“好记性不如烂笔头”，读书笔记系列是为了记录自己的读书心得，文章内容一部分是摘抄原文，一部分是自己的理解和总结

本篇文章记录的是，来自郭天祥老师的《十天学会51单片机》视频课

一、写在前面

前段时间我在网上买了块 51 单片机开发板

接下来的两周，我每天下班回到家的第一件事就是，跟着郭天祥老师的《十天学会51单片机》视频鼓捣一会儿，那阵子在我们家天天都能听到蜂鸣器滴滴滴~滴滴滴的声音

我当时买开发版的初衷是想了解：单片机是如何执行代码的？

了解单片机的执行过程，对下一阶段（操作系统）的学习有很大的帮助。因为操作系统最重要的任务之一，就是管理 CPU 执行多任务

但是，直到我能控制8位数码管显示数字以后，我才意识到，哦~ 原来这是偏实践类的课程，理论知识讲的比较少，这和我原定的目标相差甚远。

于是，后续课程的串口、液晶屏啥的我就没有继续学了，在网上查了单片机原理作为本节课的补充。

本篇文章共包含两部分内容：

• 一是课程简介，介绍郭天祥老师的《十天学会51单片机》每小讲的课程内容
• 二是课程总结，主要是想聊聊我个人非常疑惑的一个问题，单片机是如何执行代码的？

接下来，我们先跟随郭天祥老师的脚步，一起来学习怎么控制单片机上的硬件

二、十天学会51单片机

郭天祥老师的《十天学会51单片机》课程一共有13讲，每一讲的内容都是基于配套的 TX-1C 开发板展开

因此，在介绍课程内容之前，我们有必要先来了解 TX-1C 开发板的构成

图片来源：拼夕夕卖家详情页

如图，从左到右分别是发光二极管、1602液晶屏接口和六位数码管，整块开发版的学习要点如下：

• 了解最小系统必要条件：电源、晶振、复位电路
• 控制任意I/O口：输出控制电平高低、输入检测电平高低
• 掌握定时器的用法
• 掌握外部中断、定时器中断、串口中断
• 串口通信：单片机与单片机、单片机与计算机通信

课程内容大致是这些，从目录来看还是比较简单的。当我们具备控制这些简单设备的能力以后，其他复杂的功能原理上也都差不多

好，接下来我们开始上课

点亮一个发光管

课程第一讲，老师先进行个人介绍，然后讲了单片机的发展史，以及介绍单片机能做什么？

在课程结尾，老师带领我们点亮了一个发光二极管

点亮代码过于简单，我当时顺手把剩下的7个发光二极管一起点亮了，还做了一个流水灯的效果出来，代码如下：

#include <reg52.h>

sbit led1 = P1^0;
...// 中间还有 6 个灯，忽略重复代码
sbit led8 = P1^7;

unsigned int index = 0; //轮到第几个 LED 灯
unsigned int toggle = 1; // 1 表示开灯 0 表示关灯 

void main(){
    while(1){
	perform_once();// 控制发光二极管亮灭
	delay();// 休眠一段时间，代码实现省略
    }
}

void perform_once(){
    if(index>=8){ // 让每个发光二极管，一轮亮，一轮灭
	index = 0;
	toggle = toggle == 1 ? 0 : 1;
    }

    switch(index){
	case 0:led1 = toggle;
	...
	case 8:led8 = toggle;
    }
    index++; // 控制下一个发光二极管
}

编写完上述代码以后，我们在 Kiel 中将 c 文件编译打包成 .hex 文件

再通过 STC_ISP 软件烧录到开发板中，将板子重新上电就可以看到代码运行效果了

图片来源：自己拍的

控制蜂鸣器发声

第二讲老师教了我们怎么控制蜂鸣器发声

不过，在学习蜂鸣器之前，老师先接着上节课的内容，带我们一起实现了发光二极管的流水灯效果

唉嘿，流水灯效果我在上节课就搞定了，我可真是个懂得未雨绸缪挖地道的好孩子，骄傲

讲完流水灯的实现，老师才教了我们怎么去控制蜂鸣器，再往后就是蜂鸣器发声实战了，代码也很简单

#include <reg52.h>

sbit beep = P2^3; //蜂鸣器

void main(){
    while(1){
	perform_once();// 让蜂鸣器配合发光二极管，滴滴滴~
	delay();// 休眠一段时间
    }
}

void perform_once(){
    if(index>=8){ 
	index = 0;
	toggle = toggle == 1 ? 0 : 1;
    }
	
    beep = toggle;

