蓝桥杯51单片机的存储结构详解

蓝桥杯51单片机的存储结构详解

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/2401_84123527/article/details/146463536

51单片机的存储结构组成

51单片机的存储结构主要分为三部分：

1. 程序存储器（ROM）

• 地址范围：0x0000到0xFFFF（64KB）。
• 作用：用于存储程序代码（如指令、常量等）。
• 扩展：如果单片机的内部ROM不够用，可以通过外部扩展ROM来增加程序存储空间。

2. 数据存储器（RAM）

• 内部 RAM
• 地址范围：0x00到0xFF（256字节）。
• 作用：用于存储变量、堆栈、临时数据等。
• 分区
• 低 128 字节（0x00到0x7F）：可以直接寻址包括通用bank寄存器和支持位寻址区，和普通ram区。
• 高 128 字节（0x80到0xFF）：只能通过间接寻址访问的普通RAM访问速度较慢与低128字节的。
• 外部 RAM
• 地址范围：0x0000到0xFFFF（64KB）。
• 作用：通过外部扩展RAM芯片来增加数据存储空间。

3. SFR特殊功能寄存器区

• 地址范围：0x80到0xFF（高128字节）。
• 作用：用于控制和访问单片机的各种外设（如GPIO、定时器、串口等）。
• 访问方式：通过sfr关键字定义别名来访问。如sfr P0 = 0x80;支持直接寻址，部分支持位操做。

注意这里需要注意一点：就是这个IDATA区和SFR区所用的地址描述都是80-ff，但是他们对应的物理空间确是不同的，在c语言上通过关键字idata和sfr进行区分，在硬件上sfr采用直接寻址，idata采用间接寻址。

位寻址区

• 地址范围：0x20到0x2F（16字节）。
• 作用：支持位寻址操作，每个字节的每一位都可以单独访问。
• 访问方式：通过sbit关键字定义位别名来访问。

分析51单片机的位寻址

首先我们需要明白位地址空间和字节地址空间的区别，位地址空间其实就是对字节地址空间的每个位的映射，通过关键字sbit区分，51单片机的0x20到0x2F（16字节），支持位寻址，对应位地址空间的0x00到0x7f，可能你们会疑惑为什么有这个位地址空间，它是不是独立的，真实存在的物理地址呢？其实它就是对应于内部ram的0x20到0x2F这16个字节地址空间，只不过它支持位操作，通常被用来操作标志位。是一种映射。例如：

unsigned char bdata var3; // 存储在bdata区
sbit flag = var3^0; // 定义var3的第0位为flag 
flag = 1; // 位操作

对于高128字节ram它其实也支持位操作，不过并不是全部都支持，只要那些需要经常使用到位操作的寄存器才会支持，比如gpio和串口。例如：

sbit P0_0 = 0x80; // 定义P0.0的位地址为0x80
P0_0 = 1; // 将P0.0引脚设为高电平

内部ram的位寻址和sfr寄存器的位寻址的区别

内部ram的位寻址为什么仅限于0x20–0x2F？

• 硬件设计：为了简化硬件实现，51单片机只将内部RAM的0x20–0x2F区域设计为支持位操作。
• 资源限制：内部RAM资源有限，16字节的位寻址区已经是一种折中方案。

为什么内部RAM不能全部支持位操作？

地址空间冲突

• 如果内部RAM的低128字节（0x00–0x7F）全部支持位操作，会导致地址空间冲突：
• 字节地址0x00可以表示内部RAM的第0字节，也可以表示位地址0x00（对应字节地址0x20的第0位）。
• 硬件无法区分是字节操作还是位操作。

硬件解码复杂度

• 内部RAM的位寻址区仅限于0x20–0x2F，可以减少硬件解码电路的复杂度。
• 如果整个128字节都支持位操作，硬件需要额外的解码逻辑，增加芯片面积和成本。

性能优化

• 内部RAM的位寻址区（0x20–0x2F）主要用于存储软件标志位，访问频率相对较低。
• SFR的位寻址区（如P0端口）用于控制硬件外设，访问频率较高，因此采用更高效的位寻址方式。
• sfr的内部寻址是通过sfr变量和sbit变了区分的，因此它不需要连续，可以达到随机（按需要去设置是否支持位寻址），只需要区分关键字即可。

关键对比分析

内存变量关键字的区别

1. 关键字概述

直接寻址和简介寻址的区别

1. 直接寻址

• 定义：直接寻址是指指令中直接给出操作数的内存地址。
• 例如：MOV A, 30H表示将地址30H的内容加载到累加器A。
• 特点：
• 访问速度快，因为地址直接嵌入指令中。
• 只能访问固定的内存地址（如内部RAM的低128字节或SFR区）。
• 适用于访问已知地址的变量或寄存器。
• 使用场景：
• 访问内部RAM的低128字节（00H ~ 7FH）。
• 访问特殊功能寄存器（SFR，80H ~ FFH）。

