如何從單片機(jī)上去理解存儲(chǔ)器技術(shù)

存儲(chǔ)器是許多存儲(chǔ)單元的集合，存儲(chǔ)器單元實(shí)際上是時(shí)序邏輯電路（鎖存器）的一種，按單元號(hào)順序排列。每個(gè)單元由若干二進(jìn)制位構(gòu)成，以表示存儲(chǔ)單元中存放的數(shù)值，這種結(jié)構(gòu)和數(shù)組的結(jié)構(gòu)非常相似。按存儲(chǔ)器的使用類(lèi)型可分為只讀存儲(chǔ)器(ROM)和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)。

1.1 存儲(chǔ)單位

位（bit）：它是計(jì)算機(jī)中最小的數(shù)據(jù)單位。由于計(jì)算機(jī)采用二進(jìn)制數(shù)，所以1位二進(jìn)制數(shù)稱(chēng)作1bit，例如101011為6bit。

字節(jié)（Byte，單位簡(jiǎn)寫(xiě)為B）:8位二進(jìn)制數(shù)稱(chēng)為一個(gè)字節(jié)，1B=8bit。

字（Word）：兩個(gè)字節(jié)構(gòu)成一個(gè)字，即2Byte=1Word。

在單片機(jī)中還有一個(gè)常用術(shù)語(yǔ)：字長(zhǎng)。所謂字長(zhǎng)是指單片機(jī)一次能處理的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。51單片機(jī)一次能處理8位二進(jìn)制數(shù)，所以51單片機(jī)的字長(zhǎng)為8位。

1.2 存儲(chǔ)器編址

如下圖所示是一個(gè)容量為256字節(jié)的存儲(chǔ)器，內(nèi)部有256個(gè)存儲(chǔ)單元，每個(gè)存儲(chǔ)單元可以存放8位二進(jìn)制數(shù)，為了存取數(shù)據(jù)方便，需要對(duì)每個(gè)存儲(chǔ)單元進(jìn)行編號(hào)，也即對(duì)存儲(chǔ)單元編址，編址采用二進(jìn)制數(shù)，對(duì)256個(gè)存儲(chǔ)單元全部編址至少要用到8位二進(jìn)制數(shù)，第1個(gè)存儲(chǔ)單元編址為00000000，編寫(xiě)程序時(shí)為了方便，一般用十六進(jìn)制數(shù)表示，二進(jìn)制數(shù)00000000用十六進(jìn)制表示就是00H,H表示十六制數(shù)，第二個(gè)存儲(chǔ)單元編址為01H，第256個(gè)存儲(chǔ)單元編址為FFH（也可以寫(xiě)成0FFH）。

圖1 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

1.3存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)讀寫(xiě)說(shuō)明

要對(duì)256字節(jié)存儲(chǔ)器的每個(gè)存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀寫(xiě)，需要8根地址線和8根數(shù)據(jù)線，先送8位地址選中某個(gè)存儲(chǔ)單元，再根據(jù)讀控制或?qū)懣刂?，將選中的存儲(chǔ)單元的8位數(shù)據(jù)從8根數(shù)據(jù)線送出，或通過(guò)8根數(shù)據(jù)線將8位數(shù)據(jù)存入選中的存儲(chǔ)單元中。以圖1 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)為例，當(dāng)?shù)刂房偩€A7～A0將8位地址00011111（1FH）送入存儲(chǔ)器時(shí)，會(huì)選中內(nèi)部編址為1FH的存儲(chǔ)單元，這時(shí)再?gòu)淖x控制線送入一個(gè)讀控制信號(hào)，1FH 存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)00010111從8根數(shù)據(jù)總線D7～D0送出。

1.4 存儲(chǔ)器的地址空間說(shuō)明

MCS-51單片機(jī)采用哈佛結(jié)構(gòu)，即程序空間（ROM）和數(shù)據(jù)空間（RAM）分開(kāi)編址，它們有各自的地址空間，互不重疊，因此ROM和RAM可以有相同的地址編碼。為區(qū)分同一地址的變量是來(lái)自ROM還是RAM，要求編程時(shí)定義的任何變量都必須以一定的存儲(chǔ)器類(lèi)型的方式定位在MCS-51單片機(jī)的某一存儲(chǔ)區(qū)中。使用C51編程時(shí)，只需用關(guān)鍵字就可定義變量的存儲(chǔ)器類(lèi)型。C51變量的存儲(chǔ)器類(lèi)型見(jiàn)下表所示。

從物理地址空間看，MCS-51單片機(jī)的存儲(chǔ)器有4個(gè)地址空間，分別是4KB的片內(nèi)ROM、64KB的片外ROM、256B的片內(nèi)RAM、64KB的片外RAM。

ROM（程序存儲(chǔ)器）存放程序、表格和始終要保留的常數(shù)，相當(dāng)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬盤(pán)；

2.1 片內(nèi)外ROM（程序存儲(chǔ)器）

8051單片機(jī)內(nèi)部有4KB的程序存儲(chǔ)器，如果內(nèi)部程序存儲(chǔ)器不夠用（或無(wú)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器），可以外接程序存儲(chǔ)器。8051單片機(jī)最大可以外接容量為64KB的程序存儲(chǔ)器（ROM），它與片內(nèi)4KB程序存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址。?

