第1章 8051单片机与Keil Cx51基础

1.1 8051单片机的存储器组织结构

8051单片机最早由Intel公司推出，它在一块超大规模集成电路芯片上同时集成了CPU、ROM、RAM以及TIMER/COUNTER，使用者只需外接少量的接口电路就可组成自己的专用微处理器系统。目前，市场上8051单片机的硬件支持芯片及软件应用程序的种类十分丰富，除了Intel公司之外，还有Philips、Siemens、ADM、Fujutsu、OKI、ATMEL等公司都推出了以8051为核心的单片机。新一代的8051单片机集成度更高，在片内集成了更多的功能部件，如A/D、PWM、PCA、WDT以及高速I/O口等，在工业测量控制领域内得到极为广泛的应用，因此，有人指出8051单片机已成为事实上的工业标准。目前已有多个厂家生产不同型号的8051单片机，它们各有特点，但其基本内核相同，指令系统也完全兼容。

图1.1所示为8051基本内核的结构框图，包括：

● 中央处理器CPU，用于执行各种指令和运算处理；

● 内部数据存储器RAM，用于存放可以读写的数据；

● 内部程序存储器ROM，用于存放程序指令或某些常数表格；

● 4个8位的并行I/O接口P0、P1、P2和P3（每个接口都可以用做输入或者输出）；

● 2个定时器/计数器，用做外部事件计数器或内部定时；

● 中断系统具有5个中断源（2个外部中断、2个定时器中断、1个串行口中断，采用2个优先级的嵌套中断结构，可实现二级中断服务程序嵌套，每一个中断源都可用软件程序规定为高优先级中断或低优先级中断）；

● 1个串行接口电路（用做异步接收发送器）；

● 内部时钟电路（晶体和微调电容需要外接，振荡频率可以高达40MHz）。

以上各部分通过内部总线相连接。在很多情况下，单片机还要和外部设备或外部存储器相连接，连接方式采用三总线（地址、数据、控制）方式，但在8051单片机中，没有单独的地址总线和数据总线，而是与并行I/O口中的P0口及P2口公用的，进行外部扩展时，P0口分别作为低8位地址线和8位数据线，P2口则作为高8位地址线用，所以也是16条地址线和8条数据线。但是读者一定要建立一个明确的概念，单片机进行外部扩展的地址线和数据线都不是独立的总线，而是与并行I/O口公用的，这是8051单片机结构上的一个特点。

对于采用高级语言Keil Cx51的用户来说，了解和熟悉8051单片机的存储器组织结构是十分必要的，这样在具体编程时可以合理安排各种变量，最大限度实现代码优化。从使用者的角度看，8051单片机有如下3个存储器空间。

程序存储器ROM 对于普通8051单片机，程序存储器ROM空间大小为64KB，用于存放程序代码和一些表格常数，称为CODE空间。普通8051可采用“代码分组”（CODE BANK）设计技术，将ROM空间扩展到32×64KB，新型Philips 80C51Mx单片机的ROM空间最大可扩展到16 MB，称为ECODE和HCONST空间。8051单片机专门提供一个引脚“EA”来区分片内ROM和片外ROM，EA引脚接高电平时，单片机从片内ROM中读取指令，当指令地址超过片内ROM空间范围后，就自动地转向片外ROM读取指令；EA引脚接低电平时，所有的取指操作均对片外ROM进行。程序存储器的某些地址单元是保留给系统使用的：0000H～0002H单元是所有执行程序的入口地址，复位后CPU总是从0000H地址开始执行程序；0003H～002BH单元均匀地分为5段，用于5个中断服务程序的入口，产生某个中断时，将自动进入其对应入口地址开始执行中断服务程序，一些新型8051单片机增加了更多的中断源，它们的中断入口地址也相应增加。

片内数据存储器RAM 对于普通8051单片机，片内数据存储器RAM空间最大为256 B，用于存放程序执行过程的各种变量及临时数据。片内RAM的低128个字节可用直接寻址方式进行访问，也可用间接寻址方式访问，称为DATA区。其中，00H～1FH地址范围平均分为4组，每组都有8个工作寄存器R0～R7，称为工作寄存器区（Register Banks）。20H～2FH地址范围中，每个存储器单元的每一位都可以用位处理指令直接操作，该段地址范围称为位寻址区（BDATA区），其中每一位称为一个bit。对于51子系列单片机仅有上述低128个字节，对于52子系列单片机，增加了高128个字节的片内RAM，地址范围为80H～FFH，该范围只能采用间接寻址方式访问，整个片内RAM地址范围00H～FFH称为IDATA区。与IDATA空间高128个字节（地址范围80H～FFH）重叠部分称为特殊功能寄存器区（SFR SPACE），有些特殊功能寄存器是可以位寻址的，其可寻址位称为sbit。Philips公司推出的新型单片机80C51Mx，其片内RAM最大可扩充到64 KB，称为EDATA区。

