2.3 AT89S51的存储结构

AT89S51单片机的存储器配置在物理结构上有4个存储空间：片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器。从逻辑上来看，有3个存储器地址空间：片内、外统一编址的程序存储器地址空间，片内数据存储器地址空间和片外数据存储器地址空间。在访问3个不同的逻辑空间时，应采用不同形式的指令，以产生不同的内部控制信号，用来选择所需的逻辑空间。图2-12表示了AT89S51单片机存储器空间结构。

2.3.1 程序存储器

单片机的程序存储器一般用于存放编好的程序、表格和常数。AT89S51单片机的程序存储器地址分配如图2-13 （a）所示。其中，单片机内部有4 KB的程序存储器，地址为0000H～0FFFH。片外最多可扩展空间达64 KB，地址为1000H～FFFFH，片内与片外程序存储器的最大寻址范围为64 KB （即地址为0000H～FFFFH）。由于单片机的程序存储器采用片内、片外统一编址，所以范围为0000H～0FFFH的地址空间是在片内存储器还是片外存储器，取决于单片机外围引脚的状态。如果接高电平（即=1），表示0000H～0FFFH在片内程序存储器中；如果接低电平（即=0），则表示0000H～0FFFH在片外程序存储器中。

一般来说，对于有内部程序存储器的单片机，应将引脚EA接高电平，使程序从内部程序存储器开始执行。当程序超出内部程序存储器的容量时，自动转向外部程序存储器1000H～FFFFH地址范围执行。

AT89S51单片机执行程序时，与微型计算机执行程序类似，也是由程序计数器PC控制程序执行的顺序。单片机中的程序计数器PC （Program Counter）是一个16位的专用寄存器，用来存放即将执行的下一条指令所在的地址。它具有自动加1的功能。当CPU要取指令时，PC的内容送至地址总线上，从PC所指向的存储器地址中取出指令，PC内容则自动加1，指向下一条指令，以保证程序按顺序执行。当单片机接通电源时，PC 会被复位为0000H，此时，单片机从0000H开始将指令依次取出执行。

AT89S51的程序存储器中有5个特殊地址单元，用于中断程序的入口地址。

·0003H：外部中断0入口地址。

·000BH：定时/计数器0中断入口地址。

·0013H：外部中断1入口地址。

·001BH：定时/计数器1中断入口地址。

·0023H：串行口中断入口地址。

由于0000H单元与这些中断程序入口地址之间的存储空间有限，为了不影响这些中断入口地址的正常使用，常在0000H单元及这些中断入口处都放置一条绝对无条件跳转指令，使程序跳转到用户指定的主程序或中断服务程序的存储空间中执行。

2.3.2 数据存储器

数据存储器（RAM）用于存放运算中间结果、数据暂存和缓冲、待调试的程序。数据存储器在物理上和逻辑上都分为两个地址空间：一个是由128 B的片内RAM和26个特殊功能寄存器（SFR）构成的内部数据存储器，另一个是片外最大可扩充64 KB的数据存储器，如图2-12 （b）所示。

片外数据存储器的使用通常出现在单片机内部RAM容量不够的情况下。扩展容量可由用户根据需要确定，最大可扩充 64 KB，地址范围0000H～FFFFH。需要注意的是，AT89S51单片机扩展的I/O接口与片外数据存储器统一编址。

使用片内和片外数据存储器时采用不同的指令加以区别。在访问片内数据存储器时，可使用MOV指令；要访问片外数据存储器可使用MOVX指令。片外数据存储器只能采用间接寻址方式，可使用 R0、R1 和 DPTR 作间址寄存器。R0、R1作为8位地址指针，寻址范围为256 B；而DPTR是16位地址指针，故寻址范围可达64 KB。

AT89S51单片机的内部数据存储器只有地址为00～7FH的共128 B RAM可供用户使用，与片内 RAM 统一编址的80H～FFH 地址空间中，只有26 个存储空间被特殊功能寄存器（SFR）占用。

1．片内数据存储区（00～7FH）

片内数据存储区地址为00～7FH的空间划分为工作寄存器区、位寻址区及用户RAM区3部分。

（1）工作寄存器区（00H～1FH）

工作寄存器区共32个存储单元，分为4组，每组由8个地址单元组成通用寄存器R0～R7，其地址分配如表2-2所示。每组寄存器均可作为CPU当前的工作寄存器，当前工作寄存器可通过特殊功能寄存器中的程序状态字PSW的RS1、RS0两位进行设置。例如，如果RS1 RS0=01H，则表示选中了第1组，即地址为08H～0FH的单元构成当前的工作寄存器R0～R7。

当CPU复位后，自动选中第0组工作寄存器。一旦选中了一组工作寄存器，其他3组的地址空间只能用于数据存储器，不能作为寄存器。如果要使用必须重新设置RS1、RS0的状态。

（2）位寻址区（20H～2FH）

位寻址区共16B，每1B 为8 位，共128 位，这128 位用位地址编号，范围为00H～7FH。这些位地址单元构成了布尔处理器的存储空间，其地址分布如表2-3所示。位寻址区既可采用位寻址方式访问，也可以采用字节寻址方式访问，这种位寻址能力是51系列单片机一个重要特点。

