第1章全面認識80511.1單片機的過去、現(xiàn)在與未來1.28051系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和封裝形式1.38051系列單片機使用的工具及其連接1.4基本硬件連接框架1.5指令格式及程序框架1.6設計課目與演練小結(jié)

習題

本章首先從歷史和功能的角度對單片機進行了簡介，然后介紹單片機的有關(guān)工具和指令，并介紹了以后要逐步學習的程序框架結(jié)構(gòu)。這樣，讀者對單片機就有了一個基本的認識。最后的實戰(zhàn)演練是為了給初學者一個驚喜：我已經(jīng)可以運行單片機了。至于怎么運行，運行什么，為什么運行，請繼續(xù)學習吧！1.1單片機的過去、現(xiàn)在與未來1.1.1單片機、計算機與嵌入式系統(tǒng)

1946年，世界上第一臺電子計算機(ENIAC)在美國賓夕法尼亞大學問世。其運算速度為5000次/s，使用了18000個電子管，占地150m2，重達30t。后來的計算機則使用了晶體管，隨著技術(shù)的發(fā)展，它的體積不斷縮小，功耗不斷降低，而速度卻在不斷提高。在這一過程中，為了滿足不同的應用，計算機的發(fā)展分化為兩個方向：通用計算機系統(tǒng)(即通常所說的PC機)與嵌入式計算機系統(tǒng)。通用計算機系統(tǒng)發(fā)展的重點是：高速、海量的數(shù)值計算；技術(shù)發(fā)展方向是總線速度的無限提升，存儲容量的無限擴大。而嵌入式計算機系統(tǒng)發(fā)展的重點是：對象的智能化控制能力；技術(shù)發(fā)展方向是與對象系統(tǒng)密切相關(guān)的嵌入性能、控制能力與控制的可靠性。嵌入式計算機系統(tǒng)走上了一條與通用計算機系統(tǒng)完全不同的道路，就是單芯片化：在一個芯片內(nèi)部集成了中央處理器(CPU)、存儲器(RAM&ROM)、輸入/輸出接口(I/O)等部件。我們把它稱為單片微型計算機(Single-ChipMicrocomputer，SCM)，簡稱單片機。表1-1給出了PC機與單片機的性能對比。表1-1PC機與單片機的比較1.1.2單片機的發(fā)展過程單片機的發(fā)展經(jīng)歷了SCM、MCU和SOC三大階段。

1.?SCM(單片微型計算機)階段該階段的主要目標是尋求單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)?！皠?chuàng)新模式”獲得成功，奠定了SCM與通用計算機完全不同的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展的道路上，Intel公司功不可沒。

2.?MCU(MicroControllerUnit，微控制器)階段該階段主要的技術(shù)發(fā)展方向是：在滿足嵌入式應用的前提下，不斷擴展對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。它所涉及的領(lǐng)域都與對象系統(tǒng)相關(guān)，因此，發(fā)展MCU的重任不可避免地落在了電氣、電子技術(shù)廠家的肩上。從這一角度來看，Intel逐漸淡出MCU的發(fā)展也有其客觀因素。在發(fā)展MCU方面，最著名的廠家當數(shù)Philips公司。Philips公司以其在嵌入式應用方面的巨大優(yōu)勢，將MCS-51從單片微型計算機迅速發(fā)展到微控制器。因此，當我們回顧嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展道路時，不要忘記Intel和Philips的歷史功績。

3.?SOC(SystemOnaChip，系統(tǒng)單片化)階段單片機是嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決，因此，專用單片機的發(fā)展自然形成了SOC化趨勢。隨著微電子技術(shù)、IC設計、EDA工具的發(fā)展，基于SOC的單片機應用系統(tǒng)設計將會有較大的發(fā)展。因此，對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片微控制器延伸到單片應用系統(tǒng)。現(xiàn)在主要應用的還是MCU，但SOC是發(fā)展的必然方向。1.1.351系列單片機單片機自誕生以來，不斷地推陳出新，其家族已非常龐大。?80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司將其MCS

