一、嵌入式核心概念定义
嵌入式系统是一种以应用为中心、以计算机技术为基础的专用计算机系统，其软硬件可根据具体需求进行裁剪。核心特点包括：
- 针对性强：针对特定应用场景设计，如工业控制、家电控制等。
- 可定制化：支持软硬件模块化配置，以适应不同性能要求。
二、51单片机基础
51单片机是嵌入式领域的入门级微控制器，起源于Intel的MCS-51系列（1980年推出），核心型号为8051。下面分点介绍其发展、概念和硬件。
（一）发展与型号起源
- 起源：1980年Intel推出MCS-51系列，标志着从MCU向CPU市场的转型。
- 主流衍生型号 ：
- Atmel：AT89C51（经典基础型号）。
- Philip：P89V51（增强型，支持ISP在线编程）。
- STC（宏晶半导体）：STC89C51、STC89C52、STC89C52RC（常用主流型号）。
（二）核心相关概念缩写
以下是嵌入式系统中常见缩写及其定义：
| 缩写 | 全称 | 核心定义与特性 | 应用场景 |
|---|---|---|---|
| MCU | Micro Controller Unit（微控制器） | 集成度高，单芯片集成 CPU、RAM、ROM、IO 控制器、UART 控制器、定时器、中断系统；成本低 | 简单控制场景，如家电控制 |
| CPU | Central Processing Unit（中央处理器） | 核心功能是数据运算、指令处理；性能决定运算速度 | 所有需要数据处理的电子设备核心，如PC |
| MPU | Micro Processing Unit（微处理器） | 集成度低，仅含 CPU 模块；需外接存储、外设；成本高 | 复杂应用，如可运行 Linux 系统的设备 |
| GPU | Graphics Processing Unit（图像处理单元） | 专注图形数据处理、图像渲染；性能决定图像处理质量 | 图像显示、渲染相关设备，如游戏机 |
| NPU | Neural Processing Unit（神经网络处理单元） | 负责 AI 推理、硬件加速、神经网络处理 | AI 相关设备，如华为达芬奇 NPU 用于照片优化 |
| FPU | Float Point Unit（浮点数单元） | 专门完成浮点数运算（遵循 IEEE754 标准），集成在 CPU 内部 | 需浮点数计算的场景，如科学计算 |
| SOC | System On Chip（片上系统） | 将多个功能芯片集成到单块芯片中，集成度极高 | 高端嵌入式设备、智能手机等 |
| ROM | Read-Only Memory（只读存储器） | 存放单片机程序和指令，掉电后数据不丢失 | 存储固定程序、固件 |
| RAM | Random Access Memory（随机访问存储器） | 存放程序运行过程中的变量，掉电后数据丢失；51单片机片内RAM为256byte | 程序运行时的数据临时存储 |
（三）51单片机芯片与开发板
- 常见开发板型号：HC6800-MS、普中51-MS（配套PDF原理图）。
- 核心芯片参数（以STC89C52RC为例） ：
- 封装形式：DIP40（双列直插式）。
- 引脚分组：4组8位引脚（P0_0-P0_7、P1_0-P1_7、P2_0-P2_7、P3_0-P3_7）。
- 引脚特性：相同网络编号的引脚在实际电路中互通，简化连线设计。
三、核心硬件模块
硬件模块是51单片机系统的物理基础，下面介绍常见模块的工作原理。
（一）发光二极管（LED）
- 二极管基础：具有阳极和阴极，遵循单向导通性（电流从阳极流向阴极）。
- 共阳极二极管原理：所有LED阳极连接VCC（高电平），阴极接单片机引脚；当单片机引脚输出低电平时，满足导通条件，LED点亮。
- 硬件形态：常见"水灯"模块（含D1-D7等多个LED），用于视觉指示。
（二）数码管
- 硬件规格：51单片机常用4位共阴极数码管，每位可独立显示0-9等数值，同一时刻仅能点亮1位。
- 显示原理 ：
- 位选：通过NPN三极管基极（P10-P13引脚）输出高电平，选中目标数码管。
