51 单片机基础与硬件
什么是单片机
定义：单片机就是将微处理器（CPU）、存储器（ROM、RAM）、定时器/计数器和各种输入/输出接口电路（I/O），以及相互连接的总线（BUS）等集成在一块芯片上，形成芯片级的计算机，又称为单片微型计算机。
51 单片机特性
- 8 位 CPU
- 片内振荡和定时电路
- 128B 内部 RAM（00H～7FH）
- 4 个 8 位并行 I/O 口（P0/P1/P2/P3）
- 2 个 16 位可编程定时/计数器
- 1 个 全双工串行口
- 5 个 中断源（可编程为两个优先级）
- 21 个 SFR（特殊功能寄存器，80H～FFH）
- 16B（128 位） 可位寻址区（20H～2FH）
- 堆栈深度可达 80B（30H～7FH）
引脚功能（PDIP-40）
按用途分为 4 大类：
1. 电源引脚
| 引脚 | 功能 |
|---|---|
| VCC（40 脚） | 工作电压输入（+5V） |
| GND（20 脚） | 接地 |
2. 时钟引脚
| 引脚 | 功能 |
|---|---|
| XTAL1（19 脚） | 片内振荡电路输入端 |
| XTAL2（18 脚） | 片内振荡电路输出端 |
典型时钟频率：6MHz、12MHz、11.0592MHz
- 内部时钟方式：在XTAL1和XTAL2引脚外接一个石英晶体或陶瓷晶振和振荡电容。
- 外部时钟方式：使用外部振荡器脉冲信号，外部CMOS时钟源直接接到XTAL1引脚，XTAL2悬空。
P38 
3. 控制引脚
| 引脚 | 功能 |
|---|---|
| RST（9 脚） | 复位引脚，高电平有效，需维持 2 个机器周期以上，复位后从 0000H 开始执行 |
| EA/VPP（31 脚） | EA=1：先片内后片外 ROM；EA=0：只访问片外 ROM。烧写 EPROM 时输入编程电压 |
| ALE/PROG（30 脚） | 地址锁存允许信号，输出 |
| PSEN（29 脚） | ROM 读选通信号，输出 |
P40 
4. I/O 引脚（32 条，4 组并口）
P0 口（32～39 脚）— 双向三态，复用
| 功能 | 说明 |
|---|---|
| 普通 I/O | 开漏输出，必须外接上拉电阻 |
| 地址/数据线 | 分时复用 — 低 8 位地址线（A0～A7）+ 8 位数据线（D0～D7）。外扩存储器时无需外接上拉 |
P1 口（1～8 脚）— 准双向口
- 8 个 I/O，内置上拉电阻
- 系统复位后默认输出高电平
P2 口（21～28 脚）— 准双向，复用
| 场景 | 功能 |
|---|---|
| 字节寻址 | 普通 I/O |
| 字寻址 | 高 8 位地址线（A8～A15），配合 P0 形成 16 位地址总线 |
P3 口（10～17 脚）— 准双向，复用
| 引脚 | 第二功能 |
|---|---|
| P3.0 | RXD（串行输入） |
| P3.1 | TXD（串行输出） |
| P3.2 | INT0（外部中断 0） |
| P3.3 | INT1（外部中断 1） |
| P3.4 | T0（计数输入） |
| P3.5 | T1（计数输入） |
| P3.6 | WR（写控制） |
| P3.7 | RD（读控制） |
CPU 时序
机器周期
单片机CPU完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。一个机器周期由6个状态周期（S1～S6）组成，而一个状态周期由两个时钟周期组成，则一个机器周期由12个时钟周期组成。
设fosc = 12MHz，则一个机器周期=12/(12MHz) = 1us； 设fosc = 6MHz，则一个机器周期=12/(6MHz) =2us。
指令周期 指令周期是CPU执行一条指令所需的时间。单片机的指令分为单字节、双字节和三字节指令，所需的指令周期也不同，一般为1～4个机器周期。
典型计算
| 晶振频率 | 机器周期 |
|---|---|
| 12 MHz | 1 μs |
| 6 MHz | 2 μs |
最小系统
能使单片机正常工作的最小硬件单元电路，至少包括：
- 单片机芯片
- 晶振电路（提供时钟）
- 复位电路（上电复位 + 手动复位）
- 电源电路（+5V）
能画出来
LED 驱动基础
灌电流 vs 拉电流
| 方式 | 驱动能力 | 接法 |
|---|---|---|
| 灌电流 | 强，可达 20mA | 单片机输出低电平时 LED 亮 |
| 拉电流 | 弱，几十～几百 μA | 单片机输出高电平时 LED 亮 |
实际项目优先用灌电流方式驱动 LED。
限流电阻计算
以直插超亮红色 LED 为例：V_D = 2.0V，I_D = 10mA，则：