51單片機(jī)程序存儲(chǔ)器分析

為了保證程序能夠連續(xù)地執(zhí)行下去，CPU必須具有某些手段來(lái)確定一條指令的地址。程序計(jì)數(shù)器PC正是起到了這種作用，所以通常又稱(chēng)其為指令地址計(jì)數(shù)器。在程序開(kāi)始執(zhí)行前，必須將其起始地址。即程序的第一條指令所在的內(nèi)存單元地址送入PC。當(dāng)執(zhí)行指令時(shí)，CPU將自動(dòng)修改PC的內(nèi)容，使之總是保存將要執(zhí)行的下一個(gè)條指令的地址。由于大多數(shù)都是按順序執(zhí)行的，所以修改的過(guò)程只是簡(jiǎn)單的加1操作。

下面我們看看8051的存儲(chǔ)器系統(tǒng)：(此章非常重要，請(qǐng)仔細(xì)理解)

8051序列單片機(jī)與一般微機(jī)的存儲(chǔ)器配置方式不相同。一般微機(jī)通常只有一個(gè)地址空間，ROM和RAM可以隨意安排在這一地址范圍內(nèi)不同的空間，即ROM和RAM的地址同在一個(gè)隊(duì)列里分配不同的地址空間。CPU訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器時(shí)，一個(gè)地址對(duì)應(yīng)唯一的存儲(chǔ)單元，可以是ROM也可以是RAM，并用同類(lèi)訪(fǎng)問(wèn)指令。此種存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)稱(chēng)普林斯頓結(jié)構(gòu)。

8051的存儲(chǔ)器在物理結(jié)構(gòu)上分程序存儲(chǔ)器空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。有四個(gè)存儲(chǔ)空間：片內(nèi)程序存儲(chǔ)器和片外程序存儲(chǔ)空間以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。這種程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi)的結(jié)構(gòu)形式，稱(chēng)為哈佛結(jié)構(gòu)。但從用戶(hù)使用的角度，8051存儲(chǔ)器地址空間分為三類(lèi)：

1、片內(nèi)，片外統(tǒng)一編址0000H—FFFFH的64K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器地址空間，用16位地址;

2、64K字節(jié)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間，地址也從0000H—FFFFH，用16位地址;

3、256K字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間，用8位地址。

上述三個(gè)存儲(chǔ)空間地址是重迭的，任何區(qū)別這三個(gè)不同的邏輯空間呢?8051的指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)了不同的數(shù)據(jù)傳送指令符號(hào)：CPU訪(fǎng)問(wèn)片內(nèi)片外ROM指令用MOVC，訪(fǎng)問(wèn)片外指令用MOVX，訪(fǎng)問(wèn)片內(nèi)RAM指令用MOV。

一程序存儲(chǔ)器地址空間

8051程序存儲(chǔ)器用于存放編好的程序和表格常數(shù)。程序存儲(chǔ)器通過(guò)16位程序計(jì)數(shù)器PC尋址，尋址能力為64K字節(jié)。8051，8751的64程序存儲(chǔ)器片內(nèi)ROM為4K字節(jié)，地址為0000H—0FFFH，片外最多可擴(kuò)至64K字節(jié)ROM，地址1000H—FFFFH,片內(nèi)外是統(tǒng)一編址的。

當(dāng)引腳EA接高電平時(shí)，8051程序計(jì)數(shù)器PC在0000H—0FFFH范圍內(nèi)，即前4K字節(jié)地址執(zhí)行片內(nèi)ROM中的程序;當(dāng)指令地址超過(guò)0FFFH后，就自動(dòng)地轉(zhuǎn)向片外ROM指令。

當(dāng)引腳EA接低電平時(shí)，8051片內(nèi)ROM不起作用，CPU只能從片外ROMZ中取指令，地址可以從000H開(kāi)始編址。這種接法特別適用于采用8031單片機(jī)的場(chǎng)合，由于8031片內(nèi)不帶ROM，所以使用使必須使EA=0.以便能夠從外部擴(kuò)展EPROM中取指令。

8051從片內(nèi)程序存儲(chǔ)器和片外程序存儲(chǔ)器取值時(shí)執(zhí)行速度相同。程序存儲(chǔ)器的某些單元是留給系統(tǒng)使用的。

