嵌入式 - 硬件：51單片機

本節重點
1. MCU、CPU、GPU、NPU、SOC、MPU、FPU
2. 內存、外存的區別
3. RAM和ROM的區別，單片機RAM大小
4. 三大總線及其特點
5. 發光二極管分類及其特點
6. 數碼管顯示原理

一、嵌入式

以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪的專用計算機系統。

二、51 單片機

1980 年，由 Intel 公司推出 MCS-51 系列的8051 型號單片機（多用于工業控制領域），實現從 MCU 向類 CPU 功能的拓展。
其他廠商代表型號：

Atmel：AT89C51；
Philip：P89V5 系列單片機（增強型單片機，支持 ISP 在線編程）；
STC 宏晶半導體：STC89C51、STC89C52、STC89C52RC。

三、相關概念

術語	全稱 & 核心解釋
CPU	Central Processing Unit（中央處理器）：負責數據運算、指令處理；CPU 性能越高，指令處理和數據運算速度越快。
MCU	Micro Controller Unit（微控制器）--- 單片機：集成度高，將 CPU、RAM、ROM、定時器、UART、IO 等功能集成到單芯片中；適用于簡單控制場景，成本低。
MPU	Micro Processing Unit（微處理器）：集成度低，僅包含單獨 CPU，需外接外設、存儲模塊；適用于復雜應用領域（如運行 Linux 系統），成本高。
GPU	Graphics Processing Unit（圖形處理器） ---- 顯卡：負責圖形處理、圖形渲染；GPU 性能越好，圖形顯示質量越高。
NPU	Neural Processing Unit（神經網絡處理器）：負責 AI 推理、硬件加速、神經網絡處理（如卷積運算）；例如華為 Mate60 的 “達芬奇 NPU” 可實現 AI 自動優化照片。
FPU	Floating Point Unit（浮點數運算單元）：專門完成浮點數的運算和處理（遵循 IEEE 754 標準）；大部分集成在 CPU 內部。
SOC	System On Chip（片上系統）：集成度高，將存儲芯片、外設芯片等多個功能模塊集成到單塊芯片上。

四、RAM 和 ROM

外存：主要存放程序、代碼、指令；掉電數據不丟失，讀寫速度慢，價格便宜（如移動硬盤 1T 約 300 元）。
內存：主要存放程序運行過程中的臨時變量；掉電數據丟失，讀寫速度快，價格昂貴（如內存條 16G 約 300 元）。
ROM：Read-Only Memory（只讀存儲器）；存放單片機程序、指令，掉電數據不丟失。
RAM：Random Access Memory（隨機訪問存儲器）；存放臨時變量、臨時數據，掉電數據丟失。

單片機的存儲系統簡化為 “ROM+RAM”，分工明確：

ROM（只讀存儲器）：單片機的 “程序倉庫”，存放我們編寫的控制程序、指令，掉電后數據不丟失（比如你寫的 “LED 閃爍程序” 就存在這里）。
RAM（隨機訪問存儲器）：單片機的 “臨時工作臺”，存放程序運行中的臨時變量（比如計算過程中的計數器值、傳感器的實時數據），掉電后數據丟失。

注意：51 單片機的 RAM 容量很小，經典型號（如 STC89C52）的 RAM 僅為256 字節，因此編程時要避免定義過大的變量。

五、單片機內部結構：三大總線 + 核心模塊

51 單片機的內部結構像一個 “微型工廠”，各模塊協同工作，而 “三大總線” 負責連接各模塊。

1. 核心內部模塊

一塊 51 單片機芯片內部集成了以下關鍵模塊，無需外接就能實現基礎控制功能：

CPU：核心運算單元，執行程序指令；
RAM/ROM：存儲模塊，對應上文的 “臨時工作臺” 和 “程序倉庫”；
Timer（定時器）：實現定時功能（如 “每隔 1 秒亮一次燈”）；
PWM（脈沖寬度調制）：控制輸出信號的占空比（如調節 LED 亮度、電機轉速）；
IO 口：輸入 / 輸出接口（如連接 LED、按鍵、數碼管）；
中斷：處理緊急事件（如外部按鍵按下時，暫停當前程序優先響應按鍵）；
UART（串口）：實現單片機與電腦的通信（如程序下載、數據上傳）。

2. 三大總線：連接模塊的 “橋梁”

三大總線負責在內部模塊間傳輸數據、地址和控制信號，是單片機工作的 “基礎設施”：

地址總線：“找位置”—— 負責傳輸 RAM 的地址，告訴 CPU “要訪問的臨時數據在 RAM 的哪個位置”。51 單片機的地址總線寬度為 8 位，最大尋址范圍為2^8 = 256字節（對應 RAM 容量），單向傳輸（只能從 CPU 發往 RAM）。
數據總線：“傳數據”—— 在 CPU 和 RAM 之間傳輸實際數據（如變量值），雙向傳輸（可從 RAM 讀數據到 CPU，也可從 CPU 寫數據到 RAM）。
控制總線：“發指令”—— 負責傳輸控制信號，比如 “開始讀數據”“中斷請求”“IO 口控制”，協調各模塊的工作時序（時序控制）。

