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单片机简介:
亦称微控制器,顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能微电脑型”，如智能型热水器等。
学习单片机是否很困难呢？应当说，对于已经具有电子电路，尤其是数字电路基本知识的读者来说，不会有太大困难，如果你对PC机有一定基础，学习单片机就更容易。为使绝大多数读者能用上单片机。我们这里将尽量按深入浅出、理论联系实际的原则把单片机的基本工作原理、使用方法交给读者，以达到把大家领进单片机之“门”的目的。不过，单片机和PC机一样，是实践性很强的一门技术，有人说“计算机是玩出来的”，单片机亦一样，只有多“玩”，也就是多练习、多实际操作，才能真正掌握它。因此，本讲座会提供各种练习和实验，并介绍一些适用于初学者且性价比较高的单片机和开发系统的货源。你只有认真完成成这些实践环节，才能为进一步深造，打好基础。
只要你有恒心、有决心，跟随我们的“连载”一步步走下去，将来就一定能在单片机世界里遨游。
单片机的组成:
单片机要自动完成计算，它应该具有哪些最重要的部分呢？
我们以打算盘为例计算一道算术题。例：111＋109×188－199÷32。现在要进行运算，首先需要一把算盘，其次是纸和笔。我们把要计算的问题记录下来，然后第一步先算109×188，把它与111相加的结果记在纸上，然后计算199÷32，再把它从上一次结果中减去，就得到最后的结果。
现在，我们用单片机来完成上述过程，显然，它首先要有代替算盘进行运算的部件，这就是“运算器”；其次，要有能起到纸和笔作用的器件，即能记忆原始题目、原始数据和中间结果，还要记住使单片机能自动进行运算而编制的各种命令。这类器件就称为“存贮器”。此外，还需要有能代替人作用的控制器，它能根据事先给定的命令发出各种控制信号，使整个计算过程能一步步地进行。但是光有这三部分还不够，原始的数据与命令要输入，计算的结果要输出，都需要按先后顺序进行，有时还需等待。如上例中，当在计算109×188时，数字111就不能同时进入运算器。因此就需要在单片机上设置按控制器的命令进行动作的“门”，当运算器需要时，就让新数据进入。或者，当运算器得到最后结果时，再将此结果输出，而中间结果不能随便“溜出”单片机。这种对输入、输出数据进行一定管理的“门”电路在单片机中称为“口”（Port）。在单片机中，基本上有三类信息在流动，一类是数据，即各种原始数据（如上例中的111、109等）、中间结果（如199÷32所得的商6、余数7等）、程序（命令的集合）等。这样要由外部设备通过“口”进入单片机，再存放在存贮器中，在运算处理过程中，数据从存贮器读入运算器进行运算，运算的中间结果要存入存贮器中，或最后由运算器经“出入口”输出。用户要单片机执行的各种命令（程序）也以数据的形式由存贮器送入控制器，由控制器解读（译码）后变为各种控制信号，以便执行如加、减、乘、除等功能的各种命令。所以，这一类信息就称为控制命令，即由控制器去控制运算器一步步地进行运算和处理，又控制存贮器的读（取出数据）和写（存入数据）等。第三类信息是地址信息，其作用是告诉运算器和控制器在何处去取命令取数据，将结果存放到什么地方，通过哪个口输入和输出信息等。
半导体存储器的工作原理存贮器又分为只读存贮器和读写存贮器两种，前者存放调试好的固定程序和常数，后者存放一些随时有可能变动的数据。顾名思义，只读存贮器一旦将数据存入，就只能读出，不能更改（EPROM、E2PROM等类型的ROM可通过一定的方法来更改、写入数据——编者注）。而读写存贮器可随时存入或读出数据.
