单片机小白记录.单片机的概述（一） 总结以下自己在毕业季和最近工作的经验，从当初开始学习单片机，到选了个毕设去搞嵌入式开发，一路上学了磕磕碰碰，也算是有所收获。一方面是对自己的技术进行总结整理（我很想吐槽《微机原理》真的不如《计算机组成结构》讲的通透，但电信专业不学），另一方面刚好因朋友有工作需要，重新整理好几篇学习合集，帮他轻度入门单片机。 这里插一句题外话，真正想学技术，去实习，去工作，去做项目。学校里做的设计和企业中项目的不是一回事，至少你得把操作系统学会，才能说入了工作的门槛。 对于电信和自动化的同学，你要是对单片机感兴趣，这个满篇口水和错误的的文章，滤一遍还是有些干货。 一、单片机是啥？ 我们先来对单片机有个整体上的印象。
来瞅一眼百度词条 简单来说单片机是一种集成电路芯片。这个芯片呢，集成了好多东西如cpu，ram，rom之类的东西，如下图所示，构成了一个小而完善的微型计算机系统。你可以把它理解成一种微控制器（MCU）。
图1 现实里它长什么样呢？如图2是一种芯片，常见的51单片机。
图2 是的，就这一块小小的芯片，就足以实现很多功能了，甚至包括一些遥控智能车。 二、单片机和计算机 为什么说单片机是计算机？这里有一个概念上的区分。 我们日常所说的且常用的计算机，叫做通用计算机。以台式电脑为例，打开其机箱可以见得，其构造大致如下
图3|这机子很有历史的厚重感 你可以看到，尽管通用计算机和单片机之间差异非常大，图3和图1，在硬件构造上两者是有一定类似的。从整体来看，MCU和这台机箱中的部件都可以抽象成这张图 
是的，不管是通用计算机，还是mcu等，这些设备均需要 1用于计算和控制的CPU(Central Processing Unit，中央处理器)，计算机的核心 2存储器，分为内存和外存(也称硬盘，尽管ssd并不硬) 3实现内外间通信的IO接口 4总线 5外部设备 下图是是微型计算机的一个结构框图
源自微机原理 而我们的通用计算机，究其本质，它都符合这样的结构。以图3为例，很明显。
图3 1机箱中有CPU， 2有硬盘和内存插槽作为存储器， 3以及BIOS进行最基本的IO输入输出控制， 4有PCI插槽（Peripheral Component Interconnectio，局部总线）的总线来为其他设备传输数据， （严格来说算IO接口？） 5光驱算是外设的一种，虽然某种意义上他也算存储， 大部分核心部件都集中在主板上，这也是为什么电脑中的主板最为昂贵的原因。 （电器都有电源，这里暂不计入计算机中考虑，尽管它是必不可少的） 当然通用计算机的功能显然会比单片机丰富太多，会多了很多其他外设比如游戏宅们熟悉的显卡，时代的眼泪之光驱，以及散热用的风扇，常用的还有网卡，声卡等等。这些严格意义上不属于计算机核心的内设，但通常人们也不会把他们当成外设。 综上所述，尽管mcu和通用计算机以及手机等一系列智能产品在外观上看起来是如此的不一致，由于其结构和原理他们都算是计算机，拥有着统一的结构，这也是为何我们称单片机构成的系统为微型计算机系统。 三、计算机的运行 在讲解单片机的运行前，我们需要对计算机的结构有一个更深入的理解。 由于很多小白甚至没有学电路分析，更何况模电数电，我这里需要提一下电路知识。在这里，我们主要讲解信号的传输。 1信号的形式和产生 在信号的传输中，我们通常采用电压而非电流，当然这不是绝对的。考虑到两者的联系很紧密，也就是个电阻的关系，那我们为何不选用可以并联测量的电压呢。 计算机的通信本质是0和1，运算本质则是二进制。这是一种数字离散信号，其中0是低电平，1是高电平。可以说是通关不断地开关电路来实现计算的。当然说只有0和1并不绝对，这实际上和通信协议以及编码，调制等有关。一些数据在传输中会使用4进制，比如QPSK，但大多数情况下是二进制的。这里还需要提醒的是，低电平不一定是0v，这取决于通信协议，比如介于0-2v的为低，2-5v为高。 不断地开关电路是如何实现的？使用人工的单刀开关会显得过于愚笨，而更为巧妙的办法是使用三极管。对于初学者，大家只用深刻的理解到，三极管一个主要作用就是电控开关即可。 1和0本质上也就是开和断，这看似简单，但实际上的传输中，门道是很多的。1和0的收和发看似简单，但是究竟是怎么实现的？一个方波，1的输送，本质上却是一种交流电在传输。是的，交流电。
