1.1 基本數字邏輯門電路
不管是數字電路，還是C語言，我們都會經常遇到邏輯運算和邏輯電路，在這里我介紹一下，大家先簡單了解一下，知道有這么回事，回頭遇到了，再詳細研究。
首先，在“邏輯”這個概念范疇內，存在真和假這兩個邏輯值，而將其對應到數字電路或C語言中，就變成了“非0值”和“0值”這兩個值，即邏輯上的“假”就是數字電路或C語言中的“0”這個值，而邏輯“真”就是其它一切“非0值”。
然后，我們來具體分析一下幾個主要的邏輯運算符。我們假定有2個字節變量：A和B，二者進行某種邏輯運算后的結果為F。
以下邏輯運算符都是按照變量整體值進行運算的，通常就叫做邏輯運算符：
&&：邏輯與，F = A && B，當A、B的值都為真（即非0值，下同）時，其運算結果F為真（具體數值為1，下同）；當A、B值任意一個為假（即0，下同）時，結果F為假（具體數值為0，下同）。
||：邏輯或，F = A || B，當A、B值任意一個為真時，其運算結果F為真；當A、B值都為假時，結果F為假。
! ：邏輯非，F = !A，當A值為假時，其運算結果F為真；當A值為真時，結果F為假。
以下邏輯運算符都是按照變量內的每一個位來進行運算的，通常就叫做位運算符：
& ：按位與，F = A & B，將A、B兩個字節中的每一位都進行與運算，再將得到的每一位結果組合為總結果F，例如A = 0b11001100，B = 0b11110000，則結果F就等于0b11000000。
| ：按位或，F = A | B，將A、B兩個字節中的每一位都進行或運算，再將得到的每一位結果組合為總結果F，例如A = 0b11001100，B = 0b11110000，則結果F就等于0b11111100。
~ ：按位取反，F = ~A，將A字節內的每一位進行非運算（就是取反），再將得到的每一位結果組合為總結果F，例如，A = 0b11001100，則結果F就等于0b00110011；這個運算符我們在前面的流水燈實驗里已經用過了，現在再回頭看一眼，是不是清楚多了。
^ ：按位異或，異或的意思是，如果運算雙方的值不同（即相異）則結果為真，雙方值相同則結果為假。在C語言里沒有按變量整體值進行的異或運算，所以我們僅以按位異或為例，F = A ^ B，A = 0b11001100，B = 0b11110000，則結果F就等于0b00111100。
我們今后要看資料或芯片手冊的時候，會經常遇到一些電路符號，表5-1就是數字電路中的常用符號，知道這些符號有利于我們理解器件的邏輯結構，尤其重點認識以下表中的“國外流行圖形符號”。在這里我們先簡單看一下，后邊遇到了知道到這里查閱就可以了。
表5-1 數字邏輯門電路
1.2 定時器的學習
定時器是單片機的重點中的重點，但不是難點，大家一定要完全理解并且熟練掌握定時器的應用。
1.2.1 定時器的初步認識
時鐘周期：時鐘周期T是時序中最小的時間單位具體計算的方法就是1/時鐘源，我們KST-51單片機開發板上用的晶振是11.0592M，那么對于我們這個單片機系統來說，時鐘周期=1/11059200秒。
機器周期：我們的單片機完成一個操作的最短時間。機器周期主要針對匯編語言而言，在匯編語言下程序的每一條語句執行所使用的時間都是機器周期的整數倍，而且語句占用的時間是可以計算出來的，而C語言一條語句的時間是不可計算的。51單片機系列，在其標準架構下一個機器周期是12個時鐘周期，也就是12/11059200秒�，F在有不少增強型的51單片機，其速度都比較塊，有的1個機器周期等于4個時鐘周期，有的1個機器周期就等于1個時鐘周期，也就是說大體上其速度可以達到標準51架構的3倍或12倍。因為我們是講標準的51單片機，所以我們后邊的課程如果遇到這個概念，全部是指12個時鐘周期。
這兩個概念了解即可，下邊就來我們的重頭戲，定時器和計數器。定時器和計數器是單片機內部的同一個模塊，通過配置SFR（特殊功能寄存器）可以實現兩種不同的功能，我們大多數情況下是使用定時器功能，因此我們的課程也是主要來講定時器功能，計數器功能大家自己了解下即可。
