單片機知識（一）

1、何謂單片機一臺能夠工作的計算機要有這樣幾個部份構成：CPU（進行運算、控制）、RAM（數(shù)據(jù)存儲）、ROM（程序存儲）、輸入/輸出設備（例如：串行口、并行輸出口等）。在個人計算機上這些部份被分成若干塊芯片，安裝一個稱之為主板的印刷線路板上。而在單片機中，這些部份，全部被做到一塊集成電路芯片中了，所以就稱為單片（單芯片）機，而且有一些單片機中除了上述部份外，還集成了其它部份如A/D，D/A等。

天！PC中的CPU一塊就要賣幾千塊錢，這么多東西做在一起，還不得買個天價！再說這塊芯片也得非常大了。

不，價格并不高，從幾元人民幣到幾十元人民幣，體積也不大，一般用40腳封裝，當然功能多一些單片機也有引腳比較多的，如68引腳，功能少的只有10多個或20多個引腳，有的甚至只8只引腳。

為什么會這樣呢？

功能有強弱，打個比方，市場上面有的組合音響一套才賣幾百塊錢，可是有的一臺功放機就要賣好幾千。另外這種芯片的生產(chǎn)量很大，技術也很成熟，51系列的單片機已經(jīng)做了十幾年，所以價格就低了。

既然如此，單片機的功能肯定不強，干嗎要學它呢？

話不能這樣說，實際工作中并不是任何需要計算機的場合都要求計算機有很高的性能，一個控制電冰箱溫度的計算機難道要用PIII？應用的關鍵是看是否夠用，是否有很好的性能價格比。所以8051出來十多年，依然沒有被淘汰，還在不斷的發(fā)展中。

2、MCS51單片機和8051、8031、89C51等的關系

我們平常老是講8051，又有什么8031，現(xiàn)在又有89C51，它們之間究竟是什么關系?

MCS51是指由美國INTEL公司（對了，就是大名鼎鼎的INTEL）生產(chǎn)的一系列單片機的總稱，這一系列單片機包括了好些品種，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的產(chǎn)品，該系列其它單片機都是在8051的基礎上進行功能的增、減、改變而來的，所以人們習慣于用8051來稱呼MCS51系列單片機，而8031是前些年在我國最流行的單片機，所以很多場合會看到8031的名稱。INTEL公司將MCS51的核心技術授權給了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051為核心的單片機，當然，功能或多或少有些改變，以滿足不同的需求，其中89C51就是這幾年在我國非常流行的單片機，它是由美國ATMEL公司開發(fā)生產(chǎn)的。以后我們將用89C51來完成一系列的實驗
單片機的內(nèi)部、外部結構(一)

一、單片機的外部結構
拿到一塊芯片，想要使用它，首先必須要知道怎樣連線，我們用的一塊稱之為89C51的芯片，下面我們就看一下如何給它連線。 1、電源：這當然是必不可少的了。單片機使用的是5V電源，其中正極接40引腳，負極（地）接20引腳。 2、振蒎電路：單片機是一種時序電路，必須提供脈沖信號才能正常工作，在單片機內(nèi)部已集成了振蕩器，使用晶體振蕩器，接18、19腳。只要買來晶振，電容，連上就可以了，按圖1接上即可。 3、 復位引腳：按圖1中畫法連好，至于復位是何含義及為何需要復要復位，在單片機功能中介紹。 4、 EA引腳：EA引腳接到正電源端。至此，一個單片機就接好，通上電，單片機就開始工作了。

二、 任務分析
我們的第一個任務是要用單片機點亮一只發(fā)光二極管LED，顯然，這個LED必須要和單片機的某個引腳相連，否則單片機就沒法控制它了，那么和哪個引腳相連呢？單片機上除了剛才用掉的5個引腳，還有35個，我們將這個LED和1腳相連。（見圖1，其中R1是限流電阻）

