1.5 8051微控制器指令集

为任何微控制器编写程序包括以特定的顺序向微控制器发出命令，这些命令必须按顺序执行以完成特定任务。这些向微控制器发出的命令被称为微控制器的指令集（Instruction Set）。

正如我们的句子由单词组成一样，微控制器的程序（事实上，任何计算机的程序）由指令组成。程序中的指令告诉微控制器要执行哪些操作。

指令集对于计算机家族来说是独一无二的。本教程介绍了8051单片机的指令集，也被称为MCS-51指令集。

由于8051单片机家族是8位处理器，8051单片机的指令集针对8位控制应用进行了优化。作为一个典型的8位处理器，8051单片机的指令具有8位操作码（Opcode）。因此，8051指令集最多可以有(2^8 = 256)条指令。

8051单片机指令集和指令分组

在深入探讨8051指令集的细节、指令类型和寻址模式之前，让我们先简要了解一下8051指令集（MCS-51指令集）的指令和指令分组。

下表展示了8051指令组和每个组中的指令。8051单片机指令集中有49条指令助记符（Mnemonic），这些助记符被分为五个组。

数据传输	算术运算	逻辑运算	布尔运算	程序分支
MOV	ADD	ANL	CLR	LJMP
MOVC	ADDC	ORL	SETB	AJMP
MOVX	SUBB	XRL	MOV	SJMP
PUSH	INC	CLR	JC	JZ
POP	DEC	CPL	JNC	JNZ
XCH	MUL	RL	JBC	CJNE
XCHD	DIV	RLC	NOP	DJNZ
	DA A	RR	JBC	NOP
		RRC	ANL	LCALL
		SWAP	ORL	ACALL
			CPL	RET
				RETI
				JMP

8051单片机指令集的指令类型

在了解指令类型之前，我们先来看一下8051单片机指令的结构。一条8051指令由操作码（Opcode，即操作代码）和大小为零字节、一字节或二字节的操作数（Operand）组成。

指令的操作码部分包含助记符（Mnemonic），它指定了要执行的操作类型。所有助记符或指令的操作码部分都是一个字节大小。

接下来是操作数部分，它定义了指令处理的数据。操作数可以是以下之一：

• 无操作数
• 数据值
• I/O端口
• 存储器位置
• CPU寄存器

指令可以有多个操作数，其格式如下：

助记符 目的操作数，源操作数

简单的指令只包含操作码。其他指令可能包括一个或多个操作数。指令可以是一字节指令（只包含操作码），也可以是二字节指令（第二字节是操作数），或者是三字节指令（操作数占据第二和第三字节）。

根据它们执行的操作，8051单片机指令集中的所有指令被分为五个组。它们是：

1. 数据传输指令（Data Transfer Instructions）
2. 算术运算指令（Arithmetic Instructions）
3. 逻辑运算指令（Logical Instructions）
4. 布尔运算或位操作指令（Boolean or Bit Manipulation Instructions）
5. 程序分支指令（Program Branching Instructions）

接下来，我们将简要介绍这些指令。

数据传输指令

数据传输指令与寄存器之间、外部程序存储器或外部数据存储器之间的数据传输有关。与数据传输相关的助记符如下：

• MOV：移动数据
• MOVC：移动代码
• MOVX：移动外部数据
• PUSH：将数据推入堆栈
• POP：从堆栈复制数据
• XCH：交换两个寄存器之间的数据
• XCHD：交换两个寄存器之间的低阶数据

下表列出了所有可能的数据传输指令，以及寻址模式、占用的大小和所需的机器周期数。

算术运算指令

使用算术运算指令，可以执行加法、减法、乘法和除法。算术运算指令还包括加1、减1以及一个特殊的指令，称为“十进制调整累加器”。

与8051单片机算术运算指令相关的助记符如下：

• ADD：无进位加法
• ADDC：带进位加法
• SUBB：带借位减法
• INC：加1
• DEC：减1
• MUL：乘法
• DIV：除法
• DA A：十进制调整累加器（A寄存器）

算术运算指令不关心数据格式，即有符号、无符号、ASCII、BCD等。此外，算术运算指令执行的操作会影响PSW寄存器中的标志，如进位、溢出、零等。

下表列出了所有可能的算术运算指令的助记符。

逻辑运算指令

逻辑运算指令的下一组指令执行逻辑运算，如与（AND）、或（OR）、异或（XOR）、非（NOT）、旋转、清零和交换。逻辑运算指令按位对数据字节进行操作。

与逻辑运算指令相关的助记符如下：

• ANL：逻辑与
• ORL：逻辑或
• XRL：异或
• CLR：清零寄存器
• CPL：对寄存器取反
• RL：将字节向左旋转
• RLC：将字节和进位标志向左旋转
• RR：将字节向右旋转
• RRC：将字节和进位标志向右旋转
• SWAP：交换字节中的高低位

