一文詳解51單片機的存儲器組織結(jié)構(gòu)

程序存儲器：

① 用于存放程序(可執(zhí)行的二進制代碼映像文件，包括程序中的數(shù)據(jù)信息)，還包括初始化代碼等固件。

② 為只讀存儲器。注意，這里的“只讀”，是指單片機(CPU)在正常工作時對其的訪問方式是只讀的;而現(xiàn)在大多數(shù)單片機的程序存儲器(不管是內(nèi)部還是外部)都采用了FLASH ROM，來取代以前所用的ROM、E2PROM等，可方便地進行在線編程(ISP)。

③ 標準8051的內(nèi)部程序存儲器大小為4KB(0x0000 ~ 0x0FFF);而具體的51核的兼容單片機的內(nèi)部ROM大小需要參考其Datasheet，例如P89C51RA2xx的內(nèi)部程序存儲器是8K的Flash。

④ 內(nèi)部、外部存儲器統(tǒng)一編址，在軟件設(shè)計上(指令系統(tǒng)中)沒有差別;是否使用外部程序存儲器是通過引腳EA在硬件電路上控制的：不使用外部程序存儲器時，EA=0(接地);如果擴展了外部程序存儲器，則使EA=1，當尋址到內(nèi)部存儲空間以外時，會自動轉(zhuǎn)向外部程序存儲器空間(與擴展外部程序存儲器有關(guān)的還有PSEN和ALE的時序配合，以及P0和P2口用于地址線)。

[注] 一般直接選用內(nèi)部程序存儲器滿足代碼大小要求的單片機型號，避免擴展外部存儲器，造成系統(tǒng)軟硬件設(shè)計上的復雜和額外開銷。

數(shù)據(jù)存儲器：

為RAM。首先必須要強調(diào)的是，不管是物理上還是邏輯上，51單片機的內(nèi)部、外部數(shù)據(jù)存儲器都在不同的地址空間。兩者不是一回事，用途也不一樣，訪問的指令也不同(內(nèi)部RAM為MOV指令，外部為MOVX)。

1、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器(內(nèi)部RAM)

相當于內(nèi)存，為程序(進程)中的變量和常量分配存儲空間，掉電后內(nèi)容消失。

標準8051的內(nèi)部RAM為256B(0x00 ~ 0xFF)：其中可供用戶自由使用的是低128B(0x00 ~ 0x7F)區(qū)域，高128B中定義了26B的特殊功能寄存器(SFR)，其余沒有定義，因而沒有意義。

P89C51RA2xx的片內(nèi)RAM是512B(片內(nèi)RAM不等于內(nèi)部RAM，見釋疑2)。

[說明] 關(guān)于內(nèi)部RAM中的SFR，其中不但定義了一些控制字段，還包括累加器(ACC)、程序狀態(tài)字(PSW)、數(shù)據(jù)指針(DPTR)、堆棧指針(SP)等，值得注意的是，片上I/O口P0 ~ P3的地址也在這里定義(即有3個特殊功能寄存器的地址實際上是P口的地址)——這是因為51單片機的I/O口與存儲器是統(tǒng)一編址的*。

2、外部數(shù)據(jù)存儲器(外部RAM)

上面談到“I/O口與存儲器統(tǒng)一編址”的問題，因此，這里稱作外部RAM空間更為合適。在這個64KB地址空間中(0x0000 ~ 0xFFFF)，除了可以擴展外部RAM外，還可以擴展外部I/O設(shè)備。

外部RAM主要用于存儲程序運行時產(chǎn)生的重要數(shù)據(jù)(如數(shù)據(jù)采集結(jié)果、數(shù)據(jù)處理結(jié)果、系統(tǒng)日志等)，這時一般需要外加電源進行掉電保護，以在系統(tǒng)掉電時保存其中的數(shù)據(jù)信息;也可用于數(shù)據(jù)的暫時存儲，供CPU正常讀寫操作使用。因此外部RAM主要是使用其“可隨機訪問、讀寫方便且高速”的特性。

* 所謂I/O口與存儲器統(tǒng)一編址，是指I/O口與主存在同一地址空間，將處理器的可尋址存儲空間中專門劃出一部分地址空間分配給I/O口使用。這與PC機的x86處理器不同，x86體系結(jié)構(gòu)為I/O口專門定義了獨立于存儲空間之外的地址空間(事實上，除X86外，其他體系結(jié)構(gòu)的處理器都對I/O口與存儲器統(tǒng)一編址，可參考《Linux Device Drivers》)。

釋疑1：51只有16根地址線，為什么能同時將程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器都擴展到64KB呢?即外部即有ROM，又有RAM，如何知道訪問的是哪個?

在體系結(jié)構(gòu)上，程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是不同的地址空間，兩者的訪問是不會相互干擾的，這主要是通過在硬件和指令集設(shè)計上來實現(xiàn)的。

在硬件上，訪問外部ROM是通過EA和PSEN引腳來控制的;訪問外部RAM則是通過WR和RD信號來控制的;

在指令集上，訪問外部ROM不需要使用顯示指令，是通過PC(指令計數(shù)器)來控制取指地址的(跳轉(zhuǎn)指令也可能引起PC跳轉(zhuǎn));而訪問外部RAM則需要在程序設(shè)計上使用指令MOVX來執(zhí)行。另外，訪問內(nèi)部RAM則使用了指令MOV，以區(qū)分外部RAM的訪問。

釋疑2：P89C51RA2xx的片內(nèi)RAM是512B，是如何組織的?

P89C51RA2xx的片內(nèi)RAM是512B：其中內(nèi)部RAM為256B(使用MOV指令訪問，定義與標準51相同);另外的256B為XRAM(片內(nèi)的外部數(shù)據(jù)存儲器)，屬于外部存儲器的范疇，因此用途也同外部RAM，使用MOVX指令訪問，當程序中的全局變量或單個局部變量需占較大存儲空間時，可以定義為xdata型，保存到XRAM區(qū)。注意這個片內(nèi)的XRAM掉電后其數(shù)據(jù)也會丟失;另外，如果要擴展外部RAM，則一般是設(shè)置XRAM為禁用態(tài)。