单片机中级教程原理与应用

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单片机原理及应用单片机原理及应用第一章绪论第一章绪论

单片机中级教程

原理与应用

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本章的主要内容：

1.1 单片机

1.2 单片机与嵌入式系统

1.3 本教程的特点和教学安排

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单片机基础知识

1. 单片机的含义

2. 单片机的发展

3.MCS-51 和 80C51 系列简介

4. 单片机的应用

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◆ 单板机将 CPU 芯片、存储器芯片、 I/O 接口芯片和简单的 I/O设备（小键盘、 LED 显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序（固化在 ROM 中），就构成了一台单板微型计算机（简称单板机）。

单板机的 I/O 设备简单，软件资源少，使用不方便。早期主要用于微型计算机原理的教学及简单的测控系统，现在已很少使用。

单板机

1 ．单片机的定义

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◆什么是单片机？ ------ 集成电路芯片单片机（ Single Chip Computer ）又称单片微型计算机（ Microcontroller ），随着大规模集成电路技术的发展，可以将 CPU 、 RAM 、 ROM ，定时器 /计数器，以及输入 /输出（ I/0 ）接口电路等计算机的主要部件，集成在一块集成电路芯片上。

最早的单片机产生于 70 年代

现代单片机代表： MCS-51

单片机主要组成部分：① 中央处理器 CPU

② 存储器（数据存储器 RAM 程序存储 ROM

）③ 输入 / 输出接口④ 定时器 / 计数器单板机单片机

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单片机的特点（优点）

★ 体积小、重量轻；

★ 电源单一、功耗低（突出特点）；

★ 功能强、价格低，有优异的性能价格比；

★ 全部集成在芯片上，布线短，合理，集成度高；

★ 数据大部分在单片机内传递，运行速度快，抗干扰

能力强，可靠性高。

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（ 1）单片微型计算机 -- Single Chip Computer

从组成和功能上看，已具有了微机系统的含义。

（ 2）微控制器 --Microcontroller ， MCU

从功能和形态来说，单片机是作为控制领域应用的要求而诞生的，在发展中扩展各种控制功能，如 A/D 、 PWM 、计数器捕获 /比较逻辑 (PCA) 等，已突破了微型计算机（ Microcomputer ）的传统内容。故微控制器能更准确地反映单片机本质。

（ 3）嵌入式微控制器 (Embedded Microcontroller )

应用系统往往以单片机为核心，且完全融入应用系统之中。

（ 4）在我国，单片机的叫法甚为普遍。

◆单片机的别称

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⒉单片机的发展历程

特点：存储器容量较小，寻址范围小（不大于 4K），无串行接口，指令系统功能不强。体积小，功能全、价格低等特点，赢得了广泛的应用。

单片机技术发展过程可分为三个主要阶段：

◆单芯片微机形成阶段

1976 年， Intel 公司 ,MCS-48 系列单片机。

8 位 CPU 、 1K 字节 ROM 、 64 字节 RAM 、 27 根 I/O 线和 1个 8位定时 /计数器。

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◆性能完善提高阶段

1980 年， Intel 公司 ,MCS-51 系列单片机 .

8 位 CPU 、 4K 字节 ROM 、 128 字节 RAM 、 4个 8位并口、 1个全双工串行口、 2个 16 位定时 /计数器。寻址范围 64K ，并有控制功能较强的布尔处理器。

特点：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。

此外具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点 ,应用非常广泛。

MCS-51 已成为公认的单片机经典机种。

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◆微控制器化阶段

1982 年， Intel,MCS-96 系列单片机（ 16位）。

芯片集成： 16位 CPU 、 8K 字节 ROM 、 232 字节 RAM 、5个 8位并口、 1个全双工串行口、 2个 16 位定时 /计数器。寻址范围 64K 。片上还有 8路 10 位 ADC 、 1路 PWM 输出及高速 I/O 部件等。

特点：面向测控系统的外围电路增强，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。

“微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。

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ARM( 主要是多媒体 )处理器在全球范围的流行， 32位的 RISC 嵌入式处理器成为高中端嵌入式应用的主流。

