2.3 存 储 器

 

MCS-51系列单片机的存储器组织采用的是哈佛（Harvard）结构，即将程序存储器和数据存储器分开，程序存储器和数据存储器具有各自独立的寻址方式、寻址空间和控制信号。这种结构对于单片机“面向控制”的实际应用较为方便。MCS-51的存储器结构如图2-7所示（内部数据RAM的高128B仅为52子系列单片机拥有，51子系列无）。

MCS-51系列（8031和8032除外）有4个物理上相互独立的存储器空间，即内、外程序存储器和内、外数据存储器。逻辑上分为3个存储空间，即片内外统一编址的64KB的程序存储器地址空间、256B的片内数据存储器及64KB的片外数据存储器地址空间（可扩展数据RAM或I/O接口）。

（c）外部数据存储器空间

（b）内部数据存储器RAM

（a）程序存储器空间

图2-7  MCS-51单片机存储器结构（1）

2.3.1  程序存储器

MCS-51系列中，8031内部没有用于存储程序的ROM存储器，8051和8751有4KB的ROM存储器，地址范围为0000H～0FFFH。无论8031还是8051，都可以外接外部ROM，但片内和片外之和不能超过64KB。8051有64KB的ROM寻址区，其中0000H～0FFFH的4KB地址区可以为片内ROM和片外ROM公用，1000H～FFFFH的60KB地址区为片外ROM所专用。在0000H～0FFFH的4KB地址区，片内ROM可以占用，片外ROM也可以占用，但不能为两者同时占用。为了指示机器的这种占用，器件设计者为用户提供了一个专用的控制引脚EA。若EA接+5V高电平，则机器使用片内4KB ROM；若EA接低电平，则机器自动使用片外ROM，如图2-8（a）所示。由于8031片内无ROM，故它的EA应接地。

图2-8  MCS-51单片机存储器结构（2）

单片机复位后，程序计数器PC的值为0000H，单片机自动从0000H开始取指执行，但要注意0003H～0023H有5个中断入口地址，主程序一般放在0023H之后的存储器单元中。因此，一般都在0000H单元放一条绝对跳转指令，用户程序则从转移后的地址开始执行。以下是5个中断入口地址。

·    0003H：外部中断INT0入口。

·    000BH：定时器T0中断入口。

·    0013H：外部中断INTl入口。

·    001BH：定时器T1中断入口。

·    0023H：串行口中断入口。

2.3.2 内部数据存储器

RAM存储器主要用来存放数据，故它又称为数据存储器。MCS-51的RAM存储器有片内和片外之分：片内RAM共128个，地址范围为00H～7FH，片外RAM共有64KB，地址范围为0000H～FFFFH。因此，MCS-51的RAM的实际存储容量是超过64KB的，如图2-8（b）所示。为了指示机器到片内RAM寻址还是到片外RAM寻址，单片机器件设计者为用户提供了两类不同的传送指令：MOV指令用于片内00H～FFH范围内的寻址，MOVX指令用于片外0000H～FFFFH范围内的寻址。

片内数据存储器的8位地址一共可寻址256个字节单元，51子系列单片机将其分为两个区：00H～7FH的128个单元为片内RAM区，可以读、写任何数据；80H～FFH的高128个单元为专用寄存器区，即为特殊功能寄存器（Special Function Register，SFR）区。

在低128个字节的内部RAM中，前32个单元（地址为00H～1FH）为通用工作寄存器区，共分为4组（寄存器0组、1组、2组、3组），每组8个工作寄存器由R0～R7组成，共占32个单元。选用哪一组由程序状态字PSW中的RS1、RS0这两位的设置决定，见表2-1。这个特点使MCS-51具有快速现场保护功能，能够提高执行程序的效率和响应中断的速率。若程序并不需要4组工作寄存器，那么剩下的工作寄存器可作为一般的存储器来使用。CPU在复位时自动选中0组。

