單片機存儲器分析方法探討

劉海波 付 偉 卿向東 白 晶

北華大學 吉林 吉林 132021

1 引言

在單片機教學的過程中,發現很多學生對單片機的存儲器理解不到位,導致分析尋址方式和調試程序時產生大量錯誤。

目前的講授過程中,通常直接聲明2種存儲器組織結構Harvard Architecture(簡稱 HARC)和Princeton architecture(簡稱PARC),學生并不清楚為什么有這兩種結構,自然無法理解單片機為什么使用HARC。

如果從單片機的設計初衷來分析存儲架構,就能令學生容易理解了。

2 PARC和HARC的特點

根據存儲器存儲內容,主要包括數據和指令。這兩種信息怎樣存儲?

方式1:PARC,即普林斯頓結構,是指程序存儲器(以后簡稱ROM)和數據存儲器(以后簡稱RAM)共用一個存儲空間,使用同一組地址總線,在8086微處理器中,數據總線也是用同一組。因此訪問ROM和RAM單元的時候,可以使用同樣的指令,即MOV OPRD1,OPRD2。但正因為二者使用了相同的地址及數據總線,當編程人員訪問即ROM的時候,就不能再訪問RAM,同理訪問即RAM的時候,就不能再訪問ROM,二者不能同時訪問,不能同時實現取數據和取指令,只能采用分時復用的方式完成上述操作。地址與存儲單元一一對應。

從上面的表述可以得知,指令和數據都存放在同一個存儲空間,所以二者寬度相同。以8086微處理器為例,數據和指令的寬度都是16位的。

PARC結構缺點:不能同時完成ROM單元和RAM單元的信息訪問,執行效率不高。

PARC結構優點:外部結構簡單,成本低。

方式2:HARC,即哈佛結構,是指ROM和RAM各有獨立的存儲空間。使用不同的指令,訪問ROM和RAM單元。以89C51單片機為例,訪問片外RAM單元,使用指令MOVX A,@DPTR,訪問片外RAM單元,使用指令MOVC A,@A+DPTR,訪問ROM單元。一個地址,可能同時對應了ROM和RAM的一個單元。根據復雜程度不同,總線也有多種組織形式。

3 89C51單片機的存儲組織結構講解

51單片機的存儲結構是一種特殊的哈佛結構,其特點如下:ROM和RAM各有獨立的存儲空間,使用同樣數據總線和地州總線,為了區分當前訪問的是哪一種存儲空間,使用了不同的控制總線。訪問RAM區間,使用控制總線/RD和/WR。訪問ROM區間,使用控制總線/PSEN。因為數據區和程序區使用了同樣的數據總線和地址總線,所以不能同時訪問數據區和程序區。

3.1 RAM區

3.1.1 片內RAM區講解方法 89C51在芯片內部集成了128字節的RAM,其地址范圍。針對這部分區間,又根據功能特性的不同,分成了三個部分。

首先應該聲明,片內RAM所有單元均可以用于數據存儲。

1)第一部分,通用寄存器區。地址范圍00H-1FH。為了充分利用內部資源,單片機的片內RAM低32字節被設計成通用寄存器,供4組,每組8個,都命名為R0～R7,共32個。0組通用寄存器地址范圍是00H-07H,1組通用寄存器地址范圍是08H-0FH,2組通用寄存器地址范圍是10H-17H,3組通用寄存器地址范圍是18H-1FH。

2)第二部分,位尋址區。地址范圍20H-2FH。每個單元都可以位尋址。16個單元,共128位。每1位都設定了1個位地址,位地址的范圍是00H-7FH。在這里,學生非常容易混淆位地址和字節地址的關系。我們可以通過指令,分辨當前使用的是字節地址和位地址。

3)第三部分,普通的數據區。地址范圍30H-2FH。通常棧區設定在這里。

3.1.2 片外RAM區講解方法 89C51片外RAM區,最大可用為64K存儲單元,地址范圍0000H-FFFFH。

3.2 ROM區

3.2.1 片內ROM區講解方法 89C51片內集成了4K字節的EEPROM單元,地址范圍0000H-03FFH。當引腳/EA=1,使用這部分ROM存儲器,程序超過4K字節,放在片外ROM區。

3.2.2 片內ROM區講解方法 89C51片外ROM區,最大可用為64K存儲單元,地址范圍0000H-FFFFH。

在這里應將其分成低4K字節和高60K字節兩部分講解。4K字節ROM空間,地址范圍也是0000H-03FFH,與片內ROM區相同,因此學生也容易混淆。應聲明,當/EA=0時,使用這部分空間。

4 結束語

微處理器的存儲組織結構,對于初學者還是有難度的。只有充分理解了哈佛結構,才能理解51單片機的存儲系統,進而理解數據和指令的尋址方式。