1、第3章 80C51單片機的存儲器結構,3.1 存儲器的分類 存儲器的的作用是用來存放程序和數(shù)據(jù)，存儲器可分為磁存儲和半導體存儲器，半導體存儲器按功能又可分為只讀存儲器ROM和隨機存儲器RAM，如圖3-1所示。單片機存儲器結構中都采用半導體存儲器。,1. 只讀存儲器ROM 只讀存儲器在正常工作狀態(tài)下只能從中讀出數(shù)據(jù)，用戶不能快速地隨時修改或者重新寫入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可長時間的保存。 （1）可編程ROM，可通過專用設備（編程器）將數(shù)據(jù)寫入ROM。 PROM：用戶可一次編程； EPROM：紫外線擦除，電改寫（多次）； EEPROM：電擦除，電改寫（多次）； FLASHROM：閃存（多次）。 （2）掩膜RO

2、M 用戶不能將數(shù)據(jù)寫入，由廠家寫入數(shù)據(jù)。 由于上述特點，所以在單片機中一般做為程序存儲器。,2. 隨機存取存儲器RAM 在加電期間，可以隨時向存儲器里寫入數(shù)據(jù)或從中讀出數(shù)據(jù)，但掉電后，數(shù)據(jù)丟失。 SRAM：靜態(tài)存儲器，加電期間數(shù)據(jù)可以長久保存，掉電信息丟失。 DRAM：動態(tài)存儲器，即使在加電期間數(shù)據(jù)也會丟失（數(shù)據(jù)要刷新）。 由于上述特點，所以在單片機中一般作為數(shù)據(jù)儲存器。,3.2 計算機中儲存器的兩種結構 在計算機中存儲器的用途是存放程序和數(shù)據(jù)，它有兩種結構：馮諾伊曼結構和哈佛結構。 馮諾伊曼結構：程序和數(shù)據(jù)共用一個存儲器邏輯空間，統(tǒng)一編址。 哈佛結構：程序與數(shù)據(jù)分為兩個獨立存儲器邏輯空間，分

3、開編址。 注： 個人電腦（PC機）采用的是馮諾伊曼結 構； 單片機一般采用哈佛結構（8051）； 8051(80C51)單片機，數(shù)據(jù)存儲器用的是 SRAM程序存儲器用的是ROM。,3.3 80C51單片機的儲存器 3.3.1 8051（80C51）系列存儲器結構 1. 物理空間有四個部分 （1）內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（128B SRAM)。 （2）外部擴展數(shù)據(jù)存儲器（最大64K RAM）。 （3）內(nèi)部程序存儲器（4K FlashROM AT89S51）。 （4）外部擴展程序存儲器（最大64K RAM)。,2. 邏輯空間有三個部分 （1）程序存儲器ROM：包括內(nèi)部和外部，共用一個64K的尋址空間。 （2

4、）內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器RAM（128B），獨立的一個128B的尋址空間。 （3）外部數(shù)據(jù)存儲器RAM（64K），獨立的一個64K的尋址空間。,如圖3-2所示。 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器相互之間獨立編址， 內(nèi)部程序存儲器和外部程序存儲器統(tǒng)一編址，共用一個64K的尋址空間。,3.3.2 數(shù)據(jù)儲存器 數(shù)據(jù)存儲器是采用了靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）的結構，掉電信息丟失，故用于暫存數(shù)據(jù)及運算的中間結果。 1. 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的結構 內(nèi)部數(shù)據(jù)儲存器它由工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)、用戶區(qū)三個部分組成，地址范圍00H7FH，共128個單元。用戶對這些單元的訪問，可以用“直接尋址”的方法，即在指令中用“direct”