-51系列中的80C51內(nèi)核使用權(quán)以專利互換或出售的形式轉(zhuǎn)讓給全世界許多著名IC制造廠商，如Philips、

NEC、Atmel、AMD、華邦等，這些公司都在保持與80C51單片機兼容的基礎上改善了80C51的許多特性。這樣，80C51就變成了有眾多制造廠商支持的、發(fā)展出上百個品種的大家族，現(xiàn)統(tǒng)稱為80C51系列。80C51單片機已成為單片機發(fā)展的主流。專家認為，雖然世界上的MCU品種繁多，功能各異，開發(fā)裝置也互不兼容，但是客觀發(fā)展表明，80C51可能最終形成事實上的標準MCU芯片。我們后面的學習將以8051為核心，同時，由于8051系列的引腳都基本兼容，因此我們用最新型的8051系列單片機來進行介紹，以融入最新的設計元素。1.28051系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和封裝形式1.2.1常見的8051系列單片機常見的8051系列單片機如圖1-1所示。不同公司的產(chǎn)品會有不同的標注和封裝形式，在本書中，我們都以40腳的雙列直插(DIP40)封裝形式進行介紹。1.2.28051單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

8051單片機是由中央處理器(CPU)、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、串行接口、并行I/O接口、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等幾大單元，以及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線組成的。

8051系列單片機的基本結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。圖1-1常見的8051系列單片機圖1-28051系列單片機的基本結(jié)構(gòu)

8051系列單片機具有以下硬件資源：

8位數(shù)據(jù)字長。8位指內(nèi)部總線、寄存器的寬度。單片機內(nèi)部總線基本的發(fā)展歷程是：1bit→4bit→8bit→16bit→32bit。目前，8bit仍為主流產(chǎn)品所用。

128字節(jié)片內(nèi)RAM。RAM(隨機讀寫存儲器)常稱為數(shù)據(jù)存儲器。外部可以擴展至64KB。

4個8位的并行輸入/輸出接口，即P0、P1、P2、P3，可以位尋址。

1個全雙工異步串行口，即UART。

2個16位定時/計數(shù)器。

5個中斷源(其中包括2個中斷優(yōu)先級)。

時鐘發(fā)生器。

可尋址64KB的程序存儲器(內(nèi)部已經(jīng)有4KB)。

8051系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。圖1-38051系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.2.38051系列單片機的封裝形式和管腳排列

8051系列單片機的封裝形式和管腳排列如圖1-4、圖1-5、圖1-6所示。圖1-48051系列DIP封裝圖1-58051系列PLCC封裝圖1-68051系列TQFP(PQFP)封裝1.38051系列單片機使用的工具及其連接1.3.1基本軟件環(huán)境——μV3簡介

KeilC51是德國KeilSoftware公司推出的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。KeilC51的集成開發(fā)環(huán)境是μVision系列，目前已推出了μVision3(簡稱μV3)。μV3是集成的可視化Windows操作界面，它提供豐富的庫函數(shù)和各種編譯工具，能夠?qū)?1系列單片機以及與51系列兼容的絕大部分類型的單片機進行設計。除了支持C51的語言外，也可以直接用它進行匯編語言的設計與編譯。KeilC51是一個非常優(yōu)秀的編譯器，受到了廣大單片機愛好者的青睞。編者之所以選擇KeilC51作為編譯器還有一個用心：學習單片機的初始階段使用匯編語言是必須的，這便于語言編程，從硬件的角度直接控制使用單片機，從而加深對單片機的理解。對于較小而且沒有復雜算法的程序而言，使用匯編語言是比較合適的。但是，隨著單片機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)和程序存儲器越來越大，速度越來越快，這個時候，精簡指令與縮短編程時間、提高編程效率相比，已經(jīng)是后者占優(yōu)了。因此，學習C語言是單片機入門后必然要走的一條路。我們從初識單片機的時候就開始學習如何使用KeilC51，到學習C程序的時候仍使用這個軟件，就會對它越來越熟悉，應用起來就會得心應手。下面我們從使用的角度，以創(chuàng)建一個工程為例來介紹μV3的操作步驟。

