AT89S51存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)

AT89S51單片機(jī)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)之一是將程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(稱為哈佛結(jié)構(gòu))，并有各自的對這兩個(gè)不同的存儲(chǔ)器空間的訪問指令。

AT89S51的存儲(chǔ)器空間可劃分為如下4類。

1.程序存儲(chǔ)器空間

單片機(jī)能夠按照一定的次序工作是由于程序存儲(chǔ)器中存放了經(jīng)調(diào)試正確的程序。程序存儲(chǔ)器可以分為片內(nèi)和片外兩部分。

AT89Ssl單片機(jī)的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器為4 KB的Flash存儲(chǔ)器，編程和擦除完全是電氣實(shí)現(xiàn)，且速度快?？墒褂猛ㄓ玫木幊唐鲗ζ渚幊蹋部稍诰€編程。

當(dāng)AT89S51片內(nèi)的4 KB的Flash存儲(chǔ)器不夠用時(shí)，用戶可在片外擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，最多可擴(kuò)展至64 KB。

2.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間分為片內(nèi)與片外兩部分。

AT89S51單片機(jī)內(nèi)部有128 B的RAM(增強(qiáng)型的52子系列為256 B)，用來存放可讀/寫的數(shù)據(jù)。

當(dāng)AT89S51的片內(nèi)RAM不夠用時(shí)，又給用戶提供了在片外可擴(kuò)展至64 KB RAM的功能。至于究竟擴(kuò)展多少RAM，則根據(jù)用戶實(shí)際需要來定。

3.特殊功能寄存器(SFR，Special Function Register)

特殊功能寄存器實(shí)際上是AT89S51片內(nèi)各功能部件的控制寄存器及狀態(tài)寄存器。SFR綜合反映了整個(gè)單片機(jī)基本系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)際的工作狀態(tài)及工作方式。

4.位地址空間

AT89S51單片機(jī)內(nèi)共有211個(gè)可尋址位，構(gòu)成了位地址空間。它們位于內(nèi)部RAM(共128位)和特殊功能寄存器區(qū)(共83位)中。

程序存儲(chǔ)器空間

程序存儲(chǔ)器是只讀存儲(chǔ)器(ROM)，用于存放程序和表格之類的固定常數(shù)。AT89S51單片機(jī)的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器為4 KB的Flash存儲(chǔ)器，地址范圍為0000H～0FFFH。AT89S51有16位地址線，可外擴(kuò)的程序存儲(chǔ)器空間最大為64KB，地址范圍為0000H～FFFFH。片內(nèi)與片外擴(kuò)展的程序存儲(chǔ)器在使用時(shí)應(yīng)注意以下問題：

(1)整個(gè)程序存儲(chǔ)器空間可以分為片內(nèi)和片外兩部分，CPU究竟是訪問片內(nèi)的還是片外的程序存儲(chǔ)器，可由EA(的反)引腳上所接的電平來確定。

EA(的反)引腳接高電平時(shí)，CPU從片內(nèi)OOOOH開始取指令，當(dāng)PC值沒有超出OFFFH(0000H～0FFFH為片內(nèi)4 KB的Flash存儲(chǔ)器的地址范圍)時(shí)，CPU只訪問片內(nèi)的Flash程序存儲(chǔ)器，當(dāng)PC值超出0FFFH會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向讀取片外程序存儲(chǔ)器空間1000H～FFFFH內(nèi)的程序。

EA(的反)引腳接地時(shí)，單片機(jī)只能執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器(地址范圍為0000H～FFFFH)中的程序。

CPU不理會(huì)片內(nèi)4 KB的Flash存儲(chǔ)器(地址范圍0000H～0FFFH)。

(2)程序存儲(chǔ)器的某些單元被固定用于各中斷源的中斷服務(wù)程序的入口地址。

64 KB程序存儲(chǔ)器空間中有5個(gè)特殊單元分別對應(yīng)于5個(gè)中斷源的中斷服務(wù)程序的人口地址，見表2-3。AT89 S51復(fù)位后，程序存儲(chǔ)器地址指針PC的內(nèi)容為OOOOH，程序從程序存儲(chǔ)器中的OOOOH地址開始執(zhí)行。一般在該單元存放一條跳轉(zhuǎn)指令，跳向主程序的入口地址。

表2-3 5個(gè)中斷源的中斷入口地址

通常在這5個(gè)中斷入口地址處都放一條跳轉(zhuǎn)指令跳向?qū)?yīng)的中斷服務(wù)子程序，而不是直接存放中斷服務(wù)子程序。這是因?yàn)閮蓚€(gè)中斷入口間隔僅有8個(gè)單元，如果這8個(gè)單元存放中斷服務(wù)子程序，往往是不夠用的，所以中斷入口地址處都放一條跳轉(zhuǎn)指令，來跳向?qū)?yīng)的中斷服務(wù)子程序。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間

