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单片机基础知识扫盲一
单片机
如果能创造那也是很酷的一件事~
单片机和CPU
- CPU是泛指的，核心的计算器件，单片机也可以说是一种CPU，比较简单、性能比较低、没有复杂的外设、使用场景相对简单，像一些小家电；
- application soc 是应用级别CPU，应用场景比较复杂了，通常就是嵌入式的部分了；
- 单片机是不能上操作系统的；
- 早期是不区分单片机和CPU的，后来应用级别的高端CPU相继推出用于别的行业，其中一支专用于低性能、低价格、嵌入硬件产品中作为主控的CPU就成了如今的单片机；
CPU
- 中央处理器，是一块超大规模的集成电路，本质就是电路；
- 运算器 + 控制器；
- 存储器中存放一条条的指令，CPU通过总线从存储器去除指令到内部然后译码，然后执行；
- 一条指令包括：指令码 + 数据；
- 执行指令的反应为一个控制操作或者一个数学运算；
- 给单片机编程其实就是给CPU写指令序列；
51单片机
简单、典型、使用广、学习成本低，51的内核免费，很多公司做内部集成CPU芯片喜欢用51内核；
如：电容触摸IC，wifi芯片（Esp8266）
- Intel发明了8051单片机，后期主要发展了高性能的CPU领域，放弃了8051这个市场，放开了IP，半导体厂商基于8051的内核生产的兼容型CPU；
- 不同厂商的兼容型51单片机会有一些差异，因为不同的厂商会有自己独特的技术；
- 国内用量最大、最具知名度和竞争力的就是宏晶科技的STC51系列；
单片机和嵌入式
都是电子产品，都有CPU作为核心，都有一些外围硬件作为辅助，都是软件控制硬件；
- CPU差异：是否有MMU（内存管理单元），单片机的CPU的偏简单，单片机用的物理地址，嵌入式用的虚拟地址映射；
- 操作系统的差异：单片机RTOS，一般不上系统，嵌入式：Android、linus；
相同点：
- 设计理念相同，如异常向量表、各种外设操作方法；
- 编程语言C为主，汇编为辅；
- 注重程序的编写、调试、解决问题的能力；
单片机是低层次的嵌入式设备，嵌入式是单片机耳朵高级延伸和必然趋势；
单片机和物联网
物联网的三大部分
- 底层是感知层，主要器件是传感器（光感、电容触摸传感），感知层的主要作用就是使用传感器；
- 感知层收到信息后发给传输层，传输层的核心是无线网络（WIFI、蓝牙、4G、zigbee）;
- 应用层，云服务器（云计算、大数据）；应用层通过大数据分析、云计算手段得到结论，再通过传输层发出操作指令给底层去执行；
单片机是物联网感知层的核心；
单片机的定义
计算机系统的三大组成部分：CPU、内部存储器、IO
- 单片机属于计算机的一种
- CPU是单片机系统的核心部分，别的模块通过总线和CPU进行关联；
- IO就是芯片的引脚，不同的单片机型号有不同的IO数量和定义；
单片机就是一台微型计算机，MCU、单片机、单片微型计算器、微控制器、微控制单元都是一个意思；
ROM、RAM
内存和外存
- 内存和CPU接触比较紧密，内存可以被CPU直接访问，内存可以按照字节为单位随机访问，程序运行时离不开内存、程序中的变量都是定义在内存中的；
- 外存和CPU之间比较远，外存不可以直接被CPU访问，外存一般以块为单位来访问，不能以字节为单位随机访问；
- 外存容量大而且便宜，文件和数据不用的时候放在外存中，需要使用的时候从外存读取到内存，CPU再从内存中读取数据直接使用；
ROM
read only memory，只读存储器，程序运行时只能通过程序自己本身的操作去读而不能写；
常见的ROM：单片机中存储烧录程序的器件就是ROM，烧录的过程就是在写ROM，但是程序运行时不能修改ROM的内容；烧录程序一般要通过烧录器来完成；
storage,存储器，相当于一个仓库，用来存储程序代码；
PC机中只有外存没有ROM，单片机中有ROM没有外存，单片机中程序平时是存储在ROM中，运行时由ROM提供给CPU；
RAM
random access memory ,随机访问存储器；
常见的RAM：从物理上分为，SRAM和DRAM，静态和动态；
单片机中的ROM和RAM
- 单片机中的ROM一般是FLASH（闪存），单片机中的RAM一般都是SRAM，这两个共同构成单片机中的存储体系；
- 协同工作方式：ROM用来存储用户写好编译好的程序，运行时CPU直接从ROM中读取一条条的指令来运行，指令运行的过程中产生的临时数据放在RAM中，即：ROM放程序，RAM放数据；
单片机的工作原理
- 统一的时钟节拍，同步，好多个独立的部分按照统一的步调统一工作，以此来实现一个配合；
- 单片机中的各个模块是同步工作的，模块间通过统一的节拍来工作，这个统一节拍就是单片机的时钟；