顧名思義，定時器就是用來進行定時的。定時器內部有一個寄存器，我們讓它開始計數后，這個寄存器的值每經過一個機器周期就會加1一次，因此，我們可以把機器周期理解為定時器的計數周期。我們的秒表，每經過一秒，數字加1，而這個定時器就是每過一個機器周期的時間，也就是12/11059200秒，數字加1。還有一個特別注意的地方，就是秒表是加到60后，秒就自動變成0了，這種情況在單片機和計算機里我們稱之為溢出。那定時器加到多少才會溢出呢？定時器有幾種模式，假如是16位的定時器，也就是2個字節，最大值就是65535，那么加到65535后，再加1就算溢出，如果有其他位數的話，道理是一樣的，對于51單片機來說，溢出后，這個值會直接變成0。從某一個初值，經過計算確定的時間后溢出，這個過程就是其定時的含義。
1.2.2 定時器的寄存器描述
標準的51里邊只有定時器0和定時器1這兩個定時器，現在很多單片機也有多個定時器的，在這里我們先講定時器0和1。那么我前邊提到過，對于單片機的每一個功能模塊，都是由他的SFR，也就是特殊功能寄存器來控制。而和定時器有關的特殊功能寄存器，有以下幾個，大家不需要去記憶這些寄存器的名字和作用，你只要大概知道就行，用的時候，隨時可以查手冊，找到每個寄存器的名字和每個寄存器所起到的作用。
表5-2 定時值存儲寄存器
|
名稱 |
描述 |
SFR地址 |
|
TH0 |
定時器0高字節 |
8CH |
|
TL0 |
定時器0低字節 |
8AH |
|
TH1 |
定時器1高字節 |
8DH |
|
TL1 |
定時器1低字節 |
8BH |
表5-3 TCON--定時器/計數器控制寄存器的位分配(地址：88H)
可位尋址；復位值：0x00；復位源：任何復位
|
位 |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
0 |
|
符號 |
TF1 |
TR1 |
TF0 |
TR0 |
IE1 |
IT1 |
IE0 |
IT0 |
表5-4 TCON--定時器/計數器控制寄存器的位描述
|
位 |
符號 |
描述 |
|
7 |
TF1 |
定時器1溢出標志。一旦定時器1發生溢出時硬件置1。清零有兩種方式：軟件清零，或者進入定時器中斷時硬件清零。 |
|
6 |
TR1 |
定時1運行控制位。軟件置位/清零來進行啟動/關閉定時器。 |
|
5 |
TF0 |
定時器0溢出標志。一旦定時器0發生溢出時硬件置1。清零有兩種方式：軟件清零，或者進入定時器中斷時硬件清零。 |
|
4 |
TR0 |
定時0運行控制位。軟件置位/清零來進行啟動/關閉定時器。 |
|
3 |
IE1 |
外部中斷部分，與定時器無關，暫且不看 |
|
2 |
IT1 |
|
1 |
IE0 |
|
0 |
IT0 |
大家注意在表5-4中的描述中，只要寫到硬件置1或者清0的，就是指一旦符合條件，單片機自動完成的動作，只要寫軟件置1或者清0的，是指我們用程序去完成這個動作，后邊課程中不再做說明。
表5-2中的寄存器，是存儲計數器的計數值的，兩個字節的用于定時器1,兩個字節用于定時器0。
表5-3中有TF1、TR1、TF0、TR0這4位需要我們理解清楚。兩位定時器1的，兩位定時器0的，我們只解釋定時器1的，定時器0的同理。先看TR1，當我們程序中寫TR1 = 1以后，定時器值就會每經過一個機器周期加1，當我們程序中寫TR1 = 0以后，定時器值就會保持不變化。TF1，這個是一個標志位，他的作用是告訴我們定時器溢出了。比如我們的定時器設置成16位的定時器，那么每經過一個機器周期，TL1加1一次，當TL1加到255后，再加1，TL1變成0，TH1會加1一次，如此一直加到TH1和TL1都是255（即TH1和TL1組成的16位整型數為65535）以后，再加1一次，那么就會溢出，TH1和TL1同時都變為0，只要一溢出，TF1馬上自動變成1，告訴我們定時器溢出了，僅僅是提供給我們一個信號，讓我們知道定時器溢出了，它不會對定時器是否繼續運行產生任何影響。
表5-5 TMOD--定時器方式控制寄存器的位分配(地址 89H)
