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微机原理与接口技术

前言

距离第一次接触51单片机已有两年之久，当时跟着江科大的视频学了两个星期，完成了一些基本操作，随后就不怎么接触了，而关于微机的底层和通讯在之后的时间里，一直都是零散的学习，刚好借助此次课程的机会，记录一下自己的微机的学习。只记录重要知识点，配合教材使用。

课程概述

教材使用王晓萍的微机原理与接口技术
教材分为3个部分进行教学

  • 微控制器原理
  • 微机接口技术
  • 微机系统设计

微机概述

微机两大分支

  • 通用计算机（PC）
  • 嵌入式计算机（MCU）

硬件结构

知识点讲解

基本结构

  • 输入输出设备
  • 存储器
  • 控制器与运算器

存储结构分类

  • 存算一体（哈佛结构）
  • 存算分开（冯诺依曼结构）

0851硬件资源

  • CPU
  • RAM(128B数据存储器)
  • ROM(4K程序存储器)
  • 4个8位IO口
  • 2个16位定时器/计数器
  • 中断系统（5个中断源，2个优先级）
  • 1个全双工串行口
  • SFR(21个特殊功能寄存器)

0851功能特点记忆点

  • 内部RAM,256B（2^8）,地址为00H~FFH
  • 外部RAM，最大64KB（2^16），地址0000H~FFFFH
  • 内部ROM,4~64K,以8K为例(2^13)
  • 外部ROM,最大64K，地址0000H~FFFFH
  • 指令系统，复杂指令，CISC，111条。

0851功能引脚

  • RST 需要两个机器周期的高电平
  • EA 内部外部ROM片选，EA=0,只内，EA=1，在ROM大于FFH时转外部
  • ALE 低八位地址锁存允许信号输出端，有效时输出高脉冲
  • PSEN 与外部ROM的OE相连，外部ROM选通输出端

0851引脚功能示意图

0851拓展外部ROM示意图

指令系统

  • PC（程序计数器，16位）
  • IR(指令寄存器，8位，存放当前指令的操作码)
  • ID（指令译码器，）

指令执行过程

  • 取指令
  • 分析指令
  • 执行指令

单片机的周期

  • 时钟周期 $1/f_{osc}$
  • 状态周期 $S = 2/f_{osc}$
  • 机器周期 $T_{M} = 12/f_{osc}$
  • 指令周期 执行一条指令所需要的时间。(单周期，双周期，四周期)

单片机的复位

复位是微控制器的初始化操作

  • 上电复位（冷启动）
  • 按键复位（热启动）

复位后，表现为SFR的复位状态。

  • PC的值为0000H
  • 堆栈指针SP的值为07H
  • 四个IO锁存器输出为FFH，为准双向口模式的输入模式
  • 其舍所有的SFR的有效值均为零。

注意：由于RAM数据在掉电后丢失，上电复位RAM数据为随机数，按键复位，内部RAM数据没有影响

文稿复位：

复位是微控制器的初始化操作。
单片机的复位有两种，上电复位（冷启动）和按键复位（热启动）。
下面是上电和按键复位的电路图。
上电复位时，需要要求高电平维持十毫秒以上，下面是上电复位RTS引脚的波形
按键复位时，在按下按键后，电容放电，然后电源对电容进行充电，充电会形成一个类似于上电复位的波形，需要要求超过24个时钟周期的高电平，也就是两个机器周期的高电平，即可完成复位。
复位后，表现为SFR(特殊功能寄存器)的复位状态。

  • PC的值为0000H
  • 堆栈指针SP的值为07H
  • 四个IO锁存器输出为FFH，为准双向口模式的输入模式
  • 其舍所有的SFR的有效值均为零。

注意：由于RAM数据在掉电后丢失，上电复位RAM数据为随机数，按键复位，内部RAM数据没有影响

微控制器的工作模式

微控制器的工作方式文稿：
微控制器共有三种工作方式，低功耗工作方式，程序执行方式和复位方式。其中，低功耗工作方式（省电方式）又分为休闲方式和掉电方式。
程序执行方式是微控制器的基本工作方式。
复位方式，复位是微控制器的初始化操作，复位后，SFR内容恢复初始值，CPU重新开始运行
低功耗方式又分为休闲方式和掉电方式。
低功耗方式有电源控制寄存器PCON的IDL位和PD位控制。
默认该两位为零，当pd为一的时候，进入掉电方式， Idl为一的时候，进入休闲方式，两者都为一的时候，进入掉电方式。