原因：

（ 1）数码设备如数码相机、 MP3 、 PDA 、各种信息家电等有更高的性能要求。

（ 2）在 MCU运行 TCP／ IP或其它通信协议的情况下，要求系统建立在 RTOS 上就必然成为一种现实需求。

（ 3）电视机、汽车音响及电子玩具等传统应用提出数字化和“硬件软化”的要求，对计算性能的要求及存储器容量的需求都超出绝大多数 8位或 16 位微控制器能提供的范围。

微控制器进一步发展

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多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、扩大存储容量和加强 I/O 功能及结构兼容方向发展。

3. 单片机的发展趋势

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1 、多功能

◆ 存储器类，包括程序存储器 MROM／ OTP ROM／ EPROM／ EEPROM／ FlashROM 和数据存储器 SRAM／ SDRAM／ SSRAM；

◆ 有串行接口类，包括 UART、 SPI 、 I2C 、 CAN、 IR、 Ethernet 、 HDLC；

◆ 有并行接口类，包括 Centronics、 PCI 、 IDE 、 GPIO 等；

◆ 有定时和时钟类，包括，定时器／计数器、实时时钟 (RTC) 、Watchdog 、 Clock out；

◆ 有专用和外围接口类，包括 Comparer( 比较器 )、 ADC 、 DAC 、 LCD 控制器、 DMA 、 PWM 、 PLL、 MAC 、温度传感器等。 Cygnal 公司的 C8051F系列的 MCU 在一个芯片中集成有数据采集系统或控制系统所需要的数字和模拟外围接口和功能部件，这种混合信号芯片实质上已构成了片上系统 (SoC) 。

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(2)多核结构处理器

随着嵌入式应用的深入，如：数字通信和网络中的应用，对处理器提出了更高的要求，现在已出现多核结构的处理器。

Freescale 公司研发的 MPC8260 PowerQUiCCⅡ就是一种先进的为电信和网络市场而设计的集成通信微处理器。它融合了两个 CPU——嵌入式 PowerPC 内核和通信处理模块 (CPM) 。由于 CPM 分担了嵌入式 PowerPC 核的外围工作任务，这种双处理器体系结构功耗反而要低于传统体系结构的处理器。

Infineon 公司的 TCl0GP 和增强型 TCll30都是三核 (TriCore) 结构的微处理器。

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(3) 更低功耗

很多 MCU都有多种工作方式，包括等待、暂停、休眠、空闲、节电等工作方式。

例如 Philips的 P87LPC762 ，空闲状态下的电流为1.5mA ，而在节电方式下电流只有 0.5mA 。

(4) 更宽工作电压范围

扩大电源电压范围以及在较低电压下仍然能工作是现在新推出的 MCU 的一个特点。

目前一般 MCU都可以在 3.3～ 5.5V的范围内工作，有些产品则可以在 2.2～ 6V的范围内工作。

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(5) 更先进的工艺和更小的封装

越来越多的 MCU采用了各种贴片封装形式，以满足便携式手持设备的需要。

(6) 低噪声布线技术在过去的 MCU 中，电源与地引脚是安排在芯片封装的对角上，即左上、右下或右上、左下位置上。电源噪声对 MCU 的内部电路造成的干扰相对较大。

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⒊ MCS-51 和 80C51 系列简介

从最初的单片机发展到如今的新一代单片机，大致经历了三个年代。如以 Intel 8 位单片机为例，大致是 :

