單片機的存儲器結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識

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單片機的存儲器的結(jié)構(gòu)是什么樣子，是馮諾依曼結(jié)構(gòu)還是哈佛結(jié)構(gòu)?大家知道我們計算機系統(tǒng)有兩種基本的存儲器的結(jié)構(gòu)，一個叫做馮諾依曼結(jié)構(gòu)，也叫做普雷斯頓結(jié)構(gòu)，另外一種叫做哈佛結(jié)構(gòu)，51單片機到底是哪一種體系結(jié)構(gòu)?不同的書上有的寫的是不對，到底是哪一種結(jié)構(gòu)，我們首先來了解一下到底什么是馮諾依曼結(jié)構(gòu)，什么又是哈佛結(jié)構(gòu)。

存儲器的劃分一般分成兩種結(jié)構(gòu)，就是我給大家講的，一個叫做啊馮諾依曼結(jié)構(gòu)，一個叫做哈佛結(jié)構(gòu)，哈佛大學的一個教授提出的計算機的體系結(jié)構(gòu)一般稱之為叫哈佛結(jié)構(gòu)，普雷斯頓結(jié)構(gòu)也叫做阿馮諾依曼結(jié)構(gòu)，馮諾依曼大家都比較熟悉，我們叫做計算機之父，它提出了一種存儲器的一個結(jié)構(gòu)呢，叫做普萊森結(jié)構(gòu)，它的特點是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是統(tǒng)一編制的方式，它的結(jié)構(gòu)是RAM和ROM是在一個存儲器上，也就是說是一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的一種存儲器的結(jié)構(gòu)，是指令存儲器的地址和數(shù)據(jù)存儲器的地址是指向同一個存儲器的不同的物理位置，所以你可以發(fā)現(xiàn)它是同一個存儲器，但是RAM，也就是數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器，它是在這一個同一個物理結(jié)構(gòu)當中的不同的地方，這種我們叫做馮諾依曼結(jié)構(gòu)。

這是計算機的基礎(chǔ)，比如說我們的英特爾的8086系統(tǒng)，也就是8086的CPU它的程序指令和數(shù)據(jù)是16位的就是采取普雷斯頓的體系結(jié)構(gòu)，這個體系結(jié)構(gòu)也就是大家比較熟悉的在計算機領(lǐng)域著名的數(shù)學家馮諾依曼，當然了和其它的專家，比如說戈德斯坦等人在1945年聯(lián)名發(fā)表了一篇比較著名的報告，學計算機的應該都知道，叫101報告，在這個報告當中，它提出了三個最基本的，也就是說計算機制造了三個最基本的原則，第一個原則就是說計算機采用二進制，這是它們在這個報告當中提出來的，當然了，計算機采用二進制不是它們首先提出來的，第二點是報告指出，程序存儲執(zhí)行，也就是說計算機按照程序的順序，指令執(zhí)行，就是說這個計算機的執(zhí)行它是按照程序，順序存儲取址的辦法來執(zhí)行，第三個原則，它指出我們的計算機由五個部分組成，包括運算器、控制器、存儲器，輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，那這套理論我們稱之為叫做馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)。

到目前為止，我們的計算機的體系結(jié)構(gòu)還是脫離不了馮諾依曼的體系結(jié)構(gòu)，我們計算機的體系結(jié)構(gòu)還是由運算器控制器，存儲器，輸入設(shè)備和輸出設(shè)備這五大部件構(gòu)成，所以馮諾依曼也被稱之為計算機之父，大家要大概的了解一下什么是普林斯頓結(jié)構(gòu)，或者叫做馮諾依曼存儲的結(jié)構(gòu)。

哈佛結(jié)構(gòu)它是一種將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的一種存儲結(jié)構(gòu)，大家通過這個圖也可以發(fā)現(xiàn)，這個RAM和ROM是兩個結(jié)構(gòu)，是兩個物理存儲空間，不是像馮諾依曼結(jié)構(gòu)是在同一個物理空間，分了兩個區(qū)域，程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是分開的，這樣的話，哈佛結(jié)構(gòu)相當于是一種并行的體系結(jié)構(gòu)，它的主要特點就是將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，在不同的存儲空間當中，這樣有一個好處，就是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，它是兩個獨立的存儲器，就是和我們的數(shù)據(jù)和指令具有不同的數(shù)據(jù)寬度，并且可以同步的進行訪問，這種的結(jié)構(gòu)它使我們的程序總線和數(shù)據(jù)總線就在一個記憶周期內(nèi)，可以同時獲得指令和數(shù)據(jù)，從而能夠提高我們CPU的執(zhí)行效率，提高了數(shù)據(jù)的吞吐率，但是它的結(jié)構(gòu)會比較復雜，我們知道哈佛結(jié)構(gòu)的話，它的程序就是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，它都要有對應的數(shù)據(jù)總線和地址總線，所以它是有四種總線，也就是程序存儲器有兩個總線，叫做數(shù)據(jù)總線和地址總線。

數(shù)據(jù)存儲器它也有兩個總線，也就是數(shù)據(jù)總線和地址總線，所以它的體系結(jié)構(gòu)會比較復雜，馮諾依曼結(jié)構(gòu)它就比較簡單，它的數(shù)據(jù)總線和地址總線是采取統(tǒng)一編制的辦法，就是說對我們的RAM和ROM的尋址都可以通過一套總線來進行，它的結(jié)構(gòu)會比較簡單。