（3）用户RAM区（30H～7FH）

用户RAM区共80个单元，可作为堆栈或数据缓冲使用。

2．特殊功能寄存器区（80H～FFH）

AT89S51单片机中共有26个特殊功能寄存器（SFR），这些寄存器离散地分布在内部数据存储器的80H～FFH这128 B的地址空间中。

这些特殊功能寄存器只能采用直接寻址及位寻址，其中，地址为X0H和X8H的各寄存器可位寻址，如表2-4所示，表中用“∗”表示可位寻址的寄存器。

这些特殊功能寄存器（SFR）都和单片机的相关部件有关，如ACC、B、PSW与CPU有关，SP、DPTR与存储器有关，P0～P3与I/O端口有关，IP、IE 与中断系统有关，TCON、TMOD、TH0、TL0、TH1、TL1与定时/计数器有关，SCON、SBUF与串行口有关，PCON与电源有关。这些SFR专门用来设置单片机内部的各种资源，记录电路的运行状态，参与各种运算及输入/输出操作，如设置中断和定时器的工作方式、进行并行及串行输入/输出等。

下面简述几个常用的特殊功能寄存器的功能。

（1）累加器ACC

ACC是一个具有特殊用途的8位寄存器，主要用于存放操作数或运算结果。AT89S51指令系统中大多数指令的执行都要通过累加器ACC进行。因此，在CPU中，累加器的使用频率是很高的。当采用寄存器寻址时，可用A表示累加器。

（2）寄存器B

寄存器B在乘、除法指令中用于暂存数据。乘法指令的两个操作数分别取自于A和B，其结果存放在BA寄存器对中。具体应用见第3章中有关乘法、除法指令的内容。

（3）程序状态字PSW

PSW是一个可编程的8位寄存器，用来存放与当前指令执行结果相关的状态。AT89S51有些指令的执行会自动影响PSW相关位的状态，在编程时要加以注意。同时，PSW中某些位的状态也可通过指令设置。PSW各标志位的定义如表2-5所示。

CY：进位标志位。当累加器A的最高位有进位（加法）或借位（减法）时，CY=1；否则CY=0。在布尔操作时，它是各种位操作的“累加器”。CY在指令中常简记为C。

AC：辅助进位标志位。当累加器A的D3位向D4位进位或借位时，AC=1；否则为0。有时AC也被称为半进位标志。

F0：用户标志位。可以根据需要用程序将其置位或清0，以控制程序的转向。

RS1、RS0：工作寄存器区选择位。RS1、RS0可由指令置位或清0，用来选择单片机的工作寄存器区，其选择方法见表2-2。

OV：溢出标志位。当有符号数采用补码运算时，其结果超出范围（-127～+128）时，有溢出，OV=1；否则OV=0。

—：保留位。

P：奇偶校验位。指示累加器A中操作结果的“1”的个数的奇偶性。凡是改变累加器A中内容的指令均影响P标志位。当A中有奇数个“1”，则P=1；否则P=0。此标志位对串行通信中的数据传输有重要的意义，在串行通信中常采用奇偶校验的方法来校验数据传输的可靠性。

（4）堆栈指针SP

堆栈是存储区中一个存放数据地址的特殊区域，主要是用来暂存数据和地址的，操作时按先进后出的原则存放数据，其生成方向由低地址到高地址。

堆栈指针SP是一个8位特殊功能寄存器，指示堆栈的底部在片内RAM中的位置。系统复位后，SP的初始值为07H。由于08H～1FH单元分属于工作寄存器区1～3，所以一般将SP的初值改变至片内RAM的高地址区（30H以上）。

（5）数据指针DPTR

DPTR是一个16位地址寄存器，主要用来存放16位地址，作间接寻址寄存器使用，可用于读写外接数据存储器或I/O端口。AT89S51单片机提供了两个数据指针DP0和DP1，可通过双时钟指针寄存器AUXR1来选择，如表2-4所示。当DPTR选择位DPS为0时，选择DP0；为1时，选择DP1。它们也可以拆成两个独立的8位寄存器使用，即DPH （高8位）和DPL （低8位）。

（6）端口P0～P3

P0～P3分别表示I/O端口中的P0～P3锁存器。在AT89S51中可以把I/O端口当作一般的特殊功能寄存器来使用，不再专设端口操作指令，均采用统一的MOV指令，使用方便。

（7）串行数据缓冲器SBUF

串行数据缓冲器SBUF用于存放串行通信中待发送或已接收到的数据。它实际上是由两个独立的寄存器组成，一个是发送缓冲器，一个是接收缓冲器。

（8）定时/计数器TH1、TL1、TH0、TL0

AT89S51中有两个16位定时/计数器T0和T1。它们各自由两个独立的8位寄存器组成，共为4个寄存器TH1、TL1、TH0和TL0，可以分别对这4个寄存器寻址，但不能把T0、T1当16位寄存器来对待。由于定时/计数器工作方式的不同，定时器使用的有效位数会发生变化。具体应用见第5章相关章节。

除上述SFR以外，另外还有IE、IP、TMOD、TCON，SCON和PCON等寄存器，将在以后的章节中介绍。