\"？知識全面 涵蓋單片機基礎、8051處理器內核、指令集、彙編語言、C語言、外設驅動及操作繫統等。 ？ 工具** 采用STC公司新推出的IAP15W4K58S4單片機（直接用Keil控制硬件仿真）與Keil公司新推出的8051單片機軟件開發工具μVision5實現技術開發。 ？ 內容** 除了參考了STC官方提供的STC15繫列單片機數據手冊外，還得到了STC公司在技術方面的指導，使本書內容能*準確地反映STC15繫列單片機的特色。 ？ 實例豐富 通過大量的實例深度闡述STC15繫列單片機的應用，以幫助讀者繫統掌握該繫列單片機的豐富原理與功能。 ？ 軟硬融合 以軟件和硬件協同設計、協同仿真和協同調試為主線，將彙編語言、C語言與單片機開發進行深度融合，幫助讀者深入理解並掌握利用軟件來控制硬件的方法。 \"

\"本書是為單片機相關課程教學而編寫的教材。全書共分為17章，主要內容包括： 單片機和嵌入式繫統基礎知識，STC單片機硬件知識，STC單片機軟件開發環境，數值表示及轉換，STC單片機架構，STC單片機CPU指令繫統，STC單片機彙編語言編程模型，STC單片機C語言編程模型，STC單片機時鐘、復位和電源模式原理及實現，STC單片機比較器原理及實現，STC單片機計數器和定時器原理及實現，STC單片機異步串行收發器原理及實現，STC單片機ADC原理及實現，STC單片機增強型PWM發生器原理及實現，STC單片機SPI原理及實現，STC單片機CCP/PCA/PWM模塊原理及實現，RTX51操作繫統原理及實現。 針對國內高校單片機課程教學中普遍存在的理論講解不透徹、實踐教學不繫統的缺點，本書從器件、彙編語言、C語言和操作繫統四個角度對STC新一代單片機進行了全方位的解讀，將單片機課程中的各個知識點進行融會貫通。該教材的一大特色就是理論和實際並重，不僅介紹單片機的應用，而且更加突出學習方法，教給讀者繫統學習微處理器和嵌入式繫統的思路和方法。這樣，為讀者將來學習基於其他處理器的嵌入式繫統打下堅實的基礎。為了方便教師的教學和學生的自學，本書提供了大量的設計案例，並對這些設計案例進行了深入的分析。 本書可作為高職和本科院校單片機課程的教材，也可作為STC單片機競賽、單片機認證考試的參考用書。對於從事單片機應用的工程師來說，本書也是很好的參考用書。 \"

何賓 著名嵌入式繫統專家，長期從事電子設計自動化方面的教學和科研工作，與全球多家知名的半導體廠商和EDA工具廠商保持緊密合作。目前已經出版EDA方面的著作20餘部，內容涵蓋電路仿真、電路設計、FPGA、單片機、嵌入式繫統等。代表作有《Xilinx FPGA設計權威指南》、《Xilinx All Programmable Zynq-7000 SoC設計指南》、《Altium Designer13.0電路設計、仿真與驗證權威指南》、《Xilinx FPGA數字設計——從門級到行為級的雙重描述》、《Xilinx FPGA數字信號處理權威指南——從HDL、模型到C的描述》、《模擬與數字繫統協同設計權威指南——Cypress集成開發環境》。

