3.3 MCS-51單片機的存儲器結構

MCS-51系列單片機存儲器采用哈佛結構，即程序存儲器和數據存儲器完全分開，程序存儲器和數據存儲器各有自己的尋址方式、尋址空間和控制信號。

MCS-51系列單片機存儲器從物理結構上可分為片內、片外程序存儲器（8031 和8032無片內程序存儲器）與片內、片外數據存儲器等4部分；從功能上可分為64KB程序存儲器空間、128B片內數據存儲器空間、128B內部特殊功能寄存器空間、位地址空間和64KB片外數據存儲器等5部分；其尋址空間可劃分為：程序存儲器、片內數據存儲器和片外數據存儲器3個獨立的地址空間。

MCS-51單片機的程序存儲器（ROM）和數據存儲器（RAM），在使用上是嚴格區分的，不得混用。程序存儲器通常存放程序指令、常數及表格等，系統在運行過程中不能修改其中的數據；數據存儲器則存放緩沖數據，系統在運行過程中可修改其中的數據。

3.3.1 程序存儲器

1．編址與訪問

計算機的工作是按照事先編制好的程序命令序列逐條順序執行的，程序存儲器用來存放這些已編制好的程序和表格常數，它由只讀存儲器ROM或EPROM組成。計算機為了有序地工作，設置了一個專用寄存器——程序計數器PC。每取出指令的1個字節后，其內容自動加1，指向下一個字節，使計算機依次從程序存儲器中取指令予以執行，完成某種操作。由于MCS-51單片機的程序計數器為16位，因此可尋址的地址空間為64KB。

MCS-51單片機從物理配置上可有片內、片外程序存儲器，但作為一個編址空間，其編址規律為：先片內，后片外，片內、外連續，二者一般不重疊。圖3-7所示為編址圖。

單片機執行指令時，是從片內程序存儲器取指令，還是從片外程序存儲器取指令，由單片機引腳電平的高低來決定。= 1時，先執行片內程序存儲器的程序，當PC的內容超過片內程序存儲器地址的最大值（51子系列為0FFFH，52子系列為1FFFH）時，將自動轉去執行片外程序存儲器中的程序；=0時，CPU從片外程序存儲器中取指令執行程序。對于片內無程序存儲器的8031、8032單片機，引腳應接低電平。對于片內有程序存儲器的單片機，如果引腳接低電平，將強行執行片外程序存儲器中的程序。此時應在片外程序存儲器中存放調試程序，以便對單片機進行調試工作。注意：片外程序存儲器存放調試程序的部分，其編址與片內程序存儲器的編址是可以重疊的，借的換接可實現分別訪問。在現代單片機應用系統設計中，一般都選擇片內帶足夠大程序存儲器的單片機，所以不需要擴展片外的程序程序器，這樣就可以直接將接高電平。

2．程序存儲器中的6個特殊地址

程序地址空間原則上可由用戶任意安排，但復位和5 個中斷源的程序入口地址在MCS-51系列單片機中是固定的，用戶不能更改。這些入口地址如表3-3所示。

表3-3中6個入口地址互相離得很近，只隔3個或8個單元，容納不下稍長的程序段。所以其中實際存放的往往是一條無條件轉移指令，使程序分別跳轉到用戶程序真正的起始地址，或跳轉到所對應的中斷服務程序的真正入口地址。

3.3.2 數據存儲器

1．編址與訪問

MCS-51單片機片內、外數據存儲器是兩個獨立的地址空間，應分別單獨編址。片內數據存儲器除RAM塊外，還有特殊功能寄存器（SFR）塊。對于51子系列，前者有128個字節，其編址為00H～7FH；后者有128個字節，其編址為80H～0FFH；二者連續但不重疊。對52子系列，前者有256B，其編址為00H～0FFH；后者有128B，其編址為80H～0FFH。后者與前者高128B的編址是重疊的。由于訪問它們所用的指令不同，并不會引起混亂。片外數據存儲器一般是16位編址。數據存儲器的編址如圖3-8所示。

說明：① MS-51單片機的51子系列的內部數據存儲器為128B，地址空間為00H～7FH，52子系列的內部數據存儲器為256B，地址空間為00H～0FFH，特殊功能寄存器地址空間為80H～0FFH。顯然，內部數據存儲器區的80H～0FFH空間與特殊功能寄存器的地址重疊，但是通過指令中采取不同的尋址方式可解決這個重疊問題，即特殊功能寄存器只能用“直接尋址”方式，內部數據存儲器80H～0FFH單元只能用“寄存器間接尋址”方式，也就是說，地址重疊不會造成混亂，只是在軟件編程時應注意。

