单片机原理与应用：RAM数据存储器

MCS-51的数据存储器，分为片外RAM和片内RAM。片外RAM地址空间为64KB，地址范围是0000H～FFFFH。片内RAM地址空间为128B（51子系列）/256B（52子系列），地址范围是00H～7FH（51子系列）/FFH（52子系列），片内RAM与片内特殊功能寄存器SFR统一编址。图2-8为MCS-51单片机的数据存储器的编址结构。

图2-8　MCS-51单片机的数据存储器的编址结构

1.片内数据存储器（00H～7FH/FFH）

在MCS-51单片机中，尽管片内数据存储器的容量不大，但它的功能多，使用灵活。片内数据存储器除了RAM块外，还有特殊功能寄存器（SFR）块。其中对于51子系列，RAM块有128字节，编址为00 H～7FH，SFR也占128个字节，编址为80H～FFH；对于52子系列，RAM有256字节，编址为00 H～FFH，SFR也有128字节，编址为80 H～FFH。52子系列RAM的后128个字节与SFR的编址是重叠的，它们可通过间接寻址、直接寻址两种不同的寻址方式来相区分。

片内数据存储器共有128B RAM（51子系列）/256B RAM（52子系列），再加上128B SFR。片内数据存储器按功能分成4个部分：①工作寄存器组区；②位寻址区（也称位地址区）；③一般RAM区（也称数据缓冲区或通用RAM区或用户RAM区），其中还包含堆栈区；④特殊功能寄存器区。其中①～③为片内RAM区，它的内部配置情况见表2-5。

（1）工作寄存器区。工作寄存器区是指00 H～1FH区，共分4个组，每组有8个单元，共32个内部RAM单元。即寄存器0组：地址00H～07H；寄存器1组：地址08H～0FH；寄存器2组：地址10H～17H；寄存器3组：地址18 H～1FH。每个工作寄存器组都有8个寄存器，分别称为R0，R1，…，R7，如表2-6。工作寄存器常用于存放操作数中间结果等。由于它们的功能及使用不作预先规定，因此称之为通用寄存器。

表2-5　MCS-51系列单片机片内RAM的配置情况

表2-6　RS1、RS0与片内工作寄存器组的对应关系

程序运行时，只能有一个工作寄存器组作为当前（或称活动）工作寄存器组，其他各组可以作为一般的数据缓冲区使用。当前工作寄存器组的选择是由特殊功能寄存器中的程序状态字PSW的RS1（PSW.4）、RS0（PSW.3）两位决定的。可以对这两位进行编程，以选择某一工作寄存器组。单片机上电复位后，RS1=RS0=0，因此工作寄存器为0组。

（2）位地址区。位寻址区是指20 H～2FH单元，共16个单元。它有双重寻址功能，其一是位寻址区，可以进行位寻址操作，每1位都可当作软件触发器，其作用与PSW中的F0相同，由程序直接进行位处理，通常可以把各种程序状态标志、位控制变量存于位寻址区内。位寻址区的16个单元（共计128位）的每1位都有一个8位表示的位地址，位地址范围为00H～7FH，如表2-5所示；其二是位寻址的RAM单元也可以同普通RAM单元一样作为一般的数据缓冲区按字节寻址操作。

实际上，位寻址空间一部分在上述的内部RAM的20H～2FH单元内，共128位；另一部分在SFR的空间内。MCS-51具有布尔处理机功能，这个位寻址区可以构成布尔处理机的存储空间。这种位寻址能力是MCS-51的一个重要特点。

（3）一般RAM区（数据缓冲器区）。对于51子系列，30 H～7FH是一般RAM区，共80字节；对于52子系列，一般RAM区从30H～FFH单元，共80+128=208字节。另外，对于前面工作寄存器区、位寻址区中未用的单元也可作为用户RAM单元使用。

一般RAM区用于存放用户数据，只能按字节存取。通常这些单元可用于中间数据的保存，也用作堆栈的数据单元。

MCS-51单片机中，堆栈是用片内RAM的一段区域，在具体使用时应避开工作寄存器、位寻址区，一般设在30H以后的单元，如工作寄存器和位寻址区未用，也可开辟为堆栈。堆栈是个特殊的存储器，主要功能是暂时存放数据和地址，用来在子程序调用、中断服务处理等场合保护断点和现场。它的特点是先进后出、后进先出，这里的“进”与“出”是指进栈与出栈。

