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由于采用改进型哈佛架构，51单片机具备独立的程序存储器ROM、数据存储器RAM，两者地址空间独立，且独立编址，如下是单片机的存储器结构图。
程序存储器ROM，用于存储用户代码，由于程序计数器PC是16位的，因此系统具备64kB寻址能力，地址空间为0x0000 ~ 0xFFFF，厂商在单片机内部实现一部分程序存储器，例如4kB、8kB，剩余的根据用户需要可以外部扩展。访问程序存储器使用MOVC A, @a + DPTR，MOVC A, @A + PC指令，只能进行读取访问，无法写入。
数据存储器分为RAM和外部RAM，两者地址空间独立，且独立编址。以子系列52为例，由于具备256B寻址能力，编址空间为0x00~0xFF。RAM除了临时存储用户数据外，还用于CPU通用寄存器，位寻址区，堆栈等。可以使用MOV指令对RAM进读写访问。外部RAM具备64kB寻址能力，用于用户临时数据存放，但是需要用户外部扩展。可以使用MOVX指令访问外部RAM，外部RAM访问由地址总线触发，数据总线读写，P0、P2用于生成16地址，P0还时分复用兼用于数据总线。
SFR属于特殊寄存器区，它既不属于ROM，也不属于RAM，地址空间为0x80~0xFF，只能以直接寻址方式访问，是片上外设的核心控制区域和输入输出的咽喉要塞。它是用来配置外设的工作参数的，属于外设寄存器，例如串口波特率、收发控制，定时器定时时间、模式，中断系统中断使能、优先级等。
学习一种单片机或者微控制器，首先了解它的架构、总线结构，然后熟悉存储器映射图、分区，最后详细研究它的片上外设例如UART、Timer、中断系统以及输入输出电路。根据自己的职业，工作类型，研究不同的层次。