當(dāng)單片機(jī)的

端接高電平（接電源正極）時(shí)，片內(nèi)、片外程序存儲(chǔ)器都可以使用，片內(nèi)4KB 程序存儲(chǔ)器的編址為0000H～0FFFH，片外64KB 程序存儲(chǔ)器的編址為1000H～FFFFH，片外程序存儲(chǔ)器低4KB存儲(chǔ)空間無(wú)法使用。

如下圖所示：

當(dāng)單片機(jī)的

端接低電平（接地）時(shí)，只能使用片外程序存儲(chǔ)器，其編址為0000H～FFFFH，片內(nèi)4KB程序存儲(chǔ)器無(wú)法使用。

如下圖所示：?

2.2 片內(nèi)外ROM（程序存儲(chǔ)器）說(shuō)明

（1）無(wú)論是使用片內(nèi)ROM還是使用片外ROM，程序的起始地址都是從ROM的0000H單元開(kāi)始的。

（2）盡管單片機(jī)可以同時(shí)具備內(nèi)、外ROM，但是在一般情況下，都需要通過(guò)

EA的設(shè)定來(lái)選擇其一。

（3）如果EA=1，當(dāng)程序超過(guò)片內(nèi)ROM容量（4KB：0000H～0FFFH）時(shí)，單片機(jī)就會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向片外ROM，并且從1000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序（無(wú)法使用片外ROM的低4KB空間）。目前，一般單片機(jī)的片內(nèi)ROM容量都?jí)?，因此，很少或沒(méi)必要擴(kuò)展片外ROM。

ROM空間一般可以根據(jù)用戶(hù)需要任意安排使用，但ROM中的某些地址被中斷程序的入口地址占用。

具體如下表所示：

RAM（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）存放數(shù)據(jù)（常量或變量）或運(yùn)算的結(jié)果，相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的內(nèi)存；

3.1 片內(nèi)外RAM（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）

8051單片機(jī)內(nèi)部有256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，如果內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器不夠用，可以外接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。8051單片機(jī)最大可以外接容量為64KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），它與片內(nèi)256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi)編址。

如下圖所示：? ??

當(dāng)8051單片機(jī)連接片外RAM時(shí)，片內(nèi)RAM的00H～FFH存儲(chǔ)單元地址與片外RAM的0000H～00FFH存儲(chǔ)單元地址相同，為了區(qū)分兩者，在用匯編語(yǔ)言編程時(shí)，讀寫(xiě)片外RAM時(shí)要用“MOVX”指令（讀寫(xiě)片內(nèi)RAM時(shí)要用“MOV”指令），在用C語(yǔ)言編程時(shí)，讀寫(xiě)RAM時(shí)須先聲明數(shù)據(jù)類(lèi)型（內(nèi)部數(shù)據(jù)或外部數(shù)據(jù)），若讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)存放在片內(nèi)RAM中，要聲明數(shù)據(jù)類(lèi)型為內(nèi)部數(shù)據(jù)類(lèi)型（如用“data”聲明），若讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)存放在片外RAM中，應(yīng)聲明數(shù)據(jù)類(lèi)型為外部數(shù)據(jù)類(lèi)型（如用“xdata”聲明），單片機(jī)會(huì)根據(jù)聲明的數(shù)據(jù)類(lèi)型自動(dòng)選擇讀寫(xiě)片內(nèi)或片外RAM。

3.2? RAM（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）的分區(qū)?

8051單片機(jī)內(nèi)部有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（地址為00H～7FH）和128字節(jié)的特殊功能寄存器區(qū)（地址為80H～FFH），如下圖所示。根據(jù)功能不同，8051單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可分為工作寄存器區(qū)（0～3組）(32 Bytes)、位尋址區(qū)（16 Bytes）、用戶(hù)RAM區(qū)（80 Bytes）、特殊功能寄存器區(qū)（128 bytes）。?