不可位尋址；復位值：0x00；復位源：任何復位
|
位 |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
0 |
|
符號 |
GATE
(T1) |
C/T
(T1) |
M1
(T1) |
M0
(T1) |
GATE
(T0) |
C/T
(T0) |
M1
(T0) |
M0
(T0) |
細心的同學會發現，TCON那個地方標注的是“可位尋址”，TMOD這里標注的是“不可位尋址”。這個地方的意思就是比如TCON有一位TR1，我們可以在程序中直接進行TR1 = 1；這樣操作。但是(T1)M1 = 1；這樣的操作就是錯誤的。我們要操作就必須一次操作一個字節，就是必須一次性對TMOD所有位操作，不能對其中某一位單獨進行操作。
表5-6 TMOD--定時器/計數器方式控制寄存器的位描述
|
符號 |
描述 |
|
T1/T0 |
在表5-5中，標T1的表示控制定時器1的位，標T0的表示控制定時器0的位。 |
|
GATE |
該位被置1時為門控位。僅當’INTx’腳為高并且’TRx’控制位被置1時使能定時器’x’，定時器開始計時，當該位被清0時，只要’TRx’位被置1，定時器x就使能開始計時，不受到單片機引腳’INTx’外部信號的干擾，常用來測量外部信號脈沖寬度。這是定時器一個額外功能，本節課暫不介紹。 |
|
C/T |
定時器或計數器選擇位。該位被清零時用作定時器功能(內部系統時鐘)，被置1用作計數器功能。
|
表5-7 TMOD--定時器方式控制寄存器M1/M0工作模式
|
M1 |
M0 |
工作模式 |
描述 |
|
0 |
0 |
0 |
兼容8048單片機的13位定時器，THn的8位和TLn的5位組成一個13位定時器 |
|
0 |
1 |
1 |
THn和TLn組成一個16位的定時器 |
|
1 |
0 |
2 |
8位自動重裝模式，定時器溢出后THn重裝到TLn中 |
|
1 |
1 |
3 |
禁用定時器1，定時器0變成2個8位定時器 |
以上這4種模式的配置，其中模式0是為了兼容老的8048單片機而設的，現在的51幾乎不會用到這種模式，而模式3根據我的應用經驗，他的功能模式2完全可以取代，所以基本上也是不用，那么我們重點就學習模式1和模式2。
模式1就是THn和TLn組成了一個16位的定時器，取值范圍是0到65535，溢出后，只要不對THn和TLn重新賦值，則從0開始計數。模式2的功能是自動裝載，就是TLn溢出后，TFn就直接置1了，并且THn的值直接賦給TLn，然后TLn從新賦值的這個數字開始計數。這個功能可以用來產生串口的通信波特率，我們講串口的時候要用到，本章節我們重點來學習模式1。為了加深大家理解這個定時器原理，我們來看一下他的模式1的電路示意圖5-1。
圖5-1 定時器/計數器模式1示意圖
我帶著大家來分析一下這個示意圖，后邊如果手冊中遇到，大家也就會自己研究了。OSC框表示時鐘頻率，因為我們1個機器周期等于12個時鐘周期，所以那個d就等于12。下邊GATA右邊的那個門是一個非門電路，再右側是一個或門，再往右是一個與門電路，大家可以對照一下5-1節的內容。
圖上可以看出來，下邊部分電路是控制了上邊部分，那我們先來看下邊是如何控制的，我們以定時器0為例。
1、TR0和下邊或門電路的結果要進行與門運算，TR0如果是0的話，與運算完了肯定是0，所以確定如果要讓定時器工作，TR0 = 1。
2、與門結果要想是1，那或門出來的信號必須也得是1才行。在GATE位為1的情況下，經過一個非門變成0，或門電路結果要想是1的話，那INT0即P3.2引腳必須是1的情況下，這個時候定時器才會工作，而INT0引腳是0的情況下，定時器不工作，這就是GATE位的作用。
3、當GATE位為0的時候，經過一個非門變成1，不管INT0引腳是什么電平，經過或門電路后則肯定是1，定時器就會工作。
4、要想讓定時器工作，就是加1，從圖上看有兩種方式，第一種方式是那個開關打到上邊的箭頭，就是C/T = 0的時候，一個機器周期TL就會加1一次，當開關打到下邊的箭頭，即C/T =1的時候，T0引腳即P3.4引腳來一個脈沖，TL就加1一次，這也就是計數器功能。
