我們以打算盤為例計算一道算術(shù)題。例：36＋163×156－166÷34。現(xiàn)在要進(jìn)行運(yùn)算，首先需要一把算盤，其次是紙和筆。我們把要計算的問題記錄下來，然后第一步先算163×156，把它與36相加的結(jié)果記在紙上，然后計算166÷34，再把它從上一次結(jié)果中減去，就得到最后的結(jié)果。

　　現(xiàn)在，我們用單片機(jī)來完成上述過程，顯然，它首先要有代替算盤進(jìn)行運(yùn)算的部件，這就是“運(yùn)算器”；其次，要有能起到紙和筆作用的器件，即能記憶原始題目、原始數(shù)據(jù)和中間結(jié)果，還要記住使單片機(jī)能自動進(jìn)行運(yùn)算而編制的各種命令。這類器件就稱為“存貯器”。此外，還需要有能代替人作用的控制器，它能根據(jù)事先給定的命令發(fā)出各種控制信號，使整個計算過程能一步步地進(jìn)行。但是光有這三部分還不夠，原始的數(shù)據(jù)與命令要輸入，計算的結(jié)果要輸出，都需要按先后順序進(jìn)行，有時還需等待。

　　如上例中，當(dāng)在計算163×156時，數(shù)字36就不能同時進(jìn)入運(yùn)算器。因此就需要在單片機(jī)上設(shè)置按控制器的命令進(jìn)行動作的“門”，當(dāng)運(yùn)算器需要時，就讓新數(shù)據(jù)進(jìn)入。或者，當(dāng)運(yùn)算器得到最后結(jié)果時，再將此結(jié)果輸出，而中間結(jié)果不能隨便“溜出”單片機(jī)。這種對輸入、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行一定管理的“門”電路在單片機(jī)中稱為“口”（Port）。在單片機(jī)中，基本上有三類信息在流動，一類是數(shù)據(jù)，即各種原始數(shù)據(jù)（如上例中的36、163等）、中間結(jié)果（如166÷34所得的商4、余數(shù)30等）、程序（命令的集合）等。這樣要由外部設(shè)備通過“口”進(jìn)入單片機(jī)，再存放在存貯器中，在運(yùn)算處理過程中，數(shù)據(jù)從存貯器讀入運(yùn)算器進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算的中間結(jié)果要存入存貯器中，或最后由運(yùn)算器經(jīng)“出入口”輸出。

　　用戶要單片機(jī)執(zhí)行的各種命令（程序）也以數(shù)據(jù)的形式由存貯器送入控制器，由控制器解讀（譯碼）后變?yōu)楦鞣N控制信號，以便執(zhí)行如加、減、乘、除等功能的各種命令。所以，這一類信息就稱為控制命令，即由控制器去控制運(yùn)算器一步步地進(jìn)行運(yùn)算和處理，又控制存貯器的讀（取出數(shù)據(jù)）和寫（存入數(shù)據(jù)）等。第三類信息是地址信息，其作用是告訴運(yùn)算器和控制器在何處去取命令取數(shù)據(jù)，將結(jié)果存放到什么地方，通過哪個口輸入和輸出信息等。

　　存貯器又分為只讀存貯器和讀寫存貯器兩種，前者存放調(diào)試好的固定程序和常數(shù)，后者存放一些隨時有可能變動的數(shù)據(jù)。顧名思義，只讀存貯器一旦將數(shù)據(jù)存入，就只能讀出，不能更改（EPROM、E2PROM等類型的ROM可通過一定的方法來更改、寫入數(shù)據(jù)——編者注）。而讀寫存貯器可隨時存入或讀出數(shù)據(jù)。

　　實(shí)際上，人們往往把運(yùn)算器和控制器合并稱為中央處理單元——CPU。單片機(jī)除了進(jìn)行運(yùn)算外，還要完成控制功能。所以離不開計數(shù)和定時。因此，在單片機(jī)中就設(shè)置有定時器兼計數(shù)器，其基本結(jié)構(gòu)與本連載之（二）中的舉例類似。到這里為止，我們已經(jīng)知道了單片機(jī)的基本組成，即單片機(jī)是由中央處理器（即CPU中的運(yùn)算器和控制器）、只讀存貯器（通常表示為ROM）、讀寫存貯器（又稱隨機(jī)存貯器通常表示為RAM）、輸入/輸出口（又分為并行口和串行口，表示為I/O口）等等組成。實(shí)際上單片機(jī)里面還有一個時鐘電路，使單片機(jī)在進(jìn)行運(yùn)算和控制時，都能有節(jié)奏地進(jìn)行。另外，還有所謂的“中斷系統(tǒng)”，這個系統(tǒng)有“傳達(dá)室”的作用，當(dāng)單片機(jī)控制對象的參數(shù)到達(dá)某個需要加以干預(yù)的狀態(tài)時，就可經(jīng)此“傳達(dá)室”通報給CPU，使CPU根據(jù)外部事態(tài)的輕重緩急來采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)付措施。

