3.1 8051單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

3.1.1 存儲(chǔ)器的概念和分類(lèi)

存儲(chǔ)器是儲(chǔ)存二進(jìn)制信息的數(shù)字電路器件。微型機(jī)的存儲(chǔ)器包括主存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器。外存儲(chǔ)器（外存）主要指各種大容量的磁盤(pán)存儲(chǔ)器、光盤(pán)存儲(chǔ)器等；主存儲(chǔ)器（內(nèi)存）是指能與CPU直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)中不可缺少的重要部件。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器具有存取速度快、集成度高、體積小、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)是微型機(jī)的一種，它的主存儲(chǔ)器也采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。

1.半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的基本概念

位：信息的基本單位是位（bit或b），表示一個(gè)二進(jìn)制信息“1”或“0”。在存儲(chǔ)器中，位信息是由具有記憶功能的半導(dǎo)體電路實(shí)現(xiàn)的。例如用觸發(fā)器記憶一位信息。

字節(jié)：在微型機(jī)中信息大多是以字節(jié)（Byte或B）形式存放的。一個(gè)字節(jié)由8位信息組成（1B=8bit），通常稱(chēng)做一個(gè)存儲(chǔ)單元。

存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)器芯片的存儲(chǔ)容量是指一塊芯片中所能存儲(chǔ)的信息位數(shù)。例如8K×8位的芯片，其存儲(chǔ)容量為8×1024×8位=65536位信息。存儲(chǔ)體的存儲(chǔ)容量則是指由多塊存儲(chǔ)器芯片組成的存儲(chǔ)體所能存儲(chǔ)的信息量，一般以字節(jié)的數(shù)量表示。

地址：地址表示存儲(chǔ)單元所處的物理空間的位置，用一組二進(jìn)制代碼表示。地址相當(dāng)于存儲(chǔ)單元的“單元編號(hào)”，CPU可以通過(guò)地址碼訪問(wèn)某一存儲(chǔ)單元，一個(gè)存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)一個(gè)地址碼。例如，8051單片機(jī)有16位地址線，能訪問(wèn)的外部存儲(chǔ)器最大地址空間為64K（65536）字節(jié)，對(duì)應(yīng)的16位地址碼為0000H～FFFFH：第0個(gè)字節(jié)的地址為0000H，第1個(gè)字節(jié)的地址為0001H，…，第65535個(gè)字節(jié)的地址為FFFFH。

存取周期：是指存儲(chǔ)器存放或取出一次數(shù)據(jù)所需的時(shí)間。存儲(chǔ)容量和存取周期是存儲(chǔ)器的兩項(xiàng)重要性能指標(biāo)。

2.半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類(lèi)

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器按讀、寫(xiě)功能可以分為隨機(jī)讀/寫(xiě)存儲(chǔ)器RAM（Random Access Memory）和只讀存儲(chǔ)器ROM（Read Only Memory）。

隨機(jī)讀/寫(xiě)存儲(chǔ)器RAM可以進(jìn)行多次信息寫(xiě)入和讀出，每次寫(xiě)入后，原來(lái)的信息將被新寫(xiě)入的信息所取代。另外，RAM在斷電后再通電時(shí)，原存的信息全部丟失。它主要用來(lái)存放臨時(shí)的數(shù)據(jù)和程序。

RAM按生產(chǎn)工藝，可以分為雙極型RAM和MOS RAM，而MOS RAM又分為靜態(tài)RAM（SRAM）和動(dòng)態(tài)RAM（DRAM）。

（1）雙極型RAM：以晶體管觸發(fā)器作為基本存儲(chǔ)電路，存取速度快，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度較低，比較適合用于小容量的高速暫存器。

（2）MOS RAM：以MOS管作為基本集成元件，具有集成度高、功耗低、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在微型計(jì)算機(jī)一般采用MOS RAM。

只讀存儲(chǔ)器ROM的信息一旦寫(xiě)入后，便不能隨機(jī)修改。在使用時(shí)，只能讀出信息，而不能寫(xiě)入，且在掉電后ROM中的信息仍然保留。它主要用來(lái)存放固定不變的程序和數(shù)據(jù)。

