学习笔记——嵌入式与51单片机学习

嵌入式与51单片机学习

一、嵌入式系统

1. 核心概念

• 定义：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪的专用计算机系统

• 特点：

  • 专用性强，针对特定应用场景

  • 资源受限（处理器、内存、存储）

  • 实时性要求高

  • 低功耗设计

  • 高可靠性

二、51单片机发展历程

1. 起源

• 1980年：Intel公司推出MCS-51系列（8051型号）

• Intel从MCU市场转型至CPU市场

2. 主要厂商及产品

厂商	代表型号	特点
Atmel	AT89C51	经典兼容型号
Philips	P89V51	增强型，支持ISP在线编程
STC	STC89C51/52/52RC	宏晶半导体，市场主流

三、相关核心概念详解

1. MCU（Micro Controller Unit）

• 中文：微控制器

• 特点：

  • 集成度高，单芯片集成所有功能

  • 包含：CPU、RAM、ROM、I/O控制器、UART、定时器、中断系统

  • 成本低，适用于简单控制任务

2. CPU（Central Processing Unit）

• 中文：中央处理器

• 功能：数据运算、指令处理

• 性能指标：运算速度越快，数据处理能力越强

3. MPU（Micro Processing Unit）

• 中文：微处理器

• 特点：

  • 集成度低，只有CPU核心

  • 需要外接功能模块（存储器、外设）

  • 成本高，适用于复杂应用

  • 可运行Linux等操作系统

4. 其他处理单元

缩写	全称	功能
GPU	Graphics Processing Unit	图形处理、图像渲染
NPU	Neural Processing Unit	AI推理、神经网络加速
FPU	Float Point Unit	浮点数运算处理
SOC	System On Chip	多芯片功能集成到单芯片

5. 存储器类型

• ROM（Read-Only Memory）

  • 只读存储器

  • 存储单片机程序和指令

  • 掉电后数据不丢失

• RAM（Random Access Memory）

  • 随机访问存储器

  • 存储程序运行时的变量

  • 掉电后数据丢失

  • 51单片机典型配置：256字节片内RAM

四、51单片机硬件结构

1. 典型开发板型号

• HC6800-MS

• 普中51-MS

2. STC89C52RC芯片

• 封装：DIP40（双列直插式，40引脚）

• 引脚分组：

  • P0组：P0.0 - P0.7

  • P1组：P1.0 - P1.7

  • P2组：P2.0 - P2.7

  • P3组：P3.0 - P3.7

3. 网络编号

• 原理图中相同网络编号的引脚在电路上相互连通

• 简化电路布线设计

五、发光二极管（LED）原理

1. 二极管基本特性

• 结构：阳极（正极）、阴极（负极）

• 特性：单向导电性

2. 共阳极连接方式

• 接线方式：

  • 所有LED阳极连接到VCC（电源正极）

  • 阴极连接到单片机I/O引脚

• 控制原理：

  • 单片机引脚输出低电平（0）时，LED点亮

  • 单片机引脚输出高电平（1）时，LED熄灭

• 电流方向：从阳极流向阴极，符合单向导电性

六、位运算详解

1. 位运算符及应用

运算符	名称	特性	应用场景
|	按位或	对应位有1则1	指定位置1，其余位不变
&	按位与	对应位都1则1	指定位清0，其余位不变
^	按位异或	相同为0，相异为1	电平翻转、数据加密
~	按位取反	每位bit翻转	求反码、状态反转

2. 位操作技巧

• 置位操作 ：变量 |= (1 << 位置)

• 清零操作 ：变量 &= ~(1 << 位置)

• 翻转操作 ：变量 ^= (1 << 位置)

3. 练习题

1. unsigned char t = 0x64; // 二进制：0110 0100

   • 将bit0和bit7置1：

     t |= (1 << 0) | (1 << 7);

     // 结果：1000 0101 (0x85)

