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標題: 從單片機初學者邁向單片機工程師 [打印本頁]

作者: admin 時間: 2013-6-10 00:24
標題: 從單片機初學者邁向單片機工程師
  這個我從別處貼來51hei的。寫的非常的好。我們用學單片機不要停在演示的基礎上。只能讓單片機完成局部事。這樣我們永遠不會走出流水燈地獄！！！

學習單片機也已經有幾年了，藉此機會和大家聊一下我學習過程中的一些經歷和想法吧。也感謝一線工人提供了這個機會。
幾年前，和眾多初學者一樣，我接觸到了單片機，立刻被其神奇的功能所吸引，從此不能自拔。很多個日夜就這樣陪伴著它度過了。期間也遇到過非常多的問題，也一度被這些問題所困惑……等到回過頭來，看到自己曾經走過的路，唏噓不已。經常混跡于論壇里，也看到了很多初學者發的求助帖子，看到他們走在自己曾走過的彎路上，忽然想到了自己的那段日子，心里竟然莫名的沖動，凡此總總，我總是盡自己所能去回帖。很多時候，都想寫一點什么東西出來，希望對廣大的初學者有一點點幫助。但總是不知從何處寫起。今天借一線工人的臺，唱一唱我的戲。“賣弄”也好，“吹噓”也罷，我只是想認真的寫寫我這一路走來歷經的總總，把其中值得注意，以及經驗的地方寫出來，權當是我對自己的一個總結吧。而作為看官的你，如果看到了我的錯誤，還請一定指正，這樣對我以及其它讀者都有幫助，而至于你如果從中能夠收獲到些許，那便是我最大的欣慰了。姑妄言之，姑妄聽之。  一路學習過來的過程中，幫助最大之一無疑來自于網絡了。很多時候，通過網絡，我們都可以獲取到所需要的學習資料。但是，隨著我們學習的深入，我們會慢慢發現，網絡提供的東西是有限度的，好像大部分的資料都差不多，或者說是適合大部分的初學者所需，而當我們想更進一步提高時，卻發現能夠獲取到的資料越來越少，相信各位也會有同感，鋪天蓋地的單片機資料中大部分不是流水燈就是LED，液晶，而且也只是僅僅作功能性的演示。于是有些人選擇了放棄，或者是轉移到其他興趣上面去了，而只有少部分人選擇了繼續摸索下去，結合市面上的書籍，然后在網絡上鍥而不舍的搜集資料，再從牛人的只言片語中去體會，不斷動手實踐，慢慢的，也摸索出來了自己的一條路子。當然這個過程必然是艱辛的，而他學會了之后也不會在網絡上輕易分享自己的學習成果。如此惡性循環下去，也就不難理解為什么初級的學習資料滿天飛，而深入一點的學習資料卻很少的原因了。相較于其他領域，單片機技術的封鎖更加容易。盡管已經問世了很多年了，有價值的資料還是相當的欠缺，大部分的資料都是止于入門階段或者是簡單的演示實驗。但是在實際工程應用中卻是另外一回事。有能力的高手無暇或者是不愿公開自己的學習經驗。
很多時候，我也很困惑，看到國外愛好者毫不保留的在網絡上發布自己的作品，我忽然感覺到一絲絲的悲哀。也許，我們真的該轉變一下思路了，幫助別人，其實也是在幫助自己。啰啰嗦嗦的說了這么多，相信大家能夠明白說的是什么意思。在接下來的一段日子里，我將會結合電子工程師之家舉辦的主題周活動寫一點自己的想法。盡可能從實用的角度去講述。希望能夠幫助更多的初學者更上一層樓。而關于這個主題周的最大主題我想了這樣的一個名字“從單片機初學者邁向單片機工程師”。名字挺大挺響亮，給我的壓力也挺大的，但我會努力，爭取使這樣的一系列文章能夠帶給大家一點幫助，而不是看后大跌眼鏡。這樣的一系列文章主要的對象是初學者，以及想從初學者更進一步提高的讀者。而至于老手，以及那些牛XX的人，希望能夠給我們這些初學者更多的一些指點哈~@_@

