零基础学习51单片机

前言

51单片机是一款非常经典的8位单片机，广泛应用于各种嵌入式系统和电子产品中。本文将从零开始，以简明易懂的方式介绍51单片机的基本原理、基本语法和应用。

什么是单片机

单片机是一种集成电路芯片，具有集成处理器、存储器、输入输出端口和外设接口等功能，可编程控制各种系统和设备。它与计算机相似，但是比计算机更小、更简单，更经济。

什么是51单片机

51单片机是一种经典的8位单片机，它由Intel公司研制，从1981年开始推广，至今已有四十年的历史，因为它的简单易学、易扩展、成本低廉等优点，被广泛应用于各种嵌入式系统和电子产品中。

51单片机的基本构成

51单片机的基本构成如下图所示：

其中，CPU是中央处理器，负责执行指令和控制系统；RAM是随机存储器，用于存储临时数据；ROM是只读存储器，用于存储程序和常量数据；I/O是输入输出端口，用于与外部设备交互；Timer是计时器，用于产生定时信号；Serial是串行口，用于与其他设备通信。

51单片机的基本特点

8位数据宽度，支持8位整数运算，适用于各种控制任务。
结构简单，易于学习和理解，可以快速开发出各种应用。
宽电压工作范围，能够适应各种电源环境和应用场景。
内置各种外设和接口，可以直接控制各种设备和信号。
支持多种编程方式，易于开发和测试。

51单片机的编程语言

51单片机支持多种编程语言，如汇编语言、C语言、BASIC语言等。其中，汇编语言是最基础也是最常用的编程语言，因此本文主要介绍汇编语言的相关知识。

汇编语言的基本原理

汇编语言（Assembly Language）是一种相对较低层次的编程语言，它直接使用机器指令进行编程，具有高效、灵活的特点。汇编语言的基本原理如下：

汇编语言是对机器指令的直接描述，每个指令对应一个特定的操作码。
汇编语言的程序需要进行编译，生成对应的机器指令，才能在单片机上运行。
汇编语言的程序通常具有较高的效率和灵活性，但是也需要较高的技能水平和编程难度。

汇编语言的基本语法

汇编语言的语法相对简单，它主要由三部分组成：指令、数据和注释。指令是汇编语言的核心部分，它包含操作码和操作数。

操作码（operation code，简称opcode）是指令的操作类型，它通常由若干个二进制代码组成，例如MOV表示将数据从一个地方移动到另一个地方。操作数（operand）是指令的操作对象，包含寄存器、内存、立即数等。例如MOV A,R0表示将寄存器R0中的数据移动到寄存器A中。

数据（data）是指程序中使用的变量、常量和数组等。数据可以直接定义在程序中，也可以从外部读入。例如：

BYTE1 DB 0
BYTE2 DB 1,2,3,4,5

其中，DB表示定义字节类型数据，0和1,2,3,4,5分别是数据的初值。

注释（comment）是指程序中的备注，用于说明程序的功能和设计思路。注释通常以;开头，可以单独占据一行，也可以紧跟在指令或数据后面。

例如：

MOV A,#0 ; 将立即数0移动到寄存器A中

51单片机的基本指令

51单片机支持多种指令集，包括基本指令集、扩展指令集、专用指令集等。其中，基本指令集是最为广泛使用的指令集。本章主要介绍基本指令集。

基本指令集可以分为以下几类：

数据传送指令

数据传送指令用于将数据从一个地方传送到另一个地方，包括寄存器之间、内存之间、立即数之间等。常用的数据传送指令有：

MOV：将数据从一个地方移动到另一个地方，例如MOV A,R0表示将寄存器R0中的数据移动到寄存器A中。
MOVX：将数据从外部存储器中读取到寄存器中，例如MOVX A,@DPTR表示将外部存储器中的数据读取到寄存器A中。
MOVC：将程序存储器中的数据读取到寄存器中，例如MOVC A,@A+DPTR表示将程序存储器中由A+DPTR指定的地址处的数据读取到寄存器A中。

算术指令

算术指令用于进行算术运算，包括加、减、乘、除、比较等。常用的算术指令有：

ADD：将两个寄存器中的数据相加，例如ADD A,R0表示将寄存器A和寄存器R0中的数据相加并更新寄存器A中的值。
SUBB：将一个寄存器中的数据减去另一个寄存器中的数据并将结果存储在第一个寄存器中，例如SUBB A,R1表示将寄存器A中的数据减去寄存器R1中的数据，并将结果存储在寄存器A中。
MUL：将一个寄存器中的数据乘以另一个寄存器中的数据，并将16位的结果存储在两个寄存器中，例如MUL AB表示将寄存器A和寄存器B中的数据相乘，并将16位的结果存储在寄存器B和寄存器A中。

