51單片機存儲器結構

第十二課：51單片機存儲器結構

MCS-51單片機在物理結構上有四個存儲空間：
1、片內程序存儲器
2、片外程序存儲器
3、片內數據存儲器
4、片外數據存儲器
但在邏輯上，即從用戶的角度上，8051單片機有三個存儲空間：
1、片內外統一編址的64K的程序存儲器地址空間
2、256B的片內數據存儲器的地址空間
3、以及64K片外數據存儲器的地址空間
在訪問三個不同的邏輯空間時，應采用不同形式的指令（具體我們在后面的指令系統學習時將會講解），以產生不同的存儲器空間的選通信號。
下圖是8051單片機存儲器的空間結構圖

 

 程序存儲器
    一個微處理器能夠聰明地執行某種任務，除了它們強大的硬件外，還需要它們運行的軟件，其實微處理器並不聰明，它們只是完全按照人們預先編寫的程序而執行之。那么設計人員編寫的程序就存放在微處理器的程序存儲器中，俗稱只讀程序存儲器（ROM）。程序相當於給微處理器處理問題的一系列命令。其實程序和數據一樣，都是由機器碼組成的代碼串。只是程序代碼則存放於程序存儲器中。
    MCS-51具有64kB程序存儲器尋址空間，它是用於存放用戶程序、數據和表格等信息。對於內部無ROM的8031單片機，它的程序存儲器必須外接，空間地址為64kB，此時單片機的端必須接地。強制CPU從外部程序存儲器讀取程序。對於內部有ROM的8051等單片機，正常運行時，則需接高電平，使CPU先從內部的程序存儲中讀取程序，當PC值超過內部ROM的容量時，才會轉向外部的程序存儲器讀取程序。
    當=1時，程序從片內ROM開始執行，當PC值超過片內ROM容量時會自動轉向外部ROM空間。
    當=0時，程序從外部存儲器開始執行，例如前面提到的片內無ROM的8031單片機，在實際應用中就要把8031的引腳接為低電平。
    8051片內有4kB的程序存儲單元，其地址為0000H—0FFFH，單片機啟動復位后，程序計數器的內容為0000H，所以系統將從0000H單元開始執行程序。但在程序存儲中有些特殊的單元，這在使用中應加以注意：
    其中一組特殊是0000H—0002H單元，系統復位后，PC為0000H，單片機從0000H單元開始執行程序，如果程序不是從0000H單元開始，則應在這三個單元中存放一條無條件轉移指令，讓CPU直接去執行用戶指定的程序。
    另一組特殊單元是0003H—002AH，這40個單元各有用途，它們被均勻地分為五段，它們的定義如下：
     0003H—000AH  外部中斷0中斷地址區。
     000BH—0012H  定時/計數器0中斷地址區。
     0013H—001AH  外部中斷1中斷地址區。
     001BH—0022H  定時/計數器1中斷地址區。
     0023H—002AH  串行中斷地址區。
    可見以上的40個單元是專門用於存放中斷處理程序的地址單元，中斷響應后，按中斷的類型，自動轉到各自的中斷區去執行程序。從上面可以看出，每個中斷服務程序只有8個字節單元，用8個字節來存放一個中斷服務程序顯然是不可能的。因此以上地址單元不能用於存放程序的其他內容，只能存放中斷服務程序。但是通常情況下，我們是在中斷響應的地址區安放一條無條件轉移指令，指向程序存儲器的其它真正存放中斷服務程序的空間去執行,這樣中斷響應后，CPU讀到這條轉移指令，便轉向其他地方去繼續執行中斷服務程序。

下圖是ROM的地址分配圖：

 

從上圖中大家可以看到，0000H-0002H，只有三個存儲單元，3個存儲單元在我們的程序存放時是存放不了實際意義的程序的，通常我們在實際編寫程序時是在這里安排一條ORG指令，通過ORG指令跳轉到從0033H開始的用戶ROM區域，再來安排我們的程序語言。從0033開始的用戶ROM區域用戶可以通過ORG指令任意安排，但在應用中應注意，不要超過了實際的存儲空間，不然程序就會找不到。

 數據存儲器
    數據存儲器也稱為隨機存取數據存儲器。數據存儲器分為內部數據存儲和外部數據存儲。MCS-51內部RAM有128或256個字節的用戶數據存儲（不同的型號有分別），片外最多可擴展64KB的RAM，構成兩個地址空間，訪問片內RAM用“MOV”指令，訪問片外RAM用“MOVX”指令。它們是用於存放執行的中間結果和過程數據的。MCS-51的數據存儲器均可讀寫，部分單元還可以位尋址。
    MCS-51單片機的內部數據存儲器在物理上和邏輯上都分為兩個地址空間，即：
數據存儲器空間（低128單元）；
特殊功能寄存器空間（高128單元）；
這兩個空間是相連的，從用戶角度而言，低128單元才是真正的數據存儲器。下面我們就來詳細的與大家講解一下：

