一、GPIO：单片机与外界交互的基础接口
GPIO，全称General Purpose Input Output，即通用输入输出，是单片机与外界进行数据交互的最基本形式。每个GPIO引脚都可以独立配置为输入模式或输出模式，满足不同场景的使用需求。
1. 输出模式：主动输出控制信号
输出模式下，单片机可控制引脚主动输出高电平或低电平，向外部设备传递控制信号。根据电路结构的不同，分为以下四种类型：
开漏输出：需要外接上拉电阻才能稳定输出高电平，适合实现线与功能，多个开漏输出引脚并联时，只要有一个输出低电平，总线就为低电平。
推挽输出：无需外接电阻，可直接稳定输出高电平和低电平，驱动能力较强，是最常用的输出模式。
复用开漏：引脚功能复用为外设（如I2C）的开漏输出模式，兼顾外设功能和开漏输出特性。
复用推挽：引脚功能复用为外设（如UART）的推挽输出模式，兼顾外设功能和推挽输出的强驱动能力。
2. 输入模式：被动接收外部信号
输入模式下，单片机通过检测引脚的电平状态，接收外部设备传递的信号。根据电平检测方式的不同，分为以下四种类型：
上拉输入：引脚通过内部上拉电阻接电源，无外部信号时默认输出高电平，外部信号拉低时检测为低电平。
下拉输入：引脚通过内部下拉电阻接地，无外部信号时默认输出低电平，外部信号拉高时检测为高电平。
浮空输入：引脚不接内部上下拉电阻，电平状态完全由外部信号决定，适合检测交流信号或高速信号。
模拟输入：引脚用于接收模拟信号（如传感器的模拟输出），此时引脚内部的数字电路被断开，信号直接送入ADC模块进行转换。
二、独立按键：简单的人机交互输入设备
独立按键是单片机系统中最常用的人机交互设备，通过按键的按下与松开，向单片机传递控制指令（如确认、切换功能等）。
1. 工作原理
独立按键的核心原理是通过电平变化传递信号：当按键未被按下时，引脚通过上拉电阻（或内部上拉）呈现高电平；当按键被按下时，引脚与GND直接短路，此时引脚呈现低电平。因此，判断按键是否被按下，只需检测对应引脚是否为低电平即可。
小贴士：实际应用中，由于机械按键存在抖动现象，按下和松开瞬间会出现电平的多次跳变，需要通过软件延时或硬件消抖电路处理，避免单片机误判。
三、中断：提升单片机效率的核心机制
在单片机执行任务时，难免会遇到需要紧急处理的外部事件（如按键按下、定时器溢出等）。中断机制就是为了应对这种场景，让单片机能够暂停当前任务，优先处理紧急事件，处理完成后再回到原任务继续执行，极大提升了系统的实时性和效率。
1. 核心概念
中断源：能够打断CPU当前任务的事件或源头，是触发中断的“导火索”。
中断优先级：当多个中断源同时发起请求时，CPU会根据中断优先级的高低，优先处理优先级高的中断。
中断嵌套：CPU在处理一个中断任务时，若有更高优先级的中断请求到来，会暂停当前中断任务，转而处理更高优先级的中断，处理完成后再回到原中断任务继续执行。51单片机最多支持两层中断嵌套。
2. 51单片机常见中断源分类
外部中断：由引脚电平变化触发，主要有两个：
外部中断0（INT0）：对应P3.2引脚；
外部中断1（INT1）：对应P3.3引脚。
定时器中断：由定时器溢出触发，主要有两个：
定时器0中断；
定时器1中断。
串口中断：由串口数据收发完成触发（如接收完一个字节数据、发送完一个字节数据）。
3. 中断处理流程
中断源发出中断请求；
CPU检查自身是否允许中断（全局中断开关是否打开）以及该中断源是否被屏蔽；
若中断请求有效，CPU比较当前所有未屏蔽中断源的优先级，选择优先级最高的中断；
保护现场：将当前任务的寄存器值、程序计数器（PC）值等保存起来，避免后续处理覆盖；