1. 直接寻址

• 定义：直接寻址是指指令中直接给出操作数的内存地址。
• 例如：MOV A, 30H表示将地址30H的内容加载到累加器A。
• 特点：
• 访问速度快，因为地址直接嵌入指令中。
• 只能访问固定的内存地址（如内部RAM的低128字节或SFR区）。
• 适用于访问已知地址的变量或寄存器。
• 使用场景：
• 访问内部RAM的低128字节（00H ~ 7FH）。
• 访问特殊功能寄存器（SFR，80H ~ FFH）。

MOV R0, #30H    ; 将地址30H加载到R0
MOV A, @R0      ; 将R0指向的地址的内容加载到累加器A
MOV DPTR, #1000H; 将地址1000H加载到DPTR
MOVX A, @DPTR   ; 将DPTR指向的外部RAM内容加载到累加器A  

3. 直接寻址和间接寻址的区别

1. 51单片机的寄存器

51单片机的寄存器主要包括以下几类：

（1）工作寄存器（R0 ~ R7）

• 数量：8个（R0 ~ R7）。
• 功能：用于通用数据操作。
• 特点：
• 51单片机有4组工作寄存器（Bank 0 ~ Bank 3），每组包含R0 ~ R7。
• 通过PSW（程序状态字）中的RS1和RS0位来选择当前使用的寄存器组。
• 默认使用Bank 0（RS1=0, RS0=0）。

（2）特殊功能寄存器（SFR）

• 数量：21个（具体数量取决于单片机型号）。
• 功能：用于控制和配置硬件外设（如P0、P1、定时器、串口等）。
• 常见SFR：
• ACC（累加器A）：用于算术和逻辑运算。
• B：用于乘除法操作。
• PSW（程序状态字）：包含标志位（如CY、AC、OV等）。
• SP（堆栈指针）：指向堆栈顶部。
• DPTR（数据指针）：用于访问外部RAM或代码存储器。
• P0、P1、P2、P3：I/O端口寄存器。
• TCON、TMOD：定时器控制寄存器。
• SCON、SBUF：串口控制寄存器。

（3）其他寄存器

• PC（程序计数器）：指向下一条要执行的指令地址。
• DPTR（数据指针）：16位寄存器，用于访问外部RAM或代码存储器。

3. 51单片机和32位单片机的寄存器对比

4. 51单片机的寄存器组切换

51单片机有4组工作寄存器（Bank 0 ~ Bank 3），每组包含R0 ~ R7。通过PSW寄存器中的RS1和RS0位来选择当前使用的寄存器组。

• RS1和RS0的值：
• RS1=0, RS0=0：Bank 0（默认）。
• RS1=0, RS0=1：Bank 1。
• RS1=1, RS0=0：Bank 2。
• RS1=1, RS0=1：Bank 3。

bank寄存器的概念

在51单片机中，Bank寄存器是指工作寄存器组（Register Bank），它是51单片机寄存器设计的一个重要特性。51单片机有4组工作寄存器（Bank 0 ~ Bank 3），每组包含8个通用寄存器（R0 ~ R7）。通过切换寄存器组，可以快速保存和恢复上下文，特别适用于中断处理和任务切换。

1. Bank寄存器的结构

• 数量：4组（Bank 0 ~ Bank 3）。
• 每组寄存器：每组包含8个通用寄存器（R0 ~ R7）。
• 总寄存器数量：4组 × 8个 = 32个寄存器（但同一时间只能访问一组）。

2. Bank寄存器的地址

• Bank 0：地址 00H ~ 07H（R0 ~ R7）。
• Bank 1：地址 08H ~ 0FH（R0 ~ R7）。
• Bank 2：地址 10H ~ 17H（R0 ~ R7）。
• Bank 3：地址 18H ~ 1FH（R0 ~ R7）。

3. Bank寄存器的切换

• 通过PSW（程序状态字）中的 RS1 和 RS0 位来选择当前使用的寄存器组。
• RS1 和 RS0 是PSW的第4位和第3位（PSW.4 和 PSW.3）。
• RS1 和 RS0 的值：
• RS1=0, RS0=0：选择 Bank 0（默认）。
• RS1=0, RS0=1：选择 Bank 1。
• RS1=1, RS0=0：选择 Bank 2。
• RS1=1, RS0=1：选择 Bank 3。

4. Bank寄存器的用途

• 快速上下文切换：
• 在中断处理或任务切换时，可以通过切换寄存器组来保存和恢复上下文，而不需要将寄存器内容压入堆栈。
• 例如：
• 进入中断时，切换到新的寄存器组（如Bank 1）。
• 退出中断时，切换回原来的寄存器组（如Bank 0）。
• 提高效率：
• 寄存器组切换比堆栈操作更快，适合实时性要求高的应用。

5. 总结

• Bank寄存器占用低128字节的00H ~ 1FH，但通过寄存器组切换实现地址复用。
• 未激活的Bank地址可作为普通RAM使用，但需避免误操作导致数据覆盖。
• 合理使用Bank切换可以高效管理寄存器和内存资源，尤其适用于中断和任务切换场景。