2.3 8051单片机的存储器
2.3.1 存储器的存储单位与编址
1. 常用存储单位
位（bit）：它是计算机中最小的数据单位。由于计算机采用二进制数，所以1位二进制数称作1bit，如101011为6bit。
字节（Byte，单位简写为B）：8位二进制数称为一个字节，1B=8bit。
字（Word）：两个字节构成一个字，即1Word=2Byte。
在单片机中还有一个常用术语：字长。所谓字长是指单片机一次能处理的二进制数的位数。51单片机一次能处理8位二进制数，所以51单片机的字长为8位。
2. 存储器的编址与数据的读写说明
图2-8是一个容量为256B的存储器，内部有256个存储单元，每个存储单元可以存放8位二进制数，为了存取数据方便，需要对每个存储单元进行编号，也即对存储单元编址，编址采用二进制数，对256个存储单元全部编址至少要用到8位二进制数，第1个存储单元编址为00000000，编写程序时为了方便，一般用十六进制数表示，二进制数00000000用十六进制表示就是00H，H表示十六制数，第二个存储单元编址为01H，第256个存储单元编址为FFH（也可以写成0FFH）。
要对256B存储器的每个存储单元进行读写，需要8根地址线和8根数据线，先送8位地址选中某个存储单元，再根据读控制或写控制，将选中的存储单元的8位数据从8根数据线送出，或通过8根数据线将8位数据存入选中的存储单元中。以图2-8为例，当地址总线A7～A0将8位地址0001111（1FH）送入存储器时，会选中内部编址为1FH的存储单元，这时再从读控制线送入一个读控制信号，1FH存储单元中的数据00010111从8根数据总线D7～D0送出。
图2-8 256B存储器的编址
2.3.2 片内外程序存储器的使用与编址
单片机的程序存储器主要用来存储程序、常数和表格数据。8051单片机内部有4KB的程序存储器（8052单片机内部有8KB的程序存储器，8031单片机内部没有程序存储器，需要外接程序存储器），如果内部程序存储器不够用（或无内部程序存储器），可以外接程序存储器。
8051单片机最大可以外接容量为64KB的程序存储器（ROM），它与片内4KB程序存储器统一编址，当单片机的EA端接高电平（接电源正极）时，片内、片外程序存储器都可以使用，片内4KB程序存储器的编址为0000H～0FFFH，片外64KB程序存储器的编址为1000H～FFFFH，片外程序存储器低4KB存储空间无法使用，如图2-9（a）所示，当单片机的EA端接低电平（接地）时，只能使用片外程序存储器，其编址为0000H～FFFFH；片内4KB程序存储器无法使用，如图2-9（b）所示。
图2-9 8051单片机片内、外程序存储器的使用与编址
2.3.3 片内外数据存储器的使用与编址
单片机的数据存储器主要用来存储运算的中间结果和暂存数据、控制位和标志位。8051单片机内部有256B的数据存储器，如果内部数据存储器不够用，可以外接数据存储器。
8051单片机最大可以外接容量为64KB的数据存储器（RAM），它与片内256B数据存储器分开编址，如图2-10所示。当8051单片机连接片外RAM时，片内RAM的00H～FFH存储单元地址与片外RAM的0000H～00FFH存储单元地址相同，为了区分两者，在用汇编语言编程时，读写片外RAM时要用“MOVX”指令（读写片内RAM时要用“MOV”指令），在用C语言编程时，读写RAM时须先声明数据类型（内部数据或外部数据），若读写的数据存放在片内RAM中，要声明数据类型为内部数据类型（如用“data”声明），若读写的数据存放在片外RAM中，应声明数据类型为外部数据类型（如用“xdata”声明），单片机会根据声明的数据类型自动选择读写片内或片外RAM。
图2-10 8051单片机片内、外数据存储器的使用与编址
2.3.4 数据存储器的分区
8051单片机内部有128B的数据存储器（地址为00H～7FH）和128B的特殊功能寄存器区（地址为80H～FFH），8052单片机内部有258B的数据存储器（地址为00H～FFH）和128B的特殊功能寄存器区（地址为80H～FFH），如图2-11所示。
图2-11 8051、8052单片机的数据存储器分区
根据功能不同，8051、8052单片机的数据存储器可分为工作寄存器区（0～3组）、位寻址区和用户RAM区，从图2-11可以看出，8052单片机的用户RAM区空间较8051单片机多出128B，该128B存储区地址与特殊功能寄存器区（SFR）的地址相同，但两者是两个不同的区域。特殊功能寄存器区的每个寄存器都有一个符号名称，如P0（即P0锁存器）、SCON（串行通信控制寄存器），特殊功能寄存器区只能用直接寻址方式访问，8052单片机的新增的128B用户RAM区只能用间接方式访问。