5、表示，指的就是00H7FH這128個地址單元，指令中直接給出操作數(shù)所在單元地址的這種尋址方式稱之為“直接尋址”。 何為尋址方式，即尋找操作數(shù)的方法。,圖3-3 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器結構,（1）工作寄存器區(qū)（00H1FH） 共32個單元，又分為4組，每組8個單元，都用R0R7表示，如圖3-4所示，,個寄存器對應的地址見表3-1所示 在內(nèi)部工作寄存器中的地址是唯一，但寄存器名重名，一個寄存器名對應有4個單元，為了解決重名問題，單片機用特殊功能寄存器PSW中的RS1、RS0來選擇，也就是說，單片機在工作時不會同時使用這4組寄存器，在某一時刻，只能選擇其中的一組。,在指令系統(tǒng)中對于這些空間的訪問有以下方法：

6、 直接使用地址，在指令系統(tǒng)中用“direct”表示，這種方式稱之為直接尋址。 如：指令 MOV A , direct ；指令中的“direct”就是指內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器中的地址（00H7FH） 該指令就是把direct這個單元中的操作數(shù)傳送到A中。操作數(shù)是指指令中參與操作的數(shù)據(jù)。 指令系統(tǒng)中出現(xiàn)的“direct”，在實際編程的過程中不能出現(xiàn)，必須寫對應的實際地址“00H7FH”，這一點非常重要。 如：MOV A , 30H ；就是將30H中的數(shù)送給A。,直接使用寄存器名R0R7，指令系統(tǒng)中用“Rn”表示這8個寄存器，這種方式的尋址稱之為“寄存器尋址”，就是操作數(shù)放在寄存器中。 如：指令 MOV A

7、 , Rn ；指令中的“Rn”就是指工作寄存器R0R7。該指令就是把Rn中的操作數(shù)傳送到A中。 指令系統(tǒng)中出現(xiàn)的“Rn”，在實際編程的過程中不能出現(xiàn)，必須寫對應的寄存器“R0R7”。 如：MOV A , R3 ；就是將工作寄存器R3中的數(shù)傳送到A中。,R0和R1這兩個寄存器還有一種用法，稱之為“寄存器間接尋址”，用“Ri”表示，i=0、1。R0和R1存放的是操作數(shù)所在單元的地址。 如：MOV A, Ri ； 指令中的“Ri”就是指工作寄存器R0和R1。該指令就是把Ri中的數(shù)取出作為所取數(shù)據(jù)的單元地址。指令系統(tǒng)中出現(xiàn)“Ri”，在實際編程的過程中不能出現(xiàn)，必須寫 “R0或R1”。 如：MOV A

8、, R0 ；就是將R0中的數(shù)取出，作為所取數(shù)據(jù)的地址，將該地址單元的數(shù)取出送到A中。如圖3-5所示， R0所指的操作數(shù)就是10101010B（AAH）。,3-5所示， 指令MOV A , R0 操作示意。 可以用（R0）=(40H)=AAH表示。,注： 在寄存器尋址中（Rn），這4組寄存器，由用戶使用中通過PSW中的RS1和RS0的設定，來確定用戶使用的組。 這32個單元可以使用“直接尋址” 方式，也可使用“寄存器尋址”方式來進行訪問。 4組中的R0和R1除了“直接尋址”和“寄存器尋址”外，還可采用“寄存器間接尋址”方式來訪問。,（2） 位尋址區(qū)（20H2FH） 這16個RAM 單元具有雙重功

9、能。它們既可以像普通RAM 單元一樣按字節(jié)存取，即“直接尋址（direct）”也可以對每個RAM 單元中的任何一個二進制位單獨存取，這就是位尋址(bit)，80C51單片機為這些區(qū)域?qū)ｉT設置了位處理器（一個1位的CPU），用于這些空間的訪問，如圖3-6所示。,圖3-6，位地址表。,在指令系統(tǒng)中對于這些空間的訪問有以下方法： 可以采用“直接尋址”的方式去訪問這16個單元； 如：MOV A , 20H （MOV A , direct） 也可以采用“位尋址（bit）”的方式去訪問這128個二進制位。 如：MOV C , 00H （MOV C , bit） 該指令就是把00H中的一個二進制數(shù)送到C中。

