基于仿真技术的MCS―51单片机相对寻址问题的探讨

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摘 要：文章利用仿真软件对mcs-51单片机指令中的相对寻址方式中偏移量的形成做了分析，就汇编指令中相对寻址指令中的‘rel’的本质通过Protues和伟福软件仿真进行了探求。经过仿真软件验证，指出相对寻址指令中的‘rel’在汇编指令中为目的地址，和机器代码中的实际偏移量并非为同一数值。

关键词：MCS-51单片机；相对寻址；偏移量；汇编语言；机器码

【中图分类号】G640

1 前言

MCS-51系列单片机作为经典的单片机应用十分广泛，其指令总共有111条。其指令中对操作数的寻址方式有7种，分别为立即数寻址、直接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、变址寻址、相对寻址和位寻址[1-4，5～8]。在学习相对寻址的内容和有关相对寻址的指令时，许多初学者会对于偏移量的值和跳转目的地址的值混淆不清，产生疑惑和不解。许多教材对此问题的解释也不一致，甚至有错误，这加深了初学者的困惑和理解错误。仿真技术在电子电路设计中得到了广泛的应用，利用Protues、伟福软件等可以很直观的展示程序的执行过程。为了揭示相对寻址的本质，本文将利用Protues仿真软件和伟福软件的仿真功能对相对寻址进行剖析。

2 相对寻址执行过程的探讨

相对寻址方式是为了程序的相对转移而设计的，其过程是以当前PC的内容为基址，加偏移量作为转移地址，从而实现程序的转移。转移的目的地址取决于表达式：目的地址=转移指令地址+转移指令字节数+偏移量。需要注意的是，偏移量是有正负号之分的，偏移量的取值范围是当前PC值的-128～+127之间。该表达式应这样理解：在执行转移指令语句时，PC的内容是转移指令的下一条指令的地址值，该地址值加上要偏移的地址字节数形成新目的地址，然后程序跳转到新的目的地址，其中要偏移的地址字节数为8位有符号数二进制数，即偏移量在-128～+127之内。那么这个偏移量是如何得到的呢？在许多教材和文章中均以rel作为相对寻址的标志，这些教材和文章对相对寻址的解释都很相似，其解释为：以程序计数器PC的当前值为基址，加上汇编指令中给出的相对偏移量rel，形成新的PC值，即跳转目的地址，相对偏移量rel为一字节补码数，其表示范围为-128～+127[1-8]。举例来说明此问题，如下面的汇编语言程序语句：

ORG 0200H

MOV A，#36 ；双字节指令

JNZ 30H ；双字节指令

按这些教材和文章中的解释，执行指令JNZ 08H时PC值变为0202H+2，30H就是相对偏移量，该指令执行后程序应该跳转到目的地址=0202H（转移指令地址）+2（转移指令JZ的字节数）+30H（偏移量）=0232H上。事实上这种解释是错误的，该跳转指令执行后程序不会跳转到计算出的目的地址上去。笔者认为应该是：进行相对寻址时，确实是以PC的当前值作为基址，加上相对偏移量形成新的目的地址，但是在汇编指令中并不能直接看出相对偏移量，这个偏移量体现在机器码中；而汇编指令中的rel，不管是数值形式还是符号形式只能是目的地址值，且其距离在当前PC值-128～+127的范围内。

3相对寻址执行过程的Protues仿真验证

为了看清楚相对转移指令的偏移量值的本质，以一段程序在Protues仿真软件下来观察其跳转过程，验证程序及其各指令占用地址如下：

ORG 0000H

0000H MOV A，#1

0002H JNZ 08H

0004H SJMP $

ORG 0008H

0008H INC A

0009H MOV B，#2

000CH SUBB A，B

000EH SJMP $

END

将程序加载到Protues仿真软件中放的80C51单片机中，经编译后执行调试，调出程序代码窗口，按F11键单步调试操作来观察程序的跳转情况。程序首句给A赋值为1，如果按照rel为偏移量的解释，那么执行指令JNZ A，08H时，当前PC值为0004H，加上偏移量08H，那么目的地址就应该000CH，单步操作是程序将跳转到SUBB A，B指令上。Protues仿真结果如图1所示。

从图中可以看出，在执行了相对转移指令后，程序并没有跳转到地址000CH上，而是跳到了地址0008H。说明了执行有关相对寻址指令时，指令中的rel并不是真正的偏移量，而是程序跳转的目的地址，当然该rel完全可以用标号来代替，因为标号可以代替绝对地址。

比如，将上例中的0008H用标号AA来代替，那么仿真结果如图2所示。

从上面仿真过程可以看出，执行相对转移指令时，教材中所说指令中的rel并非是偏移量，那么这个偏移量在哪儿呢？

4 相对转移指令的机器码

因为Protues软件下无法查看程序的机器代码，为了能够观察到前面程序的机器代码，对前面程序段在伟福软件下进行编译，来对其机器代码进行观察，其机器代码如图3所示。可以看出JNZ 08H对应的机器码为7004H，其中70H为操作码，04H为偏移量。这个04H是如何得出的呢？其实偏移量等于跳转的目的地址减去当前PC值。此例中，执行JNZ 08H时PC为下一条指令地址，即SJMP $的地址0004H，目的地址为0008H，偏移量=0008H-0004H=0004H。所以执行程序JNZ A，08H时，程序跳转到了目的地址为0008H的语句。

图3 程序的机器代码

由以上分析与仿真结果可知，在相对转移指令中，偏移量rel是体现在机器码中，并非直接体现在汇编指令中。在机器码中的偏移量不能直接拿来作为汇编指令中的偏移量，而汇编语言指令中的rel只能是跳转的目的地址。

5结论

MCS-51单片机的相对寻址的汇编指令中，操作数rel不是真正的偏移量，而是跳转的目的地址，该地址可以以数值或目的地址标号的形式给出，但其范围不能超过当前PC值-128～+127的范围。真正的偏移量体现在机器码中，对机器码而言，目的地址=当前的PC值+机器码中的偏移量，当前的PC值是跳转指令下一条指令的首地址。也就是说，汇编语言经编译软件编译时，将计算出的实际偏移量写入机器码中。所以机器码中的偏移量和汇编指令中的rel并不是同一个值。

参考文献：

[1] 高玉芹. 单片机原理与应用及C51编程技术.北京：机械工业出版社，2011.6

[2] 牛昱光，等.单片机原理与接口技术.北京：电子工业出版社， 2008.2

[3] 郭文川. 单片机原理与接口技术. 北京：中国农业出版社，2007.8

[4] 姜志海，等. 单片机原理及应用. 北京：电子工业出版社，2005