工作后才理解的那些51單片機(jī)存儲(chǔ)原理

對于電子設(shè)計(jì)類的學(xué)生來說，其實(shí)在學(xué)校很難通過實(shí)例來理解51單片機(jī)的存儲(chǔ)原理。因?yàn)閷W(xué)校的課程很少用到外擴(kuò)ROM/RAM，大多會(huì)采用C語言來進(jìn)行語言編程。很多人是在工作后才實(shí)際接觸到51單片機(jī)的IP核，才對存儲(chǔ)原理以及數(shù)據(jù)空間有了較為清晰的認(rèn)識。在本文當(dāng)中，小編就將為大家介紹51單片機(jī)是如何實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的。

MCS-51使用哈弗結(jié)構(gòu)，它的程序空間和數(shù)據(jù)空間是分開編址的，即各自有各自的地址空間，互不重疊。所以即使地址一樣，但因?yàn)榉珠_編址，所以依然要說哪一個(gè)空間內(nèi)的某地址。而ARM(甚至是x86)這種馮諾依曼結(jié)構(gòu)的MCU/CPU，它的地址空間是統(tǒng)一并且連續(xù)的，代碼存儲(chǔ)器/RAM/CPU寄存器，甚至PC機(jī)的顯存，都是統(tǒng)一編址的，只是不同功能的存儲(chǔ)器占據(jù)不同的地址塊，各自為政。

對于51單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器，有片內(nèi)和片外兩部分。而且無論片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，還是片外程序存儲(chǔ)器，他們的地址是共享的。如果片內(nèi)為4kROM，地址就是0x0000-0x0FFF，從0x1000-0xFFFF就是外部ROM的地址空間。可外部ROM的0x0000-0x0FFF的這一部分是否被使用呢?這取決于單片機(jī)EA引腳的電平值。EA=1時(shí)就是使用內(nèi)部ROM的這一部分，外部ROM的這一部分浪費(fèi)不用;EA=0時(shí)就是使用外部ROM的這一部分，內(nèi)部ROM浪費(fèi)不用。從CODE段讀取數(shù)據(jù)要使用匯編的MOVC指令，單片機(jī)會(huì)根據(jù)MOVC指令、EA狀態(tài)、要讀取的地址值，來自動(dòng)地判斷從什么存儲(chǔ)器里取數(shù)據(jù)。

對于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，則分為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(IDATA/RAM)和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(XDATA)兩個(gè)部分，但這兩個(gè)存儲(chǔ)器就不像code存儲(chǔ)器那樣共享地址空間的了。一般的8051芯片，內(nèi)部RAM只有128B，從0x00-0x7F，而從0x80-0xFF則是SFR(CPU工作寄存器和各種外設(shè)寄存器都在此)的區(qū)域。對于8052來說，內(nèi)部RAM有256B，所以0x80-0xFF是高128B的RAM在使用?？蛇@部分不是SFR專用的嗎?是SFR專用，但注意，SFR的訪問只能使用“直接尋址方式”(使用特定的匯編指令來實(shí)現(xiàn))，區(qū)別就在這里。只有通過直接尋址訪問的地址才是SFR，否則就是普通的RAM。至于外擴(kuò)的RAM(XDATA)，地址也是從0x0000-0xFFFF的，而且這里的0x0000和內(nèi)部RAM的0x00是不同的，是完全獨(dú)立的兩個(gè)空間。他們的訪問方法也是不同的。MCS-51使用MOVX指令，來讀寫XDATA區(qū)。而且，訪問XDATA區(qū)，是需要DPTR寄存器來輔助的。因?yàn)橹挥蠨PTR才能裝得下十六位的XDATA地址。

所以MCS-51讀寫IDATA區(qū)的速度是最快的，而且訪問方法也是最多的。訪問XDATA區(qū)的速度相對就要慢很多。MCS-51的堆棧要優(yōu)先開辟在IDATA區(qū)中，并且在IDATA區(qū)中開辟的堆棧，可以使用棧指針寄存器SP來控制。如果棧實(shí)在太大，只能開辟在XDATA區(qū)中，那么CPU的SP寄存器就很難借力，只能由開發(fā)者來構(gòu)造堆棧結(jié)構(gòu)和堆棧指針。既然外部程序空間和數(shù)據(jù)空間都是0-64K(0x0000-0xFFFF)，那么實(shí)際上可以為了省事/方便改寫程序等原因，外部的CODE和DATA就可以共用一個(gè)可擦寫存儲(chǔ)器了(比如各種RAM什么可擦可寫的)。

比如系統(tǒng)有64K的外擴(kuò)MEMORY，低32K我用作保存CODE，并讓單片機(jī)在這32K之中讀取程序運(yùn)行，高32K時(shí)作為用戶數(shù)據(jù)的保存處是完全可以的。只是此時(shí)本來完全獨(dú)立的CODE和DATA空間，因?yàn)樵谟布酒瞎灿昧艘粋€(gè)MEMORY，所以他們之間可能互相影響，程序就能自己改寫程序。比如0x0020處是一個(gè)指令，通過MOVX把0x0020處改寫，那么再利用MOVC把0x0020處讀取出來，數(shù)據(jù)就和原來不一樣了。

容易混淆的癥結(jié)在于，單片機(jī)存儲(chǔ)空間是一個(gè)邏輯上的概念，是人為劃分出來的兩個(gè)相互獨(dú)立的空間。而硬件電路上的MEMORY芯片則是現(xiàn)實(shí)中的概念，單片機(jī)的存儲(chǔ)空間最終會(huì)落實(shí)在電路層面的芯片上，所以邏輯上的存儲(chǔ)空間會(huì)因?yàn)槲锢砩系碾娐愤B接而發(fā)生重疊。但是在邏輯層面上，這兩個(gè)空間還是完全獨(dú)立的。

各類存儲(chǔ)空間名稱的定義：

data：固定指前面0x00-0x7f的128個(gè)RAM，可以用a寄存器直接讀寫的，速度最快，生成的代碼也最小。

idata：固定指前面0x00-0xff的256個(gè)RAM，其中前128和data的128完全相同，只是因?yàn)樵L問的方式不同。idata是用類似C中的指針方式訪問的。

xdata：外部擴(kuò)展RAM，一般指外部0x0000-0xffff空間，用DPTR訪問。

pdata：外部擴(kuò)展RAM的低256個(gè)字節(jié)，地址出現(xiàn)在A0-A7的上時(shí)讀寫，用movxACC，@Rx讀寫。這個(gè)比較特殊，而且C51好象有對此BUG，建議少用。

通過以上的介紹，可以看到51單片機(jī)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是其存儲(chǔ)方式還是十分值得開發(fā)者深入研究的。需要注意的是，單片機(jī)的存儲(chǔ)空間是相對于邏輯而言的，是由人們開發(fā)出的獨(dú)立空間，而硬件電路上的MEMORY芯片則是現(xiàn)實(shí)中的概念，兩者在某些時(shí)候容易出現(xiàn)混淆，需要大家特別注意。