（4）特殊功能寄存器。特殊功能寄存器（Special Function Register，简称SFR）也称专用寄存器，它们专门用于控制、管理和监视片内算术逻辑部件ALU、并行I/O口、串行口、定时/计数器、中断系统等功能模块的工作，实际上SFR是各个功能部件的控制寄存器和状态寄存器。用户在编程时可以给其设定值，但不能移作它用。各个SFR离散地分布在高128B（80H～FFH）地址空间，与片内数据存储器RAM统一编址（注意：除了PC以外，PC是单独编址的），其中，字节地址能被8整除（即16进制地址码尾数为0或8）的单元还具有位寻址的能力。51子系列有18个特殊功能寄存器，其中3个为双字节，共占用21个字节，11个有位地址（仅83位有效）。52子系列有21个特殊寄存器，其中5个为双字节，共占用26个字节，12个有位地址（仅91位有效）。

它们的分配情况如下：①CPU专用寄存器：累加器A（E0H）、寄存器B（F0H）、程序状态寄存器PSW（D0 H）、堆栈指针SP（81 H）、数据指针DPTR（82H、83 H）；②并行接口：P0～P3（80 H、90H、A0 H、B0 H）；③串行接口：串口控制寄存器SCON（98 H）、串口数据缓冲器SBUF（99H）、电源控制寄存器PCON（87H）；④定时/计数器：方式寄存器TMOD（89 H）、控制寄存器TCON（88 H）、初值寄存器TH0、TL0（8BH、8AH）和TH1、TL1（8DH、8CH）；⑤中断系统：中断允许寄存器IE（A8H）、中断优先级寄存器IP（B8 H）；⑥定时/计数器2相关寄存器（仅52子系列有）：定时/计数器2控制寄存器T2CON（CBH）、定时/计数器2自动重装寄存器RLDL和RLDH（CAH和CBH）、定时/计数器2初值寄存器TH2和TL2（CDH和CCH）。表2-7为各种SFR的名称、符号、地址及位地址表。

表2-7　SFR地址映象

续表

注 凡标“*”的SFR仅52子系列才有；表中带有位名称或位地址的SFR可能按字节方式或位方式处理。

对SFR的几点说明：

1）21/26个可字节寻址的特殊功能寄存器是不连续地分散在内部RAM高128单元之中，共83/91个可寻址位。尽管还剩余许多空闲单元，但用户并不能使用。

2）程序计数器PC不占据RAM单元，它在物理上是独立的，因此它是不可寻址的寄存器。

3）对特殊功能寄存器只能使用直接寻址方式，书写时既可使用寄存器符号，也可使用寄存器的地址。

下面仅介绍与单片机内部的运算器ALU、控制器CU相关的SFR寄存器（专用寄存器）。与并行I/O口、串行口、定时/计数器、中断系统等功能模块相关的SFR寄存器将在后面章节中介绍。

1）程序计数器（PC）。我们已经知道程序计数器（Program Counter，简称PC）是一个16位的计数器，它的作用是控制程序的执行顺序。其内容为将要执行指令的地址，寻址范围达64KB。程序计数器PC有自动加“1”的功能，从而实现程序的顺序执行。注意：PC虽然属于SFR的一部分，但它是单独编址的，它没有与21/26个SFR一起统一编址，也就是说它没有8位SFR地址，它是不可寻址的，因此用户无法对它进行读写，但可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以实现程序的转移。单片机中这样设计PC的地址的目的主要是防止用户随意篡改PC值，以及防止现场干扰信号改变PC值，从而使程序跳转“跑飞”到非用户程序设计的地方。

2）累加器（ACC）。累加器（Accumulator，简称ACC或A）是CPU内部特有的8位寄存器。它的字节地址为E0 H，其位地址为E0 H～E7H。常用于存放参加算术或逻辑运算的两个操作数中的一个及运算结果，即用于存放目的操作数，例如：