执行中断处理函数（也叫回调函数）：处理中断源对应的具体任务；
恢复现场：将之前保存的寄存器值、PC值恢复，回到被打断的任务继续执行。
4. 关键中断寄存器
中断的开启、屏蔽、触发方式等都需要通过配置相关寄存器实现，51单片机中最核心的两个中断寄存器如下：
中断允许寄存器（IE寄存器）：控制全局中断和各中断源的允许/屏蔽
EA（IE.7）：全局中断开关，置1表示CPU允许所有未屏蔽的中断请求，置0表示CPU屏蔽所有中断请求；
EX0（IE.0）：外部中断0允许位，置1允许外部中断0产生中断，置0禁止。
定时器/计数器中断控制寄存器（TCON寄存器）：控制外部中断的触发方式和定时器的运行状态
IT0（TCON.0）：外部中断0触发方式选择位，置1表示下降沿触发（引脚电平从高变低时触发），置0表示低电平触发（引脚保持低电平时持续触发）。
四、定时器：精准计时的“时间管家”
在单片机系统中，很多功能需要精准的时间控制（如定时采样、定时输出、延时函数实现等），定时器就是实现精准计时的核心外设。51单片机内置两个自增型定时器：Timer0和Timer1。
1. 工作原理
定时器内部包含一个16位的计数器（由THx和TLx两个8位寄存器组成，x为0或1）。工作时，我们先给计数器设定一个初值，计数器会以固定的速率（51单片机默认是1μs/次，由系统时钟分频得到）进行自增计数。当计数器的值增加到65535（16位计数器的最大值）时，会产生溢出，向CPU发起定时器中断请求。CPU响应中断后，可执行对应的定时任务，同时计数器会清零（或重新加载初值），开始新一轮计数。
2. 关键定时器寄存器
定时器模式配置寄存器（TMOD）：用于设定定时器的工作模式，以Timer0为例：
先将TMOD寄存器的低4位清0（避免其他模式干扰）；
将M0置1、M1置0，即可将Timer0配置为16位定时器模式（最常用的模式）。
定时器控制寄存器（TCON）：用于控制定时器的启动和停止
TR0（TCON.4）：Timer0启动位，置1表示打开Timer0，开始计数；置0表示关闭Timer0，停止计数。
中断允许寄存器（IE）：用于允许定时器中断
需将IE寄存器的bit7（EA）置1（打开全局中断），同时将bit1（ET0）置1（允许Timer0产生中断）。
五、PWM：脉冲宽度调制技术
PWM，全称Pulse Width Modulation，即脉冲宽度调制。通过PWM技术，可让单片机引脚产生周期性的方波信号，实现对外部设备的精准控制（如电机转速调节、LED亮度调节、蜂鸣器音调控制等）。
1. PWM核心参数
PWM周期：一个完整方波的持续时间，即从一个上升沿（或下降沿）到下一个上升沿（或下降沿）的时间间隔。周期决定了方波的频率，周期越短，频率越高。
PWM占空比：在一个PWM周期内，高电平所占的时间比例。占空比决定了方波的“有效电平”强度，例如占空比50%表示高电平和低电平各占半个周期；占空比越大，高电平持续时间越长，输出的“平均电压”越高。
2. PWM的典型应用：蜂鸣器控制
蜂鸣器是常用的声光报警设备，其工作原理与PWM密切相关：蜂鸣器通过内部震荡产生声音，声音的音调由震荡频率决定（高频对应高音，低频对应低音），音量由震荡的幅度（能量大小）决定。根据是否内置震荡源，蜂鸣器分为两种：
有源蜂鸣器：内部集成震荡源，上电后会持续发出固定频率的声音，无需PWM控制，只需控制引脚的高低电平即可实现开关。
无源蜂鸣器：内部无震荡源，需要通过单片机引脚输出特定频率的PWM方波，驱动其内部震荡片振动发声。通过改变PWM的频率，可调节蜂鸣器的音调；通过改变占空比，可调节蜂鸣器的音量。
