MCS51單片機(jī)存儲器結(jié)構(gòu)

MCS-51單片機(jī)存儲器結(jié)構(gòu)

MCS-51的存儲器可分為四類： 程序存儲器 一個微處理器能夠聰明地執(zhí)行某種任務(wù)，除了它們強(qiáng)大的硬件外，還需要它們運(yùn)行的軟件，其實微處理器并不聰明，它們只是完全按照人們預(yù)先編寫的程序而執(zhí)行之。那么設(shè)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(dāng)于給微處理器處理問題的一系列命令。其實程序和數(shù)據(jù)一樣，都是由機(jī)器碼組成的代碼串。只是程序代碼則存放于程序存儲器中。 MCS-51具有64kB程序存儲器尋址空間，它是用于存放用戶程序、數(shù)據(jù)和表格等信息。對于內(nèi)部無ROM的8031單片機(jī)，它的程序存儲器必須外接，空間地址為64kB，此時單片機(jī)的 端必須接地。強(qiáng)制CPU從外部程序存儲器讀取程序。對于內(nèi)部有ROM的8051等單片機(jī)，正常運(yùn)行時， 則需接高電平，使CPU先從內(nèi)部的程序存儲中讀取程序，當(dāng)PC值超過內(nèi)部ROM的容量時，才會轉(zhuǎn)向外部的程序存儲器讀取程序。 8051片內(nèi)有4kB的程序存儲單元，其地址為0000H—0FFFH，單片機(jī)啟動復(fù)位后，程序計數(shù)器的內(nèi)容為0000H，所以系統(tǒng)將從0000H單元開始執(zhí)行程序。但在程序存儲中有些特殊的單元，這在使用中應(yīng)加以注意： 其中一組特殊是0000H—0002H單元，系統(tǒng)復(fù)位后，PC為0000H，單片機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行程序，如果程序不是從0000H單元開始，則應(yīng)在這三個單元中存放一條無條件轉(zhuǎn)移指令，讓CPU直接去執(zhí)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(qū)。 000BH—0012H定時/計數(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/計數(shù)器1中斷地址區(qū)。 0023H—002AH串行中斷地址區(qū)。 可見以上的40個單元是專門用于存放中斷處理程序的地址單元，中斷響應(yīng)后，按中斷的類型，自動轉(zhuǎn)到各自的中斷區(qū)去執(zhí)行程序。因此以上地址單元不能用于存放程序的其他內(nèi)容，只能存放中斷服務(wù)程序。但是通常情況下，每段只有8個地址單元是不能存下完整的中斷服務(wù)程序的，因而一般也在中斷響應(yīng)的地址區(qū)安放一條無條件轉(zhuǎn)移指令，指向程序存儲器的其它真正存放中斷服務(wù)程序的空間去執(zhí)行,這樣中斷響應(yīng)后，CPU讀到這條轉(zhuǎn)移指令，便轉(zhuǎn)向其他地方去繼續(xù)執(zhí)行中斷服務(wù)程序。 數(shù)據(jù)存儲器 數(shù)據(jù)存儲器也稱為隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器。MCS-51單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲器在物理上和邏輯上都分為兩個地址空間，一個是內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲區(qū)和一個外部數(shù)據(jù)存儲區(qū)。MCS-51內(nèi)部RAM有128或256個字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)存儲（不同的型號有分別），它們是用于存放執(zhí)行的中間結(jié)果和過程數(shù)據(jù)的。MCS-51的數(shù)據(jù)存儲器均可讀寫，部分單元還可以位尋址。

8051內(nèi)部RAM共有256個單元，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(jié)）為用戶數(shù)據(jù)RAM。從80H—FFH地址單元（也是128個字節(jié)）為特殊寄存器（SFR）單元。從圖1中可清楚地看出它們的結(jié)構(gòu)分布。 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(qū)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(tài)字寄存器（PSW）來管理它們，CPU只要定義這個寄存的PSW的第3和第4位（RS0和RS1），即可選中這四組通用寄存器。對應(yīng)的編碼關(guān)系如圖2所示。

內(nèi)部RAM的20H—2FH單元為位尋址區(qū)，既可作為一般單元用字節(jié)尋址，也可對它們的位進(jìn)行尋址。位尋址區(qū)共有16個字節(jié)，128個位，位地址為00H—7FH。位地址分配如表1所示，CPU能直接尋址這些位，執(zhí)行例如置“1”、清“0”、求“反”、轉(zhuǎn)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(qū)。