我們首先來看第一章節

從這一章開始，我們開始邁入單片機的世界。在我們開始這一章具體的學習之前，有必要給大家先說明一下。在以后的系列文章中，我們將以51內核的單片機為載體，C語言為編程語言，開發環境為KEIL uv3。至于為什么選用C語言開發，好處不言而喻，開發速度快，效率高，代碼可復用率高，結構清晰，尤其是在大型的程序中，而且隨著編譯器的不斷升級，其編譯后的代碼大小與匯編語言的差距越來越小。而關于C語言和匯編之爭，就像那個啥，每隔一段時間總會有人挑起這個話題，如果你感興趣，可以到網上搜索相關的帖子自行閱讀。不是說匯編不重要，在很多對時序要求非常高的場合，需要利用匯編語言和C語言混合編程才能夠滿足系統的需求。在我們學習掌握C語言的同時，也還需要利用閑余的時間去學習了解匯編語言。

1.從點亮LED(發光二極管)開始
在市面上眾多的單片機學習資料中，最基礎的實驗無疑于點亮LED了，即控制單片機的I/O的電平的變化。
如同如下實例代碼一般

void main(void)
{
LedInit() ;
While(1)
{
      LED = ON ;
      DelayMs(500) ;
      LED = OFF ;
      DelayMs(500) ;
}
}

程序很簡單，從它的結構可以看出，LED先點亮500MS，然后熄滅500MS，如此循環下去，形成的效果就是LED以1HZ的頻率進行閃爍。下面讓我們分析上面的程序有沒有什么問題。
看來看出，好像很正常的啊，能有什么問題呢？這個時候我們應該換一個思路去想了。試想，整個程序除了控制LED = ON ； LED = OFF；這兩條語句外，其余的時間，全消耗在了DelayMs(500)這兩個函數上。而在實際應用系統中是沒有哪個系統只閃爍一只LED就其它什么事情都不做了的。因此，在這里我們要想辦法，把CPU解放出來，讓它不要白白浪費500MS的延時等待時間。寧可讓它一遍又一遍的掃描看有哪些任務需要執行，也不要讓它停留在某個地方空轉消耗CPU時間。

從上面我們可以總結出
(1) 無論什么時候我們都要以實際應用的角度去考慮程序的編寫。
(2) 無論什么時候都不要讓CPU白白浪費等待，尤其是延時(超過1MS)這樣的地方。

下面讓我們從另外一個角度來考慮如何點亮一顆LED。
先看看我們的硬件結構是什么樣子的。

我手上的單片機板子是電子工程師之家的開發的學習板。就以它的實際硬件連接圖來分析吧。如下圖所示

一般的LED的正常發光電流為10~20MA而低電流LED的工作電流在2mA以下（亮度與普通發光管相同）。在上圖中我們可知，當Q1~Q8引腳上面的電平為低電平時，LED發光。通過LED的電流約為（VCC - Vd）/ RA2 。其中Vd為LED導通后的壓降，約為1.7V左右。這個導通壓降根據LED顏色的不同，以及工作電流的大小的不同，會有一定的差別。下面一些參數是網上有人測出來的，供大家參考。
紅色的壓降為1.82-1.88V，電流5-8mA，
綠色的壓降為1.75-1.82V，電流3-5mA，
橙色的壓降為1.7-1.8V，電流3-5mA
蘭色的壓降為3.1-3.3V，電流8-10mA，
白色的壓降為3-3.2V，電流10-15mA，
(供電電壓5V，LED直徑為5mm)

74HC573真值表如下：

  通過這個真值表我們可以看出。當OutputEnable引腳接低電平的時候，并且LatchEnable引腳為高電平的時候，Q端電平與D端電平相同。結合我們的LED硬件連接圖可以知道LED_CS端為高電平時候，P0口電平的變化即Q端的電平的變化，進而引起LED的亮滅變化。由于單片機的驅動能力有限，在此，74HC573的主要作用就是起一個輸出驅動的作用。需要注意的是，通過74HC573的最大電流是有限制的，否則可能會燒壞74HC573這個芯片。


上面這個圖是從74HC573的DATASHEET中截取出來的，從上可以看出，每個引腳允許通過的最大電流為35mA 整個芯片允許通過的最大電流為75mA。在我們設計相應的驅動電路時候，這些參數是相當重要的，而且是最容易被初學者所忽略的地方。同時在設計的時候，要留出一定量的余量出來，不能說單個引腳允許通過的電流為35mA，你就設計為35mA，這個時候你應該把設計的上限值定在20mA左右才能保證能夠穩定的工作。
（設計相應驅動電路時候，應該仔細閱讀芯片的數據手冊，了解每個引腳的驅動能力，以及整個芯片的驅動能力）