第一代 :以 1976 年推出的 MCS-48 系列为代表，将CPU 和计算机外围电路集成到了一个芯片上，为单片机的进一步发展开辟了成功之路。

第二代 :以 MCS-51 的 8051 、 8052 为代表。最主要技术特点是向外部接口电路扩展，以实现微控制器（ Microcontroller ）化。

80 年代初推出的新产品。其主要的技术特征是：

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（ 1）扩大了片内存储容量、外部寻址空间。

程序存储器和外部数据存储器的寻址都增加为 64K 。

4K×8 ROM 作为内部程序存储器，用来存放系统程序、用户的专用程序和固定常数。

在 MCS-51 系列单片机中， 8031 、 8751 与 8051的内部结构基本相同，其区别：

8031 内部不含有程序存储器，必须由外部扩展。8751 内部程序存储器为可编程、可改写的只读存储器 EPROM ，其内部程序由用户自行写入。

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（ 2）片内数据存储器，采用 8位地址，寻址范围为 256 字节。

其中： OOH ～ 7FH为 128 字节的内部 RAM ，用来存放用户的随机数；

在内部 RAM 中， OOH ～ 1FH可分为 4个寄存器工作区。寄存器工作区由选择指令进行切换，有效地提高CPU 的现场保护能力和实时响应速度。

2OH ～ 2FH单元可进行位寻址。

在 80H ～ FFH范围内 ,离散地分布着 21个特殊功能寄存器，其中 11个特殊功能寄存器具有位寻址能力。

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（ 3）增强并行口、增设全双工串行口。

4 个 8位并行 I/O 接口可用于地址和数据的传送，也可与 8253 、 8155 等联接，进行外部 I/O 接口的扩展。

串行 I/O 接口是一个全双工串行通信口。

两个定时器 /计数器均为 16位， 4种工作方式，用户使用灵活方便。

（ 4）增强中断系统。

在 MCS-51 单片机中，设置有 2级中断优先级，可接受 5 个中断源的中断请求，中断优先级别可由用户定义。 MCS-51 单片机很适合用于数据采集与处理、智能仪器仪表和工业过程控制中。

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（ 5）较强的指令寻址和运算等功能

MCS-51 系列单片机有 111条指令， 7种寻址方式。

44%为单字节指令， 41%为双字节指令， 15%为三字节指令。

若用 l2MHz的晶体频率， 50%的指令可在 1μs内执行完毕， 40%的指令在 2μs内执行完毕。

此外，还设有减法、比较和 8位乘、除法指令。乘、除法指令的执行时间仅为 4μs，提高了 CPU 的运算与数据处理能力。

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（ 6）增设了颇具特色的布尔处理机

指令系统中设置有位操作指令，可用于位寻址空间，位操作指令与位寻址空间一起构成布尔处理机。

布尔处理机对于实时逻辑控制处理具有突出的优点。

技术特征：

◆配置完善的外部并行总线 (AB、 DB、 CB)；

◆ 具有多机识别功能的串行通讯接口 (UART)；

◆ 规范了功能单元的特殊功能寄存器（ SFR ）控制模式

◆ 布尔处理系统和指令系统，为发展具有良好兼容性的新一代单片机奠定了良好的基础。

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第三代：

以 80C5l 单片机为代表。在 MCS-51 的 HMOS 基础上发展起来的，具有 CHMOS 结构。 80C51 系列单片机保留了 MCS-51 单片机的所有特性，内部组成基本相同。包括 Intel 公司发展 MCS-51 系列的新一代产品，如 8XC152 、 80C5lFA/FB、 80C51GA/GB、 8XC451 、8XC452 ，还包括了 Philips、 Siemens、 ADM 、 Fujutsu 、 OKI 、 ATMEL等公司以 80C5l 为核心推出的大量各具特色、与 MCS-51 兼容的单片机。

