80C51存儲器與C51內(nèi)存優(yōu)化
80C51在物理結(jié)構(gòu)上有四個存儲空間：片內(nèi)程序存儲器、片外程序存儲器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器。但在邏輯上，即從用戶使用的角度上，80C51有三個存儲空間：片內(nèi)外統(tǒng)一編址的64KB的程序存儲器地址空間（用16位地址）、256B的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的地址空間（用8位地址，其中128B的專用寄存器地址空間僅有21個字節(jié)有實際意義）以及64KB片外存儲器地址空間。
1、程序存儲器
程序存儲器用于存放編好的程序和表格常數(shù)。80C51片內(nèi)有4KB ROM，片外16位地址線最多可擴展64KB ROM，兩者是統(tǒng)一編址的。如果EA端保持高電平，80C51的程序計數(shù)器PC在0000H——0FFFH范圍內(nèi)（即前4KB地址）是執(zhí)行片內(nèi)ROM的程序。當尋址范圍在1000H——FFFFH時，則從片外存儲器取指令。當EA端保持低電平時，80C51的所有取指令操作均在片外程序存儲器中進行，這時片外存儲器可以從0000H開始編址。
程序存儲器中，以下6個單元具有特殊功能。
0000H：80C51復位后，PC=0000H，即程序從0000H開始執(zhí)行指令。
0003H：外部中斷0入口。
000BH：定時器0溢出中斷入口。
0013H：外部中斷1入口。
001BH：定時器1溢出中斷入口。
0023H：串行口中斷入口。
2、數(shù)據(jù)存儲器
數(shù)據(jù)存儲器用于存放中間運算結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標志位等。80C51片內(nèi)有256B RAM，片外最多可擴充64KB RAM，構(gòu)成了兩個地址空間。
片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器為8位地址，最大可尋址256個單元，片內(nèi)低128B（及00H~7FH）的地址區(qū)域為片內(nèi)RAM，對其訪問可采用直接尋址和間接尋址的方式。高128B地址區(qū)域（即80H~FFH）為專用寄存器區(qū)，只能采用直接尋址方式。
在低128B RAM區(qū)中，00H~1FH地址為通用工作寄存器區(qū)，共分為4組，每組由8個工作寄存器（R0~R7）組成，共占用32個單元。下表為工作寄存器的地址表。每組寄存器均可選作CPU當前的工作寄存器，通過對程序狀態(tài)字PSW中RS1、RS0的設置來決定CPU當前使用哪一組。若程序中并不需要4組，那么其余的可用做一般的數(shù)據(jù)緩沖器。CPU在復位后，選中第0組工作寄存器。
組
RS1
RS0
R0
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
0
0
0
00H
01H
02H
03H
04H
05H
06H
07H
1
0
1
08H
09H
0AH
0BH
0CH
0DH
0EH
0FH
2
1
0
10H
11H
12H
13H
14H
15H
16H
17H
3
1
1
18H
19H
1AH
1BH
1CH
1DH
1EH
1FH
工作寄存器區(qū)后的16B（即20H~2FH）可用位尋址方式訪問其各個位，這128個位的位地址（位地址指的是某個二進制位的地址）為00H~7FH，它們可用做軟件標志位或用于1位（布爾）處理。
3、專用寄存器SFR
80C51有21個專用寄存器SFR，亦稱特殊功能寄存器。它們離散地分布在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的高128 B地址80H~FFH中，訪問這些專用寄存器僅允許使用直接尋址的方式。專用寄存器并未占滿80H~FFH整個地址空間，對空閑地址的操作是無意義的，若訪問到空閑地址，則讀出的是隨機數(shù)。
在21個專用寄存器中有11個專用寄存器具有位尋址能力，它們的字節(jié)地址正好能被8整除。
注意：由于SFR是離散地分布在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的高128 B地址80H~FFH中，因此，當定義的數(shù)據(jù)長度大于128 B字節(jié)時，有可能會與某些SFR的地址沖突，導致意想不到的結(jié)果，所以，應當盡量把數(shù)據(jù)控制在128 B之內(nèi)，特別是數(shù)組，如果數(shù)據(jù)量比較大，可以使用xdata，定義到外部ram中。
如：
unsigned charxdata gTagId[2500*11] _at_ 0x0000;//定義數(shù)組gTagId，此數(shù)據(jù)存放在外部ram中，規(guī)定其起始地址為0x0000。
unsigned short xdata gTagIdNum;//定義數(shù)據(jù)gTagIdNum。
注意以下定義的區(qū)別：
unsigned char * xdata pWriteTagId;//定義指針，此指針存放在外部ram中，此指針指向的數(shù)據(jù)類型為unsigned char。
unsigned char xdata *pWriteTagId;//定義指針，此指針存放在內(nèi)部ram中，此指針指向的數(shù)據(jù)存放在外部ram中，類型為unsigned char。
unsigned char xdata * xdata pWriteTagId;//定義指針，此指針存放在外部ram中，此指針指向的數(shù)據(jù)也存放在外部ram中，類型為unsigned char。
