2.4 存儲器結構

存儲器是單片機的3大部件之一，主要用來存儲信息（即數據和程序）。存儲器按配置方法分為主存和外存。“主存”又稱為“內存”，用于存放當前執行的數據和程序；“外存”用于存放暫不執行的數據和程序。目前單片機主要配置內存。

存儲器結構分為獨立的兩部分：數據存儲器（RAM）和程序存儲器（ROM）。8051單片機的存儲器可分為4個存儲空間：片內程序存儲器（片內ROM）、片外程序存儲器（片外ROM）、片內數據存儲器（片內RAM）、片外數據存儲器（片外RAM）。

這4類存儲器與其對應的地址關系，如表2.2所示。

表2.2 RS1、RS0與寄存器R0～R7間的對應關系

8051單片機片內有4KB的程序存儲器和256B的數據存儲器，還可以片外擴展至64KB程序存儲器和64KB數據存儲器。關于這部分內容將在系統擴展部分介紹。

2.4.1 程序存儲器

程序存儲器設計人員編寫的程序就存放在單片機的程序存儲器中，也稱為“只讀程序存儲器”（ROM）。程序和數據一樣，都是由機器碼組成的代碼串，只是程序代碼存放于程序存儲器中。

51系列單片機具有64KB程序存儲器尋址空間，這64KB的地址空間是統一編址的，沒有采用片內、片外分區的方式。區分片內、片外是由引腳上的電平來指示的。

◆ ，即接高電平時，CPU從片內的程序存儲中讀取程序，當PC值超過片內ROM的容量時，才會轉向外部的程序存儲器讀取程序。

◆ ，即接低電平時，CPU從片外的程序存儲中讀取程序，并輸出選通信號。

◆ 對于內部無ROM的8031單片機，其ROM只能外接，必須使。

程序存儲器由16位的程序計數器（PC）指示當前地址。片內ROM的地址為0000H～0FFFH。單片機啟動復位后，程序計數器（PC）的內容為0000H，系統將從0000H單元開始執行程序。

在程序存儲器中的0003H～0032H，共48B被保留專用于中斷處理程序，稱為中斷矢量區，系統必須跳過這一區域。

◆ 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，如果程序不從0000H單元開始執行，則應在這三個單元中存放一條無條件轉移指令，讓系統跳過這一區域，直接去執行用戶指定的程序。

◆ 0003H～002AH：這40個單元各有用途，被均勻地分為6段，其定義如表2.3所示。

表2.3 中斷入口地址

以上地址單元是專門用于存放中斷處理程序的。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。這些地址單元不能用于存放程序的其他內容，只能存放中斷服務程序。通常情冴下，每段只有8個地址單元不能保存完整的中斷服務程序，因而一般在中斷響應的地址區，存放一條無條件轉移指令，指向程序存儲器的真正存放中斷服務程序的空間。這樣中斷響應后，CPU讀到這條轉移指令，便轉向真正存放中斷服務程序的空間，繼續執行中斷服務程序。

2.4.2 數據存儲器

數據存儲器也稱為“隨機存取數據存儲器”。51系列單片機的數據存儲器在物理邏輯上分為兩個地址空間，即片內數據存儲區和片外數據存儲區。片內RAM有256B的用戶數據存儲區域（不同型號有所區別），是用于存放執行的中間結果和過程數據的51系列單片機的。數據存儲器均可讀/寫，部分單元還可以位尋址，其結構示意圖如圖2.5所示。

51系列單片機內部RAM共有256個單元（不同型號有所區別），這256個單元按其功能分為兩部分。

1．低128B片內RAM

低128B片內RAM，地址空間為00H～7FH單元，為用戶數據RAM，可以存放運算結果和標志位等。該區域按其功能還可分為如下3個區域。

00HH～1 FHH：工作寄存器區，開辟了4組工作寄存器，每組R0～R7，在前面寄存器一節進行過詳細介紹。

20HH～2 FHH：位尋址區，共16B，128位。布爾處理的存儲空間就是位尋址區，既可作為一般單元用字節尋址，也可以進行位尋址。該區域除了作為一般RAM進行讀/寫外，還可進行執行置“1”、清“0”、求反、轉移、傳送和邏輯等位操作。位尋址區地址表如表2.4所示。