按照這個圖的接法，當1腳是高電平時，LED不亮，只有1腳是低電平時，LED才發(fā)亮。因此要1腳我們要能夠控制，也就是說，我們要能夠讓1引腳按要求變?yōu)楦呋虻碗娖?。即然我們要控?腳，就得給它起個名字，總不能就叫它一腳吧？叫它什么名字呢？設計51芯片的INTEL公司已經(jīng)起好了，就叫它P1.0，這是規(guī)定，不可以由我們來更改。

名字有了，我們又怎樣讓它變高或變低呢？叫人做事，說一聲就可以，這叫發(fā)布命令，要計算機做事，也得要向計算機發(fā)命令，計算機能聽得懂的命令稱之為計算機的指令。讓一個引腳輸出高電平的指令是SETB，讓一個引腳輸出低電平的指令是CLR。因此，我們要P1.0輸出高電平，只要寫SETB P1.0，要P1.0輸出低電平，只要寫 CLR P1.0就可以了。

現(xiàn)在我們已經(jīng)有辦法讓計算機去將P10輸出高或低電平了，但是我們怎樣才能計算機執(zhí)行這條指令呢？總不能也對計算機也說一聲了事吧。要解決這個問題，還得有幾步要走。第一，計算機看不懂SETB CLR之類的指令，我們得把指令翻譯成計算機能懂的方式，再讓計算機去讀。計算機能懂什么呢？它只懂一樣東西——數(shù)字。因此我們得把SETB P1.0變?yōu)椋―2H,90H ），把CLR P1.0變?yōu)?（C2H,90H ），至于為什么是這兩個數(shù)字，這也是由51芯片的設計者--INTEL規(guī)定的，我們不去研究。第二步，在得到這兩個數(shù)字后，怎樣讓這兩個數(shù)字進入單片機的內(nèi)部呢？這要借助于一個硬件工具"編程器"。

我們將編程器與電腦連好，運行編程器的軟件，然后在編緝區(qū)內(nèi)寫入（D2H,90H）見圖2，寫入……好，拿下片子，把片子插入做好的電路板，接通電源……什么?燈不亮？這就對了，因為我們寫進去的指令就是讓圖2

P10輸出高電平，燈當然不亮，要是亮就錯了?，F(xiàn)在我們再撥下這塊芯片，重新放回到編程器上，將編緝區(qū)的內(nèi)容改為（C2H,90H），也就是CLR P1.0，寫片，拿下片子，把片子插進電路板，接電，好，燈亮了。因為我們寫入的（）就是讓P10輸出低電平的指令。這樣我們看到，硬件電路的連線沒有做任何改變，只要改變寫入單片機中的內(nèi)容，就可以改變電路的輸出效果。

三、單片機內(nèi)部結構分析
我們來思考一個問題，當我們在編程器中把一條指令寫進單片要內(nèi)部，然后取下單片機，單片機就可以執(zhí)行這條指令，那么這條指令一定保存在單片機的某個地方，并且這個地方在單片機掉電后依然可以保持這條指令不會丟失，這是個什么地方呢？這個地方就是單片機內(nèi)部的只讀存儲器即ROM（READ ONLY MEMORY）。為什么稱它為只讀存儲器呢？剛才我們不是明明把兩個數(shù)字寫進去了嗎？原來在89C51中的ROM是一種電可擦除的ROM，稱為FLASH ROM，剛才我們是用的編程器，在特殊的條件下由外部設備對ROM進行寫的操作，在單片機正常工作條件下，只能從那面讀，不能把數(shù)據(jù)寫進去，所以我們還是把它稱為ROM。