片外数据存储器RAM 对于普通8051单片机，片外数据存储器RAM空间大小为64 KB，称为XDATA区。在XDATA空间内进行分页寻址操作时，称为PDATA区。有些新型80C51单片机的扩充片内RAM，需要用专门的特殊功能寄存器“映像”（MAP）到XDATA地址空间；还有一些新型80C51单片机可以将片外RAM最大扩展到16 MB，称为HDATA区。

图1.2所示为普通8051单片机的存储器组织结构，其中，各部分空间说明及地址范围见表1-1。

图1.3所示为新型80C51单片机的扩展存储器组织结构，其中各部分空间说明及地址范围见表1-2。

图1.4所示为Philips 80C51Mx单片机的存储器组织结构，其中各部分空间说明及地址范围见表1-3。

1.2 Keil Cx51开发工具

C语言是一种通用的计算机程序设计语言，在国际上十分流行，它既可用来编写计算机的系统程序，也可用来编写一般的应用程序。以前计算机的系统软件主要是用汇编语言编写的，对于单片机应用系统来说更是如此。由于汇编语言程序的可读性和可移植性都较差，采用汇编语言编写单片机应用程序的周期长，而且调试和排错也比较困难。为了提高编制单片机应用程序的效率，改善程序的可读性和可移植性，采用高级语言无疑是一种最好的选择。

C语言既具有一般高级语言的特点，又能直接对计算机的硬件进行操作，表达和运算能力也较强，许多以前只能采用汇编语言来解决的问题现在都可以改用C语言来解决。德国Keil Software公司多年来致力于单片机C语言编译器的研究，该公司开发的Keil Cx51是一种专为8051单片机设计的高效率C语言编译器，符合ANSI标准，生成的程序代码运行速度极高，所需要的存储器空间极小，完全可以和汇编语言相媲美。

Keil公司目前已经推出了V7.0以上版本的Cx51编译器，为8051单片机软件开发提供了全新的C语言环境，同时保留了汇编代码高效、快速的特点。Cx51已被完全集成到一个功能强大的全新集成开发环境μVision2中，其中包括项目（Project）管理器、Cx51编译器、Ax51宏汇编器、BL51/Lx51连接定位器、RTX51实时操作系统、Simulator软件模拟器以及Monitor51硬件目标调试器，所有这些功能均可在μVision2提供的单一而灵活的开发环境中极为简便地进行操作。

μVision2提供了强大的项目管理功能，可以十分方便地进行结构化多模块程序设计。μVision2内部集成源级浏览器（Browser）利用符号数据库中详细的符号信息，使用户可以快速浏览源文件，并优化用户的变量数据存储器。

μVision2内部集成器件数据库（Device Database）储存了多种不同型号单片机的片上资源信息，通过它可以自动设置Cx51编译器、Ax51宏汇编器、BL51/Lx51连接定位器及调试器的默认选项，充分满足用户利用特定单片机片上集成外围功能的要求。

μVision2内部集成源程序编辑器允许用户在编辑源程序文件时（甚至在未经编译和汇编之前）设置程序调试断点，便于在程序调试过程中快速检查和修改程序。

μVision2提供文件查找功能，能对单一文件或全部项目文件进行指定搜索。此外还提供了用户工具菜单接口，允许在μVision2中直接启动用户功能。

μVision2支持软件模拟仿真（Simulator）和用户目标板调试（Monitor51）两种工作方式，在软件模拟仿真方式下不需要任何8051单片机硬件即可完成用户程序仿真调试，极大地提高了用户程序开发效率，在用户目标板调试方式下，利用硬件目标板中的监控程序可以直接调试目标硬件系统，使用户可以节省购买昂贵硬件仿真器的费用。

1.3 Cx51简单编程与调试

采用Keil Cx51开发8051单片机应用程序一般需要以下步骤。

① 在μVision2集成开发环境中创建一个新项目（Project），并为该项目选定合适的单片机CPU器件。

② 利用μVision2的文件编辑器编写C语言（或汇编语言）源程序文件，并将文件添加到项目中去。一个项目可以包含多个文件，除源程序文件外还可以有库文件或文本说明文件。

③ 通过μVision2的各种选项，配置Cx51编译器、Ax51宏汇编器、BL51/Lx51连接定位器以及Debug调试器的功能。

④ 利用μVision2的构造（Build）功能对项目中的源程序文件进行编译连接，生成绝对目标代码和可选的HEX文件，如果出现编译连接错误则返回到第②步，修改源程序中的错误后重新构造整个项目。