了解了相應的硬件后，我們再來編寫驅動程序。
首先定義LED的接口
#define LED  P0
      然后為亮滅常數定義一個宏，由硬件連接圖可以，當P0輸出為低電平時候LED亮，P0輸出為高電平時，LED熄滅。
#define LED_ON() LED = 0x00  //所有LED亮
#define LED_OFF() LED = 0xff  //所有LED熄滅
下面到了重點了，究竟該如何釋放CPU，避免其做延時空等待這樣的事情呢。很簡單，我們為系統產生一個1MS的時標。假定LED需要亮500MS，熄滅500MS，那么我們可以對這個1MS的時標進行計數，當這個計數值達到500時候，清零該計數值，同時把LED的狀態改變。
unsigned int g_u16LedTimeCount = 0 ; //LED計數器
unsigned char g_u8LedState = 0 ;    //LED狀態標志, 0表示亮，1表示熄滅

void LedProcess(void)
{
if(0 == g_u8LedState)  //如果LED的狀態為亮，則點亮LED
{
      LED_ON() ;
}
else             //否則熄滅LED
{
      LED_OFF() ;
}
}

void LedStateChange(void)
{
if(g_bSystemTime1Ms)          //系統1MS時標到
  {
      g_bSystemTime1Ms = 0 ;
      g_u16LedTimeCount++ ;    //LED計數器加一
if(g_u16LedTimeCount >= 500)  //計數達到500,即500MS到了,改變LED的狀態。
{
         g_u16LedTimeCount = 0 ;
         g_u8LedState  = ! g_u8LedState ;
   }
}
}

上面有一個變量沒有提到，就是g_bSystemTime1Ms 。這個變量可以定義為位變量或者是其它變量，在我們的定時器中斷函數中對其置位，其它函數使用該變量后，應該對其復位(清0) 。
我們的主函數就可以寫成如下形式(示意代碼)
void main(void)
{
while(1)
{
      LedProcess() ;
      LedStateChange() ;
}
}

因為LED的亮或者滅依賴于LED狀態變量(g_u8LedState)的改變，而狀態變量的改變，又依賴于LED計數器的計數值(g_u16LedTimeCount ，只有計數值達到一定后，狀態變量才改變)所以，兩個函數都沒有堵塞CPU的地方。讓我們來從頭到尾分析一遍整個程序的流程。

程序首先執行LedProcess() ;函數
因為g_u8LedState 的初始值為0 (見定義，對于全局變量，在定義的時候最好給其一個確定的值)所以LED被點亮，然后退出LedStateChange()函數，執行下一個函數LedStateChange()
在函數LedStateChange()內部首先判斷1MS的系統時標是否到了，如果沒有到就直接退出函數，如果到了，就把時標清0以便下一個時標消息的到來，同時對LED計數器加一，然后再判斷LED計數器是否到達我們預先想要的值500，如果沒有，則退出函數，如果有，對計數器清0，以便下次重新計數，同時把LED狀態變量取反，然后退出函數。
由上面整個流程可以知道，CPU所做的事情，就是對一些計數器加一，然后根據條件改變狀態，再根據這個狀態來決定是否點亮LED。這些函數執行所花的時間都是相當短的，如果主程序中還有其它函數，則CPU會順次往下執行下去。對于其它的函數(如果有的話)也要采取同樣的措施，保證其不堵塞CPU，如果全部基于這種方法設計，那么對于不是非常龐大的系統，我們的系統依舊可以保證多個任務(多個函數)同時執行。系統的實時性得到了一定的保證，從宏觀上看來，就是多個任務并發執行。

好了，這一章就到此為止，讓我們總結一下，究竟有哪些需要注意的吧。

(1) 無論什么時候我們都要以實際應用的角度去考慮程序的編寫。
(2) 無論什么時候都不要讓CPU白白浪費等待，尤其是延時(超過1MS)這樣的地方。
(3) 設計相應驅動電路時候，應該仔細閱讀芯片的數據手冊，了解每個引腳的驅動能力，
      以及整個芯片的驅動能力
(4) 最重要的是，如何去釋放CPU(參考本章的例子)，這是寫出合格程序的基礎。

