第一章 单片机概述
单片机的概念
单片机
- 20世纪70年代问世
- 嵌入式控制器
- 微控制器
半导体硅片集成
CPU
存储器
并行/串行I/O
定时器/计数器
中断系统
系统时钟电路
系统总线
属性
微型计算机
应用
测控
分类
按用途
通用型 可开发资源全部给用户
专用型 特定用途
按处理二进制位数
4位
8位
16位
32位
发展历史
四个阶段
第一阶段（1974年 ～ 1976年）
初级阶段
莫斯特克公司&仙童公司 -> 8位 F8（8位CPU、64B RAM、2个并行口）
第二阶段（1976年 ～ 1978年）
低性能单片机阶段
1976年 Intel -> 8位 MCS-48
1977年 GI -> PIC1650
第三阶段（1978年 ～ 1983年）
高性能单片机阶段
1978年 Zilog -> Z8
1980年 Intel -> MCS-51
Mortorola -> 6801
第四阶段（1983年 ～ 现在）
8位单片机巩固发展，16位、32位单片机推出阶段
16位 Intel -> MCS-96系列
20世纪90年代 新型高集成度的单片机
单片机的特点
- 体积小、价格低、应用方便、稳定可靠
- 集成电路、微型计算机、易嵌入系统
- 增加外围扩展电路，可灵活构成各种应用系统
- 用于工业自动化等
单片机的应用
- 工业检测与控制
- 机电一体化技术
- 机器人技术
- 仪器仪表
- 自动化、数字化、智能化、多功能化
- 消费类电子产品
- 通信
- 武器装备
- 终端及计算机外部设备
- 汽车电子设备
- 分布式多机系统
单片机的发展趋势
多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、低价格、大容量、外围电路内装化
CPU
数据总线宽度（8 16 32）
双CPU
存储器
片内程序存储器 闪存
加大存储容量
片内I/O
并行口驱动能力
特殊串行I/O功能 分布式、网络化系统
低功耗化
CMOS
等待状态、睡眠状态、关闭状态
外围电路内装化
系统单片化
编程、仿真简单化
在线编程/在系统编程 ISP
在应用编程 IAP
MCS-51 系列与 AT89C5x 系列单片机
MCS-51 系列
- Intel
- 最早进入我国
低功耗型 80C31/80C51/87C51
基本型 8031/8051/8751
8031
8位 CPU
128B RAM
21个 SFR
4个8位并行I/O口
1个全双工串行口
2个16位定时器/计数器
5个中断源
片内无程序存储器，需外扩程序存储器芯片
8051 4KB ROM 程序存储器
8751 4KB EPROM 程序存储器
增强型 8032/8052/8752
8052
256B RAM
8KB ROM
3个16位定时器/计数器
6个中断源
5倍串行口通信速率
第二章 AT89S51 单片机的硬件结构
硬件组成
功能部件
微处理器 CPU
8位
运算器、控制器
位处理功能
数据存储器 RAM
128B RAM（52 -> 256B）
片外 64KB
程序存储器 ROM
4KB Flash ROM（AT89S52 -> 8KB，AT89C55 -> 20KB）
片外 64KB
中断系统
5个中断源、5个中断向量
2级中断优先权
定时器/计数器
2个16位、可编程（52 -> 3个）
4种工作方式
串行口
通用异步收发传输器（UART）
1个、全双工、异步
4种工作方式
串行通信、扩展并行I/O口、构成多机通信系统
并行I/O口
4个8位、可编程
P0口、P1口、P2口、P3口
特殊功能寄存器 SFR
26个
管理、控制和监视
控制寄存器、状态寄存器
映射片内 RAM 区 80H ～ FFH 内（128B）
看门狗定时器 WDT
1个
程序死循环或跑飞时恢复
低功耗模式
空闲模式
掉电模式
掉电状态下的中断恢复模式
3个程序加密锁定位
程序跑飞原因
- 意外中断
- 地址溢出
- 死循环
- 堆栈溢出
与AT89C51比的优点
- 在系统编程（ISP）字节和页编程，灵活调试程序
- 2个数据指针，便捷 RAM 访问
- 看门狗定时器，提高抗干扰能力
- 增加断电标志
- 增加掉电状态下的中断恢复模式
特性
- 基本结构
