51單片機(jī)是如何存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的？

在學(xué)校很少用到外擴(kuò)ROM/RAM的情況，都是用C語(yǔ)言編程，不差空間，代碼太大了，買(mǎi)個(gè)大ROM的芯片就行了。現(xiàn)在工作了，單位是做SoC的，采用了51的IP核，才算對(duì)51的代碼/數(shù)據(jù)空間有了清晰的認(rèn)識(shí)。

MCS-51使用哈弗結(jié)構(gòu)，它的程序空間和數(shù)據(jù)空間是分開(kāi)編址的，即各自有各自的地址空間，互不重疊。所以即使地址一樣，但因?yàn)榉珠_(kāi)編址，所以依然要說(shuō)哪一個(gè)空間內(nèi)的某地址。而ARM(甚至是x86)這種馮諾依曼結(jié)構(gòu)的MCU/CPU，它的地址空間是統(tǒng)一并且連續(xù)的，代碼存儲(chǔ)器/RAM/CPU寄存器，甚至PC機(jī)的顯存，都是統(tǒng)一編址的，只是不同功能的存儲(chǔ)器占據(jù)不同的地址塊，各自為政。

好，說(shuō)回MCS-51。

對(duì)于程序存儲(chǔ)器，有片內(nèi)和片外兩部分。而且無(wú)論片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，還是片外程序存儲(chǔ)器，他們的地址是共享的。如果片內(nèi)4k ROM的話(huà)，地址就是0x0000-0x0FFF，從0x1000-0xFFFF就是外部ROM的地址空間?？赏獠縍OM的0x0000-0x0FFF的這一部分是否使用呢，這取決于單片機(jī)EA引腳的電平值。EA=1時(shí)就是使用內(nèi)部ROM的這一部分，外部ROM的這一部分浪費(fèi)不用;EA=0時(shí)就是使用外部ROM的這一部分，內(nèi)部ROM浪費(fèi)不用。從CODE段讀取數(shù)據(jù)要使用匯編的MOVC指令，單片機(jī)會(huì)根據(jù)MOVC指令、EA狀態(tài)、要讀取的地址值，來(lái)自動(dòng)地判斷從什么存儲(chǔ)器里取數(shù)據(jù)。

對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，則分為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(IDATA/RAM)和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(XDATA)兩個(gè)部分，但這兩個(gè)存儲(chǔ)器就不像code存儲(chǔ)器那樣共享地址空間的了。一般的8051芯片，內(nèi)部RAM只有128B，從0x00-0x7F，而從0x80-0xFF則是SFR(CPU工作寄存器和各種外設(shè)寄存器都在此)的區(qū)域。對(duì)于8052來(lái)說(shuō)，內(nèi)部RAM有256B，所以0x80-0xFF是高128B的RAM在使用?？蛇@部分不是SFR專(zhuān)用的嗎?是SFR專(zhuān)用，但注意，SFR的訪(fǎng)問(wèn)只能使用“直接尋址方式”(使用特定的匯編指令來(lái)實(shí)現(xiàn))，區(qū)別就在這里。只有通過(guò)直接尋址訪(fǎng)問(wèn)的地址才是SFR，否則就是普通的RAM。至于外擴(kuò)的RAM(XDATA)，地址也是從0x0000-0xFFFF的，而且這里的0x0000和內(nèi)部RAM的0x00是不同的，是完全獨(dú)立的兩個(gè)空間。他們的訪(fǎng)問(wèn)方法也是不同的。MCS-51使用MOVX指令，來(lái)讀寫(xiě)XDATA區(qū)。而且，訪(fǎng)問(wèn)XDATA區(qū)，是需要DPTR寄存器來(lái)輔助的。因?yàn)橹挥蠨PTR才能裝得下十六位的XDATA地址。

所以說(shuō)，MCS-51讀寫(xiě)IDATA區(qū)的速度是最快的，而且訪(fǎng)問(wèn)方法也是最多的。訪(fǎng)問(wèn)XDATA區(qū)的速度相對(duì)就要慢很多。MCS-51的堆棧要優(yōu)先開(kāi)辟在IDATA區(qū)中，并且在IDATA區(qū)中開(kāi)辟的堆棧，可以使用棧指針寄存器SP來(lái)控制。如果棧實(shí)在太大，只能開(kāi)辟在XDATA區(qū)中，那么CPU的SP寄存器就很難借力，只能由我們自己來(lái)構(gòu)造堆棧結(jié)構(gòu)和堆棧指針。既然外部程序空間和數(shù)據(jù)空間都是0-64K(0x0000-0xFFFF)，那么我實(shí)際上可以為了省事/方便改寫(xiě)程序等原因，外部的CODE和DATA就可以共用一個(gè)可擦寫(xiě)存儲(chǔ)器了(比如各種RAM什么可擦可寫(xiě)的)。比如系統(tǒng)有64K的外擴(kuò)MEMORY，低32K我用作保存CODE，并讓單片機(jī)在這32K之中讀取程序運(yùn)行，高32K我作為用戶(hù)數(shù)據(jù)的保存處，完全可以。只是此時(shí)本來(lái)完全獨(dú)立的CODE和DATA空間，因?yàn)樵谟布酒瞎灿昧艘粋€(gè)MEMORY，所以他們之間就可能互相影響了，程序就能自己改寫(xiě)程序了。比如0x0020處是一個(gè)指令，我通過(guò)MOVX把0x0020處改寫(xiě)了，那么再利用MOVC把0x0020處讀取出來(lái)，數(shù)據(jù)就和原來(lái)不一樣了。

容易混淆的癥結(jié)在于，單片機(jī)存儲(chǔ)空間是一個(gè)邏輯上的概念，是人為劃分出來(lái)的兩個(gè)相互獨(dú)立的空間。而硬件電路上的MEMORY芯片則是現(xiàn)實(shí)中的概念，單片機(jī)的存儲(chǔ)空間最終會(huì)落實(shí)在電路層面的芯片上，所以邏輯上的存儲(chǔ)空間會(huì)因?yàn)槲锢砩系碾娐愤B接而發(fā)生重疊。但是在邏輯層面上，這兩個(gè)空間還是完全獨(dú)立的。

附：各類(lèi)存儲(chǔ)空間名稱(chēng)的定義：

data:固定指前面0x00-0x7f的128個(gè)RAM,可以用a寄存器直接讀寫(xiě)的,速度最快,生成的代碼也最小。

idata:固定指前面0x00-0xff的256個(gè)RAM,其中前128和data的128完全相同,只是因?yàn)樵L(fǎng)問(wèn)的方式不同。idata是用類(lèi)似C中的指針?lè)绞皆L(fǎng)問(wèn)的。匯編中的語(yǔ)句為：mov ACC,@Rx.(不重要的補(bǔ)充：c中idata做指針式的訪(fǎng)問(wèn)效果很好)xdata:外部擴(kuò)展RAM,一般指外部0x0000-0xffff空間,用DPTR訪(fǎng)問(wèn)。pdata:外部擴(kuò)展RAM的低256個(gè)字節(jié),地址出現(xiàn)在A(yíng)0-A7的上時(shí)讀寫(xiě),用movx ACC,@Rx讀寫(xiě)。這個(gè)比較特殊,而且C51好象有對(duì)此BUG, 建議少用。但也有他的優(yōu)點(diǎn),具體用法屬于中級(jí)問(wèn)題,我不太會(huì)，所以這里不提。

擴(kuò)展閱讀：MCS51單片機(jī)專(zhuān)用功能寄存器