MCS51單片機存儲器結構
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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，除了它們強大的硬件外，還需要它們運行的軟件，其實微處理器并不聰明，它們只是完全按照人們預先編寫的程序而執(zhí)行之。那么設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。對于內部無ROM的8031單片機，它的程序存儲器必須外接，空間地址為64kB，此時單片機的  端必須接地。強制CPU從外部程序存儲器讀取程序。對于內部有ROM的8051等單片機，正常運行時， 則需接高電平，使CPU先從內部的程序存儲中讀取程序，當PC值超過內部ROM的容量時，才會轉向外部的程序存儲器讀取程序。 8051片內有4kB的程序存儲單元，其地址為0000H—0FFFH，單片機啟動復位后，程序計數(shù)器的內容為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，這在使用中應加以注意： 其中一組特殊是0000H—0002H單元，系統(tǒng)復位后，PC為0000H，單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序，如果程序不是從0000H單元開始，則應在這三個單元中存放一條無條件轉移指令，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，中斷響應后，按中斷的類型，自動轉到各自的中斷區(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容，只能存放中斷服務程序。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程序的，因而一般也在中斷響應的地址區(qū)安放一條無條件轉移指令，指向程序存儲器的其它真正存放中斷服務程序的空間去執(zhí)行,這樣中斷響應后，CPU讀到這條轉移指令，便轉向其他地方去繼續(xù)執(zhí)行中斷服務程序。 數(shù)據(jù)存儲器 數(shù)據(jù)存儲器也稱為隨機存取數(shù)據(jù)存儲器。MCS-51單片機的數(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構分布。 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。對應的編碼關系如圖2所示。 |  |
| 內部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單片機的運行狀態(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，用戶不能修改其結構。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)器在物理上是獨立的，它不屬于特殊內部數(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，用戶無法對它進行讀寫，但是可以通過轉移、調用、返回等指令改變其內容，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、除法運算的指令，運算結果都存放于累加器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進行，它形象于一個交通要道，在程序比較復雜的運算中，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，有的集成了多累加器結構，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。提高單片機的軟件效率。 |
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| 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，用于存放程序運行的狀態(tài)信息，這個寄存器的一些位可由軟件設置，有些位則由硬件運行時自動設置的。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 |
| 位標志 | CY | AC | F0 | RS1 | RS0 | OV | - | P |
| PSW.7（CY）進位標志位，此位有兩個功能：一是存放執(zhí)行某寫算數(shù)運算時，存放進位標志，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）輔助進位標志位，當進行加、減運算時當有低4位向高4位進位或借位時，AC置位，否則被清零。AC輔助進位位也常用于十進制調整。 PSW.5（F0）用戶標志位，供用戶設置的標志位。 PSW.4、PSW.3（RS1和 RS0）寄存器組選擇位?？蓞⒁姳菊碌膱D2定義。 PSW.2（OV）溢出標志。帶符號加減運算中，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。表明運算運算結果錯誤。如果OV=0，表明運算結果正確。 執(zhí)行加法指令ADD時，當位6向位7進位，而位7不向C進位時，OV=1?；蛘呶?不向位7進位，而位7向C進位時，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)結構，它是一個8位寄存器，它指示堆棧頂部在內部RAM中的位置。系統(tǒng)復位后，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的結構分布中可知，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進行初始化，原則上設在任何一個區(qū)域均可，但一般設在30H—1FH之間較為適宜。 |
| 數(shù)據(jù)的寫入堆棧我們稱為入棧（PUSH，有些文獻也稱作插入運算或壓入），從堆棧中取出數(shù)據(jù)稱為出棧（POP，也稱為刪除運算或彈出），堆棧的最主要特征是“后進先出”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？堆棧的設立是為了中斷操作和子程序的調用而用于保存數(shù)據(jù)的，即常說的斷點保護和現(xiàn)場保護。微處理器無論是在轉入子程序和中斷服務程序的執(zhí)行，執(zhí)行完后，還是要回到主程序中來，在轉入子程序和中斷服務程序前，必須先將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行保存起來，否則返回時，CPU并不知道原來的程序執(zhí)行到哪一步，原來的中間結果如何？所以在轉入執(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，再復原當時的數(shù)據(jù)。供主程序繼續(xù)執(zhí)行。 |
| 轉入中斷服務程序或子程序時，需要保存的數(shù)據(jù)可能有若干個，都需要一一地保留。如果微處理器進行多重子程序或中斷服務程序嵌套，那么需保存的數(shù)據(jù)就更多，這要求堆棧還需要有相當?shù)娜萘?。否則會造成堆棧溢出，丟失應備份的數(shù)據(jù)。輕者使運算和執(zhí)行結果錯誤，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?？梢杂捎脩粼O置，SP的初始值不同，堆棧的位置則不一定，不同的設計人員，使用的堆棧區(qū)則不同，不同的應用要求，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)，都是對棧頂單元進行的，SP就是即時指示出棧頂?shù)奈恢茫吹刂罚?。在子程序調用和中斷服務程序響應的開始和結束期間，CPU都是根據(jù)SP指示的地址與相應的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，即在中斷服務程序響應或子程序調用時，返回地址自動進棧。當需要返回執(zhí)行主程序時，返回的地址自動交給PC，以保證程序從斷點處繼續(xù)執(zhí)行，這種方式是不需要編程人員干預的。第二種方式是人工指令方式，使用專有的堆棧操作指令進行進出棧操作，也只有兩條指令：進棧為PUSH指令，在中斷服務程序或子程序調用時作為現(xiàn)場保護。出棧操作POP指令，用于子程序完成時，為主程序恢復現(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單片機的四組I/O口鎖存器。MCS-51單片機并沒有專門的I/O口操作指令，而是把I/O口也當作一般的寄存器來使用，數(shù)據(jù)傳送都統(tǒng)一使用MOV指令來進行，這樣的好處在于，四組I/O口還可以當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)器卻是完全獨立的。我們可以單獨對這四個寄存器進行尋址，但不能把T0和T1當作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)傳送指令設置其內容，但不能位尋址，各位的定義如下，更詳細的內容，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)》中詳細說明。 |
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