- 传统微机结构 CPU+外围芯片
- CPU 对功能部件的控制
- 集中控制方式
- 特殊功能寄存器
引脚功能
40 只引脚双列直插
电源引脚
VCC 40 +5V
VSS 20 数字地
时钟引脚
XTAL1 19 外部晶振
振荡器和时钟输入端
振荡器 外接石英晶体和微调电容
外部时钟 外接时钟信号
XTAL2 18
振荡器输出端
振荡器 外接石英晶体和微调电容
外部时钟 悬空
控制引脚
RST（RESET）9
>2个机器周期高电平 -> 复位
<=0.5V -> 正常工作
看门狗溢出 -> 输出 96 个时钟振荡周期高电平
EA*/VPP 31
EA* 外部程序存储器访问允许
EA*=1 小内大外
PC<=0FFFH 读片内 4KB
PC>0FFFH 读片外 60KB（1000H ~ FFFFH）
EA*=0 只读外
读片外 64KB（0000H ~ FFFFH）
4KB Flash 无效
VPP 片内 Flash 编程电压（5/12V）
ALE/PROG* 30
ALE
外部存储器低八位地址锁存控制信号
正常工作 正脉冲输出 f=f(晶振)/6
访问外部 丢失一个 ALE 脉冲
禁止位不影响外部存储器访问
PROG* 片内 Flash 编程脉冲输入
PSEN* 29
片外程序存储器读选通信号
低有效
并行I/O口引脚
P0口 漏极开路的双向I/O口（不能输出高电平）
通用I/O口
准双向口
外加上拉电阻
作输入先写1
8个LS型TTL负载
外扩存储器 I/O接口芯片
双向三态I/O口
低8位地址总线及数据总线
分时复用（ALE 控制）
P1口
通用I/O口
准双向口
内有上拉电阻
作输入先写1
4个LS型TTL负载
P1.5/MOSI P1.6/MISO P1.7/SCK
片内 Flash 串行编程和校验
串行数据输入 输出 移位脉冲
P2口
通用I/O口
准双向口
内有上拉电阻
作输入先写1
4个LS型TTL负载
外扩存储器 I/O接口芯片
高8位地址总线
P3口
通用I/O口
准双向口
内有上拉电阻
作输入先写1
4个LS型TTL负载
第二功能见表
CPU
运算器
ALU
8位
算术运算
逻辑运算
位操作
累加器 A
8位
寄存器
汇编有时写为 Acc
ALU 输入输出
瓶颈堵塞 -> 不经过累加器的传送指令
Cy
进位标志
位处理机位累加器
程序状态寄存器 PSW
SFR D0H
Cy Ac F0 RS1 RS0 OV - P
Cy 进位标志位
1 进位/借位
位处理机位累加器
Ac 辅助进位标志位
BCD 码（8421 余三码）
1 D3向D4进位/借位
F0 用户设定标志位
自定义 flag
RS1 RS0 选择工作寄存器区
共4组
00H～07H +8*4
OV 溢出标志位
1 溢出
- 保留位
P 奇偶标志位
累加器A中1的个数
1 奇数
0 偶数
控制器
任务
识别指令（指令读入、译码、执行）
控制功能部件（定时、逻辑）
程序计数器 PC
16位计数器
不可直接访问
复位 -> 0000H
PC内容变化轨迹
顺序执行 +1
转移程序、子程序、中断子程序 =目标地址
PC计数宽度
程序存储器 ROM 地址范围
16位 -> 64KB（2^16B）
存储器
哈佛结构
程序存储器与数据存储器分离
存储器空间
程序存储器
片内外访问EA*决定
1 地址决定内外
0 只读片外 忽略片内
片内
4KB Flash
0000H ~ 0FFFH
片外
扩展至 64KB
0000H ~ FFFFH
16位地址线
中断程序入口（5条跳转指令）
外部中断0 0003H
定时器T0 000BH
外部中断1 0013H
定时器T1 001BH
串行口 0023H
0000H
PC复位值
存放主程序入口跳转指令
数据存储器
片内 00H ~ 7FH
128B RAM
00H ~ 1FH
32字节
4组通用工作寄存器区
RS0 RS1选择
20H ~ 2FH
16字节
16*8=128位可位寻址/字节寻址
30H ~ 7FH
数据，堆栈
片外
扩展至 64KB
低128B地址相同，访问指令不同
特殊功能寄存器 SFR
26个
片内RAM 80H ~ FFH
比AT89C51新增5个
DP1L DP1H AUXR AUXR1 WDTRST
位寻址
末位0H 8H
