51-FORTH（1）： 8051计算机诞生记
一、 是单片机还是计算机？著名的“APPLEII”，其CPU是8位的，主频是1MHz的，标配RAM是16KB的。虽然性能指标如此低，却被尊称为“微型计算机”,其1977年的4KB RAM的首发版售价为1298美元。
对比最新的“AI8051U芯片”即使工作在8BIT模式，其CPU主频也高达40MHz，片上RAM就更高达32KB。而如此高的性能指标，却只能屈尊被称为“单片机”,其某宝零售价仅4元人民币。
如果也能用的“AI8051U芯片”作为CPU造出一台“微型计算机”来，那么这颗划时代的芯片就会开创出另一个“单片计算机”的新时代。要想“用单片机造计算机”，首先要弄清楚“单片机”与“计算机”之间的最本质差别是什么，这差别绝对不是硬件性能上的差异。笔者认为它们之间最本质的差别是“新功能的开发模式”。典型的单片机开发模式是：如果用户要在单片机现有功能的基础上增加新功能，必须在另外的计算机（比如笔记本电脑）上将实现新功能的高级/汇编计算机语言程序用“编译器”编译为CPU可执行机器码（比如HEX烧录文件），然后下载到单片机中，然后单片机才具有新功能。这个单片机开发模式的本质是“编译器软件”（比如Keil的C51）不是在AI8051U芯片上运行的，所以“AI8051U芯片”只能被称为“单片机”。APPLE II微型计算机开发模式是：由于其初期4KB RAM版本上面就安装了“Integer BASIC（由沃兹尼亚克编写，固化在ROM中）”，所以如果用户需要什么新的功能，就可以从键盘上向计算机一行一行地输入BASIC程序，然后计算机中的BASIC语言“编译器（解释型的）” 就开始一行一行地“解释和执行”输入的BASIC程序，然后APPLE II就具有了新功能。这个计算机开发模式的本质是“编译器软件”（Integer BASIC）是在APPLE II上运行的，所以“APPLEII”就能称为是“计算机”。因此区分“单片机”与“计算机”最重要的区别是高级计算机语言的编译器运行在什么地方。比如“树莓派”开发板再小，因为其上面运行了Linux的“GCC”编译器，所以“树莓派”是计算机。
再比如工业单片机控制系统，不管其体积多大，哪怕它还有键盘、鼠标和触摸屏，还是只能称为“单片机”系统。
二、 最小8051单片计算机
FORTH语言是一种高级计算机语言，FORTH系统内含一个解释型的编译器，该解释器对输入的命令和程序进行解释执行。“51-FORTH”是笔者开发的运行在8051单片机上的FORTH系统，51-FORTH系统以HEX格式烧录文件的方式提供，经一次性地用STC-ISP烧录固化到8051单片机的FLASH中，以后每次开机就都会自动运行，无需再次烧录。51-FORTH从单片机的串口1上接收命令或者程序，然后进行解释和执行，实现操作者的目的。要想在运行51-FORTH的单片机上增加新的功能，只需要通过串口1向单片机输入程序，单片机上的51-FORTH就会解释这些程序，生成和保存单片机可以执行的机器码，等以后操作者下命令后执行这些新功能了。按照前面的计算机定义，只需要在8051单片机上安装51-FORTH系统，我们就打造了一台名副其实的“8051计算机”了：8051单片机 + 51-FORTH = 8051计算机下图是笔者制作的“最小8051计算机”系统，系统的硬件仅包括一片“AI8051U单片机”，一个电源开关，一个TTL串口转USB转接口：
由于在这个系统中串口-USB转换器可以看做是计算机的外部设备，因此最小的8051计算机仅包括一片“AI8051U”单片机，因此也可以把“AI8051U”单片机称为“8051单片计算机”，这就是我一直称它开辟了一个8051单片机的新时代的原因之一。最小8051计算机系统的软件有两个“附件1_51_FORTH_V011.rar”和“附件2_超级终端_Win10_EXE.rar”。附件1解压后的“51_FORTH_V011.HEX”是51-FORTH针对“AI8051U”的V0.11学习版本，用STC-ISP软件以8-BIT模式和33.1776MHz的主频烧录到“AI8051U/STC8051U”单片机中即可。以“AIapp-ISP-v6.95E.exe”为例：