INT0引腳是P3.2，INT1引腳是P3.3，T0引腳是P3.4，T1引腳是P3.5，這個可以從我們KST-51開發板原理圖上看出來。
1.2.3 定時器程序應用
了解了定時器相關的寄存器，那么我們下面就來做一個定時器的程序，鞏固一下我們學到的內容。我們這節課的程序先使用定時器0，在使用定時器的時候，需要以下幾個步驟：
第一步：設置特殊功能寄存器TMOD，配置好工作模式；
第二步：設置計數寄存器TH0和TL0的初值；
第三步：設置TCON，通過打開TR0位來讓定時器開始計數。
第四步：判斷TCON寄存器的TF0位，監測定時器溢出情況。
寫程序之前，我們要先來學會計算如何用定時器定時時間。我們的晶振是11.0592M，時鐘周期就是1/11059200，機器周期就是12/11059200，我們假如要定時20ms，就是0.02秒，要經過x個機器周期得到0.02秒，我們來算一下x*12/11059200=0.02，得到x= 18432。那么我們現在16位的定時器溢出值是65536，我們可以這樣，先給TH0和TL0一個初值，讓他們經過18432個機器周期后剛好溢出，溢出后我們可以通過檢測TF0位得知，就剛好是0.02秒。這個初值y = 65536 - 18432 = 47104，轉成16進制就是0xB800，那么就是TH0 = 0xB8，TL0 = 0x00。
那0.02秒我們已經定時出來了，細心的同學會發現，我們如果初值直接給一個0x0000，一直到65536溢出，定時器定時值最大也就是71ms左右，那么我們想定時更長時間怎么辦呢？用你小學學過的邏輯，倍數關系就可以解決此問題。
那好了，我們下面就用程序來實現以下這個功能。
#include<reg52.h> //包含寄存器的庫文件
sbit LED = P0^0;
sbit ADDR0 = P1^0;
sbit ADDR1 = P1^1;
sbit ADDR2 = P1^2;
sbit ADDR3 = P1^3;
sbit ENLED = P1^4;
void main()
{
unsigned char counter = 0;
ENLED = 0; ADDR0 = 0; ADDR1 = 1;
ADDR2 = 1; ADDR3 = 1; LED = 1; //74HC138和LED燈初始化部分
TMOD = 0x01; //設置定時器0為模式1
TH0 = 0xB8;
TL0 = 0x00; //定時值初值
TR0 = 1; //打開定時器0
while(1)
{
if(1 == TF0) //判斷定時器0是否溢出
{
TF0 = 0;
TH0 = 0xB8; //一旦溢出后，重新賦值
TL0 = 0x00;
counter++;
if(50 == counter) //判斷定時器0溢出是否達到50次
{
counter = 0; //counter清0，重新計數
LED = !LED; //LED取反操作，0-->1，1-->0
}
}
}
}
程序都有注釋，不難理解，這里要解釋一個地方，就是兩次if判斷，細心的同學會發現，if(1 == TF0)這句，我把1寫前邊，這個地方我推薦新手按照我這樣來寫，因為如果我們寫if(TF0 == 1)，作為新手來說，不小心丟掉一個’=’號后，寫成if(TF0 = 1)，這樣實際上在語法上是可以通過的，我們用的Keil4還會出一個警告說明一下，Keil以前的版本以及一些其他軟件，可能根本不會出任何錯誤或者警告提示，但是這樣產生的Hex文件下載到單片機里邊，程序就錯了，大家可以改改試試看。
本程序實現的結果是我們板子上最右邊的小燈點亮持續一秒，熄滅持續一秒，也就是以0.5HZ的頻率進行閃爍。
1.3 數碼管學習
小燈是一種簡單的LED，給我們視覺效果只能通過亮和滅來表達簡單信息。而這節課我們要來學習一種表達更加明確的器件，數碼管。
1.3.1 數碼管的基本介紹
先給大家提供一張原理圖看一下，如圖5-1所示。