10、 指令中“bit”，指的就是位地址“00H7FH”。 注： 字節(jié)地址：20H2FH，位地址：00H7FH。 為了區(qū)分位地址“00H7FH”和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的地址“00H7FH”，提到位尋址區(qū)中的位地址時，必須注明位地址。單元地址，稱之為字節(jié)地址，也可簡稱地址。,（3）數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（用戶區(qū)）（30H7FH） 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)共有80個RAM 單元，用于存放用戶數(shù)據(jù)或作堆棧區(qū)使用，也稱用戶RAM區(qū)。80C51對用戶RAM區(qū)中每個RAM單元只能按字節(jié)存取的（不可位尋址）。 在指令系統(tǒng)中對于這些空間的訪問只有一種方法，即直接尋址（direct）。 如：MOV A , 40H （MOV A , direct）,

11、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器小結： 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器中所有的單元（128B）都可以用直接尋址的方法來進行訪問（direct）。 工作寄存器區(qū)也可以用寄存器尋址（Rn）的方法來訪問，指令系統(tǒng)中一般都用寄存器尋址（Rn）的方法來訪問該空間。除了寄存器尋址的方式，R0和R1也可采用寄存器間接尋址Ri的方式，在使用中R0和R1必須先滿足間接尋址方式，有多余的可用于寄存器尋址方式。 位尋址區(qū)，對這16個單元可以使用直接尋址方式，這16個單元中的128個位（都有位地址），還可以用位尋址的方式來訪問。 用戶區(qū)只能用直接尋址的方式來訪問。 指令系統(tǒng)中所有的數(shù)據(jù)處理、運算都是在內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器中完成，所以指令系統(tǒng)也是非常豐富的（

12、大部分指令都是針對該空間）。,2. 外部數(shù)據(jù)存儲器 當內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器不夠用時，在單片機的外總線上可以最大擴展64K的RAM，可獨立尋址，有專用指令系統(tǒng)（MOVX傳送指令），不能用于數(shù)據(jù)的運算及處理，所以僅有4條指令，兩條讀，兩條寫，用于一般數(shù)據(jù)的存放，地址為0000HFFFFH。尋址方式采用寄存器間接尋址的方式，如MOVX A , DPTR.，指令中DPTR，開辟在特殊功能寄存器（SFR）中，是一個16位的數(shù)據(jù)存儲器（數(shù)據(jù)指針），用于訪問外部數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器，一般用于存放的是外部數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器的地址（外部數(shù)據(jù)存儲器的地址也是16位）。存儲器結構見圖3-7所示。,圖3-7 外部數(shù)據(jù)

13、存儲器結構,3.3.3 特殊功能寄存器（SFR） 80C51系列單片機內(nèi)的鎖存器、定時器、串行口、數(shù)據(jù)緩沖器及各種控制寄存器、狀態(tài)寄存器都以特殊功能寄存器（SFR）的形式出現(xiàn)，它們離散地分布在高128位片內(nèi)RAM 80HFFH中。51子系列共有18個特殊功能寄存器，占用21個單元，其余107個單元用戶不好使用（AT89C51)。,表3-2 SFR地址映像表,這18個特殊功能寄存器，其中有15個特殊功能寄存器占用1個單元，另外3個特殊功能寄存器占用2個單元，這就是為什么18個特殊功能寄存器占用21個單元的原因。這18個特功能寄存器我們先學5個，其余的放在以后學習。,1累加器ACC（E0H） 累加

14、器ACC 是80C51型單片機中最常用的寄存器。許多指令的操作數(shù)取自ACC，許多運算的結果存放在ACC 中。乘除法指令必須通過ACC 進行。累加器ACC 的指令助記符為。 簡單的講就是一個8位的存儲器，使用非常頻繁，很多指令中必須用到ACC。,在指令系統(tǒng)中，可直接使用寄存器名ACC（A）和字節(jié)地址E0H對這八個二進制位進行操作，前者稱之為寄存器尋址，后者稱之為直接尋址（direct），用戶一般使用寄存器尋址，即寄存器尋址，在特殊條件下才會使用直接尋址。累加器ACC也是一個可以對8個二進制位進行位尋址的寄存器，8個二進制位都有唯一的位地址，指令中只能使用位地址（bit），也稱之為位尋址，若使用位

