前言

正在寫作這篇文章的筆者是一名大四的軟件工程學(xué)生，因為實習(xí)工作的需要，奉命研究單片機開發(fā)，所以我所扯的內(nèi)容可能更適合跟我的情況比較相同的人。
如果你懂一些計算機原理和C語言開發(fā)，讀下面的文章就不會很費勁。但如果不懂也沒關(guān)系，那就交叉學(xué)習(xí)吧。

什么是單片機

從CPU說起。

CPU(Central Processing Unit, 中央處理器)

CPU由運算器、緩存器及總線構(gòu)成。其中，運算器是指ALU(Arithmetic logic unit，算術(shù)邏輯單元)，是CPU的核心；緩存器（Cache）可分為一級緩存、二級緩存和三級緩存，容量逐步遞增，讀寫速度速度遞減，成本遞減；總線（Bus）分為數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)三種。典型代表：8086。

• 物理結(jié)構(gòu)
  從物理結(jié)構(gòu)上看，CPU可分為邏輯部件、寄存器部件和控制部件。邏輯部件主要用于定點或浮點算術(shù)運算操作、移位操作和邏輯操作；寄存器部件可分為通用、專用和控制。每一種寄存器都有它自己的用處；控制部件主要用于指令譯碼和發(fā)出控制信號。
• 性能參數(shù)
  作為數(shù)據(jù)處理的中心，最主要的參數(shù)可以說是主頻和外頻了。先說外頻，外頻是基準(zhǔn)頻率，它決定了主板的運行速度，人們所說的超頻，超的就是外頻。
  主頻=外頻倍頻*
  主頻，又叫時鐘頻率。由上述公式可以看出主頻由外頻決定。主頻表示CPU內(nèi)數(shù)字脈沖信號震蕩的速度，它可以說明CPU的運算和處理數(shù)據(jù)的速度。簡而言之，主頻越高，CPU越快。CPU每做一個動作，處理數(shù)據(jù)或發(fā)布命令，都要隨著主頻的節(jié)奏來。所以這是個很有節(jié)奏感的東西。

計算機(Computer)

依照馮諾依曼體系，計算機的五大組成部件為運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。其中運算器和控制器合起來就是CPU；存儲器又可以拆分為內(nèi)存和外存；輸入和輸出設(shè)備就是鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器等。

• 處理器
  運算器和控制器可以合稱為處理器，CPU主要就是這兩個部件。前者負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，后者發(fā)布命令。
• 存儲器
  存儲器主要是指內(nèi)存（RAM，Random Access Memory，隨機存取存儲器）,靠電容的充放電存儲電容信號進而可在邏輯上表示數(shù)字信號。由于電容充放電速度很快，所以內(nèi)存的讀寫速度僅次于CPU中的緩存。但又因為是電容，所以無法在不通電的情況下存儲這些信息。這樣就催生了ROM，為了保存數(shù)據(jù)但只能寫入一次的只讀存儲器。再后來為了能擦了重寫就出現(xiàn)了EPROM和EEPROM等可擦寫ROM。硬盤、U盤等都是前者的衍生物，他們都統(tǒng)稱為外存（external storage），其主要作用就是在斷電的時候能夠保存數(shù)據(jù)。因為涉及到物理動作（掰硬盤里面的小磁針、在光盤上燙洞），所以相對于內(nèi)存的速度要慢上要幾個檔次。
• I/O
  I/O就是與之交互的基礎(chǔ)了，通過輸入設(shè)備來告訴它，通過輸出設(shè)備來告訴你。就是機器交互的耳朵和嘴了。

單片機（MCU, Microcontroller Unit）

是一種集成電路(IC, Integrated Circuit)，其實應(yīng)該叫微控制器，單片機這個名字主要是指之前的SCM(Single Chip Micyoco, 嗯… Micyoco是個神奇的單詞)。而現(xiàn)在MCU是由SCM發(fā)展而來的，在高級點就可以說是SoC(System on Chip)。但后面的我所提到的單片機就是說MCU啦（因為我主要玩了下51單片機，這個是什么鬼我后面會說）。

說正事兒，單片機可以說是“濃縮的計算機”而不是“濃縮的CPU”，首先維基百科對他的解釋是：

a small computer on a integrated circuit。

其次是因為它內(nèi)部不僅僅有運算器、控制器和寄存器這種CPU三件套，他還常封裝有RAM、ROM這種存儲器部件，還有I/O口供人們編程及操作。所以總結(jié)來說，他有處理器、存儲器和I/O，也算是符合馮諾依曼體系的“濃縮計算機”。