附件2解压后的“Hyper Terminal.exe”是一款绿色的Winows超级终端软件，在Win7和Win10上都可以使用。使用时不需要安装，双击该文件名就可以执行了：
按左上角的“+”号，打开8051单片计算机使用的串口：
将串口的波特率设置为9600，然后按打开串口，启动超级终端。超级终端启动后，打开单片机的电源，可以看到51-FORTH系统的启动过程：
51-FORTH的输入提示符为“JL>”，操作者必须等到出现这个提示符后（表示系统当前的任务已经处理完成）才能输入新一行的命令或者程序，操作者按下<CR>回车键后，51-FORTH开始解释执行这一行命令。比如：
上面“HELLO”是51-FORTH命令，执行后再屏幕上显示“Hello, World!”字符串，后面跟的“ok”是命令正常执行的信息。上面“111 222 + .”是51-FORTH程序，计算数字“111”与“222”的加法，然后将结果显示出来。FORTH语言用空格区分程序行的每一个“元素”。这段程序用BASIC语言写出来为“?111+222”，用C语言写出来为“printf(“%d”,111+222);”，对比FORTH，每个语言的特点都很明显了。如果操作者使用的是Linux操作系统，据网络查询说安装“minicom”串口通讯程序也行。51-FORTH区分大小写字母，像上面的“hello”就被51-FORTH认为是错误的，因为它在命令表里找不到这个词，结果就给出出错的提示。
三、 51-FORTH简介
51-FORTH语言是在8051单片机上运行的Forth语言，由标准Forth加8051单片机扩展部分组成。除了标准的Forth语言外，还增加了许多对“AI8051U”单片机的片上设备和GPIO接口的支持功能。Forth是一种非常适合单片机编程的计算机语言。由于Forth最主要的特征是一种交互式的和解释性的高级计算机语言，用户通过文字终端用键盘输入Forth命令和程序，Forth系统对每个输入行中的“Forth字”（用空格分开的语法元素）进行解释，是命令就立即执行，是程序就编译为代码放到内存中等待调用和执行。而所谓Forth编程就是将这些命令和程序写在一个文本文件中，然后调用Forth解释程序来读取这个文本文件，逐行进行解释和执行。按照这个Forth的工作流程，需要不断输入和存放新的命令和程序，因此运行Forth的计算机需要大量的RAM，通常只运行在像PC机这样的数据和程序都放在RAM中的冯诺依曼架构的计算机上，而难运行在将数据分开放到RAM区域和将CODE代码分开放到FLASH区域的哈弗架构的8051单片机上。在51-FORTH项目开始研究时都是用硬件的方式在STC单片机外接SRAM，这个方案的抗干扰能力差，最重要的是无法推荐给广大的普通用户。直到具有32KB的片上的XRAM的AI8051U单片机问世，51-FORTH才可以独立运行在单个单片机上，不再需要其他的硬件支持了。因此，不管是什么样的开发板和实验箱，只要安装的是AI8051U芯片，只要烧录进51-FORTH，就成了一台“8051单片计算机”了，就可以用它来学习和研究Forth语言在51单片机上的应用了。比如“擎天柱核心板”就是一台加强版的“最小8051单片计算机”。由于Forth是一门非常小众的计算机语言，目前的51-FORTH是V0.11学习版，其X51汇编语言功能被限制了，主要提供大家学习了解标准Forth语言用。
附件1：51-FORTH V0.11存在P4~P7端口不能用的BUG
附件2：
版本已更新了
附件3： 51-FORTH V0.21已改正P4~P7端口不能用的BUG
杨为民 发表于 2025-3-30 19:59
这个学习版是十几年前针对IAP15F/STC15W系列的单片机写的，下个版本会用“USB转双串口@AI8H2K12UV-1.1” ...
