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1、第3章 80C51单片机的存储器结构,3.1 存储器的分类 存储器的的作用是用来存放程序和数据，存储器可分为磁存储和半导体存储器，半导体存储器按功能又可分为只读存储器ROM和随机存储器RAM，如图3-1所示。单片机存储器结构中都采用半导体存储器。,1.只读存储器ROM 只读存储器在正常工作状态下只能从中读出数据，用户不能快速地随时修改或者重新写入数据，数据可长时间的保存。（1）可编程ROM，可通过专用设备（编程器）将数据写入ROM。PROM：用户可一次编程；EPROM：紫外线擦除，电改写（多次）；EEPROM：电擦除，电改写（多次）；FLASHROM：闪存（多次）。（2）掩膜ROM 用户不能将
2、数据写入，由厂家写入数据。由于上述特点，所以在单片机中一般做为程序存储器。,2.随机存取存储器RAM 在加电期间，可以随时向存储器里写入数据或从中读出数据，但掉电后，数据丢失。SRAM：静态存储器，加电期间数据可以长久保存，掉电信息丢失。DRAM：动态存储器，即使在加电期间数据也会丢失（数据要刷新）。由于上述特点，所以在单片机中一般作为数据储存器。,3.2 计算机中储存器的两种结构 在计算机中存储器的用途是存放程序和数据，它有两种结构：冯诺伊曼结构和哈佛结构。冯诺伊曼结构：程序和数据共用一个存储器逻辑空间，统一编址。哈佛结构：程序与数据分为两个独立存储器逻辑空间，分开编址。注：个人电脑（PC机
3、）采用的是冯诺伊曼结 构；单片机一般采用哈佛结构（8051）；8051(80C51)单片机，数据存储器用的是 SRAM程序存储器用的是ROM。,3.3 80C51单片机的储存器3.3.1 8051（80C51）系列存储器结构1.物理空间有四个部分（1）内部数据存储器（128B SRAM)。（2）外部扩展数据存储器（最大64K RAM）。（3）内部程序存储器（4K FlashROM AT89S51）。（4）外部扩展程序存储器（最大64K RAM)。,2.逻辑空间有三个部分（1）程序存储器ROM：包括内部和外部，共用一个64K的寻址空间。（2）内部数据存储器RAM（128B），独立的一个128B的
4、寻址空间。（3）外部数据存储器RAM（64K），独立的一个64K的寻址空间。,如图3-2所示。内部数据存储器和外部数据存储器相互之间独立编址，内部程序存储器和外部程序存储器统一编址，共用一个64K的寻址空间。,3.3.2 数据储存器 数据存储器是采用了静态随机存储器（SRAM）的结构，掉电信息丢失，故用于暂存数据及运算的中间结果。1.内部数据存储器的结构 内部数据储存器它由工作寄存器区、位寻址区、用户区三个部分组成，地址范围00H7FH，共128个单元。用户对这些单元的访问，可以用“直接寻址”的方法，即在指令中用“direct”表示，指的就是00H7FH这128个地址单元，指令中直接给出操作数
5、所在单元地址的这种寻址方式称之为“直接寻址”。何为寻址方式，即寻找操作数的方法。,图3-3 内部数据存储器结构,（1）工作寄存器区（00H1FH）共32个单元，又分为4组，每组8个单元，都用R0R7表示，如图3-4所示，,个寄存器对应的地址见表3-1所示 在内部工作寄存器中的地址是唯一，但寄存器名重名，一个寄存器名对应有4个单元，为了解决重名问题，单片机用特殊功能寄存器PSW中的RS1、RS0来选择，也就是说，单片机在工作时不会同时使用这4组寄存器，在某一时刻，只能选择其中的一组。,在指令系统中对于这些空间的访问有以下方法：直接使用地址，在指令系统中用“direct”表示，这种方式称之为直接寻
6、址。如：指令 MOV A,direct；指令中的“direct”就是指内部数据存储器中的地址（00H7FH）该指令就是把direct这个单元中的操作数传送到A中。操作数是指指令中参与操作的数据。指令系统中出现的“direct”，在实际编程的过程中不能出现，必须写对应的实际地址“00H7FH”，这一点非常重要。如：MOV A,30H；就是将30H中的数送给A。,直接使用寄存器名R0R7，指令系统中用“Rn”表示这8个寄存器，这种方式的寻址称之为“寄存器寻址”，就是操作数放在寄存器中。如：指令 MOV A,Rn；指令中的“Rn”就是指工作寄存器R0R7。该指令就是把Rn中的操作数传送到A中。指令系
