3.3 MCS-51单片机的存储器结构

MCS-51系列单片机存储器采用哈佛结构，即程序存储器和数据存储器完全分开，程序存储器和数据存储器各有自己的寻址方式、寻址空间和控制信号。

MCS-51系列单片机存储器从物理结构上可分为片内、片外程序存储器（8031 和8032无片内程序存储器）与片内、片外数据存储器等4部分；从功能上可分为64KB程序存储器空间、128B片内数据存储器空间、128B内部特殊功能寄存器空间、位地址空间和64KB片外数据存储器等5部分；其寻址空间可划分为：程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器3个独立的地址空间。

MCS-51单片机的程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM），在使用上是严格区分的，不得混用。程序存储器通常存放程序指令、常数及表格等，系统在运行过程中不能修改其中的数据；数据存储器则存放缓冲数据，系统在运行过程中可修改其中的数据。

3.3.1 程序存储器

1．编址与访问

计算机的工作是按照事先编制好的程序命令序列逐条顺序执行的，程序存储器用来存放这些已编制好的程序和表格常数，它由只读存储器ROM或EPROM组成。计算机为了有序地工作，设置了一个专用寄存器——程序计数器PC。每取出指令的1个字节后，其内容自动加1，指向下一个字节，使计算机依次从程序存储器中取指令予以执行，完成某种操作。由于MCS-51单片机的程序计数器为16位，因此可寻址的地址空间为64KB。

MCS-51单片机从物理配置上可有片内、片外程序存储器，但作为一个编址空间，其编址规律为：先片内，后片外，片内、外连续，二者一般不重叠。图3-7所示为编址图。

单片机执行指令时，是从片内程序存储器取指令，还是从片外程序存储器取指令，由单片机引脚电平的高低来决定。= 1时，先执行片内程序存储器的程序，当PC的内容超过片内程序存储器地址的最大值（51子系列为0FFFH，52子系列为1FFFH）时，将自动转去执行片外程序存储器中的程序；=0时，CPU从片外程序存储器中取指令执行程序。对于片内无程序存储器的8031、8032单片机，引脚应接低电平。对于片内有程序存储器的单片机，如果引脚接低电平，将强行执行片外程序存储器中的程序。此时应在片外程序存储器中存放调试程序，以便对单片机进行调试工作。注意：片外程序存储器存放调试程序的部分，其编址与片内程序存储器的编址是可以重叠的，借的换接可实现分别访问。在现代单片机应用系统设计中，一般都选择片内带足够大程序存储器的单片机，所以不需要扩展片外的程序程序器，这样就可以直接将接高电平。

2．程序存储器中的6个特殊地址

程序地址空间原则上可由用户任意安排，但复位和5 个中断源的程序入口地址在MCS-51系列单片机中是固定的，用户不能更改。这些入口地址如表3-3所示。

表3-3中6个入口地址互相离得很近，只隔3个或8个单元，容纳不下稍长的程序段。所以其中实际存放的往往是一条无条件转移指令，使程序分别跳转到用户程序真正的起始地址，或跳转到所对应的中断服务程序的真正入口地址。

3.3.2 数据存储器

1．编址与访问

MCS-51单片机片内、外数据存储器是两个独立的地址空间，应分别单独编址。片内数据存储器除RAM块外，还有特殊功能寄存器（SFR）块。对于51子系列，前者有128个字节，其编址为00H～7FH；后者有128个字节，其编址为80H～0FFH；二者连续但不重叠。对52子系列，前者有256B，其编址为00H～0FFH；后者有128B，其编址为80H～0FFH。后者与前者高128B的编址是重叠的。由于访问它们所用的指令不同，并不会引起混乱。片外数据存储器一般是16位编址。数据存储器的编址如图3-8所示。

说明：① MS-51单片机的51子系列的内部数据存储器为128B，地址空间为00H～7FH，52子系列的内部数据存储器为256B，地址空间为00H～0FFH，特殊功能寄存器地址空间为80H～0FFH。显然，内部数据存储器区的80H～0FFH空间与特殊功能寄存器的地址重叠，但是通过指令中采取不同的寻址方式可解决这个重叠问题，即特殊功能寄存器只能用“直接寻址”方式，内部数据存储器80H～0FFH单元只能用“寄存器间接寻址”方式，也就是说，地址重叠不会造成混乱，只是在软件编程时应注意。

② 如果只扩展少量片外数据存储器，容量不超过256B，也可按8位编址，自00H开始，最大可至FFH。这种情况下，地址空间与片内数据存储器重叠，但访问片内、外用不同的指令，也不会引起混乱。

