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MCS-51单片机存储器结构

MCS-51的存储器可分为四类:

     程序存储器
    一个微处理器能够聪明地执行某种任务,除了它们强大的硬件外,还需要它们运行的软件,其实微处理器并不聪明,它们只是完全按照人们预先编写的程序而执行之。那么设计人员编写的程序就存放在微处理器的程序存储器中,俗称只读程序存储器(ROM)。程序相当于给微处理器处理问题的一系列命令。其实程序和数据一样,都是由机器码组成的代码串。只是程序代码则存放于程序存储器中。

    MCS-51具有64kB程序存储器寻址空间,它是用于存放用户程序、数据和表格等信息。对于内部无ROM的8031单片机,它的程序存储器必须外接,空间地址为64kB,此时单片机的端必须接地。强制CPU从外部程序存储器读取程序。对于内部有ROM的8051等单片机,正常运行时,则需接高电平,使CPU先从内部的程序存储中读取程序,当PC值超过内部ROM的容量时,才会转向外部的程序存储器读取程序。

    8051片内有4kB的程序存储单元,其地址为0000H—0FFFH,单片机启动复位后,程序计数器的内容为0000H,所以系统将从0000H单元开始执行程序。但在程序存储中有些特殊的单元,这在使用中应加以注意:

    其中一组特殊是0000H—0002H单元,系统复位后,PC为0000H,单片机从0000H单元开始执行程序,如果程序不是从0000H单元开始,则应在这三个单元中存放一条无条件转移指令,让CPU直接去执行用户指定的程序。

    另一组特殊单元是0003H—002AH,这40个单元各有用途,它们被均匀地分为五段,它们的定义如下:

     0003H—000AH  外部中断0中断地址区。

     000BH—0012H  定时/计数器0中断地址区。

     0013H—001AH  外部中断1中断地址区。

     001BH—0022H  定时/计数器1中断地址区。

     0023H—002AH  串行中断地址区。

    可见以上的40个单元是专门用于存放中断处理程序的地址单元,中断响应后,按中断的类型,自动转到各自的中断区去执行程序。因此以上地址单元不能用于存放程序的其他内容,只能存放中断服务程序。但是通常情况下,每段只有8个地址单元是不能存下完整的中断服务程序的,因而一般也在中断响应的地址区安放一条无条件转移指令,指向程序存储器的其它真正存放中断服务程序的空间去执行,这样中断响应后,CPU读到这条转移指令,便转向其他地方去继续执行中断服务程序。

     数据存储器
    数据存储器也称为随机存取数据存储器。MCS-51单片机的数据存储器在物理上和逻辑上都分为两个地址空间,一个是内部数据存储区和一个外部数据存储区。MCS-51内部RAM有128或256个字节的用户数据存储(不同的型号有分别),它们是用于存放执行的中间结果和过程数据的。MCS-51的数据存储器均可读写,部分单元还可以位寻址。
    8051内部RAM共有256个单元,这256个单元共分为两部分。其一是地址从00H—7FH单元(共128个字节)为用户数据RAM。从80H—FFH地址单元(也是128个字节)为特殊寄存器(SFR)单元。从图1中可清楚地看出它们的结构分布。

    在00H—1FH共32个单元中被均匀地分为四块,每块包含八个8位寄存器,均以R0—R7来命名,我们常称这些寄存器为通用寄存器。这四块中的寄存器都称为R0—R7,那么在程序中怎么区分和使用它们呢?聪明的INTEL工程师们又安排了一个寄存器——程序状态字寄存器(PSW)来管理它们,CPU只要定义这个寄存的PSW的第3和第4位(RS0和RS1),即可选中这四组通用寄存器。对应的编码关系如图2所示。

内部数据存储器的配置
内部数据存储器的配置    内部RAM的20H—2FH单元为位寻址区,既可作为一般单元用字节寻址,也可对它们的位进行寻址。位寻址区共有16个字节,128个位,位地址为00H—7FH。位地址分配如表1所示,CPU能直接寻址这些位,执行例如置“1”、清“0”、求“反”、转移,传送和逻辑等操作。我们常称MCS-51具有布尔处理功能,布尔处理的存储空间指的就是这些为寻址区。
1  RAM位寻址区地址表
单元地址MSB        位地址        LSB
2FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H
2EH77H76H75H74H73H72H71H70H
2DH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H
2CH67H66H65H64H63H62H61H60H
2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H
2AH57H56H55H54H53H52H51H50H
29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H
28H47H46H45H44H43H42H41H40H
27H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H
26H37H36H35H34H33H32H31H30H
25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H
24H27H26H25H24H23H22H21H20H
23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H
22H17H16H15H14H13H12H11H10H
21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H
20H07H06H05H04H03H02H01H00H

     特殊功能寄存器
    特殊功能寄存器(SFR)也称为专用寄存器,特殊功能寄存器反映了MCS-51单片机的运行状态。很多功能也通过特殊功能寄存器来定义和控制程序的执行。

