51单片机学习笔记

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#单片机 #学习 #嵌入式硬件 #51单片机 #mcu

于 2024-08-31 19:11:36 首次发布

51MCU

1.1.1初识单片机

单片机又称单片微控制器（Single Chip Microcomputer），采用大规模集成电路技术把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、I/O口、中断系统和定时/计数器等功能部件集成到一块电路芯片上的一个小而完善的计算机系统。

单片机硬件系统

1980年Inter推出的MCS-51系列单片机成为了单片机家族的典型代表。以此为基核，推出很多与MCS-51有极好兼容性的CHMOS单片机。如，宏晶 STC89CXX系列，Atmel AT89CXX系列等

MCS-51单片机内部结构

（1）CPU：中央处理器，由运算器和控制器等部件组成，能够完成运算和控制操作

（2）存储器：51单片机包括空间大小为4KB[可扩展]的片内ROM和空间大小为256B的片内RAM

（3）并行I/O口：51单片机共有4个8位的并行I/O口（P0 P1P2 P3 P4）可独立用于输入和输出控制

（4）定时/计数器：51单片机包括两个16位的定时/计数器。用于定时、延时又可以对外部事件进行计数和检测等

（5）中断控制：51单片机内部含有5个中断源和2个中断优先级，用于满足实时控制的需要。

（6）串行接口：51单片机采用通用异步全双工串行通信接口

引脚及其功能

补充：

控制信号引脚

（1）RST/VPD：RST复位信号输入端。当此端保持两个机械周期以上的高电平时，单片机完成复位操作，VPD为内部RAM的备用输入电源。当VCC断电，可以通过VPD为内部RAM供电，以保证信息的不丢失，且上电后能够正常运行

（2）ALE：地址锁存信号。在访问片外内存时，ALE用于控制P0口输出8位地址送入锁存器锁存起来，以实现地位地址的分时传送。在不访问外部地址时，ALE以1/6晶振频率的固定频率来输出正脉冲，可以作为外部时钟或者外部定时脉冲使用。

（3）/PSEN：外部程序内存读选通信号。在访问外ROM时，PSEN会产生负脉冲信号作为外ROM的读选通信号。

（4）/EA：程序内存的控制信号。当此端保持低电平时，CPU只访问片外ROM，保持高电平时，执行片内ROM指令（除非PC计数值超过0FFFH）

单片机最小系统

（1）电源接口电路：采用+5V供电，接入VCC引脚，同时VSS接地，为了有更好的抗干扰性，一般在VCC和VSS间接入高频和低频滤波电容。

（2）复位电路：复位是指单片机内部各寄存器的值变为初识状态。复位条件：当RST端接入高电平并保持两个机械周期以上时，单片机完成复位操作。复位电路有两种实现方式：

1）上电复位：RST内置下拉电阻，上电瞬间RST和VCC电位相同，随电容充电

，RST端电压逐渐下降，经T=RC后完成复位。

2）按键复位：完成上电复位后，电容充电完成，电路断路，此时RST电位为0，按下开关短路电容，电容放电，RST电压升高，完成复位。

（3）时钟电路：单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益放大器，XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端，只需外接一个晶振和两个电容就可构成自激振荡器。

单片机的时序周期

单片机在CPU的统一指挥下协调工作，CPU根据不同的指令，产生相应的定时信号和控制信号，各部分和各控制信号之间要满足一定的时间顺序

（1）振荡周期（时钟周期）：时钟周期就是为单片机提供定时信号的振荡源的周期，即晶振、RC振荡器等提供给单片机的频率的倒数。时钟周期又可以称为节拍或拍，用P表示。一般来说，提供给51单片机的晶振是12MHz或者11.0592MHz，12MHz的周期就是1/12 us。

（2）状态周期：CPU从一个状态转变到另一个状态所需要的时间为状态周期。两个时钟周期为一个状态周期，可以用S表示。第一个时钟周期（节拍）定义为P1，第二个时钟周期（节拍）定义为P2。

（3）机械周期：计算机完成一次完整的、基本的操作所需要的时间为机械周期。8051规定一个机器周期有6个状态周期，分别表示为S1、S2……S6。一个状态周期包含两个时钟周期，所以一个机器周期包含12个时钟周期，即机器周期是时钟周期的12分频。如果使用12MHz的时钟频率，一个机器周期就是1微秒。

