MCS-51單片機(jī)底層工作原理分析1

首先，我們分析一下單片機(jī)（一般處理器）的大致工作原理吧。我們都學(xué)過簡(jiǎn)單的加法電路，計(jì)數(shù)電路，存儲(chǔ)器讀寫電路和其它具有特定功能的時(shí)序電路，這些都是數(shù)字電路的時(shí)序電路課程中的簡(jiǎn)單的應(yīng)用，我們可以把單片機(jī)理解為由這些基本時(shí)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(jī)在時(shí)鐘時(shí)序的推動(dòng)下PC自動(dòng)計(jì)數(shù)，控制器根據(jù)PC值從程序存儲(chǔ)器ROM中讀取程序代碼（一條指令的存儲(chǔ)空間有可能占用一個(gè)字節(jié)，也有可能占用兩個(gè)字節(jié)，最多占用三個(gè)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(jī)的一條指令理解為單片機(jī)支持的可執(zhí)行的一個(gè)小流程，當(dāng)然這個(gè)流程是需要單片機(jī)內(nèi)部工藝和硬件的支持的（所以一般單片機(jī)指令系統(tǒng)的指令都是有限的，如51單片機(jī)支持111條指令）。我們可以理解成一個(gè)系列的單片機(jī)指令越多（當(dāng)然這里指的指令都是有意義的指令），單片機(jī)運(yùn)行就會(huì)越靈活越高效，當(dāng)然這對(duì)單片機(jī)內(nèi)部處理器硬件要求也越高，這也是制約單片機(jī)高效處理的因素之一，不過當(dāng)下一些高端的單片機(jī)系列如ARM系列單片機(jī)在指令系統(tǒng)方面已經(jīng)非常高效。

我們都知道存儲(chǔ)指令是需要存儲(chǔ)空間的，也就是內(nèi)部ROM，執(zhí)行指令需要執(zhí)行時(shí)間，也就是指令周期。對(duì)于51單片機(jī)中的111條指令最多占用三個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間，指令最大的程序執(zhí)行周期是四個(gè)時(shí)鐘周期（即乘法和除法指令）。這里的存儲(chǔ)空間指的是匯編代碼匯編成機(jī)器碼后，機(jī)器碼占用的存儲(chǔ)空間。這里我們或許會(huì)思考，一條機(jī)器語言必須要包含足夠的信息，單片機(jī)才能夠根據(jù)指令運(yùn)行程序。如MOV ACC #0xff 對(duì)于這條語句必須占用兩個(gè)以上字節(jié)，因?yàn)閿?shù)據(jù)“0xff”占用一個(gè)字節(jié)，還需要存儲(chǔ)操作方式MOV和ACC兩個(gè)信息。但是如果要對(duì)一個(gè)地址如0xffff賦一個(gè)0xffff的值，那這樣理解不是要至少占用5個(gè)字節(jié)（4個(gè)字節(jié)分別存儲(chǔ)操作地址和操作數(shù)，1個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)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(jìn)行將一個(gè)16位數(shù)賦值給一個(gè)16位地址的指令（我承認(rèn)當(dāng)時(shí)我想多了），這需要由很多指令組合完成操作，那內(nèi)部存儲(chǔ)方式也就是很多指令一起的存儲(chǔ)方式了（可能遠(yuǎn)不止5個(gè)字節(jié)）。這也是指令系統(tǒng)的微妙之處，他既要考慮存儲(chǔ)空間，也要考慮執(zhí)行周期，同時(shí)還要考慮指令功能的全面性。

在51系列單片機(jī)中指令中一個(gè)周期是可以同時(shí)讀取兩個(gè)字節(jié)的代碼，這相對(duì)一個(gè)周期讀取一個(gè)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(gè)周期，所以三字節(jié)指令執(zhí)行周期必須是兩個(gè)周期及以上。

以上是各個(gè)指令對(duì)應(yīng)的匯編指令碼，機(jī)器碼和機(jī)器執(zhí)行周期，有助于理解指令的細(xì)節(jié)。

對(duì)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(jī)內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)處理的一套機(jī)制，任何其他操作都是建立在這套機(jī)制之上的。所以對(duì)指令系統(tǒng)的理解有助于對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的細(xì)節(jié)工作過程的理解和運(yùn)用。