80C51存儲(chǔ)器與C51內(nèi)存優(yōu)化

80C51在物理結(jié)構(gòu)上有四個(gè)存儲(chǔ)空間：片內(nèi)程序存儲(chǔ)器、片外程序存儲(chǔ)器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。但在邏輯上，即從用戶使用的角度上，80C51有三個(gè)存儲(chǔ)空間：片內(nèi)外統(tǒng)一編址的64KB的程序存儲(chǔ)器地址空間（用16位地址）、256B的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)字節(jié)有實(shí)際意義）以及64KB片外存儲(chǔ)器地址空間。

1、程序存儲(chǔ)器

程序存儲(chǔ)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(kuò)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(jì)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(dāng)尋址范圍在1000H——FFFFH時(shí)，則從片外存儲(chǔ)器取指令。當(dāng)EA端保持低電平時(shí)，80C51的所有取指令操作均在片外程序存儲(chǔ)器中進(jìn)行，這時(shí)片外存儲(chǔ)器可以從0000H開(kāi)始編址。

程序存儲(chǔ)器中，以下6個(gè)單元具有特殊功能。

0000H：80C51復(fù)位后，PC=0000H，即程序從0000H開(kāi)始執(zhí)行指令。

0003H：外部中斷0入口。

000BH：定時(shí)器0溢出中斷入口。

0013H：外部中斷1入口。

001BH：定時(shí)器1溢出中斷入口。

0023H：串行口中斷入口。

2、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于存放中間運(yùn)算結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等。80C51片內(nèi)有256B RAM，片外最多可擴(kuò)充64KB RAM，構(gòu)成了兩個(gè)地址空間。

片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為8位地址，最大可尋址256個(gè)單元，片內(nèi)低128B（及00H~7FH）的地址區(qū)域?yàn)槠瑑?nèi)RAM，對(duì)其訪問(wèn)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(gè)工作寄存器（R0~R7）組成，共占用32個(gè)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(dāng)前的工作寄存器，通過(guò)對(duì)程序狀態(tài)字PSW中RS1、RS0的設(shè)置來(lái)決定CPU當(dāng)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(fù)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(wèn)其各個(gè)位，這128個(gè)位的位地址（位地址指的是某個(gè)二進(jìn)制位的地址）為00H~7FH，它們可用做軟件標(biāo)志位或用于1位（布爾）處理。

3、專用寄存器SFR

80C51有21個(gè)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(chǔ)器的高128 B地址80H~FFH中，訪問(wèn)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(gè)地址空間，對(duì)空閑地址的操作是無(wú)意義的，若訪問(wèn)到空閑地址，則讀出的是隨機(jī)數(shù)。

在21個(gè)專用寄存器中有11個(gè)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(chǔ)器的高128 B地址80H~FFH中，因此，當(dāng)定義的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大于128 B字節(jié)時(shí)，有可能會(huì)與某些SFR的地址沖突，導(dǎo)致意想不到的結(jié)果，所以，應(yīng)當(dāng)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(duì)于外部ram的使用，只要硬件把相應(yīng)的引腳連接好之后，軟件不需要進(jìn)行任何設(shè)置，直接使用xdata進(jìn)行訪問(wèn)即可。

關(guān)于對(duì)51單片機(jī)內(nèi)存的認(rèn)識(shí)

對(duì)51單片機(jī)內(nèi)存的認(rèn)識(shí)，很多人有誤解，最常見(jiàn)的是以下兩種

①超過(guò)變量128后必須使用compact模式編譯。

實(shí)際的情況是只要內(nèi)存占用量不超過(guò)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(jī)不同，51單片機(jī)不使用線性編址，特殊寄存器與RAM使用重復(fù)的地址，但訪問(wèn)時(shí)采用不同的指令，所以并不會(huì)占用RAM空間。

由于內(nèi)存比較小，一般要進(jìn)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(chǔ)類型的變量默認(rèn)為data型，即直接尋址，只能訪問(wèn)低128個(gè)字節(jié)，但這128個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)字節(jié)，所以極限情況下可以定義的變量可占247個(gè)字節(jié)。當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用中堆棧為一個(gè)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(gè)字節(jié)也夠有了。

為了驗(yàn)上面的觀點(diǎn)，寫了個(gè)例子(測(cè)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(jì)算R0-7(8) + tt1(120) + tt2(127) + SP(1)總共256個(gè)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(dá)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(huì)報(bào)錯(cuò)107，這里要引出一個(gè)問(wèn)題：為什么變量i、j不計(jì)算在內(nèi)？這是因?yàn)閕、j是局部變量，編譯器會(huì)試著將其優(yōu)化到寄存器Rx或棧。問(wèn)題也就在這了，如果局部變量過(guò)多或定義了局部數(shù)組，編譯器無(wú)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(guò)精心計(jì)算沒(méi)有超出使用范圍，仍會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存溢出的錯(cuò)誤!而編譯器是否能成功的優(yōu)化變量是根據(jù)代碼來(lái)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(cuò)了吧!因?yàn)榫幾g器不知道該如何使用j，所以沒(méi)能優(yōu)化，j須占RAM空間，RAM就溢出了。(智能一點(diǎn)的編譯器會(huì)自動(dòng)將這個(gè)無(wú)用的變量去掉，但這個(gè)不在討論之列了)。

另外，對(duì)idata的定義的變量最好放在data變量之后。

對(duì)于這一種定義：

unsigned char c1;
idata unsigned char c2;
unsigned char c3;
變量c2肯定會(huì)以間接尋址，但它有可能落在data區(qū)域，就浪費(fèi)了一個(gè)可直接尋址的空間。

變量?jī)?yōu)化一般要注意幾點(diǎn)：

①讓盡可能多的變量使用直接尋址，提高速度。
假如有兩個(gè)單字節(jié)的變量和一個(gè)長(zhǎng)119的字符型數(shù)組，因?yàn)榭傞L(zhǎng)超過(guò)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(wèn)，而tab訪問(wèn)不那么頻繁
則應(yīng)該讓訪問(wèn)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(gè)是要根據(jù)具體項(xiàng)目需求來(lái)確定的

②提高內(nèi)存的重復(fù)利用率
就是盡可能的利用局部變量，局部變量還有個(gè)好處是訪問(wèn)速度比較快，由前面的例子可以看出，局部變量i, j是沒(méi)有單獨(dú)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(duì)于指針數(shù)組的定義，盡可能指明存儲(chǔ)類型，盡量使用無(wú)符號(hào)類型變量，一般指針需要一個(gè)額外的字節(jié)指明存儲(chǔ)類型，8051系列本身不支持符號(hào)數(shù)，需要外加庫(kù)來(lái)處理符號(hào)數(shù)，一是大大降低程序運(yùn)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(guò)查看編譯器輸出符號(hào)表文件(.M51)查看
對(duì)前面的代碼，M51文件中關(guān)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