15、編號，編譯軟件會將位編號轉(zhuǎn)換成位地址，再進行編譯，最后形成目標文件。,2寄存器（F0H） 80C51單片機乘除法指令中要用到寄存器，用于存放操作數(shù)和操作結果。也可作為通用存儲器器使用。 在乘除指令中，直接使用寄存器名B，稱之為寄存器尋址。用作通用存儲器時只能使用地址F0H稱之為直接尋址，若用寄存器名B，編譯軟件會將其轉(zhuǎn)換成地址F0H來使用。寄存器B是可以進行位尋址的單元，8個二進制位都有唯一的位地址，在對二進制位尋址時，指令中只能使用位地址（bit），稱之為位尋址，若使用位編號，編譯軟件會將位編號轉(zhuǎn)換成位地址，再進行編譯，最后形成目標文件，見圖3-9所示。,3程序狀態(tài)字寄存器PSW（D0H）

16、程序狀態(tài)字寄存器PSW也稱為標志寄存器，存放各有關標志和對工作寄存器的選擇設置。其結構和定義如圖3-10所示。在指令系統(tǒng)中該單元只能使用字節(jié)地址D0H來訪問，稱之為直接尋址（direct），若用寄存器名PSW，編譯軟件會將其轉(zhuǎn)換成地址D0H來使用。程序狀態(tài)字寄存器PSW是可以進行位尋址的單元，8個二進制位都有唯一的位地址，在對二進制位尋址時，指令中只能使用位地址（bit），稱之為位尋址，若使用位定義或位編號，編譯軟件會將位定義和位編號轉(zhuǎn)換成位地址，再進行編譯，最后形成目標文件。,該單元各位的定義如下： CY：進（借）位標志位，有進（借）位（CY）1，否則 （CY）0，主要用于加減運算中。 AC

17、：輔助進（借）位標志位，低四位向高四位的進（借） 位，有進（借）（AC）=1，否則（AC）=0，主要用 于加減運算中。 RS1、RS0：工作寄存器組的選擇位，見表3-3所示。,OV：溢出標志位，80C51單片機CPU的位數(shù)是8位，則表示 帶符號數(shù)的位數(shù)只能是8位，最高位是符號位，數(shù)據(jù)位 只有7位，數(shù)的范圍在-128+127之間，若運算的結果 超出這個范圍，溢出（結果出錯）。計算機中判斷結 果溢出的算法是 公式：OV =Cy6Cy7 ； 式中，Cy6表示D6位向D7位的進位或借位， Cy7表示D6位向CY的進位或借位。 F0：用戶位，用戶可以作為一般的一位二進制數(shù)的存儲器使 用。 P：奇偶標志位

18、，累加器A中1的個數(shù)為奇數(shù)時（P）=1，否 則（P）=0，只要A中的數(shù)值發(fā)生變化，就影響P（實時 反映累加器A中1的個數(shù)的奇偶性）。,注： CY、AC、OV、P這4個標志位由指令運行后，對其 產(chǎn)生影響（由硬件產(chǎn)生各標志），主要用于算術運算 類指令，除了CY一般這3位不會用于數(shù)據(jù)的存儲， CY也是位處理器（1位的CPU）中的累加器，在位操 作中使用較為頻繁。 P 在任何一條指令中，只要有累加器A出現(xiàn)并且A中的 值發(fā)生變化，就會影響P。 RS1、RS0是工作寄存器組的選擇位，由用戶根據(jù)需 要通過指令來設定，去選擇寄存器組（軟件設定）。,例1：X=13，Y=6，求X+Y的補碼運算。 解：X補碼=F3

