作者：陆彬 等
出版社：电子工业出版社
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21天学通51单片机开发试读：
本书特点
千里之行，始于足下！——老子
为什么要写这样一本书
单片机凭借其强大的可编程能力及高性价比，在现代电子设计领域中具有重要的地位。在越来越多的产品中可以看到单片机的身影。其中，51系列单片机是市场上应用最广泛、性价比最高的单片机，使用51系列单片机进行设计的项目和开发人员都非常多。目前市面上关于单片机开发的书籍非常多，但是这些书有些过于技术化，入门者根本无法入手，有些书籍内容不全，无法让初学者对该技术得到全面的认识。
为了能让初次接触51系列单片机开发的爱好者快速而又轻松地学会单片机及其程序开发，笔者总结了自己学习单片机程序设计的经验，并结合多年实际开发的经验，编写了这本51系列单片机的基础教程。在本书中，笔者从最基础的概念入手，循序渐进地将51系列单片机开发和程序设计中的每个技术点展现在读者面前，力求让读者在最短的时间内高效地掌握51系列单片机开发的基础概念及技术要点。
本书有何特色
1.细致体贴的讲解
为了让读者更快地上手，本书特别设计了适合初学者的学习方式，用准确的语言总结概念＃用直观的图示演示过程＃用详细的注释解释代码＃用形象的比方帮助记忆。效果如下：知识点介绍 准确、清晰是其显著特点，一般放在每一节开始位置，让零基础的读者了解相关概念，顺利入门。范例 书中出现的完整实例，以章节顺序编号，便于检索和循序渐进地学习、实践，放在每节知识点介绍之后。范例代码 与范例编号对应，层次清楚、语句简洁、注释丰富，体现了代码优美的原则，有利于读者养成良好的代码编写习惯。对于大段程序，均在每行代码前设定编号，便于学习。运行结果 对范例给出运行结果和对应图示，帮助读者更直观地理解范例代码。代码解析 将范例代码中的关键代码行逐一解释，有助于读者掌握相关概念和知识。综合练习 为了便于读者巩固所学内容，本书每章中均提供了综合练习，并给出了操作提示和结果，配合读者自己动手实践。习题 每章最后提供专门的测试习题，供读者检验所学知识是否牢固掌握，题目的提示或答案放在光盘中。贴心的提示 为了便于读者阅读，全书还穿插着一些技巧、提示等小贴士，体例约定如下：
● 提示：通常是一些贴心的提醒，让读者加深印象或提供建议，或者解决问题的方法。
● 注意：提出学习过程中需要特别 注意的一些知识点和内容，或者相关信息。
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经作者多年的培训和授课证明，以上讲解方式是最适合初学者学习的方式，读者按照这种方式，会非常轻松、顺利地掌握本书知识。
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推荐的学习计划
本书作者在长期从事相关培训或教学实践过程中，归纳了最适合初学者的学习模式，并参考了多位专家的意见，为读者总结了合理的学习时间分配方式，列表如下：续表续表
本书适合哪些读者阅读
本书非常适合以下人员阅读：
● 从未接触过51单片机开发技术的人员；
● 有一定硬件开发技术基础，但还需要进一步学习的人员；
● 想学习单片机C51语言的开发人员
● 其他编程爱好者。
本书作者
本书主要由陆彬编写，其他参与编写和资料整理的人员有昊燃、方振宇、陈冠佐、傅奎、陈勤、梁洋洋、毕梦飞、陈庆、柴相花、陈非凡、陈华、陈嵩、承卓、陈先在。第1章51系列单片机概述
单片机是一种广泛应用的微处理器技术。单片机具有种类繁多、价格低、功能强大和扩展能力强等优点。目前单片机已经应用到各类控制系统中，包括智能玩具、家电、数控系统等。单片机技术是最受广大工程师和电子设计爱好者欢迎的技术。本章将对单片机及典型的51系列单片机的基本结构进行讲解。通过本章的学习，读者可以实现如下几个目标。
● 了解单片机发展历史、应用领域和发展方向。
● 熟悉典型的51系列单片机引脚结构和功能。
● 掌握51系列单片机的内部结构。
● 了解51系列单片机的中央处理器结构。
● 熟悉51系列单片机的存储器结构。
● 掌握51系列单片机的指令时序。
● 了解51系列单片机的掉电保护和低功耗模式。1.1 51系列单片机概述
单片机的命名比较杂乱，但基本的意思就是单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer）的简称。形象地说，单片机是一种简化了的计算机，其主要针对于各种小型设备和便携式设备等嵌入式系统。1946年，世界上第一台电子数字计算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学研制成功。随后，计算机技术便突飞猛进，很难想象其在短短的几十年的时间居然发展得如此神速，普及得如此广泛。