• 應(yīng)用領(lǐng)域
  說到這種“濃縮計算機”的應(yīng)用，可以說是廣到?jīng)]朋友。智能儀表、實時工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等等。隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)時代的到來，單片機可謂再一次大展神威，我們手中的控制端可能是手機這種高級玩意兒，但是用來控制設(shè)備電路的接收端就是單片機要做的事情了。讓家用電器接入網(wǎng)絡(luò)，就是在其內(nèi)部放一塊帶Wifi模塊的單片機即可。
• 封裝類型
  剛才說到它算一個計算機，他的那些部件都是怎么放在一起的？這就涉及到封裝問題了。以下列出主要的單片機封裝形式。

這里不做詳細(xì)描述，具體資料可點擊封裝名稱進入查閱。

51單片機

你若是初學(xué)單片機，并且直接上網(wǎng)去查“單片機入門”之類的關(guān)鍵詞，你絕對會看到“51單片機什么什么的”。誰知道51單片機是啥玩意，一開始我還以為51是個牌子，然后就開始吐槽滿世界的廣告啊，能不能安安靜靜的學(xué)個單片機啊。

什么是51單片機

百度百科的摘要是這樣說的：

51單片機是對所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機的統(tǒng)稱。該系列單片機的始祖是Intel的8004單片機，后來隨著Flash rom技術(shù)的發(fā)展，8004單片機取得了長足的進展，成為應(yīng)用最廣泛的8位單片機之一，其代表型號是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。很多公司都有51系列的兼容機型推出，今后很長的一段時間內(nèi)將占有大量市場。51單片機是基礎(chǔ)入門的一個單片機，還是應(yīng)用最廣泛的一種。需要注意的是51系列的單片機一般不具備自編程能力。

維基百科是這樣說的：

The page "51-MCU" does not exist. You can ask for it to be created, but consider checking the search results below to see whether the topic is already covered.

嗯，看來這個詞是國內(nèi)出來的。根據(jù)百度百科上的內(nèi)容我們可以了解到如下信息

• 這跟“51”有個蛋的關(guān)系啊？！
  后來了解到，這款單片機的起點是Intel的MCS51系列單片機，此系列包括：8031，8051，8751，8032，8052，8752等，后來Intel普度眾生，將技術(shù)傳了下去。人們將后來的那些單片機都統(tǒng)稱為51單片機。

• 那為毛我入個門就給我個51單片機啊？！
  因為此款單片機應(yīng)用非常廣，而且支持在線編程(ISP, In-System Programmability)，用它可以搭建比較為復(fù)雜的系統(tǒng)，相較于其他8位單片機（AVR、PIC）而言，他出現(xiàn)較早，可以獲取大量學(xué)習(xí)資料。所以…

引腳

單片機的操作向來靠引腳，51系列也不除外。常見的是40腳DIP封裝，以此為例說說以下幾類引腳。

• 電源

關(guān)于電平的資料請參考：邏輯電平

• 時鐘

• 編程控制

• I/O

P3第二功能定義：

擴展的關(guān)鍵字

單片機編程支持匯編和C，其他的我沒用過也不太清楚。如果入門的話最好的選擇就是C啦，首先你很有可能學(xué)過C，就算沒學(xué)過也很好上手，去買本譚浩強的《C程序設(shè)計》吧。

除了標(biāo)準(zhǔn)的ANSI C關(guān)鍵字外，單片機編程還擴展了如下幾個類型的關(guān)鍵字：

• 位標(biāo)量說明

• 特殊功能寄存器聲明

• 存儲器類型說明

• 其他

STC89C52

我的第一個實體單片機開發(fā)，就是這款了，STC89C52，可以說是增強型8051單片機。來，先看一下它的配置：

• 處理器

• 物理參數(shù)

• 存儲器

• 功能

• 可選模式

我的這款的具體型號為：STC89C52_35I_PDIP40_1550HHT352.C90C
關(guān)于標(biāo)識命名規(guī)則請參閱：STC全系列芯片命名規(guī)則說明