19、H，Y補碼=FAH， X+Y補碼，則： X補碼 : 1 1 1 1 0 0 1 1 B Y補碼 : + 1 1 1 1 1 0 1 0 B X補碼+Y補碼 : 1 1 1 1 0 1 1 0 1 B 在單片機中，上述運算后，(CY)=1，(AC)=0， (OV)= Cy6Cy7=11=0（結果正確），(P)=0。,4數(shù)據(jù)指針DPTR（83H、82H） 數(shù)據(jù)指針DPTR是一個16位的特殊功能寄存器，不可位尋址，由兩個位寄存器DPH（83H） 和DPL（82H） 組成，DPH 是DPTR的高位，DPL是DPTR的低位，DPTR既可合并作為一個16位寄存器，又可分開按位寄存器單獨操作，見圖3-11所

20、示。,在指令中一般都是以一個16位的寄存器DPTR使用,用于存放外部數(shù)據(jù)存儲器的地址和程序程序器的地址，訪問外部數(shù)據(jù)存儲器是用DPTR，稱之為寄存器間接尋址；訪問程序存儲器是用A+DPTR，稱之為變址尋址。作為兩個獨立的8位寄存器（DPH、DPL）使用時，只能使用其地址，在指令系統(tǒng)中會詳解。,5堆棧指針SP（81H） 堆棧是CPU 用于暫時存放部分數(shù)據(jù)的“倉庫”,它的作用是用來保護現(xiàn)場和保護斷點。在80C51中，由內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器中若干存儲單元組成，可由用戶自定義單元地址，一般開辟在內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器30H7FH這個空間。存儲單元的個數(shù)稱為堆棧的深度，可理解為倉庫容量。為了實現(xiàn)上述數(shù)據(jù)保護的需要，數(shù)

21、據(jù)的存取，要遵循先進后出，后進先出的原則。80C51單片機中用堆棧指針SP（81H）來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的先進后出，后進先出，即不可位尋址。它開辟在特殊功能寄存器81H中，沒有位地址，即不可位尋址，如圖3-12所示,堆棧指針SP是用來存放堆棧數(shù)據(jù)區(qū)的地址，如圖3-13所示。一般為了書寫方便，堆棧的示意圖，如圖3-14所示。,堆棧數(shù)據(jù)的存取又稱之為進棧和出棧。進棧時，首先堆棧指針加1，即(SP) (SP)+1，然后數(shù)據(jù)進棧；出棧時，先取堆棧的數(shù)據(jù)，然后堆棧指針減1，即(SP) (SP)-1。 數(shù)據(jù)的進棧和出棧，又有兩種操作形式，一是硬件操作，計算機執(zhí)行某個操作時，硬件自動進棧（中斷、調(diào)用）和出棧（返回指令

22、），用于保護斷點。二是軟件操作，由指令PUSH direct（進棧）和指令POP direct（出棧）來實現(xiàn)。不管是硬件操作還是軟件操作，進棧時，首先堆棧指針加1，然后數(shù)據(jù)進棧；出棧時，先取堆棧的數(shù)據(jù)，然后堆棧指針減1。下面以軟件操作加以說明。,例2：已知(SP)=2FH，(40H)=22H，(41H)=33H執(zhí)行下列程序。 PUSH 40H PUSH 41H POP 40H POP 41H 解：根據(jù)初始條件，得示意圖，存儲器中沒有提到單元的數(shù)據(jù)為任意值。,執(zhí)行第一條指令 PUSH 40H，首先(SP) (SP)+1 =2FH+1=30H，然后將40H中的數(shù)據(jù)22H，送入堆棧指針SP指向的單元

23、30H中，如圖3-16（a）所示。第一個進棧的數(shù)據(jù)不是堆棧指針指向的初始單元，在計算機中數(shù)據(jù)的傳送，不是完全給予的意思，而是復制，40H單元數(shù)據(jù)進棧后，影響了堆棧指針指向的單元，但不影響40H這個單元的原始數(shù)據(jù)，所以40H的數(shù)據(jù)仍為22H。,執(zhí)行第二條指令 PUSH 41H，進棧過程同第一條指令。進棧后，示意圖如圖3-16（b）所示。,執(zhí)行第三條指令 POP 40H，首先是取堆棧指針指向單元的數(shù)據(jù)給40H，則40H的數(shù)據(jù)為33H，然后將(SP) (SP)-1=31H-1=30H，執(zhí)行完后，示意圖如圖3-16（c）所示。,執(zhí)行第四條指令 POP 41H，出棧過程同第四條指令，示意圖如圖3-16（

