51单片机---硬件学习（跑马灯、数码管、外部中断、按键、蜂鸣器）

裸机：编写的代码直接操作硬件。

一、基本概念

1、CPU，MPU，MCU，GPU，SOC的定义

    1）CPU（中央处理器）

        计算机的核心运算与控制单元，负责执行系统指令、处理数据，是通用计算的 “大脑”。

    2）MPU（微处理器）

        集成了 CPU 核心及少量外围电路的微处理器，需搭配外部存储、外设才能工作，常用于早期计算机或简单控制场景。

    3）MCU（微控制器）

        将 CPU 核心、存储器、I/O 接口等集成在单芯片上的 “微控制器”，可独立完成控制任务，广泛用于家电、物联网等嵌入式设备。

    4）GPU（图像处理器）

        专门处理图形渲染和并行计算的处理器，擅长海量数据的并行运算，也用于 AI 训练、科学计算等场景。

    5）SOC（高性能集成芯片）

        将 CPU、GPU、存储器、外设接口及专用功能模块（如 AI 加速单元）等高度集成在单芯片上的 “系统级芯片”，可实现完整电子系统功能。

2、外设寄存器

        外设寄存器是嵌入在芯片外设（如GPIO、UART、定时器等）中的特殊存储单元，用于配置外设功能、读取状态或发送/接收数据。

        每个寄存器对应特定功能（如配置引脚方向、设置波特率），通过读写寄存器的值可控制外设工作。
寄存器有固定的地址，CPU通过访问这些地址来操作外设（例如向GPIO的控制寄存器写入值，可设置引脚为输入/输出）。

3、LED实验中常用的寄存器（以8051或STM32为例）

        LED实验的核心是控制GPIO引脚输出高低电平，常用寄存器包括：

        方向寄存器（如8051的P1口寄存器、STM32的GPIOx_MODER）：
配置引脚为输入或输出（例如设置为输出模式才能控制LED亮灭）。
数据寄存器（如8051的P1口数据寄存器、STM32的GPIOx_ODR）：
向寄存器写入0或1，控制引脚输出低电平（LED导通）或高电平（LED截止）。
（部分芯片）上拉/下拉寄存器：若LED通过引脚高电平点亮，可能需要配置上拉电阻确保电平稳定。

4、GPIO 

        GPIO（General Purpose Input/Output，通用输入输出）

        GPIO是芯片上的通用引脚，可通过软件配置为输入或输出，实现与外部设备的交互：

        输出模式：可输出高低电平，用于控制LED、继电器、电机等。
输入模式：可读取外部信号（如按钮状态、传感器数据）。
灵活性高，是嵌入式开发中最基础、最常用的外设，几乎所有MCU/MPU都包含GPIO模块。
例如：LED实验中，GPIO被配置为输出模式，通过输出高低电平控制LED的亮灭。

5、中断与中断源

    1）中断（Interrupt）

        当中央处理机CPU正在处理某件事的时候外界发生了紧急事件请求，要求CPU暂停当前的工作，转而去处理这个紧急事件，处理完以后，再回到原来被中断的地方，继续原来的工作。

    2）中断源（Interrupt Source）

        指能主动向CPU发送“中断请求”，暂停当前任务、迫使其优先处理紧急事件的硬件或软件实体。

6、中断处理流程

    1）中断源发送中断请求

    2）内核检查是否响应中断，以及该中断是否被屏蔽

    3）内核会检查中断的中断优先级

    4）保护现场

    5）执行中断服务函数

    6）恢复现场

7、中断嵌套

        中断嵌套是高优先级中断打断低优先级中断处理过程的机制，核心是“优先处理更紧急的事件”。51单片机有2个优先级（高优先级、低优先级），可通过IP寄存器设置（如PT0=1设T0为高优先级）；
低优先级中断执行时，若有高优先级中断请求，CPU会暂停低优先级中断，先处理高优先级中断；同优先级中断不会嵌套（如两个低优先级中断，先响应的先处理，后请求的需等前一个处理完）；高优先级中断执行时，其他中断（无论优先级）都无法打断它。

8、中断向量表

        中断向量表是存储“中断源”与“对应中断服务程序入口地址”的表格，本质是CPU的“中断导航图”——当某个中断源触发时，CPU通过查表就能快速找到该中断该去哪里执行处理逻辑。

9、51单片机的定时器工作原理

       可编程的 16 位加 1 计数器，先通过程序向定时器寄存器（THx 高 8 位、TLx 低 8 位）写入初始计数值，随后定时器在系统时钟（经 12 分频后）或外部引脚输入脉冲的驱动下开始累加计数，当计数值累加到最大值（如 16 位时为 0xFFFF）并产生溢出时，会自动触发定时器中断请求（若中断使能），同时可选择自动重装初始值（仅模式 2）或需程序重新赋值，以此实现定时（基于内部时钟）或计数（基于外部脉冲）功能。