半導體存儲器

幾個基本概念

數(shù)的本質(zhì)和物理現(xiàn)象。

我們知道，計算機可以進行數(shù)學運算，這可令我們非常的難以理解，計算機嗎，我們雖不了解它的組成，但它總只是一些電子元器件，怎么可以進行數(shù)學運算呢？我們做數(shù)學題如37+45是這樣做的，先在紙上寫37，然后在下面寫45，然后大腦運算，最后寫出結果，運算的原材料：37、45和結果：82都是寫在紙上的，計算機中又是放在什么地方呢？為了解決這個問題，先讓我們做一個實驗：

這里有一盞燈，我們知道燈要么亮，要么不亮，就有兩種狀態(tài)，我們可以用’0’和’1’來代替這兩種狀態(tài)，規(guī)定亮為’1’，不亮為’0’?，F(xiàn)在放上兩盞燈，一共有幾種狀態(tài)呢？我們列表來看一下：

狀態(tài)

表達

0 0

0 1

1 0

1 1

請大家自已寫上3盞燈的情況000 001 010 011 100 101 110 111

我們來看，這個000，001，101 不就是我們學過的的二進制數(shù)嗎？本來，燈的亮和滅只是一種物理現(xiàn)象，可當我們把它們按一按的順序排更好后，燈的亮和滅就代表了數(shù)字了。讓我們再抽象一步，燈為什么會亮呢？看電路1，是因為輸出電路輸出高電平，給燈通了電。因此，燈亮和滅就可以用電路的輸出是高電平還是低電平來替代了。這樣，數(shù)字就和電平的高、低聯(lián)系上了。（請想一下，我們還看到過什么樣的類似的例子呢？（海軍之）燈語、旗語，電報，甚至紅、綠燈）

位的含義：

通過上面的實驗我們已經(jīng)知道：一盞燈亮或者說一根線的電平的高低，可以代表兩種狀態(tài)：0和1。實際上這就是一個二進制位，因此我們就把一根線稱之為一“位”，用BIT表示。

字節(jié)的含義：

一根線可以表于0和1，兩根線可以表達00，01，10，11四種狀態(tài)，也就是可以表于0到3，而三根可以表達0-7，計算機中通常用8根線放在一起，同時計數(shù)，就可以表過到0-255一共256種狀態(tài)。這8根線或者8位就稱之為一個字節(jié)（BYTE）。不要問我為什么是8根而不是其它數(shù)，因為我也不知道。（計算機世界是一個人造的世界，不是自然界，很多事情你無法問為什么，只能說：它是一種規(guī)定，大家在以后的學習過程中也要注意這個問題）

存儲器的工作原理：

1、存儲器構造

存儲器就是用來存放數(shù)據(jù)的地方。它是利用電平的高低來存放數(shù)據(jù)的，也就是說，它存放的實際上是電平的高、低，而不是我們所習慣認為的1234這樣的數(shù)字，這樣，我們的一個謎團就解開了，計算機也沒什么神秘的嗎。

圖2 圖3

讓我們看圖2。這是一個存儲器的示意圖：一個存儲器就象一個個的小抽屜，一個小抽屜里有八個小格子，每個小格子就是用來存放“電荷”的，電荷通過與它相連的電線傳進來或釋放掉，至于電荷在小格子里是怎樣存的，就不用我們操心了，你可以把電線想象成水管，小格子里的電荷就象是水，那就好理解了。存儲器中的每個小抽屜就是一個放數(shù)據(jù)的地方，我們稱之為一個“單元”。

有了這么一個構造，我們就可以開始存放數(shù)據(jù)了，想要放進一個數(shù)據(jù)12，也就是00001100，我們只要把第二號和第三號小格子里存滿電荷，而其它小格子里的電荷給放掉就行了（看圖3）。可是問題出來了，看圖2，一個存儲器有好多單元，線是并聯(lián)的，在放入電荷的時候，會將電荷放入所有的單元中，而釋放電荷的時候，會把每個單元中的電荷都放掉，這樣的話，不管存儲器有多少個單元，都只能放同一個數(shù)，這當然不是我們所希望的，因此，要在結構上稍作變化，看圖2，在每個單元上有個控制線，我想要把數(shù)據(jù)放進哪個單元，就給一個信號這個單元的控制線，這個控制線就把開關打開，這樣電荷就可以自由流動了，而其它單元控制線上沒有信號，所以開關不打開，不會受到影響，這樣，只要控制不同單元的控制線，就可以向各單元寫入不同的數(shù)據(jù)了，同樣，如果要某個單元中取數(shù)據(jù)，也只要打開相應的控制開關就行了。