读/写未定义 -> 随机数
SP 堆栈指针
指向堆栈顶部在 RAM 中的地址
复位 07H 一般改为 >60H
堆栈
子程序调用
中断操作
保护断点和现场
现场 寄存器内容
B 乘除 辅助寄存器
A 乘数 被除数 商
B 乘数 乘积 除数 余数
AUXR 辅助寄存器
- - - WDTDLE DISRTO - - DISALE
DISALE ALE脉冲控制
0 ALE发出脉冲
1 不访问外部存储器时，ALE不输出脉冲信号
DISRTO WDT溢出时复位输出控制
0 WDT溢出时，RST输出一个高电平
1 禁止WDT，RST仅作输入
WDIDLE WDT空闲模式控制。
0 计数；
1 暂停计数
AUXR1 辅助寄存器
- - - - - - - DPS
DPS 数据指针寄存器选择
0 DPTR0
1 DPTR1
DPTR0 DPTR1 数据指针寄存器
复位 选DPTR0
作16位/两个8位
WDT 看门狗寄存器
14位计数器
定时器复位寄存器 WDTRST
位地址
211个可寻址位
00H ~ FFH
片内 RAM
128位 20H ~ 2FH
SFR
83位
RAM 128位 + SFR 83位
并行I/O端口
P0口
外扩RAM I/O 地址/数据总线
否则 通用I/O
复用地址/数据总线
连接外部扩展的存储器和I/O连接
输出低8位地址
输出/输入8位数据
双向端口
通用I/O
外加上拉电阻
准双向口
P1口
通用I/O
输出口
不用外加上拉电阻
输入口
读锁存器 Q
读引脚 引脚电平
向锁存器写1
准双向口
P2口
双功能口 不可兼用
地址总线口
输出高8位地址
输出锁存器内容不变
通用I/O
准双向口
同P1
P3口
第二功能
输出 锁存置1
输入 锁存和第二功能输出均置1
读引脚
通用I/O
输出 第二功能输出置1
输入 锁存和第二功能输出均置1
读引脚
机器周期、指令周期、指令时序
时钟周期
T=1/f(晶振)
机器周期
T=12*T(时钟)
CPU基本操作时间
6个状态 每个两拍
计数周期
指令周期
一条指令所需时间
单双字节指令 单双机器周期
三字节指令 双机器周期
乘除指令 4机器周期
低功耗节电模式
工作模式
空闲模式
关闭CPU时钟信号
CPU 空闲
振荡器工作
外围电路工作
WDT受WDIDLE控制
其他寄存器 RAM 保持之前状态
退出
响应任一中断
硬件复位
掉电保持模式
后备电源供电
所有部件停止
WDT停止
RAM SFR 内容保留
退出
硬件复位（复位SFR 不改RAM）
外部中断
PCON 寄存器
SMOD - - - GF1 GF0 PD IDL
SMOD 串行波特率选择
GF1 GF0 通用标志位 flag
PD 1 进入掉电保持模式
IDL 1 进入空闲模式
@[TOC]
第三章 C51语言编程基础
C51与C差异
库函数
数据类型
变量存储模式
数据存储类型
内部存储区
data idata bdata
外部存储区
xdata pdata
程序存储区（内外）
code
中断函数
输入输出
串口初始化
头文件
不能递归
C51基础
数据类型
扩展的4种不能用指针
bit
1/0 true/false
bit bit_name
不能定义指针和数组
只能为 data idata
sfr
sfr地址声明
sfr sfr_name = sfr_addr
sfr16
声明两字节sfr
sfr16 sfr_name = sfr_low_addr
sbit
声明sfr的可位寻址位
sbit sbit_name = sfr_name^[0~7]
sbit sbit_name = sbit_addr
存储类型
缺省用默认
data
idata
bdata
xdata
pdata
存储模式（编译模式）
变量传递单一/混合
SMALL
默认 data
COMPACT
默认 pdata
LARGE
默认 xdata
SFR
直接寻址
位定义
sbit sbit_name sfr_name^index
sbit sbit_name sfr_addr^index
sbit sbit_name sbit_addr
头文件#include <REGX51.H>
绝对地址访问
绝对宏
#include <absacc.h>
CBYTE/WORD
DBYTE/WORD
