單片機(jī)課堂中抽象指令具體化的教學(xué)方法探究

朱娟，岳曉峰，張煒，唐新星

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春，130021）

0 引言

單片機(jī)課程主要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)單片機(jī)的原理的理解及編程應(yīng)用，其中單片機(jī)指令系統(tǒng)是編程過程中極其重要的內(nèi)容，學(xué)生對(duì)單片機(jī)指令的理解需要透徹，準(zhǔn)確，這里的學(xué)習(xí)如果模棱兩可將嚴(yán)重影響學(xué)生后期對(duì)單片機(jī)的使用，所以對(duì)單片機(jī)指令系統(tǒng)的教學(xué)十分重要。為了提高單片機(jī)指令系統(tǒng)的教學(xué)方法，提出抽象指令到具體實(shí)物理解的教學(xué)方法。

MCS-51 單片機(jī)匯編指令共有111 條。包括數(shù)據(jù)傳送類指令28 條，算術(shù)運(yùn)算類指令24 條，邏輯運(yùn)算類指令25 條，控制轉(zhuǎn)移類指令17 條，位及布爾操作類指令17 條，在進(jìn)行指令講解時(shí)，要將清楚單片機(jī)的尋址方式，和指令的執(zhí)行過程。一般的單片機(jī)教材將單片機(jī)的運(yùn)算其、控制器、存儲(chǔ)器等硬件資源安排在一章，指令系統(tǒng)安排在另一章，而兩章之間有密切的聯(lián)系，但是在教材中沒有以語(yǔ)言、數(shù)據(jù)的形式描述，學(xué)生在讀教材的時(shí)候，很難理解其中的工作機(jī)理。

這就要求教師在講解的時(shí)候?qū)⒉煌恼鹿?jié)有機(jī)的融合起來，將指令所對(duì)應(yīng)的硬件運(yùn)行機(jī)理講解清楚，讓學(xué)生體驗(yàn)到具體的運(yùn)行過程。

1 具體存儲(chǔ)器盒子設(shè)計(jì)過程

單片機(jī)指令是針對(duì)單片機(jī)中的寄存器和RAM、ROM 等進(jìn)行操作的，因此關(guān)于RAM 和ROM 的知識(shí)要融合到指令講解過程中，而在51 單片機(jī)中，片內(nèi)RAM 和特殊功能寄存器SFR 的使用頻率尤其高，在教材中，一般低128 字節(jié)片內(nèi)RAM 用圖1 來表示。后面附上若干表格，對(duì)圖中的各個(gè)空間進(jìn)一步描述。

圖1 低128 字節(jié)片內(nèi)RAM 的地址空間結(jié)構(gòu)

因此為片內(nèi)RAM 和特殊功能寄存器SFR 設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器盒子，并由學(xué)生完成盒子的制作過程，片內(nèi)RAM 地址從00H-7FH 共需128 個(gè)盒子，每8 個(gè)盒子排成一排，合計(jì)排成16 排，由學(xué)生對(duì)盒子進(jìn)行擺位，排序并為每個(gè)盒子貼上字節(jié)地址標(biāo)簽。

接下來，根據(jù)為不同功能的盒子做不同的處理，其中，第一排00H-07H 分別對(duì)應(yīng)R0-R7，第二排從08H-0FH 也分別對(duì)應(yīng)R0-R7，第三排和第四排同上。為他們?cè)俅钨N上其寄存器名稱。經(jīng)過這個(gè)步驟，細(xì)心的學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)，不同的盒子竟然會(huì)有相同的名稱，那么怎么用名稱來區(qū)分不同的盒子呢？這時(shí)，將程序狀態(tài)字寄存器的RS1，RS0 兩個(gè)位進(jìn)行講解，當(dāng)RS1=0，RS0=0 時(shí)，第一組寄存器工作，當(dāng)RS1=0，RS0=1 時(shí)，第二組寄存器工作，當(dāng)RS1=1，RS0=0 時(shí)，第三組寄存器工作，當(dāng)RS1=1，RS0=1 時(shí)，第四組寄存器工作。此時(shí)的盒子邊上帶有條件，如圖3 所示。

圖2 部分指令盒子的制作效果

圖3 部分指令盒子的制作效果

接下來要設(shè)計(jì)支持位尋址的盒子，如果不支持位尋址，那么盒子中的內(nèi)容要8 位作為一個(gè)字節(jié)整體取出，支持位尋址的盒子中每一位可以單獨(dú)拿出來，將支持位尋址的盒子分成小盒子。在每一個(gè)小盒子中再次貼上位地址的標(biāo)簽，以字節(jié)地址是20H 的盒子為例。這里可以順其自然的講出來一個(gè)字節(jié)地址內(nèi)存放8 個(gè)位，一個(gè)位地址內(nèi)存放1 位，即要么‘0’，要么‘1’。

對(duì)于外部RAM 和ROM，其字節(jié)地址與片內(nèi)RAM不同，因?yàn)榭臻g大，所以需要的地址位數(shù)高，分別為0000H-FFFFH，這里只做部分存儲(chǔ)器盒子即可，盒子的制作過程類似。

一共制作256 個(gè)片內(nèi)RAM 盒子，一部分片外RAM 盒子和一部分ROM 盒子，將這些盒子分成三類，即片內(nèi)RAM類，外部RAM 類，ROM 類，通過存儲(chǔ)器盒子的制作過程，得出如下結(jié)論：在同一個(gè)類型中，不同的存儲(chǔ)器盒子具有不同的字節(jié)地址，不同的位具有不同的位地址，位地址和字節(jié)地址即使是相同的數(shù)代表的內(nèi)容也不同。在此基礎(chǔ)上，分析單片機(jī)匯編指令與存儲(chǔ)器盒子的關(guān)系。

