GPIO（General Purpose Input Output）是单片机与外部世界交互的基本通道，每个引脚均可配置为输入或输出模式。

1.1 GPIO 输入模式(检测引脚电平变化)

输入模式	说明
悬空输入	引脚未连接任何上下拉，电平不确定，容易受干扰
上拉输入	通过电阻连接到VCC，默认高电平；按键按下时拉低
下拉输入	通过电阻连接到GND，默认低电平
模拟输入	用于ADC采样，读取模拟电压值

1.2 GPIO 输出模式（给定引脚高电平/低电平，控制引脚输出高电平/低电平）

输出模式	说明
推挽输出	可主动输出高/低电平，驱动能力强
开漏输出	只能拉低，高电平需外部上拉电阻

1.3 检测引脚电平 — 实例

检测 P3_2 是否为低电平（按键是否按下）：

// 读取P3第2位

if ((P3 & (1 << 2)) == 0)

{

    // P3_2 为低电平

}

// 位运算示意：

// P3      = 1111 1011

// (1<<2)  = 0000 0100

// 结果    = 0000 0000  → 等于0，说明该位为低

💡	51单片机的P3口引脚默认为高电平（上拉输入）。检测按键时，按键一端接GND，另一端接P3引脚，按下时引脚被拉低。

中断是单片机实时响应外部事件的核心机制，避免了CPU不断轮询的资源浪费。

2.1 核心概念

概念	解释
中断	CPU暂停当前任务，转去处理更紧急的事件，处理完后回到原处继续执行
中断源	能够触发中断的事件或硬件信号
中断优先级	多个中断同时请求时，优先处理级别高的
中断嵌套	处理一个中断时，被更高优先级中断再次打断（51最多嵌套2层）
中断向量表	存放各中断服务函数入口地址的数组
中断向量	中断服务函数在向量表中的编号标识

2.2 51单片机的5个中断源

中断源	中断号  interrupt N
外部中断 0（INT0，P3.2引脚）	interrupt 0
定时器 0 溢出中断	interrupt 1
外部中断 1（INT1，P3.3引脚）	interrupt 2
定时器 1 溢出中断	interrupt 3
串口中断（UART）	interrupt 4

2.3 中断处理流程

1. 中断源发起中断请求
2. CPU检查中断总开关（EA）及子开关是否打开
3. 比较中断优先级，决定是否响应
4. 保护现场（自动压栈保存PC、PSW等寄存器）
5. 跳转并执行中断服务函数（ISR）
6. 恢复现场，返回被打断处继续执行

   1. 

                                                                       图1 中断处理流程

   2.4 外部中断0 — 代码实现

// 外部中断0 初始化

void int0_init(void)

{

    P3 |= (1 << 2);      // P3.2 拉高（上拉输入，等待下降沿）

    IE  |= (1 << 7);     // EA=1  打开CPU中断总开关

    IE  |= (1 << 0);     // EX0=1 打开外部中断0子开关

    TCON |= (1 << 0);    // IT0=1 设置为下降沿触发

}



// 外部中断0 服务函数（下降沿触发一次，g_n自增）

void int0_handler(void)  interrupt 0

{

    g_n++;

}

⚠️ 注意

中断服务函数不能有参数和返回值，函数名后必须加 interrupt N（N为中断号）。TCON寄存器的IE0位由硬件在响应后自动清零。

定时器用于产生精准时间间隔，对PWM、通信时序等时间敏感任务至关重要。

3.1 定时器原理

• 51单片机有 Timer0 和 Timer1，均为 16位自增计数器（0 ~ 65535）
• 从初值开始向上计数，溢出（超过65535归0）后向CPU发起中断请求
• 计数速率 = 晶振频率 ÷ 12（机器周期）