目錄



第1章單片機和嵌入式繫統基礎知識

1.1嵌入式繫統的基本概念

1.1.1嵌入式繫統的主要特點

1.1.2嵌入式技術的構成

1.28051微控制器的內部架構

1.38051單片機硬件開發平臺

1.4運行**個8051單片機程序

1.58051單片機編程語言

第2章STC單片機硬件知識

2.1STC單片機發展歷史

2.2STC單片機IAP和ISP

2.3STC單片機命名規則及封裝

2.3.1命名規則

2.3.2封裝類型

2.3.3引腳定義

2.4STC單片機的架構及功能

2.4.1單片機實現的功能

2.4.2STC單片機的架構

2.5STC單片機的I/O驅動原理

2.6STC單片機硬件下載電路設計

2.6.1USB串口芯片下載電路

2.6.2USB直接下載編程電路

2.7STC單片機電源繫統設計

第3章STC單片機軟件開發環境

3.1Keil μVision集成開發環境介紹

3.1.1軟件功能介紹

3.1.2軟件的下載

3.1.3軟件的安裝

3.1.4導入STC單片機元件庫

3.1.5軟件的啟動

3.2Keil μVision軟件開發流程介紹

3.2.1明確軟件需求

3.2.2創建設計工程

3.2.3編寫彙編/C程序代碼

3.2.4彙編器對彙編語言的處理

3.2.5C編譯器對C語言的處理

3.2.6庫管理器生成庫文件

3.2.7鏈接器生成**目標模塊文件

3.2.8目標到HEX轉換器

3.2.9調試器調試目標代碼

3.3Keil μVision基本開發流程的實現

3.3.1建立新的設計工程

3.3.2添加新的C語言文件

3.3.3設計建立

3.3.4下載程序到目標繫統

3.3.5硬件在線調試

第4章數值表示及轉換

4.1常用碼制

4.1.1二進制碼制

4.1.2十進制碼制

4.1.3八進制碼制

4.1.4十六進制碼制

4.1.5BCD碼

4.2正數表示方法

4.2.1正整數的表示

4.2.2正小數的表示

4.3正數碼制轉換

4.3.1十進制整數轉換成其他進制數

4.3.2十進制小數轉換成二進制數

4.4負數表示方法

4.4.1符號幅度表示法

4.4.2補碼表示法

4.5負數補碼的計算

4.5.1負整數補碼的計算

4.5.2負小數補碼的計算

4.6定點數表示

4.7浮點數表示

第5章STC單片機架構

5.1STC單片機CPU內核功能單元

5.1.1控制器

5.1.2運算器

5.1.3特殊功能寄存器

5.2STC單片機存儲器結構和地址空間

5.2.1程序Flash存儲器

5.2.2數據Flash存儲器

5.2.3內部數據RAM存儲器

5.2.4外部數據存儲器

5.3STC單片機中斷繫統原理及功能

5.3.1中斷原理

5.3.2中斷繫統結構

5.3.3中斷優先級處理

5.3.4中斷優先級控制寄存器

5.3.5中斷向量表

第6章STC單片機CPU指令繫統

6.1STC單片機CPU尋址模式

6.1.1立即數尋址模式

6.1.2直接尋址模式

6.1.3間接尋址模式

6.1.4寄存器尋址模式

6.1.5相對尋址模式

6.1.6變址尋址模式

6.1.7位尋址模式

6.2STC單片機CPU指令集

6.2.1算術指令

6.2.2邏輯指令

6.2.3數據傳送指令

6.2.4布爾指令

6.2.5程序分支指令

第7章STC單片機彙編語言編程模型

7.1彙編語言程序結構

7.2彙編代碼中段的分配

7.2.1CODE段

7.2.2BIT段

7.2.3IDATA段

7.2.4DATA段

7.2.5XDATA段

7.3彙編語言符號及規則

7.3.1符號的命名規則

7.3.2符號的作用

7.4彙編語言操作數描述

7.4.1數字

7.4.2字符

7.4.3字符串

7.4.4位置計數器

7.4.5操作符

7.4.6表達式

7.5彙編語言控制描述

7.5.1地址控制