7、统中出现的“Rn”，在实际编程的过程中不能出现，必须写对应的寄存器“R0R7”。如：MOV A,R3；就是将工作寄存器R3中的数传送到A中。,R0和R1这两个寄存器还有一种用法，称之为“寄存器间接寻址”，用“Ri”表示，i=0、1。R0和R1存放的是操作数所在单元的地址。如：MOV A,Ri；指令中的“Ri”就是指工作寄存器R0和R1。该指令就是把Ri中的数取出作为所取数据的单元地址。指令系统中出现“Ri”，在实际编程的过程中不能出现，必须写“R0或R1”。如：MOV A,R0；就是将R0中的数取出，作为所取数据的地址，将该地址单元的数取出送到A中。如图3-5所示，R0所指的操作数就是1010
8、1010B（AAH）。,3-5所示，指令MOV A,R0 操作示意。可以用（R0）=(40H)=AAH表示。,注：在寄存器寻址中（Rn），这4组寄存器，由用户使用中通过PSW中的RS1和RS0的设定，来确定用户使用的组。这32个单元可以使用“直接寻址”方式，也可使用“寄存器寻址”方式来进行访问。4组中的R0和R1除了“直接寻址”和“寄存器寻址”外，还可采用“寄存器间接寻址”方式来访问。,（2）位寻址区（20H2FH）这16个RAM 单元具有双重功能。它们既可以像普通RAM 单元一样按字节存取，即“直接寻址（direct）”也可以对每个RAM 单元中的任何一个二进制位单独存取，这就是位寻址(bi
9、t)，80C51单片机为这些区域专门设置了位处理器（一个1位的CPU），用于这些空间的访问，如图3-6所示。,图3-6，位地址表。,在指令系统中对于这些空间的访问有以下方法：可以采用“直接寻址”的方式去访问这16个单元；如：MOV A,20H（MOV A,direct）也可以采用“位寻址（bit）”的方式去访问这128个二进制位。如：MOV C,00H（MOV C,bit）该指令就是把00H中的一个二进制数送到C中。指令中“bit”，指的就是位地址“00H7FH”。注：字节地址：20H2FH，位地址：00H7FH。为了区分位地址“00H7FH”和内部数据存储器的地址“00H7FH”，提到位寻址
10、区中的位地址时，必须注明位地址。单元地址，称之为字节地址，也可简称地址。,（3）数据缓冲区（用户区）（30H7FH）数据缓冲区共有80个RAM 单元，用于存放用户数据或作堆栈区使用，也称用户RAM区。80C51对用户RAM区中每个RAM单元只能按字节存取的（不可位寻址）。在指令系统中对于这些空间的访问只有一种方法，即直接寻址（direct）。如：MOV A,40H（MOV A,direct）,内部数据存储器小结：内部数据存储器中所有的单元（128B）都可以用直接寻址的方法来进行访问（direct）。工作寄存器区也可以用寄存器寻址（Rn）的方法来访问，指令系统中一般都用寄存器寻址（Rn）的方法来
11、访问该空间。除了寄存器寻址的方式，R0和R1也可采用寄存器间接寻址Ri的方式，在使用中R0和R1必须先满足间接寻址方式，有多余的可用于寄存器寻址方式。位寻址区，对这16个单元可以使用直接寻址方式，这16个单元中的128个位（都有位地址），还可以用位寻址的方式来访问。用户区只能用直接寻址的方式来访问。指令系统中所有的数据处理、运算都是在内部数据存储器中完成，所以指令系统也是非常丰富的（大部分指令都是针对该空间）。,2.外部数据存储器 当内部数据存储器不够用时，在单片机的外总线上可以最大扩展64K的RAM，可独立寻址，有专用指令系统（MOVX传送指令），不能用于数据的运算及处理，所以仅有4条指令，
12、两条读，两条写，用于一般数据的存放，地址为0000HFFFFH。寻址方式采用寄存器间接寻址的方式，如MOVX A,DPTR.，指令中DPTR，开辟在特殊功能寄存器（SFR）中，是一个16位的数据存储器（数据指针），用于访问外部数据存储器和程序存储器，一般用于存放的是外部数据存储器和程序存储器的地址（外部数据存储器的地址也是16位）。存储器结构见图3-7所示。,图3-7 外部数据存储器结构,3.3.3 特殊功能寄存器（SFR）80C51系列单片机内的锁存器、定时器、串行口、数据缓冲器及各种控制寄存器、状态寄存器都以特殊功能寄存器（SFR）的形式出现，它们离散地分布在高128位片内RAM 80HF