3.2 定时器计算公式（晶振 11.0592MHz）

工作频率

11.0592 MHz ÷ 12

0.9216 MHz

每次计数时间

1 ÷ 0.9216 MHz

≈ 1.085 μs

1ms定时计数次数

1000μs ÷ 1.085μs

≈ 922 次

1ms定时初值

65535 - 922

64613

例1：

              

3.3 关键寄存器

寄存器 / 位	作用
TH0 / TL0	定时器0高8位/低8位初值，溢出后需重新装载
TMOD bit0	设置Timer0工作模式（1 = 16位定时器）
TCON TR0 (bit4)	置1启动Timer0开始计数
IE EA (bit7)	CPU中断总开关，必须置1才能响应任何中断
IE ET0 (bit1)	允许Timer0产生中断

3.4 工作模式2 — 8位自动重装

• 实际计数只用 TL0（0~255），溢出后自动把 TH0 的值重新装入 TL0
• 优点：无需在中断服务函数中手动重装初值，精度更高

3.5 定时器0 初始化代码

void timer0_init(void)

{

    TMOD &= ~(0x0F << 0);  // 清除低4位

    TMOD |= (1 << 0);      // 设置16位定时器模式（M0=1）

    TH0 = g_i >> 8;        // 装入初值高8位

    TL0 = g_i;             // 装入初值低8位

    TCON |= (1 << 4);      // TR0=1 启动定时器

    IE |= (1 << 7);        // EA=1  总中断开关

    IE |= (1 << 1);        // ET0=1 允许Timer0中断

}



// 定时器0 中断服务函数

void timer0_handler(void)  interrupt 1

{

    TH0 = g_i >> 8;        // 重装初值（防止误差累积）

    TL0 = g_i;

    P2 ^= (1 << 5);        // 翻转P2.5引脚（产生方波）

}

PWM（Pulse Width Modulation）通过控制方波的高/低电平时间比，实现对亮度、速度、音调等的调节。

PWM 参数	定义
PWM 周期	一个完整方波所经历的时间（从一个上升沿到下一个上升沿）
PWM 占空比	高电平时间 ÷ 周期 × 100%
频率	1 ÷ 周期，单位 Hz

🔑 关键	占空比决定平均电压。LED: 占空比50% → 半亮；电机: 占空比越大转速越高。51单片机通过定时器中断翻转引脚电平来软件模拟PWM。

5.1 两种蜂鸣器对比

类型	特点
有源蜂鸣器	内置震荡源，通电即持续发出固定频率声音，控制简单
无源蜂鸣器	无内置震荡源，需外部提供PWM方波驱动，可改变音调

5.2 蜂鸣器音调计算（200Hz 为例）

周期

1 ÷ 200Hz

0.005s = 5ms

半周期（定时时间）

5ms ÷ 2

0.0025s = 2.5ms

计数次数

2.5ms ÷ 1.085μs

≈ 2304 次

定时器初值

65535 - 2304

63231

5.3 常用频率初值对照

频率 (Hz)	定时器初值（宏定义）
200 Hz	HZ_200 = 63231
400 Hz	HZ_400 = 64382
600 Hz	HZ_600 = 64767
800 Hz	HZ_800 = 64959

本示例通过4个按键选择不同频率，驱动无源蜂鸣器发出不同音调。

6.1 按键检测 — key.c

void key_init(void)

{

    P3 |= (0x0F << 0);  // P3.0~P3.3 设为高电平（上拉输入）

}



int key_press(void)

{

    if ((P3 & (1 << 1)) == 0) return 1;  // KEY1: P3.1低 → 按下

    if ((P3 & (1 << 0)) == 0) return 2;  // KEY2: P3.0低 → 按下

    if ((P3 & (1 << 2)) == 0) return 3;  // KEY3: P3.2低 → 按下

    if ((P3 & (1 << 3)) == 0) return 4;  // KEY4: P3.3低 → 按下

    return 0;

}

6.2 主程序 — main.c

#define HZ_200  63231
#define HZ_400  64382
#define HZ_600  64767
#define HZ_800  64959

int main(void)