　　現(xiàn)在，我們已經(jīng)知道了單片機(jī)的組成，余下的問題是如何將它們的各部分連接成相互關(guān)聯(lián)的整體呢？實(shí)際上，單片機(jī)內(nèi)部有一條將它們連接起來的“紐帶”，即所謂的“內(nèi)部總線”。此總線有如大城市的“干道”，而CPU、ROM、RAM、I/O口、中斷系統(tǒng)等就分布在此“總線”的兩旁，并和它連通。從而，一切指令、數(shù)據(jù)都可經(jīng)內(nèi)部總線傳送，有如大城市內(nèi)各種物品的傳送都經(jīng)過干道進(jìn)行。　

　

單片機(jī)指令系統(tǒng)與匯編語言程序

　　前面已經(jīng)講述了單片機(jī)的幾個主要組成部分，這些部分構(gòu)成了單片機(jī)的硬件。所謂硬件（Hardware），就是看得到，摸得到的實(shí)體。但是，光有這樣的硬件，還只是有了實(shí)現(xiàn)計算和控制功能的可能性。單片機(jī)要真正地能進(jìn)行計算和控制，還必須有軟件（Software）的配合。軟件主要指的是各種程序。只有將各種正確的程序“灌入”（存入）單片機(jī)，它才能有效地工作。單片機(jī)所以能自動地進(jìn)行運(yùn)算和控制，正是由于人把實(shí)現(xiàn)計算和控制的步驟一步步地用命令的形式，即一條條指令（Instruction）預(yù)先存入到存貯器中，單片機(jī)在CPU的控制下，將指令一條條地取出來，并加以翻譯和執(zhí)行。就以兩個數(shù)相加這一簡單的運(yùn)算來說，當(dāng)需要運(yùn)算的數(shù)已存入存貯器后，還需要進(jìn)行以下幾步：


　　第一步：把第一個數(shù)從它的存貯單元（Location）中取出來，送至運(yùn)算器。　　 第二步：把第二個數(shù)從它所在的存貯單元中取出來，送至運(yùn)算器； 第三步：相加； 第四步：把相加完的結(jié)果，送至存貯器中指定的單元。

　　 所有這些取數(shù)、送數(shù)、相加、存數(shù)等等都是一種操作（Operation），我們把要求計算機(jī)執(zhí)行的各種操作用命令的形式寫下來，這就是指令。但是怎樣才能辨別和執(zhí)行這些操作呢？這是在設(shè)計單片機(jī)時由設(shè)計人員賦予它的指令系統(tǒng)所決定的。一條指令，對應(yīng)著一種基本操作；單片機(jī)所能執(zhí)行的全部指令，就是該單片機(jī)的指令系統(tǒng)（Iustruction Set），不同種類的單片機(jī)，其指令系統(tǒng)亦不同。


　　使用單片機(jī)時，事先應(yīng)當(dāng)把要解決的問題編成一系列指令。這些指令必須是選定的單片機(jī)能識別和執(zhí)行的指令。單片機(jī)用戶為解決自己的問題所編的指令程序，稱為源程序（Source Program）。指令通常分為操作碼（Opcode）和操作數(shù)（Operand）兩大部分。操作碼表示計算機(jī)執(zhí)行什么操作，即指令的功能；操作數(shù)表示參加操作的數(shù)或操作數(shù)所在的地址（即操作數(shù)所存放的地方編號）。因?yàn)閱纹瑱C(jī)是一種可編程器件，只“認(rèn)得”二進(jìn)碼（0、1）。要單片機(jī)運(yùn)作，單片機(jī)系統(tǒng)中的所有指令，都必須以二進(jìn)制編碼的形式來表示。例如，在Intel公司的MCS－51系列單片機(jī)中，從存貯器中取出一數(shù)到CPU中的累加器（在運(yùn)算器中，參與運(yùn)算、存放運(yùn)算結(jié)果的專用寄存器）的指令代碼為74H，累加器內(nèi)容加立即數(shù)的代碼為24H，再加上立即數(shù)代碼，累加器送數(shù)到內(nèi)部RAM存貯器的代碼為F6H～F7H等。這些指令是用十六進(jìn)制表示二進(jìn)制的機(jī)器碼。

