单片机（89C51）---基础知识

一、核心基础概念

裸机

        裸机开发指代码直接与硬件交互，不依赖操作系统（OS），通过直接操作寄存器或硬件接口实现功能，是嵌入式入门（如LED、按键控制）的常用开发模式。

Soc（系统级芯片）

        未明确展开，通常指集成多个功能模块的芯片，可包含CPU/MCU核心、内存、外设（如GPIO、UART）等，是复杂嵌入式设备（如手机、物联网网关）的核心。

核心计算/控制芯片（CPU、MPU、MCU、GPU）

四者均为芯片级核心，核心区别在于功能定位与集成度，覆盖从通用计算到专用控制的不同场景：

• CPU（中央处理器）：通用计算核心，负责执行计算机指令运算，是PC、服务器等设备的“大脑”，不直接集成专用外设。
• MPU（微处理器）：可理解为“无集成外设的CPU”，需外接内存、存储和外设才能工作，常见于高端嵌入式设备（如手机SoC中的应用处理器）。
• MCU（微控制器）：“微型计算机”，高度集成（含CPU核心、RAM/ROM内存、GPIO/UART等外设），体积小、成本低，是LED控制、传感器采集等简单场景的核心，典型例子为C8051单片机、STM32。
• GPU（图形处理器）：专用图形计算核心，擅长并行运算，负责图像渲染、视频处理，也可用于AI算力加速（如显卡中的GPU）。

二、外设寄存器

定义

        外设寄存器是硬件外设（如GPIO、UART、TIMER）与软件的交互接口，本质是一块具有固定地址的高速存储单元，用于存储“控制指令”或“硬件状态数据”，相当于硬件的“控制开关面板”。

        寄存器（外设）：是指能够操作硬件的，具有固定地址的内存空间

作用逻辑

软件通过“读写寄存器”实现对硬件的控制：

• 写寄存器：配置外设工作模式（如设置GPIO为输出模式、控制LED电平）；
• 读寄存器：获取外设实时状态（如读取按键是否按下、TIMER计数是否完成）。

适用架构

在x86、ARM、MIPS、8051等主流嵌入式/计算机架构中均存在，是跨平台硬件控制的核心机制。

三、GPIO（通用输入输出端口）

定义

        GPIO是单片机/MCU上的通用引脚接口，可通过软件灵活配置工作模式，是嵌入式开发中最基础、最常用的外设接口。

工作模式与应用

• 输出模式：控制外部设备，如驱动LED亮灭、继电器吸合；
• 输入模式：读取外部信号，如检测按键是否按下、传感器输出的电平信号。

典型应用场景

LED实验、按键检测实验、传感器数据采集（如温湿度传感器）等，均依赖GPIO实现硬件交互。

四、LED实验（基于C8051单片机）

实验关键信息

• 硬件逻辑：LED采用“高电平灭、低电平亮”（文档1明确提及）；
• 控制端口：使用C8051的P2端口（代码中通过操作P2寄存器实现LED控制）；
• 核心功能：实现LED全亮、全灭及“跑马灯”效果（从0~7引脚循环点亮，再从6~0引脚循环点亮）。

用到的寄存器

LED实验的核心是通过GPIO端口寄存器控制电平，不同平台寄存器存在差异：

完整实验代码

主函数代码（main.c）

#include <reg52.h>
#include "led.h" // 引入LED控制函数头文件int main(void)
{int i;led_all_off(); // 初始化：LED全灭（P2=0xff）while(1) // 死循环，持续执行跑马灯逻辑{// 跑马灯：从引脚0~7依次点亮for(i = 0; i < 8; ++i){led_on(~(1 << i)); // 控制单个LED点亮（~(1<<i)确保对应引脚为低电平）delay(30000);     // 延时，保持LED点亮状态}// 跑马灯：从引脚6~0依次点亮（跳过引脚7）for(i = 6; i > 0; --i){led_on(~(1 << i));delay(30000);}}
}

LED控制函数实现（led.c）

#include "led.h"
#include <reg52.h> // C8051寄存器定义头文件// LED全亮：P2端口置0（所有引脚低电平）
void led_all_on(void)
{P2 = 0;
}// LED全灭：P2端口置0xff（所有引脚高电平）
void led_all_off(void)
{P2 = 0xff;
}// 单个LED点亮：n为P2端口的控制值（低电平对应LED亮）
void led_on (unsigned int n)
{P2 = n;
}

LED控制函数声明（led.h）

#ifndef __LED_H_
#define __LED_H_// 函数声明：供外部文件调用
extern void led_all_on(void);   // LED全亮
extern void led_all_off(void);  // LED全灭
extern void led_on (unsigned int n); // 单个LED点亮#endif

#include <reg52.h>
#include "digiter.h"
#include "delay.h"void bit_select(int n)
{P1 &= ~(0x0f << 0);				 P1 |= (1 << n);}void segmment_select(int n)	 // 0 ~ 9
{unsigned char t[] = {0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 0x7f, 0x6f};P0 = t[n];delay(300);	  // 保证二极管导通P0 = 0;delay(300);	  // 消影	
}void show_number(int n)	// 0 ~ 9999
{int t = 0;if(n == 0){bit_select(0);segmment_select(0);}if(n > 9999){return;}while(n){bit_select(t++);segmment_select(n % 10);n /= 10;		}
}

延迟函数实现

// 延时函数：通过循环实现简单延时
void delay(unsigned int n)
{while (n--);
}

五、数码管相关

数码管段码表（0~9）

用于控制数码管显示数字，段码为十六进制值，对应数码管的“段点亮逻辑”：

// 数组t[0]~t[9]分别对应显示数字0~9
unsigned char t[] = {0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 0x7f, 0x6f};

数码管显示代码片段

数码管控制函数声明（led.c）（需注意不能加delay，避免影响显示刷新）：

#include <reg52.h>
#include "digiter.h"
#include "delay.h"void bit_select(int n)
{P1 &= ~(0x0f << 0);				 P1 |= (1 << n);}void segmment_select(int n)	 // 0 ~ 9
{unsigned char t[] = {0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 0x7f, 0x6f};P0 = t[n];delay(300);	  // 保证二极管导通P0 = 0;delay(300);	  // 消影	
}void show_number(int n)	// 0 ~ 9999
{int t = 0;if(n == 0){bit_select(0);segmment_select(0);}if(n > 9999){return;}while(n){bit_select(t++);segmment_select(n % 10);n /= 10;		}
}