存儲(chǔ)單元0000H-0002H用作8051上電復(fù)位后引導(dǎo)程序存放單元。因?yàn)?051上電復(fù)位后程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容為0000H，所以CPU總是從0000H開(kāi)始執(zhí)行程序。如果在這三個(gè)單元中存有轉(zhuǎn)移指令，那么程序就被引導(dǎo)到轉(zhuǎn)移指令指定的ROM空間去執(zhí)行。

0003H—0023H單元均勻地分為五段，用作五個(gè)中斷服務(wù)程序的入口，因?yàn)檫@五個(gè)入口之間的間隔較小，因此，一般說(shuō)來(lái)這五個(gè)入口處都是放的一條跳轉(zhuǎn)指令，而把真正的中斷服務(wù)程序視情況安排在后面的存儲(chǔ)器中。這五個(gè)入口分別是：

0003h:

外部中斷0的入口地址，當(dāng)外部中斷引腳INT0,即P3.2有效時(shí)，引起中斷申請(qǐng)，CPU響應(yīng)中斷后自動(dòng)將地址0003H裝入程序計(jì)數(shù)器PC,程序就被轉(zhuǎn)換到0003H去執(zhí)行外部中斷0的中斷服務(wù)程序。

000Bh:

定時(shí)器0溢出中斷的入口地址，當(dāng)定時(shí)器T0產(chǎn)生溢出時(shí)，引起中斷申請(qǐng)，CPU響應(yīng)中斷后自動(dòng)將地址000BH裝入程序計(jì)數(shù)器PC,程序就被轉(zhuǎn)移到000BH去執(zhí)行定時(shí)器0的中斷服務(wù)程序。

0013h:

外部中斷1的入口地址，當(dāng)外部中斷引腳INT1,即P3.3有效時(shí)，引起中斷申請(qǐng)，CPU響應(yīng)中斷后自動(dòng)將地址0013H裝入程序計(jì)數(shù)器PC,程序就被轉(zhuǎn)移到0013H去執(zhí)行外部中斷1的中斷服務(wù)程序。

001Bh:

定時(shí)器1溢出中斷的入口地址，當(dāng)定時(shí)器T1產(chǎn)生溢出時(shí)，引起中斷申請(qǐng)，CPU響應(yīng)中斷后自動(dòng)將地址001BH裝入程序計(jì)數(shù)器PC,程序就被轉(zhuǎn)3移到0003H去執(zhí)行定時(shí)器1的中斷服務(wù)程序。

0023h:

串行接口中斷的入口地址，當(dāng)串行接口接收或發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)后，引起中斷申請(qǐng)，CPU響應(yīng)中斷后自動(dòng)將地址0023H裝入程序計(jì)數(shù)器PC，程序就被轉(zhuǎn)移到0023H去串行接口中斷服務(wù)程序。

二.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM用于存放運(yùn)算中的中間結(jié)果，數(shù)據(jù)暫存，緩沖，標(biāo)志位等。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間也分為片內(nèi)和片外兩部分，即片內(nèi)RAM和片外RAM。

8051片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間為64K，從0000H—FFFFH;片內(nèi)存儲(chǔ)器空間為256字節(jié)，地址從0000H—00FFH。

(一)片外RAM

片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間低地址0000H—00FFH是重迭的，如何區(qū)分片內(nèi)，片外RAM空間呢?8051有MOV和MOVX兩種指令，用于區(qū)分片內(nèi)片外RAM空間。片內(nèi)RAM使用MOV指令，片外64KRAM空間專(zhuān)門(mén)為MOVX指令使用。

(二)片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器最大可尋址256個(gè)單元，它們又分為兩個(gè)部分：

低128字節(jié)，00H—7KH，是真正的RAM區(qū)。高128字節(jié)，80H—FFH，為特殊功能寄存器區(qū)。

低128字節(jié)RAM，00H—1FH地址安排為四組寄存器區(qū)，每組有八個(gè)工作寄存器，即R0-R7,，共占32個(gè)單元。通過(guò)對(duì)程序狀態(tài)字PSW中RS1,RS0兩位的設(shè)置，每組寄存器可選作CPU的當(dāng)前工作寄存器組。若程序中并不需要四組，那么其余可用作一般RAN單元。CPU復(fù)位后，選中第0組工作寄存器。

