计算机基础

原码、反码、补码

正数的三者相同，负数反码为原码除符号位其余取反，补码为其反码+1

负数的机器码是其原码的补码
微型计算机配置高速缓冲存储器是为了解决： CPU于内存储器速度不匹配
ROM和RAM
- ROM：只读存储器，在单片机中用于存放程序，配有较大空间，掉电数据不丢失
- RAM：随机存储器，存放临时数据，使单片机更适用于实时控制系统，掉电数据丢失
- 计算机的内存容量主要指RAM
系统总线：地址总线 AB，控制总线 CB 和双向数据总线 DB。
- 数据总线（Data Bus―DB）双向、三态：数据总线的根数决定了一次可以传递二进制数的位数。
- 地址总线（Address Bus―AB）单向、三态：地址总线的位数决定了可以直接访问的存储单元(或 I/O 口)的最大可能数量（即容量）。
- 控制总线（Control Bus―CB）：控制总线用来传输控制信号，数据总线和每个元件的数据线相连，为了使 CPU 能够和其中一个元件正确通信，必须使用三态逻辑元件（特别针对输入元件）。

题

单片机硬件结构

CPU

分为运算器和控制器

控制器：依次取出ROM中存储单元的指令
- 程序计数器：PC，16位，指向下一条指令的地址，复位后为0000H
- 指令寄存器
- 指令译码器
- 定时控制电路
运算器ALU：对数据进行算术、逻辑运算
- 算术逻辑运算部件ALU，负责运算，结果传回ACC，结果的状态传回PSW
- 累加器ACC
- 程序状态寄存器PSW

位	7	6	5	4	3	2	1	0
位名	Cy	AC	F0	RS1	RS0	OV	F1	P
作用	进位/借位	辅助进位	自定义	寄存器选择	寄存器选择	溢出	自定义	奇偶效验

Cy：运算结果最高位有无进位/错位
AC：运算结果低四位有无向高四位进位
F0、F1：用户自定义
RS1、RS0：一起决定当前寄存器组(00对应寄存器0组，依次增加)
OV：数据是否溢出
P：1的个数为奇/偶

时钟电路

XTAL1:片内振荡电路输入端
XTAL2：输出端

当外部信号源为单片机提供时钟时，1接地，2接信号源

EA

EA（反）为1时CPU从片内读取指令，为0时访问外部

并行IO口

P1

通用输入、输出接口

作输出时：

输出的数据通过内部总线送入锁存器保存
判断数据的每一位。

为1时，Q=1，Q（反）=0，VT截止，Vcc向引脚输出高电平。

上拉电阻的作用：当VT截止时，使输出强制为1，若没有上拉电阻，输出可能由于噪音上下浮动。

作输入时：

先向锁存器写1（准双向），使VT一直为截止状态。否则VT导通会拉低输入信号。
CPU执行读指令时，2导通，数据通过2直接进入内部总线，因此内部总线信号跟随引脚变化。

P2

有两种用途，准双向IO和高8位地址总线

当用作IO时，控制信号使开关接左侧，Q输出1使VT截止。

P3

用户可自行操作第二功能实现相关功能，P3默认为准双向IO

第二功能包括：串口收发、外部中断、定时器输出等

P0

可作为准双向IO，IO时必须外接上拉电阻。第二功能时提供外部存储地址低8位和P2组成16位地址，之后用作数据总线（此时锁存器会保存低八位地址）。

P0具有高阻态

总结：

四个IO均为准双向，在用作输入时都应向锁存器写“1”
除P1外，其余端口都有第二功能：
- P0：低八位地址和数据总线
- P2：高八位地址
- P3：自定义功能
P0作为通用IO时需要外接上拉电阻！
P0、P2作地址时剩下引脚不能作为IO使用；但是P3各个口独立，未用作第二功能的可以作为IO使用

存储结构

51单片机存储器物理上分为四个空间：

片内程序存储器
片外程序存储器
片内数据存储器
片外数据存储器

从用户使用的逻辑上分为三个区域：

片内外统一编址的程序存储器 0000H-FFFFH(64KB)
片内数据存储 00-FFH 128B
片外数据存储 0000H-FFFFH

程序存储器

程序存储器由ROM和EPROM构成，掉电后数据不丢失

用于存放程序和程序运行时所需的常数。51片内有4K ROM，但地址线为16位，因此做多可以扩展到64KB。当PC值超过内部ROM容量时会自动转向外部寻址。\EA=1时为寻址内部ROM。