ROM按不同的編程寫(xiě)入方式，可以分為以下幾種。

（1）掩膜ROM：其存儲(chǔ)的信息在制造過(guò)程中采用一道掩膜工藝生成，一旦出廠，信息就不可改變。

（2）可編程只讀存儲(chǔ)器PROM：其存儲(chǔ)的信息可由用戶(hù)通過(guò)特殊手段一次性寫(xiě)入，但只能寫(xiě)入一次。

（3）可擦除只讀存儲(chǔ)器：其存儲(chǔ)的信息用戶(hù)可以多次擦除，并可用專(zhuān)用的編程器重新寫(xiě)入新的信息。可擦除只讀存儲(chǔ)器又可分為紫外線擦除的EPROM、電擦除的EEPROM和Flash ROM。

3.1.2 8051單片機(jī)存儲(chǔ)器的組織結(jié)構(gòu)

1.微型機(jī)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)形式

1）普林斯頓結(jié)構(gòu)

一般的微型機(jī)（如個(gè)人電腦PC機(jī)），它的存儲(chǔ)器采用普林斯頓結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)共用一個(gè)存儲(chǔ)器邏輯空間，統(tǒng)一編址（如圖3.1所示）。

2）哈佛結(jié)構(gòu)

8051單片機(jī)的存儲(chǔ)器則采用哈佛結(jié)構(gòu)，程序與數(shù)據(jù)分為兩個(gè)獨(dú)立存儲(chǔ)器邏輯空間，分開(kāi)編址（如圖3.2所示）。8051單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間和程序存儲(chǔ)器空間相互獨(dú)立。因?yàn)閱纹瑱C(jī)主要面向測(cè)控對(duì)象，通常有大量的控制程序和較少的隨機(jī)數(shù)據(jù)。為了將程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)，單片機(jī)使用較大容量的程序存儲(chǔ)器來(lái)固化程序代碼，使用少量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器來(lái)存取隨機(jī)數(shù)據(jù)。程序在只讀存儲(chǔ)器ROM中運(yùn)行，不易受外界侵害，可靠性高。

2.8051存儲(chǔ)器地址空間的組成

8051單片機(jī)存儲(chǔ)器，從物理結(jié)構(gòu)上可分為4個(gè)存儲(chǔ)器地址空間：

（1）片內(nèi)程序存儲(chǔ)器空間；

（2）片外程序存儲(chǔ)器空間；

（3）片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間；

（4）片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。

8051單片機(jī)存儲(chǔ)器，從邏輯結(jié)構(gòu)上可分為3個(gè)存儲(chǔ)器地址空間：

（1）64KB程序存儲(chǔ)器；

（2）256B片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；

（3）64KB片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

3.8051存儲(chǔ)器的組織結(jié)構(gòu)

1）8051程序存儲(chǔ)器（ROM）的組織結(jié)構(gòu)

8051單片機(jī)有64KB 程序存儲(chǔ)器空間，空間地址為0000H～0FFFFH，根據(jù)引腳的不同輸入電平，來(lái)選擇片內(nèi)或片外低位存儲(chǔ)單元。

（31腳）：訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器選擇信號(hào)輸入線。當(dāng)為低電平時(shí)，CPU只能訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器；當(dāng)為高電平時(shí)，CPU可訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（當(dāng)8051單片機(jī)的PC值小于等于0FFFH時(shí)），也可訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（當(dāng)PC值大于0FFFH時(shí)），如圖3.3所示。

2）8051數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）的組織結(jié)構(gòu)

（1）64KB片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間（與擴(kuò)展I/O接口共用）。

8051單片機(jī)外部可擴(kuò)展64KB的片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間（與擴(kuò)展的外部I/O接口共用），空間地址為0000H～0FFFFH。注意：8051單片機(jī)擴(kuò)展的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和外部I/O接口共用一個(gè)地址空間，統(tǒng)一編址。

（2）256B片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

8051內(nèi)部RAM有256個(gè)單元，空間地址為00H～0FFH，包括片內(nèi)RAM和特殊功能寄存器SFR。8051單片機(jī)的片內(nèi)RAM和特殊功能寄存器SFR共用一個(gè)地址空間，統(tǒng)一編址。

3.1.3 8051內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器——內(nèi)部RAM

8051內(nèi)部RAM有256個(gè)單元，通常在空間上分為兩個(gè)區(qū)域：低128個(gè)單元（00H～7FH）的內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM塊和高128個(gè)單元（80H～0FFH）的專(zhuān)用寄存器SFR塊。

1.內(nèi)部RAM低128單元

8051低128個(gè)單元是真正的內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM區(qū)，是一個(gè)多功能復(fù)用型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其按用途可分為三個(gè)區(qū)域。如圖3.4所示。

