硬件開發1-51單片機1

一、嵌入式

1、概念：

????????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

以應用為中心：
- 系統設計的起點是 “具體應用場景”，按照應用需求出發
以計算機技術為基礎：????????
- 硬件技術：嵌入式處理器（如 ARM 芯片）、存儲器、傳感器、執行器
  - 相當于 “系統的身體”，負責數據計算、存儲、與物理世界交互
- 軟件技術：嵌入式操作系統（如 Linux 嵌入式版、RTOS）、驅動程序、應用程序
  - 相當于 “系統的大腦”，管理硬件資源、執行核心邏輯
- 軟硬件協同技術硬件驅動適配、資源調度優化確保軟硬件高效配合，避免資源浪費
軟硬件可裁剪的專用計算機系統：
- “可裁剪” 是該系統實現 “高效、低成本、低功耗” 的核心手段，指硬件模塊和軟件功能可根據應用需求 “增刪”，不保留冗余組件
  - 降低成本、降低功耗、縮小體積、提高穩定性
- 專用計算機系統：該系統是為某一類或某一個特定應用場景設計的 “定制化計算機”，不具備通用計算機的 “多場景兼容能力”

????????以具體應用需求為出發點，依托計算機軟硬件技術，通過裁剪冗余組件，為特定場景（如智能設備、工業控制、汽車電子）打造的‘專機專用、高效精簡’的定制化計算機系統”，其本質是 “用最小的資源（成本、功耗、體積）滿足特定應用的核心需求”，這也是嵌入式系統區別于通用計算機的核心特征

二、51單片機

1、起源與發展

????????基于馮?諾依曼架構，通過執行存儲在內部程序存儲器中的指令，實現對數據的處理和外部設備的控制

????????1980年，由Intel公司MCS-51系列：8051型號單片機（工業控制領域），由MCU轉型到CPU
Atmel（AT89C51）、Philip(P89V51系列單片機，增強型單片機?ISP在線編程)、STC?宏晶半導體（STC89C51???STC89C52??STC89C52RC）

2、相關概念

????????CPU：Central?Processing?Unit（中央處理器）數據運算、指令處理，CPU性能越高，完成指令處理和數據運算的速度越快

MCU：Micro?Ctronller?Unit（微控制器），集成度比較高，將所有功能集成到芯片中（CPU、RAM、ROM、定時器、UART、IO），簡單控制，?成本低

MPU：Micro?Processing?Unit（微處理器），集成度低，只有一塊單獨的CPU，需外接外設、存儲模塊，復雜應用領域，跑Linux操作系統，成本高

GPU：Graphics?Processing?Unit（圖形處理器），圖形處理、圖形渲染（GPU性能越好，圖形顯示的質量越好）

NPU：Neural?Processing?Unit（神經網絡處理器），AI推理、硬件加速，神經網絡處理（卷積運算）->?華為Mate60?達芬奇NPU?AI自動優化照片

FPU：Floating?Point?Unit（浮點數運算單元），完成浮點數的運算和處理（完全遵循IEEE?754），大部分集成在CPU內部

SOC：System?On?Chip（片上系統），集成度比較高，將多個芯片集成到一塊芯片上（存儲芯片、外設芯片）????

3、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（移動硬盤?1T?300）

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（內存條??16G??300）

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

4、單片機芯片內部結構：

????????CPU、RAM、ROM、Timer、PWM、IO、中斷、UART

CPU（中央處理器）
單片機的核心運算和控制單元，負責指令的讀取、譯碼和執行，處理算術運算（加、減、乘、除等）和邏輯運算（與、或、非等），并協調內部各模塊的工作。51 單片機的 CPU 為 8 位，一次可處理 8 位二進制數據。

RAM（隨機存取存儲器）
用于臨時存儲程序運行過程中的變量、中間結果和堆棧數據，特點是讀寫速度快，但斷電后數據會丟失。

ROM（只讀存儲器）
用于存儲用戶編寫的程序代碼和固定數據，斷電后數據不會丟失。

Timer（定時器 / 計數器）
兼具定時和計數功能：

????????定時模式：通過內部時鐘脈沖計數，實現精確延時（如毫秒級、秒級定時），用于控制 LED 閃爍頻率、周期性采樣等。

????????計數模式：對外部輸入引腳的脈沖信號計數，可用于測量頻率、統計脈沖個數等。
51 單片機通常包含 2 個 16 位定時器 / 計數器（T0、T1），增強型可能增加更多。