2、存儲器譯碼

那么，我們怎樣來控制各個單元的控制線呢？這個還不簡單，把每個單元元的控制線都引到集成電路的外面不就行了嗎？事情可沒那么簡單，一片27512存儲器中有65536個單元，把每根線都引出來，這個集成電路就得有6萬多個腳？不行，怎么辦？要想法減少線的數(shù)量。

我們有一種方法稱這為譯碼，簡單介紹一下：一根線可以代表2種狀態(tài)，2根線可以代表4種狀態(tài)，3根線可以代表幾種，256種狀態(tài)又需要幾根線代表？8種，8根線，所以65536種狀態(tài)我們只需要16根線就可以代表了。

圖4

3、存儲器的選片及總線的概念

至此，譯碼的問題解決了，讓我們再來關注另外一個問題。送入每個單元的八根線是用從什么地方來的呢？它就是從計算機上接過來的，一般地，這八根線除了接一個存儲器之外，還要接其它的器件，如圖4所示。這樣問題就出來了，這八根線既然不是存儲器和計算機之間專用的，如果總是將某個單元接在這八根線上，就不好了，比如這個存儲器單元中的數(shù)值是0FFH另一個存儲器的單元是00H，那么這根線到底是處于高電平，還是低電平？豈非要打架看誰歷害了？所以我們要讓它們分離。辦法當然很簡單，當外面的線接到集成電路的引腳進來后，不直接接到各單元去，中間再加一組開關（參考圖4）就行了。平時我們讓開關打開著，如果確實是要向這個存儲器中寫入數(shù)據(jù)，或要從存儲器中讀出數(shù)據(jù)，再讓開關接通就行了。這組開關由三根引線選擇：讀控制端、寫控制端和片選端。要將數(shù)據(jù)寫入片中，先選中該片，然后發(fā)出寫信號，開關就合上了，并將傳過來的數(shù)據(jù)（電荷）寫入片中。如果要讀，先選中該片，然后發(fā)出讀信號，開關合上，數(shù)據(jù)就被送出去了。注意圖4，讀和寫信號同時還接入到另一個存儲器，但是由于片選端不同，所以雖有讀或?qū)懶盘?，但沒有片選信號，所以另一個存儲器不會“誤會”而開門，造成沖突。那么會不同時選中兩片芯片呢？只要是設計好的系統(tǒng)就不會，因為它是由計算控制的，而不是我們?nèi)藖砜刂频模绻娴某霈F(xiàn)同時出現(xiàn)選中兩片的情況，那就是電路出了故障了，這不在我們的討論之列。

從上面的介紹中我們已經(jīng)看到，用來傳遞數(shù)據(jù)的八根線并不是專用的，而是很多器件大家共用的，所以我們稱之為數(shù)據(jù)總線，總線英文名為BUS，總即公交車道，誰者可以走。而十六根地址線也是連在一起的，稱之為地址總線。

半導體存儲器的分類

按功能可以分為只讀和隨機存取存儲器兩大類。所謂只讀，從字面上理解就是只可以從里面讀，不能寫進去，它類似于我們的書本，發(fā)到我們手回之后，我們只能讀里面的內(nèi)容，不可以隨意更改書本上的內(nèi)容。只讀存儲器的英文縮寫為ROM（READ ONLY MEMORY）

