MCS-51的存儲(chǔ)器可分為四類(lèi),51單片機(jī)存儲(chǔ)器詳解
MCS-51的存儲(chǔ)器可分為四類(lèi)：
程序存儲(chǔ)器
一個(gè)微處理器能夠聰明地執(zhí)行某種任務(wù)，除了它們強(qiáng)大的硬件外，還需要它們運(yùn)行的軟件，其實(shí)微處理器并不聰明，它們只是完全按照人們預(yù)先編寫(xiě)的程序而執(zhí)行之。那么設(shè)計(jì)人員編寫(xiě)的程序就存放在微處理器的程序存儲(chǔ)器中，俗稱(chēng)只讀程序存儲(chǔ)器(ROM)。程序相當(dāng)于給微處理器處理問(wèn)題的一系列命令。其實(shí)程序和數(shù)據(jù)一樣，都是由機(jī)器碼組成的代碼串。只是程序代碼則存放于程序存儲(chǔ)器中。
MCS-51具有64kB程序存儲(chǔ)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(duì)于內(nèi)部無(wú)ROM的8031單片機(jī)，它的程序存儲(chǔ)器必須外接，空間地址為64kB，此時(shí)單片機(jī)的端必須接地。強(qiáng)制CPU從外部程序存儲(chǔ)器讀取程序。對(duì)于內(nèi)部有ROM的8051等單片機(jī)，正常運(yùn)行時(shí)，則需接高電平，使CPU先從內(nèi)部的程序存儲(chǔ)中讀取程序，當(dāng)PC值超過(guò)內(nèi)部ROM的容量時(shí)，才會(huì)轉(zhuǎn)向外部的程序存儲(chǔ)器讀取程序。
8051片內(nèi)有4kB的程序存儲(chǔ)單元，其地址為0000H—0FFFH，單片機(jī)啟動(dòng)復(fù)位后，程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容為0000H，所以系統(tǒng)將從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。但在程序存儲(chǔ)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(jī)從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序，如果程序不是從0000H單元開(kāi)始，則應(yīng)在這三個(gè)單元中存放一條無(wú)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(gè)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(shí)/計(jì)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(shí)/計(jì)數(shù)器1中斷地址區(qū)。
0023H—002AH 串行中斷地址區(qū)。
可見(jiàn)以上的40個(gè)單元是專(zhuān)門(mén)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(lèi)型，自動(dòng)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(gè)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(wú)條件轉(zhuǎn)移指令，指向程序存儲(chǔ)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(chǔ)器
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器也稱(chēng)為隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。MCS-51單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在物理上和邏輯上都分為兩個(gè)地址空間，一個(gè)是內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)和一個(gè)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。MCS-51內(nèi)部RAM有128或256個(gè)字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(不同的型號(hào)有分別)，它們是用于存放執(zhí)行的中間結(jié)果和過(guò)程數(shù)據(jù)的。MCS-51的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器均可讀寫(xiě)，部分單元還可以位尋址。
8051內(nèi)部RAM共有256個(gè)單元，這256個(gè)單元共分為兩部分。其一是地址從00H—7FH單元(共128個(gè)字節(jié))為用戶數(shù)據(jù)RAM。從80H—FFH地址單元(也是128個(gè)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(gè)單元中被均勻地分為四塊，每塊包含八個(gè)8位寄存器，均以R0—R7來(lái)命名，我們常稱(chēng)這些寄存器為通用寄存器。這四塊中的寄存器都稱(chēng)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(gè)寄存器——程序狀態(tài)字寄存器(PSW)來(lái)管理它們，CPU只要定義這個(gè)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(duì)應(yīng)的編碼關(guān)系如圖2所示。
內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的配置
內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(duì)它們的位進(jìn)行尋址。位尋址區(qū)共有16個(gè)字節(jié)，128個(gè)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(chēng)MCS-51具有布爾處理功能，布爾處理的存儲(chǔ)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(chēng)為專(zhuān)用寄存器，特殊功能寄存器反映了MCS-51單片機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。很多功能也通過(guò)特殊功能寄存器來(lái)定義和控制程序的執(zhí)行。