7.5.2條件彙編

7.5.3存儲器初始化

7.5.4分配存儲器空間

7.5.5過程聲明

7.5.6程序鏈接

7.5.7段控制

7.5.8雜項

7.6Keil μVision5彙編語言設計流程

7.6.1建立新的設計工程

7.6.2添加新的彙編語言文件

7.6.3設計建立

7.6.4分析.m51文件

7.6.5分析.lst文件

7.6.6分析.hex文件

7.6.7程序軟件仿真

7.6.8程序硬件仿真

7.7單片機端口控制彙編語言程序設計

7.7.1設計原理

7.7.2建立新的工程

7.7.3添加彙編語言程序

7.7.4設計建立

7.7.5下載設計

7.8單片機中斷彙編語言程序設計

7.8.1設計原理

7.8.2建立新的工程

7.8.3添加彙編語言文件

7.8.4分析.lst文件

7.8.5設計建立

7.8.6下載設計

7.8.7硬件仿真

第8章STC單片機C語言編程模型

8.1常量和變量

8.1.1常量

8.1.2變量

8.2數據類型

8.2.1標準C語言所支持的類型

8.2.2單片機擴充的類型

8.2.3自定義數據類型

8.2.4變量及存儲模式

8.3運算符

8.3.1賦值運算符

8.3.2算術運算符

8.3.3遞增和遞減運算符

8.3.4關繫運算符

8.3.5邏輯運算符

8.3.6位運算符

8.3.7復合賦值運算符

8.3.8逗號運算符

8.3.9條件運算符

8.3.10強制類型轉換符

8.3.11sizeof運算符

8.4描述語句

8.4.1輸入/輸出語句

8.4.2表達式語句

8.4.3條件語句

8.4.4開關語句

8.4.5循環語句

8.4.6返回語句

8.5數組

8.5.1一維數組的表示方法

8.5.2多維數組的表示方法

8.5.3索引數組元素的方法

8.5.4動態輸入數組元素的方法

8.5.5數組運算算法

8.6指針

8.6.1指針的基本概念

8.6.2指向指針的指針

8.6.3指針變量輸入

8.7函數

8.7.1函數聲明

8.7.2函數調用

8.7.3函數變量的存儲方式

8.7.4函數參數和局部變量的存儲器模式

8.7.5基本數據類型傳遞參數

8.7.6數組類型傳遞參數

8.7.7指針類型傳遞參數

8.8預編譯指令

8.8.1宏定義

8.8.2文件包含

8.8.3條件編譯

8.8.4其他預處理指令

8.9復雜數據結構

8.9.1結構

8.9.2聯合

8.9.3枚舉

8.10C程序中使用彙編語言

8.10.1內嵌彙編語言

8.10.2調用彙編程序

8.11C語言端口控制實現

8.12C語言中斷程序實現

8.12.1C語言中斷程序實現原理

8.12.2外部中斷電路原理

8.12.3C語言中斷具體實現過程

第9章STC單片機時鐘、復位和電源模式原理及實現

9.1STC單片機時鐘

9.2STC單片機復位

9.2.1外部RST引腳復位

9.2.2軟件復位

9.2.3掉電/上電復位

9.2.4MAX810專用復位電路復位

9.2.5內部低壓檢測復位

9.2.6看門狗復位

9.2.7程序地址非法復位

9.3STC單片機電源模式

9.3.1低速模式

9.3.2空閑模式

9.3.3掉電模式


**0章STC單片機比較器原理及實現

10.1STC單片機比較器結構

10.2STC單片機比較器寄存器組

10.2.1比較器控制寄存器1

10.2.2比較器控制寄存器2

10.3STC單片機比較器應用

**1章STC單片機計數器和定時器原理及實現

11.1計數器/定時器模塊簡介

11.2計數器/定時器寄存器組

11.2.1定時器/計數器0/1控制寄存器TCON

11.2.2定時器/計數器工作模式寄存器TMOD

11.2.3輔助寄存器AUXR

11.2.4T0~T2時鐘輸出寄存器和外部中斷允許INT_CLKO(AUXR2)

