51单片机的存储原理



对于电子设计类的学生来说，其实在学校很难通过实例来理解51单片机的存储原理。因为学校的课程很少用到外扩ROM/RAM，大多会采用C语言来进行语言编程。很多人是在工作后才实际接触到51单片机的IP核，才对存储原理以及数据空间有了较为清晰的认识。在本文当中，小编就将为大家介绍51单片机是如何实现存储数据的。
    MCS-51使用哈弗结构，它的程序空间和数据空间是分开编址的，即各自有各自的地址空间，互不重叠。所以即使地址一样，但因为分开编址，所以依然要说哪一个空间内的某地址。而ARM（甚至是x86）这种冯诺依曼结构的MCU/CPU，它的地址空间是统一并且连续的，代码存储器/RAM/CPU寄存器，甚至PC机的显存，都是统一编址的，只是不同功能的存储器占据不同的地址块，各自为政。
    对于51单片机的程序存储器，有片内和片外两部分。而且无论片内程序存储器，还是片外程序存储器，他们的地址是共享的。如果片内为4kROM，地址就是0x0000-0x0FFF，从0x1000-0xFFFF就是外部ROM的地址空间。可外部ROM的0x0000-0x0FFF的这一部分是否被使用呢？这取决于单片机EA引脚的电平值。EA=1时就是使用内部ROM的这一部分，外部ROM的这一部分浪费不用；EA=0时就是使用外部ROM的这一部分，内部ROM浪费不用。从CODE段读取数据要使用汇编的MOVC指令，单片机会根据MOVC指令、EA状态、要读取的地址值，来自动地判断从什么存储器里取数据。
    对于数据存储器，则分为内部数据存储器（IDATA/RAM）和外部数据存储器（XDATA）两个部分，但这两个存储器就不像code存储器那样共享地址空间的了。一般的8051芯片，内部RAM只有128B，从0x00-0x7F，而从0x80-0xFF则是SFR（CPU工作寄存器和各种外设寄存器都在此）的区域。对于8052来说，内部RAM有256B，所以0x80-0xFF是高128B的RAM在使用。可这部分不是SFR专用的吗?是SFR专用，但注意，SFR的访问只能使用“直接寻址方式”（使用特定的汇编指令来实现），区别就在这里。只有通过直接寻址访问的地址才是SFR，否则就是普通的RAM。至于外扩的RAM（XDATA），地址也是从0x0000-0xFFFF的，而且这里的0x0000和内部RAM的0x00是不同的，是完全独立的两个空间。他们的访问方法也是不同的。MCS-51使用MOVX指令，来读写XDATA区。而且，访问XDATA区，是需要DPTR寄存器来辅助的。因为只有DPTR才能装得下十六位的XDATA地址。
    所以MCS-51读写IDATA区的速度是最快的，而且访问方法也是最多的。访问XDATA区的速度相对就要慢很多。MCS-51的堆栈要优先开辟在IDATA区中，并且在IDATA区中开辟的堆栈，可以使用栈指针寄存器SP来控制。如果栈实在太大，只能开辟在XDATA区中，那么CPU的SP寄存器就很难借力，只能由开发者来构造堆栈结构和堆栈指针。既然外部程序空间和数据空间都是0-64K（0x0000-0xFFFF），那么实际上可以为了省事/方便改写程序等原因，外部的CODE和DATA就可以共用一个可擦写存储器了（比如各种RAM什么可擦可写的）。
    比如系统有64K的外扩MEMORY，低32K我用作保存CODE，并让单片机在这32K之中读取程序运行，高32K时作为用户数据的保存处是完全可以的。只是此时本来完全独立的CODE和DATA空间，因为在硬件芯片上共用了一个MEMORY，所以他们之间可能互相影响，程序就能自己改写程序。比如0x0020处是一个指令，通过MOVX把0x0020处改写，那么再利用MOVC把0x0020处读取出来，数据就和原来不一样了。
    容易混淆的症结在于，单片机存储空间是一个逻辑上的概念，是人为划分出来的两个相互独立的空间。而硬件电路上的MEMORY芯片则是现实中的概念，单片机的存储空间最终会落实在电路层面的芯片上，所以逻辑上的存储空间会因为物理上的电路连接而发生重叠。但是在逻辑层面上，这两个空间还是完全独立的。
    各类存储空间名称的定义：
    data：固定指前面0x00-0x7f的128个RAM，可以用a寄存器直接读写的，速度最快，生成的代码也最小。
    idata：固定指前面0x00-0xff的256个RAM，其中前128和data的128完全相同，只是因为访问的方式不同。idata是用类似C中的指针方式访问的。
    xdata：外部扩展RAM，一般指外部0x0000-0xffff空间，用DPTR访问。
    pdata：外部扩展RAM的低256个字节，地址出现在A0-A7的上时读写，用movxACC，@Rx读写。这个比较特殊，而且C51好象有对此BUG，建议少用。
    通过以上的介绍，可以看到51单片机虽然结构简单，但是其存储方式还是十分值得开发者深入研究的。需要注意的是，单片机的存储空间是相对于逻辑而言的，是由人们开发出的独立空间，而硬件电路上的MEMORY芯片则是现实中的概念，两者在某些时候容易出现混淆，需要大家特别注意。