在计算机技术中，单片微型计算机，也就是单片机，也是异军突起，发展十分迅速，已成为电子工程师必备的技术。单片机内部集成了中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、只读存储器（Read Only Memory，ROM）、随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）、定时器/计数器及I/O（Input/Output）接口等部件。这些部件使单片机具有了和计算机同样强大的功能。1.1.1 单片机的发展历史
单片机大概可以追溯到20世纪70年代。1970—1974年之间，诞生了第一代4位单片机。这类单片机已经具有了并行I/O接口及一些常用的A/D和D/A等资源。这在当时来说是非常强大的，通过灵活的控制能力，使其应用于电视机、收音机和电子玩具。
随后，潘多拉的盒子便打开。人们认识到单片机的潜在能力和市场价值，各个公司便投入了大量的研究力量。在1974—1978年，单片机进入8位时代。这个时期以Intel公司的MCS-48系列单片机最具代表性。此时的单片机内部集成了更为强大的8位CPU内核、多个并行I/O接口，同时增加了定时器/计数器及小容量的RAM和ROM等。
1978—1983年，Intel公司的MCS-51系列为代表，标志着进入高档8位单片机时代。这个时期的单片机工作频率、硬件资源和RAM/ROM容量等都有极大的突破，创新地加入了串口通信接口及多级中断处理系统。我们现在所广泛使用的单片机都仍以该内核为基础，因此，也常称为51系列单片机。
随后，单片机市场便进入百花齐放、百家争鸣时代。各个厂商不仅在增强单片机的性能，还推出了不同类型的单片机，例如PIC系列单片机、ARM系列单片机、AVR系列单片、C8051F系列单片机，以及Cypress的PSoC系列等。这便是我们现在看到的单片机领域的纷繁复杂格局。
总的来说，现在的单片机产品线非常丰富，4位、8位、16位单片机乃至32位单片机均有其各自的应用领域。单片机的技术已经深入人心，现在如果不会单片机，便很难跟上技术的发展。1.1.2 51系列单片机简介
51系列单片机是单片机领域中的一类，也是影响最为深远，使用最为广泛的单片机系列。51系列单片机是指Intel的MCS-51系列及和其具有兼容内核的单片机。51系列单片机最早由Intel公司发展起来，随后将51内核授权给其他各个厂商。
因此，现在MCS-51兼容的单片机种类繁多，例如Atmel公司的AT89C系列、AT89S系列，Silicon Laboratories公司的C8051F系列，还有Philips公司的8XC552系列等。有些厂商还进一步发展了增强型的51内核，例如Cypress公司的带USB接口的单片机、MAXIM公司DS80/83/87/89系列高速单片机等。这些兼容的或者增强的51内核单片机有着十分接近的指令系统和硬件结构。这给开发人员带来的好处是，一方面有丰富的产品线可供选择，另一方面方便程序和设计的移植。
到目前为止，51系列单片机仍然占据了绝大多数的单片机市场。因此学习和掌握51系列单片机是最有前途的技术。其他类型单片机只在特定领域或者高端应用场合使用。读者只要掌握了51系列单片机的开发技术，便很容易学习其他的单片机技术。1.1.3 51系列单片机的应用领域
51系列单片机以其强大的可重复编程能力和高的性价比等优点而得到广泛应用。目前，到处都可以看到51系列单片机的身影。51系列单片机主要应用于如下几个领域：
家电产品，例如电视、电话、冰箱、空调、洗衣机、家用防盗报警器等。在这类设备中，单片机主要用于功能控制。
● 随身影音设备，例如MP3、MP4、录音笔等。在这些设备中，单片机用于系统控制和功能管理。
● 电子玩具，例如各种电动玩具、发声玩具、玩具机器人、遥控电动车、遥控航模等。在这类设备中，单片机实现了核心功能的控制和智能人机接口。
● 机电一体化设备，例如车床、铣床、数控机床等。在这类设备中，单片机作为机电一体化设备的控制器，可以简化机械产品的结构设计，实现智能的生产和操作控制，并扩展原有设备的功能。
● 数据通信，例如无线数传、大容量存储设备等。在这类设备中，单片机依靠串口、并口或者高速USB接口等，实现计算机之间、计算机与外围设备之间的控制和数据传输等。
● 测控设备，例如数据采集系统、示波器、智能仪表等。在这类设备中，依靠单片机强大控制和通信能力，实现测试、测量和控制等功能。
