工作后才理解的那些51單片機存儲原理

對于電子設計類(lèi)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，其實(shí)在學(xué)校很難通過(guò)實(shí)例來(lái)理解51單片機的存儲原理。因為學(xué)校的課程很少用到外擴ROM/RAM，大多會(huì )采用C語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行語(yǔ)言編程。很多人是在工作后才實(shí)際接觸到51單片機的IP核，才對存儲原理以及數據空間有了較為清晰的認識。在本文當中，小編就將為大家介紹51單片機是如何實(shí)現存儲數據的。

MCS-51使用哈弗結構，它的程序空間和數據空間是分開(kāi)編址的，即各自有各自的地址空間，互不重疊。所以即使地址一樣，但因為分開(kāi)編址，所以依然要說(shuō)哪一個(gè)空間內的某地址。而ARM(甚至是x86)這種馮諾依曼結構的MCU/CPU，它的地址空間是統一并且連續的，代碼存儲器/RAM/CPU寄存器，甚至PC機的顯存，都是統一編址的，只是不同功能的存儲器占據不同的地址塊，各自為政。

對于51單片機的程序存儲器，有片內和片外兩部分。而且無(wú)論片內程序存儲器，還是片外程序存儲器，他們的地址是共享的。如果片內為4kROM，地址就是0x0000-0x0FFF，從0x1000-0xFFFF就是外部ROM的地址空間?？赏獠縍OM的0x0000-0x0FFF的這一部分是否被使用呢?這取決于單片機EA引腳的電平值。EA=1時(shí)就是使用內部ROM的這一部分，外部ROM的這一部分浪費不用;EA=0時(shí)就是使用外部ROM的這一部分，內部ROM浪費不用。從CODE段讀取數據要使用匯編的MOVC指令，單片機會(huì )根據MOVC指令、EA狀態(tài)、要讀取的地址值，來(lái)自動(dòng)地判斷從什么存儲器里取數據。

對于數據存儲器，則分為內部數據存儲器(IDATA/RAM)和外部數據存儲器(XDATA)兩個(gè)部分，但這兩個(gè)存儲器就不像code存儲器那樣共享地址空間的了。一般的8051芯片，內部RAM只有128B，從0x00-0x7F，而從0x80-0xFF則是SFR(CPU工作寄存器和各種外設寄存器都在此)的區域。對于8052來(lái)說(shuō)，內部RAM有256B，所以0x80-0xFF是高128B的RAM在使用?？蛇@部分不是SFR專(zhuān)用的嗎?是SFR專(zhuān)用，但注意，SFR的訪(fǎng)問(wèn)只能使用“直接尋址方式”(使用特定的匯編指令來(lái)實(shí)現)，區別就在這里。只有通過(guò)直接尋址訪(fǎng)問(wèn)的地址才是SFR，否則就是普通的RAM。至于外擴的RAM(XDATA)，地址也是從0x0000-0xFFFF的，而且這里的0x0000和內部RAM的0x00是不同的，是完全獨立的兩個(gè)空間。他們的訪(fǎng)問(wèn)方法也是不同的。MCS-51使用MOVX指令，來(lái)讀寫(xiě)XDATA區。而且，訪(fǎng)問(wèn)XDATA區，是需要DPTR寄存器來(lái)輔助的。因為只有DPTR才能裝得下十六位的XDATA地址。

所以MCS-51讀寫(xiě)IDATA區的速度是最快的，而且訪(fǎng)問(wèn)方法也是最多的。訪(fǎng)問(wèn)XDATA區的速度相對就要慢很多。MCS-51的堆棧要優(yōu)先開(kāi)辟在IDATA區中，并且在IDATA區中開(kāi)辟的堆棧，可以使用棧指針寄存器SP來(lái)控制。如果棧實(shí)在太大，只能開(kāi)辟在XDATA區中，那么CPU的SP寄存器就很難借力，只能由開(kāi)發(fā)者來(lái)構造堆棧結構和堆棧指針。既然外部程序空間和數據空間都是0-64K(0x0000-0xFFFF)，那么實(shí)際上可以為了省事/方便改寫(xiě)程序等原因，外部的CODE和DATA就可以共用一個(gè)可擦寫(xiě)存儲器了(比如各種RAM什么可擦可寫(xiě)的)。

比如系統有64K的外擴MEMORY，低32K我用作保存CODE，并讓單片機在這32K之中讀取程序運行，高32K時(shí)作為用戶(hù)數據的保存處是完全可以的。只是此時(shí)本來(lái)完全獨立的CODE和DATA空間，因為在硬件芯片上共用了一個(gè)MEMORY，所以他們之間可能互相影響，程序就能自己改寫(xiě)程序。比如0x0020處是一個(gè)指令，通過(guò)MOVX把0x0020處改寫(xiě)，那么再利用MOVC把0x0020處讀取出來(lái)，數據就和原來(lái)不一樣了。

容易混淆的癥結在于，單片機存儲空間是一個(gè)邏輯上的概念，是人為劃分出來(lái)的兩個(gè)相互獨立的空間。而硬件電路上的MEMORY芯片則是現實(shí)中的概念，單片機的存儲空間最終會(huì )落實(shí)在電路層面的芯片上，所以邏輯上的存儲空間會(huì )因為物理上的電路連接而發(fā)生重疊。但是在邏輯層面上，這兩個(gè)空間還是完全獨立的。

各類(lèi)存儲空間名稱(chēng)的定義：

data：固定指前面0x00-0x7f的128個(gè)RAM，可以用a寄存器直接讀寫(xiě)的，速度最快，生成的代碼也最小。

idata：固定指前面0x00-0xff的256個(gè)RAM，其中前128和data的128完全相同，只是因為訪(fǎng)問(wèn)的方式不同。idata是用類(lèi)似C中的指針?lè )绞皆L(fǎng)問(wèn)的。

xdata：外部擴展RAM，一般指外部0x0000-0xffff空間，用DPTR訪(fǎng)問(wèn)。

pdata：外部擴展RAM的低256個(gè)字節，地址出現在A(yíng)0-A7的上時(shí)讀寫(xiě)，用movxACC，@Rx讀寫(xiě)。這個(gè)比較特殊，而且C51好象有對此BUG，建議少用。

通過(guò)以上的介紹，可以看到51單片機雖然結構簡(jiǎn)單，但是其存儲方式還是十分值得開(kāi)發(fā)者深入研究的。需要注意的是，單片機的存儲空間是相對于邏輯而言的，是由人們開(kāi)發(fā)出的獨立空間，而硬件電路上的MEMORY芯片則是現實(shí)中的概念，兩者在某些時(shí)候容易出現混淆，需要大家特別注意。