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存储器的内部构造
看下面的图这就是半导体存储器的结构简图
(图中有4个字节)
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存储器的工作原理
存储器就是用来存放数据的地方它其实是利用电平的高或低来存放数据的也就是说它实际上存放的是电平的高或低的状态而不是我们所习惯上认为的
1234这样的数字那它是如何工作的呢看上面的图这就是存储器的内部结构示意图一个存储器就象一个小抽屉一个小抽屉里有8个也就是单片机的8位小盒子每个小盒子用来存放1位电荷电荷通过与它相连的电线传进来或释放掉至于电荷在小盒子里是怎样存放的这就不用我们操心了您可以把电线想象成水管小盒子里的电荷就象是水那就好理解了存储器中的1个小抽屉我们把它称之为1个单元相当于1个字节而1个小盒子就相当于1位
有了这么一个构造我们就可以开始存放数据了比如我们要放进一个数据
00011010我们只要把第2号第4号和第5号小盒子里存满电荷而其它小盒子里的电荷给放掉就行了可是问题又出来了一个存储器有好多相同的单元线是并联着的看D7-D0在放入电荷的时候会将电荷放入所有的字节单元中而释放电荷的时候会把每个单元中的电荷都放掉这样的话不管存储器有多少个字节单元都只能放同一个数这当然不是我们所希望的因此我们要在结构上稍作变化看上面的图在每个单元上有根线与译码器相连我想要把数据放进哪个单元就通过译码器给哪个单元发一个信号由译码器通过这根线把相应的开关打开这样电荷就可以自由地进出了那么这样是不是就能随意地向存储器写入或者读出数据了呢其实还不能继续看上面的图与D7-D0相连的还有一个控制器它是用来干什么的呢这根线叫写入/读出控制线当我们向存储器写入数据时必须先把这个开关切换到写入端而要读出数据时就得先把开关切换到读出端而片选端则是为了区分不同的存储器设置的这里没搞明白没关系后面还有介绍先让我们来看看译码器是如何工作的
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半导体存储器的译码
简单介绍一下我们知道1根线可以代表2种状态2根线可以代表4种状态3根线可以代表8种256种状态又需要几根线代表自己想一下是不是8根线
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存储器的选片及总线的概念
至此译码的问题解决了让我们再来关注另外一个问题送入每个字节的8根线又是从什么地方来的呢它就是从单片机的外部引脚上接过来的一般这8根线除了接一个存储器之外还要接其它的器件这样问题又来了这8根线既然不是存储器和单片机之间专用的如果总是将某个单元接在这8根线上就不行了比如这个存储器单元中的数值是11111111另一个存储器的单元是00000000那么这根线到底是处于高电平还是低电平所以我们必须让它们分离办法当然也简单当外面的线接到集成电路的引脚上来后不直接接到各单元去而是在中间加一组开关这组开关就是前面提到的控制器看前面的图平时我们让开关打开着如果确实是要向这个存储器中写入数据或要从存储器中读出数据再让开关切换到相应的位置就行了这组开关由三根引线选择读控制端写控制端和片选端要将数据写入先由控制器选中该片然后发出相应的写信号开关切换到相应的位置并将传过来的数据电荷写入片中如果要读信号先选中该片然后发出读信号开关也切换到相应的位置上数据就被送出去了另外读和写信号还同时受到译码器的控制由于片选端的不同所以虽有读或写信号但没有片选信号所以另一个存储器就不会误会而开门造成冲突那么会不会同时选中两个存储器呢只要是设计好的系统就不会如果真的出现同时选中两个存储器的话那就是电路出故障了
如此看来存储器要想写入或者读出数据还真是不容易不过好在这些都是由计算机自动完成的不需要我们去操心从上面的介绍中我们已经看到用来传递数据的
8根线并不是专用的而是很多器件大家共用的所以我们把它们称之为数据总线总线英文名为BUS即公交车道谁都可以走而16根地址线51单片机共有16根地址线这些以后会讲解这里不必死记硬背也是连在一起的我们把它们称之为地址总线看上面的图
单片机的主要处理中心CPU
实际上，人们往往把运算器和控制器合并称为中央处理单元——CPU。单片机除了进行运算外，还要完成控制功能。所以离不开计数和定时。因此，在单片机中就设置有定时器兼计数器。到这里为止，我们已经知道了单片机的基本组成，即单片机是由中央处理器（即CPU中的运算器和控制器）、只读存贮器（通常表示为ROM）、读写存贮器（又称随机存贮器通常表示为RAM）、输入/输出口（又分为并行口和串行口，表示为I/O口）等等组成。实际上单片机里面还有一个时钟电路，使单片机在进行运算和控制时，都能有节奏地进行。另外，还有所谓的“中断系统”，这个系统有“传达室”的作用，当单片机控制对象的参数到达某个需要加以干预的状态时，就可经此“传达室”通报给CPU，使CPU根据外部事态的轻重缓急来采取适当的应付措施。
现在，我们已经知道了单片机的组成，余下的问题是如何将它们的各部分连接成相互关联的整体呢？实际上，单片机内部有一条将它们连接起来的“纽带”，即所谓的“内部总线”。此总线有如大城市的“干道”，而CPU、ROM、RAM、I/O口、中断系统等就分布在此“总线”的两旁，并和它连通。从而，一切指令、数据都可经内部总线传送，有如大城市内各种物品的传送都经过干道进行。