}

我这儿偷了个懒，直接在原先控制发光二极管的基础上，增加了控制蜂鸣器的逻辑。让蜂鸣器当背景音乐，配合发光二极管流水灯一起发声

编写完上述代码以后，我们在 Kiel 中将 c 文件编译打包成 .hex 文件

再通过 STC_ISP 软件烧录到开发板中，将板子重新上电就可以看到代码运行效果了

图片来源：自己拍的

数码管、中断原理和定时器

第三讲的内容比较多，有中断、定时器的原理，还有数码管的控制显示，其中数码管的 ‘段选’ 和 ‘位选’ 让我反应了好一会才理解

接下来又是动手实践环节

我在之前的代码基础上加了数码管的显示逻辑，另外还单独写了一个检测外部中断的程序，这两段代码都比较长我就不放出来了，直接来看效果

图片来源：自己拍的

在后面的4 ~ 13讲的课程中，老师还教了：独立键盘、矩阵键盘的控制，串口通信，1602液晶屏显示，I2C总线等内容

不过这几节课的视频我全部开2倍速看完的，视频中的代码我也没有动手实践

开倍速和没有写代码是因为，在上完 1~3 讲以后，我已经学会了：

1. 如何控制输出电平进而控制发光二极管、蜂鸣器
2. 如何检测输入电平
3. 如何使用中断、定时器

虽然东西不多，但学习目的已经达到了，再学会控制后面的几个元器件，对我来说意义不是很大

对剩下课程感兴趣的朋友，可以查看参考资料一栏中 “十天学会51单片机教程”

好了，课程简介部分到这里就先结束了

接下来的时间，我们来聊聊本篇文章中，我最感兴趣的话题：单片机是如何执行代码的？

三、单片机是如何执行代码的？

在之前几节课的实践过程中，不知道大家有没有注意到一个规律

我们每次写完代码，都需要先用 Kiel 软件，将 c 文件编译成 .hex 文件

再通过 STC_ISP 软件烧录到开发板中，然后板子重新上电，我们就能看到新代码运行的效果了

为什么简单操作几步就可以让单片机运行我们的新代码呢？

我们把前后流程捋一下，可以发现上述的操作流程，大致可以分为：编码、编译、烧录、运行这四个阶段

想要了解单片机是怎么运行的，我们就需要知道，这几个阶段各自都做了哪些事情？

我们先来看第一步，编码阶段

编码阶段

编码阶段指的是把我们人类的想法，转换为编程语言来实现

比如我想让板子上的第一个发光二极管亮起来，用代码实现的话可以这样写：

#include <reg52.h>

sbit led1 = P1^0;

void main(){
    led1 = 0;
}

核心代码就一句话：‘led1 = 0‘ ，非常的简单

编译阶段

当我们的需求（点亮第一个二极管）用编程语言实现了以后，接下来就是要把这段逻辑代码，翻译给单片机去执行

怎么翻译呢？

这就是编译器做的事情，大致流程是，先把源代码进行语法解析，然后再转化为各个平台的机器代码

具体到 51 单片机，Kiel 集成了编译器的功能，我们写完代码后，将工程的目标指令集设置为 MCS-51，然后就可以一键打包成 .hex 可执行文件，等待下一阶段烧录到单片机