XBYTE/WORD
PBYTE/WORD
#define ADDR_NAME ADDR_TYPE[abs_addr]
_at_
全局变量
[data_type] type 变量 _at_ abs_addr
字节/字寻址由 type 决定
变量可为数组，表示指定起始位置
指针
基于存储器的指针
1/2字节 储存地址
type data_type *[point_data_type] point_name*
[point_data_type] type data_type *point_name*
指向 type 类型变量，变量存储类型为 data_type，指针存储类型为 point_data_type
一般指针
3字节 存储器类型 偏移量高位 偏移量低位
存储器类型
idata/data/bdata 0x00
xdata 0x01
pdata 0xFE
code 0xFF
type *point_name
常数指针
直接给指针字节赋值
编译器不检查
#define XBYTE ((char*)0x10000L)
指针存储器类型 01
偏移量高位 00
偏移量低位 00
函数
中断服务函数
关键字 interrupt
不考虑现场保护/恢复等
fon_type fon_name (形参列表) interrupt n [using m]
n 0~4 五个中断
m 0~3 四个工作寄存器组 -> 压栈保护
第五章 与显示器、开关、键盘接口设计
发光二极管
二极管
工作电流 1~5mA
内阻 20~100Ω
供电电压 +5V
限流电阻 1~3kΩ
连接
较大驱动能力 -> 低电平输出
P1 P2 P3
低电平驱动
高电平驱动 -> 驱动电路
开关
判断开关状态 -> 读端口电平
LED 数码管
共阴极 共阳极（使用）
字形码/段码
显示模式
静态
同时显示
各自 a~dp 连接 8个I/O口
n位 n*8组I/O口
无闪烁，亮度高，易控制
动态
位选 段码
快速切换位选，暂留同时亮假象
// 共阴极：位选低电平（即0）有效，段选为高电平（即1接+5V时）选中各数码段（0~f）
// 共阴段选表，无小数点
unsigned char code seg[16] = {0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 0x7f, 0x6f, 0x77, 0x7c, 0x39, 0x5e, 0x79, 0x71};
// 共阴段选表，有小数点
unsigned char code seg[16] = {0xbf, 0x86, 0xdb, 0xcf, 0xe6, 0xed, 0xfd, 0x87, 0xff, 0xef, 0xf7, 0xfc, 0xb9, 0xde, 0xf9, 0xf1};
// 共阴位选表，8个
unsigned char code idx[8] = {0xfe, 0xfd, 0xfb, 0xf7, 0xef, 0xdF, 0xbF, 0x7F};
// 共阳极：位选高电平（即1）有效, 段选为低电平（即0接地时）选中各数码段（0~f）
// 共阳段选表，无小数点
unsigned char code seg[16] = {0xc0, 0xf9, 0xa4, 0xb0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xf8, 0x80, 0x90, 0x88, 0x83, 0xc6, 0xa1, 0x86, 0x8e};
// 共阳段选表，有小数点
unsigned char code seg[16] = {0x40, 0x79, 0x24, 0x30, 0x19, 0x12, 0x02, 0x78, 0x00, 0x10, 0x08, 0x03, 0x46, 0x21, 0x06, 0x0e};
// 共阳位选表，8个
unsigned char code idx[8] = {0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80};
LED 点阵显示器
图文 视频
键盘
键盘分类
非编码键盘
直接与单片机相连
按键少
健号由软件获取
独立式键盘 矩阵式键盘