　　MCS－51單片機(jī)的字長為8位，有時，要完成某些操作用一個字節(jié)尚不能充分表達(dá)。所以，在指令系統(tǒng)中有單字節(jié)指令，也有多字節(jié)指令。機(jī)器碼是由一連串的0和1組成，沒有明顯的特征，不好記憶，不易理解，易出錯。所以，直接用它來編寫程序十分困難。因而，人們就用一些助記符（Mue monic）——通常是指令功能的英文縮寫來代替操作碼，如MCS－51中數(shù)的傳送常用MOV（Move的縮寫）、加法用Add(Addition的縮寫）來作為助記符。這樣，每條指令有明顯的動作特征，易于記憶和理解，也不容易出錯。用助記符來編寫的程序稱為匯編語言程序。但是，助記符編寫的程序便于人理解，可單片機(jī)卻只認(rèn)識二進(jìn)制機(jī)器代碼，因此，為了讓單片機(jī)能“讀懂”匯編語言程序必須再轉(zhuǎn)換成由二進(jìn)制機(jī)器碼構(gòu)成的程序，這種轉(zhuǎn)換過程，就稱為“匯編”。匯編可借助于人工查表法來實(shí)現(xiàn)，也可借助PC機(jī)通過所謂“交叉匯編程序”來完成。由機(jī)器碼構(gòu)成的用戶程序一旦“進(jìn)入”了單片機(jī)，再“啟動”單片機(jī)，就可讓它執(zhí)行輸入程序所規(guī)定的任務(wù)。

MCU--51 CPU和存儲器

單片機(jī)8051的CPU由運(yùn)算器和控制器組成。

　　一、運(yùn)算器　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　運(yùn)算器以完成二進(jìn)制的算術(shù)/邏輯運(yùn)算部件ALU為核心，再加上暫存器TMP、累加器ACC、寄存器B、程序狀態(tài)標(biāo)志寄存器PSW及布爾處理器。累加器ACC是一個八位寄存器，它是CPU中工作最頻繁的寄存器。在進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算時，累加器ACC往往在運(yùn)算前暫存一個操作數(shù)（如被加數(shù)），而運(yùn)算后又保存其結(jié)果（如代數(shù)和）。寄存器B主要用于乘法和除法操作。標(biāo)志寄存器PSW也是一個八位寄存器，用來存放運(yùn)算結(jié)果的一些特征，如有無進(jìn)位、借位等。其每位的具體含意如下所示。PSW CY AC FO RS1 RS0 OV － P對用戶來講，最關(guān)心的是以下四位。

　 1�边M(jìn)位標(biāo)志CY（PSW��7）。它表示了運(yùn)算是否有進(jìn)位（或借位）。如果操作結(jié)果在最高位有進(jìn)位（加法）或者借位（減法），則該位為1，否則為0。

　 2�陛o助進(jìn)位標(biāo)志AC。又稱半進(jìn)位標(biāo)志，它反映了兩個八位數(shù)運(yùn)算低四位是否有半進(jìn)位，即低四位相加（或減）有否進(jìn)位（或借位），如有則AC為1狀態(tài)，否則為0。

　 3�币绯鰳�(biāo)志位OV。MCS－51反映帶符號數(shù)的運(yùn)算結(jié)果是否有溢出，有溢出時，此位為1，否則為0。

　 4�逼媾紭�(biāo)志P。反映累加器ACC內(nèi)容的奇偶性，如果ACC中的運(yùn)算結(jié)果有偶數(shù)個1（如11001100B，其中有4個1），則P為0，否則，P=1。
PSW的其它位，將在以后再介紹。由于PSW存放程序執(zhí)行中的狀態(tài)，故又叫程序狀態(tài)字?運(yùn)算器中還有一個按位（bit）進(jìn)行邏輯運(yùn)算的邏輯處理機(jī)（又稱布爾處理機(jī)）。其功能在介紹位指令時再說明。

