MCS-51的存儲器可分為四類,51單片機存儲器詳解
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(wù)，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(yù)先編寫的程序而執(zhí)行之。那么設(shè)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(dāng)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(nèi)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(nèi)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(nèi)部的程序存儲中讀取程序，當(dāng)PC值超過內(nèi)部ROM的容量時，才會轉(zhuǎn)向外部的程序存儲器讀取程序。
8051片內(nèi)有4kB的程序存儲單元，其地址為0000H—0FFFH，單片機啟動復(fù)位后，程序計數(shù)器的內(nèi)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(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(yīng)在這三個單元中存放一條無條件轉(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(yīng)后，按中斷的類型，自動轉(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)安放一條無條件轉(zhuǎn)移指令，指向程序存儲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(nèi)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(nèi)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(jié)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(yīng)的編碼關(guān)系如圖2所示。
內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的配置
內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的配置 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(zhuǎn)移，傳送和邏輯等操作。我們常稱MCS-51具有布爾處理功能，布爾處理的存儲空間指的就是這些為尋址區(qū)。
表1 RAM位尋址區(qū)地址表
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(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(nèi)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(nèi)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(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(jié)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(fù)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(jié)構(gòu)，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。
表2 特殊功能寄存器
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(jié)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(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(shè)置，有些位則由硬件運行時自動設(shè)置的。寄存器的各位定義如下，其中PSW.1是保留位，未使用。下表是它的功能說明，并對各個位的定義介紹如下：
表3 程序狀態(tài)字
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(dāng)進行加、減運算時當(dāng)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(diào)整。
PSW.5(F0) 用戶標志位，供用戶設(shè)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(jié)果錯誤。如果OV=0，表明運算結(jié)果正確。
執(zhí)行加法指令A(yù)DD時，當(dāng)位6向位7進位，而位7不向C進位時，OV=1；蛘呶6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(dāng)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：
MOVX A, @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(nèi)的表格數(shù)據(jù)。
MOVC A, @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，使得堆棧實際上是從08H開始的。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(shè)在任何一個區(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(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，即常說的斷點保護和現(xiàn)場保護。微處理器無論是在轉(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，在轉(zhuǎn)入子程序和中斷服務(wù)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(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，再復(fù)原當(dāng)時的數(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，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(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。否則會造成堆棧溢出，丟失應(yīng)備份的數(shù)據(jù)。輕者使運算和執(zhí)行結(jié)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?即地址)。在子程序調(diào)用和中斷服務(wù)程序響應(yīng)的開始和結(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(wù)程序響應(yīng)或子程序調(diào)用時，返回地址自動進棧。當(dāng)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(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行進出棧操作，也只有兩條指令：進棧為PUSH指令，在中斷服務(wù)程序或子程序調(diào)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(fù)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(shè)置其內(nèi)容，但不能位尋址，各位的定義如下，更詳細的內(nèi)容，我們將在《MCS-51定時器和中斷系統(tǒng)》章節(jié)中敘述。
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。
編輯：admin 最后修改時間：2018-05-18