1）工作寄存器區(qū)（00H～1FH）

也稱(chēng)為通用寄存器區(qū)，該區(qū)域共有4組寄存器，每組由8個(gè)寄存單元組成，每個(gè)單元8位。各組均以R0～R7為寄存器編號(hào)，共32個(gè)單元，單元地址為00H～1FH。

在任一時(shí)刻，CPU只能使用其中一組通用寄存器，稱(chēng)為當(dāng)前通用寄存器組，具體可由程序狀態(tài)寄存器PSW中RS1、RS0位的狀態(tài)組合來(lái)確定。通用寄存器為CPU提供了就近存取數(shù)據(jù)的便利，提高了工作速度，也為編程提供了方便。

2）位尋址區(qū)（20H～2FH）

位尋址區(qū)是指CPU可以對(duì)其中的每一個(gè)二進(jìn)制位單獨(dú)進(jìn)行讀、寫(xiě)操作的區(qū)域。

位尋址區(qū)的地址為內(nèi)部RAM的20H～2FH，共16個(gè)單元，計(jì)16×8位=128位，而位地址為00H～7FH。位尋址區(qū)既可作為一般的RAM區(qū)進(jìn)行字節(jié)操作，也可對(duì)單元的每一位進(jìn)行位操作，因此稱(chēng)為位尋址區(qū)，是存儲(chǔ)空間的一部分。例如，可以對(duì)位地址為“00H”的位存儲(chǔ)單元中寫(xiě)入“1”。如表3.1列出了內(nèi)部RAM位尋址區(qū)中每一位可訪問(wèn)二進(jìn)制位的位地址。

其中：MSB——最高有效位；

　　　LSB——最低有效位。

3）用戶(hù)RAM區(qū)（30H～7FH）

所剩80個(gè)單元即為用戶(hù)RAM區(qū)，單元地址為30H～7FH，在一般應(yīng)用中把堆棧設(shè)置在該區(qū)域中。

對(duì)內(nèi)部RAM低128單元的使用做幾點(diǎn)說(shuō)明：

（1）8051的內(nèi)部RAM 00H～7FH單元可采用直接尋址或間接尋址方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。

（2）內(nèi)部RAM 20H～2FH單元的位地址空間可實(shí)現(xiàn)位操作。當(dāng)前工作寄存器組可通過(guò)軟件對(duì)PSW中的RS1、RS0位的狀態(tài)設(shè)置來(lái)選擇。

（3）8051的堆棧是自由堆棧，單片機(jī)復(fù)位后，堆棧底為07H，在程序運(yùn)行中可任意設(shè)置堆棧。堆棧設(shè)置通過(guò)對(duì)SP的操作實(shí)現(xiàn)，例如用指令“MOV SP，#30H”將堆棧設(shè)置在內(nèi)部RAM 30H以上單元。

2.內(nèi)部RAM高128單元

內(nèi)部RAM高128單元是供給專(zhuān)用寄存器使用的，因此稱(chēng)之為專(zhuān)用寄存器區(qū)，也稱(chēng)為特殊功能寄存器區(qū)（SFR區(qū)），單元地址為80H～0FFH。8051共有22個(gè)專(zhuān)用寄存器，其中程序計(jì)數(shù)器PC在物理上是獨(dú)立的，沒(méi)有地址，故不可尋址，它不屬于內(nèi)部RAM的SFR區(qū)。其余的21個(gè)專(zhuān)用寄存器都屬于內(nèi)部RAM的SFR區(qū)，是可尋址的，它們的單元地址離散地分布于80H～0FFH。如表3.2所示為21個(gè)專(zhuān)用寄存器一覽表。

注：帶“·”專(zhuān)用寄存器表示可以進(jìn)行位操作。

1）程序計(jì)數(shù)器PC（Program Counter）

PC是一個(gè)16位計(jì)數(shù)器，其內(nèi)容為單片機(jī)將要執(zhí)行的指令機(jī)器碼所在存儲(chǔ)單元的地址。PC具有自動(dòng)加1的功能，從而實(shí)現(xiàn)程序的順序執(zhí)行。由于PC是不可尋址的，因此用戶(hù)無(wú)法對(duì)它直接進(jìn)行讀寫(xiě)操作，但可以通過(guò)轉(zhuǎn)移、調(diào)用、返回等指令改變其內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)程序的轉(zhuǎn)移。PC的尋址范圍為64KB，即地址空間為0000H～0FFFFH。