（4）指令周期：执行一条指令所需要的时间为指令周期。指令周期以机器周期为单位，不同的指令按指令周期的不同，分为单机器周期指令，双机器周期指令和四机器周期指令。注意，没有三机器周期指令。对于单机器周期指令来说，如果单片机使用12MHz晶振，那么指令周期就是1us。注意，ARM是没有指令周期这一说法的。

主要用于数据缓冲和中间数据的暂存，RAM使用过程中可以随时写入和读取信息。51单片机内部RAM共256字节（字节地址00H~FFH），可分为3个部分:低128字节RAM(与传统8051兼容)、高128字节RAM(lntel在8052中扩展了高128字节RAM)及特殊功能寄存器区。低128字节的数据存储器既可直接寻址也可间接寻址。高128字节RAM与特殊功能寄存器区貌似共用相同的地址范围，都使用80H~FFH,地址空间虽然貌似重叠，但物理上是独立的，使用时通过不同的寻址方式加以区分。高128字节RAM只能间接寻址，特殊功能寄存器区只可直接寻址一部分可按位寻址。

1）低128字节RAM也称通用RAM区。通用RAM区又可分为工作寄存器组区，可位寻址区，用户RAM区和堆栈区。工作寄存器组区地址从00H~1FH共32B(字节)单元，分为4组(每一组称为一个寄存器组)，每组包含8个8位的工作寄存器，编号均为R0~R7，但属于不同的物理空间。通过使用工作寄存器组，可以提高运算速度。RO~R7是常用的寄存器。程序状态字PSW寄存器中的RS1和RS0组合决定当前使用的工作寄存器组。可位寻址区的地址从20H~2FH共16个字节单元。20H~2FH单元既可向普通RAM单元一样按字节存取，也可以对单元中的任何一位单独存取，共128位，所对应的位地址范围是00H~7FH。位地址范围是00H~7FH，内部RAM低128字节的地址也是00H~7FH:从外表看，二者地址是一样的，实际上二者具有本质的区别:位地址指向的是一个位，而字节地址指向的是一个字节单元，在程序中使用不同的指令区分。内部RAM中的30H~FFH单元是用户RAM和堆栈区。一个8位的堆栈指针(SP)，用于指向堆栈区。单片机复位后，堆栈指针SP为07H，指向了工作寄存器组0中的R7，因此，用户初始化程序都应对SP设置初值，一般设置在80H以后的单元为宜。

2）高128字节RAM（字节地址80H~FFH），在这128个单元中离散分布这若干个特殊功能寄存器（SFR），专用于控制、选择、管理、存放单片机内部各部分的工作状态、条件、状态和结果。

SFR字节地址如果可以被8整除则可按位寻址

常用寄存器介绍

①程序计数器PC：PC是一个16位的计数器，其内容为将要执行的指令地址，寻址范围达64KB。PC在物理上是独立的，不属于SFR。PC没有地址，是不可寻址的，无法进行读写。执行指令时能自动改变内容，以改变程序的执行顺序。单片机上电或复位后，PC=0000H，强制单片机从程序的零单元开始执行程序。

②累加器ACC及B寄存器：ACC寄存器简称A寄存器。常用于存放参加算数或逻辑运算的操作数及运算结果。B寄存器主要用于乘法和除法运算，必须搭配A寄存器使用。

③数据指针DPTR：数据指针(DPTR)是一个16位专用寄存器，由DPL(低8位)和DPH(高8位)组成。DPTR是传统8051机中唯一可以直接进行16位操作的寄存器也可分别对DPL和DPH按字节进行操作。DPTR通常用于存放外部数据存储器的存储单元地址。

④堆栈指针SP：堆栈指针是一个8位专用寄存器。它指示出堆栈顶部在内部RAM块中的位置。系统复位后，SP初始化位07H，使得堆栈由08H单元开始，08H~1FH单元分别属于工作寄存器组1~3，若在程序设计中用到这些区，则最好把SP值改变为80H或更大的值为宜。51系列单片机的堆栈是向上生长的，即将数据压入堆后，SP内容增大。当数据被压栈时，SP+1；数据出栈时SP-1。

⑤I/O口寄存器：P0、P1、P2、P3寄存器，用于锁存通过端口的数据

⑥程序状态字寄存器PSW：