硬件入门——51单片机

一、基本概念

1. 核心处理器类

CPU（Central Processing Unit)：中央处理器。运算、控制、指挥整个系统，是核心大脑。

MCU（Micro Ctronller Unit)：微控制器。集成度高，将所有功能集成到一块芯片上（CPU、RAM、ROM、timer、UART）。成本低，价格便宜，适合简单控制操作。

MPU（Micro Processing Unit)：微处理器。集成度低，只有一块单独的CPU，需要外接功能模块。成本高，能够实现较复杂的功能，可以搭配Linux操作系统。

GPU（Graphics Processing Unit)：图像处理单元。处理图形数据，图形渲染。

NPU（Neutal Processing Unit）：神经网络处理器。AI推理，硬件加速。

FPU（Float Point Unit）：浮点数单元。完成对浮点数运算。

SOC（System on Chip)：：片上系统，将多个芯片集成到一起。

2. 存储器

RAM（random access memory)：随机访问内存。存放程序运行中的临时变量，掉电数据丢失，读写速度快，价格贵。

ROM（Read-Only Memory）：只读存储器。存放单片机程序、代码、指令，掉电数据不丢失，读写数据速度慢，价格便宜。

3. 内部功能模块

timer:定时器。

interrupt:中断。

UART：串行口。用于和其他芯片通信。

晶振：提供时钟频率。

4. 位运算

|（按位或）
&（按位与）
～（按位取反）

t|=(1<<n)；用途：指定位置一，其余位不变。

t&=～(1<<n)；用途：指定为置零，其余位不变。

5. GPIO

GPIO（Genral Purpose Input Output)：通用目的输入输出。

输出模式：给定引脚电平，控制引脚高低电平的变化。

推挽输出
开漏输出
复用推挽
复用开漏

输入模式：检测引脚电平变化。

上拉输入
下拉输入
浮空输入
模拟输入

二、51单片机的硬件结构

51单片机是一个8位微处理器，片内RAM有256字节。

PDIP40：芯片封装方式，表示双列直插40引脚。

40个引脚分为四组，P0～P3组，每一个组有8个引脚。

网络编号：通过网络编号的引脚在实际电路中彼此连通，代替复杂的连接。

外设寄存器：能够操作硬件，具有固定的地址空间。

三、外部输出设备

1. LED灯

led灯由P2组控制。

核心是发光二极管，阳极接高电平，阴极置低电平led灯亮，置高电平灭。

2. 数码管

51单片机上常用4个数码管，同一时间只能控制一个数码管。

P1组低四位 控制位选（选哪个数码管亮），P0组控制段选（显示什么数字）。

cs 复制代码

//断码表
unsigned char seg_table[]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};
//位选
void Bit_Select(unsigned int n)
{
    P1&=~(0x0F<<0);
	P1|=(1<<n);
}
//段选
void Seg_Select(unsigned int n)
{
    P0=seg_table[n];
}

3. 独立按键

前四个按键由P1高四位控制，最后一个按键有P35控制。

按键初始化：

cs 复制代码

P1|=(0x0F<<4)；
P3|=(1<<5);

4. 蜂鸣器

频率影响音调，振幅影响音量。

有源蜂鸣器：内部会存在震荡源，上电后蜂鸣器会发出固定频率的声音。

无源蜂鸣器：内部不存在震荡源，上电后不会发出声音，需要给定P21一个震荡源（例如PWM）。

四、中断系统

1. 定义

当中央处理器CPU正在处理某件事的时候外界发生了紧急事件请求，要求CPU暂停当前任务，转而去执行这个更为紧急的事件，执行完紧急事件后再回到原来被中断的地方，继续原来的工作，称为中断。

2. 中断源

中断源：打断CPU执行当前任务的源头/事件。

51单片机提供了5个中断源：外部中断0、外部中断1、定时器0、定时器1、串口。

外部中断：引脚电平的变化所引发的中断。

P32对应外部中断0。
P33对应外部中断1。

中断优先级：CPU去执行中断时，会去比较优先级，优先去执行优先级更高的中断。

51单片机最多中断嵌套两层。

3. 中断处理流程：

中断源发出中断请求
检查CPU是否响应中断（总开关）及该中断源是否被屏蔽（子开关）
比较中断优先级
保护现场
执行中断服务函数
回复现场

4. 中断寄存器

4.1 中断允许寄存器IE

控制对中断源的开放和屏蔽。

EA：CPU的总中断允许控制位，B7------中断总开关

EA=1，CPU开放中断。
EA=0，CPU屏蔽所有中断申请。

EX0：外部中断0中断允许位，B0

EX0=1，允许中断。
EX0=0，禁止中断。

4.2 定时器/计数器控制寄存器TCON

TCON为定时器/计数器控制寄存器，也锁存外部请求中断源。

IE0：外部中断0请求源标志，硬件自动置位，用于查询，B1

IE0=1，说明有中断请求。
IE0=0，无中断。

IT0：中断源触发类型，B0

IT0=1，下降沿触发
IT0=0，低电平可触发

5.中断处理函数

中断向量表：本质就是一个数组，数组中存放的是中断服务函数入口地址。

中断向量：本质是一个标号，可以通过标号在中断向量表中找到中断服务函数的入口地址。

中断处理函数后面必须跟中断号（中断向量）。

cs 复制代码

void int0_handler(void)		interrupt 0；
void timer0_handler(void)	interrupt 1；

五、定时器/计数器

定时器的目的：精准的定时。

timer0（计数器T0），timer1（计数器T1）。16位模式定时器（最大值为65535），本质是一个自增型计数器，当定时器加到65535溢出会向CPU发出中断请求。

51单片机中的clock（时钟）控制CPU的工作频率。

以51单片机上12MHZ的晶振为例：

12分频器：fs=12MHZ/12=10^6HZ
时间：T=1/fs=1us

所以51单片机处理一次需要1us，如果希望单片机每隔1ms发送一次中断，可以让定时器计数1000次。

1.定时器相关寄存器

中断允许寄存器IE：

TF0：定时器T0溢出标志，B5，由硬件自动置位。
TR0：控制定时器T0开始计数，B4。TR0=1，允许T0开始计数，TR0=0，禁止计数。

定时器/计数器工作模式寄存器TMOD：

高四位设置T1，低四位设置T0。
M1=0,M0=1，16位定时器，TH存高八位、TL存低八位的工作模式。
cs 复制代码
```
TMOD &= ~(0x0F << 0);
TMOD |= (1 << 0);
TMOD &= ~ (1 << 1);

TH0 = 64535 >> 8;
TL0 = 64535;
```

2. 定时器工作流程：

配置定时器0工作模式(16位)。
向TL0和TH0装入定时器初值。
设置定时器0开始计数。
允许CPU响应所有中断+开启定时器0中断。
当定时器0产生溢出后，向CPU发起中断请求。
CPU执行定时器0中断服务函数。

3.PWM

PWM：脉冲宽度调制。

可以让引脚电平周期性进行翻转，使引脚产生一个方波。

PWM周期：一个PWM方波所经历的时间（从上升沿/下降沿到下一个上升沿/下降沿所经历的时间）。
占空比：高电平在一个周期内所占的比例。

定时器可给51单片机的无源蜂鸣器周期性的传递一个震荡。

已知频率和占空比，由频率得出周期。
高电平时间为周期的一半。
高电平时间除以CPU工作一次的时间可得计数次数，由65535减去技术次数即为初值。
每中断一次就重置初值并翻转电平。