80C51在物理结构上有四个存储空间:片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。但在逻辑上,即从用户使用的角度上,80C51有三个存储空间:片内外统一编址的64KB的程序存储器地址空间(用16位地址)、256B的片内数据存储器的地址空间(用8位地址,其中128B的专用寄存器地址空间仅有21个字节有实际意义)以及64KB片外存储器地址空间。
1、程序存储器
程序存储器用于存放编好的程序和表格常数。80C51片内有4KB ROM,片外16位地址线最多可扩展64KB ROM,两者是统一编址的。如果EA端保持高电平,80C51的程序计数器PC在0000H——0FFFH范围内(即前4KB地址)是执行片内ROM的程序。当寻址范围在1000H——FFFFH时,则从片外存储器取指令。当EA端保持低电平时,80C51的所有取指令操作均在片外程序存储器中进行,这时片外存储器可以从0000H开始编址。
程序存储器中,以下6个单元具有特殊功能。
0000H:80C51复位后,PC=0000H,即程序从0000H开始执行指令。
0003H:外部中断0入口。
000BH:定时器0溢出中断入口。
0013H:外部中断1入口。
001BH:定时器1溢出中断入口。
0023H:串行口中断入口。
2、数据存储器
数据存储器用于存放中间运算结果、数据暂存和缓冲、标志位等。80C51片内有256B RAM,片外最多可扩充64KB RAM,构成了两个地址空间。
片内数据存储器为8位地址,最大可寻址256个单元,片内低128B(及00H~7FH)的地址区域为片内RAM,对其访问可采用直接寻址和间接寻址的方式。高128B地址区域(即80H~FFH)为专用寄存器区,只能采用直接寻址方式。
在低128B RAM区中,00H~1FH地址为通用工作寄存器区,共分为4组,每组由8个工作寄存器(R0~R7)组成,共占用32个单元。下表为工作寄存器的地址表。每组寄存器均可选作CPU当前的工作寄存器,通过对程序状态字PSW中RS1、RS0的设置来决定CPU当前使用哪一组。若程序中并不需要4组,那么其余的可用做一般的数据缓冲器。CPU在复位后,选中第0组工作寄存器。
组 |
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 |
工作寄存器区后的16B(即20H~2FH)可用位寻址方式访问其各个位,这128个位的位地址(位地址指的是某个二进制位的地址)为00H~7FH,它们可用做软件标志位或用于1位(布尔)处理。
3、专用寄存器SFR
80C51有21个专用寄存器SFR,亦称特殊功能寄存器。它们离散地分布在片内数据存储器的高128 B地址80H~FFH中,访问这些专用寄存器仅允许使用直接寻址的方式。专用寄存器并未占满80H~FFH整个地址空间,对空闲地址的操作是无意义的,若访问到空闲地址,则读出的是随机数。
在21个专用寄存器中有11个专用寄存器具有位寻址能力,它们的字节地址正好能被8整除。
注意:由于SFR是离散地分布在片内数据存储器的高128 B地址80H~FFH中,因此,当定义的数据长度大于128 B字节时,有可能会与某些SFR的地址冲突,导致意想不到的结果,所以,应当尽量把数据控制在128 B之内,特别是数组,如果数据量比较大,可以使用xdata,定义到外部ram中。
如:
unsigned char xdata gTagId[2500*11] _at_ 0x0000;//定义数组gTagId,此数据存放在外部ram中,规定其起始地址为0x0000。
unsigned short xdata gTagIdNum;//定义数据gTagIdNum。
注意以下定义的区别:
unsigned char * xdata pWriteTagId;//定义指针,此指针存放在外部ram中,此指针指向的数据类型为unsigned char。
unsigned char xdata *pWriteTagId;//定义指针,此指针存放在内部ram中,此指针指向的数据存放在外部ram中,类型为unsigned char。
unsigned char xdata * xdata pWriteTagId;//定义指针,此指针存放在外部ram中,此指针指向的数据也存放在外部ram中,类型为unsigned char。
对于外部ram的使用,只要硬件把相应的引脚连接好之后,软件不需要进行任何设置,直接使用xdata进行访问即可。
关于对51单片机内存的认识
对 51 单片机内存的认识,很多人有误解,最常见的是以下两种
① 超过变量128后必须使用compact模式编译。
实际的情况是只要内存占用量不超过 256.0 就可以用 small 模式编译。
② 128以上的某些地址为特殊寄存器使用,不能给程序用。
与 PC 机不同,51 单片机不使用线性编址,特殊寄存器与 RAM 使用重复的地址,但访问时采用不同的指令,所以并不会占用 RAM 空间。
由于内存比较小,一般要进行内存优化,尽量提高内存的使用效率。
以 Keil C 编译器为例,small 模式下未指存储类型的变量默认为data型,即直接寻址,只能访问低128 个字节,但这 128 个字节也不是全为我们的程序所用,寄存器 R0-R7必须映射到低RAM,要占去8 个字节,如果使用寄存组切换,占用的更多。
所以可以使用 data 区最大为 120 字节,超出 120 个字节则必须用 idata 显式的指定为间接寻址,另外堆栈至少要占用一个字节,所以极限情况下可以定义的变量可占 247 个字节。当然,实际应用中堆栈为一个字节肯定是不够用的,但如果嵌套调用层数不深,有十几个字节也够有了。
为了验上面的观点,写了个例子(测试环境为 XP + Keil C 7.5)。
#define LEN 120
data unsigned char tt1[LEN];
idata unsigned char tt2[127];
void main()
{
unsigned char i, j;
for(i = 0; i < LEN; ++i )
{
j = i;
tt1[j] = 0x55;
}
}
可以计算 R0-7(8) + tt1(120) + tt2(127) + SP(1) 总共 256 个字节
keil 编译的结果如下:
Program Size: data=256.0 xdata=0 code=30
creating hex file from "./Debug/Test"...
