MCS-51单片机的存储器组织结构

MCS-51单片机的存储器组织结构

Author: Aaron Wong

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特点：哈佛结构，程序存储器与数据存储器分开，两者各有一个相互独立的64K（0x0000 ~ 0xFFFF）的寻址空间（准确地说，内部数据存储器与外部数据存储器不是一回事）。

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程序存储器：

① 用于存放程序（可执行的二进制代码映像文件，包括程序中的数据信息），还包括初始化代码等固件。

② 为只读存储器。注意，这里的“只读”，是指单片机（CPU）在正常工作时对其的访问方式是只读的；而现在大多数单片机的程序存储器（不管是内部还是外部）都采用了FLASH ROM，来取代以前所用的ROM、E2PROM等，可方便地进行在线编程（ISP）。

③ 标准8051的内部程序存储器大小为4KB（0x0000 ~ 0x0FFF）；而具体的51核的兼容单片机的内部ROM大小需要参考其Datasheet，例如P89C51RA2xx的内部程序存储器是8K的Flash。

④ 内部、外部存储器统一编址，在软件设计上（指令系统中）没有差别；是否使用外部程序存储器是通过引脚<!--[if gte vml 1]><v:shapetype id="_x0000_t75" coordsize="21600,21600" o:spt="75" o:preferrelative="t" path="m@4@5l@4@11@9@11@9@5xe" filled="f" stroked="f"> <v:stroke joinstyle="miter" /> <v:formulas> <v:f eqn="if lineDrawn pixelLineWidth 0" /> <v:f eqn="sum @0 1 0" /> <v:f eqn="sum 0 0 @1" /> <v:f eqn="prod @2 1 2" /> <v:f eqn="prod @3 21600 pixelWidth" /> <v:f eqn="prod @3 21600 pixelHeight" /> <v:f eqn="sum @0 0 1" /> <v:f eqn="prod @6 1 2" /> <v:f eqn="prod @7 21600 pixelWidth" /> <v:f eqn="sum @8 21600 0" /> <v:f eqn="prod @7 21600 pixelHeight" /> <v:f eqn="sum @10 21600 0" /> </v:formulas> <v:path o:extrusionok="f" gradientshapeok="t" o:connecttype="rect" /> <o:lock v:ext="edit" aspectratio="t" /> </v:shapetype><v:shape id="_x0000_i1025" type="#_x0000_t75" style='width:18.75pt; height:15.75pt' o:ole=""> <v:imagedata src="file:///C:/DOCUME~1/okhzh/LOCALS~1/Temp/msoclip1/01/clip_image001.wmz" o:title="" /> </v:shape><![endif]--><!--[if !vml]-->EA<!--[endif]--><!--[if gte mso 9]><xml> <o:OLEObject Type="Embed" ProgID="Equation.DSMT4" ShapeID="_x0000_i1025" DrawAspect="Content" ObjectID="_1227834268"> </o:OLEObject> </xml><![endif]-->在硬件电路上控制的：不使用外部程序存储器时，<!--[if gte vml 1]><v:shape id="_x0000_i1026" type="#_x0000_t75" style='width:18.75pt;height:15.75pt' o:ole=""> <v:imagedata src="file:///C:/DOCUME~1/okhzh/LOCALS~1/Temp/msoclip1/01/clip_image001.wmz" o:title="" /> </v:shape><![endif]--><!--[if !vml]-->EA<!--[endif]--><!--[if gte mso 9]><xml> <o:OLEObject Type="Embed" ProgID="Equation.DSMT4" ShapeID="_x0000_i1026" DrawAspect="Content" ObjectID="_1227834269"> </o:OLEObject> </xml><![endif]-->=0（接地）；如果扩展了外部程序存储器，则使<!--[if gte vml 1]><v:shape id="_x0000_i1027" type="#_x0000_t75" style='width:18.75pt;height:15.75pt' o:ole=""> <v:imagedata src="file:///C:/DOCUME~1/okhzh/LOCALS~1/Temp/msoclip1/01/clip_image001.wmz" o:title="" /> </v:shape><![endif]--><!--[if !vml]-->EA<!--[endif]--><!--[if gte mso 9]><xml> <o:OLEObject Type="Embed" ProgID="Equation.DSMT4" ShapeID="_x0000_i1027" DrawAspect="Content" ObjectID="_1227834270"> </o:OLEObject> </xml><![endif]-->=1，当寻址到内部存储空间以外时，会自动转向外部程序存储器空间（与扩展外部程序存储器有关的还有<!--[if gte vml 1]><v:shape id="_x0000_i1028" type="#_x0000_t75" style='width:33.75pt;height:17.25pt' o:ole=""> <v:imagedata src="file:///C:/DOCUME~1/okhzh/LOCALS~1/Temp/msoclip1/01/clip_image005.wmz" o:title="" /> </v:shape><![endif]--><!--[if !vml]-->PSEN<!--[endif]--><!--[if gte mso 9]><xml> <o:OLEObject Type="Embed" ProgID="Equation.DSMT4" ShapeID="_x0000_i1028" DrawAspect="Content" ObjectID="_1227834271"> </o:OLEObject> </xml><![endif]-->和ALE的时序配合，以及P0和P2口用于地址线）。

