周漢棟? 學號：20049200135? 竹園一號書院
轉自：https://www.zhihu.com/tardis/sogou/art/85352306
【嵌牛導讀】：各類電子設備，自動化等已經(jīng)普及我們的生活，我們通過小小的芯片實現(xiàn)對世界更加精切的控制。
【嵌牛鼻子】：51 單片機? 基礎知識
【嵌牛提問】：芯片如何識別命令，來達到我們想要的效果？
【嵌牛正文】：
一、STC89C51單片機外部引腳簡介
電源及時鐘引腳：Vcc（40腳）、GND（20腳）、XTAL1（19腳）、XTAL2（18腳）。
Vcc、GND——單片機電源引腳，不同的型號單片機接入對應電壓電源，常壓為+5V，低壓為
+3.3V。
XTAL1、XTAL2——外接時鐘引腳。XTAL1為片內(nèi)震蕩電路的輸入端，XTAL2為片內(nèi)震蕩電路的輸出端。8051的時鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時鐘震蕩方式，需要在這兩個腳外接石英晶體和震蕩電容，震蕩電容的值一般取10p~30p；另一種是外部時鐘方式，將XTAL1接地，外部時鐘信號從XTAL2腳輸入。
編程控制引腳。如RST（復位）、PSEN（29腳）、ALE/PROG（30腳）、EA/Vpp（31腳）。
RST(9腳)——單片機復位引腳。當輸入連續(xù)兩個機器周期以上高點平時有效，用來完成單片機的復位初始化操作，復位后程序計數(shù)器PC=0000H，單片機從程序儲存器的0000H單元讀取第一條指令碼。即單片機從頭開始執(zhí)行程序。
PSEN(29腳）—— 程序存儲器允許輸出控制端。讀取外部程序存儲器時PSEN低電平有效，以實現(xiàn)外部程序存儲器單元的讀操作（了解即可）。
ALE/PROG（30腳）—— 在單片機擴展外部RAM時，ALE用于控制把P0口的輸出低8位地址送鎖存器鎖存器來，以實現(xiàn)地位地址和數(shù)據(jù)的隔離。（了解即可）。
EA/Vpp（31腳）—— EA接高電平時，單片機讀取內(nèi)部程序存儲器。當擴展有外部ROM時，當讀取完內(nèi)部ROM后自動讀取外部ROM。EA接低電平時，單片機直接讀取外部ROM。
I/O口引腳 —— P0口、P1口、P2口、P3口。
P0口（39-32腳）——雙向8位I/O口，每個口可獨立控制，沒有上拉電阻，為高阻態(tài)，所以不能正常的輸出高低電平，因此該組IO口在使用時務必要接上拉電阻，一般選10千歐。
P1口（1-8腳）——準雙向8位IO口，每個口可獨立控制，內(nèi)帶上拉電阻，這種接口輸出沒有高阻狀態(tài)，輸入也不能鎖存，故不是真正的雙向IO口。之所以稱它為準雙向，是因為該口在作為輸入使用前，要先向該口進行寫1操作，然后單片機內(nèi)部才可正確的讀出外部信號，也就是要使其先有個“準”備的過程，所以說才是準雙向接口。
P2口（21-28腳）—— 準雙向8位I/O口，每個口可獨立控制，內(nèi)帶上拉電阻，與P1口相似。
P3口（10-17腳）——準雙向8位IO口，每個口可獨立控制，內(nèi)帶上拉電阻。作為第一功能可以當做普通I/O口，與P1口相似。P3口可做第二功能使用。參照下表：
二、電平特性
單片機的輸入輸出電平為TTL電平，其中高電平為+5V，低電平為0V。計算機串口為RS-232電平，其中高電平為-12V，低電平為+12V。注意，RS-232為負邏輯電平。
三、單片機的幾個周期介紹
時鐘周期：也稱為震蕩周期，定義為時鐘頻率的倒數(shù)（可以這樣來理解，時鐘周期就是單片機外接晶振的倒數(shù)，如12Mhz的晶振，它的時鐘周期就是1/12us）,它是單片機中最基本的、最小的時間單位。在一個時鐘周期內(nèi)，CPU僅完成這一個最基本的動作
狀態(tài)周期：它是時鐘周期的兩倍
機器周期：單片機的基本操作周期，在一個操作周期內(nèi)，單片機完成一項基本操作，如取指令、存儲器讀寫等。它由12個時鐘周期（6個狀態(tài)周期）組成。
指令周期：他是指CPU執(zhí)行一條指令所需要的時間。一般一個指令周期含有1~4個機器周期。
四、移位操作
左移。C51操作符為“<<”，最低位補零
右移。同上
循環(huán)左移，最高位移入最低位，其他依次向左移一位。
五、數(shù)碼管顯示原理
