MCS-51的存儲器分類

　　存儲器（Memory）是現(xiàn)代信息技術(shù)中用于保存信息的記憶設(shè)備。其概念很廣，有很多層次，在數(shù)字系統(tǒng)中，只要能保存二進(jìn)制數(shù)據(jù)的都可以是存儲器;那么MCS-51單片機(jī)的存儲器有哪幾類呢？如何分類呢？

　　程序存儲器

　　一個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，其實微處理器并不聰明，它們只是完全按照人們預(yù)先編寫的程序而執(zhí)行之。那么設(shè)計人員編寫的程序就存放在微處理器的程序存儲器中，俗稱只讀程序存儲器（ROM）。程序相當(dāng)于給微處理器處理問題的一系列命令。其實程序和數(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器中。

　　MCS-51具有64kB程序存儲器尋址空間，它是用于存放用戶程序、數(shù)據(jù)和表格等信息。對于內(nèi)部無ROM的8031單片機(jī)，它的程序存儲器必須外接，空間地址為64kB，此時單片機(jī)的端必須接地。強(qiáng)制CPU從外部程序存儲器讀取程序。對于內(nèi)部有ROM的8051等單片機(jī)，正常運(yùn)行時，則需接高電平，使CPU先從內(nèi)部的程序存儲中讀取程序，當(dāng)PC值超過內(nèi)部ROM的容量時，才會轉(zhuǎn)向外部的程序存儲器讀取程序。

　　8051片內(nèi)有4kB的程序存儲單元，其地址為0000H—0FFFH，單片機(jī)啟動復(fù)位后，程序計數(shù)器的內(nèi)容為0000H，所以系統(tǒng)將從0000H單元開始執(zhí)行程序。但在程序存儲中有些特殊的單元，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單元開始執(zhí)行程序，如果程序不是從0000H單元開始，則應(yīng)在這三個單元中存放一條無條件轉(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/計數(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/計數(shù)器1中斷地址區(qū)。

　　0023H—002AH 串行中斷地址區(qū)。

　　可見以上的40個單元是專門用于存放中斷處理程序的地址單元，中斷響應(yīng)后，按中斷的類型，自動轉(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)安放一條無條件轉(zhuǎn)移指令，指向程序存儲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)存儲器

　　數(shù)據(jù)存儲器也稱為隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器。MCS-51單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲器在物理上和邏輯上都分為兩個地址空間，一個是內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲區(qū)和一個外部數(shù)據(jù)存儲區(qū)。MCS-51內(nèi)部RAM有128或256個字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)存儲（不同的型號有分別），它們是用于存放執(zhí)行的中間結(jié)果和過程數(shù)據(jù)的。MCS-51的數(shù)據(jù)存儲器均可讀寫，部分單元還可以位尋址。

　　8051內(nèi)部RAM共有256個單元，這256個單元共分為兩部分。其一是地址從00H—7FH單元（共128個字節(jié)）為用戶數(shù)據(jù)RAM。從80H—FFH地址單元（也是128個字節(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個單元中被均勻地分為四塊，每塊包含八個8位寄存器，均以R0—R7來命名，我們常稱這些寄存器為通用寄存器。這四塊中的寄存器都稱為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寄存器——程序狀態(tài)字寄存器（PSW）來管理它們，CPU只要定義這個寄存的PSW的第3和第4位（RS0和RS1），即可選中這四組通用寄存器。對應(yīng)的編碼關(guān)系如圖2所示。

　　內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的配置

　　內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的配置 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，也可對它們的位進(jìn)行尋址。位尋址區(qū)共有16個字節(jié)，128個位，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MCS-51具有布爾處理功能，布爾處理的存儲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）也稱為專用寄存器，特殊功能寄存器反映了MCS-51單片機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。很多功能也通過特殊功能寄存器來定義和控制程序的執(zhí)行。

　　MCS-51有21個特殊功能寄存器，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門的規(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，我們對其主要的寄存器作一些簡單的介紹。

　　程序計數(shù)器PC（program Counter）

　　程序計數(shù)器在物理上是獨(dú)立的，它不屬于特殊內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器塊中。PC是一個16位的計數(shù)器，用于存放一條要執(zhí)行的指令地址，尋址范圍為64kB，PC有自動加1功能，即完成了一條指令的執(zhí)行后，其內(nèi)容自動加1。PC本身并沒有地址，因而不可尋址，用戶無法對它進(jìn)行讀寫，但是可以通過轉(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是一個最常用的專用寄存器，大部分單操作指令的一個操作數(shù)取自累加器，很多雙操作數(shù)指令中的一個操作數(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累加器對中。大部分的數(shù)據(jù)操作都會通過累加器A進(jìn)行，它形象于一個交通要道，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8位寄存器，用于存放程序運(yùn)行的狀態(tài)信息，這個寄存器的一些位可由軟件設(shè)置，有些位則由硬件運(yùn)行時自動設(shè)置的。寄存器的各位定義如下，其中PSW.1是保留位，未使用。下表是它的功能說明，并對各個位的定義介紹如下：