② 如果只擴展少量片外數據存儲器，容量不超過256B，也可按8位編址，自00H開始，最大可至FFH。這種情況下，地址空間與片內數據存儲器重疊，但訪問片內、外用不同的指令，也不會引起混亂。

③ 片外數據存儲器按16位編址，其地址空間與程序存儲器重疊，但不會引起混亂，訪問程序存儲器是用信號控制，而訪問片外數據存儲器時，由信號（讀）和信號（寫）控制。

2．片內數據存儲器

MCS-51單片機片內RAM共有128B，字節范圍為00H～7FH。圖3-9所示為51子系列單片機片內RAM的配置圖。由圖3-9可見，片內數據存儲器共分為工作寄存器區、位尋址區、數據緩沖區共3個區域。

（1）工作寄存器區

00H～1FH單元為工作寄存器區。工作寄存器也稱通用寄存器，用于臨時寄存8位信息。工作寄存器分成4組，每組都是8個寄存器，用R0～R7來表示。程序中每次只用一組，其余各組不工作。使用哪一組寄存器工作，由程序狀態字PSW中的PSW.3（RS0）和PSW.4（RS1）兩位來選擇，其對應關系如表3-4所示。

通過軟件設置RS0和RS1兩位的狀態，就可任意選一組寄存器工作。這個特點使MCS-51單片機具有快速現場保護的功能，對于提高程序效率和響應中斷的速度是很有利的。

該區域當不被用做工作寄存器時，可以作為一般的RAM區使用。

（2）位尋址區

20H～2FH單元是位尋址區。這16個單元（共計16×8=128位）的每一位都賦予了一個位地址，位地址范圍為00H～7FH。位地址區的每一位都可當做軟件觸發器，由程序直接進行位處理。通?？梢园迅鞣N程序狀態標志、位控制變量存入位尋址區內。

該區域當不被用做位尋址區時，可以作為一般的RAM區使用。

在這里要注意，位地址7FH和字節地址7FH是兩個完全不同的概念。

（3）數據緩沖區

30H～7FH是數據緩沖區，即用戶RAM，共80個單元。

由于工作寄存器區、位尋址區、數據緩沖區統一編址，使用同樣的指令訪問，這三個區的單元既有自己獨特的功能，又可統一調度使用。因此，前兩個區未使用的單元也可作為用戶RAM單元使用，使容量較小的片內RAM得以充分利用。

52子系列單片機片內RAM有256個單元，前兩個區的單元數與地址都與51子系列的一致，用戶RAM區卻為30H～0FFH，有208個單元。對于片內RAM區的字節地址80H～0FFH的區域，只能采用間接尋址方式進行訪問。

（4）堆棧和堆棧指針

堆棧是按先進后出的原則進行讀寫的特殊RAM區域。MCS-51單片機的堆棧區是不固定的，原則上可以在內部RAM的任何區域內。實際應用中要根據對片內RAM各功能區的使用情況靈活設置，但應避開工作寄存器區、位尋址區和用戶實際使用的數據區。

系統復位后，SP初始化為07H，所以第一個壓入堆棧的數據存放在08H單元，即堆棧區是從07H單元開始的一部分連續存儲單元。在編程時用戶應將堆棧區設定在30H單元以上，如通過指令：

            MOV     SP，#60H

將堆棧區設定在從片內RAM60H開始的一部分連續單元。

3.3.3 特殊功能寄存器

特殊功能寄存器（SFR，Special Function Registers），又稱為專用寄存器，專用于控制、管理片內算術邏輯部件、并行I/O接口、串行I/O接口、定時器/計數器、中斷系統等功能模塊的工作。用戶在編程時可以置數設置，卻不能自由地移作它用。各專用寄存器（PC例外）與片內RAM統一編址，且作為直接尋址字節可直接尋址。除PC外，51子系列單片機共有18個專用寄存器，其中3個為雙字節寄存器，共占用21B；52子系列有21個專用寄存器，其中5個為雙字節寄存器，共占用26B。按地址排列的各個特殊功能寄存器名稱、表示符、地址如表3-5所示。

其中有12個專用寄存器可以位尋址，它們字節地址的低半字節為0H或8H（即可位尋址的特殊功能寄存器字節地址具有能被8整除的特征）。在表3-6中列出了這些位的位地址與位名稱。

注意，在SFR塊地址空間80H～0FFH中，僅有21個（51子系列）或26個（52子系列）字節作為特殊功能寄存器離散分布在這128個字節范圍內，其余字節無意義，用戶不能對這些字節進行讀/寫操作。若對其進行訪問，則將得到一個不確定的隨機數，因而是沒有意義的。

用戶在使用特殊功能寄存器時，不需要記住特殊功能寄存器及其位的地址，只要記住特殊功能寄存器及位的名稱就可以了，操作時對其名字進行操作。