键号软件读取
分类
独立式键盘
一个按键一个I/O口
按下 -> 低电平
检测
查询
中断
while 循环，响应中断，获得键值，处理函数
矩阵式键盘
检测
查询
行线置0，列线置1
扫描方式
查询扫描
定时扫描
T<100ms
中断扫描
按下 -> 发送中断请求信号
按键开关
分类
有触点开关键盘
触摸，按键式
无触点按键
特点
按钮两端在行线、列线上
任务
判断是否有键按下
检测行线高/低电平
消除抖动
软件延时
接口芯片
判断哪个键
进入对应程序
第六章 中断系统
中断技术概述
中断技术消除查询等待时间，提高效率和实时性
中断系统结构
5中断源
外部中断
低电平/负跳变有效
中断引脚 INT0/INT1
中断标志 IE0/IE1
定时器/计数器溢出中断
中断标志
T0 TF0
T1 TF1
串行口中断
中断标志
发送中断 TI
接收中断 RI
2种优先级
可嵌套
同级不打断
中断请求标志寄存器
定时器/计数器控制寄存器 TCON
SFR 88H
TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0
复位时五个中断标志位均为零，无中断
TF1 定时器/计数器T1溢出中断请求标志
1 中断
0 响应中断后硬件/软件清零
TF0 定时器/计数器T0溢出中断请求标志
IE1 外部中断请求1中断请求标志位
1 中断
0 响应后硬件清零
IE0 外部中断请求0中断请求标志位
IT1 外中断请求1触发方式
0 电平触发？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？
1 负跳变触发
IT0 外中断请求0触发方式
串行口控制寄存器 SCON
SFR 98H
- - - - - - TI RI
TI 串行口发送中断请求标志
1 中断 硬件自动置1
CPU -> 1B数据 -> SBUF -> 发送1帧数据 -> 置TI为1
0 中断服务程序中指令清零
RI 串行口接收中断请求标志
1 中断 硬件自动置1
接收1帧数据 -> 置RI为1
0 中断服务程序中指令清零
中断允许与中断优先级
中断允许寄存器 IE
SFR A8H
EA - - ES ET1 EX1 ET0 EX0
复位清零，禁止中断
EA 总中断开关
0 屏蔽所有中断请求
1 开中断
ES 串行口中断
ET1 定时器/计数器T1溢出中断
EX1 外部中断1
ET0 定时器/计数器T0溢出中断
EX0 外部中断0
中断优先级寄存器 IP
SFR B8H
- - - PS PT1 PX1 PT0 PX0
复位清零，均为低级
PS 串行口中断优先级
0 低级
1 高级
PT1 定时器/计数器T1溢出中断优先级
PX1 外部中断1优先级
PT0 定时器/计数器T0溢出中断优先级
PX0 外部中断0优先级
同级查询顺序
外部中断0
T0溢出
外部中断1
T1溢出
串行口中断
中断响应条件
响应的必要条件
EA=1
中断标志=1
中断允许位=1
无同级或高级中断在处理
中断封锁条件
有同级或更高级中断在处理
查询的机器周期是不是最后一个机器周期
正在执行的指令是RETI或访问IE IP
RETI 2机器周期
还原PC
清除优先级激活触发器
访问IE IP 中断允许与响应冲突
中断响应
硬件生成长调用指令
PC入栈
PC=中断入口地址 8*n+3
外部中断0 0003H
T0溢出 +8
外部中断1 +8
T1溢出 +8
串行口中断 +8
中断响应时间
置中断标志位中断响应8机器周期
3
最短 3机器周期
查询标志位 1
长调用 2
最长 8机器周期
RETI或访问IE IP 2
乘除指令 4
长调用 2
外部中断
电平触发
低电平有效
提高响应速度
中断服务结束前必须撤销
跳沿触发
负跳变
负脉冲保持1机器周期
中断请求撤销
定时器/计数器
硬件自动清零，自动撤销
外部中断
电平方式
中断标志位自动清零
修改引脚电平，手动改为高电平
跳沿方式
中断标志位清零 IE0 IE1 硬件自动清零
外中断信号撤销，脉冲结束，自动撤销
中断函数
中断服务函数
void 函数名() interrupt m using n
m 中断号 0~4
n 工作寄存器组 0~3
不能直接调用
其调用的函数所用寄存器区应与中断函数不同