MOVC指令用于访问程序存储器。

数据存储器

数据存储器由RAM和专用寄存器组成，掉电后数据丢失

用于存放程序运算的中间结果、标志位、数据缓冲等。51片内有128+128B的数据存储器，可扩充至64KB

内部数据存储器分为低128B和高128B

低128B：RAM区

通用寄存器区，供用户使用，用于临时存放8位数据

通过修改程序状态寄存器PSW中的RS1和RS0实现选择，00H-1FH 128位
位寻址区，提供地址读写数据

RAM中的20H-2FH，128位
数据缓存区

特殊功能寄存器SFR

包括51中有特殊功能的寄存器，如ACC、PSW、P0-P3等

不包括PC

时序

时钟周期（振荡周期）

也叫振荡周期，为振荡器频率的倒数，是时序中的最小单位

状态周期

两个振荡周期，一个完成运算，一个完成传送

机器周期

执行一条指令的一个阶段的时间。是单片机的基本操作周期。1个机器周期=6个状态周期=12个振荡周期

指令周期

执行一条指令的周期，通常含有1~4个机器周期。

51单片机分为单周期指令、双周期指令、四周期指令，分别对应n个机器周期。只有乘法和除法是四周砌指令。

因此，晶振周期为12MHz时：

振荡周期=1/12us
机器周期=1us
指令周期：1、2、4us

工作方式

复位方式

上电复位
按键复位

复位后寄存器状态

P0~P3：0FFH（全高电平）
PC：0000H
SP：07H
PSW: 00H

51单片机在电复位时RAM保持不变

低功耗模式

休眠模式：只有外部中断工作
空闲模式（待机）：只有CPU停止工作

错题

由于RAM片内外访问指令一个是MOV一个是MOVX，因此其地址可以重叠。外部地址总线16位对应64KB，而内部地址可以与其重合，因此RAM最大总量是大于64KB的

51指令系统

51单片机汇编指令查询 | 小董的BLOG (gitee.io)

题

一般只有A能参与这些逻辑运算

经典

规定

中断

中断请求标志寄存器

定时器/计数器控制寄存器TCON

IT 0/1:外部中断触发方式，0低电平触发，1下降沿触发
IE 0/1:中断请求标志位，触发中断后硬件自动清零
TF 0/1:定时器/计数器溢出中断标志位，触发中断后自动清零
TR 0/1:启停定时器