附完整程序代碼(基于51hei單片機開發板)

#include<reg52.h>

sbit LED_SEG  = P1^4;  //數碼管段選
sbit LED_DIG  = P1^5;  //數碼管位選
sbit LED_CS11 = P1^6;  //led控制位
sbit ir=P1^7;
#define LED P0          //定義LED接口
bit  g_bSystemTime1Ms = 0 ;             // 1MS系統時標
unsigned int  g_u16LedTimeCount = 0 ; //LED計數器
unsigned char g_u8LedState = 0 ;    //LED狀態標志, 0表示亮，1表示熄滅

#define LED_ON()    LED = 0x00 ;  //所有LED亮
#define LED_OFF() LED = 0xff ;  //所有LED熄滅

void Timer0Init(void)
{
TMOD &= 0xf0 ;
TMOD |= 0x01 ;    //定時器0工作方式1
TH0  = 0xfc ;    //定時器初始值
TL0  =  0x66 ;
TR0  = 1 ;
ET0  = 1 ;
}
void LedProcess(void)
{
if(0 == g_u8LedState)  //如果LED的狀態為亮，則點亮LED
{
      LED_ON() ;
}
else             //否則熄滅LED
{
      LED_OFF() ;
}
}

void LedStateChange(void)
{
if(g_bSystemTime1Ms)          //系統1MS時標到
  {
         g_bSystemTime1Ms = 0 ;
         g_u16LedTimeCount++ ;    //LED計數器加一
   if(g_u16LedTimeCount >= 500)  //計數達到500,即500MS到了,改變LED的狀態。
   {
   g_u16LedTimeCount = 0 ;
   g_u8LedState  = ! g_u8LedState ;
      }
}
}

void main(void)
{
Timer0Init() ;
EA = 1 ;
                  LED_CS11 = 1 ; //74HC595輸出允許
LED_SEG = 0 ;  //數碼管段選和位選禁止(因為它們和LED共用P0口)
LED_DIG = 0 ;
while(1)
{
      LedProcess() ;
      LedStateChange() ;
}
}

void Time0Isr(void) interrupt 1
{
TH0  = 0xfc ;          //定時器重新賦初值
TL0  =  0x66 ;
g_bSystemTime1Ms = 1 ; //1MS時標標志位置位
}

