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（我承認當時我想多了），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。