- 单片机应用技术项目教程（微课版）
- 郭志勇
- 4419字
- 2020-06-24 17:58:53
2.2 MCS-51单片机内存空间
微型计算机通常只有一个逻辑空间，程序存储器ROM和数据存储器RAM都要统一编址，即一个存储器地址对应一个唯一的存储单元。单片机将程序存储器和数据存储器分开，它们有各自的寻址系统、控制信号和功能。
MCS-51单片机内部集成了一定容量的程序存储器（8031/8032等除外）和数据存储器，同时还具有强大的外部存储器扩展能力，MCS-51单片机存储器的配置图如图2-8所示。
MCS-51单片机的存储器在物理结构上可分为4个存储空间：内部数据存储器、内部程序存储器、外部数据存储器和外部程序存储器。从逻辑上分，即从用户使用的角度看，MCS-51单片机存储器分为3个逻辑空间：片内外统一编址的64KB程序存储器地址空间、256B或384B的内部数据存储器地址空间和64KB外部数据存储器地址空间。
图2-8 MCS-51单片机存储器配置图
2.2.1 数据存储器
数据存储器也称为随机存取数据存储器，是用于存放程序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，部分单元还可位寻址。
数据存储器分为内部数据存储器和外部数据存储器两种。无论是物理上还是逻辑上，其地址空间都是彼此独立的。内部数据存储器地址范围为00H～FFH，外部数据存储器最多可扩展64KB，其地址范围为0000H～FFFFH。
内部数据存储器在物理上和逻辑上都分为两个地址空间：00H～7FH单元组成的低128B数据存储器空间和80H～FFH单元组成的高128B特殊功能寄存器空间。
在51子系列内部，真正可用作数据存储器的，只有低128B数据存储器空间，地址为00H～7FH，如图2-9所示。它们划分为3个区域：工作寄存器区、位寻址区和用户RAM区，这几个空间是相连的。
在52子系列中，有256B数据存储器空间，高128B数据存储器空间与特殊功能寄存器空间的地址是重叠的，都是80H～FFH，如图2-9所示。
图2-9 MCS-51内部RAM功能配置图
1. 工作寄存器区（00H～1FH）
由32个字节的RAM单元组成，地址为00H～1FH，分成4个区，每个区由8个8位工作寄存器组成。8个工作寄存器R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7与8个存储单元一一对应。
这4个工作寄存器区在程序中怎么辨别和使用它们呢？使用的工作寄存器区是由程序状态字PSW中的第3位RS0和第4位RS1确定的，RS1、RS0可通过程序置位或清零，以达到选择不同工作区的目的，其余的可用作一般的数据缓冲器，如表2-3所示。
表2-3 工作寄存器选择
这4个工作寄存器区给软件设计带来了极大方便，在实现中断嵌套时可以灵活选择不同的工作寄存器区，完成现场保护。CPU在复位后，默认选择第0组工作寄存器。
2. 位寻址区（20H～2FH）
内部RAM的20H～2FH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位，位地址为00H～7FH，如图2-10所示。
图2-10 内部RAM中位地址
CPU能直接寻址这些位，执行如置位、清零、求反、转移、传送和逻辑等操作。我们常说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位寻址区。
3. 用户RAM区（30H～7FH）
在内部RAM低128B单元中，工作寄存器占去32B，位寻址区占去16B，剩下的80B就是供用户使用的一般RAM区，地址单元为30H～7FH，这些RAM单元只能按字节寻址。对这部分区域的使用没有任何规定或限制，一般应用中常把堆栈开辟在此。单片机在复位时，SP的初值为07H，可在初始化程序中设定SP的值来确定堆栈区的范围，通常情况下将堆栈区设在30H～7FH。
2.2.2 特殊功能寄存器
高128B单元是供特殊功能寄存器使用的，也称为专用寄存器，单元地址为80H～FFH。单片机把CPU中的专用寄存器、并行端口锁存器、串行口与定时器/计数器内的控制寄存器集中安排到一个区域，离散地分布在地址为80H～FFH范围内，这个区域称为特殊功能寄存器（SFR）区。特殊功能寄存器字节地址分配如图2-11所示。
图2-11 特殊功能寄存器
某些SFR寄存器还可以位寻址，即可以对这些SFR寄存器8位中的任何一位进行单独的位操作，这一点与20H～2FH中的位操作是完全相同的。在SFR中，有12个特殊功能寄存器的字节地址能被8整除，这12个特殊功能寄存器的93位具有位寻址功能，其余3个为未定义位。
