51单片机存储器结构介绍

MCS-51单片机在物理结构上有四个存储空间：

1、片内程序存储器
      2、片外程序存储器
      3、片内数据存储器
      4、片外数据存储器

但在逻辑上，即从用户的角度上，8051单片机有三个存储空间：

1、片内外统一编址的64K的程序存储器地址空间（MOVC）
      2、256B的片内数据存储器的地址空间（MOV）
       3、以及64K片外数据存储器的地址空间（MOVX）
在访问三个不同的逻辑空间时，应采用不同形式的指令（具体我们在后面的指令系统学习时将会讲解），以产生不同的存储器空间的选通信号。

程序内存ROM

寻址范围：0000H ~ FFFFH 容量64KB
       EA = 1，寻址内部ROM；

 EA = 0，寻址外部ROM
       地址长度：16位
       作用： 存放程序及程序运行时所需的常数。
       七个具有特殊含义的单元是：
        0000H —— 系统复位，PC指向此处；
        0003H —— 外部中断0入口
        000BH —— T0溢出中断入口
        0013H —— 外中断1入口
        001BH —— T1溢出中断入口
        0023H —— 串口中断入口
        002BH —— T2溢出中断入口

内部数据存储器RAM
      物理上分为两大区：00H ~ 7FH即128B内RAM 和 SFR区。
     作用：作数据缓冲器用。

下图是8051单片机存储器的空间结构图

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。
       当#EA=1时，程序从片内ROM开始执行，当PC值超过片内ROM容量时会自动转向外部ROM空间。
       当#EA=0时，程序从外部存储器开始执行，例如前面提到的片内无ROM的8031单片机，在实际应用中就要把8031的引脚接为低电平。
       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。从上面可以看出，每个中断服务程序只有8个字节单元，用8个字节来存放一个中断服务程序显然是不可能的。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，我们是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。

 下图是ROM的地址分配图：

    从上图中大家可以看到，0000H-0002H，只有三个存储单元，3个存储单元在我们的程序存放时是存放不了实际意义的程序的，通常我们在实际编写程序时是在这里安排一条ORG指令，通过ORG指令跳转到从0033H开始的用户ROM区域，再来安排我们的程序语言。从0033开始的用户ROM区域用户可以通过ORG指令任意安排，但在应用中应注意，不要超过了实际的存储空间，不然程序就会找不到。

文章摘自http://blog.sina.com.cn/s/blog_719b29170100o1us.html

数据存储器

    数据存储器也称为随机存取数据存储器。数据存储器分为内部数据存储和外部数据存储。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），片外最多可扩展64KB的RAM，构成两个地址空间，访问片内RAM用“MOV”指令，访问片外RAM用“MOVX”指令。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。
   MCS-51单片机的内部数据存储器在物理上和逻辑上都分为两个地址空间，即：
数据存储器空间（低128单元）；
特殊功能寄存器空间（高128单元）；
这两个空间是相连的，从用户角度而言，低128单元才是真正的数据存储器。下面我们就来详细的与大家讲解一下：

低128单元：
    片内数据存储器为8位地址，所以最大可寻址的范围为256个单元地址，对片外数据存储器采用间接寻址方式，R0、R1和DPTR都可以做为间接寻址寄存器，R0、R1是8位的寄存器，即R0、R1的寻址范围最大为256个单元，而DPTR是16位地址指针，寻址范围就可达到64KB。也就是说在寻址片外数据存储器时，寻址范围超过了256B，就不能用R0、R1做为间接寻址寄存器，而必须用DPTR寄存器做为间接寻址寄存器。

从上图中我们可以看到，8051单片机片内RAM共有256个单元（00H-FFH），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。从下图中可清楚地看出它们的结构分布。

1、通用寄存器区（00H-1FH）
    在00H—1FH共32个单元中被均匀地分为四块，如下图，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D3和D4位（RS0和RS1），即可选中这四组通用寄存器。对应的编码关系如下表所示。惹程序中并不需要用4组，那么其余的可用做一般的数据缓冲器，CPU在复位后，选中第0组工作寄存器。

2、位寻址区（20H-2FH）
片内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。位地址分配如下表所示：

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。

3、用户RAM区（30H-7FH）
在片内RAM低128单元中，通用寄存器占去32个单元，位寻址区占去16个单元，剩下的80个单元就是供用户使用的一般RAM区了，地址单元为30H-7FH。对这部份区域的使用不作任何规定和限制，但应说明的是，堆栈一般开辟在这个区域。

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高128单元：（80H-FFH）

21个特殊功能寄存器不连续地分布在128个字节的SFR存储空间中，地址空间为80H-FFH，在这片SFR空间中，包含有128个位地址空间，地址也是80H-FFH，但只有83个有效位地址，可对11个特殊功能寄存器的某些位作位寻址操作.

