM单元中。源操作数也可以为寄存器寻址、直接寻址和立即寻址方式。
【例3.6】 已知（R0）=40H，（30H）=12H，（A）=78H，求分别执行下列指令后的结果。
① MOV @R0，A
② MOV @R0，30H
③ MOV @R0，#56H
解：指令 ① MOV @R0，A 执行后（40H）=78H。
指令 ② MOV @R0，30H 执行后（40H）=12H。
指令 ③ MOV @R0，#56H 执行后（40H）=56H。
5）16位数据传送指令（1条）
16位数据传送指令如表3.8所示。
表3.8 16位数据传送指令
该指令是指令系统中唯一的一条16位数据传送指令，通常用来设置地址指针。DPTR由DPH和DPL组成，该指令传送时，把高8位立即数送入DPH中，低8位立即数送入DPL中。
【例3.7】 执行指令：MOV DPTR，#1234H后DPH中的值为12H，DPL中的值为34H。如果我们分别向DPH、DPL送数，则结果也一样。
如下面两条指令：
MOV DPH，#12H MOV DPL，#34H
相当于指令：
MOV DPTR，#1234H
【例3.8】 注释出下列程序段运行时的每一步执行结果。
MOV A，#30H ；（A）=30H MOV 4FH，A ；（4FH）=30H MOV R0，#20H ；（R0）=20H MOV @R0，4FH ；（20H）=30H MOV 21H，20H ；（21H）=30H
MOV指令用于寻址内部RAM和SFR，对内部RAM和SFR的操作功能如图3.8所示。
图3.8 MOV数据传送指令操作功能示意图
2.ROM读取指令——MOVC
程序存储器读取指令的助记符为MOVC，如表3.9所示。程序存储器为只读存储器，除了存放程序代码以外，还可以存放一些原始数据、固定表格。程序运行中所需的这些常数、表格数据，通常是由用户先将其写在程序存储器中。程序需从程序存储器中读出数据时，只能采用变址寻址方式将数据读入到累加器A中。
程序存储器（ROM）使用基址变址寻址，指令中以DPTR为ROM的16位地址指针，由P0口送出低8位地址，由P2口送出高8位地址，寻址范围为64KB。
表3.9 ROM读取指令
【例3.9】 已知（A）=38H，程序存储器ROM（1039H）=78H，写出指令：
1000H：MOVC A，@A+PC
的执行结果。
解：该指令以PC内容加1后的当前值作为基址寄存器，累加器A为变址寄存器（8位无符号整数），两者内容相加得到一个16位地址，将该地址对应的程序存储器单元的内容送给累加器A。所以上面指令的操作是将程序存储器1039H单元的内容送给累加器A。
（A）=78H。
说明：累加器A为8位无符号整数，表格位置（查表指令后255字节内）和表格长度（小于255字节）受限制。
【例3.10】 已知（A）=50H，（DPTR）=5000H，程序存储器ROM（5050H）=52H，写出指令：
MOVC A，@A+DPTR
的执行结果。
解：该指令以DPTR为基址寄存器，累加器A为变址寄存器。因此，该指令执行的操作是将程序存储器中5050H单元的内容送入A中。
（A）=52H。
“MOVC A，@A+PC”与“MOVC A，@A+DPTR”两条指令的区别：前者访问ROM的范围是相对PC当前值以后的256字节地址空间，而后者范围可达整个程序存储器64K字节的地址空间。累加器A的内容是一个8位无符号数。
注意：由于PC的内容不能利用数据传送指令进行随意更改，所以读取ROM指定单元内容的操作常用“MOVC A，@A+DPTR”这条指令。
“MOVC A，@A+DPTR”查取ROM中的数据表的使用方法为：
首先将要查表的数据字作为偏移量送累加器A中，然后将表首地址送DPTR中，最后执行该指令即可获得所需的内容。
3.伪指令——DB、ORG、END
在汇编语言中，除了可执行的指令外，为方便程序的编写，还定义了一些伪指令。伪指令是对汇编语言程序做出的一些必要说明。在汇编过程中，伪指令为汇编程序提供必要的控制信息，不产生任何指令代码，因此也称为不可执行指令。常见的伪指令如下。
1）ORG（oRigin）：汇编起始地址命令
格式：ORG nn
ORG后面16位地址表示此语句后的程序或数据块在程序存储器中的起始地址。例如：
ORG 1000H
START：MOV A，#32H
…
上述指令说明：START表示的地址为1000H，MOV指令从1000H存储单元开始存放。
2）DB（Define Byte）：定义字节数据命令
格式：[名字：] DB n1，n2，n3，…，nN
该命令表示将DB后面的若干个单字节数据存入指定的连续单元中。每个数据（8位）占用一个字节单元，通常用于定义一个常数表。
注意：“名字”也是一个符号地址，但以名字表示的存储单元之中存放的是数据，而不是指令代码，故不能作为转移指令的目标地址，这一点与标号不同。
例如：
ORG 2000H TAB1：DB 01H，04H，09H，10H …
以上伪指令汇编后从2000H单元开始定义（存放）4个字节数据（平方表），即：
（2000H）=01H，（2001H）=04H，（2002H）=09H，（2003H）=10H。
3）END：汇编结束命令
END表示汇编语言源程序到此结束，一定要放在程序末尾。
3.2.5 算法与结构化程序设计
1.算法
做任何事情都有一定的步骤。例如你想要出门旅行，总要依次确定旅游目的地、旅游路线，购买交通车票，出发等若干步骤，这些步骤都是按一定顺序进行的，缺一不可，次序错了也不妥。算法是对计算机操作步骤的描述。计算机操作的目的是对各种数据进行处理，以期得到预定的工作效果。
算法是一个良定义的计算过程，所谓良定义是指：
（1）算法应当是正确的。因为错误的算法不能达到预期的工作目的。
（2）算法应当是有穷的。即一个算法的步骤应当是有限的，同时一个算法所运行的时间也应当是有限的。
（3）算法应当是有效的。即一个算法所对应的计算机程序运行后应当输出有效的运行结果，没有效果的算法是没有实际意义的。
算法由一个或多个值作为输入，并产生一个或多个输出。算法的表示方法很多，对单片机而言，目前多以流程图来表示算法。流程图实际上就是用一些图框来表示计算机的操作步骤。用流程图表示算法具有直观形象、易于理解等特点。
美国国家标准化协会ANSI（American National Standard Institute）设定了一些常用的流程图符号，如图3.9所示。
图3.9 常用流程图符号
2.程序基本结构——顺序结构
传统的流程图对用流程线指示各框的执行顺序没有严格限制，这样容易使流程图变得毫无规律，给阅读者理解带来很大困难，也使算法的可靠性和可维护性难以保证。因此，为提高算法的质量，使算法设计和阅读方便，人们设想规定了几种基本结构，然后由这些基本结构按一定规律组成算法结构，这样就对保证和提高算法质量有很大好处。常用的基本结构由顺序结构、分支结构和循环结构等组成。
顺序结构是指程序中每一条指令都是按指令的排列顺序执行。顺序结构是最简单的程序结构，不出现分支、循环等。如图3.10所示为顺序结构示意图。
图3.10 顺序结构示意图