单片机的指令系统和汇编语言程序:
前面已经讲述了单片机的几个主要组成部分，这些部分构成了单片机的硬件。所谓硬件（Hardware），就是看得到，摸得到的实体。但是，光有这样的硬件，还只是有了实现计算和控制功能的可能性。单片机要真正地能进行计算和控制，还必须有软件（Software）的配合。软件主要指的是各种程序。只有将各种正确的程序“灌入”（存入）单片机，它才能有效地工作。单片机所以能自动地进行运算和控制，正是由于人把实现计算和控制的步骤一步步地用命令的形式，即一条条指令（Instruction）预先存入到存贮器中，单片机在CPU的控制下，将指令一条条地取出来，并加以翻译和执行。就以两个数相加这一简单的运算来说，当需要运算的数已存入存贮器后，还需要进行以下几步： 第一步：把第一个数从它的存贮单元（Location）中取出来，送至运算器。
第二步：把第二个数从它所在的存贮单元中取出来，送至运算器；
第三步：相加；
第四步：把相加完的结果，送至存贮器中指定的单元。
所有这些取数、送数、相加、存数等等都是一种操作（Operation），我们把要求计算机执行的各种操作用命令的形式写下来，这就是指令。但是怎样才能辨别和执行这些操作呢？这是在设计单片机时由设计人员赋予它的指令系统所决定的。一条指令，对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统（Iustruction Set），不同种类的单片机，其指令系统亦不同。
下面重点讲一下数据、地址、指令的区别初学时特不易区分：
数据、地址、指令：之所以将这三者放在一起，是因为这三者的本质都是一样的──数字，或者说都是一串‘0’和‘1’组成的序列。换言之，地址、指令也都是数据。指令：由单片机芯片的设计者规定的一种数字，它与我们常用的指令助记符有着严格的一一对应关系，不可以由单片机的开发者更改。地址：是寻找单片机内部、外部的存储单元、输入输出口的依据，内部单元的地址值已由芯片设计者规定好，不可更改，外部的单元可以由单片机开发者自行决定，但有一些地址单元是一定要有的（详见程序的执行过程）。数据：这是由微处理机处理的对象，在各种不同的应用电路中各不相同，一般而言，被处理的数据可能有这么几种情况：
1·地址（如MOV DPTR，#1000H），即地址1000H（相当于门牌号）送入DPTR。
2·方式字或控制字（如MOV TMOD，#03H），3即是控制字。
3·常数（如MOV TH0，#10H）10H即定时常数（16进制）。
4·实际输出值（如P1口接彩灯，要灯全亮，则执行指令：MOV P1，#0FFH，要灯全暗，则执行指令：MOV P1，#00H）这里0FFH和00H都是实际输出值。又如用于LED的字形码，也是实际输出的值。
理解了地址、指令的本质，就不难理解程序运行过程中为什么会跑飞，会把数据当成指令来执行了。
现在发现一些初学的朋友对写指令的语句搞不清的，现在强调一下：就是如 MOV 空格再写TH1然后是逗号“,"然后接着写如#10H然后是";"(要半角的）后面就可以你写中文注释拉全角是这样“；” 06/12 月底补充。
使用单片机时，事先应当把要解决的问题编成一系列指令。这些指令必须是选定的单片机能识别和执行的指令。单片机用户为解决自己的问题所编的指令程序，称为源程序（Source Program）。指令通常分为操作码（Opcode）和操作数（Operand）两大部分。操作码表示计算机执行什么操作，即指令的功能；操作数表示参加操作的数或操作数所在的地址（即操作数所存放的地方编号）。因为单片机是一种可编程器件，只“认得”二进码（0、1）。要单片机运作，单片机系统中的所有指令，都必须以二进制编码的形式来表示。例如，在Intel公司的MCS－51系列单片机中，从存贮器中取出一数到CPU中的累加器（在运算器中，参与运算、存放运算结果的专用寄存器）的指令代码为74H，累加器内容加立即数的代码为24H，再加上立即数代码，累加器送数到内部RAM存贮器的代码为F6H～F7H等。这些指令是用十六进制表示二进制的机器码。MCS－51单片机的字长为8位，有时，要完成某些操作用一个字节尚不能充分表达。所以，在指令系统中有单字节指令，也有多字节指令。机器码是由一连串的0和1组成，没有明显的特征，不好记忆，不易理解，易出错。所以，直接用它来编写程序十分困难。因而，人们就用一些助记符（Mue monic）——通常是指令功能的英文缩写来代替操作码，如MCS－51中数的传送常用MOV（Move的缩写）、加法用Add(Addition的缩写）来作为助记符。这样，每条指令有明显的动作特征，易于记忆和理解，也不容易出错。用助记符来编写的程序称为汇编语言程序。但是，助记符编写的程序便于人理解，可单片机却只认识二进制机器代码，因此，为了让单片机能“读懂”汇编语言程序必须再转换成由二进制机器码构成的程序，这种转换过程，就称为“汇编”。汇编可借助于人工查表法来实现，也可借助PC机通过所谓“交叉汇编程序”来完成。由机器码构成的用户程序一旦“进入”了单片机，再“启动”单片机，就可让它执行输入程序所规定的任务。
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