(1)打開μV3，其界面如圖1-7所示。圖1-7打開μV3后的界面一般正常打開μV3時，界面將顯示上次編輯保存的工程界面，這為繼續(xù)編輯提供了方便。下面我們創(chuàng)建新工程。

(2)選擇“Project”→“NewProject”命令，將彈出創(chuàng)建新項目對話框，如圖1-8所示。在此選擇需要保存的目錄并輸入項目的名稱，例如test，然后點擊“保存”按鈕。

(3)?CPU類型選擇。在如圖1-9所示的對話框中，按照需要選擇CPU廠家型號，然后單擊“確定”按鈕，將彈出提示信息，如圖1-10所示，這里我們一般選擇“否”。然后進入如圖1-11所示的界面，其中還沒有任何源文件，屬于一個空殼項目。圖1-8輸入保存文件的路徑和名稱圖1-9選擇CPU的廠家和型號圖1-10提示信息圖1-11建立新項目后的窗口

(4)創(chuàng)建源文件。選擇“File”→“New”命令，將彈出一個新的文本編輯窗口，如圖1-12所示。在該窗口按照圖示內(nèi)容輸入程序。這個程序是以查詢方式使用定時器T0而得到P1.2上的方波信號的。

(5)保存。選擇“File”→“SaveAs”命令，打開如圖1-13所示的對話框，在其中輸入正確的路徑和文件名。注意：我們使用的是匯編語言，所以文件的擴展名一定要使用.asm(.ASM)。這里使用的文件名稱為time.asm。

(6)在項目管理窗口中，右擊“SourceGroup1”，選擇“AddfilestoGroup‘SourceGroup1’”命令，在彈出的對話框中選擇剛才保存的那個asm文件，將其加入項目中。此時，項目界面如圖1-14所示。圖1-12在新的文本編輯窗口中輸入程序圖1-13保存文件圖1-14項目界面

(7)編譯項目。項目及源文件建立完畢后，便可以編譯項目了。如果需要生成單片機上可執(zhí)行的文件，可以選擇“Project”→“OptionsforTarget‘Target1’”命令，將彈出“OptionsforTarget‘Target1’”對話框，如圖1-15所示。選擇“Project”→“BuildTarget”命令即可進行編譯，如果程序無誤，則會在輸出窗口中顯示編譯結(jié)果，結(jié)果如圖1-16所示。在Output選項卡中，選擇復選框“CreateHEXFile”，并單擊“確定”按鈕，保存設置。此時，執(zhí)行編譯一次，將生成執(zhí)行文件Text.Hex，可以利用下載工具將其下載到單片機中執(zhí)行。對于μV3環(huán)境的詳細介紹，請參閱相關(guān)書籍。圖1-15編譯項目圖1-16編譯結(jié)果1.3.2配套硬件環(huán)境FT_0718開發(fā)板簡介為滿足不同層次和對象的需求，特提供兩款產(chǎn)品：開發(fā)板和實驗箱。開發(fā)板是針對入門后的用戶使用的；實驗箱是針對學生使用的。本書介紹的所有程序都已在該板上運行通過，提供的大部分電路也是該開發(fā)板的實際電路，只是有些電路用CPLD代替了部分電路的接口切換。這不影響對電路的學習和理解，反而有利于在入門后進一步學習利用CPLD進行開發(fā)。本書介紹的程序和電路都是通用的，并不局限于本開發(fā)板。如有需要交流的朋友，請聯(lián)系gj_john_dx@。1.3.3常用學習模式及開發(fā)流程本書為初學者提供了非常好的學習模式。不在局部拘泥于細節(jié)，而在全書非常系統(tǒng)地把8051的各個部分作了詳細介紹。讀者只要按照本書的編排順序，認真學習每一章的知識，最后，你就會在不知不覺中成為單片機的使用者了。對于開發(fā)設計而言，設計人員面對的不是一個或者一些單一的“I/O”，而是一個系統(tǒng)，其中包含了軟件、硬件以及整體的系統(tǒng)設計工作。因此，一個單片機應用系統(tǒng)的設計開發(fā)過程，必須先思考并分析系統(tǒng)的需求，規(guī)劃出哪些部分由硬件來做，哪些部分由軟件來處理。先把硬件結(jié)構(gòu)確定下來，然后把軟件程序燒錄到單片機中，最后把該芯片插入線路板，進行實際操作的檢測。若有問題，則需再從頭進行設計。程序完成后，單片機系統(tǒng)設計者需認真檢查硬件線路，進行成本費用與線路優(yōu)化的修改，同時考慮產(chǎn)品的商品化，其間還要配合軟件的修改。最后是系統(tǒng)維護和升級工作。單片機系統(tǒng)開發(fā)流程如圖1-17所示。這樣也就告訴了初學者，學習單片機是一個概念，而應用單片機還需要努力，并且要有系統(tǒng)的目光。這點對于初學者非常重要。圖1-17單片機系統(tǒng)開發(fā)流程1.4基本硬件連接框架本節(jié)簡要介紹單片機的系統(tǒng)組成和運行方式。1.4.1一個完整而簡單的電路——框架結(jié)構(gòu)圖1-18所示是一個最簡單的單片機系統(tǒng)。這個電路做不了什么實際工作，和外界沒有信息的交流，但卻是一個基本的框架結(jié)構(gòu)，其他的單片機系統(tǒng)都可以在這個基礎上進行修改、擴充。如果采用仿真機或監(jiān)控測量設備，則可以看到它的運行狀態(tài)。圖1-18最簡單的單片機系統(tǒng)1.4.2電源、時鐘、復位和功能設定現(xiàn)就上面最基本配置的框架結(jié)構(gòu)進行說明。