工作寄存器區(qū)后的16字節(jié)單元，即20H—2FH，可以位尋址方式訪(fǎng)問(wèn)其各位，這128個(gè)位的地址為00H—7FH。低128字節(jié)RAM單元地址范圍也是00H—7FH，8051采用不同尋址方式加以區(qū)分，即訪(fǎng)問(wèn)128個(gè)位地址用位尋址方式。訪(fǎng)問(wèn)低128字節(jié)單元用直接尋址或間接尋址，這樣就可以區(qū)分開(kāi)00H—7FH是位地址還是字節(jié)地址，尋址方式以后再講。通過(guò)執(zhí)行指令可直接對(duì)某一位操作，如置1，請(qǐng)0或判1，判0等，可用作軟件標(biāo)志位或用于位處理。

高128字節(jié)RAM,特殊功能寄存器，8051片內(nèi)高128字節(jié)RAM中，除程序計(jì)數(shù)器PC外，有21專(zhuān)用寄存器，也稱(chēng)特殊功能寄存器，它們離散地分布在80H—FFH的RAM空間中。在21個(gè)特殊功能寄存器中，有11個(gè)特殊功能寄存器具有位尋址能力，它們的字節(jié)地址正好能被8整除，下面介紹部分特殊功能寄存器，其余將在后面講述：

(1)累加器ACC

累加器ACC是8051最常見(jiàn)，最繁忙的八位特殊功能寄存器，許多指令的操作數(shù)取自于ACC,許多運(yùn)算結(jié)果也存放于ACC中。在指令系統(tǒng)中采用A作為累加器ACC的助記符。

(2)寄存器B

在乘，除指令中，用到了8位B寄存器。乘法指令的兩個(gè)操作數(shù)分別來(lái)自A和B，乘積存放于B,A兩個(gè)8位寄存器中。除法指令中，A中存放被除數(shù)，B中放除數(shù)，商存放于A中，B中存放余數(shù)。在其他指令中，B可作為一般通用寄存器或一個(gè)RAM單元使用。

(3)程序狀態(tài)寄存器PSW

PSW是一個(gè)8位特殊功能寄存器，它的各位包含了程序執(zhí)行后的狀態(tài)信息，供程序查詢(xún)或判別之用。各位的含義及其格式如下：

PSW除有確定的字節(jié)地址DOH外，每一位均有位地址。

PY，PSW.7，進(jìn)位標(biāo)志位。在執(zhí)行加法或減法運(yùn)算指令時(shí)，如果運(yùn)算結(jié)果最高位即位7，向前有進(jìn)位或借位，CY位由硬件置1，如運(yùn)算結(jié)果最高位無(wú)進(jìn)位或借位，則CY清0。CY也是8051在進(jìn)行位操作時(shí)的累加器。

AC,PSW.6半標(biāo)記位，也稱(chēng)輔助進(jìn)位標(biāo)志。當(dāng)執(zhí)行加法或減法操作時(shí)，其運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生由低半字節(jié)，即位3向高半字節(jié)有半進(jìn)位或借位時(shí)AC位將被硬件自動(dòng)置1，否則AC被自動(dòng)清0。

PSW.5，用戶(hù)標(biāo)志位。用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要對(duì)FO位賦予一定含義，由用戶(hù)置位，復(fù)位，系統(tǒng)沒(méi)有規(guī)定它的意義。

RSO,和RS1,PSW.4,和PSW.5，工作寄存器組選擇控制位。這兩位的值決定選擇哪一組工作寄存器為當(dāng)前工作寄存器組。由用戶(hù)用軟件改變RS1和RS0值的組合，以切換當(dāng)前選用的工作寄存器組。

當(dāng)RS1=0,RS0=0時(shí)，工作寄存器組定位在00到07單元，即此時(shí)R0就是00，R1就是01，R2就是02，R3就是03，R4就是04，R5就是05，R6就是06，R7就是07。

當(dāng)RS1=0,RS0=1時(shí)，工作寄存器組定位在08到0F單元;