下表列出了所有可能的逻辑运算指令的助记符。

布尔运算或位操作指令

顾名思义，布尔运算或位操作指令处理位变量。我们知道，RAM中有一个特殊的可位寻址区域，一些特殊功能寄存器（SFRs）也是可位寻址的。

与布尔运算或位操作指令对应的助记符如下：

• CLR：清零位（重置为0）
• SETB：设置位（设置为1）
• MOV：移动位
• JC：如果进位标志被设置，则跳转
• JNC：如果进位标志未被设置，则跳转
• JB：如果指定的位被设置，则跳转
• JNB：如果指定的位未被设置，则跳转
• JBC：如果指定的位被设置，则跳转并清除该位
• ANL：按位与
• ORL：按位或
• CPL：对位取反

这些指令可以在位级别执行设置、清除、与、或、取反等操作。下表列出了所有可能的布尔运算指令的助记符。

程序分支指令

8051单片机指令集中的最后一组指令是程序分支指令。这些指令控制程序逻辑的流程。程序分支指令的助记符如下：

• LJMP：长跳转（无条件）
• AJMP：绝对跳转（无条件）
• SJMP：短跳转（无条件）
• JZ：如果A等于0，则跳转
• JNZ：如果A不等于0，则跳转
• CJNE：比较并跳转如果不相等
• DJNZ：递减并跳转如果不为零
• NOP：无操作
• LCALL：长调用子程序
• ACALL：绝对调用子程序（无条件）
• RET：从子程序返回
• RETI：从中断返回
• JMP：跳转到地址（无条件）

除了NOP（无操作）指令外，所有这些指令都会以某种方式影响程序计数器（PC）。其中一些指令在将控制权转移到程序的其他部分之前具有决策能力。

下表列出了所有与程序分支指令相关的助记符。

8051单片机的寻址模式

什么是8051的寻址模式？

寻址模式是一种定位目标数据的方法，目标数据也被称为操作数（Operand）。8051单片机家族允许五种类型的寻址模式来定位操作数。它们是：

1. 立即寻址（Immediate Addressing）
2. 寄存器寻址（Register Addressing）
3. 直接寻址（Direct Addressing）
4. 寄存器间接寻址（Register-Indirect Addressing）
5. 索引寻址（Indexed Addressing）

立即寻址（Immediate Addressing）

在立即寻址模式中，操作码（Opcode）之后的操作数是一个8位或16位的常量数据。这种寻址模式被称为“立即寻址”，是因为要存储的常量数据直接跟在操作码之后。

要存储的常量值直接在指令中指定，而不是从寄存器中获取。目标寄存器必须与指令中提到的操作数大小相同。

示例：

MOV A, #030H

这里，累加器（Accumulator）被加载了30H（十六进制）。操作数中的#表示这是一个数据，而不是寄存器的地址。

立即寻址非常快，因为要加载的数据直接包含在指令中。

寄存器寻址（Register Addressing）

在8051单片机的存储器组织中，我们已经看到了RAM的组织方式以及四个工作寄存器组，每个组包含8个寄存器（R0-R7）。

在寄存器寻址模式中，指令中指定的寄存器（R0-R7）中的一个作为操作数。

选择合适的寄存器组非常重要，这可以通过程序状态字（PSW）寄存器来完成。假设选择了Bank0，以下是一个寄存器寻址的示例。

示例：

MOV A, R5

这里，Bank0中寄存器R5的内容（8位）被移动到累加器中。

直接寻址（Direct Addressing）

在直接寻址模式中，指令中指定的操作数是数据的地址。通过直接寻址模式，我们可以访问任何寄存器或片上变量。这包括通用RAM、特殊功能寄存器（SFRs）、I/O端口和控制寄存器。

示例：

MOV A, 47H

这里，RAM位置47H中的数据被移动到累加器中。

寄存器间接寻址（Register Indirect Addressing）

在间接寻址模式或寄存器间接寻址模式中，操作数的地址被指定为某个寄存器的内容。通过一个示例可以更清楚地说明这一点。

示例：

MOV A, @R1

@符号表示寻址模式是间接的。假设R1的内容是56H，那么操作数位于内部RAM位置56H。如果RAM位置56H的内容是24H，那么24H被移动到累加器中。

在间接寻址模式中，只允许使用R0和R1。这些寄存器在间接寻址模式中被称为指针寄存器。

索引寻址（Indexed Addressing）

在索引寻址模式中，操作数的有效地址是基地址寄存器和偏移寄存器的和。基地址寄存器可以是数据指针（DPTR）或程序计数器（PC），而偏移寄存器是累加器（A）。

在索引寻址模式中，只能使用MOVC和JMP指令。索引寻址模式在从查找表中检索数据时非常有用。

示例：

MOVC A, @A+DPTR

这里，操作数的地址是DPTR和累加器内容的和。

注意：一些作者和教科书还增加了其他寻址模式，如绝对寻址模式（Absolute Addressing Mode）、相对寻址模式（Relative Addressing Mode）和长寻址模式（Long Addressing Mode）。

在本教程中，我们介绍了8051单片机的指令集、8051单片机的寻址模式以及8051单片机指令集中不同类型的指令。