⑤ 将没有错误的绝对目标代码装入μVision2调试器进行仿真调试，调试成功后将HEX文件写入到单片机应用系统的EPROM中。

下面通过一个简单实例进行说明这几个步骤。启动μVision2后，单击“Project/New Project”菜单选项，在弹出的对话框窗口中输入项目文件名max，并选择合适的保存路径（通常为每个项目建一个单独的文件夹），单击“保存”按钮，这样就创建了一个文件名为max.uv2的新项目文件，如图1.5所示。

项目名保存完毕后将弹出如图1.6所示器件数据库对话框窗口，用于为新建项目选择一个CPU器件（窗口的Description栏对不同公司生产的8051CPU器件做了必要说明），根据需要选择CPU器件（例如Atmel公司的AT89C51），选定后μVision2将按所选器件自动设置默认的工具选项，从而简化了项目的配置过程。

创建一个新项目后，项目中会自动包含一个默认的目标（Target 1）和文件组（Source Group 1）。用户可以给项目添加其他文件组（Group）以及文件组中的的源文件，这对于模块化编程特别有用。项目中的目标名、组名以及文件名都显示在μVision2的项目窗口“Files”标签页中。接下来要给项目添加源程序文件，源文件可以是已有的，也可以是新建的。新建源文件时单击菜单“File /New”，在打开的编辑窗口中输入下例的C51源程序。

例：求两个输入数据中的较大者。

# include<stdio.h>                      /* 预处理命令 */
# include<reg51.h>
char max (char x ,  char y) {           /* 定义max函数，x、y为形式参数*/
        if ( x > y )  return (x);       /* 将计算得到的最大值返回到调用处*/
        else  return(y) ;
    }                                   /* max函数结束 */
main() {                                /* 主函数 */
        char a, A, c;                   /* 主函数的内部变量类型说明 */
        SCON=0x52;                      /* 8051单片机串行口初始化 */
        TMOD=0x20;
        TCON=0x69;
        TH1=0x0F3;
        scanf ("%c  %c", &a, &A);       /* 输入变量a和b的值 */
        c= max (a,A);                   /* 调用max函数 */
        printf ( " \n max =%c \n ", c); /* 输出变量c的值 */
    }                                   /* 主程序结束 */

程序输入完成后，单击菜单“Files /Save As…”，如图1.7所示，将其另存为扩展名为.C的源程序文件，其存放的路径一般设为与项目文件相同。

μVision2具有十分完善的右键功能，将鼠标指向项目窗口的“Files”标签页中的“Source Group 1”文件组并单击右键，会弹出一个快捷菜单，如图1.8所示。

单击快捷菜单中的“Add Files to Group ‘Source Group 1’”选项，弹出如图1.9所示添加源文件选择窗口，选中刚才保存的源程序文件“max.c”，并单击“Add”按钮，将其添加到新创建的项目中去。

接下来根据需要配置Cx51编译器、Ax51宏汇编器、BL51/Lx51连接定位器以及Debug调试器的各项功能。单击菜单“Project/Options for Target”，弹出如图1.10所示窗口，这是一个十分重要的窗口，包括“Device”、“Target”、“Output”、“Listing”、“C51”、“A51”、“BL51 Locate”、“BL51 Misc”和“Debug”等多个选项标签页，其中许多选项可以直接用其默认值，必要时可进行适当调整。

图1.10所示为其中的“Target”标签页，用于设定目标硬件系统的时钟频率Xtal为24.0 MHz；C51编译器的存储器模式为Small（C51程序中局部变量位于片内数据存储器DATA空间）；程序存储器ROM空间设为Large（使用64KB程序存储器）；不采用实时操作系统；不采用代码分组设计。

图1.11所示为“Output”标签页，用于设定当前项目在编译连接之后生成的执行代码输出文件。输出文件名默认为与项目文件同名（也可以指定其他文件名），存放在当前项目文件所在的目录中，也可以单击“Select Folder For Objects”来指定存放输出文件的目录路径。

● 选中“Create Executable”表示项目编译连接后生成执行代码输出文件。

● 选中复选框“Debug Information”将在输出文件中包含进行源程序调试的符号信息。

● 选中复选框“Browse Information”将在输出文件中包含源程序浏览信息。

● 选中复选框“Create HEX File”表示当前项目编译连接完成之后生成一个用于EPROM编程的HEX文件。

● 在“After Make”栏中选中复选框“Beep When Complete”和复选框“Start Debugging”表示编译连接完成之后计算机将发出一声提示音，并立即进入调试状态。

图1.12所示为“C51”标签页，用于设定当前项目对Cx51编译器的控制命令选项。“Preprocessor Symbols”栏用于定义Cx51预处理器符号，定义符号后一般要在源程序中增加相应的“ifdef”、“ifndef”、“endif”等预处理器命令。