该指令的含义是以累加器A内容作为被加数，与存放在内部RAM的20H单元中内容相加，相加后的结果，再存放到累加器A中。

3）寄存器B。寄存器B也是CPU内特有的一个8位寄存器，它的字节地址为F0H，其位地址为F0 H～F7H。它主要用于乘法和除法运算。在乘法运算中，被乘数放在累加器A中，乘数放在寄存器B中，运算后，积的高8位存放寄存器B中，积的低8位放在累加器A中。例如：

在除法运算中，被除数放在累加器A中，除数放在寄存器B中。运算后，商放在累加器A中，而余数放在寄存器B中。

4）程序状态字寄存器（PSW）。程序状态字寄存器（Program Status Word register，简称PSW）是一个8位的特殊寄存器，它的字节地址为D0 H，其位地址为D0 H～D7 H。程序状态字寄存器也称为“标志寄存器”，它由一些标志位组成，用于存放ALU运算结果的特征和处理状态，以供程序查询和判别。PSW中有些位的状态是根据程序执行结果，由硬件自动设置的，而有些位的状态则使用软件方法设定。PSW的位状态可以用专门指令进行测试，也可以用指令读出。一些条件转移指令将根据PSW某些位的状态，进行程序转移。PSW中各位的具体定义见表2-2和表2-3。

5）堆栈指针（SP）。堆栈指针（Stack Pointer，简称SP）是一个8位寄存器，它的字节地址为81 H，无位地址。它用于存放栈顶地址。每存入（或取出）一个字节的数据，SP就自动加1（或减1）。SP始终指向新的栈顶。

堆栈指针操作是在内存RAM区中专门开辟出来的、按照“先进后出，后进先出（Last In First Out，简称LIFO）”的原则进行数据存取的一种工作方式。堆栈有栈顶和栈底，其中，由于栈底固定不变，不需要设置指针；而栈顶为最后推入堆栈的数据所在的存储单元，由于栈顶是随堆栈中数据的变化而浮动变化，需要采用堆栈指针SP来指示栈顶所处的位置。当堆栈中没有数据时，栈顶与栈底两者是重叠的，SP指向堆栈的最下端（即栈底）；而当向堆栈推入数据后，栈顶向上生长（即地址增加），SP也向上生长。在进行堆栈操作之前，先用指令给SP赋值，以规定栈区在RAM区的起始地址（即栈底）。当数据推入栈区后，SP的值也自动随之变化。

堆栈操作有两种方式：一种是指令方式，采用堆栈操作指令进行“进栈/出栈”操作；另一种是自动方式，在调用子程序或产生中断时，返回地址（主程序的下一条指令地址，简称断点地址或断点）自动进栈；程序返回时，断点地址再自动弹回PC。自动方式是硬件自动完成的，此方式在完成子程序嵌套和多重中断处理中是必不可少的。为保证逐级正确返回，进入栈区的“断点”数据应遵循“先进后出，后进先出”的原则。

在MCS-51单片机中，SP可以指向内部RAM中任一单元，且堆栈向上生长（注意，8086CPU中的堆栈是向下生长的），即将数据压入堆栈后，SP寄存器内容增大。假设SP当前值为2FH，则入栈指令“PUSH B”将寄存器B内容压入堆栈的执行过程如图2-9所示。出栈指令“POP B”指令的执行过程如图2-10所示。

图2-9　PUSH B指令的执行过程

图2-10　POP B指令的执行过程

数据入栈的操作过程为：先将SP加1，即（SP）←（SP）+1，然后将要入栈的数据存放在SP指定的存储单元中。而将数据从堆栈中弹出时，先将SP寄存器指定的存储单元内容传送到POP指令给定的寄存器或内部RAM单元中，然后SP减1，即（SP）←（SP）-1。可以看出堆栈的底部是固定的，而堆栈的顶部则随着数据入栈和出栈而上下浮动。

MCS-51系统复位后，SP寄存器被初始化为07H，当有数据进入堆栈时，将从08 H单元开始存放，这一般是不允许的，因为08 H～1FH属于工作寄存器区1～区3（注意：工作寄存器区0的地址为00H～07H），不宜占用；20H～2FH是位地址区，也需要部分或全部保留。因此，必须通过数据传送指令重新设置SP的初值，将堆栈底部设在30 H～7FH（51子系列）/FFH（52子系列）之间，例如：MOV SP，#60H，即将堆栈指针设在60H单元。

