【單片機學習】第二課：單片機是什么東西

【朱有鵬老師課程總結】侵刪

第一部分、章節目錄

1.2.1.從電路到集成電路

1.2.2.計算機的核心設備CPU

1.2.3.給單片機下個定義

1.2.4.ROM與RAM

1.2.5.單片機的作業原理

1.2.6.外設與內部外設

1.2.7.單片機與電路板

1.2.8.軟體與硬體的區別和聯系

1.2.9.硬體工程師主要作業職責

1.2.10.軟體工程師主要作業職責

1.2.11.datasheet的重要性

1.2.12.原理圖和PCB圖

1.2.13.需要什么開發工具

第二部分、隨堂記錄

1.2.1.從電路到集成電路

1.2.1.1、從初高中物理課說起
你們學模電，電路肯定學的比我好了，很簡單的邏輯電路，

1.2.1.2、電路發展變化的趨勢
(1)功率，電子設備越來越省電，待機時間越來越長，作業電壓越來越低，
(因為集成性越來越好，電路越做越好)
(2)體積，體積越來越小(電視機和一本書一樣薄)
(3)功能，功能越來越強大

1.1.2.3、微器件的出現
(1)電路的核心：開關控制、倍率控制
開關控制：電壓多高會開，電壓多低就關（MOS管(PMOS/NMOS導通條件)、三極管）
倍率控制：電壓控制電流大小（電流控制電流源、電流控制電壓源）
(2)電子管、晶體管等(器件越來越小)

1.1.2.4、集成電路的出現
(1)IC（integrated circuit，集成電路），就是使用微器件為積木，去搭建具備一定功能的一個電路板，
(2)以前沒有微器件的時候，必須很大一塊電路板（第一臺計算機ENIAC，器件大）才能實作一個電路功能（譬如一個加法器，完成加法運算），
然后有了微器件之后，這個電路板的體積變小了，越來越小，最后小到mm級別甚至更小，我們就把這個電路做在一起，
用塑料外殼封裝起來就形成了大家看到的IC芯片，(設計起來簡單，制作難，所以芯片制造很難)
(3)芯片（IC、集成電路）其實就是：里面餡是電路，外面的殼就是絕緣體殼，里面的電路通過外殼上引出來的一些引腳（金屬材料的）來與IC外部接軌，
(4)IC有多少個引腳，每一個引腳的作用是干嘛的，是IC設計制造的時候就已經決定的，我們拿到IC使用時要去讀IC的資料手冊來知道這個引腳怎么用，

1.2.2.計算機的核心設備CPU

CPU相對于計算機之于人腦對于人
1.2.2.1、物理角度：CPU就是一塊超大規模集成電路，CPU的本質就是電路

1.2.2.2、功能角度：CPU（Central Processing Unit，中央處理器）
(1)元件組成：CPU = 運算器 + 控制器（看電影，電影的播放就是在運算，原始的視頻流經過運算編碼到LCD顯示屏）
DSP偏向于運算器的CPU，MCU偏向于控制器，
(2)CPU = ALU(算數邏輯單元) + cache(高速快取cpu和記憶體之間做快取，一級二級快取L1、L2) + Bus(總線：把電路模塊連接起來)
(3)CPU = 匯編指令 + 暫存器(編程介面，編程其實就是在操作暫存器)，你們也寫過匯編語言操作暫存器吧，mov

1.2.2.3、CPU的作業原理
(1)CPU通過總線從存盤器取出指令到內部，然后譯碼，然后執行（畫個圖）
(2)一條指令包括：指令碼+資料
(3)執行指令反應為一個控制操作（控制器，例：電平變高、變低）或者一個數學運算（運算器，數學運算/邏輯運算）
(4)給單片機編程其實就是給CPU寫指令序列（我們的語言-->編譯得到）

1.2.3.給單片機下個定義

1.2.3.1、計算機系統三大組成部分：CPU、內部存盤器、IO（主框架）
(1)單片機屬于計算機的一種
(2)IO就是input/output，也就是輸入輸出，譬如鍵盤、滑鼠、觸摸屏等就是輸入設備，而LCD顯示幕、聲卡等就是輸出設備，

(3)內部存盤器是離不開的：

SRAM（靜態隨機存盤器）Flash(閃存) cache(快取) DRAM(動態隨機存盤) 隨機存盤器就是記憶體，

1.2.3.2、單片機的結構框圖分析
(1)我們來看單片機這個計算機系統的結構框圖，

(2)框圖中的方塊是組成部件、箭頭表示總線Bus
(3)CPU處于單片機系統的核心位置，別的模塊都通過總線和CPU進行關聯，別的模塊之間一般沒有總線直接相連，有時候2個互相有關系的模塊也會有總線直接相連，
(4)IO其實就是芯片上的引腳(上圖有39個)，不同的單片機型號有不同的IO數量和定義，