所謂隨機存取存儲器，即隨時可以改寫，也可以讀出里面的數(shù)據(jù)，它類似于我們的黑板，我可以隨時寫東西上去，也可以用黑板擦擦掉重寫。隨機存儲器的英文縮寫為RAM（READ RANDOM MEMORY）這兩種存儲器的英文縮寫一定要記牢。

注意：所謂的只讀和隨機存取都是指在正常工作情況下而言，也就是在使用這塊存儲器的時候，而不是指制造這塊芯片的時候。否則，只讀存儲器中的數(shù)據(jù)是怎么來的呢？其實這個道理也很好理解，書本拿到我們手里是不能改了，可以當它還是原材料——白紙的時候，當然可以由印刷廠印上去了。

順便解釋一下其它幾個常見的概念。

PROM，稱之為可編程存儲器。這就象我們的練習本，買來的時候是空白的，可以寫東西上去，可一旦寫上去，就擦不掉了，所以它只能用寫一次，要是寫錯了，就報銷了。

EPROM，稱之為紫外線擦除的可編程只讀存儲器。它里面的內(nèi)容寫上去之后，如果覺得不滿意，可以用一種特殊的方法去掉后重寫，這就是用紫外線照射，紫外線就象“消字靈”，可以把字去掉，然后再重寫。當然消的次數(shù)多了，也就不靈光了，所以這種芯片可以擦除的次數(shù)也是有限的——幾百次吧。

FLASH，稱之為閃速存儲器，它和EPROM類似，寫上去的東西也可以擦掉重寫，但它要方便一些，不需要光照了，只要用電學方法就可以擦除，所以就方便許多，而且壽面也很長（幾萬到幾十萬次不等）。

再次強調(diào)，這里的所有的寫都不是指在正常工作條件下。不管是PROM、EPROM還是FLASH ROM，它們的寫都要有特殊的條件，一般我們用一種稱之為“編程器”的設備來做這項工作，一旦把它裝到它的工作位置，就不能隨便改寫了。

單片機的內(nèi)外部結構分析（二）一、程序的完善
　　上一次我們的程序?qū)嵲谑菦]什么用，要燈亮還要重寫一下片子，下面我們要讓燈不斷地閃爍，這就有一定的實用價值了，比如可以把它當成汽車上的一個信號燈用了。怎樣才能讓燈不斷地閃爍呢？實際上就是要燈亮一段時間，再滅一段時間，也就是說要P10不斷地輸出高和低電平。怎樣實現(xiàn)這個要求呢？請考慮用下面的指令是否可行：

SETB P10

CLR P10

……

這是不行的，有兩個問題，第一，計算機執(zhí)行指令的時間很快，執(zhí)行完SETB P10后，燈是滅了，但在極短時間（微秒級）后，計算機又執(zhí)行了CLR P10指令，燈又亮了，所以根本分辨不出燈曾滅過。第二，在執(zhí)行完CLR P10后，不會再去執(zhí)行SETB P10指令，所以以后再也沒有機會讓滅了。

為了解決這兩個問題，我們可以做如下設想，第一，在執(zhí)行完SETB P10后，延時一段時間（幾秒或零點幾秒）再執(zhí)行第二條指令，就可以分辨出燈曾滅過了。第二在執(zhí)行完第二條指令后，讓計算機再去執(zhí)行第一條指令，不斷地在原地兜圈，我們稱之為"循環(huán)"，這樣就可以完成任務了。