这里有两个比较关键的点，什么是指令集，以及什么是 hex 文件？

我们先来看第一点，什么是指令集？

1、什么是指令集

我们都知道，芯片是由无数个功能不同的电路组合而来，而电路又只能通过开关来控制

那么，芯片厂商就需要告诉其他人，应该通过什么样的开关组合规则，才来控制这个芯片上不同的电路

控制芯片的规则，就被称为指令集。

比如，51单片机使用的是 MCS-51 指令集，这套指令集包含了：数据传送、位操作、逻辑运算及转移、算术运算、控制转移5个大类，共计111条指令

每条指令都是 0101010 这样的 01 组合，一条指令有多少位0和1，要看具体用什么指令

在51单片机的111条指令中，1字节指令共有49条，2字节指令共有45条，3字节指令共有17条

详细的指令集可以查看参考资料

2、什么是 hex 文件

至于 Kiel 打包生成的 .hex 文件，我们可以用文本编辑器打开看看

图片来源：课程视频截图

其实 hex 文件已经是编译过后得到的二进制组合了，里面的内容就是我们用 C51 写的业务代码，不过是被转换为一行行0和1，我们看不懂罢了

至于为什么显示的是十六进制，这是因为文本编辑器是以四个二进制当作一个单位读的，烧录到单片机还是以二进制来执行的

烧录阶段

在上一步的编译阶段，所有需要执行的指令都已经准备好，保存在 .hex 文件中

接下来，我们只需要使用 STC-ISP 软件，把这些二进制数据，传输给单片机的存储单元（EEPROM）就完事了

烧录的过程和原理我也不是很清楚，我个人是这样理解的，单片机存储单元是由许多电池组成的。烧录电路在碰到 0 时，就对电池放电；碰到 1 时，就对电池充电

对烧录原理感兴趣的朋友可以查看参考资料列出的，STC 51单片机烧录协议分析 和 单片机为什么能直接烧录程序？这两篇文章

运行阶段

好，经过上一步的烧录后，现在单片机的 ROM 存储了是无数个高低电平，等待被执行

接着，我们按下开发板的电源键，板子上电， PC 寄存器电路默认指向 0000H 地址，通过传输电路，寻址寄存器得到第一条指令地址

然后，寻址寄存器从 ROM 取出第一条指令，传输给指令编码器解析

51的指令类型前面提过了，一共分为5大类：

1. 数据传送：内部 RAM 或寄存器之间的数据传送、累加器A与外部 RAM 间的数据传送等等
2. 位操作：位状态控制、位条件转移等等
3. 逻辑预算及转移：与、或、亦或、循环移位、累加器清零等等
4. 算术运算：带/不带进位的加法、带借位的加法、加1剪1、乘除等等
5. 控制转移：子程序调用与返回、空操作、条件转移等等

指令编码器根据指令类型，调用不同的电路来执行任务。一条指令执行结束后，再次重复上述流程，根据 PC 寄存器指向的下一条指令地址，继续取指执行，永不停歇..

至此，编码、编译、烧录、运行这四个阶段我们都已经分析完成，单片机的运行流程到这里就讲完了。

四、结语

在文章的结尾，我们来对本文的两部分内容做个总结

先说《十天学会51单片机》视频课程

对于我不熟悉的领域，我的期望通常是讲的越简单，越入门越好

这一点我觉得《十天学会51单片机》这节课做到了，老师讲的非常好，简单易懂，并且只需要有一点点语言基础就可以直接上手

但是，课程内容对单片机内部电路介绍的比较少，如果没有模电、数电、计组的基础，全部跟下来可能会觉得有点吃力

总的来说，郭天祥老师的《十天学会51单片机》课程，更适合已经有理论基础的科班学生上手实践

如果像我一样，妄想通过这门课来学习《微机原理及接口技术》的同学，可以放弃了，老老实实看书吧

再来看第二个部分，单片机是怎么执行代码的？

我们把单片机的运行流程分为编码、编译、烧录、运行四个阶段，每个阶段做的事情在正文里都已经分析过了，我们这里再简单总结一下：

• 编码阶段，将业务逻辑解释成代码实现
• 编译阶段，将代码解释成目标平台的机器语言，也就是 01 组合
• 烧录阶段，把编译结果的 01 组合，传输到机器的存储单元，每个 01 都被存储为高低电平。此阶段是’虚拟世界’转向’物理世界’的转折点
• 运行阶段，接下来的事情全部发生在物理电路层面上。在振荡器电路的驱动下，芯片开始取指、译指、执行，根据执行结果，或修改寄存器改变时序电路逻辑，或刷新主存等其他操作，然后继续取指、译指、执行，无限循环，直到断电

好了，本篇文章到这里就全部结束了。各位大佬如果发现本文有写的不对的地方，还望及时指出，我会第一时间改正，感谢

全文完

五、参考资料

• 十天学会51单片机视频（郭天祥高清完整版）- 小破站
• MCS-51 汇编语言指令集
• 51单片机（一）单片机发展概述 – 果果小师弟
• 51单片机（二）单片机结构和原理 – 果果小师弟
• 51单片机（三）80C51的指令系统 – 果果小师弟
• 51单片机（四）80C51的程序设计 – 果果小师弟
• 单片机为什么能直接烧录程序？- 知乎
• 既生Bin 何生Hex ？- 光豆儿
• STC 51单片机烧录协议分析 – 电型金刚
• 基于51单片机的多线程操作系统设计 – 卖水果的
• 宏晶 STC89C52RC 微控制器实用笔记 – Hank
• 51单片机运行过程 – 清酒与水