二、控制器

　　控制器是CPU的神經(jīng)中樞，它包括定時控制邏輯電路、指令寄存器、譯碼器、地址指針DPTR及程序計數(shù)器PC、堆棧指針SP等。這里程序計數(shù)器PC是由16位寄存器構(gòu)成的計數(shù)器。要單片機(jī)執(zhí)行一個程序，就必須把該程序按順序預(yù)先裝入存儲器ROM的某個區(qū)域。單片機(jī)動作時應(yīng)按順序一條條取出指令來加以執(zhí)行。因此，必須有一個電路能找出指令所在的單元地址，該電路就是程序計數(shù)器PC。當(dāng)單片機(jī)開始執(zhí)行程序時，給PC裝入第一條指令所在地址，它每取出一條指令（如為多字節(jié)指令，則每取出一個指令字節(jié)），PC的內(nèi)容就自動加1，以指向下一條指令的地址，使指令能順序執(zhí)行。只有當(dāng)程序遇到轉(zhuǎn)移指令、子程序調(diào)用指令，或遇到中斷時（后面將介紹），PC才轉(zhuǎn)到所需要的地方去。8051 CPU碢C指定的地址，從ROM相應(yīng)單元中取出指令字節(jié)放在指令寄存器中寄存，然后，指令寄存器中的指令代碼被譯碼器譯成各種形式的控制信號，這些信號與單片機(jī)時鐘振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖在定時與控制電路中相結(jié)合，形成按一定時間節(jié)拍變化的電平和時鐘，即所謂控制信息，在CPU內(nèi)部協(xié)調(diào)寄存器之間的數(shù)據(jù)傳輸、運(yùn)算等操作。

三、存儲器

　　存儲器是單片機(jī)的又一個重要組成部分，圖6給出了一種存儲容量為256個單元的存儲器結(jié)構(gòu)示意圖。其中每個存儲單元對應(yīng)一個地址，256個單元共有256個地址，用兩位16進(jìn)制數(shù)表示，即存儲器的地址（00H～FFH）。存儲器中每個存儲單元可存放一個八位二進(jìn)制信息，通常用兩位16進(jìn)制數(shù)來表示，這就是存儲器的內(nèi)容。存儲器的存儲單元地址和存儲單元的內(nèi)容是不同的兩個概念，不能混淆。

一、程序存儲器
　　程序是控制計算機(jī)動作的一系列命令，單片機(jī)只認(rèn)識由“0”和“1”代碼構(gòu)成的機(jī)器指令。如前述用助記符編寫的命令MOV A，＃20H，換成機(jī)器認(rèn)識的代碼74H、20H：（寫成二進(jìn)制就是01110100B和00100000B）。在單片機(jī)處理問題之前必須事先將編好的程序、表格、常數(shù)匯編成機(jī)器代碼后存入單片機(jī)的存儲器中，該存儲器稱為程序存儲器。程序存儲器可以放在片內(nèi)或片外，亦可片內(nèi)片外同時設(shè)置。由于PC程序計數(shù)器為16位，使得程序存儲器可用16位二進(jìn)制地址，因此，內(nèi)外存儲器的地址最大可從0000H到FFFFH。8051內(nèi)部有4k字節(jié)的ROM，就占用了由0000H～0FFFH的最低4k個字節(jié)，這時片外擴(kuò)充的程序存儲器地址編號應(yīng)由1000H開始，如果將8051當(dāng)做8031使用，不想利用片內(nèi)4kROM，全用片外存儲器，則地址編號仍可由0000H開始。不過，這時應(yīng)使8051的第{31}腳（即EA腳）保持低電平。當(dāng)EA為高電平時，用戶在0000H至0FFFH范圍內(nèi)使用內(nèi)部ROM，大于0FFFH后，單片機(jī)CPU自動訪問外部程序存儲器。

二、數(shù)據(jù)存儲器

　　單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲器由讀寫存儲器RAM組成。其最大容量可擴(kuò)展到64k，用于存儲實(shí)時輸入的數(shù)據(jù)。8051內(nèi)部有256個單元的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，其中00H～7FH為內(nèi)部隨機(jī)存儲器RAM，80H～FFH為專用寄存器區(qū)。實(shí)際使用時應(yīng)首先充分利用內(nèi)部存儲器，從使用角度講，搞清內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的結(jié)構(gòu)和地址分配是十分重要的。因?yàn)閷�來在學(xué)習(xí)指令系統(tǒng)和程序設(shè)計時會經(jīng)常用到它們。8051內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器地址由00H至FFH共有256個字節(jié)的地址空間，該空間被分為兩部分，其中內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM的地址為00H～7FH（即0～127）。而用做特殊功能寄存器的地址為80H～FFH。在此256個字節(jié)中，還開辟有一個所謂“位地址”區(qū)，該區(qū)域內(nèi)不但可按字節(jié)尋址，還可按“位（bit）”尋址。對于那些需要進(jìn)行位操作的數(shù)據(jù)，可以存放到這個區(qū)域。從00H到1FH安排了四組工作寄存器，每組占用8個RAM字節(jié)，記為R0～R7。究竟選用那一組寄存器，由前述標(biāo)志寄存器中的RS1和RS0來選用。在這兩位上放入不同的二進(jìn)制數(shù)，即可選用不同的寄存器組，如附表1所示。