3.2.1 工作寄存器區(qū)

單片機(jī)在工作時(shí)需要處理很多數(shù)據(jù)，有些數(shù)據(jù)要用來(lái)運(yùn)算，有些要反復(fù)調(diào)用，有些要用來(lái)比較校驗(yàn)等，在處理這些數(shù)據(jù)時(shí)需要有地方能暫時(shí)存放這些數(shù)據(jù)，單片機(jī)提供暫存數(shù)據(jù)的地方就是工作寄存器。8051單片機(jī)的工作寄存器區(qū)總存儲(chǔ)空間為32字節(jié)，由0～3組工作寄存器組成，每組有8個(gè)工作寄存器（R0～R7），共32個(gè)工作寄存器（存儲(chǔ)單元），地址編號(hào)為00H～1FH，每個(gè)工作寄存器可存儲(chǔ)一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)（8位），四組工作寄存器的各個(gè)寄存器地址編號(hào)如下：

單片機(jī)上電復(fù)位后，默認(rèn)使用第0組工作寄存器，可以通過(guò)編程設(shè)置PSW（程序狀態(tài)字寄存器）的RS1、RS0位的值來(lái)?yè)Q成其他組工作寄存器。當(dāng)PSW的RS1位=0、RS0位=0時(shí)，使用第0組工作寄存器，RS1位=0、RS0位=1時(shí)使用第1組工作寄存器，RS1位=1、RS0位=0時(shí)使用第2組工作寄存器，RS1位=1、RS0位=1時(shí)使用第3組工作寄存器，如下圖所示。不使用的工作寄存器可當(dāng)作一般的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用。

3.2.2 位尋址區(qū)

位尋址區(qū)位于工作寄存器區(qū)之后，總存儲(chǔ)空間為16字節(jié)，有16個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)單元，字節(jié)地址為20H～2FH，每個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)單元有8個(gè)存儲(chǔ)位，一共有16×8=128個(gè)存儲(chǔ)位，每個(gè)位都有地址，稱(chēng)為位地址，利用位地址可以直接對(duì)位進(jìn)行讀寫(xiě)。位尋址區(qū)的16個(gè)字節(jié)單元與128個(gè)位的地址編號(hào)如下圖所示，從圖中可以看出，字節(jié)單元和存儲(chǔ)位有部分相同的地址編號(hào)，單片機(jī)是以指令類(lèi)型來(lái)區(qū)分訪問(wèn)地址為字節(jié)單元還是位單元，比如用字節(jié)指令訪問(wèn)地址20H時(shí)，訪問(wèn)的為20H字節(jié)單元，可以同時(shí)操作該字節(jié)單元的8位數(shù)，用位指令訪問(wèn)地址20H時(shí)，訪問(wèn)的為24H字節(jié)單元的D0位，只能操作該位的數(shù)據(jù)。

3.2.3 用戶(hù)RAM區(qū)

用戶(hù)RAM區(qū)又稱(chēng)為數(shù)據(jù)緩存區(qū)，8051單片機(jī)的用戶(hù)RAM區(qū)有80個(gè)存儲(chǔ)單元（字節(jié)），地址編號(hào)為30H～7FH，用戶(hù)RAM區(qū)一般用來(lái)存儲(chǔ)隨機(jī)數(shù)據(jù)和運(yùn)算中間結(jié)果等。

3.2.4 特殊功能寄存區(qū)

特殊功能寄存器簡(jiǎn)稱(chēng)SFR（Special Function Register），主要用于管理單片機(jī)內(nèi)部各功能部件（如定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、I/O 端口、中斷控制器和串行通信口等），通過(guò)編程設(shè)定一些特殊功能寄存器的值，可以讓相對(duì)應(yīng)的功能部件進(jìn)入設(shè)定的工作狀態(tài)。

1.特殊功能寄存器的符號(hào)、字節(jié)地址、位地址和復(fù)位值

8051單片機(jī)有21個(gè)特殊功能寄存器（SFR），見(jiàn)下表1，每個(gè)特殊功能寄存器都是一個(gè)字節(jié)單元（有8位），它們的地址離散分布在80H～FFH 范圍內(nèi)，51單片機(jī)規(guī)定特殊寄存器只能用直接尋址（直接寫(xiě)出 SFR 的地址或符號(hào)）方式訪問(wèn)。