③ 片外数据存储器按16位编址，其地址空间与程序存储器重叠，但不会引起混乱，访问程序存储器是用信号控制，而访问片外数据存储器时，由信号（读）和信号（写）控制。

2．片内数据存储器

MCS-51单片机片内RAM共有128B，字节范围为00H～7FH。图3-9所示为51子系列单片机片内RAM的配置图。由图3-9可见，片内数据存储器共分为工作寄存器区、位寻址区、数据缓冲区共3个区域。

（1）工作寄存器区

00H～1FH单元为工作寄存器区。工作寄存器也称通用寄存器，用于临时寄存8位信息。工作寄存器分成4组，每组都是8个寄存器，用R0～R7来表示。程序中每次只用一组，其余各组不工作。使用哪一组寄存器工作，由程序状态字PSW中的PSW.3（RS0）和PSW.4（RS1）两位来选择，其对应关系如表3-4所示。

通过软件设置RS0和RS1两位的状态，就可任意选一组寄存器工作。这个特点使MCS-51单片机具有快速现场保护的功能，对于提高程序效率和响应中断的速度是很有利的。

该区域当不被用做工作寄存器时，可以作为一般的RAM区使用。

（2）位寻址区

20H～2FH单元是位寻址区。这16个单元（共计16×8=128位）的每一位都赋予了一个位地址，位地址范围为00H～7FH。位地址区的每一位都可当做软件触发器，由程序直接进行位处理。通常可以把各种程序状态标志、位控制变量存入位寻址区内。

该区域当不被用做位寻址区时，可以作为一般的RAM区使用。

在这里要注意，位地址7FH和字节地址7FH是两个完全不同的概念。

（3）数据缓冲区

30H～7FH是数据缓冲区，即用户RAM，共80个单元。

由于工作寄存器区、位寻址区、数据缓冲区统一编址，使用同样的指令访问，这三个区的单元既有自己独特的功能，又可统一调度使用。因此，前两个区未使用的单元也可作为用户RAM单元使用，使容量较小的片内RAM得以充分利用。

52子系列单片机片内RAM有256个单元，前两个区的单元数与地址都与51子系列的一致，用户RAM区却为30H～0FFH，有208个单元。对于片内RAM区的字节地址80H～0FFH的区域，只能采用间接寻址方式进行访问。

（4）堆栈和堆栈指针

堆栈是按先进后出的原则进行读写的特殊RAM区域。MCS-51单片机的堆栈区是不固定的，原则上可以在内部RAM的任何区域内。实际应用中要根据对片内RAM各功能区的使用情况灵活设置，但应避开工作寄存器区、位寻址区和用户实际使用的数据区。

系统复位后，SP初始化为07H，所以第一个压入堆栈的数据存放在08H单元，即堆栈区是从07H单元开始的一部分连续存储单元。在编程时用户应将堆栈区设定在30H单元以上，如通过指令：

            MOV     SP，#60H

将堆栈区设定在从片内RAM60H开始的一部分连续单元。

3.3.3 特殊功能寄存器

特殊功能寄存器（SFR，Special Function Registers），又称为专用寄存器，专用于控制、管理片内算术逻辑部件、并行I/O接口、串行I/O接口、定时器/计数器、中断系统等功能模块的工作。用户在编程时可以置数设置，却不能自由地移作它用。各专用寄存器（PC例外）与片内RAM统一编址，且作为直接寻址字节可直接寻址。除PC外，51子系列单片机共有18个专用寄存器，其中3个为双字节寄存器，共占用21B；52子系列有21个专用寄存器，其中5个为双字节寄存器，共占用26B。按地址排列的各个特殊功能寄存器名称、表示符、地址如表3-5所示。

其中有12个专用寄存器可以位寻址，它们字节地址的低半字节为0H或8H（即可位寻址的特殊功能寄存器字节地址具有能被8整除的特征）。在表3-6中列出了这些位的位地址与位名称。

注意，在SFR块地址空间80H～0FFH中，仅有21个（51子系列）或26个（52子系列）字节作为特殊功能寄存器离散分布在这128个字节范围内，其余字节无意义，用户不能对这些字节进行读/写操作。若对其进行访问，则将得到一个不确定的随机数，因而是没有意义的。

用户在使用特殊功能寄存器时，不需要记住特殊功能寄存器及其位的地址，只要记住特殊功能寄存器及位的名称就可以了，操作时对其名字进行操作。