1.2.3.3、如何定義單片機
(1)單片機就是一臺微型計算機，
(2)臺式電腦或者筆記本電腦（這種計算機叫PC）也是一種計算機系統，這種計算機系統由很多個零部件組成，這些零部件由不同的廠商生產，可以去組合組裝成一臺電腦，
(3)單片機這臺計算機的所有零件全部做在了一個IC內部，并且出廠前被塑料殼封裝起來了，傳統計算機中的主要部件單片機都有，都集成到內部去了，

(4)MCU的概念（參考百度百科詞條：MCU），所以說大家看到：單片機、單片微型計算機、MCU、微控制器、微控制單元等，都是一個意思，（ps：為什么這么多名字？因為中文組合太多，剛開始一個人一個翻譯法）

MCU-百度百科

1.2.4.ROM與RAM

1.2.4.1、計算機中的2種存盤器
(1)計算機要存盤器干嘛
(2)記憶體：

• 記憶體和CPU接軌比較緊密，
• 記憶體可以被CPU直接訪問，
• 記憶體可以按照位元組為單位來隨機訪問、
• 程式運行時離不開記憶體、程式中的變數都是定義在記憶體中的，
• 記憶體受限于物理技術和成本，容量比較小而貴；
• 記憶體速度比外存快很多，CPU的速度比記憶體的速度快好多，(記憶體條)

(3)外存：

• 外存和CPU之間比較遠，
• 外存不可以被CPU直接訪問，
• 外存一般以塊為單位來訪問，不能以位元組為單位隨機訪問，
• 外存容量大而便宜，外存速度比記憶體慢好多，(SSD固態硬碟，HHD機械硬碟、SD卡、U盤)

(4)綜合來說，計算機系統是這樣作業的：檔案和資料不用的時候就放在外存中，要用的時候從外存讀取到記憶體，然后CPU再從記憶體中讀取資料來直接使用，

舉個例子就是：老師收作業，辦公室是記憶體、學生所在的宿舍樓是外存，老師是cpu，

1.2.4.2、ROM
(1)read only memory，只讀存盤器，意思是只能讀不能寫，實際上世界上根本不存在真正的只能讀不能寫的器件，我們ROM這里的只讀意思是：程式運行時只能通程序式自己本身的操作去讀而不能寫，
(2)常見的ROM：單片機中用來存盤用戶燒錄的程式的器件就是ROM，燒錄的程序其實就是在寫ROM，但是程式運行時是不能修改ROM內容的，燒錄程式一般要通過燒錄器來完成，就是說PC上IDE修改好再燒寫覆寫，
(3)storage，存盤器，含義有點像倉庫存盤東西，ROM就有點類似于倉庫，用來存盤程式代碼，
(4)ROM有點像外存的概念，但是并不完全相等，主要是因為計算機系統有不同的設計方法，譬如PC機和單片機的設計就不相同，PC機中有外存沒有ROM，單片機中有ROM沒有外存，單片機中程式平時是存盤在ROM中，運行時由ROM直接供給CPU，

1.2.4.3、RAM
(1)random access memory，隨機訪問存盤器
(2)常見的RAM：從物理上來講，主要分為SRAM和DRAM，單片機中一般使用的都是SRAM，嵌入式SoC中和PC機中用的都是DRAM
(3)memory，存盤器，專指的是計算機的記憶體

1.2.4.4、單片機中的ROM和RAM
(1)單片機中的ROM一般是Flash（閃存），有些地方會看到叫flash memory；單片機中的RAM一般都是SRAM；這兩個共同構成單片機中的存盤體系，
(2)ROM和RAM的協同作業方式是：ROM用來存盤用戶寫好編譯好的程式(像硬碟)，運行時CPU直接從ROM中讀取一條一條的指令來運行，指令運行程序中產生的臨時資料放在RAM中(像記憶體條)，所以基本可以理解為：ROM是單片機用來放程式的，RAM是用來放資料的，

1.2.5.單片機的作業原理

1.2.5.1、主要器件負責干嘛？CPU、存盤器、IO

CPU：運算(數學運算)和控制(電平控制）

存盤器：指令程式存放，要和外部接軌，通過I/O

1.2.5.2、統一的時鐘節拍（這個很重要）
(1)這里有一個概念叫：同步，同步就是好多個獨立的部分按照同一個節奏步調來動，以此來實作一個配合，

（比如閱兵，同步靠的一是意識，再一個是音樂）
(2)和同步相對的一個概念叫異步，異步就是各自干各自的，
(3)單片機的各個模塊之間是同步作業的，CPU和存盤器和IO和單片機中其他東西這些模塊之間通過一個統一的節拍來同步作業，這個統一節拍就是單片機的時鐘，(時鐘信號)
(4)這個時鐘節拍對單片機很重要，單片機內部在一個時鐘節拍中只能做一件事情，所以單片機要發現一些變化或者做一些事情，最小的時間單位就是1個時鐘節拍，單片機的時間單位都是時鐘節拍的整數倍，

