MCS-51單片機底層工作原理分析1

首先，我們分析一下單片機（一般處理器）的大致工作原理吧。我們都學(xué)過簡單的加法電路，計數(shù)電路，存儲器讀寫電路和其它具有特定功能的時序電路，這些都是數(shù)字電路的時序電路課程中的簡單的應(yīng)用，我們可以把單片機理解為由這些基本時序電路組合而成的較為復(fù)雜的數(shù)字電路。在正常程序執(zhí)行流程下，單片機在時鐘時序的推動下PC自動計數(shù)，控制器根據(jù)PC值從程序存儲器ROM中讀取程序代碼（一條指令的存儲空間有可能占用一個字節(jié)，也有可能占用兩個字節(jié)，最多占用三個字節(jié)），經(jīng)過程序代碼譯碼后可以得到具體的操作方式（如MOV操作）和操作數(shù)（如RO,R1）。

其次，我們理解一下指令系統(tǒng)。我們可以把單片機的一條指令理解為單片機支持的可執(zhí)行的一個小流程，當(dāng)然這個流程是需要單片機內(nèi)部工藝和硬件的支持的（所以一般單片機指令系統(tǒng)的指令都是有限的，如51單片機支持111條指令）。我們可以理解成一個系列的單片機指令越多（當(dāng)然這里指的指令都是有意義的指令），單片機運行就會越靈活越高效，當(dāng)然這對單片機內(nèi)部處理器硬件要求也越高，這也是制約單片機高效處理的因素之一，不過當(dāng)下一些高端的單片機系列如ARM系列單片機在指令系統(tǒng)方面已經(jīng)非常高效。

我們都知道存儲指令是需要存儲空間的，也就是內(nèi)部ROM，執(zhí)行指令需要執(zhí)行時間，也就是指令周期。對于51單片機中的111條指令最多占用三個字節(jié)的存儲空間，指令最大的程序執(zhí)行周期是四個時鐘周期（即乘法和除法指令）。這里的存儲空間指的是匯編代碼匯編成機器碼后，機器碼占用的存儲空間。這里我們或許會思考，一條機器語言必須要包含足夠的信息，單片機才能夠根據(jù)指令運行程序。如MOV ACC #0xff 對于這條語句必須占用兩個以上字節(jié)，因為數(shù)據(jù)“0xff”占用一個字節(jié)，還需要存儲操作方式MOV和ACC兩個信息。但是如果要對一個地址如0xffff賦一個0xffff的值，那這樣理解不是要至少占用5個字節(jié)（4個字節(jié)分別存儲操作地址和操作數(shù)，1個字節(jié)存儲操作方式）?？赡艽髱焸円幌驴闯隽藛栴}所在，不過當(dāng)初我就是有這么思考過。結(jié)合51指令系統(tǒng)根本沒有直接進行將一個16位數(shù)賦值給一個16位地址的指令（我承認(rèn)當(dāng)時我想多了），這需要由很多指令組合完成操作，那內(nèi)部存儲方式也就是很多指令一起的存儲方式了（可能遠不止5個字節(jié)）。這也是指令系統(tǒng)的微妙之處，他既要考慮存儲空間，也要考慮執(zhí)行周期，同時還要考慮指令功能的全面性。

在51系列單片機中指令中一個周期是可以同時讀取兩個字節(jié)的代碼，這相對一個周期讀取一個字節(jié)的方式來說一定程度上也減少了雙字節(jié)指令的執(zhí)行周期。由于讀取三字節(jié)的指令至少占用兩個周期，所以三字節(jié)指令執(zhí)行周期必須是兩個周期及以上。

以上是各個指令對應(yīng)的匯編指令碼，機器碼和機器執(zhí)行周期，有助于理解指令的細節(jié)。

對于指令系統(tǒng)中不同指令是有不同的尋址方式的，這是單片機內(nèi)部對數(shù)據(jù)處理的一套機制，任何其他操作都是建立在這套機制之上的。所以對指令系統(tǒng)的理解有助于對單片機內(nèi)部的細節(jié)工作過程的理解和運用。