21個(gè)特殊功能寄存器都能以字節(jié)為單位進(jìn)行訪問(wèn)，其中有一些特殊功能寄存器還可以進(jìn)行位訪問(wèn)，能訪問(wèn)的位都有符號(hào)和位地址，位地址為特殊功能寄存器的字節(jié)地址加位號(hào)。以特殊功能寄存器P0為例，其字節(jié)地址為80H（字節(jié)地址值可以被8整除），其P0.0～P0.7位的位地址為80H～87H，訪問(wèn)字節(jié)地址80H時(shí)可讀寫(xiě)8位（P0.0～P0.7位），訪問(wèn)位地址82H時(shí)僅可讀寫(xiě)P0.2位。

有位地址的特殊寄存器既可以用字節(jié)地址訪問(wèn)整個(gè)寄存器（8位），也可以用位地址（或位符號(hào)）訪問(wèn)寄存器的某個(gè)位，無(wú)位地址的特殊寄存器只能用字節(jié)地址訪問(wèn)整個(gè)寄存器。當(dāng)位地址和字節(jié)地址相同時(shí)，單片機(jī)會(huì)根據(jù)指令類(lèi)型來(lái)確定該地址的類(lèi)型。單片機(jī)上電復(fù)位后，各特殊功能寄存器都有個(gè)復(fù)位初始值，具體見(jiàn)表1,x表示數(shù)值不定（或1或0）。

表1?8051單片機(jī)的21個(gè)特殊功能寄存器（SFR）

2.部分特殊功能寄存器介紹

單片機(jī)的特殊功能寄存器很多，可以分為特定功能型和通用型。對(duì)于特定功能型特殊功能寄存器，當(dāng)往某些位寫(xiě)入不同的值，可以將其控制的功能部件設(shè)為不同工作方式，讀取某些位的值，可以了解相應(yīng)功能部件的工作狀態(tài)；通用型特殊功能寄存器主要用于運(yùn)算、尋址和反映運(yùn)算結(jié)果狀態(tài)。

下面介紹一些通用型特殊功能寄存器。

（1）累加器（ACC）

累加器又稱(chēng)ACC，簡(jiǎn)稱(chēng)A，是一個(gè)8位寄存器，其字節(jié)地址為E0H。累加器是單片機(jī)中使用最頻繁的寄存器，在進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算時(shí)，數(shù)據(jù)大多數(shù)先進(jìn)入ACC，運(yùn)算完成后，結(jié)果大多數(shù)也送入ACC。

（2）寄存器B

寄存器B主要用于乘、除運(yùn)算，其字節(jié)地址是F0H。在乘法運(yùn)算時(shí)，一個(gè)數(shù)存放在A（累加器）中，另一個(gè)數(shù)存放在B中，運(yùn)算結(jié)果得到的積（16位）的高字節(jié)存放在B中，低字節(jié)存放在A中；在除法運(yùn)算時(shí)，被除數(shù)存取自A，除數(shù)取自B，運(yùn)算結(jié)果得到商（8位）和余數(shù)（8位），商存放在A中，余數(shù)存放在B中。

（3）數(shù)據(jù)指針寄存器（DPTR）

數(shù)據(jù)指針寄存器（DPTR）簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)據(jù)指針，是一個(gè)16位寄存器，由DPH和DPL兩個(gè)8位寄存器組成，地址分別為83H、82H。DPTR主要在單片機(jī)訪問(wèn)片外RAM時(shí)使用，用于存放片外RAM的16位地址，DPH保存高8位地址，DPL保存低8位地址。

（4）堆棧指針寄存器（SP）

人們?cè)谙赐氲鷷r(shí)，通常是將洗完的碗碟一只一只由下往上堆起來(lái)，使用時(shí)則是將碗碟從上往下一只一只取走。這個(gè)過(guò)程有兩個(gè)要點(diǎn)：一是這些碗碟的堆放是連續(xù)的；二是先堆放的后取走，后堆放的先取走。單片機(jī)的堆棧與上述情況類(lèi)似。堆棧是指在單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中劃分出的一個(gè)連續(xù)的存儲(chǔ)空間，這個(gè)存儲(chǔ)空間存取數(shù)據(jù)時(shí)具有“先進(jìn)后出，后進(jìn)先出”的特點(diǎn)。在存儲(chǔ)器存取數(shù)據(jù)時(shí)，首先根據(jù)地址選中某個(gè)單元，再將數(shù)據(jù)存入或取出。如果有一批數(shù)據(jù)要連續(xù)存入存儲(chǔ)器，比如將5個(gè)數(shù)據(jù)（每個(gè)數(shù)據(jù)為8位）依次存入地址為30H～34H的5個(gè)存儲(chǔ)單元中，按一般的操作方法是：先選中地址為30H的存儲(chǔ)單元，再將第1個(gè)數(shù)據(jù)存入該單元，然后選中地址為31H的存儲(chǔ)單元，再將第2個(gè)數(shù)據(jù)存入該單元……顯然這樣存取數(shù)據(jù)比較麻煩，采用堆?？梢院芎玫亟鉀Q這個(gè)問(wèn)題。