該空間分為片內(nèi)與片外兩部分。

1.片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

AT89S51的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)共有128個(gè)單元，字節(jié)地址為OOH～7FH。圖2-4為AT89S51片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)。

地址為00H～1FH的32個(gè)單元是4組通用工作寄存器區(qū)，每個(gè)區(qū)包含8B的工作寄存器，編號(hào)為R7～RO。用戶可以通過指令改變特殊功能寄存器PSW中的RS1、RSO這兩位來切換當(dāng)前選擇的工作寄存器區(qū)。

地址為20H～2FH的16個(gè)單元的128位可進(jìn)行位尋址，也可以進(jìn)行字節(jié)尋址。

地址為30H～7FH的單元為用戶RAM區(qū)，只能進(jìn)行字節(jié)尋址，用于存放數(shù)據(jù)以及作為堆棧區(qū)使用。

2.片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

當(dāng)片內(nèi)128B的RAM不夠用時(shí)，需要外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，AT89S51最多可外擴(kuò)64KB的RAM。注意，片內(nèi)RAM與片外RAM兩個(gè)空間是相互獨(dú)立的，片內(nèi)RAM與片外RAM的低128B的地址是相同的，但由于使用的是不同的訪問指令，所以不會(huì)發(fā)生沖突。

特殊功能寄存器

AT89S51中的CPU對片內(nèi)各功能部件的控制是采用特殊功能寄存器集中控制方式。特殊功能寄存器(SFR)的單元地址映射在片內(nèi)RAM的80H～FFH區(qū)域中，共有26個(gè)，離散地分布在該區(qū)域中，表2-4是SFR的名稱及其分布。其中有些SFR還可以進(jìn)行位尋址，其位地址已在表2-4中列出。

表2-4 SFR的名稱及其分布

與AT89C51相比，新增加的5個(gè)SFR是：DPIL、DPIH、AUXR、AUXR1和WDTRST，已在表2-4中標(biāo)出。

從表2-4中可以發(fā)現(xiàn)，凡是可以進(jìn)行位尋址的SFR，其字節(jié)地址的末位只能是OH或8H。

另外，若讀/寫沒有定義的單元，將得到一個(gè)不確定的隨機(jī)數(shù)。

SFR塊中的累加器A和程序狀態(tài)字寄存器PSW已在前面介紹過，下面簡單介紹SFR塊中的某些SFR。

1.堆棧指針SP

堆棧指針SP的內(nèi)容指示出堆棧頂部在內(nèi)部RAM塊中的位置。它可指向內(nèi)部RAM OOH～7FH的任何單元。AT89S51的堆棧結(jié)構(gòu)屬于向上生長型的堆棧(即每向堆棧壓人1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)，SP的內(nèi)容自動(dòng)增1)。單片機(jī)復(fù)位后，SP中的內(nèi)容為07H，使得堆棧實(shí)際上從08H單元開始，考慮到08H～1FH單元分別是屬于1～3組的工作寄存器區(qū)，若在程序設(shè)計(jì)中用到這些工作寄存器區(qū)，最好在復(fù)位后且運(yùn)行程序前，把SP值改置為60H或更大的值，以避免堆棧區(qū)與工作寄存器區(qū)發(fā)生沖突。

堆棧主要是為子程序調(diào)用和中斷操作而設(shè)立的。堆棧的具體功能有兩個(gè)：保護(hù)斷點(diǎn)和現(xiàn)場保護(hù)。

(1)保護(hù)斷點(diǎn)。因?yàn)闊o論是子程序調(diào)用操作還是中斷服務(wù)子程序調(diào)用操作，最終都要返回主程序。因此，應(yīng)預(yù)先把主程序的斷點(diǎn)在堆棧中保護(hù)起來，為程序的正確返回做準(zhǔn)備。

(2)現(xiàn)場保護(hù)。在單片機(jī)執(zhí)行子程序或中斷服務(wù)子程序時(shí)，很可能要用到單片機(jī)中的一些寄存器單元，這會(huì)破壞主程序運(yùn)行時(shí)這些寄存器單元中的原有內(nèi)容。所以在執(zhí)行子程序或中斷服務(wù)程序之前，要把單片機(jī)中有關(guān)寄存器單元的內(nèi)容保存起來，送入堆棧，這就是所謂的“現(xiàn)場保護(hù)”。

堆棧的操作有兩種：一種是數(shù)據(jù)壓入(PUSH)堆棧，另一種是數(shù)據(jù)彈出(POP)堆棧。每次當(dāng)一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)壓人堆棧以后，SP自動(dòng)加1;一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)彈出堆棧后，SP自動(dòng)減1。例如，(SP)=60H，CPU執(zhí)行一條子程序調(diào)用指令或響應(yīng)中斷后，PC內(nèi)容(斷點(diǎn)地址)進(jìn)棧，PC的低8位PCL的內(nèi)容壓人到61H單元，PC的高8位PCH的內(nèi)容壓人到62H，此時(shí)，(SP)=62H。