13、FH中。51子系列共有18个特殊功能寄存器，占用21个单元，其余107个单元用户不好使用（AT89C51)。,表3-2 SFR地址映像表,这18个特殊功能寄存器，其中有15个特殊功能寄存器占用1个单元，另外3个特殊功能寄存器占用2个单元，这就是为什么18个特殊功能寄存器占用21个单元的原因。这18个特功能寄存器我们先学5个，其余的放在以后学习。,1累加器ACC（E0H）累加器ACC 是80C51型单片机中最常用的寄存器。许多指令的操作数取自ACC，许多运算的结果存放在ACC 中。乘除法指令必须通过ACC 进行。累加器ACC 的指令助记符为。简单的讲就是一个8位的存储器，使用非常频繁，很多指令中
14、必须用到ACC。,在指令系统中，可直接使用寄存器名ACC（A）和字节地址E0H对这八个二进制位进行操作，前者称之为寄存器寻址，后者称之为直接寻址（direct），用户一般使用寄存器寻址，即寄存器寻址，在特殊条件下才会使用直接寻址。累加器ACC也是一个可以对8个二进制位进行位寻址的寄存器，8个二进制位都有唯一的位地址，指令中只能使用位地址（bit），也称之为位寻址，若使用位编号，编译软件会将位编号转换成位地址，再进行编译，最后形成目标文件。,2寄存器（F0H）80C51单片机乘除法指令中要用到寄存器，用于存放操作数和操作结果。也可作为通用存储器器使用。在乘除指令中，直接使用寄存器名B，称之为寄存
15、器寻址。用作通用存储器时只能使用地址F0H称之为直接寻址，若用寄存器名B，编译软件会将其转换成地址F0H来使用。寄存器B是可以进行位寻址的单元，8个二进制位都有唯一的位地址，在对二进制位寻址时，指令中只能使用位地址（bit），称之为位寻址，若使用位编号，编译软件会将位编号转换成位地址，再进行编译，最后形成目标文件，见图3-9所示。,3程序状态字寄存器PSW（D0H）程序状态字寄存器PSW也称为标志寄存器，存放各有关标志和对工作寄存器的选择设置。其结构和定义如图3-10所示。在指令系统中该单元只能使用字节地址D0H来访问，称之为直接寻址（direct），若用寄存器名PSW，编译软件会将其转换成地
16、址D0H来使用。程序状态字寄存器PSW是可以进行位寻址的单元，8个二进制位都有唯一的位地址，在对二进制位寻址时，指令中只能使用位地址（bit），称之为位寻址，若使用位定义或位编号，编译软件会将位定义和位编号转换成位地址，再进行编译，最后形成目标文件。,该单元各位的定义如下：CY：进（借）位标志位，有进（借）位（CY）1，否则（CY）0，主要用于加减运算中。AC：辅助进（借）位标志位，低四位向高四位的进（借）位，有进（借）（AC）=1，否则（AC）=0，主要用 于加减运算中。RS1、RS0：工作寄存器组的选择位，见表3-3所示。,OV：溢出标志位，80C51单片机CPU的位数是8位，则表示 带符
17、号数的位数只能是8位，最高位是符号位，数据位 只有7位，数的范围在-128+127之间，若运算的结果 超出这个范围，溢出（结果出错）。计算机中判断结 果溢出的算法是 公式：OV=Cy6Cy7；式中，Cy6表示D6位向D7位的进位或借位，Cy7表示D6位向CY的进位或借位。F0：用户位，用户可以作为一般的一位二进制数的存储器使 用。P：奇偶标志位，累加器A中1的个数为奇数时（P）=1，否 则（P）=0，只要A中的数值发生变化，就影响P（实时 反映累加器A中1的个数的奇偶性）。,注：CY、AC、OV、P这4个标志位由指令运行后，对其 产生影响（由硬件产生各标志），主要用于算术运算 类指令，除了CY