擎天柱2. USB转单串口
【新提醒】擎天柱2：Ai8051U-LQFP48+Ai8H2K08U-SOP8 转 89C52-DIP40 核心板 V1.0 20241028 - TinyML，Ai8051U 人工智能 开山之作，AI手写计算器 国芯技术交流网站 - AI32位8051交流社区
可能 Ai8051U 实验箱 更合适
深圳国芯人工智能有限公司-实验箱
https://www.stcaimcu.com/data/do ... E%B1AI8051U-SCH.pdf
STC的“AI8051U芯片”作为CPU打造一台“微型计算机”，首先需要明确的是，单片机与微型计算机的界限并非仅由硬件性能决定，而是由其应用场景和系统架构所定义。AI8051U芯片虽然在主频和RAM上远超早期的APPLE II，但其设计初衷仍是面向嵌入式应用，而非通用计算。因此，要将其升级为“微型计算机”，需在以下方面进行系统性优化：<br><br>1. 外设扩展：增加显示器、键盘、存储设备等标准外设接口，使其具备完整的输入输出能力。<br>2. 操作系统：移植或开发轻量级操作系统，支持多任务管理和文件系统，提升用户体验。<br>3. 软件生态：构建编译器、开发工具链和应用软件库，形成完整的开发生态。<br><br>若成功实现，AI8051U芯片将不仅是一颗高性能单片机，更可能成为“单片计算机”的开创者，推动嵌入式系统向更广阔的应用领域发展。然而，这一过程需克服技术壁垒和成本挑战，才能真正实现从“单片机”到“微型计算机”的跨越。<br><br>[本文内容由国芯人工智能辅助生成，仅供参考] 有补充帖子发表：
Ai8051U单片机（11）：AI8051U=“AI单片计算机”？--看见更大的世界
https://www.stcaimcu.com/forum.php?mod=viewthread&tid=16501
(出处: 国芯技术交流网站)
可惜Forth语言还是太小众了哇 前排学习 小涵子爸爸 发表于 2025-3-25 08:22
可惜Forth语言还是太小众了哇
Forth语言在单片机应用中具有以下优势：
1. 资源效率高：
- 占用内存小，适合资源受限的单片机系统
- 执行速度快，接近汇编语言的性能
2. 交互式开发：
- 支持实时编程和调试，无需完整的编译-下载-运行周期
- 可以在运行时修改和测试代码，加快开发速度
3. 直接硬件控制：
- 可以直接访问和控制硬件寄存器
- 适合底层驱动程序和硬件抽象层的开发
4. 模块化和可扩展：
- 易于创建和管理代码库
- 可以根据项目需求定制语言特性
5. 代码复用性高：
- 通过定义新的词（函数）来扩展语言功能
- 鼓励创建可重用的代码块
6. 适合实时系统：
- 具有可预测的执行时间，适合实时控制应用
- 支持中断处理和多任务操作
7. 自举能力：
- Forth解释器可以在目标硬件上运行
- 支持在单片机上进行交互式编程和调试
8. 跨平台性：
- Forth程序易于移植到不同的硬件平台
- 减少跨平台开发的工作量
9. 学习曲线相对平缓：
- 语法简单，核心概念少
- 适合快速上手和原型开发
10. 适合特定领域应用：
- 在仪器控制、数据采集等领域有独特优势
- 适合需要频繁修改和调整的应用场景
这些优势使Forth在某些单片机应用中成为一个有吸引力的选择，特别是在资源受限、需要快速开发或频繁调试的场景中。
杨老师，建议把通讯用的串口改为别的引脚或者USB-CDC串口，这样就可以在擎天柱上玩了。
是否需要我们在 AIapp-ISP 中增加啥功能，就可以玩了
或者在我们的暂时未正式发布的 IDE 中增加啥功能，就可以玩了
ercircle 发表于 2025-3-30 16:19
杨老师，建议把通讯用的串口改为别的引脚或者USB-CDC串口，这样就可以在擎天柱上玩了。
这个学习版是十几年前针对IAP15F/STC15W系列的单片机写的，下个版本会用“USB转双串口@AI8H2K12UV-1.1”来增加一个专用的串口。
我的硬件能力不够，要是谁能把擎天柱和这个双串口做在一块主板上，那么这将是第一台“双CPU（不是双核）单片微型计算机”了。
神农鼎 发表于 2025-3-30 18:08
是否需要我们在 AIapp-ISP 中增加啥功能，就可以玩了
或者在我们的暂时未正式发布的 IDE 中增加啥功能，就 ...
（1）DOS环境、LINUX命令窗口模式的用户输入都是基于“一个一个敲字符”的输入模式：意思是用户每敲一个键，操作系统就要响应，判断需要怎么处理，比如用户按了“退格键”。
（2）AIapp-ISP和串口助手是基于“行发送”的工作模式：用户在发送窗口中编辑（比如使用退格键和复制粘贴）好了“一行字符串”，然后再“全速”发送出去。
（3）51-FORTH目前版本是模仿DOS命令行方式：一个字符一个字符地接收，直到检测到<CR>回车符，再将这一行命令进行解释执行。
（4）由于51-FORTH目前版本的串口1接收没有使用中断模式，纯粹是软件循环检测上位机发来的字符，然后处理完这个字符再接收下一个字符。所以用现在的AIapp-ISP就会出现丢字符现象，甚至连<CR>回车都丢掉。相信大家已经观察到这个现象了。
（5）目前AIapp-ISP解决的方法是增加一个“字符发送间隔”的选项框即可，选择每“100毫秒”间隔发送一个发送窗口里的字符（模拟人工每秒10个字符的手速）就可以了。用户选择“0毫秒”间隔，则就按照现在的全速发送就好了。
（6）由于将来“非最小的8051单片微型计算机”可能会有键盘和TFT显示屏，因此51-FORTH会一直保持这种“DOS/LINUX 命令行方式：一个字符一个字符地接收命令”的人机交互模式。
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