以下先給出程序（后面括號中的數(shù)字是為了便于講解而寫的，實際不用輸入）：

；主程序：

LOOP： SETB P10 　　　　；（１）

LCALL DELAY 　　；（２）

CLR P10 　　　　；（３）

LCALL DELAY 　　；（４）

AJMP LOOP 　　?。唬ǎ担?/p>

；以下子程序

DELAY： MOV R7，#250　?。唬ǎ叮?/p>

D1： MOV R6，#250 　　??；（７）

D2： DJNZ R6，D2 　　??；（８）

DJNZ R7，D1 　　　?。唬ǎ梗?/p>

RET 　　　　　　　?。唬ǎ保埃?/p>

END 　　　　　　　?。唬ǎ保保?/p>

按上面的設想分析一下前面的五條指令。

第一條是讓燈滅，第二條應當是延時，第三條是讓燈亮，第四條和第二條一模一樣，也是延時，第五條應當是轉去執(zhí)行第一條指令。第二和第四條實現(xiàn)的原理稍后談，先看第五條，LJMP是一條指令，意思是轉移，往什么地方轉移呢？后面跟的是LOOP，看一下，什么地方還有LOOP，對了，在第一條指令的前面有一個LOOP，所以很直觀地，我們可以認識到，它要轉到第一條指令處。這個第一條指令前面的LOOP被稱之為標號，它的用途就是給這一行起一個名字，便于使用。是否一定要給它起名叫LOOP呢？當然不是，起什么名字，完全由編程序的人決定，可以稱它為A，X等等，當然，這時，第五條指令LJMP后面的名字也得跟著改了。

第二條和第四條指令的用途是延時，它是怎樣實現(xiàn)的呢？指令的形式是LCALL，這條指令稱為調(diào)用子程序指令，看一下指令后面跟的是什么，DELAY，找一下DELAY，在第六條指令的前面，顯然，這也是一個標號。這條指令的作用是這樣的：當執(zhí)行LCALL指令時，程序就轉到LCALL后面的標號所標定的程序處執(zhí)行，如果在執(zhí)行指令的過程中遇到RET指令，則程序就返回到LCALL指令的下面的一條指令繼續(xù)執(zhí)行，從第六行開始的指令中，可以看到確實有RET指令。在執(zhí)行第二條指令后，將轉去執(zhí)行第６條指令，而在執(zhí)行完６，７，８，９條指令后將遇到第１０條令：RET，執(zhí)行該條指令后，程序?qū)⒒貋韴?zhí)行第三條指令，即將P10清零，使燈亮，然后又是第四條指令，執(zhí)行第四條指令就是轉去執(zhí)行第6，7，8，9，10條指令，然后回來執(zhí)行第5條指令，第5條指令就是讓程序回到第1條開始執(zhí)行，如此周而復始，燈就在不斷地亮、滅了。

在標號DELAY標志的這一行到RET這一行中的所有程序，這是一段延時程序，大概延時零點幾秒，至于具體的時間，以后我們再學習如何計算。程序的最后一行是END，這不是一條指令，它只是告訴我們程序到此結束，它被稱為"偽指令"。

二、單片機內(nèi)部結構分析：

為了知道延時程序是如何工作的，我們必需首先了解延時程序中出現(xiàn)的一些符號，就從R1開始，R1被稱之為工作寄存器。什么是工作寄存器呢？讓我們從現(xiàn)實生活中來找找答案。如果出一道數(shù)學題：123+567，讓你回答結果是多少，你會馬上答出是690，再看下面一道題：123+567+562，要讓你要上回答，就不這么容易了吧？我們會怎樣做呢？如果有張紙，就容易了，我們先算出123+567=690，把690寫在紙上，然后再算690+562得到結果是1552。這其中1552是我們想要的結果，而690并非我們所要的結果，但是為了得到最終結果，我們又不得不先算出690，并記下來，這其實是一個中間結果，計算機中做運算和這個類似，為了要得到最終結果，往往要做很多步的中間結果，這些中間結果要有個地方放才行，把它們放哪呢？放在前面提到過的ROM中可以嗎？顯然不行，因為計算機要將結果寫進去，而ROM是不可以寫的，所以在單片機中另有一個區(qū)域稱為RAM區(qū)（RAM是隨機存取存儲器的英文縮寫），它可以將數(shù)據(jù)寫進去。

特別地，在MCS-51單片機中，將RAM中分出一塊區(qū)域，稱為工作寄存器區(qū)。