一文详解51单片机的存储器组织结构

程序存储器：

① 用于存放程序(可执行的二进制代码映像文件，包括程序中的数据信息)，还包括初始化代码等固件。

② 为只读存储器。注意，这里的“只读”，是指单片机(CPU)在正常工作时对其的访问方式是只读的;而现在大多数单片机的程序存储器(不管是内部还是外部)都采用了FLASH ROM，来取代以前所用的ROM、E2PROM等，可方便地进行在线编程(ISP)。

③ 标准8051的内部程序存储器大小为4KB(0x0000 ~ 0x0FFF);而具体的51核的兼容单片机的内部ROM大小需要参考其Datasheet，例如P89C51RA2xx的内部程序存储器是8K的Flash。

④ 内部、外部存储器统一编址，在软件设计上(指令系统中)没有差别;是否使用外部程序存储器是通过引脚EA在硬件电路上控制的：不使用外部程序存储器时，EA=0(接地);如果扩展了外部程序存储器，则使EA=1，当寻址到内部存储空间以外时，会自动转向外部程序存储器空间(与扩展外部程序存储器有关的还有PSEN和ALE的时序配合，以及P0和P2口用于地址线)。

[注] 一般直接选用内部程序存储器满足代码大小要求的单片机型号，避免扩展外部存储器，造成系统软硬件设计上的复杂和额外开销。

数据存储器：

为RAM。首先必须要强调的是，不管是物理上还是逻辑上，51单片机的内部、外部数据存储器都在不同的地址空间。两者不是一回事，用途也不一样，访问的指令也不同(内部RAM为MOV指令，外部为MOVX)。

1、内部数据存储器(内部RAM)

相当于内存，为程序(进程)中的变量和常量分配存储空间，掉电后内容消失。

标准8051的内部RAM为256B(0x00 ~ 0xFF)：其中可供用户自由使用的是低128B(0x00 ~ 0x7F)区域，高128B中定义了26B的特殊功能寄存器(SFR)，其余没有定义，因而没有意义。

P89C51RA2xx的片内RAM是512B(片内RAM不等于内部RAM，见释疑2)。

[说明] 关于内部RAM中的SFR，其中不但定义了一些控制字段，还包括累加器(ACC)、程序状态字(PSW)、数据指针(DPTR)、堆栈指针(SP)等，值得注意的是，片上I/O口P0 ~ P3的地址也在这里定义(即有3个特殊功能寄存器的地址实际上是P口的地址)——这是因为51单片机的I/O口与存储器是统一编址的*。

2、外部数据存储器(外部RAM)

上面谈到“I/O口与存储器统一编址”的问题，因此，这里称作外部RAM空间更为合适。在这个64KB地址空间中(0x0000 ~ 0xFFFF)，除了可以扩展外部RAM外，还可以扩展外部I/O设备。

外部RAM主要用于存储程序运行时产生的重要数据(如数据采集结果、数据处理结果、系统日志等)，这时一般需要外加电源进行掉电保护，以在系统掉电时保存其中的数据信息;也可用于数据的暂时存储，供CPU正常读写操作使用。因此外部RAM主要是使用其“可随机访问、读写方便且高速”的特性。

* 所谓I/O口与存储器统一编址，是指I/O口与主存在同一地址空间，将处理器的可寻址存储空间中专门划出一部分地址空间分配给I/O口使用。这与PC机的x86处理器不同，x86体系结构为I/O口专门定义了独立于存储空间之外的地址空间(事实上，除X86外，其他体系结构的处理器都对I/O口与存储器统一编址，可参考《Linux Device Drivers》)。

释疑1：51只有16根地址线，为什么能同时将程序存储器和外部数据存储器都扩展到64KB呢?即外部即有ROM，又有RAM，如何知道访问的是哪个?

在体系结构上，程序存储器和数据存储器是不同的地址空间，两者的访问是不会相互干扰的，这主要是通过在硬件和指令集设计上来实现的。

在硬件上，访问外部ROM是通过EA和PSEN引脚来控制的;访问外部RAM则是通过WR和RD信号来控制的;

在指令集上，访问外部ROM不需要使用显示指令，是通过PC(指令计数器)来控制取指地址的(跳转指令也可能引起PC跳转);而访问外部RAM则需要在程序设计上使用指令MOVX来执行。另外，访问内部RAM则使用了指令MOV，以区分外部RAM的访问。

释疑2：P89C51RA2xx的片内RAM是512B，是如何组织的?

P89C51RA2xx的片内RAM是512B：其中内部RAM为256B(使用MOV指令访问，定义与标准51相同);另外的256B为XRAM(片内的外部数据存储器)，属于外部存储器的范畴，因此用途也同外部RAM，使用MOVX指令访问，当程序中的全局变量或单个局部变量需占较大存储空间时，可以定义为xdata型，保存到XRAM区。注意这个片内的XRAM掉电后其数据也会丢失;另外，如果要扩展外部RAM，则一般是设置XRAM为禁用态。