"./Debug/Test" - 0 Error(s), 0 Warning(s).
这段代码已经达到了内存分配的极限,再定义任何全局变量或将数组加大,编译都会报错 107,这里要引出一个问题:为什么变量 i、j 不计算在内?这是因为 i、j 是局部变量,编译器会试着将其优化到寄存器 Rx 或栈。问题也就在这了,如果局部变量过多或定义了局部数组,编译器无法将其优化,就必须使用 RAM 空间,虽然全局变量的分配经过精心计算没有超出使用范围,仍会产生内存溢出的错误!而编译器是否能成功的优化变量是根据代码来的。
上面的代码中,循环是臃肿的,变量 j 完全不必要,那么将代码改成
unsigned char i;
unsigned char j;
for(i = 0; i < LEN; ++i )
{
tt1[i] = 0x55;
}
再编译看看,出错了吧!因为编译器不知道该如何使用 j,所以没能优化,j 须占 RAM 空间,RAM 就溢出了。(智能一点的编译器会自动将这个无用 的变量去掉,但这个不在讨论之列了)。
另外,对 idata 的定义的变量最好放在 data 变量之后。
对于这一种定义:
unsigned char c1;
idata unsigned char c2;
unsigned char c3;
变量 c2 肯定会以间接寻址,但它有可能落在 data 区域,就浪费了一个可直接寻址的空间。
变量优化一般要注意几点:
①让尽可能多的变量使用直接寻址,提高速度。
假如有两个单字节的变量和一个长119的字符型数组,因为总长超过 120 字节,不可能都定义在 data区。
按这条原则,定义的方式如下:
data unsigned char tab[119];
data unsigned char c1;
idata unsigned char c2;
但也不是绝的,如果 c1, c2 需要以极高的频率访问,而 tab 访问不那么频繁
则应该让访问量大的变量使用直接寻址:
data unsigned char c1;
data unsigned char c2;
idata UCHAR tab[119];
这个是要根据具体项目需求来确定的
②提高内存的重复利用率
就是尽可能的利用局部变量,局部变量还有个好处是访问速度比较快,由前面的例子可以看出,局部变量 i, j 是没有单独占用内存的,子程序中使用内存数目不大的变量尽量定义为局部变量。
③对于指针数组的定义,尽可能指明存储类型,尽量使用无符号类型变量,一般指针需要一个额外的字节指明存储类型,8051 系列本身不支持符号数,需要外加库来处理符号数,一是大大降低程序运行效率,二是需要额外的内存。
④避免出现内存空洞
可以通过查看编译器输出符号表文件(.M51)查看
对前面的代码,M51文件中关于内存一节如下:
* * * * * * * 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
第一行显示寄存器组0从地址0000H开始,占用0008H个字节
第二行显示DATA区变量从0008H开 始,占用0078H个字节
第三行显示IDATA区变量从0080H开始,占用007F个字节
第四行显示堆栈从00FFH开始,占 0001H个字节
由于前面代码中变量定义比较简单,且连续用完了所有空间,所以这里显示比较简单,变量定义较多时,这里会有很多行,如果全局变量与局部变量分配不合理,就有可能出现类似下面的行:
0010H 0012H *** GAP ***
该行表示从0010H开始连续0012H个字节未充分利用或根本未用到,出现这种情况最常见的原因是局变量太多、多个子程序中的局部变量数目差异太大、使用了寄存器切换但未充分利用。