单片机初识

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前言

第一章提纲挈领，介绍单片机与其他CPU的区别，以及单片机研究的一般步骤

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一、基础概念

参考书籍《PIC单片机使用教程——基础篇》作者李学海
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1.1 单片机是什么

 单片机就是微控制器即MCU。从结构上看，单片机内部结构包含cpu（用于运算和控制），存储器，以及IO、定时器等外设。
 有人会问单片机和电脑芯片有什么区别？
 答案是：两者结构和功能相似，区别是单片机往往用于嵌入式系统，电脑芯片是用于通用计算机系统。
 通用计算机体系，其实是基于intel和AMD芯片构建的计算机体系。这类芯片支持CISC指令集，常运行操作系统（Windows）。它的通用性体现于计算机的普及，以及一个通用的计算机模型（主板+键盘+鼠标+显示器等等）。由于存在磁盘（硬盘），通用芯片（intel和AMD）往往不需要把程序下载到芯片里，而只需要存在磁盘上。通用计算机体系，更多的用于开发应用（软件）。
 嵌入式计算机体系，说白了，单片机资源更少，但能满足嵌入式系统的实时性，耐用性，并且价格低。单片机固化上不同的程序，单片机就拥有对应功能，烧写完程序的单片机也称为固件。另一方面，嵌入式芯片更加专用于某一类电子系统（如冰箱，汽车等等）。这一类系统往往没有操作系统，或者操作系统简单，人们只需要按键或者简单的界面就能操作。嵌入式芯片往往属于中低端芯片，更多地是开发底层驱动程序。也因此开发一个嵌入式芯片成本可控，可按需求添加总线和通信模块。
 PS：随着ARM芯片的不断壮大，像高通和华为麒麟运行安卓系统已经和电脑差距缩小，但更便捷。
 最后聊一下软件和硬件的区别：说白了软件就是程序，程序就要有对应的语言及其编译器。而编译器翻译而成的指令，必须能让CPU识别（必须能翻译成CPU支持的指令集）才能执行。所以一定程度上，程序就是应用芯片所具备的硬件资源，来实现逻辑功能。有一些芯片具备有一定功能的硬件单元，比如加法器（也算是实现了算法的硬件化）。所以说，设计芯片实际上等于设计一套工具/资源，然后提供给用户去使用资源（写程序）。

1.2 单片机工作原理是什么

 单片机工作原理，一方面指的是单片机编程。编程时，核心是调用内核，其次是控制各个外设。
 内核包括CPU，数据存储器和程序存储器，及其相关内容。内核相关的主要内容就是CPU的指令集（单片机内核能实现哪些操作），以及如何实现RAM（数据存储器）的直接访问和间接访问，如何实现ROM/flash（程序存储器）的直接跳转和间接跳转。
 现在大多数单片机都有自己的C语言编译器。但是学习单片机的汇编编程，能更好地了解CPU是如何控制指令执行的顺序，以及译码执行的。通过软件仿真器和硬件仿真器，看见程序运行时每一步产生的变化。
 另一方面，单片机能实现通信，这又涉及通信协议的内容。

1.3 体系结构和总线结构

 体系结构指的是程序存储器和数据存储器的编制方式。典型的体系结构有两种，如下：

1. 普林斯顿体系结构，也就是冯诺依曼体系结构
    普林斯顿体系结构中，程序存储器和数据存储器是统一编址，两者在一个逻辑空间。
2. 哈佛体系结构
    哈佛体系结构是将程序存储器和数据存储器分开编址。

 总线结构指的是数据总线和指令总线的使用方式
PIC单片机采用的哈佛总线结构是将数据总线和指令总线分开。这样可以实现“流水作业”，即一个指令执行的同时下一个指令开始取值。

1.4 8位单片机的8位指什么

CPU处理的数据的宽度，参与运算的寄存器的数据长度可能不同。平常我们说的8位单片机，8位指的是CPU一次能处理8位二进制数。
具体称多少位单片机，参考以下链接：http://www.elecfans.com/d/585218.html

1.5 TTL集成电路和COMS集成电路

 TTL集成电路使用（transistor）晶体管来构成逻辑门电路。功耗较大，驱动能力强，一般工作电压+5V。
 CMOS集成电路使用MOS管来构成逻辑门电路，其功耗小，工作电压范围很大
参考链接：link.

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二、单片机开发流程

2.1 前期准备

 单片机选项，元件选型，设计原理图草图。此时，可以购买市面上同型号的单片机开发板进行软硬件测试。

2.2 参数设计

计算各元件参数，各芯片时序配合。考虑单片机的资源分配，设计软件框架，通信协议

2.3 PCB设计与制作

采用Altium Designer或Cadence进行原理图和PCB设计，然后找加工厂如华秋网，进行生产，实际生产花费不高。

2.4 软件设计与优化

画程序流程图。代码写进行单模块测试，然后再组合到一起。这样有利于充分暴露问题，减少调试压力。

2.5 整理数据和编写文档

记录设计上的失误，调试时遇到的问题，以及分析过程，改进方法等等。具体的比如原理图中元件的参数，PCB封装模型，以及软件程序的调整等。