2.3 AT89S51的存儲結構

AT89S51單片機的存儲器配置在物理結構上有4個存儲空間：片內程序存儲器、片外程序存儲器、片內數據存儲器、片外數據存儲器。從邏輯上來看，有3個存儲器地址空間：片內、外統一編址的程序存儲器地址空間，片內數據存儲器地址空間和片外數據存儲器地址空間。在訪問3個不同的邏輯空間時，應采用不同形式的指令，以產生不同的內部控制信號，用來選擇所需的邏輯空間。圖2-12表示了AT89S51單片機存儲器空間結構。

2.3.1 程序存儲器

單片機的程序存儲器一般用于存放編好的程序、表格和常數。AT89S51單片機的程序存儲器地址分配如圖2-13 （a）所示。其中，單片機內部有4 KB的程序存儲器，地址為0000H～0FFFH。片外最多可擴展空間達64 KB，地址為1000H～FFFFH，片內與片外程序存儲器的最大尋址范圍為64 KB （即地址為0000H～FFFFH）。由于單片機的程序存儲器采用片內、片外統一編址，所以范圍為0000H～0FFFH的地址空間是在片內存儲器還是片外存儲器，取決于單片機外圍引腳的狀態。如果接高電平（即=1），表示0000H～0FFFH在片內程序存儲器中；如果接低電平（即=0），則表示0000H～0FFFH在片外程序存儲器中。

一般來說，對于有內部程序存儲器的單片機，應將引腳EA接高電平，使程序從內部程序存儲器開始執行。當程序超出內部程序存儲器的容量時，自動轉向外部程序存儲器1000H～FFFFH地址范圍執行。

AT89S51單片機執行程序時，與微型計算機執行程序類似，也是由程序計數器PC控制程序執行的順序。單片機中的程序計數器PC （Program Counter）是一個16位的專用寄存器，用來存放即將執行的下一條指令所在的地址。它具有自動加1的功能。當CPU要取指令時，PC的內容送至地址總線上，從PC所指向的存儲器地址中取出指令，PC內容則自動加1，指向下一條指令，以保證程序按順序執行。當單片機接通電源時，PC 會被復位為0000H，此時，單片機從0000H開始將指令依次取出執行。

AT89S51的程序存儲器中有5個特殊地址單元，用于中斷程序的入口地址。

·0003H：外部中斷0入口地址。

·000BH：定時/計數器0中斷入口地址。

·0013H：外部中斷1入口地址。

·001BH：定時/計數器1中斷入口地址。

·0023H：串行口中斷入口地址。

由于0000H單元與這些中斷程序入口地址之間的存儲空間有限，為了不影響這些中斷入口地址的正常使用，常在0000H單元及這些中斷入口處都放置一條絕對無條件跳轉指令，使程序跳轉到用戶指定的主程序或中斷服務程序的存儲空間中執行。

2.3.2 數據存儲器

數據存儲器（RAM）用于存放運算中間結果、數據暫存和緩沖、待調試的程序。數據存儲器在物理上和邏輯上都分為兩個地址空間：一個是由128 B的片內RAM和26個特殊功能寄存器（SFR）構成的內部數據存儲器，另一個是片外最大可擴充64 KB的數據存儲器，如圖2-12 （b）所示。

片外數據存儲器的使用通常出現在單片機內部RAM容量不夠的情況下。擴展容量可由用戶根據需要確定，最大可擴充 64 KB，地址范圍0000H～FFFFH。需要注意的是，AT89S51單片機擴展的I/O接口與片外數據存儲器統一編址。

使用片內和片外數據存儲器時采用不同的指令加以區別。在訪問片內數據存儲器時，可使用MOV指令；要訪問片外數據存儲器可使用MOVX指令。片外數據存儲器只能采用間接尋址方式，可使用 R0、R1 和 DPTR 作間址寄存器。R0、R1作為8位地址指針，尋址范圍為256 B；而DPTR是16位地址指針，故尋址范圍可達64 KB。

AT89S51單片機的內部數據存儲器只有地址為00～7FH的共128 B RAM可供用戶使用，與片內 RAM 統一編址的80H～FFH 地址空間中，只有26 個存儲空間被特殊功能寄存器（SFR）占用。

1．片內數據存儲區（00～7FH）

片內數據存儲區地址為00～7FH的空間劃分為工作寄存器區、位尋址區及用戶RAM區3部分。

（1）工作寄存器區（00H～1FH）

工作寄存器區共32個存儲單元，分為4組，每組由8個地址單元組成通用寄存器R0～R7，其地址分配如表2-2所示。每組寄存器均可作為CPU當前的工作寄存器，當前工作寄存器可通過特殊功能寄存器中的程序狀態字PSW的RS1、RS0兩位進行設置。例如，如果RS1 RS0=01H，則表示選中了第1組，即地址為08H～0FH的單元構成當前的工作寄存器R0～R7。

當CPU復位后，自動選中第0組工作寄存器。一旦選中了一組工作寄存器，其他3組的地址空間只能用于數據存儲器，不能作為寄存器。如果要使用必須重新設置RS1、RS0的狀態。

（2）位尋址區（20H～2FH）

位尋址區共16B，每1B 為8 位，共128 位，這128 位用位地址編號，范圍為00H～7FH。這些位地址單元構成了布爾處理器的存儲空間，其地址分布如表2-3所示。位尋址區既可采用位尋址方式訪問，也可以采用字節尋址方式訪問，這種位尋址能力是51系列單片機一個重要特點。