1. 工作寄存器区
单片机在工作时需要处理很多数据，有些数据要用来运算，有些要反复调用，有些要用来比较校验等，在处理这些数据时需要有地方能暂时存放这些数据，单片机提供暂存数据的地方就是工作寄存器。
8051单片机的工作寄存器区总存储空间为32B，由0～3组工作寄存器组成，每组有8个工作寄存器（R0～R7），共32个工作寄存器（存储单元），地址编号为00H～1FH，每个工作寄存器可存储一个字节数据（8位）。4组工作寄存器的各个寄存器地址编号如下。
单片机上电复位后，默认使用第0组工作寄存器，可以通过编程设置PSW（程序状态字寄存器）的RS1、RS0位的值来换成其他组工作寄存器。当PSW的RS1位=0、RS0位=0时，使用第0组工作寄存器；RS1位=0、RS0位=1时，使用第1组工作寄存器；RS1位=1、RS0位=0时，使用第2组工作寄存器；RS1位=1、RS0位=1时，使用第3组工作寄存器，如图2-12所示。不使用的工作寄存器可当作一般的数据存储器使用。
图2-12 PSW 的RS1、RS0位决定使用的工作寄存器组号
2. 位寻址区
位寻址区位于工作寄存器区之后，总存储空间为16B，有16个字节存储单元，字节地址为20H～2FH，每个字节存储单元有8个存储位，一共有16×8=128个存储位，每个位都有地址，称为位地址，利用位地址可以直接对位进行读写。
位寻址区的16个字节存储单元与128个存储位的地址编号如图2-13所示，从图中可以看出，字节存储单元和存储位有部分相同的地址编号，单片机是以指令类型来区分访问地址为字节存储单元还是位单元，比如用字节指令访问地址20H时，访问的为20H字节单元，可以同时操作该字节单元的8位数，用位指令访问地址20H时，访问的为24H字节单元的D0位，只能操作该位的数据。
3. 用户RAM区
用户RAM区又称为数据缓存区，8051单片机的用户RAM区有80个存储单元（字节），地址编号为30H～7FH，8052单片机的用户RAM区有208个存储单元（字节），地址编号为30H～FFH。用户RAM区一般用来存储随机数据和运算中间结果等。
图2-13 位寻址区的16个字节存储单元与128个位的地址编号
图2-13 位寻址区的16个字节存储单元与128个位的地址编号（续）
2.3.5 特殊功能寄存器（SFR）
特殊功能寄存器简称SFR（Special Function Register），主要用于管理单片机内部各功能部件（如定时器/计数器、I/O端口、中断控制器、串行通信口等），通过编程设定一些特殊功能寄存器的值，可以让相对应的功能部件进入设定的工作状态。
1. 特殊功能寄存器的符号、字节地址、位地址和复位值
8051单片机有21个特殊功能寄存器（SFR），见表2-2，每个特殊功能寄存器都是一个字节单元（有8位），它们的地址离散分布在80H～FFH范围内，这个地址范围与数据存储器用户RAM区（对于8052单片机而言）的80H～FFH地址重叠，为了避免寻址产生混乱，51单片机规定特殊寄存器只能用直接寻址（直接写出SFR的地址或符号）方式访问，8052单片机新增的128B用户RAM区的80H～FFH单元只能用间接寻址方式访问。
21个特殊功能寄存器都能以字节为单位进行访问，其中有一些特殊功能寄存器还可以进行位访问，能访问的位都有符号和位地址，位地址为特殊功能寄存器的字节地址加位号。以特殊功能寄存器P0为例，其字节地址为80H（字节地址值可以被8整除），其P0.0～P0.7位的位地址为80H～87H，访问字节地址80H时可读写8位（P0.0～P0.7位），访问位地址82H时仅可读写P0.2位。
有位地址的特殊寄存器的既可以用字节地址访问整个寄存器（8位），也可以用位地址（或位符号）访问寄存器的某个位，无位地址的特殊寄存器只能用字节地址访问整个寄存器。当位地址和字节地址相同时，单片机会根据指令类型来确定该地址的类型。单片机上电复位后，各特殊功能寄存器都有个复位初始值，具体见表2-2，x表示数值不定（或1或0）。
表2-2 8051单片机的21个特殊功能寄存器（SFR）
2. 部分特殊功能寄存器介绍
单片机的特殊功能寄存器很多，可以分为特定功能型和通用型。对于特定功能型特殊功能寄存器，当往某些位写入不同的值时，可以将其控制的功能部件设为不同工作方式，读取某些位的值，可以了解相应功能部件的工作状态；通用型特殊功能寄存器主要用于运算、寻址和反映运算结果状态。
特定功能型特殊功能寄存器将在后面介绍功能部件的章节说明，下面介绍一些通用型特殊功能寄存器。