11.2.5定時器T0和T1中斷允許控制寄存器IE

11.2.6定時器T0和T1中斷優先級控制寄存器IP

11.2.7定時器T4和定時器T3控制寄存器T4T3M

11.2.8定時器T2、T3和T4的中斷控制寄存器IE2

11.3計數器/定時器工作模式原理和實現

11.3.1定時器/計數器0工作模式

11.3.2定時器/計數器1工作模式

11.3.3定時器/計數器2工作模式

11.3.4定時器/計數器3工作模式

11.3.5定時器/計數器4工作模式

**2章STC單片機異步串行收發器原理及實現

12.1RS232標準簡介

12.1.1RS232傳輸特點

12.1.2RS232數據傳輸格式

12.1.3RS232電氣標準

12.1.4RS232參數設置

12.1.5RS232連接器

12.2STC單片機串口模塊簡介

12.2.1串口模塊結構

12.2.2串口引腳

12.3串口1寄存器及工作模式

12.3.1串口1寄存器組

12.3.2串口1工作模式

12.3.3人機交互控制的實現

12.3.4按鍵掃描與串口顯示

12.4串口2寄存器及工作模式

12.4.1串口2寄存器組

12.4.2串口2工作模式

12.5紅外通信的原理及實現

12.5.1紅外收發器的電路原理

12.5.2紅外通信波形捕獲

12.5.3紅外通信協議

12.5.4紅外檢測原理

12.5.5串口通信原理

12.5.6設計實現

**3章STC單片機ADC原理及實現

13.1模數轉換器原理

13.1.1模數轉換器的參數

13.1.2模數轉換器的類型

13.2STC單片機內ADC的結構原理

13.2.1STC單片機內ADC的結構

13.2.2ADC轉換結果的計算方法

13.3STC單片機內ADC寄存器組

13.3.1P1口模擬功能控制寄存器

13.3.2ADC控制寄存器

13.3.3時鐘分頻寄存器

13.3.4ADC結果高位寄存器

13.3.5ADC結果低位寄存器

13.3.6中斷使能寄存器

13.3.7中斷優先級寄存器

13.4直流電壓測量及串口顯示

13.4.1直流分壓電路原理

13.4.2軟件設計流程

13.4.3具體實現過程

13.5直流電壓測量及LCD屏顯示

13.5.1硬件電路設計

13.5.21602字符LCD原理

13.5.3軟件設計流程

13.5.4具體實現過程

13.6交流電壓測量及LCD屏顯示

13.6.1硬件電路設計

13.6.212864圖形點陣LCD原理

13.6.3軟件設計流程

13.6.4ADC外部輸入信號要求

13.6.5具體實現過程

13.7溫度測量及串口顯示

**4章STC單片機增強型PWM發生器原理及實現

14.1脈衝寬度調制原理

14.2增強型PWM發生器模塊

14.2.1增強型PWM發生器功能

14.2.2增強型PWM發生器寄存器集

14.3生成單路PWM信號

14.4生成兩路互補PWM信號

14.5步進電機的驅動和控制

14.5.1五線四相步進電機的工作原理

14.5.2步進電機的驅動

14.5.3使用軟件驅動步進電機

14.5.4使用PWM模塊驅動步進電機

14.5.5設計下載和驗證

**5章STC單片機SPI原理及實現

15.1SPI模塊結構及功能

15.1.1SPI傳輸特點

15.1.2SPI模塊功能

15.1.3SPI接口信號

15.1.4SPI接口的數據通信方式

15.1.5SPI模塊內部結構

15.2SPI模塊寄存器組

15.2.1SPI控制寄存器

15.2.2SPI狀態寄存器

15.2.3SPI數據寄存器

15.2.4中斷允許寄存器

15.2.5中斷優先級寄存器

15.2.6控制SPI引腳位置寄存器

15.3SPI模塊配置及時序

15.3.1SPI配置模式

15.3.2主/從模式的注意事項

15.3.3通過SS修改模式

15.3.4寫衝突

15.3.5數據模式時序

15.47段數碼管的驅動與顯示

15.4.1繫統控制電路原理

15.4.27段數碼管原理

15.4.374HC595原理

15.4.4繫統軟件控制流程

15.4.5程序具體實現

**6章STC單片機CCP/PCA/PWM模塊原理及實現

16.1CCP/PCA/PWM結構