SP的内容一经确定，堆栈的位置也就跟着确定下来，由于SP可初始化为不同值，因此堆栈位置是浮动的。CPU内30H～7FH/FFH单元既可以作为堆栈区，同时也是用户数据存储区。由于单元数量有限，必须充分利用，因此应认真考虑将堆栈底部设在何处。随着入栈数据的增多，当SP超出7FH（51子系列）或FFH（52子系列）时发生上溢，这将出现不可预料的后果。因此，在设置SP初值时，必须考虑堆栈最大深度。子程序或中断嵌套层数越多，所需的堆栈深度就越大。为了避免堆栈顶部进入用户的数据存储区而造成混乱，一般将堆栈设在用户的数据存储区之上。

若在某一51子系列的应用系统中，需要32个字节作为用户数据存储区（如30H～4FH），则初始化时将堆栈底部设在50 H（指令为MOV SP，#4FH，即将SP初值为4FH），即堆栈深度最多为48个字节（50 H～7FH）。对于具有高128字节的52子系列来说，最好将堆栈区设在80 H～FFH之间的高128字节内部RAM中，而将具有直接寻址功能的低128字节内部RAM作为用户数据存储区，以便可用多种寻址方式存取用户数据。例如，预计某系统所需最大堆栈深度为32字节，可通过如下指令将栈底设在0E0H处（指令为MOV SP，#0DFH，即将SP初值为0DFH）。

6）数据指针DPTR。数据指针（Data Poin Ter Register，简称DPTR）是一个16位的专用寄存器，由数据指针高8位DPH和数据指针低8位DPL组成，它们的字节地址为82 H和83H，它们无位地址。编程时，DPTR既可以按16位寄存器使用，也可以按两个8位寄存器分开使用。DPTR通常在访问外部RAM时作地址指针使用。由于外部RAM的寻址范围为64KB，故把DPTR设计为16位。由于DPTR是16位的寄存器，因此通过DPTR寄存器间接寻址方式可以访问0000H～FFFFH全部64KB的外部数据存储器空间。(www.xing528.com)

例如，可用如下指令将累加器A内容传送到外部RAM的1000 H单元中。

MOV DPTR，#1000H ；将外部RAM地址1000H以立即数寻址方式传送到DPTR寄存器

MOVX@DPTR，A　；将累加器A的内容传送到DPTR寄存器内容所指定的外部RAM

DPTR也可以指向程序存储器ROM，此时用来指向ROM中的固定表格的某一单元。

如果仅需改变外部RAM的低8位地址，高8位地址不变，也可采用R0或R1作为外部RAM间接寻址的数据指针。

（5）单片机RAM的数据传送及寻址方式。

1）128B的内部RAM存储器（00H～7FH）。对于低128B的内部RAM存储器（00H～7FH），可以通过直接寻址方式或寄存器间接寻址方式读写，例如：

MOV 30H，#45H ；直接寻址方式

MOV@R0，#45H　；寄存器间接寻址方式

上面的第1条指令将立即数45H写入内部数据存储器地址为30H的单元中。所谓直接寻址，就是在指令中直接给出了内部RAM单元的地址编码。

上面的第2条指令将立即数45H写入由R0寄存器内容指定的内部RAM单元中。如果该指令执行前，R0的内容为30H，则上述两条指令执行后，效果相同。所谓寄存器间接寻址，就是将内部RAM的地址存放在寄存器R0或R1中。

