2.4 存储器结构

存储器是单片机的3大部件之一，主要用来存储信息（即数据和程序）。存储器按配置方法分为主存和外存。“主存”又称为“内存”，用于存放当前执行的数据和程序；“外存”用于存放暂不执行的数据和程序。目前单片机主要配置内存。

存储器结构分为独立的两部分：数据存储器（RAM）和程序存储器（ROM）。8051单片机的存储器可分为4个存储空间：片内程序存储器（片内ROM）、片外程序存储器（片外ROM）、片内数据存储器（片内RAM）、片外数据存储器（片外RAM）。

这4类存储器与其对应的地址关系，如表2.2所示。

表2.2 RS1、RS0与寄存器R0～R7间的对应关系

8051单片机片内有4KB的程序存储器和256B的数据存储器，还可以片外扩展至64KB程序存储器和64KB数据存储器。关于这部分内容将在系统扩展部分介绍。

2.4.1 程序存储器

程序存储器设计人员编写的程序就存放在单片机的程序存储器中，也称为“只读程序存储器”（ROM）。程序和数据一样，都是由机器码组成的代码串，只是程序代码存放于程序存储器中。

51系列单片机具有64KB程序存储器寻址空间，这64KB的地址空间是统一编址的，没有采用片内、片外分区的方式。区分片内、片外是由引脚上的电平来指示的。

◆ ，即接高电平时，CPU从片内的程序存储中读取程序，当PC值超过片内ROM的容量时，才会转向外部的程序存储器读取程序。

◆ ，即接低电平时，CPU从片外的程序存储中读取程序，并输出选通信号。

◆ 对于内部无ROM的8031单片机，其ROM只能外接，必须使。

程序存储器由16位的程序计数器（PC）指示当前地址。片内ROM的地址为0000H～0FFFH。单片机启动复位后，程序计数器（PC）的内容为0000H，系统将从0000H单元开始执行程序。

在程序存储器中的0003H～0032H，共48B被保留专用于中断处理程序，称为中断矢量区，系统必须跳过这一区域。

◆ 0000H～0002H单元：系统复位后，PC为0000H，单片机从0000H单元开始执行程序，如果程序不从0000H单元开始执行，则应在这三个单元中存放一条无条件转移指令，让系统跳过这一区域，直接去执行用户指定的程序。

◆ 0003H～002AH：这40个单元各有用途，被均匀地分为6段，其定义如表2.3所示。

表2.3 中断入口地址

以上地址单元是专门用于存放中断处理程序的。中断响应后，按中断的类型自动转到各自的中断区去执行程序。这些地址单元不能用于存放程序的其他内容，只能存放中断服务程序。通常情冴下，每段只有8个地址单元不能保存完整的中断服务程序，因而一般在中断响应的地址区，存放一条无条件转移指令，指向程序存储器的真正存放中断服务程序的空间。这样中断响应后，CPU读到这条转移指令，便转向真正存放中断服务程序的空间，继续执行中断服务程序。

2.4.2 数据存储器

数据存储器也称为“随机存取数据存储器”。51系列单片机的数据存储器在物理逻辑上分为两个地址空间，即片内数据存储区和片外数据存储区。片内RAM有256B的用户数据存储区域（不同型号有所区别），是用于存放执行的中间结果和过程数据的51系列单片机的。数据存储器均可读/写，部分单元还可以位寻址，其结构示意图如图2.5所示。

51系列单片机内部RAM共有256个单元（不同型号有所区别），这256个单元按其功能分为两部分。

1．低128B片内RAM

低128B片内RAM，地址空间为00H～7FH单元，为用户数据RAM，可以存放运算结果和标志位等。该区域按其功能还可分为如下3个区域。

00HH～1 FHH：工作寄存器区，开辟了4组工作寄存器，每组R0～R7，在前面寄存器一节进行过详细介绍。

20HH～2 FHH：位寻址区，共16B，128位。布尔处理的存储空间就是位寻址区，既可作为一般单元用字节寻址，也可以进行位寻址。该区域除了作为一般RAM进行读/写外，还可进行执行置“1”、清“0”、求反、转移、传送和逻辑等位操作。位寻址区地址表如表2.4所示。