在51单片机内部有一个CPU用来运算、控制，有四个并行I/O口，分别是P0、P1、P2、P3，有ROM，用来存放程序，有RAM，用来存放中间结果，此外还有定时/计数器，串行I/O口，中断系统，以及一个内部的时钟电路。在单片机中有一些独立的存储单元是用来控制这些器件的，被称之为特殊功能寄存器（SFR）。这样的特殊功能寄存器51单片机共有21个并且都是可寻址的列表如下：

分别说明如下：

1、ACC---是累加器，通常用A表示。
这是个什么东西，可不能从名字上理解，它是一个寄存器，而不是一个做加法的东西，为什么给它这么一个名字呢？或许是因为在运算器做运算时其中一个数一定是在ACC中的缘故吧。它的名字特殊，身份也特殊，稍后在中篇中我们将学到指令，可以发现，所有的运算类指令都离不开它。自身带有全零标志Z，若A＝0则Z＝1；若A≠0则z＝0。该标志常用作程序分枝转移的判断条件。

2、B--一个寄存器。
在做乘、除法时放乘数或除数，不做乘除法时，随你怎么用。

3、PSW-----程序状态字。这是一个很重要的东西，里面放了CPU工作时的很多状态，借此，我们可以了解CPU的当前状态，并作出相应的处理。它的各位功能请看下表：

下面我们逐一介绍各位的用途
CY：进位标志。8051中的运算器是一种8位的运算器，我们知道，8位运算器只能表示到0-255，如果做加法的话，两数相加可能会超过255，这样最高位就会丢失，造成运算的错误，怎么办？最高位就进到这里来。这样就没事了。有进、借位，CY＝1；无进、借位，CY＝0
例：78H+97H（01111000+10010111）
AC：辅助进、借位(高半字节与低半字节间的进、借位)。
例：57H+3AH（01010111+00111010）

F0：用户标志位，由用户（编程人员）决定什么时候用，什么时候不用。
RS1、RS0：工作寄存器组选择位。这个我们已知了。
0V：溢出标志位。运算结果按补码运算理解。有溢出，OV=1；无溢出，OV＝0。什么是溢出我们后面的章节会讲到。
P：奇偶校验位：它用来表示ALU运算结果中二进制数位“1”的个数的奇偶性。若为奇数，则P=1，否则为0。运算结果有奇数个1，P＝1；运算结果有偶数个1，P＝0。
例：某运算结果是78H（01111000），显然1的个数为偶数，所以P=0。

4、DPTR（DPH、DPL）--------数据指针，可以用它来访问外部数据存储器中的任一单元，如果不用，也可以作为通用寄存器来用，由我们自已决定如何使用。分成DPL(低8位)和DPH(高8位)两个寄存器。用来存放16位地址值，以便用间接寻址或变址寻址的方式对片外数据RAM或程序存储器作64K字节范围内的数据操作。

5、P0、P1、P2、P3------这个我们已经知道，是四个并行输入/输出口的寄存器。它里面的内容对应着管脚的输出。

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6、IE-----中断充许寄存器

按位寻址，地址：A8H

EA （IE.7）：EA=0时，所有中断禁止（即不产生中断）
EA=1时，各中断的产生由个别的允许位决定
- （IE.6）：保留
ET2（IE.5）：定时2溢出中断充许（8052用）
ES （IE.4）：串行口中断充许（ES=1充许，ES=0禁止）
ET1（IE.3）：定时1中断充许
EX1（IE.2）：外中断INT1中断充许
ET0（IE.1）：定时器0中断充许
EX0（IE.0）：外部中断INT0的中断允许

7、IP-----中断优先级控制寄存器
按位寻址，地址位B8H

- （IP.7）：保留
- （IP.6）：保留
PT2（IP.5）：定时2中断优先（8052用）
PS （IP.4）：串行口中断优先
PT1（IP.3）：定时1中断优先
PX1（IP.2）：外中断INT1中断优先
PT0（IP.1）：定时器0中断优先
PX0（IP.0）：外部中断INT0的中断优先

8、TMOD-----定时器控制寄存器
不按位寻址，地址89H

GATE ：定时操作开关控制位，当GATE=1时，INT0或INT1引脚为高电平，同时TCON中的TR0或TR1控制位为1时，计时/计数器0或1才开始工作。若GATE=0，则只要将TR0或TR1控制位设为1，计时/计数器0或1就开始工作。
C/T ：定时器或计数器功能的选择位。C/T=1为计数器，通过外部引脚T0或T1输入计数脉冲。C/T=0时为定时器，由内部系统时钟提供计时工作脉冲。
M1 ：模式选择位高位
M0 ：模式选择位低位

9、TCON-----定时器控制寄存器

803l单片机共有21个字节的特殊功能寄存器(SFR)，起着专用寄存器的作用，用来设置片内电路的运行方式，记录电路的运行状态，并表明有关标志等。此外，特殊功能寄存器中，还有把并行和串行I／O端口映射过来的寄存器，对这些寄存器的读写，可实现从相应I／O端口的输入、输出操作。

21个特殊功能寄存器不连续地分布在128个字节的SFR存储空间中，地址空间为80H-FFH，在这片SFR空间中，包含有128个位地址空间，地址也是80H-FFH，但只有83个有效位地址，可对11个特殊功能寄存器的某些位作位寻址操作。