時鐘頻率：是指同步電路中時鐘的基礎頻率，它以“若干次周期每秒”來度量，量度單位采用SI單位赫茲（Hz)，晶振+晶振電路

(5)單片機中的CPU、存盤器、IO等都是以時鐘節拍為動作節拍的，所以單片機是一個同步系統，
(6)時鐘周期的長度（時鐘節拍的快慢）影響了單片機的速度，所以這個時鐘就叫做單片機的主頻，主頻越高性能越高，一般PC的主頻都是2G多3G多，51單片機的主頻MHz級別，一般手機CPU的主頻也在1G-2G左右，一般高級單片機如STM32的主頻在百MHz級別，

1.2.6.外設與內部外設

1.2.6.1、什么是外設
(1)外設英文叫peripheral，全稱為外部設備，屬于單片機中的模塊
(2)單片機中除了三大部件（CPU、IO、存盤器）外，還有一些別的東西，譬如串口控制器、譬如I2C控制器等····這些東西就叫外設，
(3)早期單片機功能很弱小，不具備很多功能（譬如中斷功能、譬如串口通信功能），那我們用單片機做產品，只能外部擴展一些專用芯片（中斷控制有中斷控制器芯片，串口通信我們有串口通信芯片）來和單片機結合（做到一塊電路板上用導線連接）起來作業，這種產品設計中核心部分就是單片機，外部配合的這些專用芯片就是外部設備，簡稱外設，

(4)后來隨著半導體工業發展進化，集成電路的集成能力變強大了，我們干脆就把一些常用的外設直接集成到單片機里邊去了，所以單片機里邊就有了一些原來被稱為外設的東西，但是叫法名稱還是沿用了開始的名稱，

1.2.6.2、什么叫內部外設
(1)為了區分原來的“外設”，將集成到單片機里邊的外設叫做內部外設，
(2)還有外部外設，就是至今仍然沒有集成到單片機內部，還在外部的那些外設，

1.2.7.單片機與電路板

1.2.7.1、什么是電路板（PCB printed circuit board，印刷電路板）
(1)圖片：PCB板 = 基板（絕緣）+電路
(2)作用：PCB的作用就是骨架和連接，最終目的就是把所有的原件按照正確的電路圖連接起來形成一個完整的可以作業的電路，
(3)構成和材質，常用的基板材質都是FR4（玻璃纖維），PCB板是由多層構成的（單面板、雙面板、四層板、8層板、12層、16層、24層）單面板：只有一面有電路，一般LED大屏，
(4) ，最后形成的就是一個里面的芯是不導電的FR4，外面有一層構成了電路的銅（標準術語叫覆銅），為了避免銅訊訓或者與外部導電外部還有一層油墨，刷油墨時要露出來焊接點（焊接點一般有2種：一種是插針式、一種是貼片式），焊接點上本來就是銅，但是我們為了方便焊接一般會做鍍錫，
(5)PCB板其實就是硬體電路（原件和電路設計）的載體，

1.2.7.2、什么是芯片
(1)芯片就是：芯是半導體技術形成的電路，外面的殼是塑料絕緣殼，里面電路通過芯片引腳接出來用于連接外部電路，

1.2.7.3、芯片方式和電路板方式的關系
(1)相同點，芯片其實就是一個微型的電路板，這兩個東西本身一模一樣，早期只有電路板沒有芯片，后來半導體工藝發展后有了微型器件，所以人把一些電路利用半導體工藝直接做死到一個芯片中去形成了IC，
(2)不同點，
(3)我們做一個電子產品究竟應該如何去總體設計？現代的設計方案都是芯片+電路板，能做到芯片里面的都做進去（趨勢是越來越進去的多），實在不能做成芯片的就只好放在外面，原來的產品，譬如老式大屁股電視機主板非常大，而新式的智能電視機主板就是一個大芯片+很少的外圍設備，
(4)單片機開發板其實就是PCB板主板+單片機芯片+其他芯片+其他外圍電路元器件總體構成的，這就是普遍的電子產品的結構，

1.2.8.軟體與硬體的區別和聯系

1.2.8.1、從產品角度
(1)硬體是？產品的載體和身體
(2)軟體是？產品的思維和靈魂、精神
1.2.8.2、從技術角度
(1)適合的大學專業
(2)適合的個人性格
(3)主要作業方式和核心任務
1.2.8.3、從學習角度
(1)難易度：軟體難度>硬體
(2)學習方法
(3)前景和發展路線
1.2.8.4、軟硬結合
(1)物聯網不能靠純軟體打造
(2)純硬體產品大部分都低端