1.電源

51、52系列的單片機在電源布局上都是統(tǒng)一的，如圖1-18所示，20腳是電源地，

40腳是電源正。DIP封裝的電源都是5V±5%。具體的電源需要根據(jù)使用的單片機的型號通過查看DataSheet使用手冊來確定。書中使用的AT89C5X系列的VCC都是指+5V。

2.時鐘

8051內(nèi)部已經(jīng)具備振蕩電路，只要按照圖1-18所示的連接方法連接晶振(Crystal)即可。晶振頻率目前最高可以達到40MHz，具體的需要根據(jù)型號改變。不過，一般都支持12MHz的頻率(可以降頻使用，但不能超頻)。電容C2、C3必須提供，一般為30pF(如果使用其他振蕩器，則需要改變電容值)。如果電路設計需要外接時鐘源，則可以按照圖1-19所示的方法進行連接，XTAL2懸空，把XTAL1作為外部時鐘的輸入端。這種方法對于目前的大部分CMOS型的單片機是適用的。單片機內(nèi)部的所有操作都是在時鐘脈沖的統(tǒng)一步調(diào)下，嚴格按照先后次序進行的。這個次序就是單片機中所說的時序。時序是個非常重要的概念，它指明單片機內(nèi)部以及內(nèi)、外部相互聯(lián)系所遵守的規(guī)律。因此，這里同時提出其他幾個重要的概念。

振蕩周期(P)：就是晶體的振蕩周期，或外部時鐘脈沖的周期，稱為拍，用P表示。拍是51系列單片機中的最小時序單元。圖1-19使用外部時鐘源

時鐘周期(S)：又稱狀態(tài)周期，是由振蕩周期分頻而得到的，所以一個時鐘周期有兩個拍，稱為P1節(jié)拍和P2節(jié)拍。在每個時鐘的前半周期，即P1節(jié)拍，通常完成算術(shù)邏輯操作；在每個時鐘的后半周期，即P2節(jié)拍，通常完成內(nèi)部寄存器及寄存器之間的傳輸。

機器周期：一個機器周期由6個時鐘周期組成，即12個振蕩周期，可以依次表示為S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、…、S6P1、S6P2，共12個拍。當晶振頻率為12MHz時，一個機器周期就是1μs。