16.2CCP/PCA/PWM寄存器組

16.2.1PCA工作模式寄存器

16.2.2PCA控制寄存器

16.2.3PCA比較捕獲寄存器

16.2.4PCA的16位計數器

16.2.5PCA捕獲/比較寄存器

16.2.6PCA模塊PWM寄存器

16.2.7PCA模塊引腳切換寄存器

16.3CCP/PCA/PWM工作模式

16.3.1捕獲模式


16.3.216位軟件定時器模式

16.3.3高速脈衝輸出模式

16.3.4脈衝寬度調制模式

**7章RTX51操作繫統原理及實現

17.1操作繫統的必要性

17.1.1單任務程序

17.1.2輪詢程序

17.2操作繫統基本知識

17.2.1操作繫統的作用

17.2.2操作繫統的功能

17.3RTX51操作繫統的任務

17.3.1定義任務

17.3.2管理任務

17.3.3切換任務

17.4RTX51操作繫統內核函數

17.5RTX51操作繫統實現

17.5.1RTX51操作繫統實現1

17.5.2RTX51操作繫統實現2

17.5.3RTX51操作繫統實現3

附錄ASTC單片機考試樣題

附錄BSTC單片機選型表

附錄CSTC學習板原理圖477

第5章 CHAPTER 5 STC單片機架構 本章詳細介紹了STC單片機的架構。本章的內容主要包括STC單片機CPU內核功能單元、STC單片機存儲器結構和地址空間、STC單片機中斷繫統原理及功能等。
本章是學習單片機*重要的內容之一。通過本章內容的學習，讀者將繫統學習8051 CPU核內部結構及功能，以幫助學習後續內容。
5.1STC單片機CPU內核功能單元 8051單片機自誕生的那天開始，到現在已經持續了30多年。在這期間，人們對其性能不斷地進行改進，使得其整體性能提高了10倍以上。目前，以8051 CPU內核為核心的單片機仍然發揮著其巨大的生命力。雖然8051 CPU的內核比較簡單，但是以其為核心的單片機繫統卻包含了構成計算機繫統的全部要素。圖5.1給出了經典8051 CPU的結構圖。
圖5.1經典8051單片機內部結構 在單片機中，包含了運算器、控制器、存儲器、外設和時鐘繫統共5個子繫統。在這5個子繫統中，運算器和控制器構成了8051中央處理單元(Central Processing Unit，CPU)。在8051 CPU中，運算器和控制器通過CPU內部的總線連接在一起。這樣，在CPU內控制器的控制下，運算器內的各個功能部件有條不紊地按順序工作(這裡的按順序是指按給定的時鐘節拍)。在8051單片機中，CPU、存儲器和外設通過CPU外部的、單片機片內的總線連接在一起。通過總線，一方面，在CPU、存儲器和外設之間傳輸數據、地址和控制信息； 另一方面，CPU、存儲器和外設共享總線。因此，這種結構是典型的共享總線結構。
常說的總線是一組邏輯信號的集合。在傳統計算機體繫結構中，這些邏輯信號包括數據信號、地址信號和控制信號，這就是所謂的三總線結構。之所以將以8051 CPU為核心的單片機稱為8位單片機，這是由於在該單片機中數據信號的寬度是8位。
STC內的8051 CPU核是高性能、運行速度經過優化的8位中央處理單元(CPU)。它***兼容工業標準的8051 CPU。8051 CPU外圍主要包括： (1) 內部數據RAM。
(2) 外部數據空間。
(3) 特殊功能寄存器。
(4) CPU時鐘分頻器。
STC 8051 CPU的特性主要包括： (1) 采用流水線RISC結構，其執行速度比工業標準8051快十幾倍。
(2) 與工業標準8051指令集***兼容。
(3) 大多數指令使用1個或2個時鐘周期執行。
(4) 256字節的內部數據RAM。
(5) 使用雙DPTR擴展標準8051結構。
(6) 提供了片外擴展的64KB外部數據存儲器。
注意： 封裝在40引腳以上的STC單片機提供此擴展功能。
(7) 提供了多達21個中斷源。
(8) 新特殊功能寄存器可以快速訪問STC單片機I/O端口，以及控制CPU時鐘頻率。
任何一個中央處理單元(CPU)都包含有控制器和運算器兩大基本模塊。下面將通過STC單片機分析8051 CPU的功能。
思考與練習51： 8051 CPU內包含和兩大功能部件。
思考與練習52： 請讀者仔細分析8051 CPU內的各個部件與總線的連接關繫，劃分出控制器單元和運算器單元。