有朋友問了，怎么樣區(qū)分這兩種存儲器的結(jié)構(gòu)呢?應該看什么呢?主要是看總線，看是一套總線還是兩套總線，就是說我指的一套總線就是數(shù)據(jù)總線和地址總線，兩套總線就有兩套數(shù)據(jù)總線和地址總線，就是說馮諾依曼結(jié)構(gòu)它是采取的統(tǒng)一的一個數(shù)據(jù)總線和地址總線，可以訪問RAM和ROM，采取的是分時的辦法，哈佛結(jié)構(gòu)的RAM和ROM分別都有地址總線和數(shù)據(jù)總線，這樣的話大家就可以在后面講完51單片機的時候就可以了解51單片機到底是采用哪一種結(jié)構(gòu)，可以先提一下，實際上51單片機大概了解過，51單片機實際上它是RAM和ROM是占用不同的存儲空間，是有不同的物理空間的，就是ROM是一塊的，這個大家前面看計算機的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的時候也發(fā)現(xiàn)，有一片RAM，還有有一塊ROM。

有同學問，那我們的51單片機是不是就是哈佛結(jié)構(gòu)呢?也不見得，實際上51單片機它是一種改進的哈佛結(jié)構(gòu)，這個很多書上講的是不對的，很多書上都說我們的單片機是哈佛結(jié)構(gòu)，但實際上它不是真正的哈佛結(jié)構(gòu)，因為我們知道我們51單片機內(nèi)部的總線實際上就是一套，就是數(shù)據(jù)總線和地址總線，沒有把RAM和ROM分別提供一套數(shù)據(jù)總線和地址總線，就是一套數(shù)據(jù)總線和地址總線，但是它分時復用，而且也是采取統(tǒng)一編制的辦法，它怎么樣區(qū)分RAM和ROM呢?學過匯編的同學知道，它是通過指令來進行區(qū)分的，所以51單片機的存儲空間的結(jié)構(gòu)應該是一種改進型的哈佛結(jié)構(gòu)，但是它也沒有脫離馮諾依曼結(jié)構(gòu)，所以大家要理解這個，因為它是一個發(fā)展趨勢，我們計算機是一個發(fā)展的過程，大家應該去把這個東西大概去了解一下，馮諾依曼結(jié)構(gòu)雖然比較出名，但是實際上哈佛結(jié)構(gòu)的提出是早于馮諾依曼結(jié)構(gòu)的，老的這種計算機的就是馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)，第一臺通用的計算機是1946年的時候提出了一種叫做電子數(shù)字積分的一個計算機，也是第一臺通用的計算機，它的體積比較龐大，它一共占地的話是170個平方，這是很大的空間放了一個計算機，那目前我們用的計算機，大家知道一臺筆記本很小，這個計算機當時發(fā)明的原因，大家可以去看計算機的歷史，主要是為了二戰(zhàn)期間為軍方服務的，實際上剛開始都是為了軍方計算服務的。

哈佛結(jié)構(gòu)的計算機，它的結(jié)構(gòu)也比較大，這個是剛才提到的是霍德華艾肯在1937年的時候進行設(shè)計啊，1944年交付的一臺計算機，叫做馬克一號，它的體積也比較長也比較大，長有50英尺，高8英尺，看上去像一列火車，它主要全部是由繼電器來構(gòu)成的，它一共用了多少個部件來構(gòu)成的?它用了大概有75萬個零部件構(gòu)成了這臺計算機，可以發(fā)現(xiàn)，實際上哈佛結(jié)構(gòu)的計算機是比馮諾依曼要早，但是馮諾依曼，因為它的總線結(jié)構(gòu)比較簡單，所以很容易實現(xiàn)，之后馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)得到很大的發(fā)展，現(xiàn)在我們很多體系結(jié)構(gòu)也都是在馮諾依曼的基礎(chǔ)上和哈佛結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上做了很大的一個改進。

具體來看51單片機的體系結(jié)構(gòu)，51單片機的體系結(jié)構(gòu)剛才提到了，它是一種改進的哈佛結(jié)構(gòu)，它內(nèi)部一共有四個物理的存儲空間，一個叫做片內(nèi)的RAM，一個叫做這個片外的RAM，片內(nèi)的RAM和片外的RAM它有四個存儲空間可以供用戶來使用。

這個就是它的硬件結(jié)構(gòu)圖，需要大家重點掌握的一張圖，這張圖是我們的存儲器空間的結(jié)構(gòu)圖，也需要大家重點掌握，單片機的內(nèi)部的機器硬件結(jié)構(gòu)圖，理解了它的存儲器的分布圖，對計算機才是或者說對單片機才是真正的理解。

既然分成片內(nèi)和片外，首先來看存程序存儲器，程序存儲器的一個主要作用就是存放程序，當然了，除了存放程序之外，我們一般還會把一些常數(shù)表格也存放在程序存儲器當中，因為程序存儲器有一個特點，也就是掉電不丟失，程序存儲器不是不可以寫，只是在程序運行的過程當中，它是只讀不可寫，如果它不可以寫，我們的程序代碼不是要燒寫倒入當中去的嘛，所以它也是可以燒寫進去的，在我們程序，也就是說CPU運行程序的過程當中，它是不可寫的，它是只讀，所以我們才叫做只讀存儲器，只讀存儲器程序運行的過程當中只讀，并且掉電之后程序代碼不丟失，這個叫程序存儲器，它的一個特點大家要注意。

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審核編輯：湯梓紅