表1RAM位尋址區(qū)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	08H
20H	07H	06H	05H	04H	03H	02H	01H	00H

特殊功能寄存器 特殊功能寄存器（SFR）也稱為專用寄存器，特殊功能寄存器反映了MCS-51單片機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。很多功能也通過特殊功能寄存器來定義和控制程序的執(zhí)行。 MCS-51有21個特殊功能寄存器，它們被離散地分布在內(nèi)部RAM的80H—FFH地址中，這些寄存的功能已作了專門的規(guī)定，用戶不能修改其結(jié)構(gòu)。表2是特殊功能寄存器分布一覽表，我們對其主要的寄存器作一些簡單的介紹。

程序計數(shù)器PC(program Counter) 程序計數(shù)器在物理上是獨(dú)立的，它不屬于特殊內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器塊中。PC是一個16位的計數(shù)器，用于存放一條要執(zhí)行的指令地址，尋址范圍為64kB，PC有自動加1功能，即完成了一條指令的執(zhí)行后，其內(nèi)容自動加1。PC本身并沒有地址，因而不可尋址，用戶無法對它進(jìn)行讀寫，但是可以通過轉(zhuǎn)移、調(diào)用、返回等指令改變其內(nèi)容，以控制程序按我們的要求去執(zhí)行。 累加器ACC(Accumulator) 累加器A是一個最常用的專用寄存器，大部分單操作指令的一個操作數(shù)取自累加器，很多雙操作數(shù)指令中的一個操作數(shù)也取自累加器。加、減、乘、除法運(yùn)算的指令，運(yùn)算結(jié)果都存放于累加器A或AB累加器對中。大部分的數(shù)據(jù)操作都會通過累加器A進(jìn)行，它形象于一個交通要道，在程序比較復(fù)雜的運(yùn)算中，累加器成了制約軟件效率的“瓶頸”，它的功能較多，地位也十分重要。以至于后來發(fā)展的單片機(jī)，有的集成了多累加器結(jié)構(gòu)，或者使用寄存器陣列來代替累加器，即賦予更多寄存器以累加器的功能，目的是解決累加器的“交通堵塞”問題。提高單片機(jī)的軟件效率。

表2特殊功能寄存器 標(biāo)識符號 地址 寄存器名稱 ACC 0E0H 累加器 B 0F0H B寄存器 PSW 0D0H 程序狀態(tài)字 SP 81H 堆棧指針 DPTR 82H、83H 數(shù)據(jù)指針（16位）含DPL和DPH IE 0A8H 中斷允許控制寄存器 IP 0B8H 中斷優(yōu)先控制寄存器 P0 80H I/O口0寄存器 P1 90H I/O口1寄存器 P2 0A0H I/O口2寄存器 P3 0B0H I/O口3寄存器 PCON 87H 電源控制及波特率選擇寄存器 SCON 98H 串行口控制寄存器 SBUF 99H 串行數(shù)據(jù)緩沖寄存器 TCON 88H 定時控制寄存器 TMOD 89H 定時器方式選擇寄存器 TL0 8AH 定時器0低8位 TH0 8CH 定時器0高8位 TL1 8BH 定時器1低8位 TH1 8DH 定時器1高8位

寄存器B 在乘除法指令中，乘法指令中的兩個操作數(shù)分別取自累加器A和寄存器B，其結(jié)果存放于AB寄存器對中。除法指令中，被除數(shù)取自累加器A，除數(shù)取自寄存器B，結(jié)果商存放于累加器A，余數(shù)存放于寄存器B中。 程序狀態(tài)字(Program Status Word) 程序狀態(tài)字是一個8位寄存器，用于存放程序運(yùn)行的狀態(tài)信息，這個寄存器的一些位可由軟件設(shè)置，有些位則由硬件運(yùn)行時自動設(shè)置的。寄存器的各位定義如下，其中PSW.1是保留位，未使用。下表是它的功能說明，并對各個位的定義介紹如下：

表3程序狀態(tài)字
位序	PSW.7	PSW.6	PSW.5	PSW.4	PSW.3	PSW.2	PSW.1	PSW.0
位標(biāo)志	CY	AC	F0	RS1	RS0	OV	-	P