                                             第三章----模塊化編程初識

   好的開始是成功的一半
  通過上一章的學習，我想你已經掌握了如何在程序中釋放CPU了。希望能夠繼續堅持下去。一個良好的開始是成功的一半。我們今天所做的一切都是為了在單片機編程上做的更好。
在談論今天的主題之前，先說下我以前的一些經歷。在剛開始接觸到C語言程序的時候，由于學習內容所限，寫的程序都不是很大，一般也就幾百行而矣。所以所有的程序都完成在一個源文件里面。記得那時候大一參加學校里的一個電子設計大賽，調試了一個多星期，所有程序加起來大概將近1000行，長長的一個文件，從上瀏覽下來都要好半天。出了錯誤簡單的語法錯誤還好定位，其它一些錯誤，往往找半天才找的到。那個時候開始知道了模塊化編程這個東西，也嘗試著開始把程序分模塊編寫。最開始是把相同功能的一些函數(譬如1602液晶的驅動)全部寫在一個頭文件(.h)文件里面，然后需要調用的地方包含進去，但是很快發現這種方法有其局限性，很容易犯重復包含的錯誤。
而且調用起來也很不方便。很快暑假的電子設計大賽來臨了，學校對我們的單片機軟件編程進行了一些培訓。由于學校歷年來參加國賽和省賽，因此積累了一定數量的驅動模塊，那些日子，老師每天都會布置一定量的任務，讓我們用這些模塊組合起來，完成一定功能。而正是那些日子模塊化編程的培訓，使我對于模塊化編程有了更進一步的認識。并且程序規范也開始慢慢注意起來。此后的日子，無論程序的大小，均采用模塊化編程的方式去編寫。很長一段時間以來，一直有單片機愛好者在QQ上和我一起交流。有時候，他們會發過來一些有問題的程序源文件，讓我幫忙修改一下。同樣是長長的一個文件，而且命名極不規范，從頭看下來，著實是痛苦，說實話，還真不如我重新給他們寫一個更快一些，此話到不假，因為手頭積累了一定量的模塊，在完成一個新的系統時候，只需要根據上層功能需求，在底層模塊的支持下，可以很快方便的完成。而不需要從頭到尾再一磚一瓦的重新編寫。藉此，也可以看出模塊化編程的一個好處，就是可重復利用率高。下面讓我們揭開模塊化神秘面紗，一窺其真面目。
C語言源文件 *.c
      提到C語言源文件，大家都不會陌生。因為我們平常寫的程序代碼幾乎都在這個XX.C文件里面。編譯器也是以此文件來進行編譯并生成相應的目標文件。作為模塊化編程的組成基礎，我們所要實現的所有功能的源代碼均在這個文件里。理想的模塊化應該可以看成是一個黑盒子。即我們只關心模塊提供的功能，而不管模塊內部的實現細節。好比我們買了一部手機，我們只需要會用手機提供的功能即可，不需要知曉它是如何把短信發出去的，如何響應我們按鍵的輸入，這些過程對我們用戶而言，就是是一個黑盒子。
在大規模程序開發中，一個程序由很多個模塊組成，很可能，這些模塊的編寫任務被分配到不同的人。而你在編寫這個模塊的時候很可能就需要利用到別人寫好的模塊的借口，這個時候我們關心的是，它的模塊實現了什么樣的接口，我該如何去調用，至于模塊內部是如何組織的，對于我而言，無需過多關注。而追求接口的單一性，把不需要的細節盡可能對外部屏蔽起來，正是我們所需要注意的地方。
C語言頭文件 *.h
      談及到模塊化編程，必然會涉及到多文件編譯，也就是工程編譯。在這樣的一個系統中，往往會有多個C文件，而且每個C文件的作用不盡相同。在我們的C文件中，由于需要對外提供接口，因此必須有一些函數或者是變量提供給外部其它文件進行調用。
假設我們有一個LCD.C文件，其提供最基本的LCD的驅動函數
LcdPutChar(char cNewValue) ;  //在當前位置輸出一個字符
而在我們的另外一個文件中需要調用此函數，那么我們該如何做呢？
頭文件的作用正是在此。可以稱其為一份接口描述文件。其文件內部不應該包含任何實質性的函數代碼。我們可以把這個頭文件理解成為一份說明書，說明的內容就是我們的模塊對外提供的接口函數或者是接口變量。同時該文件也包含了一些很重要的宏定義以及一些結構體的信息，離開了這些信息，很可能就無法正常使用接口函數或者是接口變量。但是總的原則是：不該讓外界知道的信息就不應該出現在頭文件里，而外界調用模塊內接口函數或者是接口變量所必須的信息就一定要出現在頭文件里，否則，外界就無法正確的調用我們提供的接口功能。因而為了讓外部函數或者文件調用我們提供的接口功能，就必須包含我們提供的這個接口描述文件----即頭文件。同時，我們自身模塊也需要包含這份模塊頭文件(因為其包含了模塊源文件中所需要的宏定義或者是結構體)，好比我們平常所用的文件都是一式三份一樣，模塊本身也需要包含這個頭文件。
下面我們來定義這個頭文件，一般來說，頭文件的名字應該與源文件的名字保持一致，這樣我們便可以清晰的知道哪個頭文件是哪個源文件的描述。
      于是便得到了LCD.C的頭文件LCD.h 其內容如下。
      #ifndef _LCD_H_
            #define    _LCD_H_
            extern LcdPutChar(char cNewValue) ;
            #endif

這與我們在源文件中定義函數時有點類似。不同的是，在其前面添加了extern 修飾符表明其是一個外部函數，可以被外部其它模塊進行調用。
      #ifndef    _LCD_H_
            #define    _LCD_H_
            #endif