圖5-2 數碼管原理圖
這是比較常見的數碼管的原理圖，我們板子上一共有6只數碼管。前邊有了LED小燈的學習，數碼管學習就會輕松的多了。從圖5-1能看出來，數碼管共有a,b,c,d,e,f,g,dp這8個段，而實際上，這8個段每一段都是一個LED小燈，所以數碼管就是由8個LED小燈所組成的。我們看一下數碼管內部結構圖5-2。
圖5-3 數碼管結構圖
數碼管分為共陽數碼管和共陰數碼管，所謂的共陰數碼管就是8只LED小燈的陰極是接在一起的，也就是陰極是公共端，由陽極來控制小燈是否亮滅。同理，共陽數碼管就是陽極是接到一起的，大家可以仔細研究下圖5-2。細心的同學也會發現，數碼管上邊有2個com，實際上就是我們數碼管的公共端。為什么有2個，我個人認為，一方面有2個可以起到對稱的效果，剛好是10個引腳，另外一個方面，公共端通過的電流較大，我們初中就學過，并聯電路電流之和等于總電流，用2個com可以把公共電流平均到2個引腳上去，降低線路承受的電流。
從我們板子的電路圖上能看出來，我們所用的數碼管是共陽數碼管，如圖5-3所示。
圖5-4 共陽數碼管電路
他們的com是接到了正極上，當然了，和LED小燈電路類似，也是由74HC138控制了三極管的導通來控制整個數碼管的電流，我們先來看DS1這個數碼管。原理圖上可以看出來，控制DS1的三極管是Q17，控制Q17的引腳是LEDS0，對應到74HC138上邊就是Y0端的輸出。
圖5-5 74HC138控制圖
我們現在的目的是讓LEDS0這個引腳輸出低電平，相信大家現在可以獨立根據前邊學到的內容把ADDR0，ADDR1，ADDR2，ADDR3，ENLED這4個輸入狀態寫出來，現在大家不要偷懶，都去根據138的手冊去寫一下，不需要你記住這些結論，但是遇到就寫一次，鍛煉過幾次后，遇到同類芯片自己就知道如何去解決問題了。
數碼管通常是用來顯示數字的，我們板子上的6個數碼管，習慣上我們稱之為6位，那控制位選擇的就是74HC138了。而數碼管內部的8個LED小燈我們稱之為數碼管的段，那么數碼管的段選擇（即該段的亮滅）是通過P0口控制，經過74HC245驅動。
1.3.2 數碼管的真值表
數碼管的8個段，我們直接當成8個LED小燈來控制，那就是a、b、c、d、e、f、g、dp一共8個LED小燈。我們通過圖5-1可以輕而易舉的看出來，如果我們點亮b和c這兩個LED小燈，也就是數碼管的b段和c段，其他的所有的段都熄滅的話，就可以讓數碼管DS1顯示一個數字1，那么這個時候實際上P0的值的二進制就是0b11111001，十六進制就是0xF9。也有可以自動生成數碼管段位碼的軟件可以從http://www.zg4o1577.cn/mcudown/ 下載文件名是"數碼管段位設碼程序.rar"，那么我們寫一個程序進去，看看讓數碼管顯示一下看看。
#include<reg52.h> //包含寄存器的庫文件
sbit ADDR0 = P1^0;
sbit ADDR1 = P1^1;
sbit ADDR2 = P1^2;
sbit ADDR3 = P1^3;
sbit ENLED = P1^4;
void main()
{
unsigned char j = 0;
unsigned int i = 0;
ENLED = 0;
ADDR0 = 0;
ADDR1 = 0;
ADDR2 = 0;
ADDR3 = 1; //74HC138開啟三極管Q17
while(1) //程序死循環
{
P0 = 0xF9; //打開數碼管b和c段
}
}
大家把這個程序編譯一下，下載到單片機里會發現，最右側的數碼管成功顯示1這個數字。
同樣的方法，我們可以把其他的數字都成功的在數碼管上顯示出來，而數碼管顯示的數字對應給P0的賦值，我們叫做數碼管的真值表。我們來列一下我們這個電路圖的數碼管真值表，注意，這個真值表里顯示的數字都不帶小數點。
表5-1 數碼管真值表
|
數字 |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
真值表 |
0xC0 |
