8051单片机基础2：内核和存储器（RAM,Flash）架构

参考资料：

① Keil > Help

②《STC单片机原理及应用——从器件、汇编、C到操作系统的分析和设计》何宾著

③《MCS-51系列单片机及其应用（第6版）》孙育才、孙华芳著

在8051单片机架构中，主要包含：

CPU（运算器、控制器）

存储器（内部RAM、扩展RAM、Flash）

特殊功能寄存器

其他：外设、时钟系统等

经典8051单片机内部结构

8051存储器结构和地址空间

一、CPU（运算器、控制器）

运算器和控制器构成了8051中央处理单元（Central Processing Unit， CPU）

1. 运算器

  单片机的运算器主要包括8位算术/逻辑运算部件、累加器A、寄存器B、程序状态寄 存器等。其功能是实现数据的算术/逻辑运算（数据处理）和数据传输等操作。

1）算术/逻辑单元 ALU

  在8051 CPU内的运算器中，最核心的部件就是算术逻辑单元（Arithmetic and Logic Unit，ALU），ALU宽度为8位。它的主要功能是实现8位加、减、乘和除运算，“与”、“或”、“异或”逻辑运算，包括位操作以及循环、清“0”、置“1”、加“1”、 减“1”等若干基本操作。

2）累加器ACC

  累加器（Accumulator，ACC）是一个常用的专用寄存器，指令系统中采用 A 作为累加器的助记符，常用于存放算术或逻辑运算的操作数及运算结果。

3）寄存器B

  寄存器B 在乘除法运算中需要和 ACC 配合使用，其他情况下，B寄存器还可以用作通用暂存寄存器。

4）程序状态字寄存器 PSW

  在程序状态字（Program Status Word，PSW）在 CPU 做算术运算或者逻辑运算时，对应的 PSW 状态位会发生改变。

2. 控制器

1）程序计数器 PC

  程序计数器（Program Counter，PC），用于存放下一条即将从程序存储器中读取的指令的地址，不断地从程序存储器中读取指令代码，从而实现计算机自动而连续地执行指令、运行程序。PC中内容（地址码）的变化决定程序运行的流向。

  程序计数器的宽度为16位，决定单片机对程序存储器可以寻址的范围，即可寻址的程序存储器的容量最大为64KB。

  程序计数器并不能总是让程序地址寄存器递增。这是因为，机器指令可以分成顺序执行和跳转执行两种情况。

2）指令通道

a. 取指单元

  根据PC所指向的存放指令程序存储器的地址，取出指令。8051的机器指令有8位、16位或24位。

b. 译码单元

  根据取出指令的操作码部分，转换成 一系列的逻辑控制序列，这些控制序列将直接控制CPU内的运算单元。

c. 执行指令单元

  根据逻辑控制序列（微指令）所产生的逻辑行为，控制运算器单 元，从而完成指令需要实现的操作行为。

3）双数据指针 DPTR

  双数据指针（DPTR）是一个16位的专用寄存器，由DPL和DPH组成。它的主要功能是用来寻址外部数据存储器的16位地址寄存器，也可寻址存放在64KB程序存储器中固定数据。

4）堆栈指针 SP

  堆栈指针 SP 是一个 8 位专用寄存器，它指示出堆栈顶部在内部 RAM 块中的位置。

二、存储器（内部RAM、扩展RAM、Flash）

  8051架构的单片机存储器主要包括：内部RAM、扩展RAM、特殊功能寄存器和程序存储器Flash。

1. 内部RAM

  内部RAM最大支持256字节的存储空间；读取数据非常快，是因为可以通过8位地址直接访问；

  低128字节可以直接寻址（data），也可以间接寻址（idata）；其中的20H~2FH空间，可以通过位寻址；

  高128字节只能间接寻址；当直接寻址访问时，会自动映射到SFR空间；

  C51编译器提供3种不同的内存类型来访问内部RAM空间：data, idata和bdata；

2. 扩展RAM

  访问扩展RAM区域时，通过一个数据指针寄存器进行间接访问，因此读写速度要比内部RAM区域慢。

  扩展RAM区域最大支持64K字节存储空间，但是这些地址不一定全部用于内存空间，一些8051单片机会把外设地址映射到扩展RAM区域。

  C51编译器提供2中不同的内存类型来访问扩展RAM空间：xdata和pdata：

3. 程序存储器Flash

  8051架构支持最大64K字节的Flash空间。

  程序代码是存储在Flash空间的，8051只能执行存储在Flash中的代码。常数变量也可以存储在Flash空间。

  访问Flash空间的方式是使用MOVC指令间接寻址，不能直接寻址；

三、特殊功能寄存器

  8051架构提供128字节的内存空间给特殊功能寄存器（SFR），SFR 和高 128 字节内部 RAM 共用地址 80H ~ FFH, 只能直接寻址。

  它是多个控制寄存器和状态寄存器的集合，用于对单片机内的各个功能模块进行管理、控制和监视。