2）21/26个特殊功能寄存器SFR。对于特殊功能寄存器只能使用直接寻址方式访问，例如：

MOV 0E0H，#45H ；直接给出累加器ACC的地址（即为0E0H），也可把此指令中0E0H改为A

MOV 90H，#0FFH　；直接给出P1口的地址（即为90H），也可把此指令中90H改为P1

由于每一个特殊功能寄存器均有一个与之相应的寄存器名，因此在指令中最好直接引用特殊功能寄存器名，如上例中用A、P1取代对应的特殊功能寄存器地址。

其实，对于特殊功能寄存器来说，用直接地址和寄存器名寻址没有区别，指令汇编时，将自动通过查表方式将寄存器名换成直接地址。

3）高128字节内部RAM存储器（80 H～FFH）。对于具有256字节内部RAM的52子系列单片机来说，高128字节内部RAM地址空间与特殊功能寄存器SFR的地址重叠，读写时需要通过不同的寻址方式加以区别。一般规定用寄存器间接寻址方式访问高128字节（80H～FFH）的内部RAM；用直接寻址方式访问特殊功能寄存器。如在52子系列单片机中，“MOV 0E0 H，#45 H”指令的含义是将立即数45 H写入累加器A中，与“MOV A，#45H”含义相同，而不是把立即数45 H写入内部RAM的0E0 H单元中。将立即数45 H传送到内部RAM的0E0H单元中只能通过如下指令进行：

MOV R0，#0E0H　；将内部RAM地址0E0 H写入R0寄存器中

MOV@R0，#45H　；高128字节内部RAM只能通过寄存器间接寻址访问

4）位寻址区。MCS-51系列单片机既是8位机，同时也是一个功能完善的1位机。作为1位机时，它有自己的CPU、位存储区（位于内部RAM的20H～2FH单元）、位寄存器（如将进位标志CY作为“位累加器”）以及具有完整的位操作指令（包括置1、清零、非（取反）、与、或、传送、测试转移等）。

对于位存储器（即20H～2FH单元中的128个位），只能采用直接位寻址方式确定操作数所在的存储单元，如：

MOV C，20H ；位传送指令，将位地址20H单元内容传送到位累加器C中，注意：位指令中，CY被简写为C

CLR 20H　；位清零指令，即将位地址20H单元清零

SETB 20H　；位置1指令，即将位地址20H单元置1

CPL 20H　；位取反操作，即将位地址20H单元内容取反

ORL C，20H　；位或运算，20H位单元与位累加器C相或结果存放在位累加器C中

ANL C，20H　；位与运算，20H位单元与位累加器C相与结果存放在位累加器C中

对于具有位地址的特殊功能寄存器中的位，除了使用位地址寻址外，还可以使用“位定义名”或“寄存器名.位”表示，作用完全等效。如将程序状态字寄存器PSW中的D3位置0，可以用：

CLR D3H　；位地址方式

CLR RS0　；位定义名方式

CLR PSW.3　；“寄存器名.位”方式

2.片外数据存储器（0000H～FFFFH）

MCS-51单片机片内有128字节（51子系列）或256字节（52子系列）的RAM，当这些RAM不够时，可在外部扩展外部RAM，片外RAM一般由静态RAM（SRAM）构成，其容量大小由用户根据需要而定，扩展的外部RAM最多64KB，地址范围为0000 H～FFFFH，通过DPTR作指针间接寻址方式访问。对于高8位地址不变，而低8位地址变化的256字节（也称低端的256字节），低8位的地址范围为00H～0FFH，此时可通过R0和R1间接寻址方式访问，而高8位地址可直接送入到P2口即可。

另外，外部RAM和扩展的外部设备（I/O端口）是统一编址的，所有的外扩I/O口要占用64KB中的地址单元，它们用访问片外数据存储器RAM的方法访问。

实际上，MCS-51单片机的内部RAM与内部I/O端口（即SFR）是采用统一编址的，外部RAM与外部I/O端口也是采用统一编址的。需要说明的是：

（1）64KB程序存储器ROM和64KB片外数据存储器RAM的地址空间都为0000 H～FFFFH，它们的地址空间是完全重叠的，那么它们是如何区分的呢？

MCS-51单片机是通过不同的信号来对片外RAM和ROM进行读、写的，片外RAM的读、写通过信号来控制，而ROM的读通过PSEN信号控制，通过用不同的指令来实现，片外RAM用MOVX指令，ROM用MOVC指令。

（2）片内RAM和片外RAM的低256字节的地址空间是重叠的，它们又是如何区分呢？

片内RAM和片外RAM的低256字节通过不同的指令访问，片内RAM用MOV指令，片外RAM用MOVX指令。因此在访问时不会产生混乱。