工作後才理解的那些51單片機存儲原理

2021-01-12 電子產品世界

對於電子設計類的學生來說，其實在學校很難通過實例來理解51單片機的存儲原理。因為學校的課程很少用到外擴ROM/RAM，大多會採用C語言來進行語言編程。很多人是在工作後才實際接觸到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單片機是如何實現存儲數據的。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201808/386142.htm

MCS-51使用哈弗結構，它的程序空間和數據空間是分開編址的，即各自有各自的地址空間，互不重疊。所以即使地址一樣，但因為分開編址，所以依然要說哪一個空間內的某地址。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併且連續的，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佔據不同的地址塊，各自為政。

對於51單片機的程序存儲器，有片內和片外兩部分。而且無論片內程序存儲器，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。可外部ROM的0x0000-0x0FFF的這一部分是否被使用呢?這取決於單片機EA引腳的電平值。EA=1時就是使用內部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段讀取數據要使用彙編的MOVC指令，單片機會根據MOVC指令、EA狀態、要讀取的地址值，來自動地判斷從什麼存儲器裡取數據。

對於數據存儲器，則分為內部數據存儲器(IDATA/RAM)和外部數據存儲器(XDATA)兩個部分，但這兩個存儲器就不像code存儲器那樣共享地址空間的了。一般的8051晶片，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。對於8052來說，內部RAM有256B，所以0x80-0xFF是高128B的RAM在使用。可這部分不是SFR專用的嗎?是SFR專用，但注意，SFR的訪問只能使用「直接尋址方式」(使用特定的彙編指令來實現)，區別就在這裡。只有通過直接尋址訪問的地址才是SFR，否則就是普通的RAM。至於外擴的RAM(XDATA)，地址也是從0x0000-0xFFFF的，而且這裡的0x0000和內部RAM的0x00是不同的，是完全獨立的兩個空間。他們的訪問方法也是不同的。MCS-51使用MOVX指令，來讀寫XDATA區。而且，訪問XDATA區，是需要DPTR寄存器來輔助的。因為只有DPTR才能裝得下十六位的XDATA地址。

所以MCS-51讀寫IDATA區的速度是最快的，而且訪問方法也是最多的。訪問XDATA區的速度相對就要慢很多。MCS-51的堆棧要優先開闢在IDATA區中，並且在IDATA區中開闢的堆棧，可以使用棧指針寄存器SP來控制。如果棧實在太大，只能開闢在XDATA區中，那麼CPU的SP寄存器就很難借力，只能由開發者來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)，那麼實際上可以為了省事/方便改寫程序等原因，外部的CODE和DATA就可以共用一個可擦寫存儲器了(比如各種RAM什麼可擦可寫的)。

比如系統有64K的外擴MEMORY，低32K我用作保存CODE，並讓單片機在這32K之中讀取程序運行，高32K時作為用戶數據的保存處是完全可以的。只是此時本來完全獨立的CODE和DATA空間，因為在硬體晶片上共用了一個MEMORY，所以他們之間可能互相影響，程序就能自己改寫程序。比如0x0020處是一個指令，通過MOVX把0x0020處改寫，那麼再利用MOVC把0x0020處讀取出來，數據就和原來不一樣了。

容易混淆的癥結在於，單片機存儲空間是一個邏輯上的概念，是人為劃分出來的兩個相互獨立的空間。而硬體電路上的MEMORY晶片則是現實中的概念，單片機的存儲空間最終會落實在電路層面的晶片上，所以邏輯上的存儲空間會因為物理上的電路連接而發生重疊。但是在邏輯層面上，這兩個空間還是完全獨立的。

各類存儲空間名稱的定義：

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

idata：固定指前面0x00-0xff的256個RAM，其中前128和data的128完全相同，只是因為訪問的方式不同。idata是用類似C中的指針方式訪問的。

xdata：外部擴展RAM，一般指外部0x0000-0xffff空間，用DPTR訪問。

pdata：外部擴展RAM的低256個字節，地址出現在A0-A7的上時讀寫，用movxACC，@Rx讀寫。這個比較特殊，而且C51好象有對此BUG，建議少用。

通過以上的介紹，可以看到51單片機雖然結構簡單，但是其存儲方式還是十分值得開發者深入研究的。需要注意的是，單片機的存儲空間是相對於邏輯而言的，是由人們開發出的獨立空間，而硬體電路上的MEMORY晶片則是現實中的概念，兩者在某些時候容易出現混淆，需要大家特別注意。


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