MCS51的存储器可分为四类51单片机存储器详解.docx

1、MCS51的存储器可分为四类51单片机存储器详解MCS-51 的存储器可分为四类,51 单片机存储器详解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。那幺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

2、 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 0000H0FFFH，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 0000H0002H 单元，系统复位

3、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 0003H002AH，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：0003H000AH 外部中断 0 中断地址区。000BH0012H 定时/计数器 0 中断地址区。0013H001AH 外部中断 1 中断地址区。001BH0022H 定时/计数器 1 中断地址区。0023H002AH 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

4、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

5、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 00H7FH 单元(共 128 个字节)为用户数据 RAM。从 80HFFH 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 00H1FH 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 R0R7 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 R0R7，那幺在程序中怎幺区分和使用它们呢?聪明的

6、 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 20H2FH 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 00H7FH。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

7、为寻址区。表 1 RAM 位寻址区地址表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80HFFH 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

8、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

9、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。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

10、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：表 3 程序状态字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

11、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

12、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, DPTRMOVX 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

13、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，08H1FH 隶属 13 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 30H1FH 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

14、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。那幺堆栈有何用途呢?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。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，

15、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，那幺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

16、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 P

17、3 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。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。