单片机片内RAM数据存储器设计技术

数据存储器用来存放运算的中间结果、标志位以及数据的暂存和缓冲。AT89S51单片机的片内数据存储器共有256个数据存储单元，即256B，地址范围为00H～FFH。按其功能可分为两个区：00H～7FH单元组成的低128B的内部数据RAM区和80H～FFH单元组成的高128B的特殊功能寄存器（SFR）区。

1.片内RAM低128B数据存储区

片内RAM中低128B空间可以分成3个区：工作寄存器区、位寻址区及数据缓冲区，片内数据存储器的配置如图1-9所示。

（1）工作寄存器区（00H～1FH）。

寄存器常用于存放操作数及中间结果等，由于它们的功能及使用不做预先规定，因此称为通用寄存器，也叫工作寄存器。工作寄存器区共包含32个单元，地址范围为00H～1FH。这32个单元被平均分成4组，每组包含8个寄存器。4组工作寄存器的组别号分别为0组、1组、2组和3组。每个寄存器均为8位，在同一组内，各个寄存器都以R0～R7作为寄存单元编号。

在任一时刻，CPU只能使用其中的一组寄存器，并且把正在使用的那组寄存器称为当前寄存器组。到底哪一组寄存器是当前寄存器，需要由程序状态字寄存器PSW中RS0和RS1两位的状态组合来决定。其中，RS0是PSW的第3位（PSW.3）的位名称，RS1是PSW中的第4位（PSW.4）的位名称。RS0与RS1的状态与工作寄存器及RAM地址的对应关系见表1-4。如果不对工作寄存器组别进行选择，则系统默认当前工作寄存器为0组工作寄存器。

工作寄存器为CPU提供了就近数据存储的便利，有利于提高单片机的运算速度。此外，使用工作寄存器还能提高程序编制的灵活性，因此在单片机的应用编程中应充分利用这些寄存器，以简化程序设计，提高程序运行的速度。

表1-4　工作寄存器区的选择与地址对照表

（2）位寻址区（20H～2FH）。

内部RAM的20H～2FH单元，既可作为一般RAM单元使用，进行字节操作，也可以对单元中每一位进行位操作，因此把该区称为位寻址区。位寻址区共有16个单元，每个单元8位，共计16×8＝128位，位地址为00H～7FH。表1-5为位寻址区的位地址分配表。

表1-5　位寻址区的位地址分配表

在单片机的一般RAM单元只有字节地址，操作时只能8位整体操作，不能按位单独操作。只有位寻址区的各个单元不但有字节地址，而且字节中的每个位都有位地址，所以CPU能直接操作这些位，执行如置“1”、清“0”、求“反”、转移、传送和逻辑运算等操作。我们常称单片机具有布尔处理功能，布尔处理的存储空间指的就是这些位寻址区，当然可位寻址单元除了此区间外，AT89S51在特殊功能寄存器区还离散地分布了83位。

特别需要注意的是，位地址00H～7FH与片内RAM字节地址00H～7FH编址相同，且均由16进制表示，但是CPU不会搞错，因为单片机的指令系统有位操作指令和字节操作指令之分，在位操作指令中的地址是位地址，在字节操作指令中的地址则是字节地址。

（3）数据缓冲区（30H～7FH）。

片内RAM中地址为30H～7FH的80个单元是数据缓冲区，它们用于存放各种数据、中间结果和作堆栈区使用，该区域没有什么特别限制。

2.特殊功能寄存器区（SFR）

内部RAM的高128单元是供给专用寄存器使用的，其单元地址为80H～FFH，每个单元8位。因这些寄存器的功能已作专门规定，故称之为专用寄存器或特殊功能寄存器（Special Function Register，简称为SFR）。特殊功能寄存器一般用于存放相应功能部件的控制命令、状态和数据。它可以反映单片机的运行状态，系统很多功能也是通过特殊功能寄存器来定义和控制程序执行的。AT89S51单片机有21个特殊功能寄存器，每个特殊功能寄存器占有一个RAM单元，它们被离散地分布在片内RAM的80H～FFH地址中，不为SFR占用的RAM单元实际上并不存在，访问它们也是没有意义的。表1-6是特殊功能寄存器分布一览表。

在SFR中，可以位寻址的寄存器有11个，共有位地址88个，其中5个未用，其余83个位地址离散地分布于80H～FFH范围内。在表1-6中带*的特殊功能寄存器是可以位寻址的，它们的字节地址均可被8整除。