2. unsigned char t = 0xFF; // 二进制：1111 1111

   • 将bit2和bit6清0：

     t &= ~(1 << 2);
     t &= ~(1 << 6);

     // 结果：1011 1011 (0xBB)

七、51单片机开发流程

1. 开发环境搭建

• 软件安装：Keil μVision 4

• 芯片支持：需要安装对应芯片的库文件

2. 工程创建步骤

1. 打开Keil4 → Project → New Project

2. 选择存储路径和工程名

3. 选择芯片型号：Atmel → AT89C51

4. 不添加启动代码（选"否"）

5. 添加源文件到工程

6. 编写程序代码

3. 编译与下载

• 编译设置：

  • 勾选"Create HEX File"

  • 点击Build按钮编译

• 程序下载：

  1. 连接串口线（开发板-计算机）

  2. 查看设备管理器确认COM端口

  3. 打开ISP下载软件

  4. 选择芯片型号和COM端口

  5. 载入生成的HEX文件

  6. 点击下载，复位开发板

  7. 观察硬件运行现象

八、逻辑分析仪使用

1. 硬件连接

• 通道连接：CH0-CH7通过杜邦线连接到待测引脚

• 地线连接：GND连接到单片机GND

• 连接确认：连接成功后软件会显示识别信息

2. 软件操作

• 新建窗口：点击新建调试窗口按钮

• 设备设置：

  • 设置采样通道（选择使用的通道）

  • 设置采样速率（根据信号频率调整）

• 开始采集：点击开始按钮抓取波形

• 波形分析：观察引脚电平随时间变化情况

九、数码管显示技术

1. 数码管基本结构

• 51开发板配置：4位共阴极数码管

• 显示限制：同一时刻只能点亮一位数码管

2. 数码管显示原理

• 共阴极连接：

  • 所有数码管阴极连接在一起接地

  • 阳极通过限流电阻连接到单片机引脚

  • 阳极输出高电平点亮对应段

• 控制流程：

  1. 位选：选择要点亮的数码管位（控制P1.0-P1.3）

  2. 段选：设置要显示的数值（控制对应段引脚）

3. 动态显示技术

• 原理：利用人眼视觉暂留效应（余晖效应）

• 实现方法：

  1. 显示第一位数字，短暂延时

  2. 关闭第一位，显示第二位，短暂延时

  3. 重复快速切换，形成"同时"显示效果

• 刷新频率：通常50-100Hz，避免闪烁

4. NPN三极管驱动

• 导通条件：基极-发射极正向偏置

• 在数码管中的应用：

  • 三极管作为数码管的位选开关

  • 基极接单片机引脚，控制数码管电源通断

  • P1.0-P1.3输出高电平时，对应三极管导通，选中该位数码管

十、重点内容总结

1. 概念区分

• CPU：数据处理核心

• MCU：集成了CPU和外围设备的控制器

• MPU：需要外部扩展的处理器

• GPU/NPU/FPU：专用处理单元

• SOC：片上系统，高度集成

2. 51单片机资源

• 8位CPU核心

• 4KB ROM程序存储器

• 256字节片内RAM

• 32个I/O引脚（4组×8位）

• 2个定时器/计数器

• 1个全双工串口

• 5个中断源

3. LED控制原理

• 共阳极：阳极接VCC，阴极接单片机，低电平点亮

• 共阴极：阴极接GND，阳极接单片机，高电平点亮

4. 位运算应用

• 置位、清零、翻转、状态判断

• 寄存器操作、标志位管理

5. 数码管相关

• 51开发板：4位共阴极数码管

• 显示原理：位选→段选→延时→循环

• NPN三极管：基极高电平导通，用作位选开关

• 动态显示：利用视觉暂留，分时复用显示

6. 开发注意事项

• 程序下载前确认芯片型号和COM端口

• 逻辑分析仪使用时要正确接地

• 数码管动态显示需要合适的刷新频率

• 位运算时注意运算符优先级