當(dāng)RS1=1,RS0=0時(shí)，工作寄存器組定位在10到17單元;

當(dāng)RS1=1,RS0=1時(shí)，工作寄存器組定位在18到1F單元;

8051上電復(fù)位后，RS1=0,RS0=0，工作寄存器組定位在00到07單元;

根據(jù)需要，可利用傳送指令對(duì)PSW整字節(jié)操作或用位操作指令改變RS1和RS0的狀態(tài)，以切換當(dāng)前工作寄存器組。這樣的設(shè)置對(duì)程序中保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)提供了方便。

OV,PSW.2,溢出標(biāo)志位。當(dāng)進(jìn)行補(bǔ)碼運(yùn)算時(shí)，如有溢出，即當(dāng)運(yùn)算結(jié)果超出-128到+127的范圍時(shí)，OV位由硬件自動(dòng)置1;無(wú)溢出時(shí)，OV=0,

PSW.1,為保留位，8051未用，8052為F1用戶(hù)標(biāo)志位。P,PSW.0,奇偶檢驗(yàn)標(biāo)志位。每條指令執(zhí)行后，該位始終跟蹤指示累加器A中1的個(gè)數(shù)。如結(jié)果A中有奇數(shù)個(gè)1，則置P=1,否則P=0.常用于校驗(yàn)串行通訊中的數(shù)據(jù)傳送是否出錯(cuò)。

(4)堆棧指針SP

堆棧指針SP為8位特殊功能寄存器，SP的內(nèi)容即堆棧指針可指向8051片內(nèi)00H—7FHRAM的任何單元。系統(tǒng)復(fù)位后，SP初始化為07H，即指向07H的RAM單元。下面介紹一下堆棧的概念。

8051同一般微機(jī)處理器一樣，設(shè)有堆棧。在片內(nèi)RAM中專(zhuān)門(mén)開(kāi)辟出一個(gè)區(qū)域，數(shù)據(jù)的存取是以“后進(jìn)先出”的結(jié)構(gòu)方式處理的。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方式對(duì)于中斷，調(diào)用子程序都非常方便。堆棧的操作有兩種：

一種叫數(shù)據(jù)壓入，即PUSH;另一種叫數(shù)據(jù)彈出，即POP。棧頂由堆棧指針SP自動(dòng)管理。每次進(jìn)行壓入或彈出操作以后，堆棧指針便自動(dòng)調(diào)整以保持指示堆棧頂部的位置。在使用堆棧之前，先給SP賦值，以規(guī)定堆棧的起始位置，稱(chēng)為棧底。

當(dāng)數(shù)據(jù)壓入堆棧后SP自動(dòng)加1以指出當(dāng)前棧頂位置。8051的堆棧指針SP是一個(gè)雙向計(jì)數(shù)器。在壓棧時(shí)SP內(nèi)容自動(dòng)增值，出棧時(shí)自動(dòng)減值，存取信號(hào)必須按照“后進(jìn)先出”的原則。

(5)數(shù)據(jù)指針DPTR

DPTR是一個(gè)16位的特殊功能寄存器，其高位字節(jié)寄存器用DPH表示，地址83H，低位字節(jié)寄存器用DPL表示，地址82H。DPTR既可以作為一個(gè)16位寄存器來(lái)處理，也可以作為一個(gè)16寄存器來(lái)處理，也可以作為兩個(gè)獨(dú)立的8位寄存器DPH和DPL使用。

(6)IO端口PO，P1,P2,P3.

PO，P1,P2,P3.為四個(gè)8位特殊功能寄存器，分別是四個(gè)并行IO端口的鎖存器。它們都是有字節(jié)地址，每一個(gè)鎖存器還有位地址，所以每一個(gè)IO線(xiàn)獨(dú)立地作輸入或輸出時(shí)，數(shù)據(jù)可以鎖存，作輸出時(shí)數(shù)據(jù)可以緩沖。8051的中斷源包括：定時(shí)計(jì)數(shù)器0，定時(shí)計(jì)數(shù)器1，外中斷0，外中斷1，串口中斷，除上述資源外8051還有40條引腳(關(guān)于這40條引腳，請(qǐng)查看相關(guān)資料)。