電路方面有共陰極和共陽極之分，讓數(shù)碼管顯示不同的數(shù)字就是先定義一個保存16進制數(shù)的數(shù)組，然后在程序中把這個16進制數(shù)賦值給相應的引腳。
六、中斷概念
51單片機一共有6個中斷源
INT0——外部中斷0
INT1——外部中斷1
T0/1/2——計時器/定時器中斷，由計數(shù)器滿回零引起。
T1/R1——串行口中斷，串行端完成一幀字符發(fā)送/接收后引起。
七、單片機的定時器中斷
51單片機內(nèi)部共有兩個16位可編程的定時器/計數(shù)器，即定時器T0和定時器T1。它們既有定時功能又有計數(shù)功能。定時器/計數(shù)器的實質是加1計數(shù)器（16位），由高8位和底8位兩個寄存器組成，TMOD寄存器是定時器/計數(shù)器的工作方式寄存器，確定工作方式和功能；TCON是控制寄存器，控制T0，T1的啟動和停止以及設置溢出標志。
加一計數(shù)器的輸入計數(shù)脈沖有兩個來源，一個是由系統(tǒng)的時鐘振蕩器輸出脈沖經(jīng)12分頻后送來；另一個是T0或T1引腳輸入的外部脈沖源。如果定時器/計數(shù)器工作在定時模式，則表示時間已到；如果工作在計數(shù)模式，則表示計數(shù)值已經(jīng)滿了。
定時器初始化過程如下：
①對TMOD賦值，以確定T0和T1的工作方式
②計算初值，并將初值寫入TH0、TL0或TH1、TL1中。
③中斷方式時，則對IE賦值，開放中斷。
④使TR0或TR1置位，啟動定時器/計數(shù)器定時或計數(shù)
八、并行與串行基本通信方式
1、并行通信方式：將數(shù)據(jù)字節(jié)的各位用多條數(shù)據(jù)線同時進行傳輸，每位數(shù)據(jù)都需要一條傳輸線。
2、串行通信方式：串行通信是將數(shù)據(jù)字節(jié)分成一位一位的形式在一條傳輸線上逐個的傳輸，此時只需要一條數(shù)據(jù)線
3、異步串行通信方式：指通信的接收與發(fā)送設備使用各自的時鐘控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程。其特點是：不要求發(fā)送雙方時鐘嚴格一致，容易實現(xiàn)，設備開銷小，但每個字符要附加2~3位，用于起始位、校驗位、停止位，各幀之間還有間隔，因此傳輸效率不高。在單片機與單片機之間，單片機與計算機之間通信時，通常采用異步串行通信方式。
4、同步串行通信方式：同步通信時要建立發(fā)送方時鐘對接收方時鐘的直接控制，使雙方完全達到同步。
九、RS-232電平與TTL電平的轉換
一般使用MAX232實現(xiàn)電平轉換
十、波特率與定時器初值的關系
1、波特率：單片機或計算機在串口通信時的速率用波特率表示，它定義為每秒傳輸二進制代碼的位數(shù)，即1波特 = 1位/秒，單位是bps。
2、波特率的計算：在串行通信中，收、發(fā)雙方對發(fā)送或接受數(shù)據(jù)的速率有約定。通過編程可對單片機串行口設定四種工作方式，其中方式0和方式2的波特率是固定的，而方式1和方式3的波特率是可變的，由定時器T1的溢出率來決定。
3、為什么51系列單片機常用11.0592MHz的晶振設計？常用波特率通常按規(guī)范取1200,2400,4800,9600···，若采用晶振12Mhz或6Mhz，計算得出的T1定時初值將不是一個整數(shù)，這樣通信時便會產(chǎn)生積累誤差。
十一、串行口結構描述
1、串行口結構：51單片機的串行口是一個可編程全雙工的通信接口，具有UART（通用異步收發(fā)器）的全部功能，能同時進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。串行口主要由兩個獨立的串行數(shù)據(jù)緩沖寄存器SBUF（一個發(fā)送緩沖寄存器，一個接收緩沖寄存器）和發(fā)送控制器、接收控制器、輸入移位寄存器以及若干控制門電路組成。執(zhí)行寫指令時，訪問串行發(fā)送寄存器；執(zhí)行讀指令時，訪問串行接收寄存器。與串口緊密相關的一個特殊功能寄存器是串行口控制寄存器SCON，它用來設定串行口的工作方式，接收/發(fā)送控制以及設置狀態(tài)標志位等。