2.寄存器B

寄存器B是為執(zhí)行乘法和除法操作設(shè)置的。在不執(zhí)行乘、除法操作的情況下，可把它當(dāng)作一個(gè)普通寄存器來使用。

乘法中，兩個(gè)乘數(shù)分別在A、B中，執(zhí)行乘法指令后，乘積存放在BA寄存器對中。B中放乘積的高8位，A中放乘積的低8位。

除法中，被除數(shù)取自A，除數(shù)取自B，商存放在A中，余數(shù)存放于B中。

3.AUXR寄存器

AUXR是輔助寄存器，其格式如圖2-5所示。

圖中：

DISALE：ALE的禁止/允許位。

DISALE=0，ALE有效，發(fā)出恒定頻率脈沖。

DISALE=1，ALE僅在CPU執(zhí)行MOVC和MOVX類指令時(shí)有效，不訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE不輸出脈沖信號(hào)。

DISRTO：禁止/允許WDT溢出時(shí)的復(fù)位輸出。

DISRTO=0，WDT溢出時(shí)，在RST引腳輸出一個(gè)高電平脈沖。

DISRTO=1，RST引腳僅為輸入腳。

WDIDLE：WDT在空閑模式下的禁止/允許位。

WDIDLE=0，WDT在空閑模式下繼續(xù)計(jì)數(shù)。

WDIDLE=1，WDT在空閑模式下暫停計(jì)數(shù)。

4.數(shù)據(jù)指針DPTRO和DPTR1

DPTRO和DPTR1是雙數(shù)據(jù)指針寄存器。為了便于訪問數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，AT89S51設(shè)置了兩個(gè)數(shù)據(jù)指針寄存器。DPTRO為AT89C51單片機(jī)原有的數(shù)據(jù)指針，DPTR1為AT89S51新增加的數(shù)據(jù)指針。AUXR1的DPS位用于選擇這兩個(gè)數(shù)據(jù)指針。當(dāng)DPS=0時(shí)，選用DPTRO;當(dāng)DPS=1時(shí)，選用DPTR1。AT89C51復(fù)位時(shí)，默認(rèn)選用DPTRO。

DPTRO(或DPTR1)是一個(gè)16位的SFR，其高位字節(jié)寄存器用DPOH(或DPIH)表示，低位字節(jié)寄存器用DPOL(或DPIL)表示。DPTRO(或DPTR1)既可以作為一個(gè)16位寄存器使用，也可以作為兩個(gè)獨(dú)立的8位寄存器DPOH(或DPIH)和DPOL(或DPIL)使用。

5.AUXR1寄存器

AUXR1是輔助寄存器，其格式如圖2-6所示。

圖中：

DPS：數(shù)據(jù)指針寄存器選擇位。

DPS=0，選擇數(shù)據(jù)指針寄存器DPTRO。

DPS=1，選擇數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR1。

6.看門狗定時(shí)器WDT

看門狗定時(shí)器WDT包含一個(gè)14位計(jì)數(shù)器和看門狗定時(shí)器復(fù)位寄存器(WDTRST)。當(dāng)CPU由于干擾，程序陷入死循環(huán)或“跑飛”狀態(tài)時(shí)，看門狗定時(shí)器WDT提供了一種使程序恢復(fù)正常運(yùn)行的有效手段。

有關(guān)WDT在抗干擾設(shè)計(jì)中的應(yīng)用以及低功耗模式下運(yùn)行的狀態(tài)，將在相應(yīng)的章節(jié)中具體介紹。

上面介紹的特殊功能寄存器除了前兩個(gè)SP和B以外，其余的均為AT89S51在AT89C51的基礎(chǔ)上新增加的SFR。

位地址空間

AT89S51在RAM和SFR中共有211個(gè)尋址位的位地址，位地址范圍為OOH～FFH，其中OOH～7FH這128位處于片內(nèi)RAM字節(jié)地址20H～2FH單元中，見表2-5。其余的83個(gè)可尋址位分布在特殊功能寄存器SFR中，見表2-6?？杀晃粚ぶ返募拇嫫饔?1個(gè)，共有位地址88個(gè)，其中5個(gè)位未用，其余83個(gè)位的位地址離散地分布于片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器區(qū)字節(jié)地址為80H～FFH的范圍內(nèi)，其最低的位地址等于其字節(jié)地址，并且其字節(jié)地址的末位都為OH或8H。

表2-5 AT89S51片內(nèi)RAM的可尋址位及其位地址

表2-6 SFR中的位地址分布

作為對AT89S51存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的總結(jié)，圖2-7給出了AT89S51中各類存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)圖。從圖2-7中可以清楚地看出AT89S51的各類存儲(chǔ)器在存儲(chǔ)器空間的位置。