51單片機的存儲空間梳理

原創樂創客 2021-04-22 07:05

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文/Edward

我們在學習傳統的MCS-51單片機的時候，一定學習過51單片機的存儲結構。傳統的MCS-51存儲器有三個空間，分別是片內RAM（內部數據存儲器）、片外RAM（外部擴展的數據存儲器）和 ROM（內部或者外部程序存儲器）。

按照具體數據的物理存儲空間來說，MCS-51單片機在有四個物理存儲空間，它們分別是：片內程序存儲器(片內ROM)、片外程序存儲器(片外ROM)、片內數據存儲器（片內RAM）、片外數據存儲器(片外RAM)。

1 片內RAM空間

上述的這四種物理存儲空間中，最早的8031單片機，只有數據存儲器即內部RAM是標配的，其他都需要外擴，而到來的8051兼容機中，內部的數據存儲器（RAM）和內部的程序存儲器（ROM）都成了標配。只不過更加不同型號，RAM和ROM的大小有些許區別。

那么，在那個存儲器貴如金的年代，為何還要將RAM作為標配？而且這個還是價格非常昂貴的靜態RAM。這是因為，哈佛結構的計算機，存儲器是整個計算體系的核心，你可以發現，51單片機外設相關的存儲器，它們都被編入數據存儲器（RAM）的地址。如圖1所示。

圖1 MCS-51單片機內部256字節RAM存儲分布

由圖1中，我們可以發現，MCS-51單片機的地址范圍是00H到7FH （52系列延伸到FFH），為8位地址，所以最大可尋址的范圍為256個單元地址。

這些地址被分成4個功能區：

地址00H~1FH，共32字節，分成四個工作寄存器區，每區有寄存器 R0~R7。此存儲區如果需要使用寄存器進行數據的存儲，則可以直接使用寄存器尋址。如“MOV A，R0”。
地址20H-2FH，共16字節，是位尋址區，共有128個“位”，位地址：00~7FH。此區域的變量，也可按照字節尋址，來讀寫。如，我們將20H地址的第0位（0或者1）移入程序狀態字（PSW）的進位標志位（C），則可以：“MOV C, 20H.0”。
地址30H-7FH，這個區域內的內存空間，主要是存放用戶編寫程序時產生的臨時數據，這塊區域內的尋址方式都為間接尋址，而且只能按照字節單位進行尋址。如果使用C語言要訪問內部存儲區，那么你所定義的指針只能指向這一片地址。
地址80H-FFH，此區域為特殊功能寄存器區（SFR），共有128個地址，其中離散的分布著21個特殊功能寄存器，必須直接尋址才能讀寫。另外，部分地址可以被8整除的特殊功能寄存器，也可以支持位尋址。（52系列，在此范圍，還有128字節的 RAM，必須間接尋址才能讀寫）。
注意，在51單片機的內部RAM中進行編程的時候，必須使用MOV指令進片內RAM的讀寫。

2 外部RAM擴展

除了內部RAM的這些存儲空間，MCS-51單片機也支持外部RAM的擴展。普通51單片機最大可以片外擴展64K字節空間的RAM，其地址范圍為0000H~FFFFFH，我們可以使用標準MCS-51單片機的P0口和P2口對RAM進行擴展。其擴展電路如圖2所示。

圖2 外部RAM擴展

片外RAM地址的最大范圍是0000H到FFFFH，即最大容量為64KB。對片外RAM讀寫，必須使用 MOVX 指令。

對片外RAM采用間接尋址方式，R0、R1和DPTR都可以做為間接尋址寄存器，R0、R1是8位的寄存器，即R0、R1的尋址范圍最大為256個單元，而DPTR是16位地址指針，尋址范圍就可達到64KB。

也就是說在尋址片外RAM時，尋址范圍超過了256B，就不能用R0、R1做為間接尋址寄存器，而必須用DPTR寄存器做為間接尋址寄存器。

3 片外ROM擴展

除了RAM可以擴展之外，51單片機還支持外部程序存儲器的擴展，此時做外ROM擴展的時候，需要使用到PSEN引腳去做芯片的選通。PSEN（非）為外部程序存儲器讀選通信號，在讀外部ROM時PSEN（非）低電平有效，以實現外部ROM單元的讀操作，全拼為Program Store Enable。外部ROM的擴展電路如圖3所示。

圖3 MCS-51單片機外部ROM擴展

ROM的地址范圍是0000H到FFFFH，容量即為64KB，地址長度16位，作用是存放程序及程序運行時所需的常數。

其中4K地址（0000~0FFFH）的空間保留在了在片內，剩余的其它地址被用作片外ROM的地址，因此如果要擴展片外ROM，則其地址范圍最大為（0x1000~0xffff）。當引腳EA為高電平時，則尋址內部ROM，當EA為低電平時，則尋址外部ROM。如果單片機想要讀取ROM中的數據，必須使用 MOVC 指令。

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