上面这几个领域基本涵盖了电子设备的各个方面。因此，总的来说，需要控制、通信和智能的领域，便可以找到单片机的身影和应用市场。1.1.4 51系列单片机的发展方向
51系列单片机是最为成功的产品之一。虽然早期的51内核技术现在看来已经比较陈旧，但是各个厂商在推出产品的时候都进行了不同程度的增强。这些51内核的增强，便体现了51系列单片机的发展方向，主要有如下几个方面。
● 高速。早期的51内核只有几MHz的运行频率，现在各个公司推出的51单片机产品均能够达到几十MHz的运行频率，例如Atmel公司的AT89S系列的单片机最大运行于33MHz，还有其他一些公司的产品也都具有很高的速度。
● 缩短指令执行周期。早期的51内核指令一般需要1～4个指令周期来完成，最快的单周期指令也需要6个时钟周期，相当于12个时钟振荡周期。新的增强型51内核大大缩短了指令的执行周期，例如MAXIM的高速单片机每机器周期使用一个时钟，速度是标准8051的33倍。还有其他一些公司也相应提高了指令的执行时间。
● 低功耗。单片机主要应用于各种嵌入式设备中，这类设备最大的共性便是采用电池供电，需要出色的功耗控制。否则，一个产品很快没电了，便毫无使用价值了。现在的单片机功耗都在逐步下降，同时还提供了丰富的低功耗模式可供选择，大大延长了电池的使用时间。
● 高度集成性。现在的单片机集成了越来越多的功能，例如 A/D 转换、D/A 转换、SPI接口、I2C 接口、USART 接口、USB 接口、CAN 接口等。在有些设计项目中，甚至仅靠一个单片机便可以完成所有的工作，真正实现“单片”的含义。
● 减小封装尺寸。单片机在提高强度的接口功能的同时，其封装体积也在逐步减少。这样，可以减小电路板的使用面积，使最终产品小型化。目前的手机、笔记本等的日益小型化便是很好的体现。1.2 典型引脚结构
对于51系列单片机来说，不同的单片机型号，不同的封装具有不同的引脚结构。因此很难采用一种来涵盖所有的引脚结构，其时也没有这个必要。这里，我们选择了最常用最经典的40Pin的8051单片机为例进行讲解，如图1-1所示。读者在以后的学习和工作中会发现，它囊括了所有的51系列单片机的基本特色，即所有的共性信息。下面我们将逐个讲解各个引脚的功能，给大家一个初步的印象。在介绍的过程中，我们还兼顾了其他一些型号的单片机的特点和区别。图1-1 40引脚的8051单片机1.2.1 电源引脚
电源引脚相当于整个单片机工作的动力源。8051单片机的工作电源一般为5V，某些型号的单片机可能会是3.3V，甚至更低。低的供电电压适用于电池供电的设备。在这里，电源引脚主要有如下两个。
● VCC（Pin40）：正电源引脚。正电源接4.0～5.0V电压，正常工作电压为+5V。
● GND（Pin20）：接地引脚。
注意：某些型号的单片机可能包含多个VCC和GND引脚，这些引脚都需要连接否则将影响使用。1.2.2 时钟引脚
时钟引脚相当于一个固定周期的时钟，用于为单片机提供工作时序的基准。8051单片机的时钟引脚包括如下两个。
● XTAL1（Pin19）：时钟XTAL1脚，用做片内振荡电路的输入端。
● XTAL2（Pin18）：时钟XTAL2脚，用做片内振荡电路的输出端或者外部时钟源的输入引脚。
时钟引脚的时钟信号供单片机内部的CPU运行时使用。8051的时钟引脚具有两种工作模式，片内时钟模式和片外时钟模式。
1.片内时钟模式
当单片机工作于片内时钟模式时，在XTAL1引脚和XTAL2引脚外接石英晶体和振荡电容，如图1-2所示。
51系列单片机内部包含一个高增益的单级反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为片内反相放大器的输入端口和输出端口，其工作频率为0～33MHz，不同的型号具有不同的频率要求。振荡电容的值一般取10～30pf。在使用时，对于电容的选择有一定的要求。当外接晶体振荡器的时候，电容值一般选择C1=C2=30±10pF。当外接陶瓷振荡器的时候，电容值一般选择C1=C2=40±10pF。
此外，在实际电路布局的时候，应尽量保证外接的晶体振荡器和振荡电容尽可能靠近单片机的XTAL1和XTAL2引脚，这样可以减少寄生电容的影响，使振荡器能够稳定可靠地为单片机CPU提供时钟信号。实际上，很多初学者都很容易犯这个错误，从而导致振荡电路不起振，单片机也不工作。这个时候，用户可以通过监视XTAL1和XTAL2引脚是否有时钟信号来判断振荡电路是否正确工作。图1-2 片内时钟模式
2.片外时钟模式
当单片机工作于片外时钟模式时，只需从一个引脚输入一个一定频率的时钟信号即可。这个时钟信号由外部振荡器产生，可以为有源晶振或者其他的时钟芯片。
