第3章

存 储 结 构





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本章以AT89C51为模型机，介绍MCS51系列单片机存储结构。
3．1基本特性
采用哈佛型存储结构，程序存储器和数据存储器在物理上是分开的，具有独立的寻址机构和寻址指令。程序存储器采用EPROM、EEPROM或Flash存储器，数据存储器采用静态存储器(SRAM)或动态存储器(DRAM)。
内部集成4KB程序存储器(ROM)、256B数据存储器(RAM)，可外部扩展64KB(最大)程序存储器(ROM)和64KB(最大)数据存储器(RAM)。
在物理结构上，存储系统可以分为4个存储空间，即片内RAM、片内ROM和片外RAM、片外ROM，如图31所示。


图31存储系统地址分布


3．2程序存储器
程序存储器用来存放程序和数据表格，采用16位程序计数器(PC)和16位地址总线，最大寻址空间为64KB。
程序存储器物理上可分为片内和片外两部分，共享64KB程序存储地址空间。
用引脚EA确定CPU对内部程序存储器和外部程序存储器的使用选择。
当EA=0时，CPU 从外部ROM的0000H单元开始执行程序。当EA=1时，从内部ROM的0000H单元开始执行，当地址超过4KB时自动转向外部ROM的1000H单元。
片内程序存储区0000H~002AH作为系统保留使用。
0000H~0002H单元： 主程序入口地址。复位时程序计数器PC=0000H，指向该单元。该单元存放一条绝对跳转指令（SJMP），跳转到主程序首地址。
0003H~000AH单元： 外部中断INT0中断服务程序入口地址。该单元存放一条绝对跳转指令（SJMP），跳转到INT0中断处理程序首地址。
000BH~0012H单元： 定时/计数器T/C0溢出中断处理程序入口地址。该单元存放一条绝对跳转指令（SJMP），跳转到T/C0溢出中断处理程序首地址。
0013H~001AH单元： 外部中断INT1中断服务程序入口地址。该单元存放一条绝对跳转指令（SJMP），跳转到INT1中断处理程序首地址。
001BH~0022H单元： 定时/计数器T/C1中断服务程序入口地址。该单元存放一条绝对跳转指令（SJMP），跳转到T/C1溢出中断处理程序首地址。
0023H~002AH单元： 串行口通信中断服务程序入口地址。该单元存放一条绝对跳转指令（SJMP），跳转到串行通信中断处理程序首地址。
3．3数据存储器
系统中RAM分为内部RAM和外部RAM两部分，用 MOV 指令访问内部数据存储单元，用 MOVX 指令访问外部数据存储单元。
3．3．1数据存储器地址分布
片内和片外数据存储器地址分布如图32所示。


图32片内和片外数据存储器地址分布




图33片内RAM地址分布

3．3．2片内RAM
片内RAM按功能划分为工作寄存器区、位寻址区、数据缓冲区（RAM）和特殊功能寄存器（SFR）区四个区域，地址空间分配见图33。
1． 工作寄存器区
地址范围为00H~1FH，32字节，分为4组，每组8个寄存器，标识为R0~R7。任何时刻只有一组作为当前工作寄存器组使用，由程序状态字PSW中的RS1和RS0选择，见表31。


表31当前寄存器组选择


RS1
RS0
工作组寄存器(地址)
0
0
0组(00H~07H)
0
1
1组(08H~0FH)
1
0
2组(10H~17H)
1
1
3组(18H~1FH)

通过软件设置RS1、RS0以设置当前寄存器组。单片机复位后，默认0组为当前工作寄存器组。
2． 位寻址区
地址范围为20H~2FH，16字节，共计16×8=128位。每个单元有一个字节地址，字节地址范围为20H~2FH。每位有一个位地址，位地址范围为00H~7FH。位寻址区每一位都可作为一个软件触发器使用，通常把各种状态、位控制变量保存在位寻址区。
3． 数据缓冲区
地址范围为30H~7FH，用户数据区，共80字节单元，用作用户的数据存储区。堆栈也可设置在该区域。
4． 特殊功能寄存器区
地址范围为80H~FFH，特殊功能寄存器（SFR）区。系统把片内寄存器和I/O端口映射在该区域存储单元，对I/O端口的操作实际上就是对相应存储单元的操作。
SFR字节地址见表32。


表32SFR字节地址


标识符
名称
地址
标识符
名称
地址


ACC累加器E0H
BB寄存器F0H
PSW程序状态字D0H
SP堆栈指针81H

DPTR数据指针83H/82H
P0端口080H
P1端口190H
P2端口2A0H


续表


标识符
名称
地址
标识符
名称
地址


P3端口3B0H
IP中断优先级B8H
IE中断允许A8H
TMOD定时/计数方式89H
TCON定时/计数控制88H
TH0定时/计数0初值8CH


TL0定时/计数0初值8AH
TH1定时/计数1初值8DH
TL1定时/计数1初值8BH
SCON串口控制寄存器98H
SBUF串口数据寄存器99H
PCON电源控制寄存器97H