    MCS-51有21个特殊功能寄存器,它们被离散地分布在内部RAM的80H—FFH地址中,这些寄存的功能已作了专门的规定,用户不能修改其结构。表2是特殊功能寄存器分布一览表,我们对其主要的寄存器作一些简单的介绍。

    程序计数器PC(program Counter)
    程序计数器在物理上是独立的,它不属于特殊内部数据存储器块中。PC是一个16位的计数器,用于存放一条要执行的指令地址,寻址范围为64kB,PC有自动加1功能,即完成了一条指令的执行后,其内容自动加1。PC本身并没有地址,因而不可寻址,用户无法对它进行读写,但是可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容,以控制程序按我们的要求去执行。

    累加器ACC(Accumulator)
    累加器A是一个最常用的专用寄存器,大部分单操作指令的一个操作数取自累加器,很多双操作数指令中的一个操作数也取自累加器。加、减、乘、除法运算的指令,运算结果都存放于累加器A或AB累加器对中。大部分的数据操作都会通过累加器A进行,它形象于一个交通要道,在程序比较复杂的运算中,累加器成了制约软件效率的“瓶颈”,它的功能较多,地位也十分重要。以至于后来发展的单片机,有的集成了多累加器结构,或者使用寄存器阵列来代替累加器,即赋予更多寄存器以累加器的功能,目的是解决累加器的“交通堵塞”问题。提高单片机的软件效率。

2   特殊功能寄存器
标识符号地址寄存器名称
ACC0E0H累加器
B0F0HB寄存器
PSW0D0H程序状态字
SP81H堆栈指针
DPTR82H、83H数据指针(16位)含DPL和DPH
IE0A8H中断允许控制寄存器
IP0B8H中断优先控制寄存器
P080HI/O口0寄存器
P190HI/O口1寄存器
P20A0HI/O口2寄存器
P30B0HI/O口3寄存器
PCON87H电源控制及波特率选择寄存器
SCON98H串行口控制寄存器
SBUF99H串行数据缓冲寄存器
TCON88H定时控制寄存器
TMOD89H定时器方式选择寄存器
TL08AH定时器0低8位
TH08CH定时器0高8位
TL18BH定时器1低8位
TH18DH定时器1高8位
     寄存器B
    在乘除法指令中,乘法指令中的两个操作数分别取自累加器A和寄存器B,其结果存放于AB寄存器对中。除法指令中,被除数取自累加器A,除数取自寄存器B,结果商存放于累加器A,余数存放于寄存器B中。

     程序状态字(Program Status Word)
    程序状态字是一个8位寄存器,用于存放程序运行的状态信息,这个寄存器的一些位可由软件设置,有些位则由硬件运行时自动设置的。寄存器的各位定义如下,其中PSW.1是保留位,未使用。下表是它的功能说明,并对各个位的定义介绍如下:

3   程序状态字
位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0
位标志CYACF0RS1RS0OV-P

     PSW.7(CY) 进位标志位,此位有两个功能:一是存放执行某写算数运算时,存放进位标志,可被硬件或软件置位或清零。二是在位操作中作累加位使用。

     PSW.6(AC) 辅助进位标志位,当进行加、减运算时当有低4位向高4位进位或借位时,AC置位,否则被清零。AC辅助进位位也常用于十进制调整。

     PSW.5(F0) 用户标志位,供用户设置的标志位。

     PSW.4、PSW.3(RS1和 RS0) 寄存器组选择位。可参见本章的图2定义。

     PSW.2(OV) 溢出标志。带符号加减运算中,超出了累加器A所能表示的符号数有效范围(-128—+127)时,即产生溢出,OV=1。表明运算运算结果错误。如果OV=0,表明运算结果正确。
    执行加法指令ADD时,当位6向位7进位,而位7不向C进位时,OV=1。或者位6不向位7进位,而位7向C进位时,同样OV=1。
    除法指令,乘积超过255时,OV=1。表面乘积在AB寄存器对中。若OV=0,则说明乘积没有超过255,乘积只在累加器A中。
    除法指令,OV=1,表示除数为0,运算不被执行。否则OV=0。

     PSW.0(P) 奇偶校验位。声明累加器A的奇偶性,每个指令周期都由硬件来置位或清零,若值为1的位数奇数,则P置位,否则清零。

     数据指针(DPTR)
    数据指针为16位寄存器,编程时,既可以按16位寄存器来使用,也可以按两个8位寄存器来使用,即高位字节寄存器DPH和低位字节DPL。
    DPTR主要是用来保存16位地址,当对64kB外部数据存储器寻址时,可作为间址寄存器使用,此时,使用如下两条指令:

            MOVX    A, @DPTR
            MOVX    @DPTR, A

    在访问程序存储器时,DPTR可用来作基址寄存器,采用基址+变址寻址方式访问程序存储器,这条指令常用于读取程序存储器内的表格数据。

            MOVC    A, @A+@DPTR

     堆栈指针SP(Stack Pointer)
    堆栈是一种数据结构,它是一个8位寄存器,它指示堆栈顶部在内部RAM中的位置。系统复位后,SP的初始值为07H,使得堆栈实际上是从08H开始的。但我们从RAM的结构分布中可知,08H—1FH隶属1—3工作寄存器区,若编程时需要用到这些数据单元,必须对堆栈指针SP进行初始化,原则上设在任何一个区域均可,但一般设在30H—1FH之间较为适宜。
    数据的写入堆栈我们称为入栈(PUSH,有些文献也称作插入运算或压入),从堆栈中取出数据称为出栈(POP,也称为删除运算或弹出),堆栈的最主要特征是“后进先出”规则,也即最先入栈的数据放在堆栈的最底部,而最后入栈的数据放在栈的顶部,因此,最后入栈的数据出栈时则是最先的。这和我们往一个箱里存放书本一样,需将最先放入箱底部的书取出,必须先取走最上层的书籍。这个道理非常相似。

    那么堆栈有何用途呢?堆栈的设立是为了中断操作和子程序的调用而用于保存数据的,即常说的断点保护和现场保护。微处理器无论是在转入子程序和中断服务程序的执行,执行完后,还是要回到主程序中来,在转入子程序和中断服务程序前,必须先将现场的数据进行保存起来,否则返回时,CPU并不知道原来的程序执行到哪一步,原来的中间结果如何?所以在转入执行其它子程序前,先将需要保存的数据压入堆栈中保存。以备返回时,再复原当时的数据。供主程序继续执行。
堆栈结构图
    转入中断服务程序或子程序时,需要保存的数据可能有若干个,都需要一一地保留。如果微处理器进行多重子程序或中断服务程序嵌套,那么需保存的数据就更多,这要求堆栈还需要有相当的容量。否则会造成堆栈溢出,丢失应备份的数据。轻者使运算和执行结果错误,重则使整个程序紊乱。

    MCS-51的堆栈是在RAM中开辟的,即堆栈要占据一定的RAM存储单元。同时MCS-51的堆栈可以由用户设置,SP的初始值不同,堆栈的位置则不一定,不同的设计人员,使用的堆栈区则不同,不同的应用要求,堆栈要求的容量也有所不同。堆栈的操作只有两种,即进栈和出栈,但不管是向堆栈写入数据还是从堆栈中读出数据,都是对栈顶单元进行的,SP就是即时指示出栈顶的位置(即地址)。在子程序调用和中断服务程序响应的开始和结束期间,CPU都是根据SP指示的地址与相应的RAM存储单元交换数据。

    堆栈的操作有两种方法:其一是自动方式,即在中断服务程序响应或子程序调用时,返回地址自动进栈。当需要返回执行主程序时,返回的地址自动交给PC,以保证程序从断点处继续执行,这种方式是不需要编程人员干预的。第二种方式是人工指令方式,使用专有的堆栈操作指令进行进出栈操作,也只有两条指令:进栈为PUSH指令,在中断服务程序或子程序调用时作为现场保护。出栈操作POP指令,用于子程序完成时,为主程序恢复现场。

    I/O口专用寄存器(P0、P1、P2、P3)
    I/O口寄存器P0、P1、P2和P3分别是MCS-51单片机的四组I/O口锁存器。MCS-51单片机并没有专门的I/O口操作指令,而是把I/O口也当作一般的寄存器来使用,数据传送都统一使用MOV指令来进行,这样的好处在于,四组I/O口还可以当作寄存器直接寻址方式参与其他操作。

     定时/计数器(TL0、TH0、TL1和TH1)
    MCS-51单片机中有两个16位的定时/计数器T0和T1,它们由四个8位寄存器组成的,两个16位定时/计数器却是完全独立的。我们可以单独对这四个寄存器进行寻址,但不能把T0和T1当作16位寄存来使用。

    定时/计数器方式选择寄存器(TMOD)
    TMOD寄存器是一个专用寄存器,用于控制两个定时计数器的工作方式,TMOD可以用字节传送指令设置其内容,但不能位寻址,各位的定义如下,更详细的内容,我们将在《MCS-51定时器和中断系统》章节中叙述。

4   定时/计数器工作方式控制寄存器 TMOD
位序D7D6D5D4D3D2D1D0
位标志GATEM1M0GATEM1M0
定时/计数器1定时/计数器0
   串行数据缓冲器(SBUF)
    串行数据缓冲器SBUF用来存放需发送和接收的数据,它由两个独立的寄存器组成,一个是发送缓冲器,另一个是接收缓冲器,要发送和接收的操作其实都是对串行数据缓冲器进行。

   其他控制寄存器(TMOD)
    除了以上我们简述的几个专用寄存外,还有IP、IE、TCON、SCON和PCON等几个寄存器,这几个控制寄存器主要用于中断和定时的,我们将在《MCS-51定时器和中断系统》中详细说明。