80C51存储器与C51内存优化

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。

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。