休闲方式(ID)时，内部时钟电路正常工作，CPU停止工作，中断，串行口定时器继续工作。可通过复位或者中断终止休闲方式。在休闲期间，中端触发后，IDL请0，退出休闲方式
掉电方式（PD）时，内部时钟不工作，所有功能单元停止工作。只能通过复位退出。

指令

111条指令

寻址方式

  • 立即寻址（MOV A, #68H）
  • 直接寻址(MOV A,68H ;将68H单元格的数据传送到A)
  • 寄存器寻址（MOV A,Rn）
  • 寄存器间接寻址（MOV A,@Rn）
  • 变址寻址
  • 相对寻址
  • 位寻址

伪指令

用于帮助开发者更好地管理程序的结构和数据。这些指令本身并不会直接转换为机器代码，而是为汇编器提供信息或执行某些特定功能

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1. ORG （起始地址）
用于指定代码或数据的起始地址。
例如：

asm
复制代码
ORG 0000H     ; 从地址 0x0000 开始存储程序

2. DB （定义字节数据）
用于定义字节数据，常用于存储常量或初始化数据。
例如：

asm
复制代码
DATA1: DB 0AH  ; 定义一个常量 0x0A


3. DW （定义字数据）
用于定义双字节数据（16 位）。
例如：

asm
复制代码
DATA2: DW 1234H  ; 定义一个 16 位的常量 0x1234
4. EQU （定义符号常量）
为某个值分配一个符号名称，类似于 C 中的宏定义。
例如：

asm
复制代码
MYCONST EQU 05H  ; 定义一个常量 MYCONST，其值为 0x05
MOV A, MYCONST   ; 将 0x05 加载到 A 寄存器
5. END （程序结束）
用于指示汇编器程序的结束。
例如：

asm
复制代码
END             ; 汇编结束
6. BIT （位地址赋值）
位寻址区在 8051 的 RAM 中占用地址范围 20H ~ 2FH，共 16 字节

name BIT address
name：符号名称，用于标识位变量。
address：位地址（范围是 00H 到 7FH）

7. DS （定义存储空间）
分配一段未初始化的内存，用于数据存储。
例如：

asm
复制代码
BUFFER: DS 10   ; 分配 10 个字节的存储空间

寻址方式

  • 立即数寻址：
    操作数是指令中直接给出的常数值。
    例：MOV A, #10（将 10 直接送入 A 寄存器）。

  • 直接寻址：
    操作数是内存地址，通过该地址访问数据。
    例：MOV A, 30H（将 0x30 地址的数据送入 A 寄存器）。

  • 寄存器寻址：
    操作数是寄存器的内容。
    例：MOV A, R0（将 R0 寄存器的值送入 A 寄存器）。

  • 寄存器间接寻址：
    操作数的地址由寄存器指向。
    例：MOV A, @R0（R0 寄存器的内容作为地址，从该地址读取数据送入 A 寄存器）。

8051 单片机中有 4 组工作寄存器组，每组包含 8 个寄存器 (R0 至 R7)。因此，8051 单片机总共有 32 个工作寄存器。

  • 变址寻址：
    地址由基地址和偏移量（即变址）计算得到。
    例：MOV A, @R0+DPTR（DPTR 和 R0 的内容相加作为地址，从该地址读取数据）。