逻辑指令

逻辑指令用于进行逻辑运算，包括与、或、异或、取反、移位等。常用的逻辑指令有：

ANL：将两个寄存器中的数据进行逻辑与运算，例如ANL A,R0表示将寄存器A和寄存器R0中的数据进行逻辑与运算，并将结果存储在寄存器A中。
ORL：将两个寄存器中的数据进行逻辑或运算，例如ORL A,R0表示将寄存器A和寄存器R0中的数据进行逻辑或运算，并将结果存储在寄存器A中。
XRL：将两个寄存器中的数据进行逻辑异或运算，例如XRL A,R0表示将寄存器A和寄存器R0中的数据进行逻辑异或运算，并将结果存储在寄存器A中。

分支指令

分支指令用于实现程序的分支和跳转，包括无条件跳转、有条件跳转、循环等。常用的分支指令有：

JMP：无条件跳转到指定地址，例如JMP 8000H表示跳转到8000H地址处。
JZ、JNZ：根据寄存器或内存中的数据是否为零，判断是否跳转，并跳转到指定地址，例如JZ 8000H表示如果寄存器A中的数据为零，则跳转到8000H地址处。
DJNZ：将一个寄存器中的数据减去1，并根据结果是否为零来判断是否跳转，并跳转到指定地址，例如DJNZ R0,8000H表示将寄存器R0中的数据减去1，如果结果不为零，则跳转到8000H地址处。

中断指令

中断指令用于实现中断服务程序的调用和处理，包括开启中断、关闭中断、保存现场等。常用的中断指令有：

EI、DI：分别用于开启和关闭中断，例如EI表示开启中断，DI表示关闭中断。
RETI：中断服务程序返回指令，包括恢复现场和跳转，例如RETI表示中断服务程序执行完毕，返回到主程序。

51单片机的开发环境

51单片机的开发环境包括硬件和软件两个方面。

硬件环境

51单片机的硬件环境主要包括单片机开发板、调试器和外部器件等。

单片机开发板是用于搭建系统的硬件平台，一般包含单片机芯片、电源、调试接口、I/O口、外设接口等。

调试器是用于烧录程序、调试程序和监控程序运行状态的硬件设备，包括仿真器、调试头、下载器等。

外部器件根据实际应用需要来选择，例如LED、LCD、按键、传感器等。

软件环境

51单片机的软件环境主要包括开发工具和编程语言两个方面。

开发工具是用于编辑、编译、调试和烧录程序的软件，常用的开发工具包括Keil、IAR、C51等。

编程语言是用于编写程序的语言，常用的编程语言包括汇编语言、C语言等。

51单片机的应用案例

51单片机广泛应用于各种嵌入式系统和电子产品中，例如智能家居、智能交通、家电控制、安防监控等。

以下是一个简单的LED闪烁程序的例子，使用汇编语言编写：

ORG 0000HMAIN:MOV P1,#00H     ; 将端口P1输出口设为输出CLR A           ; 清空累加器A
LOOP:INC A           ; 累加器A自增MOV P1,A        ; 将累加器A的值送到端口P1输出口ACALL DELAY     ; 延时SJMP LOOP       ; 跳转到LOOP处，无限循环DELAY:MOV R2,#0FFHMOVC A,@A+DPTR
AGAIN:NOPDJNZ R2,AGAINDJNZ A,DELAYRET

该程序通过不断循环，将累加器A中的数据送到端口P1输出口，实现LED灯的闪烁效果。

总结

本文从51单片机的基本构成、特点、编程语言、基本指令和开发环境等方面进行了介绍，并以一个简单的LED闪烁程序为例，展示了单片机的应用。希望能为初学者提供一些帮助，更好地理解和掌握51单片机的知识和技能。

总体来说，51单片机是一种简单易学、功能强大、应用广泛的微控制器，被广泛应用于各种嵌入式系统和电子产品中，包括工控系统、通讯设备、汽车电子、家电控制、安防监控等领域。对于电子爱好者、学生和工程师来说，学习并掌握51单片机的技能，不仅有助于扩展知识面和技能，也能为今后的工作和创新提供有力支持。

未来，随着物联网和智能化的发展，嵌入式系统和单片机的应用前景将继续广阔，希望更多的人能够加入到这个领域中，发挥自己的才华和创造力，为社会的进步和发展做出贡献。