特殊功能寄存器最低位的位地址与特殊功能寄存器的字节地址相同，次低位的位地址等于特殊功能寄存器的字节地址加1，依此类推，最高位的位地址等于特殊功能寄存器的字节地址加7。特殊功能寄存器的位地址分配如图2-12所示。
图2-12 SFR中的位地址
复位后，内部各寄存器的数据值如图2-13所示。
图2-13 复位后SFR的值
1. ACC累加器
累加器是一个最常用的特殊功能寄存器，它是实现各种寻址及运算的寄存器，而不是仅做加法的寄存器。在MCS-51指令系统中，所有算术运算、逻辑运算都要使用它，而对程序存储器和外部数据存储器的访问也只能通过它进行。
2. B寄存器
B是一个8位特殊功能寄存器，在做乘除运算时要使用它。
3. PSW程序状态字
PSW是一个8位特殊功能寄存器，用于存放程序运行中的各种状态信息，如图2-14所示。
图2-14 PSW程序状态字
（1）CY（PSW.7）：高位进位标志位。当执行算术运算时，最高位向前进位或借位时，CY被置1。在执行逻辑运算时，可以被硬件或软件置位或清零。在布尔处理机中，它被认为是位累加器。
（2）AC（PSW.6）：辅助进位标志位。进行加法或减法运算时，当低四位向高四位进位或借位时，AC被置位，否则就被清零。
（3）F0（PSW.5）：用户标志位。是用户定义的一个状态标志，可以用软件来使它置位或清零，也可以用软件测试F0以控制程序的流向。
（4）RS1（PSW.4）、RS0（PSW.3）：寄存器组选择位。可以用软件来置位或清零，以确定工作寄存器组，RSl、RS0与工作寄存器组的对应关系见表2-3。
（5）OV（PSW.2）：溢出标志位。当执行算术运算时，对带符号数作加、减运算时，OV＝1，表示加、减运算的结果超出8位带符号数的范围（+127～-128）。OV标志常用C6和C7的关系来表示：
OV=C6⊕C7
当进行加、减运算时，C6表示D6位向D7位有进位或借位，C7表示D7位向进位位有进位或借位。
（6）-（PSW.1）：保留位，无定义。
（7）P（PSW.0）：奇偶校验位。若累加器（ACC）中“1”的个数是奇数个，P＝1；若为偶数个，P＝0。
此标志位对串行通信中的数据传输有重要意义。在串行通信中，常用奇偶校验来检验数据传输中的误码率。在发送端，可根据P的值对数据的奇偶位置位或清零。若通信协议中规定采用奇校验的办法，则P＝1，数据传输到接收端，若P＝1，则表示传输过程中，奇偶无错误，可以接收，否则奇偶有错，不能接收。
注意
PSW是编程时特别需要关注的一个寄存器。如当前ACC累加器中数据的奇偶性（P）、做加减法时的进位与借位（CY）、4个工作寄存器组的选择（RS1、RS0），以及辅助进位（AC）和溢出标志位（OV）等。
4. DPTR数据指针（DPL和DPH）
DPTR是一个16位特殊功能寄存器，用来存放外部数据存储器的16位地址。DPTR可以分成两个8位寄存器：高位字节寄存器DPH和低位字节寄存器DPL，既可作一个16位寄存器用，也可作两个8位寄存器用。
5. SP堆栈指针
SP是一个8位特殊功能寄存器，复位初始化后，SP=07H，从08H开始存放。因为08H～1FH是1～3工作寄存器组，若用到这些区时，可重新设置SP。
6. P0、P1、P2和P3口
在前面介绍了MCS-51单片机有4个双向I/O口P0、P1、P2、P3。如果需要从指定端口输出一个数据，只需将数据写入指定I/O口即可。如果需要从指定I/O口输入一个数据，只需先将数据0FFH（全部为1）写入指定I/O口，然后再读指定I/O口即可。如果不先写入0FFH（全部为1），读入的数据有可能不正确。
2.2.3 “头文件包含”处理
“头文件”是指一个文件将另外一个文件的内容全部包含进来。
头文件一般在C:\KELL\C51\INC目录下。INC文件夹里面有不少头文件，并且里面还有很多以公司分类的文件夹，里面也都是相关产品的头文件。如果我们要使用自己写的头文件，只需把头文件放在INC文件夹里就可以了。
在单片机中用C语言编程时，往往第一行就是头文件或者其他的自定义头文件。以reg52.h头文件为例，根据前面介绍过的特殊功能寄存器知识，下面对reg52.h头文件进行初步解析。
1. 特殊功能寄存器在reg52.h中定义
打开reg52.h头文件，可以看到有关特殊功能寄存器的一些内容。
/ *------------------------------------------------ Byte Registers ------------------------------------------------* / sfr P0 = 0x80; sfr SP = 0x81; sfr DPL = 0x82; sfr DPH = 0x83; sfr PCON = 0x87; sfr TCON = 0x88; sfr TMOD = 0x89; sfr TL0 = 0x8A; sfr TL1 = 0x8B; sfr TH0 = 0x8C; sfr TH1 = 0x8D; sfr P1 = 0x90; sfr SCON = 0x98; sfr SBUF = 0x99; sfr P2 = 0xA0; sfr IE = 0xA8; sfr P3 = 0xB0; sfr IP = 0xB8; sfr T2CON = 0xC8; sfr T2MOD = 0xC9; sfr RCAP2L = 0xCA; sfr RCAP2H = 0xCB; sfr TL2 = 0xCC; sfr TH2 = 0xCD; sfr PSW = 0xD0; sfr ACC = 0xE0; sfr B = 0xF0;