（3）用戶RAM區（30H～7FH）

用戶RAM區共80個單元，可作為堆棧或數據緩沖使用。

2．特殊功能寄存器區（80H～FFH）

AT89S51單片機中共有26個特殊功能寄存器（SFR），這些寄存器離散地分布在內部數據存儲器的80H～FFH這128 B的地址空間中。

這些特殊功能寄存器只能采用直接尋址及位尋址，其中，地址為X0H和X8H的各寄存器可位尋址，如表2-4所示，表中用“?”表示可位尋址的寄存器。

這些特殊功能寄存器（SFR）都和單片機的相關部件有關，如ACC、B、PSW與CPU有關，SP、DPTR與存儲器有關，P0～P3與I/O端口有關，IP、IE 與中斷系統有關，TCON、TMOD、TH0、TL0、TH1、TL1與定時/計數器有關，SCON、SBUF與串行口有關，PCON與電源有關。這些SFR專門用來設置單片機內部的各種資源，記錄電路的運行狀態，參與各種運算及輸入/輸出操作，如設置中斷和定時器的工作方式、進行并行及串行輸入/輸出等。

下面簡述幾個常用的特殊功能寄存器的功能。

（1）累加器ACC

ACC是一個具有特殊用途的8位寄存器，主要用于存放操作數或運算結果。AT89S51指令系統中大多數指令的執行都要通過累加器ACC進行。因此，在CPU中，累加器的使用頻率是很高的。當采用寄存器尋址時，可用A表示累加器。

（2）寄存器B

寄存器B在乘、除法指令中用于暫存數據。乘法指令的兩個操作數分別取自于A和B，其結果存放在BA寄存器對中。具體應用見第3章中有關乘法、除法指令的內容。

（3）程序狀態字PSW

PSW是一個可編程的8位寄存器，用來存放與當前指令執行結果相關的狀態。AT89S51有些指令的執行會自動影響PSW相關位的狀態，在編程時要加以注意。同時，PSW中某些位的狀態也可通過指令設置。PSW各標志位的定義如表2-5所示。

CY：進位標志位。當累加器A的最高位有進位（加法）或借位（減法）時，CY=1；否則CY=0。在布爾操作時，它是各種位操作的“累加器”。CY在指令中常簡記為C。

AC：輔助進位標志位。當累加器A的D3位向D4位進位或借位時，AC=1；否則為0。有時AC也被稱為半進位標志。

F0：用戶標志位。可以根據需要用程序將其置位或清0，以控制程序的轉向。

RS1、RS0：工作寄存器區選擇位。RS1、RS0可由指令置位或清0，用來選擇單片機的工作寄存器區，其選擇方法見表2-2。

OV：溢出標志位。當有符號數采用補碼運算時，其結果超出范圍（-127～+128）時，有溢出，OV=1；否則OV=0。

—：保留位。

P：奇偶校驗位。指示累加器A中操作結果的“1”的個數的奇偶性。凡是改變累加器A中內容的指令均影響P標志位。當A中有奇數個“1”，則P=1；否則P=0。此標志位對串行通信中的數據傳輸有重要的意義，在串行通信中常采用奇偶校驗的方法來校驗數據傳輸的可靠性。

（4）堆棧指針SP

堆棧是存儲區中一個存放數據地址的特殊區域，主要是用來暫存數據和地址的，操作時按先進后出的原則存放數據，其生成方向由低地址到高地址。

堆棧指針SP是一個8位特殊功能寄存器，指示堆棧的底部在片內RAM中的位置。系統復位后，SP的初始值為07H。由于08H～1FH單元分屬于工作寄存器區1～3，所以一般將SP的初值改變至片內RAM的高地址區（30H以上）。

（5）數據指針DPTR

DPTR是一個16位地址寄存器，主要用來存放16位地址，作間接尋址寄存器使用，可用于讀寫外接數據存儲器或I/O端口。AT89S51單片機提供了兩個數據指針DP0和DP1，可通過雙時鐘指針寄存器AUXR1來選擇，如表2-4所示。當DPTR選擇位DPS為0時，選擇DP0；為1時，選擇DP1。它們也可以拆成兩個獨立的8位寄存器使用，即DPH （高8位）和DPL （低8位）。

（6）端口P0～P3

P0～P3分別表示I/O端口中的P0～P3鎖存器。在AT89S51中可以把I/O端口當作一般的特殊功能寄存器來使用，不再專設端口操作指令，均采用統一的MOV指令，使用方便。

（7）串行數據緩沖器SBUF

串行數據緩沖器SBUF用于存放串行通信中待發送或已接收到的數據。它實際上是由兩個獨立的寄存器組成，一個是發送緩沖器，一個是接收緩沖器。

（8）定時/計數器TH1、TL1、TH0、TL0

AT89S51中有兩個16位定時/計數器T0和T1。它們各自由兩個獨立的8位寄存器組成，共為4個寄存器TH1、TL1、TH0和TL0，可以分別對這4個寄存器尋址，但不能把T0、T1當16位寄存器來對待。由于定時/計數器工作方式的不同，定時器使用的有效位數會發生變化。具體應用見第5章相關章節。

除上述SFR以外，另外還有IE、IP、TMOD、TCON，SCON和PCON等寄存器，將在以后的章節中介紹。