10、PWM及其重要参数

    1）PWM（脉冲宽度调制，Pulse Width Modulation）
是一种利用数字信号（高低低电平脉冲）模拟模拟信号的技术，核心原理是通过周期性地输出高低电平脉冲，通过改变高（或低电平）在一个周期内的占比。

    2）PWM的核心参数
占空比、周期与频率、分辨率、幅值。

二、功能实现（应用示例）

1、LED灯：全亮(led_all_on)、全灭(led_all_off)、指定灯亮(led_on)

#include "led.h"
#include <reg52.h>void led_all_on(void)
{P2 = 0;
}void led_all_off(void)
{P2 = 0xFF;
}void led_on(unsigned char n)
{P2 = n;
}

2、数码管显示屏：位选(bit_select)、0~9显示(segment——select)、9999以内数字显示(show_number)

#include "delay.h"
#include "digiter.h"
#include <reg52.h>//位选
void  bit_select(int n)
{P1 &= ~(0x0F << 0); P1 |= (1 << n); 
}void segment_select(int n) //0~9
{	  unsigned char t[] = {0x3F, 0x06, 0x5B, 0x4F, 0x66, 0x6D, 0x7D, 0x07, 0x7F, 0x6F};P0 = t[n];delay(400);//保证二极管导通P0 = 0;//消去残影delay(100);
}void show_number(int n)
{int t = 0;if(t > 9999){return ;}else if(n == 0){bit_select(0);segment_select(0);}while(n){bit_select(t++);segment_select(n % 10);n /= 10;}
}

3、延迟函数：delay

#include "delay.h"
#include <reg52.h>void delay(unsigned int n) //0~65535
{while(n--);
}

4、来回显示跑马灯

#include <reg52.h>
#include "led.h"
#include "delay.h"int main(void)
{//跑马灯led_all_off();P2 = 0xFF;while(1){int i = 0;for(i = 0; i < 8; i++){led_on(1 << i);delay(9000);}for(i = 6; i >= 0; --i){led_on(1 << i);delay(9000);}}
}

5、数码管显示：重复显示0~9

#include <reg52.h>
#include "led.h"
#include "digiter.h"
#include "delay.h"int main(void)
{int i = 0;bit_select(2);while(1){		segment_select(i++);if(i > 9){i = 0;}delay(20000);	}
}

6、按键：初始化按键(init_key)、按键选择(key_pressed)

#include <reg52.h>
#include "digiter.h"
#include "key.h"
#include "delay.h"void init_key(void)
{P1 |= (0x0F << 4);//0000 1111 P3 |= (0x0F << 4);
}int key_pressed(void)
{int ret = 0;if((P1 & (1 << 4)) == 0){ret = 1;}else if((P1 & (1 << 5)) == 0){ret = 2;}else if((P1 & (1 << 6)) == 0){ret = 3;}else if((P1 & (1 << 7)) == 0){ret = 4;}else if((P3 & (1 << 5)) == 0){ret = 5;}return ret;
}int main(void)
{init_key();P2 = 0xFF;while(1){int key;key = key_pressed();if(key != 0){P2 = 0;//亮灯}delay(0x9000);}return 0;
}

7、外部中断：外部中断0---加、外部中断0---减

#include <reg52.h>
#include "delay.h"
#include "digiter.h"void init_eint0(void)
{IE |= (1 << 7) | (1 << 0) | (1 << 2);TCON |= (1 << 2);TCON &= ~(1 << 0);//enit0 lowP3 |= (1 << 2) | (1 << 3);
}int num = 0;void enit0_handle(void) interrupt 0
{++num;if(num > 9999){num = 0;}
}void enit1_handle(void) interrupt 2
{--num;if(num < 0){num = 9999;}
}int main(void)
{init_eint0();P2 = 0xFF;while(1){show_number(num);}
}

8、定时器：实现类似电子琴的效果

#include <reg52.h>
#include "key.h"#define Hz200 63035
#define Hz400 64285
#define Hz600 64702
#define Hz800 64910
#define Hz1000 65035unsigned short n = Hz200;void init_timer0(void)
{TMOD &= ~(3 << 2);TMOD &= ~(3 << 0);TMOD |= (1 << 0);TH0 = n >> 8;TL0 = n;IE |= (1 << 7) | (1 << 1); 
}void timer0_handler(void) interrupt 1
{P2 ^= (1 << 1);TH0 = n >> 8;TL0 = n;
}int main(void)
{init_timer0();init_key();while(1){int key;key = key_pressed();if(key == 1){n = Hz200;TCON |= (1 << 4);}else if(key == 2){n = Hz400;TCON |= (1 << 4);}else if(key == 3){n = Hz600;TCON |= (1 << 4);}else if(key == 4){n = Hz800;TCON |= (1 << 4);}else if(key == 5){n = Hz1000;TCON |= (1 << 4);}else if(key == 0){TCON &= ~(1 << 4);}}return 0;
}

【END】