軟件準(zhǔn)備

既然要編程，我們就需要開發(fā)環(huán)境，你可以選擇Keil，也可以選擇加載Keil插件的Eclipse。
代碼寫好后，通過編譯器編譯成單片機可以識別的機器碼。機器碼通常會保存為.hex文件，這個文件可以用那些十六進制文件查看器查看。這個文件的數(shù)據(jù)要寫入到單片機的程序存儲器中，通常為一個ROM。通常買的開發(fā)板都會集成串口及其芯片，還有配套的下載軟件。你只需要安裝好它的串口芯片的驅(qū)動程序，然后用下載器直接下載就好。如果是自己焊的板子就會麻煩一些了。這里不做說明，因為筆者還沒干過。
還有一種就是通過Proteus模擬，在沒有實體板的情況下可以考慮這種方式。Proteus可以模擬單片機的邏輯線路和演示效果。向里面的邏輯單片機下載程序的話，更是十分方便，在Proteus內(nèi)可以很方便的操作完成。若是要模擬單片機與PC通信，那你就需要一個模擬串口連接的程序了---VSPD(Virtual Serial Port Driver)。

• 列個清單

一個軟工狗的總結(jié)

作為一個軟工狗，我對我們專業(yè)的理解是更專注于一個軟件的工程項目的始終而不是技術(shù)實現(xiàn)，偏向于“工”。而單片機開發(fā)是更加貼近計算機底層的一種開發(fā)，更偏向于“理”，而且也不會采用面向?qū)ο蟮乃枷搿Ｋ裕绕鹬八龅木W(wǎng)頁開發(fā)也好，客戶端開發(fā)也罷，都顯得更加不友好。

• 內(nèi)存可能不夠用
  在開發(fā)過程中會開始考慮內(nèi)存夠不夠用這種問題，這個是現(xiàn)代IT學(xué)子幾乎不會考慮的問題，不說電腦，手機的內(nèi)存都大的一腿，但是來到單片機的地盤，你就得考慮了，考慮好不要動不動就上個double（我目前用的最長的變量類型也就是unsigned int），而且為了拓展范圍長度還要考慮是不是要把變量聲明稱無符號類型，更嚴(yán)重的情況可能還要掰指頭數(shù)清楚你的變量有沒有聲明的太多。
• 一切從優(yōu)
  也是因為硬件資源的限制，所以在做一些實現(xiàn)的時候你不能只考慮如何實現(xiàn)，還要考慮單片機吃不吃得起你的代碼。所以在這個領(lǐng)域，面向?qū)ο筮@種思想是基本棄用的（面向?qū)ο蟮乃枷胂騺硎菍Τ绦騿T友好，對機器不太友好的）。考慮好你程序的時間及空間復(fù)雜度，因為單片機不僅內(nèi)存小，主頻一般也特別低。
• 二進制是爸爸
  好好的鞏固一下之前所學(xué)的C語言吧，還有二進制操作才是爸爸級別的操作。說到這一點其實還是因為硬件資源的限制。各種且或非、異或、移位會讓代碼變得高效，雖然我們之前并不習(xí)慣這樣做。其實很多牛逼的程序員都會很擅長使用二進制操作，因為這樣很對機器的口味（1024吧，湊個整）。
• 很好玩！
  不像客戶端或web開發(fā)，我們只是在調(diào)用，很少有思維上的突破。我覺得單片機開發(fā)會更靈活，你可以去網(wǎng)上花十塊錢不到買各種小部件添加上去調(diào)用著玩。自己設(shè)計小型自動電路是我覺得再有趣不過的事情了。
• 怎么個開始
  要是沒學(xué)過C語言，先去把C學(xué)了。若是學(xué)好了，那就了解基礎(chǔ)知識后直接實戰(zhàn)。關(guān)于實戰(zhàn)，我的建議是，先在Proteus上模擬，等稍微熟練再往實體開發(fā)板里寫。一個是因為Proteus模擬，能簡單實踐一下畫板子，可以學(xué)習(xí)簡單的線路，但又不像真正畫板子那樣麻煩。另一個是因為單片機的程序存儲器的擦寫次數(shù)是有限的，雖然這個次數(shù)也不用特別在意，但是能少一次就少一次嘛。到了實體開發(fā)板階段，就不是為了驗證你的程序邏輯了，而是解決實際問題，因為Proteus并不會完美模擬出實際情況，這也是由模擬到實踐的真正過度。最后，可以自己買各種工具（洞洞板、錫絲、松香、烙鐵、吸錫器、烙鐵架）來焊個板子，在自己焊的板子上編程。這樣就完成了從焊到編再到實現(xiàn)的一條龍DIY。

我很推薦軟工狗們嘗試單片機開發(fā)，因為這可以讓你對計算機原理和底層有更深的認(rèn)識，還可以體會到設(shè)計并實現(xiàn)各種DIY小器件的樂趣。望各位就著汗水盡情釋放創(chuàng)造力吧！

玩的開心~