3．3．3特殊功能寄存器
系统特殊功能寄存器映射为内部数据存储器的存储单元，每个特殊功能寄存器都有相应单元地址。
1． 程序计数器（PC）
16位地址寄存器，存放将要执行的指令地址，寻址范围为0000H~FFFFH(64KB)。
复位时PC=0000H，即系统复位后，CPU从程序存储器ROM的0000H单元开始执行程序。
2． 数据指针（DPTR）
由2个8位寄存器构成，高8位寄存器DPH和低8位寄存器DPL构成16位的寄存器DPTR，用来存放外部RAM的地址，作为CPU访问外部RAM的数据指针。
CPU的查表指令使用DPTR提供ROM中表格的首地址。CPU访问外部RAM中的数据或ROM中的表格、常数，必须借助DPTR作指针来实现数据的读取访问。
3． 程序状态字（PSW）
8位寄存器，表征程序执行的状态信息，各位定义如图34所示。




D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
CY
AC
F0
RS1
RS0
OV
—
P

图348位寄存器定义
CY(PSW．7)： 进位标志。在加减法运算中，累加器A的最高位D7有进位或借位，则CY=1，否则CY=0。
AC(PSW．6)： 辅助进位位。在加减法运算中，累加器A的低4位向高位4位有进位或借位，则CY=1，否则CY=0。
F0(PSW．5)： 用户标志位。由用户来定义和使用。
RS1,RS0： 当前工作寄存器组选择位。选定当前工作寄存器组。
OV(PSW．2)： 溢出标志位。当运算结果溢出时，OV置1。
P(PSW．0)： 奇偶标志位。累加器A中1的个数为奇数个时为1，A中1的个数为偶数时为0。


图35堆栈结构

4． 堆栈指针（SP）
8位寄存器，指示堆栈栈顶地址。
堆栈是在内存单元专门用来按照先进后出方式存取的区域。在使用堆栈之前，先给SP赋值，以规定堆栈的起始位置，称为栈底。在数据压入堆栈后，SP内容自动加1，随着数据不断进栈，SP向上增长，如图35所示。
系统复位后，SP总是初始化到内部RAM地址07H。堆栈有专门访问指令PUSH和POP。
3．4最小系统
由AT89C51构成的最小系统见图36，包括时钟电路、上电复位电路和按键复位电路。系统运行点亮一个LED，R1为LED限流电阻。


图36最小系统

注： 本书电路图由Proteus 7.0绘制，器件符号遵循国际规范。


【应用举例】

#include <reg51.h>     //C51包含文件

sbit LED=P2^0; //定义LED控制位

void main()

{

LED=1;   //点亮发光二极管

while(1);

}

习题
1． 片内程序存储器00H~2AH系统保留单元的作用是什么？
2． 简述哈佛存储结构的特点和意义。
3． 简述工作寄存器组的结构及设置工作寄存器组的意义。
4． 什么是堆栈？其作用是什么？
5． 简述程序计数器(PC)的工作过程。







第二部分单片机C语言程序设计
用C语言进行嵌入式系统开发已成为业界主流，也是单片机教学的首选。C语言程序设计是“单片机原理与技术”课程的先修课程，用于MCS51系列单片机开发的C语言称为C51，在数据类型、程序结构、基本语句上，与C语言有非常大的相似度。本部分在先修课程C语言程序设计基础上，介绍C51的数据类型、程序结构和函数设计，突出C51特有的数据类型、存储类型及其对特殊功能寄存器、位寻址的定义和应用。
本部分包括： 
第4章数据类型与基本运算
本章介绍C51的程序结构与数据类型，介绍变量和常量的存储器类型定义及其在单片机程序设计中的作用，讲述C51的基本运算和复合运算。
第5章程序控制语句
本章介绍条件语句if、开关语句switch的基本语法，以实现程序的有条件跳转与分支。讲述while、do while 和for 语句设计方法和语法要求，实现循环体结构的程序设计。
第6章函数
函数是模块化程序设计的核心，也是提高程序设计水平的关键技能。本章介绍C51函数的定义、说明、调用及参数传递。











第4章

数据类型与基本运算





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4．1C51程序结构
用于MCS51系列单片机开发的C语言称为C51，在数据类型、程序结构、基本语句、平台使用等方面，C51与C语言有非常大的相似度。
1． C51
由于具有良好的结构性和模块化，用C语言书写的程序容易阅读和维护，具有良好的可移植性，功能化的代码能够很方便地从一个工程移植到另一个工程。 
相对于汇编语言，用 C语言编写程序更符合人类的思考习惯，开发者可以更专心考虑算法，而不必十分熟悉处理器的工作过程。
C51支持所有51系列单片机开发，Keil μVision提供了良好的C51开发和调试环境。
2． 程序结构
下面为一个简单而完整的C51程序，实现最小系统点亮一个LED的功能，接口电路见图41。



图41最小系统接口



#include <reg51.h>     //C51包含文件

sbit LED=P2^0;

void main()   //主程序

{

LED=1;   //点亮发光二极管

while(1);

}

该程序在KEIL平台上编辑、编译、连接、运行后，可驱动连接在P2．0引脚上的LED发光。
C51程序数据类型、语法、语句、函数定义等类似于一般C语言程序。
C51应用程序有且只有一个主函数main（），作为程序运行的入口。
{}中间的内容为程序的主体，称为程序体。
C51用//和/*．．．*/对程序中的任何部分作注释。