- 时钟节拍对单片机很重要，单片机内部在一个时钟节拍内只能做一件事情，所以单片机发现一些变化或者做一些事情的最小时间单位就是1个时钟节拍；单片机的时间单位都是时钟节拍的整数倍；
- 单片机中的CPU、存储器、IO等都是以时钟节拍位动作节拍的，所以单片机是一个同步系统；
- 时钟周期的长度即快慢影响了单片机的速度，所以这个时钟就叫做单片机的主频；主频越高性能越高，PC的主频都是2、3G，51单片机的主频是M Hz级别；一般高级单片机如STM32主频在百M HZ级别；
外设和内部外设
外设
- 外部设备属于单片机中的模块；
- 单片机中除了三大部件，还有一些别的东西，比如：串口控制器，I2C控制器，这些就叫做外设；
- 早起单片机功能很弱小，不具备很多功能，只能外部扩展一些专用的芯片，用来和单片机结合（做到电路板上用导线连接起来）工作，这种产品的核心是单片机，外部配合的这些专用芯片就是外部设备，简称外设；
- 后来随着半导体工业的发展进化，集成电路集成能力变强，直接把常用的外设集成到单片机里去了。所以单片机里就有了一些原来被称为外设的东西；
内部外设
将集成到单片机里面的外设叫做内部外设；
外部外设，就是至今还没有集成到单片机内部的外设；
单片机与电路板
什么是电路板
- 即常说的PCB ，printed circuit board,印刷电路板；
- PCB的作用就是骨架和连接。最终目的就是把所有的原件按照正确的电路图连接起来形成一个完整的可以工作的电路。
- pcb 板 = 基板 + 电路，常用的基板材质都是FR4（玻璃纤维），PCB板是由多层构成的（单面板、双面板、四层、8层、12层、16层、24层板）
- 印刷电路就是在不导电的基板表面按照电路构成来印刷一层导电物质；通常是覆铜，为了避免铜氧化或者与外部导电，外部还有一层油墨，刷油墨时要漏出来焊接点，焊接点一般有两种，一种是插针式、一种是贴片式，焊接点上本来就是铜，但为了方便焊接一般会做镀锡。
- PCB板其实就是硬件电路的载体；
什么是芯片
半导体技术形成的电路，外面的壳是塑料绝缘壳，里面电路通过芯片引脚解出来用于连接外部电路；
芯片和电路板
- 芯片其实就是一个微型的电路板，本身一模一样，早起只有电路板没有芯片，后来半导体工艺发展后有了微型器件，所以吧一些电路利用半导体工艺直接作死到一个芯片中形成了IC；
- 单片机开发板其实就是PCB主板+单片机芯片 +其他芯片+其他外围电路元器件总体构成的，这也是普遍的电子产品的结构；
硬件和软件范畴
硬件
- 电路图的分析和设计
- 原件的选择和参数的确定
- PCB的设计和样板焊接、调试
- 生产跟踪和问题解决
软件
开发、调试、设计需求等；
datasheet
- 即数据手册，其实就是芯片的文档；
- 包含芯片、器件的物理参数、电学参数、时序图、编程需要的信息，所有信息都在数据手册中；
- 由芯片厂商提供，即产品说明书；
原理图和PCB
原理图
- 电路原理设计图，用符号来绘制出的电路连接的逻辑图。
- 由线条、方框、圆圈、数字、字母等组成。
- 原理图中的每一个器件都有一个编号，如IC用U1、U2表示，电容都用C n表示，这个编号是唯一的。
- 芯片类型的器件还会有一个名字，名字一般是器件的信号；
- 大多数器件还有一个参数值，如电容的容量、电阻的阻值；
- 像IC、插座有引脚的器件，编号用数字表示；
- 网络的概念：原理图上2个编号一样的节点其实在逻辑上是连在一起的，等于是分开画了，交界的地方，目的是为了方便画图，避免交错复杂的连线；
见符号含义：
- 直接：表示导线，用来连接原件构成电路
- 方框：表示器件，如：IC、插座
- 特殊设计：电阻、电容、三极管等，特殊符号一些不常见器件；
BOM 表
物料表，物料表是整个电路中用到的所有物料的一张清单。由硬件工程师提供，一般是给生产部门备料记录用的；
PCB
- 产品的设计是按照现有原理图，然后用原理图画出PCB图；
- 原理图和实际器件结合起来后，生成的PCB板的结构图纸，PCB图的作用是拿给PCB板的厂商印刷电路；
单片机的发展
- 主频越来越高
- 内部外设越来越多
- ROM和RAM越来越大，性能越来越强
- 集成其他模块做成专用SOC
主流单片机及各自特点
51单片机
- 低性能、普通
- IP免费，性价比高
PIC系列
- 16位和32位单片机，性能高，适合工业应用
- RISC架构，台系山寨；
ARM Cortex-M系列
- 32位高性能、架构合理、功耗低，主流发展方向；
小结：
单片机是嵌入式和物联网的基础，解释了部分基础的概念～，talk is cheap~
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