在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中劃分堆棧的方法是：通過(guò)編程的方法設(shè)置堆棧指針寄存器（SP）的值，如讓SP=2FH,SP就將存儲(chǔ)器地址為2FH的存儲(chǔ)單元設(shè)為堆棧的棧頂?shù)刂罚?FH單元后面的連續(xù)存儲(chǔ)單元就構(gòu)成了堆棧，如下圖所示。堆棧設(shè)置好后，就可以將數(shù)據(jù)按順序依次存入堆?；驈亩褩Ｖ腥〕?，在堆棧中存取數(shù)據(jù)按照“先進(jìn)后出，后進(jìn)先出”的規(guī)則進(jìn)行。

需要注意的是，堆棧指針寄存器（SP）中的值并不是堆棧的第一個(gè)存儲(chǔ)單元的地址，而是前一個(gè)單元的地址，例如SP=2FH，那么堆棧的第一個(gè)存儲(chǔ)單元的地址是30H，第1個(gè)數(shù)據(jù)存入30H單元。單片機(jī)通電復(fù)位后，SP的初始值為07H，這樣堆棧第一個(gè)存儲(chǔ)單元的地址就為08H，由于08H～1FH地址已劃分給1～3組工作寄存器，在需要用到堆棧時(shí)，通常在編程時(shí)設(shè)SP=2FH，這樣就將堆棧設(shè)置在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的用戶(hù)RAM區(qū)（30H～7FH）。

（5）程序狀態(tài)字寄存器（PSW）

程序狀態(tài)字寄存器（PSW）的地址是 D0H，它是一個(gè)狀態(tài)指示寄存器（又稱(chēng)標(biāo)志寄存器），用來(lái)指示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。PSW是一個(gè)8位寄存器，可以存儲(chǔ)8位數(shù)，各位代表不同的功能。程序狀態(tài)字寄存器（PSW）的字節(jié)地址、各位地址和各位功能如下圖所示。

D7位（C）：進(jìn)位標(biāo)志位。當(dāng)單片機(jī)進(jìn)行加、減運(yùn)算時(shí)，若運(yùn)算結(jié)果最高位有進(jìn)位或借位時(shí)，C位置1，無(wú)進(jìn)位或借位時(shí)，C位置0。在進(jìn)行位操作時(shí)，C用作位操作累加器。

D6位（AC）：半進(jìn)位標(biāo)志位。單片機(jī)進(jìn)行加、減運(yùn)算時(shí)，當(dāng)?shù)桶胱止?jié)的D3位向高半字節(jié)的D4位有進(jìn)位或借位時(shí)，AC位置1，否則AC位置0。

D5位（F0）：用戶(hù)標(biāo)志位0。用戶(hù)可設(shè)定的標(biāo)志位，可置1或置0。

D4位（RS1）、D3位（RS0）：工作寄存器組選擇位。這兩位有4種組合狀態(tài)，用來(lái)控制工作寄存器區(qū)（00H～1FH）4組中的某一組寄存器進(jìn)入工作狀態(tài)。

D2位（OV）：溢出標(biāo)志位。在進(jìn)行有符號(hào)數(shù)運(yùn)算時(shí)，若運(yùn)算結(jié)果超出?128～+127范圍，OV=1，否則OV=0；當(dāng)進(jìn)行無(wú)符號(hào)數(shù)乘法運(yùn)算時(shí)，若運(yùn)算結(jié)果超出255,OV=1，否則OV=0；當(dāng)進(jìn)行無(wú)符號(hào)數(shù)除法運(yùn)算時(shí)，若除數(shù)為0,OV=1，否則OV=0。

D1位（F1）：用戶(hù)標(biāo)志位1。同F(xiàn)0位，用戶(hù)可設(shè)定的標(biāo)志位，可置1或置0。

D0位（P）：奇偶校驗(yàn)位。該位用于對(duì)累加器A中的數(shù)據(jù)進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，當(dāng)累加器A中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)值時(shí)，P=1，若累加器A中的“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)值時(shí)，P=0。51系列單片機(jī)總是保持累加器A與P中“1”的總個(gè)數(shù)為偶數(shù)值，比如累加器A中有3個(gè)“1”，即“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)值，那么 P 應(yīng)為“1”，這樣才能讓兩者“1”的總個(gè)數(shù)為偶數(shù)值，這種校驗(yàn)方式稱(chēng)作偶校驗(yàn)。

編輯：黃飛

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