0xF9 |
0xA4 |
0xB0 |
0x99 |
0x92 |
0x82 |
0xF8 |
|
數字 |
8 |
9 |
A |
B |
C |
D |
E |
F |
|
真值表 |
0x80 |
0x90 |
0x88 |
0x83 |
0xC6 |
0xA1 |
0x86 |
0x8E |
大家可以把上邊那個數碼管顯示1的那個程序中的P0的賦值隨便修改成我們表5-1中的真值表里的數字試試看，把數碼管顯示的數字顯示出來。
1.3.3 數碼管的靜態顯示
從第三課我們學習74HC138以后，我們了解到74HC138同時一次只能讓一個輸出口為低電平，也就是在一個時刻內，我們只能讓一個數碼管顯示，始終選通數碼管并且可以根據我們的P0總線的信號來改變這個數碼管的值，我們可以理解為數碼管的靜態顯示。
數碼管靜態顯示是對應動態顯示而言的，靜態顯示對于一兩個數碼管還行，多個數碼管，靜態顯示實現的意義就沒有了。這節課我們先用一個數碼管的靜態顯示來實現一個簡單的秒表，為下節課的動態顯示打下基礎。
先來介紹一個51單片機的關鍵字code。我們前邊課程定義變量的時候，一般用到unsigned char或者unsigned int這兩個關鍵字，這樣定義的變量都是放在我們的單片機的RAM中，我們在程序中可以隨意去改變這個變量的值。但是還有一種常數，我們在程序中要使用，但是卻不進行對這個值的改變，這種值我們可以加一個code關鍵字修飾一下，修飾完畢后，這個值就會存儲到我們的程序空間flash中，這樣可以大大節省我們單片機的RAM的使用量，畢竟我們的RAM空間比較小，而程序空間是很大的。比如我們現在要使用的數碼管真值表，我們來看一下我們下邊的這個程序。
#include<reg52.h> //包含寄存器的庫文件
sbit LED = P0^0;
sbit ADDR0 = P1^0;
sbit ADDR1 = P1^1;
sbit ADDR2 = P1^2;
sbit ADDR3 = P1^3;
sbit ENLED = P1^4;
unsigned char code LedChar[] = {
0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,
0x80,0x90,0x88,0x83,0xC6,0xA1,0x86,0x8e
}; //用數組來存儲數碼管真值表，下一課詳細介紹數組
void main()
{
unsigned char counter = 0;
unsigned char j = 0;
ENLED = 0; ADDR0 = 0; ADDR1 = 0;
ADDR2 = 0; ADDR3 = 1; P0 = 0XFF; //74HC138和P0初始化部分
TMOD = 0x01; //設置定時器0為模式1
TH0 = 0xB8;
TL0 = 0x00; //定時值初值
TR0 = 1; //打開定時器0
while(1)
{
if(1 == TF0) //判斷定時器0是否溢出
{
TF0 = 0;
TH0 = 0xB8; //溢出后，重新賦值
TL0 = 0x00;
counter++;
if(50 == counter) //判斷定時器0溢出是否達到50次
{
counter = 0; //counter清0，重新計數
P0 = LedChar[j++]; //把數組里的對應值送給P0
if(16 == j) //當顯示到F后，歸0重新開始
{
j = 0;
}
}
}
}
}
1.4 作業
1、熟練掌握單片機定時器的原理和應用方法。
2、通過研究定時器模式1的示意圖，自己打開STC89C52RC數據手冊的定時器部分，獨立研究模式0、模式2和模式3的示意圖，鍛煉一下研究示意圖的能力。
3、使用定時器來做流水燈的左右移動以及花樣變化的跑馬燈。
4、了解數碼管的原理，掌握數碼管的真值表的計算方法。
5、編程實現數碼管靜態顯示秒表的倒計時。
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