80C51 系列单片机增设了两种可以用软件进行选择的低功耗工作方式：空闲方式和掉电方式。

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软件开发语言：

过去，大部分用汇编语言编写。

目前，随 C编译器效率和 MCU 性能的大幅度提高，用高级语言代替汇编语言也渐成趋势，典型的 MCU都推出了自己的 C编译器。

其中 Keil C 应用最为广泛，用 Keil C51编写的程序编译后的运行效率也很高。

故而本教程的讲授，硬件将仍以 80C51 为主线，而在软件方面则从由汇编“独尊”改为汇编与 C语言并重。

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⒋ 单片机的应用（面广量大）

家用电器上的应用

智能仪器仪表上的应用

工业控制上的应用

计算机网络和通信领域上的应用

医用设备上的应用

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1. 智能冰箱

2 ．智能饭煲

3 ．智能食品配料机

可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。

广泛应用于家用电器的自动控制，智能卡特点：提高家用电器的性能和质量；降低家用电器的生产成本和销售价格

4.1家用电器上的应用

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数字式测角仪

交直流电压电流表

单片机的特点：体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等。

结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。

4.2 智能仪器仪表上的应用

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数控车床

数控线切割机床

用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。

4.3 工业控制上的应用

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现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制。

•手机•电话机•程控交换机•调制解调器•楼宇自动通信呼叫系统•列车无线通信•无线电对讲机等。

4.4 计算机网络和通信领域上的应用

单片机控制的无线遥控系统，列车无线通信系统和串行自动呼叫应答系统等

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医用呼吸机

各种分析仪

监护仪

超声诊断设备

病床呼叫系统等等电池分析仪

医用呼吸机

4.5 医用设备上的应用

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4 、单片机的分类器件厂家

美国： Intel 、 Motorola、 Zilog 、 Microchip 、 Atmel

荷兰 : Philips 德国： Siemens 日本： Nec 、东芝、松下等

民用通用

民用军用

4位8位16位32位

ROM

内含ROM

无ROM

EPROM\ EEPROM

Fl ash Memory

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1.2 单片机与嵌入式系统

⒈嵌入式系统

电子数字计算机 ,1946 年诞生，价格很高。

以微处理器为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠性特点，以及其高度智能化水平使微型机嵌入到一个对象体系中成为可能，从而促使具有计算机身价的微型计算机走出机房。

“嵌入式计算机系统”：

与通用计算机系统相比，把嵌入到对象体系中，实现对象体系智能化管理和控制的专用计算机，简称为“嵌入式系统” 。

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嵌入式计算机与通用计算机技术要求：（ 1）通用计算机系统：

高速、海量的数值计算，因而其技术发展方向是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。

（ 2）嵌入式计算机系统：

侧重于对象的智能化管理和控制能力，因此，它的技术发展方向则是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。

嵌入式系统的组成：

嵌入式处理器、存储器及外设器件和 I/O端口、图形控制器等相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用系统等软件组成。

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嵌入式系统的核心部件：各种类型的嵌入式处理器。

嵌入式处理器可以分为三类：

嵌入式微处理器，如 PowerPC 、 Motorola 68000 、ARM 系列；

嵌入式微控制器，如常见的有 8051；

嵌入式 DSP(Digital Signal Processor) 。专门用来对离散时间信号进行极快的处理计算，提高编译效率和执行速度。在数字滤波、 FFT、谱分析、图像处理的分析等领域， DSP正在大量进入嵌入式市场。

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嵌入式计算机系统之软件部分软件部分包括操作系统软件和应用程序。

（ 1）操作系统要求实时和多任务操作，控制着应用程序编程与硬件的交互作用。

（ 2）应用程序控制着系统的运作和行为。

早期的嵌入式系统很多都不采用操作系统的。当应用系统越来越复杂、利用的范围越来越广泛的时候，没有操作系统已成为一个最大的缺点了。

比较著名的有 VxWorks、 pSOS 和 Windows CE 等等，这些操作系统大部分是为专有系统而开发的。另外，源代码开放的嵌入式 Linux，由于其强大的网络功能和低成本，近来也得到了越来越多的应用。

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嵌入式计算机系统的特点：

（ 1）嵌入式系统通常是面向特定应用的，嵌入式处理器大多为特定用户群工作，具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化。

（ 2）嵌入式系统的硬件和软件都必须高效地设计，才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。

（ 3）嵌入式系统产品升级换代也和具体产品同步进行，一旦进入市场，一般都具有较长的生命周期。

（ 4）嵌入式系统的软件一般都固化在存储器芯片或单片机之中，提高执行速度和系统可靠性。

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目前，嵌入式技术已成为通信和消费类产品的共同发展方向。

嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上 PDA 、移动计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。