六、硬件基礎：原理圖中的關鍵元素

要讓單片機工作，必須先看懂基礎原理圖，核心關注 “MCU 封裝”“網絡編號” 和 “LED 模塊”。

1. MCU 封裝：以 STC89C52RC 為例

STC89C52RC 最常用的封裝是DIP40（雙列直插式），即芯片有 40 個引腳，這些引腳分為 4 組 IO 口（P0~P3），對應程序中的端口寄存器（如unsigned char P2;—— 通過操作 P2 寄存器就能控制 P2 口的 8 個引腳）。

2. 網絡編號

在實際電路中的一個編號，避免物理連線，相同網絡的編號的引腳在實際電路中是彼此互通

3. LED 模塊：單向導通的 “發光二極管”

具有單向導通性，分為共陽極和共陰極二極管

共陽極 LED：所有 LED 的陽極接電源正極（VCC，5V），陰極接單片機的 IO 引腳。
導通條件：單片機 IO 引腳輸出低電平（0V），此時陽極（5V）和陰極（0V）形成電壓差，電流流過 LED，使其發光。
共陰極 LED：與共陽極相反，陰極接 GND，陽極接單片機 IO 引腳，需 IO 輸出高電平才能發光。

七、編程核心：位運算（置 1 / 清 0 / 異或）

單片機編程頻繁操作 IO 口的 “某一位”（比如 “讓 P2 口的第 0 位輸出低電平”），這就需要位運算—— 直接操作二進制的每一位（bit）。

1. 三種核心位運算

運算符號名稱規則（對應 bit 比較）核心應用場景示例代碼（以 unsigned char t 為例）

按位或

有 1 則 1，全 0 則 0

指定位置 1（讓某 bit=1）

運算符號	名稱	規則（對應 bit 比較）	核心應用場景	示例代碼（以 unsigned char t 為例）
\|	按位或	有 1 則 1，全 0 則 0	指定位置 1（讓某 bit=1）	把 t 的 bit0 和 bit7 置 1： t \|= (1 << 0) \| (1 << 7);
`&`	按位與	全 1 則 1，有 0 則 0	指定位清 0（讓某 bit=0）	把 t 的 bit0 和 bit7 清 0： `t &= ~(1 << 0);` `t &= ~(1 << 7);`
`^`	按位異或	相同則 0，不同則 1	指定位翻轉（0 變 1，1 變 0）	把 t 的 bit0 翻轉： `t ^= (1 << 0);`

把 t 的 bit0 和 bit7 置 1：

t |= (1 << 0) | (1 << 7);

&

按位與

全 1 則 1，有 0 則 0

指定位清 0（讓某 bit=0）

把 t 的 bit0 和 bit7 清 0：

t &= ~(1 << 0);

t &= ~(1 << 7);

^

按位異或

相同則 0，不同則 1

指定位翻轉（0 變 1，1 變 0）

把 t 的 bit0 翻轉：

t ^= (1 << 0);

2. 練習

已知：unsigned char a = 0x62; unsigned char b = 0xFF;（16 進制轉二進制：0x62=01100010，0xFF=11111111）

（1）將 a 的 bit0 和 bit7 置 1

????????a |= (1 << 0) | (1 << 7);

（2）將 b 的高 4 位清 0

?????????t?&=?~(0x0F?<<?4);?????????
t?&=?~(0xF0?<<?0);?????

八、單片機程序創建、編寫、編譯、下載流程：

掌握 “編寫 - 編譯 - 下載” 流程，你就能讓單片機執行你的指令（比如控制 LED 閃爍），這里以Keil4（51 單片機專用開發軟件）?為例：

步驟 1：安裝 Keil4

步驟 2：新建工程

點擊菜單欄「Project」→「New Project」，選擇工程保存路徑，命名（如 “LED_Blink”）；
選擇芯片型號：在彈出的 “Select Device for Target” 窗口中，展開「Atmel」→選擇「AT89C51」
彈出 “Copy Standard 8051 Startup Code to Project Folder” 時，點擊「否」---------------------不拷貝啟動代碼

步驟 3：添加 C 語言文件

點擊菜單欄「File」→「New」，新建空白文本；
按「Ctrl+S」保存，命名為 “main.c”（必須加.c 后綴，保存到工程同一目錄）；
雙擊左側Grpup，點擊Add?將文件加入到對應的Group下。

步驟 4：編寫程序（以 LED 閃爍為例）

1? .#include?<reg51.h>，?加入51單片機頭文件

2 .需要加入while(1)避免程序跑飛

示例代碼：

#include <reg51.h>// 延時函數（簡單延時，約1秒）
void delay() {unsigned int i, j;for(i = 0; i < 60000; i++)for(j = 0; j < 10; j++);
}void main() {while(1) {P2 = 0xFE;  // P2口bit0=0（低電平），其他bit=1，對應LED亮delay();    // 延時1秒P2 = 0xFF;  // P2口全為1（高電平），LED滅delay();    // 延時1秒}
}

步驟 5：編譯生成 HEX 文件

點擊菜單欄「Project」→「Options for Target 'Target 1'」（或直接點工具欄 “魔術棒” 圖標）；
切換到「Output」選項卡，勾選「Create HEX File」（生成可下載的十六進制文件），點擊「OK」；
點擊工具欄「Build」（或按 F7），編譯工程，下方 “Build Output” 窗口顯示 “0 Errors” 即編譯成功，工程目錄下會生成 “LED_Blink.hex” 文件。