表2.4 位寻址区位地址表

30H～7FH：字节寻址区，共80B，用户使用的一般RAM，可在此区域开辟堆栈。

2．高128B片内RAM

高128B片内RAM：地址空间为80H～FFH地址单元，为特殊功能寄存器（SFR）区。8051内部有21个特殊寄存器，AT89S52有32个特殊寄存器，如表2.5所示。

表2.5 特殊功能寄存器（SFR）

说明：

带*号的特殊功能寄存器都是可以位寻址的寄存器。

特殊功能寄存器分散在30H～7FH片内RAM区，其中有部分地址单元未定义，不能使用。访问特殊功能寄存器使用直接寻址方式，其中有一部分（表中带*号）特殊功能寄存器也可以采用位寻址，其特征是地址能被8整除。访问这些寄存器中的各位时，在位寻址指令中，可以用“寄存器名.位”、“字节地址.位”、“位地址”、“位名称”等来表示。例如“B.5”表示寄存器B的第5位。可位寻址的特殊功能寄存器及其位地址如表2.6所示。

表2.6 可位寻址的特殊功能寄存器及其位地址

2.4.3 存储器扩展

51系列单片机为了满足不同应用的需要，除了设置内部存储器外，还可以根据需要进行外部存储器扩展。外部存储器扩展时，采用P0和P2作为16位地址总线的低8位和高8位，另外，P0口还分时复用为8位数据总线。

1．外部程序存储器扩展

与普通的8051单片机不同，AT89S52内部设有8KB的可擦写Flash存储器。这个程序存储器可从外部扩展至56KB，这时需要将单片机的引脚接高电平。在外部扩展程序存储器情冴下，程序可以首先从片内的程序存储器开始顺序执行，访问时CPU会自动转向外部程序存储器。

当CPU访问外部程序存储器的时候，程序存储器指针（PC）的低8位地址由P0口输出，PC的高8位地址由P2口输出。P2口和P0口共同组成16位地址总线。外部程序存储器中的指令代码由P0口输入，即P0口是低8位地址线和8位数据线的分时复用。

为了保证在访问外部程序存储器期间，16位的地址码不变，并且能正确地从P0口读入程序代码，应该将P0口输出的低8位地址在ALE信号的控制下存入地址锁存器，这样便可以将P0口空出来读取8位的程序代码。

如果引脚接低电平，则CPU直接从片外程序存储器的0000H地址开始执行，而不管片内8KB的Flash是否含有程序代码。

2．外部数据存储器扩展

AT89S52单片机内部的256B的RAM如果不够用，外部还可以扩展64KB的数据存储器空间。

由于访问外部数据存储器是随机的，因此其访问地址可由工作寄存器R0或R1来寻址256B单元或由数据指针（DPTR）寻址54KB的空间。

访问外部数据存储器的硬件结构和访问外部程序程序器相同。R0或R1的8位地址由P0口送入地址锁存器输出，DPTR的16位地址则由P0口输出低8位地址到锁存器中，P2口则输出高8位地址。读/写的数据由P0口输入/输出，因此P0口仍然是地址/数据分时复用的。

访问外部数据MOVX类指令是单字节双周期指令，因此在第二个机器周期ALE信号将减少一次。

访问外部数据存储器的读/写选通信号为和，均为低电平有效。访问外部程序和数据存储器各有不同的地址指针PC、Ri、DPTR，各指针又有不同的读或者读/写选通信号、。这就从结构上把程序存储器和数据存储器的访问截然分开。两者虽然同用16位地址总线，由于使用两套完全不同的地址指针和读、读/写选通信号，从而保证了指令的执行不会出错，为单片机的应用提供了方便。

访问内部RAM用MOV类指令，访问片内RAM还是特殊功能寄存器则由寻址方式来区分。

◆ 访问特殊功能寄存器只能用直接寻址方式。

◆ 访问外部数据存储器则需选用MOVX类指令。

◆ 对于只需寻址256B单元的可采用Ri进行8位地址间接寻址，否则选用DPTR16位地址指针，寻址64KB地址空间。

◆ 读取程序存储器中的固定数据，则需选用MOVC类指令。

可见，访问不同地址空间的数据需要采用不同的指令类型。