以上關(guān)于程序計(jì)數(shù)器PC的敘述表明：

（1）PC中存放的內(nèi)容恒為16位地址信息；

（2）PC中存放的16位地址信息是單片機(jī)即將執(zhí)行的指令機(jī)器碼所在存儲(chǔ)區(qū)域的地址。

PC中的內(nèi)容在單片機(jī)指令執(zhí)行過(guò)程中具有自動(dòng)加1的功能（轉(zhuǎn)移類(lèi)指令除外），以使單片機(jī)連續(xù)執(zhí)行指令。當(dāng)需要改變指令的執(zhí)行順序時(shí)，只要改變PC中的內(nèi)容即可。

2）累加器ACC（簡(jiǎn)寫(xiě)A）

累加器ACC是8位寄存器，是最常用的專(zhuān)用寄存器，功能強(qiáng)、地位重要。它既可存放操作數(shù)，又可存放運(yùn)算的中間結(jié)果。MCS-51系列單片機(jī)中許多指令的操作數(shù)來(lái)自累加器ACC。累加器非常繁忙，是單片機(jī)的執(zhí)行程序瓶頸，制約了單片機(jī)工作效率的提高，現(xiàn)在已經(jīng)有些單片機(jī)用寄存器陣列來(lái)代替累加器ACC。

3）數(shù)據(jù)指針DPTR

數(shù)據(jù)指針DPTR為16位寄存器，它是MCS-51中唯一的一個(gè)16位寄存器。編程時(shí)，既可按16位寄存器使用，也可作為兩個(gè)8位寄存器分開(kāi)使用。DPH為DPTR的高8位寄存器，DPL為DPTR的低8位寄存器。DPTR通常在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)作為地址指針使用，尋址范圍為64KB。

總結(jié)8051單片機(jī)內(nèi)部RAM單元分布如圖3.5所示。

3.1.4 8051內(nèi)部程序存儲(chǔ)器——內(nèi)部ROM

大多數(shù)51系列單片機(jī)內(nèi)部都配置一定數(shù)量的程序存儲(chǔ)器ROM，如圖3.6所示。如8051芯片內(nèi)有4KB掩膜ROM存儲(chǔ)單元，AT89C51芯片內(nèi)部配置了4KB Flash ROM，它們的地址范圍均為0000H～0FFFH。內(nèi)部程序存儲(chǔ)器有一些特殊單元，使用時(shí)要注意。

ROM中一組特殊單元是0000H～0002H。單片機(jī)通電或復(fù)位后，（PC）=0000H，這樣單片機(jī)就從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行指令。如果此時(shí)單片機(jī)的應(yīng)用程序存放在其他區(qū)域，就要在這三個(gè)單元中存放一條無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令，以便轉(zhuǎn)去執(zhí)行指定區(qū)域的應(yīng)用程序。

另外，在程序存儲(chǔ)器中專(zhuān)門(mén)開(kāi)辟了各個(gè)中斷源的入口向量地址區(qū)域，以便為中斷技術(shù)服務(wù)（中斷的概念以后講述），分配如下。

0003H～000AH：外部中斷0中斷地址區(qū)。

000BH～0012H：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0中斷地址區(qū)。

0013H～001AH：外部中斷1中斷地址區(qū)。

001BH～0022H：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1中斷地址區(qū)。

0023H～002AH：串行中斷地址區(qū)。

中斷地址區(qū)首地址為各個(gè)中斷源的入口向量地址，每個(gè)中斷地址區(qū)有8個(gè)地址單元。在中斷地址區(qū)中應(yīng)存放中斷服務(wù)程序，但8個(gè)單元通常難以存下一個(gè)完整的中斷服務(wù)程序，因此往往需要在中斷地址區(qū)首地址中存放一條無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令，轉(zhuǎn)去中斷服務(wù)程序真正的入口地址。

從002BH開(kāi)始的單元才是用戶(hù)可以隨意使用的程序存儲(chǔ)器。

對(duì)程序存儲(chǔ)器的操作做以下說(shuō)明：

（1）程序指令的自主操作。CPU按照PC指針自動(dòng)地從程序存儲(chǔ)器中取出指令。

（2）用戶(hù)使用指令對(duì)程序存儲(chǔ)器中的常數(shù)表格進(jìn)行讀操作，可用MOVC指令實(shí)現(xiàn)。