MCS-51單片機(jī)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

MCS-51的存儲(chǔ)器可分為四類： 程序存儲(chǔ)器 一個(gè)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(shí)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(jì)人員編寫的程序就存放在微處理器的程序存儲(chǔ)器中，俗稱只讀程序存儲(chǔ)器（ROM）。程序相當(dāng)于給微處理器處理問(wèn)題的一系列命令。其實(shí)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(chǔ)器中。 MCS-51具有64kB程序存儲(chǔ)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(duì)于內(nèi)部無(wú)ROM的8031單片機(jī)，它的程序存儲(chǔ)器必須外接，空間地址為64kB，此時(shí)單片機(jī)的端必須接地。強(qiáng)制CPU從外部程序存儲(chǔ)器讀取程序。對(duì)于內(nèi)部有ROM的8051等單片機(jī)，正常運(yùn)行時(shí)，則需接高電平，使CPU先從內(nèi)部的程序存儲(chǔ)中讀取程序，當(dāng)PC值超過(guò)內(nèi)部ROM的容量時(shí)，才會(huì)轉(zhuǎn)向外部的程序存儲(chǔ)器讀取程序。 8051片內(nèi)有4kB的程序存儲(chǔ)單元，其地址為0000H—0FFFH，單片機(jī)啟動(dòng)復(fù)位后，程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容為0000H，所以系統(tǒng)將從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。但在程序存儲(chǔ)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(kāi)始執(zhí)行程序，如果程序不是從0000H單元開(kāi)始，則應(yīng)在這三個(gè)單元中存放一條無(wú)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(gè)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(shí)/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)/計(jì)數(shù)器1中斷地址區(qū)。 0023H—002AH串行中斷地址區(qū)。 可見(jiàn)以上的40個(gè)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(dòng)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(gè)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(wú)條件轉(zhuǎn)移指令，指向程序存儲(chǔ)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(chǔ)器 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器也稱為隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。MCS-51單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在物理上和邏輯上都分為兩個(gè)地址空間，一個(gè)是內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)和一個(gè)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。MCS-51內(nèi)部RAM有128或256個(gè)字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（不同的型號(hào)有分別），它們是用于存放執(zhí)行的中間結(jié)果和過(guò)程數(shù)據(jù)的。MCS-51的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器均可讀寫，部分單元還可以位尋址。

8051內(nèi)部RAM共有256個(gè)單元，這256個(gè)單元共分為兩部分。其一是地址從00H—7FH單元（共128個(gè)字節(jié)）為用戶數(shù)據(jù)RAM。從80H—FFH地址單元（也是128個(gè)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(gè)單元中被均勻地分為四塊，每塊包含八個(gè)8位寄存器，均以R0—R7來(lái)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(gè)寄存器——程序狀態(tài)字寄存器（PSW）來(lái)管理它們，CPU只要定義這個(gè)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(duì)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(duì)它們的位進(jìn)行尋址。位尋址區(qū)共有16個(gè)字節(jié)，128個(gè)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(chǔ)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(guò)特殊功能寄存器來(lái)定義和控制程序的執(zhí)行。 MCS-51有21個(gè)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(duì)其主要的寄存器作一些簡(jiǎn)單的介紹。

程序計(jì)數(shù)器PC(program Counter) 程序計(jì)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(chǔ)器塊中。PC是一個(gè)16位的計(jì)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(dòng)加1功能，即完成了一條指令的執(zhí)行后，其內(nèi)容自動(dòng)加1。PC本身并沒(méi)有地址，因而不可尋址，用戶無(wú)法對(duì)它進(jìn)行讀寫，但是可以通過(guò)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(gè)最常用的專用寄存器，大部分單操作指令的一個(gè)操作數(shù)取自累加器，很多雙操作數(shù)指令中的一個(gè)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(duì)中。大部分的數(shù)據(jù)操作都會(huì)通過(guò)累加器A進(jìn)行，它形象于一個(gè)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(lái)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(lái)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(wèn)題。提高單片機(jī)的軟件效率。

表2特殊功能寄存器 標(biāo)識(shí)符號(hào) 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(shí)控制寄存器 TMOD 89H 定時(shí)器方式選擇寄存器 TL0 8AH 定時(shí)器0低8位 TH0 8CH 定時(shí)器0高8位 TL1 8BH 定時(shí)器1低8位 TH1 8DH 定時(shí)器1高8位