低128單元：
    片內數據存儲器為8位地址，所以最大可尋址的范圍為256個單元地址，對片外數據存儲器采用間接尋址方式，R0、R1和DPTR都可以做為間接尋址寄存器，R0、R1是8位的寄存器，即R0、R1的尋址范圍最大為256個單元，而DPTR是16位地址指針，尋址范圍就可達到64KB。也就是說在尋址片外數據存儲器時，尋址范圍超過了256B，就不能用R0、R1做為間接尋址寄存器，而必須用DPTR寄存器做為間接尋址寄存器。

 

從上圖中我們可以看到，8051單片機片內RAM共有256個單元（00H-FFH），這256個單元共分為兩部分。其一是地址從00H—7FH單元（共128個字節）為用戶數據RAM。從80H—FFH地址單元（也是128個字節）為特殊寄存器（SFR）單元。從圖1中可清楚地看出它們的結構分布。

1、通用寄存器區（00H-1FH）
    在00H—1FH共32個單元中被均勻地分為四塊，每塊包含八個8位寄存器，均以R0—R7來命名，我們常稱這些寄存器為通用寄存器。這四塊中的寄存器都稱為R0—R7，那么在程序中怎么區分和使用它們呢？聰明的INTEL工程師們又安排了一個寄存器——程序狀態字寄存器（PSW）來管理它們，CPU只要定義這個寄存的PSW的D3和D4位（RS0和RS1），即可選中這四組通用寄存器。對應的編碼關系如下表所示。惹程序中並不需要用4組，那么其余的可用做一般的數據緩沖器，CPU在復位后，選中第0組工作寄存器。

組	RS1  RS0	R0	R1	R2	R3	R4	R5	R6	R7
0 1 2 3	0     0 0     1 1     0 1     1	00H 08H 10H 18H	01H 09H 11H 19H	02H 0AH 12H 1AH	03H 0BH 13H 1BH	04H 0CH 14H 1CH	05H 0DH 15H 1DH	06H 0EH 16H 1EH	07H 0FH 17H 1FH

2、位尋址區（20H-2FH）
片內RAM的20H—2FH單元為位尋址區，既可作為一般單元用字節尋址，也可對它們的位進行尋址。位尋址區共有16個字節，128個位，位地址為00H—7FH。位地址分配如下表所示：

RAM位尋址區地址表
單元地址	MSB        位地址        LSB
2FH	7FH	7EH	7DH	7CH	7BH	7AH	79H	78H
2EH	77H	76H	75H	74H	73H	72H	71H	70H
2DH	6FH	6EH	6DH	6CH	6BH	6AH	69H	68H
2CH	67H	66H	65H	64H	63H	62H	61H	60H
2BH	5FH	5EH	5DH	5CH	5BH	5AH	59H	58H
2AH	57H	56H	55H	54H	53H	52H	51H	50H
29H	4FH	4EH	4DH	4CH	4BH	4AH	49H	48H
28H	47H	46H	45H	44H	43H	42H	41H	40H
27H	3FH	3EH	3DH	3CH	3BH	3AH	39H	38H
26H	37H	36H	35H	34H	33H	32H	31H	30H
25H	2FH	2EH	2DH	2CH	2BH	2AH	29H	28H
24H	27H	26H	25H	24H	23H	22H	21H	20H
23H	1FH	1EH	1DH	1CH	1BH	1AH	19H	18H
22H	17H	16H	15H	14H	13H	12H	11H	10H
21H	0FH	0EH	0DH	0CH	0BH	0AH	09H	08 H
20H	07H	06H	05H	04H	03H	02H	01H	00H

CPU能直接尋址這些位，執行例如置“1”、清“0”、求“反”、轉移，傳送和邏輯等操作。我們常稱MCS-51具有布爾處理功能，布爾處理的存儲空間指的就是這些為尋址區。

3、用戶RAM區（30H-7FH）
在片內RAM低128單元中，通用寄存器占去32個單元，位尋址區占去16個單元，剩下的80個單元就是供用戶使用的一般RAM區了，地址單元為30H-7FH。對這部份區域的使用不作任何規定和限制，但應說明的是，堆棧一般開辟在這個區域。

高128單元：（80H-FFH）
前面提到，在片內的RAM中，高128位是專用寄存器區，因這節比較重要，所以我們單獨的安排一節課跟大家介紹。下節課我們就重點介紹51單片機片內RAM的高128位，即專用寄存器區。

片外數據存儲器在這里我們就先在介紹，在后面關於數據存儲器擴展的章節中我們再詳細介紹。