  • 相对寻址：
    地址是相对于当前指令地址的偏移量。
    例：SJMP LABEL（跳转到当前地址偏移 LABEL 的位置）。

  • 位寻址：
    操作数是内存中单个位，直接操作某一位。
    例：SETB 30H.0（将 0x30 地址的第 0 位设为 1）。

寻址方式和寻址空间

中断

通信

传输方式分类

  • 串行通信

    数据传输速度快。
    需要更多的传输线。
    适合短距离通信。
    距离增长时，位数增多时，会提高硬件成本，降低通信成功率

  • 并行通信

    线路简单，成本低
    适合长距离通信
    传输速度慢

按时钟线分类

  • 异步通信
  • 同步通信

按传送方向分类

  • 单工
  • 半双工
  • 双工

异步串行通信

例：UART、RS-232、RS-485

帧格式

  • 起始位

  • 数据位
    低位在前，高位在后

  • 奇偶校验位

    这是一个用于错误检测的位，可以是无校验(None)、奇校验(Odd)、偶校验(Even)、标记校验(Mark)或空位校验(Space)。

    确保数据帧与校验位的1个数为奇数为奇校验，为偶数，偶校验

  • 停止位

常用的帧格式为：1位起始位+8位数据位（一个字节）+无校验位+1位停止位 即一帧10个bit

波特率

对于串口通信，波特率代表每秒传输的bit的数量。
如常用的9600波特率代表了一秒钟可以传输9600个bit的信息。即信号宽度为0.104ms

校验方式

  • 字节的奇偶校验
  • 数据块的累加和校验
  • 数据块的循环冗余校验CRC
    把数据块看成二进制数，用特定数除以它，取余数

UART

键盘

工作方式

  • 编程扫描方式
  • 定时扫描方式
  • 中断扫描方式

独立键盘

矩阵式键盘

  • 行扫描式
  • 线路反转法

代码分析

点亮LED

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; 点亮 LED 的汇编程序
; 假设 LED 连接到 P1.0，低电平点亮

ORG 0000H        ; 程序起始地址为 0
START:           
    MOV P1, #0FEH ; 初始化 P1，P1.0 输出低电平，其他引脚输出高电平
                   ; P1 = 1111 1110 (FEH)，即 P1.0 = 0 (点亮 LED)
HERE:             
    SJMP HERE     ; 无限循环，保持 LED 点亮

END               ; 程序结束

延时

单循环

注意：当X为0时，实际是256，R0是8位寄存器（同R1,R2,R3）;0<=R0<=256

双重循环

亮灯，一闪一闪

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	ORG 10H            ; 程序起始地址
	MOV P1, #00H   ; 将 P1 端口的所有位设置为 0	
	
START:             ; 主程序开始
	
    SETB P1.0      ; 置P1.0高电平，LED点亮
    LCALL DELAY    ; 调用延时程序
    CLR P1.0       ; 置P1.0低电平，LED熄灭
    LCALL DELAY    ; 调用延时程序
    AJMP START     ; 跳转到START，实现循环

DELAY:             ; 延时子程序
    MOV R7, #250   ; 外层循环计数器初始化，R7 = 250
D1: MOV R6, #250   ; 内层循环计数器初始化，R6 = 250
D2: DJNZ R6, D2    ; 内层循环：R6倒数，直到为0
    DJNZ R7, D1    ; 外层循环：R7倒数，直到为0
    RET            ; 延时完成，返回主程序

END                ; 程序结束


DJNZ 指令：递减寄存器 R7 的值，如果不为0，跳转到标号 D1
RET  返回调用 LCALL DELAY 的位置
AJMP	无条件跳转	短跳转指令，适用于小程序。

按键控制LED亮灭

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ORG 0000H              ; 程序起始地址

CLR P1.0               ; 清除 P1.0，设置 P1.0 为低电平（LED熄灭）

START:                 ; 主程序开始
    SETB P0.0          ; 设置 P0.0 为高电平（使能触发条件）
    JB P0.0, LIG       ; 如果 P0.0 为高电平（1），跳转到 LIG 标签处（LED熄灭）
    SETB P1.0          ; 否则设置 P1.0 为高电平（LED点亮）
    SJMP START         ; 跳回 START，形成循环

LIG:                   ; LIG 标签，LED 熄灭部分
    CLR P1.0           ; 清除 P1.0，设置 P1.0 为低电平（LED熄灭）
    SJMP START         ; 跳回 START，形成循环