寄存器B 在乘除法指令中，乘法指令中的兩個(gè)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(duì)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(gè)8位寄存器，用于存放程序運(yùn)行的狀態(tài)信息，這個(gè)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(shí)自動(dòng)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(shuō)明，并對(duì)各個(gè)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(gè)功能：一是存放執(zhí)行某寫算數(shù)運(yùn)算時(shí)，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(shí)當(dāng)有低4位向高4位進(jìn)位或借位時(shí)，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(jiàn)本章的圖2定義。 PSW.2（OV）溢出標(biāo)志。帶符號(hào)加減運(yùn)算中，超出了累加器A所能表示的符號(hào)數(shù)有效范圍（-128—+127）時(shí)，即產(chǎn)生溢出，OV=1。表明運(yùn)算運(yùn)算結(jié)果錯(cuò)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(shí)，當(dāng)位6向位7進(jìn)位，而位7不向C進(jìn)位時(shí)，OV=1。或者位6不向位7進(jìn)位，而位7向C進(jìn)位時(shí)，同樣OV=1。 除法指令，乘積超過(guò)255時(shí)，OV=1。表面乘積在AB寄存器對(duì)中。若OV=0，則說(shuō)明乘積沒(méi)有超過(guò)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(yàn)位。聲明累加器A的奇偶性，每個(gè)指令周期都由硬件來(lái)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(shí)，既可以按16位寄存器來(lái)使用，也可以按兩個(gè)8位寄存器來(lái)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(lái)保存16位地址，當(dāng)對(duì)64kB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址時(shí)，可作為間址寄存器使用，此時(shí)，使用如下兩條指令： MOVXA,@DPTR MOVX@DPTR,A 在訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器時(shí)，DPTR可用來(lái)作基址寄存器，采用基址+變址尋址方式訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器，這條指令常用于讀取程序存儲(chǔ)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(gè)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(shí)際上是從08H開(kāi)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(shí)需要用到這些數(shù)據(jù)單元，必須對(duì)堆棧指針SP進(jìn)行初始化，原則上設(shè)在任何一個(gè)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(shí)則是最先的。這和我們往一個(gè)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(gè)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(shuō)的斷點(diǎn)保護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)。微處理器無(wú)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(lái)，在轉(zhuǎn)入子程序和中斷服務(wù)程序前，必須先將現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存起來(lái)，否則返回時(shí)，CPU并不知道原來(lái)的程序執(zhí)行到哪一步，原來(lái)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(shí)，再?gòu)?fù)原當(dāng)時(shí)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(shí)，需要保存的數(shù)據(jù)可能有若干個(gè)，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(huì)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(cuò)誤，重則使整個(gè)程序紊亂。 MCS-51的堆棧是在RAM中開(kāi)辟的，即堆棧要占據(jù)一定的RAM存儲(chǔ)單元。同時(shí)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(jì)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(duì)棧頂單元進(jìn)行的，SP就是即時(shí)指示出棧頂?shù)奈恢茫吹刂罚Ｔ谧映绦蛘{(diào)用和中斷服務(wù)程序響應(yīng)的開(kāi)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(chǔ)單元交換數(shù)據(jù)。 堆棧的操作有兩種方法：其一是自動(dòng)方式，即在中斷服務(wù)程序響應(yīng)或子程序調(diào)用時(shí)，返回地址自動(dòng)進(jìn)棧。當(dāng)需要返回執(zhí)行主程序時(shí)，返回的地址自動(dòng)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(shí)作為現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)。出棧操作POP指令，用于子程序完成時(shí)，為主程序恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。 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(méi)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(lái)使用，數(shù)據(jù)傳送都統(tǒng)一使用MOV指令來(lái)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(shí)/計(jì)數(shù)器(TL0、TH0、TL1和TH1) MCS-51單片機(jī)中有兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和T1，它們由四個(gè)8位寄存器組成的，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器卻是完全獨(dú)立的。我們可以單獨(dú)對(duì)這四個(gè)寄存器進(jìn)行尋址，但不能把T0和T1當(dāng)作16位寄存來(lái)使用。 定時(shí)/計(jì)數(shù)器方式選擇寄存器(TMOD) TMOD寄存器是一個(gè)專用寄存器，用于控制兩個(gè)定時(shí)計(jì)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(shí)器和中斷系統(tǒng)》章節(jié)中敘述。

表4定時(shí)/計(jì)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(shí)/計(jì)數(shù)器1				定時(shí)/計(jì)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(lái)存放需發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，它由兩個(gè)獨(dú)立的寄存器組成，一個(gè)是發(fā)送緩沖器，另一個(gè)是接收緩沖器，要發(fā)送和接收的操作其實(shí)都是對(duì)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(jiǎn)述的幾個(gè)專用寄存外，還有IP、IE、TCON、SCON和PCON等幾個(gè)寄存器，這幾個(gè)控制寄存器主要用于中斷和定時(shí)的，我們將在《MCS-51定時(shí)器和中斷系統(tǒng)》中詳細(xì)說(shuō)明。