●“Code Optimization”栏用于设定Cx51编译器的优化级别，需要注意的是优化级别并非越高越好，应根据具体要求适当选择，关于Cx51编译器优化级别的详细描述请参阅本书第9章。

●“Warning”栏用于选择编译时给出警告信息的详细程度，编号越大越详细。

●“Include Paths”栏用于指定用户规定的包含文件路径，可以手工指定路径，也可以通过该栏右边的“…”按钮来浏览选择路径。

●“Misc Controls”用于增加除了Cx51编译器默认选项之外的其他命令选项。

● 所有选定的编译命令选项都会显示在“Compiler control string”栏内。

图1.13所示为“BL51 Locate”标签页，用于设定当前项目对BL51连接定位器的命令选项。选中复选框“Use Memory Layout from Target Dialog”时，BL51连接定位器将按前面“Target”标签页中的设定对执行代码进行存储器地址空间定位，这也是BL51的默认选项。不选中该复选框则应在其他栏内填入希望的存储器地址空间范围值。关于BL51连接定位器对存储器地址空间处理的详细讨论请参阅本书第11章。

图1.14所示为“Options”选项中的“Debug”标签页，用于设定μVision2调试器的一些选项。在μVision2中可以对经编译连接所生成的执行代码进行两种仿真调试：软件模拟仿真调试和目标硬件仿真调试，前者不需要8051单片机硬件，仅在PC机上就可以完成对8051单片机各种片内资源的仿真，仿真结果可以通过μVision2的串行窗口、观察窗口、存储器窗口及其他一些窗口直接输出，其优点是不言而喻的，缺点是不能观察到实际硬件的动作。

Keil公司还提供了一种目标监控程序Monitor51，通过它可以实现μVision2与用户目标硬件系统相连接，进行目标硬件的在线仿真调试，这种方法可以立即观察到目标硬件的实际动作，特别有利于分析和排除各种硬件故障。通常可以先对用户程序进行软件模拟仿真，排除一般性错误，然后再进行目标硬件仿真调试。

进行软件模拟仿真时应选中“Debug”标签页中的“Use Simulator”圆形单选框，进行目标硬件仿真调试时则要选中“Use Keil Monitor-51 Driver”圆形单选框，为了便于读者进一步学习Keil Cx51应用编程，开发自己的单片机系统，本书作者设计了一种能直接与μVision2接口的“Keil Cx51源程序仿真硬件目标板”，其中预装了Keil公司提供的Monitor-51监控程序，可以实现与μVision2无缝连接，使用非常方便，节省用户购买昂贵硬件仿真器的费用，关于它的具体使用方法请参阅本书8.4节。

在该窗口所有的标签页中都有一个“Defaults”按钮，用于设定各种默认命令选项，初次使用时可以直接采用这些默认值，待熟悉之后再进一步采用其他选项。有关其他标签页的详细描述请参阅本书第7章。

完成上述关于编译、连接定位、仿真调试工具配置的基本选项设定之后，就可以对当前新建项目进行整体创建（Build target）。将鼠标指向项目窗口中的文件“max.c”并单击右键，从弹出的快捷菜单中单击“Build target”选项，如图1.15所示，μVision2将按“Options for Target”窗口内各种选项设置，自动完成对当前项目中所有源程序模块文件的编译连接，同时μVision2的输出窗口将显示编译连接提示信息，如图1.16所示，如果有编译连接错误，将鼠标指向窗口内的提示信息后双击，光标将自动跳到编辑窗口源程序文件发生错误的地方，以便于修改。如果没有编译连接错误则生成绝对目标代码文件。

编译连接完成后将μVision2转入仿真调试状态，在此状态下的“项目窗口”自动转到“Regs”标签页，显示调试过程中单片机内部工作寄存器R0～R7、累加器A、堆栈指针SP、数据指针DPTR、程序计数器PC以及程序状态字PSW等的值，如图1.17所示。

在仿真调试状态下单击“Debug/Go”菜单项，启动用户程序全速运行，再单击“View/Serial Window #1”选项，打开调试状态下μVision2的串行窗口1，用户程序中采用scanf()和printf()所进行的输入和输出操作，都是通过串行窗口1实现的，将鼠标指向该窗口并键入数字2和9，立即得到输出结果“max=9”，如图1.18所示。

μVision2调试器的仿真功能十分完善，除了全速运行之外还可以进行单步、设置断点、运行到光标指定位置等多种操作，调试过程中可随时观察局部变量以及用户设置的观察点状态、存储器状态、片内集成外围功能状态，通过调用信号函数或用户函数可实现其他多种仿真功能。关于μVision2调试器的详细介绍请参阅本书第7章。