一般就只需设置IT和TR

串行口控制寄存器SCON

TI:发送中断标志位，每发送完一帧数据后硬件会对其置1，需用户自行软件清零！
RI:接收中断标志位，规则同上。

中断允许寄存器IE

EA：总中断允许位
ES：串口中断允许位
ET：定时器中断允许位
EX：外部中断允许位

都是置1允许

若要使用某个中断，必须先开启中断允许位，复位后清零

总结：

I开头为TCON寄存器，控制定时器中断触发的方法和标志位
RI和TI为SCON寄存器，控制串口相关
E开头为中断允许寄存器IE

中断优先级

由中断优先级寄存器IP控制

PX:外部中断优先级设置
PT:定时器中断优先级设置
PS:串口中断优先级设置

中断响应过程

中断请求

硬件完成，请求完成后对应标志位置1

中断查询

CPU检测TCON和SCON中各标志位状态，确定是哪个中断

中断响应

响应条件：

EA使能
该中断允许位也使能
有中断请求
无同级或高级中断正在运行

中断处理

中断服务程序

中断返回

复位置位的标志位，重新执行原程序（PC被弹出堆栈）

操作流程

打开对应中断允许位
设置触发方式
开启总中断允许
编写服务函数

题

定时器/计数器

基本结构

T1、T2分别由两个8位特殊功能寄存器TH和TL组成。当它对外部事件进行计数时，作为计数器使用；当对内部固定频率的机器周期进行计数时，便可以达到定时的目的。

两种工作模式

计数器工作模式

对外部事件进行计数，计数脉冲来自P3中的对应引脚。

下降沿触发

最高频率为振荡频率的1/24，因为识别下降沿需要2个机器周期，即24个振荡周期
定时器工作模式

计数脉冲为内部时钟脉冲，也就是每个机器周期+1，因此计数频率为振荡频率的1/12，得到的时间：定时器计数值*机器周期时间

当设置好定时器后，定时器就将独立工作，不再占用CPU，只有溢出时才会申请中断。

控制寄存器

工作模式寄存器TMOD

GATE：门控位，使用外部中断引脚的高电平来启动定时器（前提是该定时器已被置位运行）
C/(/T)：1为计数器模式，0为定时器模式
M1，M0：同时控制定时器的工作模式，同PSW中的RS用法

控制寄存器TCON

上一节中断中已讲过，控制定时器的开启。

定时器的工作方式

方式0

易得其定时时间为：(2^13 - 初值)*机器周期

计算后的值低5位赋给TL，高8位赋给TH

方式1

16位计数器，其余与方式0一样。

方式2

方式2为8位定时器

TL用作定时，TH用于保存初值。当TL溢出后，中断标志置位，同时自动将TH中的值重新装载进TL，无需用户再手动重新装入初值。

更加精准，但计时范围小。

方式3

只有T0能被设置为模式3，T1若为模式3，则停止计数，保存原样。

T0为模式3时

TH和TL分别单独工作

TL：使用T0的状态控制位，同方式2，但是溢出后需用户手动装入初值
TH：被固定为一个内部定时器，受T1控制位的TR1控制启停，同上占用T1的中断请求TF1

T0为模式3时，T1的设置

T1仍可设置为方式0、1、2，但由于中断被占用，只能将输出送往串口

使用流程

设置模式TMOD
赋初值TL、TH
开启中断ET、EA
开启定时器TR

串口通信

串行通信：数据的各位在同一根数据线上逐位发送、接收。

串行通信按同步方式分为异步通信和同步通信

同步通信

数据传输速率高，但是要求发送时钟和接收时钟严格同步

异步通信

数据组成数据帧方式，收、发端相互独立、互不同步，只需规定收发数据的帧格式即可相互识别。

数据帧格式

起始位：低电平有效
数据位：5~8位
奇偶校验位
停止位：高电平有效

波特率

每秒传输二进制数码的位数，每位的传输时间为1/波特率

51单片机的串口通信

51内部有一个可编程全双工串口。

串口相关寄存器

串行数据缓冲器SBUF

包括发送和接收寄存器，但在逻辑上只有一个SBUF，在使用时可用作发送和接收。（物理上有两个完全独立的SBUF，但是他们地址是一样的）

串行控制寄存器SCON

SM0、1工作方式选择位
SM2:多机通信控制位
REN：允许接收控制位
TB8：方式2、3的发送第九位
RB8：方式2、3的接收第九位

电源控制寄存器PCON

其中第七位SMOD为1波特率加倍

基础流程

配置SCON
数据送往SBUF
发送、接收数据
中断置位

题

常用的一些寄存器

片内特殊功能寄存器SFR

大多数特殊寄存器都在这里，但不包括PC！！

程序状态寄存器PSW

用于表示运算结果的状态

位	7	6	5	4	3	2	1	0
位名	Cy	AC	F0	RS1	RS0	OV	F1	P
作用	进位/借位	辅助进位	自定义	寄存器选择	寄存器选择	溢出	自定义	奇偶效验

中断允许寄存器IE（管理中断允许）E开头

用于管理所有中断

中断优先级寄存器IP（管理中断优先级）P开头

外部中断2位，定时器2位，串口1位，共5位

定时器工作模式寄存器TMOD（管理定时器工作模式）

8位，下4位控制T0，上4位控制T1

定时器中断控制寄存器TCON（管理定时器启动、定时器和外部中断的中断标志位）

其中IT和IE为控制外部中断的位

需要操作的位只有IT和TR，其他都会自动复位

串行控制寄存器SCON（管理串口中断位和串口配置）

电源控制寄存器PCON（波特率翻倍）

仅串口中需使用其第七位翻倍波特率

题

堆栈的作用：保护现场和断点
JB为判断当前位，为1则跳转

如果是A，就是直接寻址，C则为位寻址，位寻址只能操作位

C/(/T)：0为定时器模式