[注] 一般直接选用内部程序存储器满足代码大小要求的单片机型号，避免扩展外部存储器，造成系统软硬件设计上的复杂和额外开销。

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数据存储器：

为RAM。首先必须要强调的是，不管是物理上还是逻辑上，51单片机的内部、外部数据存储器都在不同的地址空间。两者不是一回事，用途也不一样，访问的指令也不同（内部RAM为MOV指令，外部为MOVX）。

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1、内部数据存储器（内部RAM）

相当于内存，为程序（进程）中的变量和常量分配存储空间，掉电后内容消失。

标准8051的内部RAM为256B（0x00 ~ 0xFF）：其中可供用户自由使用的是低128B（0x00 ~ 0x7F）区域，高128B中定义了26B的特殊功能寄存器（SFR），其余没有定义，因而没有意义。

P89C51RA2xx的片内RAM是512B（片内RAM不等于内部RAM，见释疑2）。

[说明] 关于内部RAM中的SFR，其中不但定义了一些控制字段，还包括累加器（ACC）、程序状态字（PSW）、数据指针（DPTR）、堆栈指针（SP）等，值得注意的是，片上I/O口P0 ~ P3的地址也在这里定义（即有3个特殊功能寄存器的地址实际上是P口的地址）——这是因为51单片机的I/O口与存储器是统一编址的*。

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2、外部数据存储器（外部RAM）

上面谈到“I/O口与存储器统一编址”的问题，因此，这里称作外部RAM空间更为合适。在这个64KB地址空间中（0x0000 ~ 0xFFFF），除了可以扩展外部RAM外，还可以扩展外部I/O设备。

外部RAM主要用于存储程序运行时产生的重要数据（如数据采集结果、数据处理结果、系统日志等），这时一般需要外加电源进行掉电保护，以在系统掉电时保存其中的数据信息；也可用于数据的暂时存储，供CPU正常读写操作使用。因此外部RAM主要是使用其“可随机访问、读写方便且高速”的特性。

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* 所谓I/O口与存储器统一编址，是指I/O口与主存在同一地址空间，将处理器的可寻址存储空间中专门划出一部分地址空间分配给I/O口使用。这与PC机的x86处理器不同，x86体系结构为I/O口专门定义了独立于存储空间之外的地址空间（事实上，除X86外，其他体系结构的处理器都对I/O口与存储器统一编址，可参考《Linux Device Drivers》）。

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释疑1：51只有16根地址线，为什么能同时将程序存储器和外部数据存储器都扩展到64KB呢？即外部即有ROM，又有RAM，如何知道访问的是哪个？