- 段选：给对应段引脚输出高电平，点亮数码管对应段（显示特定数值）。
- 动态显示技术：利用人眼视觉暂留效应（余晖效应），快速刷新不同位数码管的显示内容，实现"同时亮"的视觉效果。
- NPN三极管导通条件：基极输入高电平（如P10引脚输出高电平）。
（三）逻辑分析仪
- 功能：以方波形式采集单片机引脚的电平变化，用于调试信号时序。
- 关键参数：24MHz采样率，8通道（CH0-CH7）。
- 连接方式 ：
- 通道连接：通过杜邦线将CH0-CH7与单片机目标引脚连接。
- 共地连接：逻辑分析仪GND与单片机GND通过杜邦线连接。
- 操作流程 ：
- 连接成功标识：显示"Logic 2 [Logic - Connected] [Session 0]"。
- 核心操作：新建调试窗口（Session按钮）、设置通道和速率（Device Setting）、抓取波形（开始按钮）。
四、核心软件知识
软件知识包括位运算和开发流程，是51单片机编程的核心。
（一）位运算（51单片机编程核心）
位运算用于直接操作寄存器位，提高效率。以下是常用运算符：
| 运算符 | 名称 | 核心特性 | 应用场景 | 示例代码 |
|---|---|---|---|---|
| | | 按位或 | 对应位有1则结果为1，全0则0 | 指定位置1，其余位不变 | 将t的bit0置1：`t |
| & | 按位与 | 对应位全1则结果为1，有0则0 | 指定位清0，其余位不变 | 将t的bit2清0：t &= ~(1 << 2); |
| ^ | 按位异或 | 对应位相同则0，不同则1 | 电平翻转 | - |
| ~ | 按位取反 | 对应位bit翻转（0变1，1变0） | - | - |
位运算练习：
-
已知
unsigned char t = 0x64（二进制：01100100_2），将bit0和bit7置1：ct |= (1 << 0) | (1 << 7); // 结果：$11100101_2$ -
已知
unsigned char t = 0xFF（二进制：11111111_2），将bit2和bit6清0：ct &= ~(1 << 2); t &= ~(1 << 6); // 结果：$10111011_2$
（二）51单片机程序开发流程（Keil4+ISP）
开发流程包括环境搭建、工程创建、程序编写、编译和下载。
-
开发环境搭建：
- 安装软件：Keil4（C51V901版本）。
- 核心设置：安装完成后启动uVision4。
-
新建工程：
- 点击 Project → New uVision Project，选择存储目录并命名。
- 选择芯片型号：Atmel → AT89C51。
- 弹出启动代码提示时，选择"否"（不添加标准8051启动代码）。
- 新建.c文件（如main.c），添加到Source Group1目录下。
-
程序编写与编译：
- 编写C语言程序：核心逻辑控制引脚电平，实现硬件功能。
- 编译设置：点击 Options for Target → Output → 勾选"Create Hex File"（生成可下载文件）。
- 点击左上角Build按钮，完成编译（无错误则生成.hex文件）。
-
程序下载（ISP下载）：
- 硬件连接：连接串口线（USB-SERIAL CH340等）。
- 串口确认：在设备管理器中查看串口编号（如COM3）。
- ISP软件操作：
- 打开ISP软件，选择芯片型号（如STC89C52RC）。
- 选择串口端口（如COM3），扫描确认连接。
- 打开编译生成的.hex文件。
- 点击"下载/编程"，同时将开发板复位。
- 验证：观察开发板硬件现象（如LED点亮、数码管显示）。
五、重点考点与核心要求
- 概念区分：CPU、MCU、MPU、GPU、NPU、FPU、SOC的定义与差异（参考第二部分）。
- 硬件核心 ：
- 51单片机片内资源：256byte RAM、ROM功能等。
- 共阳极LED导通原理：输出低电平点亮。
- 4位共阴极数码管的显示原理与动态显示技术。
- NPN三极管导通条件：基极输入高电平。