根据图2-11不难看出，这里都是一些有关特殊功能寄存器符号的定义，即规定符号名与地址的对应关系。
如：
sfr P1=0x90;
这条语句是定义P1与地址0x90对应，其目的是要使用P1这个符号，即通知C编译器，程序中所用的P1是指单片机的P1端口，而不是其他变量。P1口的地址就是0x90，0x90是C语言中十六进制数的写法，相当于汇编语言中的90H。
2. 特殊功能寄存器的位符号定义
打开reg52.h头文件，可以看到有关特殊功能寄存器位符号定义的一些内容，比如TCON的位符号定义。
/ *------------------------------------------------ TCON Bit Registers ------------------------------------------------* / sbit TF1 = TCON^7; //位地址0x8F sbit TR1 = TCON^6; //位地址0x8E sbit TF0 = TCON^5; //位地址0x8D sbit TR0 = TCON^4; //位地址0x8C sbit IE1 = TCON^3; //位地址0x8B sbit IT1 = TCON^2; //位地址0x8A sbit IE0 = TCON^1; //位地址0x89 sbit IT0 = TCON^0; //位地址0x88
根据图2-12不难看出，这里都是一些有关TCON中每位的定义，即规定符号名与位地址的对应关系。如：
sbit IT0 = TCON^0; //位地址0x88
这条语句是定义IT0与位地址0x88对应，其目的是要使用IT0这个符号，即通知C编译器，程序中所用的IT0是指单片机TCON的第0位，而不是其他位变量。reg52.h头文件其他部分可以参考以上说明，以后再详细介绍。
注意
reg52.h头文件没有对I/O端口的位符号进行定义，若需要可以自己定义，比如P1.0的位符号定义语句可以是“sbit P1_0=P1^0;”或者“sbit P10=P1^0;”。在C语言里，如果直接写P1.0，C编译器并不能识别，而且P1.0也不是一个合法的C语言变量名，所以要给它另起一个名字，这里起的名字为P1_0。
2.2.4 程序存储器
程序存储器用于存放用户程序、数据和表格等，它以程序计数器PC作为地址指针。MCS-51单片机的程序计数器PC是16位的，所以具有64KB程序存储器寻址空间。
1. 程序存储器配置
对于内部无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的单片机，正常运行时，需接高电平，使CPU先从内部的程序存储器中读取程序，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。51系列程序存储器内部有4KB的程序存储单元，其地址为0000H～0FFFH，如图2-15（a）所示；52系列程序存储器内部有8KB的程序存储单元，其地址为0000H～1FFFH，如图2-15（b）所示。
图2-15 MCS-51ROM配置图
当
=1时，程序从内部存储器开始执行，PC值超过内部ROM容量时会自动转向外部ROM空间。当
=0时，程序从外部存储器开始执行，例如前面提到的内部无ROM的8031单片机，在实际应用中就要把8031的引脚接为低电平。
2. 具有特殊功能的地址
在程序存储器中有一些功能特殊的地址，在使用中应加以注意。
（1）启动地址。单片机启动复位后，程序计数器的内容为0000H，所以系统必须从0000H单元开始执行程序。因而0000H是启动地址，也称为系统程序的复位入口地址。一般是在0000H～0002H这3个单元中存放一条无条件转移指令，从转移地址开始存放初始化程序及主程序，让CPU直接去执行用户指定的程序。
（2）中断服务程序入口地址。其特殊功能地址分别为各种中断源的中断服务程序入口地址，如表2-4所示。
表2-4 各种中断服务程序入口地址
*表中第6个中断源为52系列芯片所特有
表2-4列出了专门用于存放中断服务程序的地址单元，中断响应后，按中断的类型自动转到各自的入口地址去执行程序。