2 單片機(jī)匯編指令與存儲(chǔ)器盒子的關(guān)系

■2.1 片內(nèi)RAM 中的數(shù)據(jù)傳送

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，即從哪個(gè)盒子提取內(nèi)容，將盒子里的內(nèi)容送到哪個(gè)盒子中去，如MOV A，R0 這條指令，假設(shè)RS1=0，RS0=0，將R0 的內(nèi)容取出，在這里進(jìn)行操作，取出盒子中的內(nèi)容，而不是撕下標(biāo)簽，盒子中的內(nèi)容是一個(gè)字節(jié)，或者說是8 位二進(jìn)制數(shù)，將這個(gè)內(nèi)容，（8 位二進(jìn)制數(shù)）送到標(biāo)簽為A 的盒子中。

從執(zhí)行過程中自然而然便會(huì)考慮，為什么從地址為00H 的盒子中取數(shù)，而不是從08H 或其他的R0 中取數(shù)，這里必須要查詢RS1 和RS0 的取值才能確定；R0 中的數(shù)原來不能單獨(dú)使用某一位，現(xiàn)在被轉(zhuǎn)移到ACC（或A）中，可以使用某一位了，因?yàn)锳CC 寄存器有位地址；找R0 寄存器時(shí)用寄存器的名稱進(jìn)行查找，不是用地址00H 查找的，所以叫寄存器尋址。如果語(yǔ)句改為MOV A，00H，那就是通過查找地址為00H 的盒子來取數(shù)，這就是直接尋址了。

MOV A，@R0，這條指令中有個(gè)符號(hào)@,那么R0 中存儲(chǔ)的內(nèi)容不是要傳送的內(nèi)容，而是一個(gè)地址，將這個(gè)地址所對(duì)應(yīng)的內(nèi)容傳送到A 中，假設(shè)RS1=1，RS2=0，相應(yīng)組R0中存儲(chǔ)的內(nèi)容是32H，則存儲(chǔ)器盒子的使用方法如圖6 所示，這里同時(shí)可以講清楚寄存器間接尋址的尋址方式。

另外片內(nèi)RAM 中有些盒子是有位地址的，這些位地址支持位運(yùn)算，以MOV 20H，C 為例，將程序狀態(tài)字寄存器PSW 中的進(jìn)位標(biāo)志位Cy 的值傳送到位地址為20H 的單元中，操作如圖7 所示。

匯編指令中，位尋址與直接尋址是極其容易混淆的兩種尋址方式，尤其是在字節(jié)地址為20H-2FH 的尋址空間中，地址就更加難以區(qū)分，通過存儲(chǔ)器盒子的轉(zhuǎn)移過程，可使學(xué)生更加清楚的了解位尋址的尋址方式。

■2.2 片內(nèi)RAM 與片外RAM 之間的數(shù)據(jù)傳送

以MOVX A，@DPTR 為例，這個(gè)指令實(shí)現(xiàn)兩個(gè)組的盒子之間的數(shù)據(jù)傳送，因此需要兩個(gè)組的盒子來進(jìn)行操作，從前面的內(nèi)容知道，@說明DPTR 中的內(nèi)容是一個(gè)地址，而MOVX 中的X 說明這個(gè)地址指向片外RAM 區(qū)，所以這條指令執(zhí)行時(shí)，需要在片外RAM 區(qū)找到相應(yīng)地址，提取內(nèi)容送到A 中，假設(shè)DPTR 中DPH 為03H，DPL 為25H，則執(zhí)行過程為找到片外RAM 地址為0325H 的指令盒子的內(nèi)容，將數(shù)據(jù)傳送到片內(nèi)A 中。

■2.3 ROM 數(shù)據(jù)及其傳送

ROM 與RAM 類似，也是若干盒子，每個(gè)盒子也有自己的標(biāo)簽，即地址，盒子中存儲(chǔ)的字節(jié)即8 位二進(jìn)制數(shù)表達(dá)的意義是程序，某一個(gè)字節(jié)所對(duì)應(yīng)的程序都是固定的，比如存儲(chǔ)E8H 表示要執(zhí)行匯編語(yǔ)言為MOV A,R0 的操作，稱E8H 是機(jī)器語(yǔ)言，是編程的時(shí)候不易閱讀的，也不需要記憶，但卻是在ROM中存儲(chǔ)的，因此ROM中的數(shù)據(jù)表示的是程序，如指令MOV A，@R0；代碼E7H，ROM 中的數(shù)據(jù)可以傳送到累加器A 中，如指令MOVC A，@A+DPTR,A 和DPTR 的和對(duì)應(yīng)地址，MOVC 中的C 表示ROM 區(qū)數(shù)據(jù)，所以可以將這個(gè)地址所對(duì)應(yīng)的ROM 數(shù)據(jù)傳送至累加器A 中，假設(shè)累加器A 中的內(nèi)容為03H，DPTR 值為1010H。執(zhí)行MOVC A，@A+DPTR 后，首先找到PC 指針為1010H+03H 及1013H處對(duì)應(yīng)的指令，將數(shù)據(jù)提取出來，轉(zhuǎn)移至A 中。

3 總結(jié)

通過存儲(chǔ)器盒子的制作，可以讓學(xué)生將抽象的單片機(jī)指令以非常直觀具體的方式操作出來，每條指令對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)器盒子的操作過程即是單片機(jī)指令內(nèi)部運(yùn)行的過程，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)指令系統(tǒng)有重要作用，這種邊學(xué)習(xí)邊操作的模式，提升了學(xué)生的動(dòng)手能力，激發(fā)了學(xué)生的探究意識(shí)，但本文只是以部分指令為例進(jìn)行論述，對(duì)于111 條單片機(jī)指令的學(xué)習(xí)還需要任課老師逐一帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)。