　　表3 程序狀態(tài)字

　　PSW.7（CY） 進(jìn)位標(biāo)志位，此位有兩個功能：一是存放執(zhí)行某寫算數(shù)運(yùn)算時，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)算時當(dāng)有低4位向高4位進(jìn)位或借位時，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姳菊碌膱D2定義。

　　PSW.2（OV） 溢出標(biāo)志。帶符號加減運(yùn)算中，超出了累加器A所能表示的符號數(shù)有效范圍（-128—+127）時，即產(chǎn)生溢出，OV=1。表明運(yùn)算運(yùn)算結(jié)果錯誤。如果OV=0，表明運(yùn)算結(jié)果正確。

　　執(zhí)行加法指令ADD時，當(dāng)位6向位7進(jìn)位，而位7不向C進(jìn)位時，OV=1?；蛘呶?不向位7進(jìn)位，而位7向C進(jìn)位時，同樣OV=1。

　　除法指令，乘積超過255時，OV=1。表面乘積在AB寄存器對中。若OV=0，則說明乘積沒有超過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） 奇偶校驗位。聲明累加器A的奇偶性，每個指令周期都由硬件來置位或清零，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，既可以按16位寄存器來使用，也可以按兩個8位寄存器來使用，即高位字節(jié)寄存器DPH和低位字節(jié)DPL。

　　DPTR主要是用來保存16位地址，當(dāng)對64kB外部數(shù)據(jù)存儲器尋址時，可作為間址寄存器使用，此時，使用如下兩條指令：

　　MOVX A， @DPTR

　　MOVX @DPTR， A

　　在訪問程序存儲器時，DPTR可用來作基址寄存器，采用基址+變址尋址方式訪問程序存儲器，這條指令常用于讀取程序存儲器內(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，使得堆棧實際上是從08H開始的。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)，若編程時需要用到這些數(shù)據(jù)單元，必須對堆棧指針SP進(jìn)行初始化，原則上設(shè)在任何一個區(qū)域均可，但一般設(shè)在30H—1FH之間較為適宜。

　　數(shù)據(jù)的寫入堆棧我們稱為入棧（PUSH，有些文獻(xiàn)也稱作插入運(yùn)算或壓入），從堆棧中取出數(shù)據(jù)稱為出棧（POP，也稱為刪除運(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)出棧時則是最先的。這和我們往一個箱里存放書本一樣，需將最先放入箱底部的書取出，必須先取走最上層的書籍。這個道理非常相似。

　　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，即常說的斷點保護(hù)和現(xiàn)場保護(hù)。微處理器無論是在轉(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，在轉(zhuǎn)入子程序和中斷服務(wù)程序前，必須先將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存起來，否則返回時，CPU并不知道原來的程序執(zhí)行到哪一步，原來的中間結(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，再復(fù)原當(dāng)時的數(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，需要保存的數(shù)據(jù)可能有若干個，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)果錯誤，重則使整個程序紊亂。

　　MCS-51的堆棧是在RAM中開辟的，即堆棧要占據(jù)一定的RAM存儲單元。同時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，但不管是向堆棧寫入數(shù)據(jù)還是從堆棧中讀出數(shù)據(jù)，都是對棧頂單元進(jìn)行的，SP就是即時指示出棧頂?shù)奈恢茫吹刂罚?。在子程序調(diào)用和中斷服務(wù)程序響應(yīng)的開始和結(jié)束期間，CPU都是根據(jù)SP指示的地址與相應(yīng)的RAM存儲單元交換數(shù)據(jù)。

　　堆棧的操作有兩種方法：其一是自動方式，即在中斷服務(wù)程序響應(yīng)或子程序調(diào)用時，返回地址自動進(jìn)棧。當(dāng)需要返回執(zhí)行主程序時，返回的地址自動交給PC，以保證程序從斷點處繼續(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)用時作為現(xiàn)場保護(hù)。出棧操作POP指令，用于子程序完成時，為主程序恢復(fù)現(xiàn)場。

　　I/O口專用寄存器（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)并沒有專門的I/O口操作指令，而是把I/O口也當(dāng)作一般的寄存器來使用，數(shù)據(jù)傳送都統(tǒng)一使用MOV指令來進(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/計數(shù)器（TL0、TH0、TL1和TH1）

　　MCS-51單片機(jī)中有兩個16位的定時/計數(shù)器T0和T1，它們由四個8位寄存器組成的，兩個16位定時/計數(shù)器卻是完全獨(dú)立的。我們可以單獨(dú)對這四個寄存器進(jìn)行尋址，但不能把T0和T1當(dāng)作16位寄存來使用。

　　定時/計數(shù)器方式選擇寄存器（TMOD）

　　TMOD寄存器是一個專用寄存器，用于控制兩個定時計數(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用來存放需發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，它由兩個獨(dú)立的寄存器組成，一個是發(fā)送緩沖器，另一個是接收緩沖器，要發(fā)送和接收的操作其實都是對串行數(shù)據(jù)緩沖器進(jìn)行。

　　其他控制寄存器（TMOD）

　　除了以上我們簡述的幾個專用寄存外，還有IP、IE、TCON、SCON和PCON等幾個寄存器，這幾個控制寄存器主要用于中斷和定時的，我們將在《MCS-51定時器和中斷系統(tǒng)》中詳細(xì)說明。