嵌入式 - 硬件：51单片机

本节重点
1. MCU、CPU、GPU、NPU、SOC、MPU、FPU
2. 内存、外存的区别
3. RAM和ROM的区别，单片机RAM大小
4. 三大总线及其特点
5. 发光二极管分类及其特点
6. 数码管显示原理

一、嵌入式

以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪的专用计算机系统。

二、51 单片机

1980 年，由 Intel 公司推出 MCS-51 系列的8051 型号单片机（多用于工业控制领域），实现从 MCU 向类 CPU 功能的拓展。
其他厂商代表型号：

Atmel：AT89C51；
Philip：P89V5 系列单片机（增强型单片机，支持 ISP 在线编程）；
STC 宏晶半导体：STC89C51、STC89C52、STC89C52RC。

三、相关概念

术语	全称 & 核心解释
CPU	Central Processing Unit（中央处理器）：负责数据运算、指令处理；CPU 性能越高，指令处理和数据运算速度越快。
MCU	Micro Controller Unit（微控制器）--- 单片机：集成度高，将 CPU、RAM、ROM、定时器、UART、IO 等功能集成到单芯片中；适用于简单控制场景，成本低。
MPU	Micro Processing Unit（微处理器）：集成度低，仅包含单独 CPU，需外接外设、存储模块；适用于复杂应用领域（如运行 Linux 系统），成本高。
GPU	Graphics Processing Unit（图形处理器） ---- 显卡：负责图形处理、图形渲染；GPU 性能越好，图形显示质量越高。
NPU	Neural Processing Unit（神经网络处理器）：负责 AI 推理、硬件加速、神经网络处理（如卷积运算）；例如华为 Mate60 的 “达芬奇 NPU” 可实现 AI 自动优化照片。
FPU	Floating Point Unit（浮点数运算单元）：专门完成浮点数的运算和处理（遵循 IEEE 754 标准）；大部分集成在 CPU 内部。
SOC	System On Chip（片上系统）：集成度高，将存储芯片、外设芯片等多个功能模块集成到单块芯片上。

四、RAM 和 ROM

外存：主要存放程序、代码、指令；掉电数据不丢失，读写速度慢，价格便宜（如移动硬盘 1T 约 300 元）。
内存：主要存放程序运行过程中的临时变量；掉电数据丢失，读写速度快，价格昂贵（如内存条 16G 约 300 元）。
ROM：Read-Only Memory（只读存储器）；存放单片机程序、指令，掉电数据不丢失。
RAM：Random Access Memory（随机访问存储器）；存放临时变量、临时数据，掉电数据丢失。

单片机的存储系统简化为 “ROM+RAM”，分工明确：

ROM（只读存储器）：单片机的 “程序仓库”，存放我们编写的控制程序、指令，掉电后数据不丢失（比如你写的 “LED 闪烁程序” 就存在这里）。
RAM（随机访问存储器）：单片机的 “临时工作台”，存放程序运行中的临时变量（比如计算过程中的计数器值、传感器的实时数据），掉电后数据丢失。

注意：51 单片机的 RAM 容量很小，经典型号（如 STC89C52）的 RAM 仅为256 字节，因此编程时要避免定义过大的变量。

五、单片机内部结构：三大总线 + 核心模块

51 单片机的内部结构像一个 “微型工厂”，各模块协同工作，而 “三大总线” 负责连接各模块。

1. 核心内部模块

一块 51 单片机芯片内部集成了以下关键模块，无需外接就能实现基础控制功能：

CPU：核心运算单元，执行程序指令；
RAM/ROM：存储模块，对应上文的 “临时工作台” 和 “程序仓库”；
Timer（定时器）：实现定时功能（如 “每隔 1 秒亮一次灯”）；
PWM（脉冲宽度调制）：控制输出信号的占空比（如调节 LED 亮度、电机转速）；
IO 口：输入 / 输出接口（如连接 LED、按键、数码管）；
中断：处理紧急事件（如外部按键按下时，暂停当前程序优先响应按键）；
UART（串口）：实现单片机与电脑的通信（如程序下载、数据上传）。

2. 三大总线：连接模块的 “桥梁”

三大总线负责在内部模块间传输数据、地址和控制信号，是单片机工作的 “基础设施”：

地址总线：“找位置”—— 负责传输 RAM 的地址，告诉 CPU “要访问的临时数据在 RAM 的哪个位置”。51 单片机的地址总线宽度为 8 位，最大寻址范围为2^8 = 256字节（对应 RAM 容量），单向传输（只能从 CPU 发往 RAM）。
数据总线：“传数据”—— 在 CPU 和 RAM 之间传输实际数据（如变量值），双向传输（可从 RAM 读数据到 CPU，也可从 CPU 写数据到 RAM）。
控制总线：“发指令”—— 负责传输控制信号，比如 “开始读数据”“中断请求”“IO 口控制”，协调各模块的工作时序（时序控制）。