18、一般这3位不会用于数据的存储，CY也是位处理器（1位的CPU）中的累加器，在位操 作中使用较为频繁。P 在任何一条指令中，只要有累加器A出现并且A中的 值发生变化，就会影响P。RS1、RS0是工作寄存器组的选择位，由用户根据需 要通过指令来设定，去选择寄存器组（软件设定）。,例1：X=13，Y=6，求X+Y的补码运算。解：X补码=F3H，Y补码=FAH，X+Y补码，则：X补码:1 1 1 1 0 0 1 1 B Y补码:+1 1 1 1 1 0 1 0 B X补码+Y补码:1 1 1 1 0 1 1 0 1 B 在单片机中，上述运算后，(CY)=1，(AC)=0，(OV)=Cy6Cy7=11=
19、0（结果正确），(P)=0。,4数据指针DPTR（83H、82H）数据指针DPTR是一个16位的特殊功能寄存器，不可位寻址，由两个位寄存器DPH（83H）和DPL（82H）组成，DPH 是DPTR的高位，DPL是DPTR的低位，DPTR既可合并作为一个16位寄存器，又可分开按位寄存器单独操作，见图3-11所示。,在指令中一般都是以一个16位的寄存器DPTR使用,用于存放外部数据存储器的地址和程序程序器的地址，访问外部数据存储器是用DPTR，称之为寄存器间接寻址；访问程序存储器是用A+DPTR，称之为变址寻址。作为两个独立的8位寄存器（DPH、DPL）使用时，只能使用其地址，在指令系统中会详解。
20、,5堆栈指针SP（81H）堆栈是CPU 用于暂时存放部分数据的“仓库”,它的作用是用来保护现场和保护断点。在80C51中，由内部数据存储器中若干存储单元组成，可由用户自定义单元地址，一般开辟在内部数据存储器30H7FH这个空间。存储单元的个数称为堆栈的深度，可理解为仓库容量。为了实现上述数据保护的需要，数据的存取，要遵循先进后出，后进先出的原则。80C51单片机中用堆栈指针SP（81H）来实现数据的先进后出，后进先出，即不可位寻址。它开辟在特殊功能寄存器81H中，没有位地址，即不可位寻址，如图3-12所示,堆栈指针SP是用来存放堆栈数据区的地址，如图3-13所示。一般为了书写方便，堆栈的示意图
21、，如图3-14所示。,堆栈数据的存取又称之为进栈和出栈。进栈时，首先堆栈指针加1，即(SP)(SP)+1，然后数据进栈；出栈时，先取堆栈的数据，然后堆栈指针减1，即(SP)(SP)-1。数据的进栈和出栈，又有两种操作形式，一是硬件操作，计算机执行某个操作时，硬件自动进栈（中断、调用）和出栈（返回指令），用于保护断点。二是软件操作，由指令PUSH direct（进栈）和指令POP direct（出栈）来实现。不管是硬件操作还是软件操作，进栈时，首先堆栈指针加1，然后数据进栈；出栈时，先取堆栈的数据，然后堆栈指针减1。下面以软件操作加以说明。,例2：已知(SP)=2FH，(40H)=22H，(41
22、H)=33H执行下列程序。PUSH 40H PUSH 41H POP 40H POP 41H解：根据初始条件，得示意图，存储器中没有提到单元的数据为任意值。,执行第一条指令 PUSH 40H，首先(SP)(SP)+1=2FH+1=30H，然后将40H中的数据22H，送入堆栈指针SP指向的单元30H中，如图3-16（a）所示。第一个进栈的数据不是堆栈指针指向的初始单元，在计算机中数据的传送，不是完全给予的意思，而是复制，40H单元数据进栈后，影响了堆栈指针指向的单元，但不影响40H这个单元的原始数据，所以40H的数据仍为22H。,执行第二条指令 PUSH 41H，进栈过程同第一条指令。进栈后，示
23、意图如图3-16（b）所示。,执行第三条指令 POP 40H，首先是取堆栈指针指向单元的数据给40H，则40H的数据为33H，然后将(SP)(SP)-1=31H-1=30H，执行完后，示意图如图3-16（c）所示。,执行第四条指令 POP 41H，出栈过程同第四条指令，示意图如图3-16（d）所示。当数据取出后，堆栈指针又回到初始状态，如图3-15所示。但原来进栈的数还存于堆栈中，直到下次进栈的数据将其覆盖。,该程序，是将40H和41H的数据交换，进栈两次，出栈两次，所以堆栈指针SP的值，仍为初始值2FH，堆栈指针的初始值指向的单元，是不能用于存放堆栈数据的，第一个入栈的数据，是该单元的地址加