5.1.1控制器 控制器是CPU中*重要的功能部件之一，其作用是控制CPU內的各個組成部件協調地工作，保證CPU的正常運行。例如，控制器根據指令要求發出正確的控制信號，實現加法運算。
1. 程序計數器 單片機*重要的特點之一就是采用了存儲程序的體繫結構，即需要執行的代碼保存在一個稱為程序存儲器的單元中。通過程序計數器(Program Counter，PC)從程序存儲器中源源不斷地取出所要執行的指令。因此，程序計數器（PC）是CPU中*基本的控制部分。
程序計數器的特點就是總是指向下一條所要執行指令的地址空間。下面對程序計數器的原理進行分析。如圖5.1所示，程序計數器、PC遞增器、緩衝區、程序地址寄存器都掛在其結構右側的一條總線上。程序地址寄存器的輸出連接到程序存儲器上，而程序存儲器連接到內部總線上。
前面已經提到在程序存儲器中，保存的是程序的機器代碼，即機器指令。從圖5.1中可以知道，程序地址寄存器的輸出用於給程序存儲器提供地址，而程序存儲器的輸出用於提供機器指令的內容。因此，程序計數器其實質就是實現遞增功能的計數器，隻不過是計數器的計數值作為程序存儲器的地址。在圖5.1中，程序計數器的寬度為16位。也就是說，地址深度為216，地址的範圍為0~65536，即64KB。因此，程序存儲器的容量*大為64KB。很明顯，所編寫的程序通過軟件處理翻譯成機器代碼後，其機器代碼的長度不能超過64KB。
程序計數器並不能總是讓程序地址寄存器遞增。這是因為，機器指令可以分成順序執行和非順序執行，如圖5.2所示。
圖5.2機器指令的執行順序 1) 順序執行 順序執行是指按機器指令的前後順序，順序地執行指令，即把PC+1後的值送給程序地址寄存器，作為程序存儲器的地址。然後，從程序存儲器讀出指令。這就是所說的程序計數器總是指向下一條要執行的指令。
2) 非順序執行 在編寫的軟件代碼中，經常出現條件判斷語句、跳轉語句、程序調用語句和中斷調用等。因此，當運行程序代碼的過程中遇到這些指令時，程序的執行順序並不是按照PC+1->PC來執行程序，而是將這些語句所指向新指令所在的新目標地址賦給程序地址寄存器。
思考與練習53： 在單片機中，PC總是指向。
思考與練習54： 請說明程序計數器的寬度和程序代碼長度之間的關繫。
思考與練習55： 在單片機中，CPU執行指令的順序靠控制。
思考與練習56： 在單片機中，程序的執行順序可以通過代碼中的進行控制。
提示： 運算的標志位，條件判斷語句、程序調用語句和中斷服務語句等，在學習完後面的8051指令集後進行進一步的詳細說明。
2. 指令通道 指令通道包含取指單元、譯碼單元、執行指令單元。本質上，取指、譯碼和執行指令的過程就是一個有限自動狀態機(Finite State Machine，FSM)，也就是經常所說的微指令控制器。
1) 取指單元 根據PC所指向的存放指令程序存儲器的地址，取出指令。在8051單片機中，程序存儲器的寬度為8位。由於8051的機器指令有8位、16位或24位，即1字節、2字節或3字節，所以，對於不同的指令來說，取指令所需要的時鐘周期並不相同，可能需要幾個時鐘周期纔能完成取指操作。
2) 譯碼單元 根據取出指令的操作碼部分，對指令進行翻譯。這個翻譯過程就是將機器指令轉換成一繫列的邏輯控制序列，這些控制序列將直接控制CPU內的運算單元。
3) 執行指令單元 當完成譯碼過程後，根據邏輯控制序列(微指令)所產生的邏輯行為，控制運算器單元，從而完成指令需要實現的操作行為。
例如，假設此時取出一條機器指令(彙編助記符表示)： ADD A，Rn 其機器指令的格式為： 0010，1rrr 注意： rrr表示寄存器的編號。
該指令完成寄存器Rn和累加器A數據相加的操作。其譯碼和執行指令的過程應該包含： (1) 從寄存器Rn中取出數據送入ALU的一個輸入端口TMP1，表示為 (Rn)->(TMP1) (2) 從累加器ACC中取出數據送入ALU的另一個輸入端口TMP2，表示為 (ACC)->(TMP2) (3) 將TMP1和TMP2的數據送到ALU進行相加，產生結果，表示為 (TMP2)+(TMP1)->(總線) (4) 將ALU產生的結果，通過內部總線送入到ACC累加器中，表示為 (總線)->(ACC) 注意： 雖然通常將指令通道的譯碼和執行指令的過程進行這樣細致的劃分，但實際上，譯碼產生控制序列的過程就是在執行指令。
思考與練習57： 請說明單片機中，指令通道包含、和； 它們的作用分別是、和。