對于外部ram的使用，只要硬件把相應的引腳連接好之后，軟件不需要進行任何設置，直接使用xdata進行訪問即可。
關于對51單片機內(nèi)存的認識
對51單片機內(nèi)存的認識，很多人有誤解，最常見的是以下兩種
①超過變量128后必須使用compact模式編譯。
實際的情況是只要內(nèi)存占用量不超過256.0就可以用small模式編譯。
②128以上的某些地址為特殊寄存器使用，不能給程序用。
與PC機不同，51單片機不使用線性編址，特殊寄存器與RAM使用重復的地址，但訪問時采用不同的指令，所以并不會占用RAM空間。
由于內(nèi)存比較小，一般要進行內(nèi)存優(yōu)化，盡量提高內(nèi)存的使用效率。
以Keil C編譯器為例，small模式下未指存儲類型的變量默認為data型，即直接尋址，只能訪問低128個字節(jié)，但這128個字節(jié)也不是全為我們的程序所用，寄存器R0-R7必須映射到低RAM，要占去8個字節(jié)，如果使用寄存組切換，占用的更多。
所以可以使用data區(qū)最大為120字節(jié)，超出120個字節(jié)則必須用idata顯式的指定為間接尋址，另外堆棧至少要占用一個字節(jié)，所以極限情況下可以定義的變量可占247個字節(jié)。當然，實際應用中堆棧為一個字節(jié)肯定是不夠用的，但如果嵌套調(diào)用層數(shù)不深，有十幾個字節(jié)也夠有了。
為了驗上面的觀點，寫了個例子(測試環(huán)境為XP + Keil C 7.5)。
#define LEN 120
data unsigned chartt1[LEN];
idata unsigned char tt2[127];
void main()
{
unsigned chari, j;
for(i = 0; i < LEN; ++i )
{
j = i;
tt1[j] = 0x55;
}
}
可以計算R0-7(8) + tt1(120) + tt2(127) + SP(1)總共256個字節(jié)
keil編譯的結(jié)果如下：
Program Size: data=256.0 xdata=0 code=30
creating hex file from "./Debug/Test"...
"./Debug/Test" - 0 Error(s), 0 Warning(s).
這段代碼已經(jīng)達到了內(nèi)存分配的極限，再定義任何全局變量或?qū)?shù)組加大，編譯都會報錯107，這里要引出一個問題：為什么變量i、j不計算在內(nèi)？這是因為i、j是局部變量，編譯器會試著將其優(yōu)化到寄存器Rx或棧。問題也就在這了，如果局部變量過多或定義了局部數(shù)組，編譯器無法將其優(yōu)化，就必須使用RAM空間，雖然全局變量的分配經(jīng)過精心計算沒有超出使用范圍，仍會產(chǎn)生內(nèi)存溢出的錯誤!而編譯器是否能成功的優(yōu)化變量是根據(jù)代碼來的。
上面的代碼中，循環(huán)是臃腫的，變量j完全不必要，那么將代碼改成
unsigned char i;
unsigned char j;
for(i = 0; i < LEN; ++i )
{
tt1[i] = 0x55;
}
再編譯看看，出錯了吧!因為編譯器不知道該如何使用j，所以沒能優(yōu)化，j須占RAM空間，RAM就溢出了。(智能一點的編譯器會自動將這個無用的變量去掉，但這個不在討論之列了)。
另外，對idata的定義的變量最好放在data變量之后。
對于這一種定義：
unsigned char c1;
idata unsigned char c2;
unsigned char c3;
變量c2肯定會以間接尋址，但它有可能落在data區(qū)域，就浪費了一個可直接尋址的空間。
變量優(yōu)化一般要注意幾點：
①讓盡可能多的變量使用直接尋址，提高速度。
假如有兩個單字節(jié)的變量和一個長119的字符型數(shù)組，因為總長超過120字節(jié)，不可能都定義在data區(qū)。
按這條原則，定義的方式如下：
data unsigned char tab[119];
data unsigned char c1;
idata unsigned char c2;
但也不是絕的，如果c1, c2需要以極高的頻率訪問，而tab訪問不那么頻繁
則應該讓訪問量大的變量使用直接尋址：
data unsigned char c1;
data unsigned char c2;
idata UCHAR tab[119];
這個是要根據(jù)具體項目需求來確定的
②提高內(nèi)存的重復利用率
就是盡可能的利用局部變量，局部變量還有個好處是訪問速度比較快，由前面的例子可以看出，局部變量i, j是沒有單獨占用內(nèi)存的，子程序中使用內(nèi)存數(shù)目不大的變量盡量定義為局部變量。
③對于指針數(shù)組的定義，盡可能指明存儲類型，盡量使用無符號類型變量，一般指針需要一個額外的字節(jié)指明存儲類型，8051系列本身不支持符號數(shù)，需要外加庫來處理符號數(shù)，一是大大降低程序運行效率，二是需要額外的內(nèi)存。
④避免出現(xiàn)內(nèi)存空洞
可以通過查看編譯器輸出符號表文件(.M51)查看
對前面的代碼，M51文件中關于內(nèi)存一節(jié)如下：
* * * * * * * D A T A M E M O R Y * * * * * * *
REG 0000H 0008H ABSOLUTE "REG BANK 0"
DATA 0008H 0078H UNIT?DT?TEST
IDATA 0080H 007FH UNIT?ID?TEST
IDATA 00FFH 0001H UNIT?STACK
第一行顯示寄存器組0從地址0000H
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