MCS-51有21個(gè)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(zhuān)門(mén)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(duì)其主要的寄存器作一些簡(jiǎn)單的介紹。
程序計(jì)數(shù)器PC(program Counter)
程序計(jì)數(shù)器在物理上是獨(dú)立的，它不屬于特殊內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器塊中。PC是一個(gè)16位的計(jì)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(dòng)加1功能，即完成了一條指令的執(zhí)行后，其內(nèi)容自動(dòng)加1。PC本身并沒(méi)有地址，因而不可尋址，用戶無(wú)法對(duì)它進(jìn)行讀寫(xiě)，但是可以通過(guò)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(gè)最常用的專(zhuān)用寄存器，大部分單操作指令的一個(gè)操作數(shù)取自累加器，很多雙操作數(shù)指令中的一個(gè)操作數(shù)也取自累加器。加、減、乘、除法運(yùn)算的指令，運(yùn)算結(jié)果都存放于累加器A或AB累加器對(duì)中。大部分的數(shù)據(jù)操作都會(huì)通過(guò)累加器A進(jìn)行，它形象于一個(gè)交通要道，在程序比較復(fù)雜的運(yùn)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(lái)發(fā)展的單片機(jī)，有的集成了多累加器結(jié)構(gòu)，或者使用寄存器陣列來(lái)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(wèn)題。提高單片機(jī)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(gè)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(duì)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(gè)8位寄存器，用于存放程序運(yùn)行的狀態(tài)信息，這個(gè)寄存器的一些位可由軟件設(shè)置，有些位則由硬件運(yùn)行時(shí)自動(dòng)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(shuō)明，并對(duì)各個(gè)位的定義介紹如下：
表3 程序狀態(tài)字
PSW.7(CY) 進(jìn)位標(biāo)志位，此位有兩個(gè)功能：一是存放執(zhí)行某寫(xiě)算數(shù)運(yùn)算時(shí)，存放進(jìn)位標(biāo)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(jìn)位標(biāo)志位，當(dāng)進(jìn)行加、減運(yùn)算時(shí)當(dāng)有低4位向高4位進(jìn)位或借位時(shí)，AC置位，否則被清零。AC輔助進(jìn)位位也常用于十進(jìn)制調(diào)整。
PSW.5(F0) 用戶標(biāo)志位，供用戶設(shè)置的標(biāo)志位。
PSW.4、PSW.3(RS1和 RS0) 寄存器組選擇位？蓞⒁(jiàn)本章的圖2定義。
PSW.2(OV) 溢出標(biāo)志。帶符號(hào)加減運(yùn)算中，超出了累加器A所能表示的符號(hào)數(shù)有效范圍(-128—+127)時(shí)，即產(chǎn)生溢出，OV=1。表明運(yùn)算運(yùn)算結(jié)果錯(cuò)誤。如果OV=0，表明運(yùn)算結(jié)果正確。
執(zhí)行加法指令A(yù)DD時(shí)，當(dāng)位6向位7進(jìn)位，而位7不向C進(jìn)位時(shí)，OV=1；蛘呶6不向位7進(jìn)位，而位7向C進(jìn)位時(shí)，同樣OV=1。
除法指令，乘積超過(guò)255時(shí)，OV=1。表面乘積在AB寄存器對(duì)中。若OV=0，則說(shuō)明乘積沒(méi)有超過(guò)255，乘積只在累加器A中。
除法指令，OV=1，表示除數(shù)為0，運(yùn)算不被執(zhí)行。否則OV=0。
PSW.0(P) 奇偶校驗(yàn)位。聲明累加器A的奇偶性，每個(gè)指令周期都由硬件來(lái)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(shí)，既可以按16位寄存器來(lái)使用，也可以按兩個(gè)8位寄存器來(lái)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(lái)保存16位地址，當(dāng)對(duì)64kB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址時(shí)，可作為間址寄存器使用，此時(shí)，使用如下兩條指令：
MOVX A, @DPTR
MOVX @DPTR, A
在訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器時(shí)，DPTR可用來(lái)作基址寄存器，采用基址+變址尋址方式訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器，這條指令常用于讀取程序存儲(chǔ)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(gè)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(shí)際上是從08H開(kāi)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(shí)需要用到這些數(shù)據(jù)單元，必須對(duì)堆棧指針SP進(jìn)行初始化，原則上設(shè)在任何一個(gè)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(xiě)入堆棧我們稱(chēng)為入棧(PUSH，有些文獻(xiàn)也稱(chēng)作插入運(yùn)算或壓入)，從堆棧中取出數(shù)據(jù)稱(chēng)為出棧(POP，也稱(chēng)為刪除運(yùn)算或彈出)，堆棧的最主要特征是“后進(jìn)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(shí)則是最先的。這和我們往一個(gè)箱里存放書(shū)本一樣，需將最先放入箱底部的書(shū)取出，必須先取走最上層的書(shū)籍。這個(gè)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(shuō)的斷點(diǎn)保護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)。微處理器無(wú)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(lái)，在轉(zhuǎn)入子程序和中斷服務(wù)程序前，必須先將現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存起來(lái)，否則返回時(shí)，CPU并不知道原來(lái)的程序執(zhí)行到哪一步，原來(lái)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(shí)，再?gòu)?fù)原當(dāng)時(shí)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(shí)，需要保存的數(shù)據(jù)可能有若干個(gè)，都需要一一地保留。如果微處理器進(jìn)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(huì)造成堆棧溢出，丟失應(yīng)備份的數(shù)據(jù)。輕者使運(yùn)算和執(zhí)行結(jié)果錯(cuò)誤，重則使整個(gè)程序紊亂。
MCS-51的堆棧是在RAM中開(kāi)辟的，即堆棧要占據(jù)一定的RAM存儲(chǔ)單元。同時(shí)MCS-51的堆？梢杂捎脩粼O(shè)置，SP的初始值不同，堆棧的位置則不一定，不同的設(shè)計(jì)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(jìn)棧和出棧，但不管是向堆棧寫(xiě)入數(shù)據(jù)還是從堆棧中讀出數(shù)據(jù)，都是對(duì)棧頂單元進(jìn)行的，SP就是即時(shí)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(kāi)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(chǔ)單元交換數(shù)據(jù)。
堆棧的操作有兩種方法：其一是自動(dòng)方式，即在中斷服務(wù)程序響應(yīng)或子程序調(diào)用時(shí)，返回地址自動(dòng)進(jìn)棧。當(dāng)需要返回執(zhí)行主程序時(shí)，返回的地址自動(dòng)交給PC，以保證程序從斷點(diǎn)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(zhuān)有的堆棧操作指令進(jìn)行進(jìn)出棧操作，也只有兩條指令：進(jìn)棧為PUSH指令，在中斷服務(wù)程序或子程序調(diào)用時(shí)作為現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)。出棧操作POP指令，用于子程序完成時(shí)，為主程序恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。
I/O口專(zhuān)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(jī)的四組I/O口鎖存器。MCS-51單片機(jī)并沒(méi)有專(zhuān)門(mén)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(lái)使用，數(shù)據(jù)傳送都統(tǒng)一使用MOV指令來(lái)進(jìn)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(shí)/計(jì)數(shù)器(TL0、TH0、TL1和TH1)
MCS-51單片機(jī)中有兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和T1，它們由四個(gè)8位寄存器組成的，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器卻是完全獨(dú)立的。我們可以單獨(dú)對(duì)這四個(gè)寄存器進(jìn)行尋址，但不能把T0和T1當(dāng)作16位寄存來(lái)使用。
定時(shí)/計(jì)數(shù)器方式選擇寄存器(TMOD)
TMOD寄存器是一個(gè)專(zhuān)用寄存器，用于控制兩個(gè)定時(shí)計(jì)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(xì)的內(nèi)容，我們將在《MCS-51定時(shí)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(lái)存放需發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，它由兩個(gè)獨(dú)立的寄存器組成，一個(gè)是發(fā)送緩沖器，另一個(gè)是接收緩沖器，要發(fā)送和接收的操作其實(shí)都是對(duì)串行數(shù)據(jù)緩沖器進(jìn)行。
其他控制寄存器(TMOD)
除了以上我們簡(jiǎn)述的幾個(gè)專(zhuān)用寄存外，還有IP、IE、TCON、SCON和PCON等幾個(gè)寄存器，這幾個(gè)控制寄存器主要用于中斷和定時(shí)的，我們將在《MCS-51定時(shí)器和中斷系統(tǒng)》中詳細(xì)說(shuō)明。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-05-18