24、1单元。,系统复位时堆栈指示器的值为07H，即指向的是工作寄存器区0组的R7单元，如图3-17所示，第一个入栈的数放于08H单元，但堆栈一般开辟在用户区（30H7FH）中。堆栈的深度是由数据连续进栈的次数来决定的。若根据某个程序设计的需要，需要16个单元堆栈来存储数据，堆栈开辟在40H到4FH单元，则堆栈指示器SP的初始值应付3FH，第一个入栈的数放入40H中，在程序的设计中，40H41H中不能用于其它的数据的存放，否则数据被覆盖。若实际进栈的数据超出了16个单元，则堆栈溢出，溢出的单元在50H以上，这些单元没有数据，则没有影响，否则影响原有数据。堆栈指针始终指向的是堆栈的栈顶位置。,注：51
25、子系列中，共有18个SFR（特殊功能寄存器），占用21个单元，我们先学5个SFR（共6个单元），其余SFR在后面的学习中，会逐步的给大家介绍。这18个SFR，21个单元中，字节地址能被8整除的单 元是可以进行位寻址的，也就是说字节地址的后面 一位是0或者8，都是可以进行位寻址的（bit）。可位寻址的单元，可以用位地址、位编号或位定 义，在寻址中都称之为位寻址（bit）。系统复位后，各寄存器的值如表3-4所示。,3.3.4 程序存储器 程序存储器的作用是用来存放程序和数表（固定不变的常数）。AT89S51单片机内部有4K的程序存储器FlashROM，外部最多可扩展64K的程序存储器，内外程序存储
26、器采用统一编址的方法，即共用64K的地址，地址范围0000HFFFFH，不管是内部还是外部都是用指令MOVC来访问。如图3-18所示。,1.程序存储器的结构 8051(80C51)系列有64K ROM 的寻址区，地址范围0000HFFFFH,用于存放程序。其中低4K（0000H0FFFH)的地址区可以为片内ROM 和片外ROM共用，但不能同时使用(由外引脚 决定)。高60K(1000HFFFFH)的地址区为片外ROM所专用。,注：低4K共用地址，这样出现一个地址两个单元，地址不能 唯一，这在计算机中是不允许的；解决方法，通过单片机的外引脚 来实现：a、当=0时，CPU直接访问外ROM(0000
27、HFFFFH)，内部不用；b、当=1时，CPU先访问内部ROM（0000H0FFFH）结束后，再去访问外部ROM（1000HFFFFH），外部低4K不用，也 就是说外部低4K无需扩展，这种情况下，外部最多可扩展60K。,2.CPU对程序存储器中程序的访问 CPU对存储器的访问也就是执行程序，程序存储器的主要作用是用来存放程序，那CPU怎么去执行程序呢？怎么知道哪一条指令先执行？哪一条指令后执行呢？其实计算机根本不认程序，只认程序存储器的单元地址，先从低字节地址单元开始取指令执行，然后取高字节地址单元指令执行，而CPU这些操作，都是通过程序计数器PC（程序指针）来实现，PC是一个16位的寄存器，
28、不可寻址（无地址），用户不可操作，系统复位后（PC）0000H，每取一个单元程序执行后，PC会由硬件自动加1，去取下一个单元来执行，以此类推，直到遇到转移指令为止，转移时CPU会将转移位置的地址直接付给PC，从这个新的地址开始，又重复上述过程。,由于CPU只认存储器的地址不认程序，哪怎样保证程序的正确执行呢？只能由用户，根据CPU访问程序存储器的特点，将目标程序（二进制语言程序）按上述特点来存放，也就是将先要执行的指令，放在低字节单元，后执行的指令放在高字节单元。又由于PC复位后指向0000H单元，故主程序的第一条指令必须放在0000H开始的单元，0000H也就是主程序的入口地址。目标程序的存
29、放是通过编译软件中的伪指令来实现的，编译软件的作用是检查语法错误和生成目标程序（二进制语言程序），伪指令用于编译的过程（汇编）中，其中伪指令ORG就是给出程序存放在程序存储器中的起始地址。,3CPU对程序存储器中数表的访问 数表即在数据处理过程中用到的一些固定不变的常数，如 值3.14等，要由指令来读出。80C51单片机中，仅有两条指令，即MOVC A,A+PC和MOVC A,A+DPTR，这两条指令比较麻烦，我们在后面给大家介绍。注：不管是程序还是数表，在程序存储器中都是二进制 数，程序只能由CPU直接访问并执行，数表只能由 上述的两条指令来读取，在编程时要注意避免将数表 当程序来执行。由于ROM只能读不能写（软件），那程序和数表的 存入，需要专用的设备，即编程器，编程器就是将编 译软件编译成的目标程序和数表存放到指定的程序 存储器的位置中。,