1.2.9.硬體工程師主要作業職責

1.2.9.1、電路圖的分析和設計
1.2.9.2、原件的選擇和引數確定
1.2.9.3、PCB的設計和樣板焊接、除錯
1.2.9.4、生產跟蹤和問題解決

1.2.10.軟體工程師主要作業職責

1.2.10.1、初級軟體工程師：輔助測驗、寫代碼、維護
1.2.10.2、中級軟體工程師：獨立作業、對產品負責、解bug
1.2.10.3、高級軟體工程師：需求分析、框架設計、團隊管理
1.2.10.4、軟體工程師成長路線：
學到基礎（知識+能力）->找到作業->學習和鍛煉->中級->高級/轉方向

1.2.11.datasheet的重要性

1.2.11.1、什么是datasheet
(1)datasheet就是資料手冊，其實就是芯片的檔案，
(2)資料手冊中描述的都是這個芯片/器件的物理引數、電學引數、時序圖、編程需要的資訊、別的資訊，總的來說這個芯片的所有有用的資訊都在資料手冊中，使用這顆芯片程序中的任何疑問都可以去datasheet中查詢，
(3)我們學習單片機軟體開發程序中，要不斷去查詢各種芯片的資料手冊以獲取一些有效資訊來指導我們，

1.2.11.2、datasheet誰寫的？
(1)datasheet是由芯片廠商提供的，datasheet其實就是芯片的產品說明書，

1.2.11.3、datasheet從哪里來？
(1)最官方最權威的途徑就是到芯片廠商的官方網站去下載
(2)開發板附帶的光碟資料中一般也會有，
(3)將芯片型號資訊敲到百度去搜索其資料手冊

1.2.11.4、datasheet應該怎么使用？
(1)資料手冊不是書，更不是教材，資料手冊更像是一本字典，所以不是從第一頁看到最后一頁，更不用試圖是記住，
(2)資料手冊一定要先瀏覽一遍，尤其對于剛開始學習的人，瀏覽的目的是大概知道什么東西在哪里（將來用到時大概知道到哪里去找），里面一些概念基本理解，但是并不是為了記住，
(3)資料手冊的正確用法就是：前面先簡單看一遍（其中的前面一些可以認真看，后面的了解即可），用到某個具體知識時再根據前面瀏覽時的了解去具體查找資料手冊中相關部分，這時候再去認真看，（300多頁差不多3-5天）

1.2.12.原理圖和PCB圖

1.2.12.1、原理圖
(1)原理圖就電路原理設計圖，就是用符號來繪制出的電路連接的邏輯圖，我們平時講的電路圖其實就是原理圖，原理圖不是實物，
(2)原理圖由：線條、方框、圓圈、數字、字母等組成，看懂這些符號所對應的電路實物，就能看懂原理圖，
(3)原理圖中每一個符號表達一種含義，常見的有：
直線：表示導線，是用來連接原件構成電路的，
方框：表示器件，如IC、插座、
常見符號： 如電阻、電容、三極管等....
特殊符號：不常見器件

(4)原理圖中的每一個器件都有一個編號，如IC都用Un（U1、U2等），電容都用Cn（C1、C2）····這個編號在原理圖中是唯一的，這個編號用來表示/記錄這個元器件，
(5)原理圖中芯片型別的器件還會有一個名字，名字一般是器件的型號，
(6)原理圖中大多數器件還有一個引數值，譬如電容的容量、電阻的阻值等，
(7)有些器件（IC、插座）有引腳，引腳編號用數字表示，
(8)原理圖中有個網路的概念，原理圖上2個編號一樣的節點其實在邏輯上是連在一起的，網路的發明純粹是為了方便畫圖，讓圖不會導線連接的跟蜘蛛網一樣，分析原理圖時一定要注意網路，否則看到的可能就是一半的原理圖，

1.2.12.2、PCB圖
(1)硬體工程師在設計產品硬體時的步驟是：先有原理圖，然后用原理圖畫出PCB圖
(2)PCB圖是原理圖和實際器件結合起來后，生成的PCB板的結構圖紙，PCB圖的作用就是拿給做PCB板的廠商去印刷電路板，
(3)對軟體工程師來說，PCB圖完全不用去關注，我們只關注原理圖，

1.2.12.3、BOM表
(1)BOM就是bills of meterials， 就是物料表，物料表是整個電路中用到的所有物料的一張清單，
(2)BOM表是研發部門（硬體工程師）提供，一般是給生產部門來備料、記錄用的，
(3)BOM中每個物料的記錄和對應就靠物料編號，

1.2.13.需要什么開發工具

1.2.13.1、軟體開發工具：Keil C51、串口除錯助手、USB轉串口驅動....
1.2.13.2、輔助硬體工具：可有可無
(1)萬用表：建議入手一套，20-30元/套
(2)焊接套裝：如果不是特別感興趣，就沒必要買