2、串口方式簡介：重點介紹方式1:。方式1是十位數(shù)據(jù)的異步通信口，其中1為起始位，8為數(shù)據(jù)位，1位停止位。TXD為數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，RXD為數(shù)據(jù)接收引腳。其傳輸?shù)牟ㄌ芈适强勺兊?，對?1單片機，波特率由定時器1的溢出率決定。通常在做單片機與單片機串口通信、單片機與計算機串口通信、計算機與計算機串口通信時，基本都選擇方式1。
3、在具體操作串行口之前，需要對單片機的一些與串口有關的特殊功能寄存器進行初始化設置，主要是設置產(chǎn)生波特率的定時器1、串行口控制和中斷控制。①確定T1工作方式（編程TMOD寄存器）②計算T1的初值，裝載TH1，TL1③啟動T1（編程TCON寄存器的TR1位）④確定串行口工作方式（編程SCON寄存器）⑤串行口工作在中斷方式時，要進行中斷設置（編程IE、IP寄存器）
十二、I2C總線概述
1、I2C具有接線口少，控制簡單，器件封裝形式小，通信速率高等優(yōu)點。I2C總線由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL兩條線構成通信線路，即可發(fā)送數(shù)據(jù)，也可接受數(shù)據(jù)。
2、單片機模擬I2C總線通信，因為有許多單片機沒有I2C總線接口，如51單片機，不過我們可以在單片機應用系統(tǒng)中通過軟件模擬I2C總線的工作時序，在使用時，只需要正確調(diào)用各個函數(shù)就能方便地擴展I2C總線接口器件。
3、單片機在模擬I2C通信時，需要寫出如下幾個關鍵部分的程序：總線的初始化、啟動信號、應答信號、停止信號、寫一個字節(jié)、讀一個字節(jié)。
十三、單片機空閑與掉電模式
1、空閑模式：除CPU處于休眠狀態(tài)之外，其余硬件全部處于活動狀態(tài)。
2、掉電模式：也成為休眠模式，外部晶振停振，CPU,定時器、串行口全部停止工作，只有外部中斷繼續(xù)工作。
十四、看門狗概念
在由單片機構成的系統(tǒng)中，由于單片機的工作有可能受到外界電磁場的干擾，造成程序的跑飛，從而陷入死循環(huán)，程序的正常運行被打斷，所以出于對單片機運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測的考慮，便產(chǎn)生了一種專門用于監(jiān)測單片機程序運行狀態(tài)的芯片，俗稱看門狗。其工作過程如下：看門狗芯片和單片機的一個IO引腳相連，該IO引腳通過單片機程序控制，使他定時地往看門狗的這個引腳上送入高電平（或低電平），這一程序語句是分散的放在單片機其他控制語句中間的，一旦單片機由于干擾造成的程序跑飛而陷入某一程序段進入死循環(huán)狀態(tài)時，給看門狗引腳送電平的程序便不能被執(zhí)行到，這時看門狗電路會由于得不到單片機送來的信號，便對它與單片機復位引腳相連接的引腳送一個復位信號，使單片機復位。
十五、SPI接口
1、概述
SPI = Serial Peripheral Interface，是串行外圍設備接口，是一種高速，全雙工，同步的通信總線。常規(guī)只占用四根線，節(jié)約了芯片管腳，PCB的布局省空間。現(xiàn)在越來越多的芯片集成了這種通信協(xié)議，常見的有EEPROM、FLASH、AD轉換器等。
優(yōu)點：
1、支持全雙工，push-pull的驅動性能相比open-drain信號完整性更好；
2、支持高速（100MHz以上）；
3、協(xié)議支持字長不限于8bits，可根據(jù)應用特點靈活選擇消息字長；
4、硬件連接簡單；
缺點：
1、相比IIC多兩根線；
2、沒有尋址機制，只能靠片選選擇不同設備；
3、沒有從設備接受ACK，主設備對于發(fā)送成功與否不得而知；
4、典型應用只支持單主控；
5、相比RS232 RS485和CAN總線，SPI傳輸距離短；
2. 硬件結構
SPI總線定義兩個及以上設備間的數(shù)據(jù)通信，提供時鐘的設備為主設備Master，接收時鐘的設備為從設備Slave；
信號定義如下：
SCK : Serial Clock 串行時鐘
MOSI : Master Output, Slave Input 主發(fā)從收信號
MISO : Master Input, Slave Output 主收從發(fā)信號
SS/CS : Slave Select 片選信號