PWM（脈沖寬度調制）
部分單片機集成 PWM 模塊（或可通過定時器模擬），通過輸出占空比可調的方波信號，實現對外部設備的無級調速或調壓（如控制電機轉速、LED 亮度）。占空比越大，輸出平均電壓越高。

IO（輸入 / 輸出端口）
單片機與外部設備交互的接口，通常為并行端口（如 51 單片機的 P0~P3 口），可配置為輸入或輸出模式：

????????輸出：通過控制引腳電平（高電平 / 低電平）驅動 LED、繼電器等。

????????輸入：讀取外部信號（如按鍵狀態、傳感器數據）。
部分 IO 口還可復用為其他功能（如串口、定時器引腳）。

中斷系統
用于響應外部或內部緊急事件的機制，可暫停當前程序，優先執行中斷服務程序，處理完畢后返回原程序。常見中斷源包括：外部引腳觸發（如按鍵中斷）、定時器溢出、串口數據收發等。51 單片機支持 5 個中斷源（基礎型號），增強型可擴展更多。

?UART（通用異步收發傳輸器）
用于串行通信的接口，通過一根發送線（TXD）和一根接收線（RXD）實現單片機與其他設備（如電腦、傳感器、另一塊單片機）的異步數據傳輸，無需時鐘線同步，廣泛應用于數據監控、指令交互等場景

5、原理圖

? ? ? ? HC6800-MS原理圖

MCU單片機芯片：

????????STC89C52RC、DIP40?封裝：雙列直插式，40個引腳，劃分成4組（端口?寄存器?unsigned?char?P2；）

????????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

????????LED模塊：

????????發光二極管：具有單向導通性，分為共陽極和共陰極二極管

????????共陽極發光二極管的特性：

????????將所有發光二極管的陽極接到電源正極(VCC),陰極接到單片機的引腳。此時發光二級管陽極會輸出高電平（VCC?5V），如果發光二級陰極輸出一個低電平(0V),?陽極和陰極之間會形成一個正向的電壓差，滿足發光二極管的單向導通性，所以電流就會從陽極流向陰極，發光二級就被點亮

6、位運算

1、|：將二進制中的對應位的bit進行比較，如果有一個bit為1，結果為1；如果都為0，結果為0;
應用場景：指定位置1
unsigned?char?t?=?0x64;

將bit0和bit7置1：
t?|=?(1?<<?0)?|?(1?<<?7);

2、?&：將二進制中的對應位的bit進行比較，如果全為1，結果為1；如果有一個0，結果為0；

應用場景：指定位清0
unsigned?char?t?=?0xFF;

將bit?0?和?bit7?清0：?
t?&=?~（1?<<?0）;
t?&=?~?(1?<<?7);

7、單片機程序創建、編寫、編譯、下載流程：

（1）安裝Keil4軟件
（2）點擊"Project"??->?"New?Project"??->?選擇路徑?(為工程起一個名字)
（3）選擇單片機芯片型號：Atmel->AT89C51,點擊"否"，不拷貝啟動代碼
（4）向Group中添加C語言文件:??點擊左上方text按鈕，ctrl?+?S將文件保存到工程對應的目錄（為文件起一個名字，如?main.c），雙擊左側Grpup，點擊Add?將文件加入到對應的Group下
（5）編寫單片機程序：
#include?<reg51.h>，?加入51單片機頭文件
需要加入while(1)避免程序跑飛
（6）編譯單片機程序：
點擊"Target?Options"按鈕，點擊"Output"選項中的"Create?HEX?FILE"選項，生成hex文件
點擊左上方"Build"編譯單片機工程
會在對應目錄下生成xxx.hex十六進制文件
（7）下載單片機程序：
打開ISP軟件，連接串口線
選擇單片機芯片型號：STC89C52/C51/C52RC