1.4 8051微控制器存储器组织

在之前的8051单片机教程中，我们已经了解了8051单片机的介绍与基础知识、引脚图、引脚描述以及架构概述。在本教程中，我们将继续深入探讨8051单片机，通过理解其存储器组织（Memory Organization）、程序存储器（Program Memory，即ROM）、数据存储器（Data Memory，即RAM）以及外部存储器的连接方式。

在之前的教程中提到微处理器与微控制器的区别时，主要区别可以归结为片上存储器（on-chip memory）。微控制器在同一芯片（IC）上集成了程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM），而微处理器需要外部连接存储器模块。

因此，存储器是8051单片机架构（事实上，任何微控制器）的重要组成部分。因此，理解8051单片机的存储器组织至关重要，即存储器是如何组织的，处理器如何访问每种存储器，以及如何将外部存储器与8051单片机连接。

在深入探讨8051单片机存储器组织的细节之前，我们先简要了解计算机架构，然后再继续探讨8051单片机的存储器组织。

计算机架构的类型

本质上，微处理器或微控制器是根据两种类型的计算机架构进行分类的：冯·诺依曼架构（Von Neumann Architecture）和哈佛架构（Harvard Architecture）。

冯·诺依曼架构

冯·诺依曼架构（或普林斯顿架构）是一种计算机架构，在这种架构中，程序（即指令）和数据被存储在同一存储器中，作为存储器组织的一部分。

由于指令存储器和数据存储器是相同的，处理器或CPU无法同时访问指令和数据，因为它们使用同一个总线。

这种架构对系统的性能有严重的限制，因为它在访问存储器时会产生瓶颈。

哈佛架构

与冯·诺依曼架构相反，哈佛架构的存储器组织使用单独的存储器用于指令（程序）和数据。由于在哈佛架构中指令存储器和数据存储器是分开的，它们的信号路径（即总线）也是不同的，因此CPU可以同时访问指令和数据。

几乎所有微控制器，包括8051单片机，都实现了哈佛架构。

8051单片机存储器组织

8051单片机的存储器被分为程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）。8051单片机的程序存储器用于存储要执行的程序，即指令。而数据存储器则用于存储临时变量数据和中间结果。

8051单片机具有内部ROM和内部RAM的存储器组织。如果内部存储器不足，可以通过合适的电路添加外部存储器。

8051单片机的程序存储器（ROM）

在这种8051单片机的存储器组织中，要执行的代码或指令被存储在程序存储器中，这也被称为单片机的ROM。英特尔最初的8051单片机具有4KB的内部ROM。

一些8051的变种，如8031和8032系列，没有任何内部ROM（程序存储器），必须与加载了指令的外部程序存储器连接。

几乎所有的现代8051单片机，如8052系列，都具有8KB的内部程序存储器（ROM），以闪存的形式存在，并提供了重新编程存储器的选项。

在8051的4KB内部ROM存储器组织中，地址空间为0000H到0FFFH。如果地址空间，即程序地址超出这个值，那么CPU将自动从外部程序存储器中获取代码。

为此，外部访问引脚（EA引脚）必须被拉高，即当EA引脚为高电平时，CPU首先从内部程序存储器中获取地址范围为0000H到0FFFFH的指令，如果存储器地址超出限制，则从外部ROM中地址范围为1000H到FFFFH的区域获取指令。

还有另一种获取指令的方式：忽略内部ROM，仅从外部程序存储器（外部ROM）获取所有指令。在这种情况下，EA引脚必须连接到地（GND）。在这种情况下，外部ROM的存储器地址将从0000H到FFFFH。

8051单片机的数据存储器（RAM）

8051单片机的数据存储器或RAM用于存储在单片机正常运行期间生成和使用的临时数据和中间结果。英特尔最初的8051单片机具有128字节的内部RAM。

但几乎所有现代8051单片机的变种都具有256字节的RAM。在这256字节中，前128字节，即从00H到7FH的存储器地址被分为工作寄存器（作为寄存器组组织）、可位寻址区域和通用RAM（也称为暂存区）。

在RAM的前128字节（从00H到7FH）中，前32字节，即从00H到1FH的存储器地址包含32个工作寄存器，这些寄存器被分为四个组，每组有8个寄存器。

这四个组分别命名为Bank0、Bank1、Bank2和Bank3。每个组包含8个寄存器，命名为R0到R7。每个寄存器可以通过名称或地址两种方式来寻址。

要通过名称寻址寄存器，首先必须选择相应的组。为了选择组，我们需要使用程序状态字（PSW）寄存器的RS0和RS1位（RS0和RS1是PSW寄存器中的第3位和第4位）。

当使用地址（例如12H）来寻址寄存器时，相应的组可能被选中，也可能没有被选中。（12H对应于Bank2中的R2）。

接下来的16字节RAM，即从20H到2FH，是可位寻址的存储器位置。总共有128位可以使用00H到7FH单独寻址，或者整个字节可以被寻址为20H到2FH。

例如，在8051单片机的存储器组织中，32H是内部RAM位置26H的第2位。

最后80字节的内部RAM，即从30H到7FH的地址，是通用RAM区域，这些区域是按字节寻址的。

这些低128字节的RAM可以直接或间接寻址。

RAM的上128字节，即从80H到FFH的存储器地址被分配给特殊功能寄存器（SFRs）。SFRs控制8051单片机的特定功能。其中一些SFRs包括I/O端口寄存器（P0、P1、P2和P3）、PSW（程序状态字）、A（累加器）、IE（中断使能）、PCON（电源控制）等。

SFRs的存储器地址只能直接寻址。尽管在80H到FFH之间的一些地址没有分配给任何SFR，但它们不能被用作额外的RAM区域。

在某些微控制器中，还有一个额外的128字节的RAM，它与SFRs共享存储器地址，即80H到FFH。但是，这个额外的RAM块只能通过间接寻址访问。

将外部存储器与8051单片机连接

能够扩展微控制器的能力，无论是存储器、I/O还是其他方面，总是一件好事。这种扩展有助于避免设计瓶颈。我们已经看到，典型的8051单片机具有4KB的ROM和128字节的RAM（大多数现代8051单片机变种具有8KB的ROM和256字节的RAM）。

基于8051单片机的系统设计者并不局限于8051存储器组织中存在的内部RAM和ROM。可以连接多达64KB的程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）。

连接外部程序存储器或ROM的原因是，用高级语言编写的复杂程序往往较大，占用更多存储器。

另一个重要原因是，像8031或8032这样的芯片，它们没有任何内部ROM，必须与外部ROM连接。

最多可以将64KB的程序存储器（ROM）和64KB的数据存储器（RAM）与8051单片机连接。

下图展示了将64KB的外部RAM和64KB的外部ROM与8051单片机连接的方框图。

在将外部存储器与8051单片机连接时，需要记住的一个重要点是，端口0（P0）不能用作I/O端口，因为它将用于复用地址和数据总线（A0-A7和D0-D7）。虽然不总是这样，但端口2可能会用作地址总线的高字节。

在本教程中，我们已经了解了8051单片机的存储器组织，包括程序存储器、