24、d）所示。當數(shù)據(jù)取出后，堆棧指針又回到初始狀態(tài)，如圖3-15所示。但原來進棧的數(shù)還存于堆棧中，直到下次進棧的數(shù)據(jù)將其覆蓋。,該程序，是將40H和41H的數(shù)據(jù)交換，進棧兩次，出棧兩次，所以堆棧指針SP的值，仍為初始值2FH，堆棧指針的初始值指向的單元，是不能用于存放堆棧數(shù)據(jù)的，第一個入棧的數(shù)據(jù)，是該單元的地址加1單元。,系統(tǒng)復位時堆棧指示器的值為07H，即指向的是工作寄存器區(qū)0組的R7單元，如圖3-17所示，第一個入棧的數(shù)放于08H單元，但堆棧一般開辟在用戶區(qū)（30H7FH）中。堆棧的深度是由數(shù)據(jù)連續(xù)進棧的次數(shù)來決定的。若根據(jù)某個程序設計的需要，需要16個單元堆棧來存儲數(shù)據(jù)，堆棧開辟在40H到4

25、FH單元，則堆棧指示器SP的初始值應付3FH，第一個入棧的數(shù)放入40H中，在程序的設計中，40H41H中不能用于其它的數(shù)據(jù)的存放，否則數(shù)據(jù)被覆蓋。若實際進棧的數(shù)據(jù)超出了16個單元，則堆棧溢出，溢出的單元在50H以上，這些單元沒有數(shù)據(jù)，則沒有影響，否則影響原有數(shù)據(jù)。堆棧指針始終指向的是堆棧的棧頂位置。,注： 51子系列中，共有18個SFR（特殊功能寄存器）， 占用21個單元，我們先學5個SFR（共6個單元）， 其余SFR在后面的學習中，會逐步的給大家介紹。 這18個SFR，21個單元中，字節(jié)地址能被8整除的單 元是可以進行位尋址的，也就是說字節(jié)地址的后面 一位是0或者8，都是可以進行位尋址的（b

26、it）。 可位尋址的單元，可以用位地址、位編號或位定 義，在尋址中都稱之為位尋址（bit）。 系統(tǒng)復位后，各寄存器的值如表3-4所示。,3.3.4 程序存儲器 程序存儲器的作用是用來存放程序和數(shù)表（固定不變的常數(shù)）。AT89S51單片機內(nèi)部有4K的程序存儲器FlashROM，外部最多可擴展64K的程序存儲器，內(nèi)外程序存儲器采用統(tǒng)一編址的方法，即共用64K的地址，地址范圍0000HFFFFH，不管是內(nèi)部還是外部都是用指令MOVC來訪問。如圖3-18所示。,1.程序存儲器的結構 8051(80C51)系列有64K ROM 的尋址區(qū)，地址范圍0000HFFFFH,用于存放程序。 其中低4K（0000H0FFFH) 的地址區(qū)可以為片內(nèi)ROM 和片外ROM共用，但不能同時使用(由外引腳 決定)。 高60K(1000HFFFFH) 的地址區(qū)為片外ROM所專用。,注： 低4K共用地址，這樣出現(xiàn)一個地址兩個單元，地址不能 唯一，這在計算機中是不允許的； 解決方法，通過單片機的外引腳 來實現(xiàn)： a、當 EA=0時，CPU直接訪問ROM(0000HFFFFH)， 內(nèi)部不用； b、 當 EA=1時，CPU先訪問內(nèi)部ROM（0000H0FFFH） 結束后，再去訪問外部ROM （1000HFFFFH），外部低4K不用，也 就是說外部低4K無需擴展，