三、特殊功能寄存器

　　特殊功能寄存器（SFR）的地址范圍為80H～FFH。在MCS－51中，除程序計數(shù)器PC和四個工作寄存器區(qū)外，其余21個特殊功能寄存器都在這SFR塊中。其中5個是雙字節(jié)寄存器，它們共占用了26個字節(jié)。各特殊功能寄存器的符號和地址見附表2。其中帶＊號的可位尋址。特殊功能寄存器反映了8051的狀態(tài)，實(shí)際上是8051的狀態(tài)字及控制字寄存器。用于CPU PSW便是典型一例。這些特殊功能寄存器大體上分為兩類，一類與芯片的引腳有關(guān)，另一類作片內(nèi)功能的控制用。與芯片引腳有關(guān)的特殊功能寄存器是P0～P3，它們實(shí)際上是4個八位鎖存器（每個I/O口一個），每個鎖存器附加有相應(yīng)的輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器就構(gòu)成了一個并行口。MCS－51共有P0～P3四個這樣的并行口，可提供32根I/O線，每根線都是雙向的，并且大都有第二功能。其余用于芯片控制的寄存器中，累加器A、標(biāo)志寄存器PSW、數(shù)據(jù)指針DPTR等的功能前已提及，而另一些寄存器的功能在后面有關(guān)部分再作進(jìn)一步介紹

單片機(jī)的指令系統(tǒng)和尋址方式
單片機(jī)要正常運(yùn)作，事先需編制程序，再把程序放入存貯器中，然后由CPU執(zhí)行該程序。程序是由指令組成的，指令的基本組成是操作碼和操作數(shù)。單片機(jī)的品種很多，設(shè)計時怎樣表示操作碼和操作數(shù)，都有各自的規(guī)定，再有指令代碼也各不相同，因此，必須對所選單片機(jī)的全部指令，也就是所謂“指令系統(tǒng)”，有足夠的了解。各個系列的單片機(jī)雖然有不同的指令系統(tǒng)，但也有其共同性。掌握一種單片機(jī)的指令系統(tǒng)，對其它系列單片機(jī)可以起到觸類旁通的作用。MCS－51單片機(jī)應(yīng)用廣泛，派生品種多，具有代表性，所以，這里以MCS－51系列的指令系統(tǒng)為例說明“指令”的組成和應(yīng)用。

1、MOV A，＃20H
　　這條指令表示把20H這個數(shù)送入累加器A中（一個特殊功能寄存器）。


2、ADD A，70H
　　這條指令表示把累加器A中的內(nèi)容（在上例中送入的＃20H）和存貯器中地址為70H單元中的內(nèi)容（也是一個數(shù)字），通過算術(shù)邏輯單元（英文縮寫為ALU）相加，并將結(jié)果保留在A中。這里MOV、ADD等稱為操作碼，而A、＃20H、70H等均稱為操作數(shù)。在匯編語言程序中，操作碼通常由英文單詞縮寫而成，這樣有助于記憶，所以又稱助記符。如MOV就是英文單詞MOVE的縮寫，含有搬移的意思；而ADD即為英文單詞，其意為相加。因此，對于略懂英語的用戶，掌握單片機(jī)指令的含意是較為方便的。操作數(shù)有多種表示法，如以上的＃20H稱為立即數(shù)，即20H就是真正的操作數(shù)。而70H是存貯器中某個單元的地址，在該單元中，放著操作數(shù)（比如說是3AH），ADD A，70H不是將70H和A中的內(nèi)容相加，而是從存貯器70H單元中將3AH取出和A中的內(nèi)容相加。由上可知，要找到實(shí)際操作數(shù)，有時就要轉(zhuǎn)個彎，甚至轉(zhuǎn)幾個彎，這個過程稱為尋址，MCS－51共有7種尋址方式，現(xiàn)介紹如下：


一、立即尋址：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　操作數(shù)就寫在指令中，和操作碼一起放在程序存貯器中。把“＃”號放在立即數(shù)前面，以表示該尋址方式為立即尋址，如＃20H。


二、寄存器尋址：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　操作數(shù)放在寄存器中，在指令中直接以寄存器的名字來表示操作數(shù)的地址。例如MOV A，R0就屬于寄存器尋址，即將R0寄存器的內(nèi)容送到累加器A中。


三、直接尋址：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　操作數(shù)放在單片機(jī)的內(nèi)部RAM某單元中，在指令中直接寫出該單元的地址。如前例的ADD A，70H中的70H。