{

    timer0_init();

    key_init();

    while (1)

    {

        int ret = key_press();

        if      (ret == 1) g_i = HZ_200;  // 低音

        else if (ret == 2) g_i = HZ_400;

        else if (ret == 3) g_i = HZ_600;

        else if (ret == 4) g_i = HZ_800;  // 高音

        else               g_i = 0;        // 无按键，停止发声

    }

}

工作原理	g_i 是全局变量，在定时器中断中用于重装初值。g_i越大，定时时间越短，翻转越快，频率越高，音调越高。g_i=0时不重装初值，定时器停止产生规律方波，蜂鸣器停止发声。

void led_all_on(void)  { P2 = 0x00; }     // 全亮（低电平有效）

void led_all_off(void) { P2 = 0xFF; }     // 全灭

// 点亮第n个LED（其余熄灭）

void led_on(unsigned char n) { P2 = ~(1 << n); }

// 所有LED取反（全亮变全灭，全灭变全亮）

void led_nor(void) { P2 = P2 ^ 0xFF; }

寄存器	功能描述
P0 ~ P3	4组通用I/O口（8位），可读可写，操控外设引脚
IE（中断允许）	bit7=EA总开关；bit0=EX0；bit1=ET0；bit2=EX1；bit3=ET1；bit4=ES
TCON（定时/中断控制）	TR0(bit4)=启动Timer0；TR1(bit6)=启动Timer1；IT0(bit0)=INT0触发方式
TMOD（定时器工作模式）	低4位控制Timer0，高4位控制Timer1；bit0置1=16位定时器模式
TH0 / TL0	Timer0高8位/低8位计数寄存器
TH1 / TL1	Timer1高8位/低8位计数寄存器

地址：88H    可位寻址（每个bit可以单独用位地址操作）

作用：控制 Timer0 / Timer1 的启停，以及外部中断 INT0 / INT1 的触发方式和请求标志。

B7	B6	B5	B4	B3	B2	B1	B0
TF1	TR1	TF0	TR0	IE1	IT1	IE0	IT0

位	名称	功能说明
B7  TF1	TF1	Timer1 溢出标志位。Timer1 计数溢出时由硬件自动置1，CPU 响应中断后自动清0。也可软件清0。
B6  TR1	TR1	Timer1 运行控制位。置1 → 启动 Timer1 开始计数；清0 → 停止 Timer1。 操作：TCON |= (1 << 6)  启动 / TCON &= ~(1 << 6)  停止
B5  TF0	TF0	Timer0 溢出标志位。Timer0 计数溢出时由硬件自动置1，CPU 响应中断后自动清0。也可软件清0。
B4  TR0	TR0	Timer0 运行控制位。置1 → 启动 Timer0 开始计数；清0 → 停止 Timer0。 操作：TCON |= (1 << 4)  启动 / TCON &= ~(1 << 4)  停止
B3  IE1	IE1	外部中断1（INT1，P3.3）请求标志。检测到触发信号后由硬件置1，CPU 响应后自动清0。
B2  IT1	IT1	外部中断1 触发方式。IT1=0：低电平触发；IT1=1：下降沿触发（推荐，不会误触发）。 操作：TCON |= (1 << 2)  设置下降沿触发
B1  IE0	IE0	外部中断0（INT0，P3.2）请求标志。检测到触发信号后由硬件置1，CPU 响应后自动清0。
B0  IT0	IT0	外部中断0 触发方式。IT0=0：低电平触发；IT0=1：下降沿触发（推荐）。 操作：TCON |= (1 << 0)  设置下降沿触发

⚠️ 注意

TCON 可位寻址，也可用位运算直接操作整个字节。TF0/TF1/IE0/IE1 均由硬件自动置1、自动清0，不需要手动操作。TR0/TR1/IT0/IT1 需要手动配置。