（1）累加器（ACC）
累加器又称ACC，简称A，是一个8位寄存器，其字节地址为E0H。累加器是单片机中使用最频繁的寄存器，在进行算术或逻辑运算时，数据大多数先进入ACC，运算完成后，结果也大多数也送入ACC。
（2）寄存器B
寄存器B主要用于乘、除运算，其字节地址是F0H。在乘法运算时，一个数存放在A（累加器）中，另一个数存放在B中，运算结果得到的积（16位），积的高字节存放在B中，低字节存放在A中；在除法运算时，被除数存取自A，除数取自B，运算结果得到的商（8位）和余数（8位），商存放在A中，余数存放在B中。
（3）数据指针寄存器（DPTR）
数据指针寄存器（DPTR）简称数据指针，是一个16位寄存器，由DPH和DPL两个8位寄存器组成，地址分别为83H、82H。DPTR主要在单片机访问片外RAM时使用，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）堆栈指针寄存器（SP）
人们在洗碗碟时，通常是将洗完的碗碟一只一只由下往上堆起来，使用时则是将碗碟从上往下一只一只取走。这个过程有两个要点：一是这些碗碟的堆放是连续的；二是先堆放的后取走，后堆放的先取走。单片机的堆栈与上述情况类似。堆栈是指在单片机数据存储器中划分出的一个连续的存储空间，这个存储空间存取数据时具有“先进后出，后进先出”的特点。
在存储器存取数据时，首先根据地址选中某个单元，再将数据存入或取出。如果有一批数据要连续存入存储器，例如，将5个数据（每个数据为8位）依次存入地址为30H～34H的5个存储单元中，按一般的操作方法是：先选中地址为30H的存储单元，再将第1个数据存入该单元，然后选中地址为31H的存储单元，再将第2个数据存入该单元，……显然这样存取数据比较麻烦，采用堆栈可以很好地解决这个问题。
在数据存储器中划分堆栈的方法是：通过编程的方法设置堆栈指针寄存器（SP）的值，如让SP=2FH，SP就将存储器地址为2FH的存储单元设为堆栈的栈顶地址，2FH单元后面的连续存储单元就构成了堆栈，如图2-14所示。堆栈设置好后，就可以将数据按顺序依次存入堆栈或从堆栈中取出，在堆栈中存取数据按照“先进后出，后进先出”的规则进行。
图2-14 堆栈的使用
需要注意的是，堆栈指针寄存器（SP）中的值并不是堆栈的第一个存储单元的地址，而是前一个单元的地址。例如，SP=2FH，那么堆栈的第一个存储单元的地址是30H，第1个数据存入30H单元。单片机通电复位后，SP的初始值为07H，这样堆栈第一个存储单元的地址就为08H，由于08H～1FH地址已划分给1～3组工作寄存器，在需要用到堆栈时，通常在编程时设SP=2FH，这样就将堆栈设置在数据存储器的用户RAM区（30H～7FH）。
（5）程序状态字寄存器（PSW）
程序状态字寄存器（PSW）的地址是D0H，它是一个状态指示寄存器（又称标志寄存器），用来指示系统的工作状态。PSW是一个8位寄存器，可以存储8位数，各位代表不同的功能。程序状态字寄存器（PSW）的字节地址、各位地址和各位功能如图2-15所示。
图2-15 程序状态字寄存器（PSW）的字节地址、各位地址和各位功能
D7位（C）：进位标志位。当单片机进行加、减运算时，若运算结果最高位有进位或借位时，C位置1，无进位或借位时，C位置0。在进行位操作时，C用作位操作累加器。
D6位（AC）：半进位标志位。单片机进行加、减运算时，当低半字节的D3位向高半字节的D4位有进位或借位时，AC位置1，否则AC位置0。
D5位（F0）：用户标志位0。用户可设定的标志位，可置1或置0。
D4位（RS1）、D3位（RS0）：工作寄存器组选择位。这两位有4种组合状态，用来控制工作寄存器区（00H～1FH）4组中的某一组寄存器进入工作状态，具体见图2-12。
D2位（OV）：溢出标志位。在进行有符号数运算时，若运算结果超出−128～+127范围，OV=1，否则OV=0；当进行无符号数乘法运算时，若运算结果超出255，OV=1，否则OV=0；当进行无符号数除法运算时，若除数为0，OV=1，否则OV=0。
D1位（F1）：用户标志位1。同F0位，用户可设定的标志位，可置1或置0。
D0位（P）：奇偶校验位。该位用于对累加器A中的数据进行奇偶校验，当累加器A中“1”的个数为奇数值时，P=1；若累加器A中的“1”的个数为偶数值时，P=0。51系列单片机总是保持累加器A与P中“1”的总个数为偶数值，比如累加器A中有3个“1”，即“1”的个数为奇数值，那么P应为“1”，这样才能让两者“1”的总个数为偶数值，这种校验方式称作偶校验。