表2.4 位尋址區位地址表

30H～7FH：字節尋址區，共80B，用戶使用的一般RAM，可在此區域開辟堆棧。

2．高128B片內RAM

高128B片內RAM：地址空間為80H～FFH地址單元，為特殊功能寄存器（SFR）區。8051內部有21個特殊寄存器，AT89S52有32個特殊寄存器，如表2.5所示。

表2.5 特殊功能寄存器（SFR）

說明：

帶*號的特殊功能寄存器都是可以位尋址的寄存器。

特殊功能寄存器分散在30H～7FH片內RAM區，其中有部分地址單元未定義，不能使用。訪問特殊功能寄存器使用直接尋址方式，其中有一部分（表中帶*號）特殊功能寄存器也可以采用位尋址，其特征是地址能被8整除。訪問這些寄存器中的各位時，在位尋址指令中，可以用“寄存器名.位”、“字節地址.位”、“位地址”、“位名稱”等來表示。例如“B.5”表示寄存器B的第5位。可位尋址的特殊功能寄存器及其位地址如表2.6所示。

表2.6 可位尋址的特殊功能寄存器及其位地址

2.4.3 存儲器擴展

51系列單片機為了滿足不同應用的需要，除了設置內部存儲器外，還可以根據需要進行外部存儲器擴展。外部存儲器擴展時，采用P0和P2作為16位地址總線的低8位和高8位，另外，P0口還分時復用為8位數據總線。

1．外部程序存儲器擴展

與普通的8051單片機不同，AT89S52內部設有8KB的可擦寫Flash存儲器。這個程序存儲器可從外部擴展至56KB，這時需要將單片機的引腳接高電平。在外部擴展程序存儲器情冴下，程序可以首先從片內的程序存儲器開始順序執行，訪問時CPU會自動轉向外部程序存儲器。

當CPU訪問外部程序存儲器的時候，程序存儲器指針（PC）的低8位地址由P0口輸出，PC的高8位地址由P2口輸出。P2口和P0口共同組成16位地址總線。外部程序存儲器中的指令代碼由P0口輸入，即P0口是低8位地址線和8位數據線的分時復用。

為了保證在訪問外部程序存儲器期間，16位的地址碼不變，并且能正確地從P0口讀入程序代碼，應該將P0口輸出的低8位地址在ALE信號的控制下存入地址鎖存器，這樣便可以將P0口空出來讀取8位的程序代碼。

如果引腳接低電平，則CPU直接從片外程序存儲器的0000H地址開始執行，而不管片內8KB的Flash是否含有程序代碼。

2．外部數據存儲器擴展

AT89S52單片機內部的256B的RAM如果不夠用，外部還可以擴展64KB的數據存儲器空間。

由于訪問外部數據存儲器是隨機的，因此其訪問地址可由工作寄存器R0或R1來尋址256B單元或由數據指針（DPTR）尋址54KB的空間。

訪問外部數據存儲器的硬件結構和訪問外部程序程序器相同。R0或R1的8位地址由P0口送入地址鎖存器輸出，DPTR的16位地址則由P0口輸出低8位地址到鎖存器中，P2口則輸出高8位地址。讀/寫的數據由P0口輸入/輸出，因此P0口仍然是地址/數據分時復用的。

訪問外部數據MOVX類指令是單字節雙周期指令，因此在第二個機器周期ALE信號將減少一次。

訪問外部數據存儲器的讀/寫選通信號為和，均為低電平有效。訪問外部程序和數據存儲器各有不同的地址指針PC、Ri、DPTR，各指針又有不同的讀或者讀/寫選通信號、。這就從結構上把程序存儲器和數據存儲器的訪問截然分開。兩者雖然同用16位地址總線，由于使用兩套完全不同的地址指針和讀、讀/寫選通信號，從而保證了指令的執行不會出錯，為單片機的應用提供了方便。

訪問內部RAM用MOV類指令，訪問片內RAM還是特殊功能寄存器則由尋址方式來區分。

◆ 訪問特殊功能寄存器只能用直接尋址方式。

◆ 訪問外部數據存儲器則需選用MOVX類指令。

◆ 對于只需尋址256B單元的可采用Ri進行8位地址間接尋址，否則選用DPTR16位地址指針，尋址64KB地址空間。

◆ 讀取程序存儲器中的固定數據，則需選用MOVC類指令。

可見，訪問不同地址空間的數據需要采用不同的指令類型。