指令周期：指執(zhí)行一條指令所需的時間。8051指令系統(tǒng)的指令存儲長度一般為1～3字節(jié)，執(zhí)行指令所需的機器周期一般為1～4個機器周期。除MUL(乘法)和DIV(除法)指令外，單字節(jié)和雙字節(jié)指令可能是單周期或者雙周期的，3字節(jié)指令都是雙周期的，乘、除法指令是4周期的。具體的指令、字節(jié)、機器周期的對應關(guān)系查閱本書附錄中的指令一覽表。

指令執(zhí)行時序：指令執(zhí)行過程包括取指令和執(zhí)行指令兩個部分。指令長度和指令周期可以分為單字節(jié)單周期指令、雙字節(jié)單周期指令、雙字節(jié)雙周期指令、單字節(jié)雙周期指令、三字節(jié)雙周期指令、單字節(jié)四周期指令等。圖1-20中給出了幾個典型的時序圖。圖1-208051幾個典型的時序

3.復位

8051的復位引腳是第9腳，當此引腳上出現(xiàn)連續(xù)2個機器周期以上的高電平時，即引起復位。以12MHz的時鐘頻率為例，每個機器周期為1μs，所以需要復位的高電平的時間至少為2μs。我們一般取1ms，這樣可以保證單片機的可靠復位。復位電路如圖1-21所示。根據(jù)換路定理，電容兩端的電壓不能突變，所以在系統(tǒng)上電的瞬間，電容C1的上端電壓為VCC，下端電壓也是VCC；這時流過R1的電流最大，該電流給電容C1充電。隨著充電的進行，電容上積累的電荷越來越多，流過電容的電流逐漸減小，根據(jù)歐姆定律知道，這個時候電阻兩端的電壓(即9腳的電壓)逐漸降低。?經(jīng)過3～5τ?(注：τ?=?RC)后，認為電容充滿電，流經(jīng)電阻的電流為0，兩端的電壓也為0，所以這個時候9腳(RESET)的電壓為0。當9腳的電壓降低到低電平后，即退出復位，8051恢復正常狀態(tài)。在此使用10kΩ的電阻、10μF的電容，其時間常數(shù)為100ms(τ=RC=10×103×10×10-6s=100ms)。在圖1-21所示的復位電路中，增加了手動復位的功能。

4.功能設定基本電路的最后部分是存儲器的設定：如果把31腳(

)接地，則采用外部存儲器；如果把31腳(

)接VCC，則采用內(nèi)部存儲器?，F(xiàn)在的單片機大都有足夠的內(nèi)部存儲器，因此這里把31腳接VCC，以使用其內(nèi)部存儲器。圖1-218051的復位電路1.4.3可以運行啦為了觀察運行效果，這里給以上介紹的基本框架結(jié)構(gòu)增加一個發(fā)光二極管，連接電路如圖1-22所示，R2是限流電阻。看到的效果是發(fā)光二極管閃爍。對于初學者，可以從這個例子入手，先產(chǎn)生興趣，然后在嘗試修改中不斷提高對硬件的理解和運用，并且逐步積累軟件編程的經(jīng)驗，從而學會使用單片機。將下列程序輸入單片機，然后上電運行，注意觀察發(fā)光二極管的變化。

ORG 0000H

AJMP MAIN

ORG 0040H

MAIN:CALLDELAY；延時一段時間，等外電路穩(wěn)定

LOOP:CPLP1.0；P1.0取反，控制LED燈的亮滅

CALLDELAY；為了能夠看到燈的狀態(tài)的變化，增加延時 ；否則看到的效果是燈常亮，沒有任何變化

SJMPLOOP；繼續(xù)下一次控制

DELAY:MOVR0,#00H；延時控制，其原理就是讓MCU執(zhí)行循環(huán)