20H～2FH的16个单元为位寻址区，30H～7FH为通用用户RAM区，主要用于存放用户程序的中间数据。

2.3.3  位存储器

如表2-2所示，20H～2FH的16个单元为位寻址区，每个单元8位，共128位，其位地址范围为00H～7FH。位寻址区的每一位都可当作软件触发器，由程序直接进行位处理。程序中通常把各种程序状态标志、位控制变量设在位寻址区。同样，位寻址区的RAM单元也可作为一般的数据存储器按字节单元使用。具体位地址单元如表2-2所示。

表2-2  内部数据存储器中的位地址

续上表

 

2.3.4  特殊功能寄存器SFR

内部RAM的高128个字节（80H～FFH）为特殊功能寄存器SFR区，其中51子系列有21个，52子系列有26个，它们离散地分布在这个区中，分别用于CPU并行口、串行口、中断系统、定时器/计数器等功能单元控制和状态寄存器。这些专用寄存器的地址映像如表2-3所示，除这21个特殊功能寄存器地址之外的其他单元是空闲没用的，不能被访问，在使用时应加以注意。

表2-3  特殊功能寄存器地址及功能表

续上表

注：－表示该位地址无效。

由表2-3可见，在特殊功能寄存器中也有字节地址和位地址这套地址。它们在地址空间上都是80H～FFH，但对字节地址而言只有21个有效，对位地址只有83个是有效的（凡字节地址可被8整除的SFR可位寻址）。

SFR分别属于以下各个功能单元。

·    CPU：ACC、B、PSW、SP、DPTR（由DPH和DPL组成）、PCON。

·    并行口：P0、P1、P2、P3。

·    中断系统：IE、IP。

·    定时器/计数器：TMOD、TCON、T0（由TH0和TL0组成）、T1（由THl和TLl组成）。

·    串行口：SCON、SBUF。

在这21个特殊功能寄存器中，与CPU相关的7个SFR已在上一节作了介绍，这里不再赘述。其他的特殊功能寄存器由于其功能的特殊性，将在有关章节中进行详细介绍。

下面只简单地让读者有一个初步的了解。

（1）I/O端口P0～P3。

特殊功能寄存器组中的P0、P1、P2、P3分别为I/O端口的锁存器，用于I/O端口的读/写操作。

（2）串行口数据缓冲器SBUF。

串行数据缓冲器SBUF用于存放欲发送或已接收的数据，实际上在SBUF中有两个独立的寄存器，一个是发送缓冲器，另一个是接收缓冲器。当数据写入SBUF时，就被送到发送缓冲器中准备发送，而从SBUF读出数据时，则数据一定取自接收缓冲器。

（3）定时器寄存器。

芯片中两个16位定时器/计数器T0和T1，各自由两个独立的8位寄存器组成，分别是：TH0、TL0、TH1、TL1。

（4）控制寄存器。

特殊功能寄存器组中还包含有多个控制寄存器IP、IE、TMOD、TCON、SCON和PCON，它们分别用于中断系统、定时器/计数器、串行通信的控制及工作方式控制。

2.3.5  外部RAM

外部数据存储器又称外部RAM，当片内RAM不能满足数量上的要求时，可通过总线端口和其他I/O口扩展外部数据RAM，其最大容量可达64KB，其结构如图2-8（c）所示。外部数据存储器和内部数据存储器的功能基本相同，但前者不能用于堆栈操作。

必须注意，由于数据存储器与程序存储器地址重叠，且数据存储器的片内外的低字节地址重叠，所以对片内、片外数据存储器的操作使用了不同的指令。对片内RAM读/写数据时，无读/写信号（和）产生；对片外RAM读/写数据时，有读/写信号产生。同样，对程序存储器和数据存储器的操作也是靠不同的控制信号、或来区分的。

另外，在片外数据存储器中，数据区和扩展的I/O口是统一编址的，使用的指令也完全相同，因此用户在应用系统设计时，必须合理地进行外部RAM和I/O端口的地址分配，并保证译码的唯一性。