END                     ; 程序结束

;JB P0.0, LIG：检查 P0.0 引脚的电平。如果 P0.0 为高电平（1），则跳转到 LIG 标签，否则继续执行下一条指令。
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ORG 0000H              ; 程序起始地址

CLR P1.0               ; 清除 P1.0，设置 P1.0 为低电平（LED熄灭）
CLR P1.1               ; 清除 P1.1，设置 P1.1 为低电平（LED熄灭）
CLR P1.2               ; 清除 P1.2，设置 P1.2 为低电平（LED熄灭）

START:                 ; 主程序开始
    SETB P0.0          ; 设置 P0.0 为高电平（开关启用）
    SETB P0.1          ; 设置 P0.1 为高电平（开关启用）
    SETB P0.2          ; 设置 P0.2 为高电平（开关启用）
    
    ; 控制 P1.0 LED
    JB P0.0, LIGO      ; 如果 P0.0 为高电平（1），跳转到 LIGO（LED熄灭）
    SETB P1.0          ; 否则设置 P1.0 为高电平（LED亮）
    SJMP START         ; 跳回 START，形成循环
LIGO:
    CLR P1.0           ; 清除 P1.0，设置 P1.0 为低电平（LED熄灭）

next1:                 ; 检查 P0.1 控制 P1.1 LED
    JB P0.1, LIG1      ; 如果 P0.1 为高电平（1），跳转到 LIG1（LED熄灭）
    SETB P1.1          ; 否则设置 P1.1 为高电平（LED亮）
    SJMP next2         ; 跳到 next2，继续下一步
LIG1:
    CLR P1.1           ; 清除 P1.1，设置 P1.1 为低电平（LED熄灭）

next2:                 ; 检查 P0.2 控制 P1.2 LED
    JB P0.2, LIG2      ; 如果 P0.2 为高电平（1），跳转到 LIG2（LED熄灭）
    SETB P1.2          ; 否则设置 P1.2 为高电平（LED亮）
    SJMP next3         ; 跳到 next3，继续下一步
LIG2:
    CLR P1.2           ; 清除 P1.2，设置 P1.2 为低电平（LED熄灭）

next3:                 ; 检查 P0.3 控制 P1.3 LED
    JB P0.3, LIG3      ; 如果 P0.3 为高电平（1），跳转到 LIG3（LED熄灭）
    SETB P1.3          ; 否则设置 P1.3 为高电平（LED亮）
    SJMP next4         ; 跳到 next4，继续下一步

next4:                 ; 检查 P0.4 控制 P1.4 LED
    JB P0.4, LIG4      ; 如果 P0.4 为高电平（1），跳转到 LIG4（LED熄灭）
    SETB P1.4          ; 否则设置 P1.4 为高电平（LED亮）
    SJMP START         ; 跳回 START，形成循环

LIG3:
    CLR P1.3           ; 清除 P1.3，设置 P1.3 为低电平（LED熄灭）

LIG4:
    CLR P1.4           ; 清除 P1.4，设置 P1.4 为低电平（LED熄灭）

SJMP START             ; 跳回 START，形成循环

END                     ; 程序结束

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;1. 仔细体会本段仿真效果，再删除延时脚本程序编译之后，你看看会有什么效果？
;2. 你将会深刻理解LED产生闪烁的原因，分析为什么会闪烁？
;3. 延时脚本程序的延时长短效果比较。
;4. 本例为软件防抖，硬件防抖可参见李群芳编的《单片机原理、接口及应用--嵌入式系统技术基础》中的P87页。

ORG 0000H
ABC: MOV P0, #0FFH   ;高四位的LED全灭，低四位开关输入线送1
     MOV A, P0        ;读P0口引脚开关状态并送A
     SWAP A           ;低四位开关状态转换到高四位
     ANL A, #0F0H     ;保留高四位
     MOV P0, A        ;从P0口输出
     LCALL DELAY
     SJMP ABC         ;循环

DELAY:
     MOV R6, #20      ;原始代码中R6，R7的值若太小，则会有余辉鬼辉效果
     DL2: MOV R7, #7DH
     DL1: NOP
          NOP
          DJNZ R7, DL1
          DJNZ R6, DL2
          RET
END
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