DELAY1:MOVR1,#00H；這種方法不予以推薦

DJNZR1,$；因為它浪費了大量的MCU的資源

DJNZR0,DELAY1 ；改進方法就是采用中斷

RET ；調(diào)用返回

END

至于怎樣增加其他的功能，繼續(xù)學習吧！圖1-22增加了發(fā)光二極管后的電路1.5指令格式及程序框架1.5.1指令描述指令的表示方法稱為指令格式。MCS-51匯編語言的指令格式通常包括操作碼(Opecode)和操作數(shù)(Operand)兩部分。操作碼規(guī)定指令執(zhí)行什么樣的操作，它是由助記符表示的字符串；操作數(shù)是操作的對象，它可能是一個具體的數(shù)據(jù)，也可能是存儲數(shù)據(jù)的地址或者寄存器。指令的基本格式如圖1-23所示。匯編語言編寫的程序必須翻譯成單片機可執(zhí)行的機器碼。根據(jù)機器碼的長短,它可分為單字節(jié)、雙字節(jié)和三字節(jié)指令。這3種指令在單片機的程序存儲器中分別占用1個、2個或3個字節(jié)。1.5.2語句描述匯編語言的語句格式如表1-2所示。圖1-23指令的基本格式表1-2匯編語言的語句格式1.5.3程序框架匯編語言程序的基本結(jié)構(gòu)有三種：順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)(選擇)和循環(huán)結(jié)構(gòu)，任何復雜的程序都可以看成是這三種基本結(jié)構(gòu)的組合。在圖1-24中給出了三種結(jié)構(gòu)的圖示。我們會在后面的應用中對這些結(jié)構(gòu)做鞏固理解。

1.順序結(jié)構(gòu)順序結(jié)構(gòu)是指由上至下逐條執(zhí)行指令。這種結(jié)構(gòu)簡單，但卻是構(gòu)成復雜程序的基礎。如圖1-24(a)所示，執(zhí)行完A指令后，接著向下執(zhí)行B指令。

2.選擇結(jié)構(gòu)在多數(shù)情況下，求解一個問題或者實現(xiàn)一個控制系統(tǒng)時，會有多條路徑可供選擇。這樣，在編寫程序時就需要有判斷條件，根據(jù)判斷結(jié)果的真假來決定程序的走向，這種結(jié)構(gòu)就是分支結(jié)構(gòu)。分支結(jié)構(gòu)如圖1-24(b)所示，如果條件為真，則執(zhí)行A，否則執(zhí)行B。圖1-24程序基本結(jié)構(gòu)

3.循環(huán)結(jié)構(gòu)在多數(shù)情況下，同樣的一段程序往往需要被執(zhí)行多次，例如要求1～100的所有整數(shù)和。注意圖1-24(c)和(d)的不同。前者是先執(zhí)行一次循環(huán)體，然后判斷是否繼續(xù)循環(huán)，如果是，則循環(huán)，否則退出循環(huán)，繼續(xù)向下順序執(zhí)行。而對于后者，則是先判斷跳出循環(huán)的條件是否滿足，如果不滿足，則繼續(xù)執(zhí)行循環(huán)體，否則跳出循環(huán)，繼續(xù)向下順序執(zhí)行。學習總是分階段循序漸進的，我們把各個部分分解開來，采用模塊化的方式來講解。為了在學習模塊的時候就可以上機運行，這里給出一個程序框架：

ORG 0000H

LJMP MAIN

ORG 0003H；根據(jù)實際程序選用

LJMP ISR_EX0

ORG 000BH；根據(jù)實際程序選用

LJMP ISR_TIMER0

ORG 0013H；根據(jù)實際程序選用

LJMP ISR_EX1

ORG 001BH；根據(jù)實際程序選用

LJMP ISR_TIMER1

ORG 0023H；根據(jù)實際程序選用

LJMP ISR_SERIAL

ORG 002BH；根據(jù)實際程序選用

LJMP ISR_TIMER2

ORG 0100H

MAIN：MOVSP，#60H

END讀者只要把各個模塊或者程序段嵌入到這個程序框架中，就可以編譯運行?！?.6設計課目與演練

1.延時程序——常用的程序調(diào)用單位(軟件演練)延時程序段是初學者常用的調(diào)用單位，這是因為該程序?qū)嵱枚液唵?。前面已?jīng)出現(xiàn)了這個程序段，這里再次給出，在以后的程序設計中可以直接使用(或者以子程序的形式調(diào)用)。

DELAY: MOV R0,#00H；延時控制

DELAY1: MOV R1,#00H