在体系结构上，程序存储器和数据存储器是不同的地址空间，两者的访问是不会相互干扰的，这主要是通过在硬件和指令集设计上来实现的。

在硬件上，访问外部ROM是通过<!--[if gte vml 1]><v:shape id="_x0000_i1029" type="#_x0000_t75" style='width:18.75pt;height:15.75pt' o:ole=""> <v:imagedata src="file:///C:/DOCUME~1/okhzh/LOCALS~1/Temp/msoclip1/01/clip_image001.wmz" o:title="" /> </v:shape><![endif]--><!--[if !vml]-->EA<!--[endif]--><!--[if gte mso 9]><xml> <o:OLEObject Type="Embed" ProgID="Equation.DSMT4" ShapeID="_x0000_i1029" DrawAspect="Content" ObjectID="_1227834272"> </o:OLEObject> </xml><![endif]-->和<!--[if gte vml 1]><v:shape id="_x0000_i1030" type="#_x0000_t75" style='width:33.75pt;height:17.25pt' o:ole=""> <v:imagedata src="file:///C:/DOCUME~1/okhzh/LOCALS~1/Temp/msoclip1/01/clip_image005.wmz" o:title="" /> </v:shape><![endif]--><!--[if !vml]-->PSEN<!--[endif]--><!--[if gte mso 9]><xml> <o:OLEObject Type="Embed" ProgID="Equation.DSMT4" ShapeID="_x0000_i1030" DrawAspect="Content" ObjectID="_1227834273"> </o:OLEObject> </xml><![endif]-->引脚来控制的；访问外部RAM则是通过<!--[if gte vml 1]><v:shape id="_x0000_i1031" type="#_x0000_t75" style='width:20.25pt;height:17.25pt' o:ole=""> <v:imagedata src="file:///C:/DOCUME~1/okhzh/LOCALS~1/Temp/msoclip1/01/clip_image009.wmz" o:title="" /> </v:shape><![endif]--><!--[if !vml]-->WR<!--[endif]--><!--[if gte mso 9]><xml> <o:OLEObject Type="Embed" ProgID="Equation.DSMT4" ShapeID="_x0000_i1031" DrawAspect="Content" ObjectID="_1227834274"> </o:OLEObject> </xml><![endif]-->和<!--[if gte vml 1]><v:shape id="_x0000_i1032" type="#_x0000_t75" style='width:20.25pt;height:15.75pt' o:ole=""> <v:imagedata src="file:///C:/DOCUME~1/okhzh/LOCALS~1/Temp/msoclip1/01/clip_image011.wmz" o:title="" /> </v:shape><![endif]--><!--[if !vml]-->RD<!--[endif]--><!--[if gte mso 9]><xml> <o:OLEObject Type="Embed" ProgID="Equation.DSMT4" ShapeID="_x0000_i1032" DrawAspect="Content" ObjectID="_1227834275"> </o:OLEObject> </xml><![endif]-->信号来控制的；

在指令集上，访问外部ROM不需要使用显示指令，是通过PC（指令计数器）来控制取指地址的（跳转指令也可能引起PC跳转）；而访问外部RAM则需要在程序设计上使用指令MOVX来执行。另外，访问内部RAM则使用了指令MOV，以区分外部RAM的访问。

释疑2：P89C51RA2xx的片内RAM是512B，是如何组织的？

P89C51RA2xx的片内RAM是512B：其中内部RAM为256B（使用MOV指令访问，定义与标准51相同）；另外的256B为XRAM（片内的外部数据存储器），属于外部存储器的范畴，因此用途也同外部RAM，使用MOVX指令访问，当程序中的全局变量或单个局部变量需占较大存储空间时，可以定义为xdata型，保存到XRAM区。注意这个片内的XRAM掉电后其数据也会丢失；另外，如果要扩展外部RAM，则一般是设置XRAM为禁用态。

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参考资料：

①《MCS-51系列单片机系统及其应用（第二版）》，蔡美琴，张为民等；

②《单片机的C语言应用程序设计》，马忠梅等；

③ P89C51RA2_RB2_RC2_RD2_2.pdf