六、硬件基础：原理图中的关键元素

要让单片机工作，必须先看懂基础原理图，核心关注 “MCU 封装”“网络编号” 和 “LED 模块”。

1. MCU 封装：以 STC89C52RC 为例

STC89C52RC 最常用的封装是DIP40（双列直插式），即芯片有 40 个引脚，这些引脚分为 4 组 IO 口（P0~P3），对应程序中的端口寄存器（如unsigned char P2;—— 通过操作 P2 寄存器就能控制 P2 口的 8 个引脚）。

2. 网络编号

在实际电路中的一个编号，避免物理连线，相同网络的编号的引脚在实际电路中是彼此互通

3. LED 模块：单向导通的 “发光二极管”

具有单向导通性，分为共阳极和共阴极二极管

共阳极 LED：所有 LED 的阳极接电源正极（VCC，5V），阴极接单片机的 IO 引脚。
导通条件：单片机 IO 引脚输出低电平（0V），此时阳极（5V）和阴极（0V）形成电压差，电流流过 LED，使其发光。
共阴极 LED：与共阳极相反，阴极接 GND，阳极接单片机 IO 引脚，需 IO 输出高电平才能发光。

七、编程核心：位运算（置 1 / 清 0 / 异或）

单片机编程频繁操作 IO 口的 “某一位”（比如 “让 P2 口的第 0 位输出低电平”），这就需要位运算—— 直接操作二进制的每一位（bit）。

1. 三种核心位运算

运算符号名称规则（对应 bit 比较）核心应用场景示例代码（以 unsigned char t 为例）

按位或

有 1 则 1，全 0 则 0

指定位置 1（让某 bit=1）

运算符号	名称	规则（对应 bit 比较）	核心应用场景	示例代码（以 unsigned char t 为例）
\|	按位或	有 1 则 1，全 0 则 0	指定位置 1（让某 bit=1）	把 t 的 bit0 和 bit7 置 1： t \|= (1 << 0) \| (1 << 7);
`&`	按位与	全 1 则 1，有 0 则 0	指定位清 0（让某 bit=0）	把 t 的 bit0 和 bit7 清 0： `t &= ~(1 << 0);` `t &= ~(1 << 7);`
`^`	按位异或	相同则 0，不同则 1	指定位翻转（0 变 1，1 变 0）	把 t 的 bit0 翻转： `t ^= (1 << 0);`

把 t 的 bit0 和 bit7 置 1：

t |= (1 << 0) | (1 << 7);

&

按位与

全 1 则 1，有 0 则 0

指定位清 0（让某 bit=0）

把 t 的 bit0 和 bit7 清 0：

t &= ~(1 << 0);

t &= ~(1 << 7);

^

按位异或

相同则 0，不同则 1

指定位翻转（0 变 1，1 变 0）

把 t 的 bit0 翻转：

t ^= (1 << 0);

2. 练习

已知：unsigned char a = 0x62; unsigned char b = 0xFF;（16 进制转二进制：0x62=01100010，0xFF=11111111）

（1）将 a 的 bit0 和 bit7 置 1

a |= (1 << 0) | (1 << 7);

（2）将 b 的高 4 位清 0

t &= ~(0x0F << 4);
t &= ~(0xF0 << 0);

八、单片机程序创建、编写、编译、下载流程：

掌握 “编写 - 编译 - 下载” 流程，你就能让单片机执行你的指令（比如控制 LED 闪烁），这里以Keil4（51 单片机专用开发软件） 为例：

步骤 1：安装 Keil4

步骤 2：新建工程

点击菜单栏「Project」→「New Project」，选择工程保存路径，命名（如 “LED_Blink”）；
选择芯片型号：在弹出的 “Select Device for Target” 窗口中，展开「Atmel」→选择「AT89C51」
弹出 “Copy Standard 8051 Startup Code to Project Folder” 时，点击「否」---------------------不拷贝启动代码

步骤 3：添加 C 语言文件

点击菜单栏「File」→「New」，新建空白文本；
按「Ctrl+S」保存，命名为 “main.c”（必须加.c 后缀，保存到工程同一目录）；
双击左侧Grpup，点击Add 将文件加入到对应的Group下。

步骤 4：编写程序（以 LED 闪烁为例）

1 .#include <reg51.h>，加入51单片机头文件

2 .需要加入while(1)避免程序跑飞

示例代码：

#include <reg51.h>// 延时函数（简单延时，约1秒）
void delay() {unsigned int i, j;for(i = 0; i < 60000; i++)for(j = 0; j < 10; j++);
}void main() {while(1) {P2 = 0xFE;  // P2口bit0=0（低电平），其他bit=1，对应LED亮delay();    // 延时1秒P2 = 0xFF;  // P2口全为1（高电平），LED灭delay();    // 延时1秒}
}

步骤 5：编译生成 HEX 文件

点击菜单栏「Project」→「Options for Target 'Target 1'」（或直接点工具栏 “魔术棒” 图标）；
切换到「Output」选项卡，勾选「Create HEX File」（生成可下载的十六进制文件），点击「OK」；
点击工具栏「Build」（或按 F7），编译工程，下方 “Build Output” 窗口显示 “0 Errors” 即编译成功，工程目录下会生成 “LED_Blink.hex” 文件。