            這個幾條條件編譯和宏定義是為了防止重復包含。假如有兩個不同源文件需要調用LcdPutChar(char cNewValue)這個函數，他們分別都通過#include “Lcd.h”把這個頭文件包含了進去。在第一個源文件進行編譯時候，由于沒有定義過 _LCD_H_ 因此 #ifndef _LCD_H_ 條件成立，于是定義_LCD_H_ 并將下面的聲明包含進去。在第二個文件編譯時候，由于第一個文件包含時候，已經將_LCD_H_定義過了。因此#ifndef _LCD_H_ 不成立，整個頭文件內容就沒有被包含。假設沒有這樣的條件編譯語句，那么兩個文件都包含了extern  LcdPutChar(char cNewValue) ; 就會引起重復包含的錯誤。
不得不說的typedef
      很多朋友似乎了習慣程序中利用如下語句來對數據類型進行定義
#define uint  unsigned int
      #define uchar  unsigned char
然后在定義變量的時候直接這樣使用
  uint  g_nTimeCounter = 0 ;
不可否認，這樣確實很方便，而且對于移植起來也有一定的方便性。但是考慮下面這種情況你還會這么認為嗎？
  #define PINT unsigned int *  //定義unsigned int 指針類型
  PINT  g_npTimeCounter, g_npTimeState ;
   那么你到底是定義了兩個unsigned int 型的指針變量，還是一個指針變量，一個整形變量呢？而你的初衷又是什么呢，想定義兩個unsigned int 型的指針變量嗎？如果是這樣，那么估計過不久就會到處抓狂找錯誤了。
慶幸的是C語言已經為我們考慮到了這一點。typedef 正是為此而生。為了給變量起一個別名我們可以用如下的語句
typedef  unsigned  int uint16 ; //給指向無符號整形變量起一個別名 uint16
   typedef  unsigned  int  * puint16 ;  //給指向無符號整形變量指針起一個別名 puint16
在我們定義變量時候便可以這樣定義了：

  uint16 g_nTimeCounter  =  0 ;  //定義一個無符號的整形變量
  puint16  g_npTimeCounter  ; //定義一個無符號的整形變量的指針
  在我們使用51單片機的C語言編程的時候，整形變量的范圍是16位，而在基于32的微處理下的整形變量是32位。倘若我們在8位單片機下編寫的一些代碼想要移植到32位的處理器上，那么很可能我們就需要在源文件中到處修改變量的類型定義。這是一件龐大的工作，為了考慮程序的可移植性，在一開始，我們就應該養成良好的習慣，用變量的別名進行定義。
如在8位單片機的平臺下，有如下一個變量定義
uint16 g_nTimeCounter  =  0 ;
      如果移植32單片機的平臺下，想要其的范圍依舊為16位。
可以直接修改uint16 的定義，即
typedef  unsigned  short  int uint16 ;
      這樣就可以了，而不需要到源文件處處尋找并修改。

將常用的數據類型全部采用此種方法定義，形成一個頭文件，便于我們以后編程直接調用。
文件名 MacroAndConst.h
其內容如下：
#ifndef _MACRO_AND_CONST_H_
#define _MACRO_AND_CONST_H_

typedef unsigned int uint16;
typedef unsigned int UINT;
typedef unsigned int uint;
typedef unsigned int UINT16;
typedef unsigned int WORD;
typedef unsigned int word;
typedef    int       int16;
typedef    int       INT16;
typedef unsigned long  uint32;

typedef unsigned long    UINT32;
typedef unsigned long DWORD;
typedef unsigned long dword;
typedef long          int32;
typedef long          INT32;
typedef signed  char    int8;
typedef signed  char    INT8;
typedef unsigned char    byte;
typedef unsigned char    BYTE;
typedef unsigned char    uchar;
typedef unsigned char    UINT8;
typedef unsigned char uint8;
typedef unsigned char BOOL;

#endif

至此，似乎我們對于源文件和頭文件的分工以及模塊化編程有那么一點概念了。那么讓我們趁熱打鐵，將上一章的我們編寫的LED閃爍函數進行模塊劃分并重新組織進行編譯。

在上一章中我們主要完成的功能是P0口所驅動的LED以1Hz的頻率閃爍。其中用到了定時器，以及LED驅動模塊。因而我們可以簡單的將整個工程分成三個模塊，定時器模塊，LED模塊，以及主函數
對應的文件關系如下

main.c
Timer.c  --Timer.h
Led.c    --Led.h
在開始重新編寫我們的程序之前，先給大家講一下如何在KEIL中建立工程模板吧，這個模板是我一直沿用至今。希望能夠給大家一點啟發。
下面的內容就主要以圖片為主了。同時輔以少量文字說明。
我們以芯片AT89S52為例。