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⒉单片机与嵌入式系统的发展道路

嵌入式系统按形态可分为设备级 (工控机 )、板级 (单板、模块 )、芯片级 (MCU 、 SoC) 。

（ 1）设备级 (工控机 )

工控计算机是早期嵌入式计算机系统常常采取的方式。大多将通用计算机系统进行机械加固、电气加固后构成，以满足应用系统的应用环境要求。

工控机有通用计算机丰富的软件及周边外设支持，有很强的数据处理能力，应用软件开发十分方便。但由于体积庞大，适用于具有大空间嵌入应用的环境中，如舰船、大型试验装置、分布式测控系统等。

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(2) 板级 (通用 CPU 模块 ) 通用 CPU 模块是由通用 CPU 构成的各种形式的主机板系统、各种类型的带 CPU 的主板及 OEM产品。（ 3）芯片级 (嵌入式微处理器、 MCU 及 SoC) 早期微处理器 MPU(Micro Processor Unit) 主要用来构成通用计算机系统的；随嵌入式应用的发展，众多的 MPU 生产厂家开始发展嵌入式微处理器。芯片级则以单片机最为典型。目前，国内外公认的标准体系结构是 Intel 的 MCS-5l 系列，其中 8051 已被许多厂家作为基核，发展了许多兼容系列，所有这些系列都统称为 80C51 系列。

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嵌入式处理器发展的两种模式

（ 1）加减模式

即通用计算机直接芯片化的模式。它将通用计算机系统中的基本单元进行裁剪后，集成在一个芯片上，构成所谓的嵌入式微处理器

（ 2）创新模式

按嵌入式应用的要求设计全新的、满足嵌入式应用要求的体系结构、指令系统、总线方式、管理模式等。Intel 公司的 MCS-48 、 MCS-51 。

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1.3 课程的特点和教学安排

单片机系列品种繁多，应用广泛。

因此，在应用中需要对各种单片机都应了解，以便确定最佳的性能价格比，要能应用各种单片机进行设计。

学习方法：学习一种典型的单片机系列，掌握好其硬件结构和软件知识，在应用中，如果用到其它系列单片机时，只需将这两种系列的不同特点及软硬件上的不同之处稍加分析即可应用了。

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1.4 单片机应用系统开发1.4.1 单片机应用系统的开发 ◆正确无误的硬件设计和良好的软件功能设计是一个实用的单片机应用系统的设计目标。完成这一目标的过程称为单片机应用系统的开发。

◆单片机作为一片集成了微型计算机基本部件的集成电路芯片，与通用微机相比，它自身没有开发功能，必须借助开发机（一种特殊的计算机系统）来完成如下任务： ﹡排除应用系统的硬件故障和软件错误； ﹡程序固化到内部或外部程序存储器芯片中。

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1.4.2 单片机应用系统传统开发方式

◆ 利用独立型仿真器开发

RS-232C

目标系统

仿真头

仿真器

采用与目标系统相同类型的单片机做成单板机，板上配有 LED显示器和键盘，能够实现在线仿真，便于现场调试和修改。

另外，独立型仿真器具有通讯功能，能与普通微机进行数据传输，因此可以利用微机的高级功能。

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◆ 利用非独立型仿真器开发

RS-232C

目标系统

仿真头

仿真器

非独立型仿真器采用微机加仿真器的方式构成，这类开发方式必须有微机的支持。利用微机的相关软件完成源程序的编辑、汇编和仿真调试。该开发方式的现场调试和参数修改功能不够强大。

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学习内容与方法：学习与应用 80C51 ，就必须掌握其软、硬件知识。软件知识：指 80C51 的寻址方式、指令系统，以及它的汇编语言及 C语言等，硬件知识： 80C51 的硬件资源如存储器容量， I/O口数量，定时 /计数器，串行口以及中断系统等。

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单片机中级教程 原理与应用

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