在21个SFR中，地址的表示方法有两种：一种是使用物理地址，如累加器A用E0H、B寄存器用F0H、RS0（PSW.3）用D3H等；另一种是采用表1-6中的寄存器标号，如累加器A用ACC、B寄存器用B、PSW.3用RS0等。这两种表示方法中，采用后一种方法比较普遍，因为它们比较容易为人们所记忆。下面对其主要的寄存器作一些简单的介绍，其余部分将在后续章节中叙述。

表1-6　特殊功能寄存器一览表和SFR中的位地址分布情况表（*表示可以位寻址）

续表

（1）累加器ACC。

累加器ACC为8位寄存器，简称A，是最常用的特殊功能寄存器，功能较多，地位很重要。大部分单操作指令的一个操作数取自累加器，很多双操作数指令中的一个操作数也取自累加器。加、减、乘、除法运算的指令，运算结果都存放于累加器A或寄存器B中。大部分的数据操作都会通过累加器A进行，它像一个数据运输中转站，在数据传送过程中，任何两个不能直接实现数据传送的单元之间，通过累加器A中转，都能送达目的地。

（2）寄存器B。(www.xing528.com)

专用于乘、除指令。也可作为普通RAM单元使用。

（3）程序状态字PSW。

PSW为8位寄存器，地址为D0H，可位寻址，存放运算结果的一些特征。每位的含义如表1-7所示。

表1-7　PSW标志位定义

·CY：进位标志，简称为C。表示最近一次操作结果最高位有进位或借位时，由硬件置位；该位也可由软件置位或清除；在布尔处理机中该位还可以作为位累加器使用。

·AC：辅助进位标志。反映两个8位数运算时低4位有没有半进位，即低4位相加（减）有否进（借）位；也可以用于BCD码调整时的判断位，该位可由软件置位或清“0”。

·F0：用户软件标志。提供给用户定义的一个状态标志，可用软件置位或清“0”，控制程序的流向。

·RS1和RS0：工作寄存器区选择控制位，可由软件设置。

·OV：溢出标志。运算结果超出8位二进制（带符号）数所能表示的范围（即在-128～＋127之外）时，硬件将该位置“1”；否则清“0”。

·F1：用户软件标志。提供给用户定义的一个状态标志，可用软件置位或清“0”，控制程序的流向。

·P：奇偶标志。若累加器A中的1的个数是奇数，则P置“1”。

（4）数据指针DPTR。

它是16位的特殊功能寄存器，由DPH（83H）、DPL（82H）两个8位寄存器组成，当CPU访问外部RAM时，DPTR作间接地址寄存器用；当CPU访问外部ROM时，DPTR作基址寄存器用。

（5）端口P0～P3。

它是I／O端口的锁存器。系统复位后，P0～P3口为FFH，是4个I／O并行端口映射入SFR中的寄存器。

（6）堆栈指针SP。

SP为8位专用寄存器，它指出堆栈顶部在片内RAM中的位置。下面详细介绍单片机的堆栈。

①堆栈的作用。

堆栈的设置主要是用来解决多级中断、子程序调用等问题，可以用来保护现场，寄存中间结果，并为主、子程序的转换提供有力的依托。

②堆栈的特点。

堆栈区是在内部RAM中开辟的一块数据存储区，原则上可以设在RAM区的00H～7FH，但通常设在数据缓冲区即30H～7FH。该区一端固定，一端活动，活动端被称为栈顶，固定端被称为栈底。且数据只允许从活动端进出。数据存取遵循“先进后出”的原则，且设计为向上生成式（即从低地址向高地址增加），即随着数据不断被送入堆栈，栈顶地址不断增大，堆栈最深128B。

③堆栈的确定。

堆栈存储器的位置是由SP给定的。SP堆栈指针寄存器内所装的数据永远是栈顶地址，即栈顶是随着SP的变化而变化的。但是若堆栈中空无数据时，栈顶和栈底重合，即此时SP中是栈底地址。堆栈中存放的数据越多，栈顶地址比栈底地址也大得越多。SP的内容一旦确定，就意味着栈顶的确定。SP总是指向栈顶中最上面的那个数据。系统复位后，SP的初始值为07H，使得堆栈实际上是从08H开始的。但我们从RAM的结构分布中可知，08H～1FH隶属工作寄存器区1～3，若编程时需要用到这些数据单元，必须对堆栈指针SP进行初始化，以防使用的工作寄存器与堆栈区冲突。

④堆栈的操作。

将一个字节压入堆栈称作进栈，将一个字节从栈顶弹出称为出栈。堆栈的操作有两种方法：第一种是自动方式，即在中断服务程序响应或子程序调用时，返回地址自动进栈。当需要返回执行主程序时，返回的地址自动交给PC，以保证程序从断点处继续执行，这种方式是不需要编程人员干预的。第二种是人工指令方式，使用专有的堆栈操作指令进行进出栈操作。