PSW.7（CY）進(jìn)位標(biāo)志位，此位有兩個功能：一是存放執(zhí)行某寫算數(shù)運(yùn)算時，存放進(jìn)位標(biāo)志，可被硬件或軟件置位或清零。二是在位操作中作累加位使用。 PSW.6（AC）輔助進(jìn)位標(biāo)志位，當(dāng)進(jìn)行加、減運(yùn)算時當(dāng)有低4位向高4位進(jìn)位或借位時，AC置位，否則被清零。AC輔助進(jìn)位位也常用于十進(jìn)制調(diào)整。 PSW.5（F0）用戶標(biāo)志位，供用戶設(shè)置的標(biāo)志位。 PSW.4、PSW.3（RS1和 RS0）寄存器組選擇位。可參見本章的圖2定義。 PSW.2（OV）溢出標(biāo)志。帶符號加減運(yùn)算中，超出了累加器A所能表示的符號數(shù)有效范圍（-128—+127）時，即產(chǎn)生溢出，OV=1。表明運(yùn)算運(yùn)算結(jié)果錯誤。如果OV=0，表明運(yùn)算結(jié)果正確。 執(zhí)行加法指令A(yù)DD時，當(dāng)位6向位7進(jìn)位，而位7不向C進(jìn)位時，OV=1?；蛘呶?不向位7進(jìn)位，而位7向C進(jìn)位時，同樣OV=1。 除法指令，乘積超過255時，OV=1。表面乘積在AB寄存器對中。若OV=0，則說明乘積沒有超過255，乘積只在累加器A中。 除法指令，OV=1，表示除數(shù)為0，運(yùn)算不被執(zhí)行。否則OV=0。 PSW.0（P）奇偶校驗位。聲明累加器A的奇偶性，每個指令周期都由硬件來置位或清零，若值為1的位數(shù)奇數(shù)，則P置位，否則清零。

數(shù)據(jù)指針(DPTR) 數(shù)據(jù)指針為16位寄存器，編程時，既可以按16位寄存器來使用，也可以按兩個8位寄存器來使用，即高位字節(jié)寄存器DPH和低位字節(jié)DPL。 DPTR主要是用來保存16位地址，當(dāng)對64kB外部數(shù)據(jù)存儲器尋址時，可作為間址寄存器使用，此時，使用如下兩條指令： MOVXA,@DPTR MOVX@DPTR,A 在訪問程序存儲器時，DPTR可用來作基址寄存器，采用基址+變址尋址方式訪問程序存儲器，這條指令常用于讀取程序存儲器內(nèi)的表格數(shù)據(jù)。 MOVCA,@A+@DPTR 堆棧指針SP(Stack Pointer) 堆棧是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它是一個8位寄存器，它指示堆棧頂部在內(nèi)部RAM中的位置。系統(tǒng)復(fù)位后，SP的初始值為07H，使得堆棧實際上是從08H開始的。但我們從RAM的結(jié)構(gòu)分布中可知，08H—1FH隸屬1—3工作寄存器區(qū)，若編程時需要用到這些數(shù)據(jù)單元，必須對堆棧指針SP進(jìn)行初始化，原則上設(shè)在任何一個區(qū)域均可，但一般設(shè)在30H—1FH之間較為適宜。

數(shù)據(jù)的寫入堆棧我們稱為入棧（PUSH，有些文獻(xiàn)也稱作插入運(yùn)算或壓入），從堆棧中取出數(shù)據(jù)稱為出棧（POP，也稱為刪除運(yùn)算或彈出），堆棧的最主要特征是“后進(jìn)先出”規(guī)則，也即最先入棧的數(shù)據(jù)放在堆棧的最底部，而最后入棧的數(shù)據(jù)放在棧的頂部，因此，最后入棧的數(shù)據(jù)出棧時則是最先的。這和我們往一個箱里存放書本一樣，需將最先放入箱底部的書取出，必須先取走最上層的書籍。這個道理非常相似。 那么堆棧有何用途呢？堆棧的設(shè)立是為了中斷操作和子程序的調(diào)用而用于保存數(shù)據(jù)的，即常說的斷點(diǎn)保護(hù)和現(xiàn)場保護(hù)。微處理器無論是在轉(zhuǎn)入子程序和中斷服務(wù)程序的執(zhí)行，執(zhí)行完后，還是要回到主程序中來，在轉(zhuǎn)入子程序和中斷服務(wù)程序前，必須先將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存起來，否則返回時，CPU并不知道原來的程序執(zhí)行到哪一步，原來的中間結(jié)果如何？所以在轉(zhuǎn)入執(zhí)行其它子程序前，先將需要保存的數(shù)據(jù)壓入堆棧中保存。以備返回時，再復(fù)原當(dāng)時的數(shù)據(jù)。供主程序繼續(xù)執(zhí)行。

轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序或子程序時，需要保存的數(shù)據(jù)可能有若干個，都需要一一地保留。如果微處理器進(jìn)行多重子程序或中斷服務(wù)程序嵌套，那么需保存的數(shù)據(jù)就更多，這要求堆棧還需要有相當(dāng)?shù)娜萘?。否則會造成堆棧溢出，丟失應(yīng)備份的數(shù)據(jù)。輕者使運(yùn)算和執(zhí)行結(jié)果錯誤，重則使整個程序紊亂。 MCS-51的堆棧是在RAM中開辟的，即堆棧要占據(jù)一定的RAM存儲單元。同時MCS-51的堆棧可以由用戶設(shè)置，SP的初始值不同，堆棧的位置則不一定，不同的設(shè)計人員，使用的堆棧區(qū)則不同，不同的應(yīng)用要求，堆棧要求的容量也有所不同。堆棧的操作只有兩種，即進(jìn)棧和出棧，但不管是向堆棧寫入數(shù)據(jù)還是從堆棧中讀出數(shù)據(jù)，都是對棧頂單元進(jìn)行的，SP就是即時指示出棧頂?shù)奈恢茫吹刂罚?。在子程序調(diào)用和中斷服務(wù)程序響應(yīng)的開始和結(jié)束期間，CPU都是根據(jù)SP指示的地址與相應(yīng)的RAM存儲單元交換數(shù)據(jù)。 堆棧的操作有兩種方法：其一是自動方式，即在中斷服務(wù)程序響應(yīng)或子程序調(diào)用時，返回地址自動進(jìn)棧。當(dāng)需要返回執(zhí)行主程序時，返回的地址自動交給PC，以保證程序從斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行，這種方式是不需要編程人員干預(yù)的。第二種方式是人工指令方式，使用專有的堆棧操作指令進(jìn)行進(jìn)出棧操作，也只有兩條指令：進(jìn)棧為PUSH指令，在中斷服務(wù)程序或子程序調(diào)用時作為現(xiàn)場保護(hù)。出棧操作POP指令，用于子程序完成時，為主程序恢復(fù)現(xiàn)場。 I/O口專用寄存器(P0、P1、P2、P3) I/O口寄存器P0、P1、P2和P3分別是MCS-51單片機(jī)的四組I/O口鎖存器。MCS-51單片機(jī)并沒有專門的I/O口操作指令，而是把I/O口也當(dāng)作一般的寄存器來使用，數(shù)據(jù)傳送都統(tǒng)一使用MOV指令來進(jìn)行，這樣的好處在于，四組I/O口還可以當(dāng)作寄存器直接尋址方式參與其他操作。 定時/計數(shù)器(TL0、TH0、TL1和TH1) MCS-51單片機(jī)中有兩個16位的定時/計數(shù)器T0和T1，它們由四個8位寄存器組成的，兩個16位定時/計數(shù)器卻是完全獨(dú)立的。我們可以單獨(dú)對這四個寄存器進(jìn)行尋址，但不能把T0和T1當(dāng)作16位寄存來使用。 定時/計數(shù)器方式選擇寄存器(TMOD) TMOD寄存器是一個專用寄存器，用于控制兩個定時計數(shù)器的工作方式，TMOD可以用字節(jié)傳送指令設(shè)置其內(nèi)容，但不能位尋址，各位的定義如下，更詳細(xì)的內(nèi)容，我們將在《MCS-51定時器和中斷系統(tǒng)》章節(jié)中敘述。

表4定時/計數(shù)器工作方式控制寄存器TMOD
位序	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
位標(biāo)志	GATE		M1	M0	GATE		M1	M0
	定時/計數(shù)器1				定時/計數(shù)器0

串行數(shù)據(jù)緩沖器(SBUF) 串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF用來存放需發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，它由兩個獨(dú)立的寄存器組成，一個是發(fā)送緩沖器，另一個是接收緩沖器，要發(fā)送和接收的操作其實都是對串行數(shù)據(jù)緩沖器進(jìn)行。 其他控制寄存器(TMOD) 除了以上我們簡述的幾個專用寄存外，還有IP、IE、TCON、SCON和PCON等幾個寄存器，這幾個控制寄存器主要用于中斷和定時的，我們將在《MCS-51定時器和中斷系統(tǒng)》中詳細(xì)說明。