这里需要注意的是，对于不同工艺类型的单片机，外部时钟的输入引脚不同。
● 对于普通的8051单片机，外部时钟信号由XTAL2引脚接入后直接送到单片机内部的时钟发生器，而引脚XTAL1则应直接接地，如图1-3所示。这里需要注意，由于XTAL2引脚的逻辑电平不是TTL信号，因此需要外接一个上拉电阻。
● 对于CMOS型的单片机，和普通的8051不同的是其内部的时钟发生器的信号取自于反相放大器的输入端。因此，外部的时钟信号应该从单片机的 XTAL1 引脚输入，而XTAL2引脚则需要悬空，如图1-4所示。这里单片机有80C51、80C52、AT89S52等。图1-3 8051的外部时钟接线模式图1-4 CMOS型单片机的外部时钟接线模式
另外，外部时钟信号的频率应该根据不同单片机的工作频率要求而定。例如，8051单片机的输入频率应为0～12MHz，AT89S51单片机的输入频率则为0～33MHz。1.2.3 并行I/O引脚
并行I/O引脚是单片机强大扩展能力的直接体现。8051单片机提供了4组8位的并行I/O引脚，均支持双向数据传输。部分并行I/O引脚还提供了扩展功能。下面将详细介绍各组并行I/O引脚的结构和功能。
1.P0端口
P0端口即P0.0～P0.7，占据Pin39～Pin32共8个引脚。P0端口具有两个功能，既可以用做双向数据总线口，也可以分时复用输出低8位地址总线。
P0端口是由8个结构完全相同的引脚组成的，对于某一个引脚结构，如图1-5所示。P0端口的每个引脚包含一个输出锁存器、一个输出驱动电路、一个输出控制电路、电子模拟开关MUX和两个三态缓冲器。图1-5 P0端口内部结构
当P0端口作为普通的I/O使用时，对应的控制信号为0。电子模拟开关MUX导通下面的线路，此时锁存器的端和输出端连接在一起。同时，与门输出为0，使上拉FET管截止。此时，P0 端口的输出是漏极开路电路，因此为了保证正常工作，需要外接上拉电阻（5～10KΩ左右）。其工作情况如下：
● 当P0端口用做输出时，如果程序中需要输出0，锁存器的输出端为高电平，致使下拉FET管导通，从而引脚输出0；如果程序中需要输出1，锁存器的为低电平，致使下拉FET管截止，由外接的上拉电阻将输出端变为高电平，从而引脚输出1。
● 当P0端口用做输入时，应首先置各个锁存器为1（即输出FFH），才能保证获得正确的输入结果。即P0口不是一个真正的双向I/O端口，而是一个准双向端口。
当P0端口作为低8位地址/数据分时复用时，对应的控制信号为高电平1，电子模拟开关MUX导通上面的线路，输出端与地址/数据线经反相器输出相连，并于下拉FET导通。同时，与门开锁，输出地址/数据信号，既通过与门驱动上拉FET管，又通过反相器驱动下拉FET管。其工作情况如下：
● 如果程序中需要输出信号1，上拉FET管处于导通状态，而1经过反相器后变为0，使下拉FET管截止，从而在输出引脚上输出高电平1；
● 如果程序中需要输出信号0，上拉FET管处于截止状态，而0经过反相器后变为1，使下拉FET管导通，从而使输出引脚上输出低电平0。
当P0端口用做地址/数据分时复用时，单片机复位后自动置P0口为0FFH，这样下拉FET管截止。如果需要输出0，则上拉FET管也截止。这样，可以保证在高阻抗状态下获取正确的输入数据。因此，在此时P0端口是一个真正的双向I/O端口，能够驱动8个LSTTL负载。
2.P1端口
P1端口即P1.0～P1.7，占据Pin1～Pin8共8个引脚。P1端口一般用做通用I/O端口，是8位准并行的，具备4个TTL负载的驱动能力。P1端口可以用做位处理，即各位都可以单独输出或输入数据。
P1端口是由8个结构完全相同的引脚组成的，对于某一个引脚结构，如图1-6所示。P1端口的每个引脚包含上拉电阻、锁存器和控制电路。图1-6 P1端口内部结构
由于P1端口为准双向的I/O端口，因此在读端口之前，应该首先向寄存器写入1，然后才能够获取正确的输入。单片机复位后，由于各位锁存器均置为1输出为0，下拉FET管截止，因此，各位用做输出或输入都是正确的。
注意：对于某些新型的单片机，P1端口还可能提供了第二功能，这需要根据不同的单片机来确定。
3.P2端口
P2端口即P2.0～P2.7，占据Pin21～Pin28共8个引脚。P2端口可以用做通用I/O端口，或者在扩展外部存储器时用做高8位地址线。
P2端口是由8个结构完全相同的引脚组成的，对于某一个引脚结构，如图1-7所示。P2端口的每个引脚包含上拉电阻、锁存器、电子模拟开关MUX和控制电路。图1-7 P2端口内部结构
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