通过对三极管b极电压的控制即可掌握电路的开关并输出波形 方波？波形？示波器测量的是目标区域的电压随时间的变化图，所谓的波形就是电压随时间的变换。 2信号的接收 发送是如此的简单，以至于只用变动开关(三极管通断)即可，可接收呢？对于一个管脚而言，他需要时刻的探测到输入的变化，上次为1下次可能就为0。但问题在于，如果发送方发送连续的1，接收方怎么知道这是几个1？毕竟一个连续的方波中有无数的1。 这又是如何实现的呢？这就是通信协议的作用。接收方会有一个稳定的采样频率，周期性的对用于接收的管脚进行稳定的采样，采样期间接收管脚处的电压为1，则此刻接收到的信号为1，而其余时刻我们并不关心。这样接收双方规定好通信频率，做到通信消息的同步即可稳定的传输信号。 接受方的采样还有一个好处，即信号的失真能的到较好的规避，下图为一个方波/脉冲经过电容后的波形，显然，这个方波因电路原因出现了较大的失真，但只要采样期间我们采样仍然为1，其结果就并无差错。我们甚至不关系此时电压是多少伏，这也是数字信号相对于模拟信号的优势所在，较强的抗干扰能力。
3信号的时序和存储 到了这里，我们就发现，通信中有了时间的概念，我们的收发需要协调一致，那我们应该何时判断此时应该采样还是应该置之不理？这是通过时钟信号来实现的。时钟信号是时序电路的核心所在，其频率的高低决定了电路的运行速度的快慢，这也是为何计算机的cpu频率越大，性能越好的原因。（时序信号主要是为了同步，但异步cpu也可以不用时钟） 简单介绍一下具有记忆能力D触发器，这是计算机中实现采样或者说存储的核心器件，也是芯片的重要组成件。
如图所示的最左边即为D触发器。在clk时钟的影响下，它输出将变成输入。对，就这么简单。 对于仅仅的采样而言，d触发器似乎能圆满的完成任务。反正clk来了就行嘛，采样频率的时候变一下即可。 但采完样我们还是需要存储数据的，有的数据会直接发给cpu或者别的器件，有的数据仍需要暂缓，因为目标器件很有可能正忙。可clk时钟对所有器件而言都是同步的，管理着所有的器件的时序。这意味着用于缓冲存储是必要的，更何况部分数据我们希望直接存起来。 作为一个存储，我们会选择什么时候应该存，什么时候应该取。尽管clk必不可少，但它不是决定性因素。存储器应该有维持存储数据不变的反馈电路所在，但同时，也需要有控制其更新数据的功能。而如图最右边所示，在d触发器输入前加一个选择电路。没错，默认保持原状，load开启后则随clk更新。 这样一个一位的存储器就搭好了。当然，现代的存储器肯定不止一位，采用的原理也不同，也比这更先进，但这至少能解释为何时钟信号如此重要，以及存储是如何实现的。 4信号的运算和处理 2进制是一种很神奇的进制，我相信通信相关专业的人都深有体会。这或许是源于指数爆炸的原因，但这仅仅几位bit(位)，能表达的范围是超乎人们的想象。尽管10位bit，2^10才等于1024，这意味着你的10根手指可以计数到1024，尽管大多数人表示10都要用两只手。可若是20位bit，就能达到恐怖的。而与二进制相结合的数字技术，信息的表示形式直接被抽象成了0和1，其抗干扰能力与模拟信号真是云泥之别。 模拟信号可以通过采样的方式被平滑的转化成数字信号，这使得用计算机处理现实中复杂的数据成为了可能。将并非二进制的离散的数字信号用二进制表示，或许也不用，只要能传输即可，这样cpu就可以对这些原本的模拟信号进行处理。 一个字节有8位，而4个bit刚好能表示16进制的一位。所以，0xff即1111 1111是一种很常见的数据。 而如何用二进制数据表示各种各样的信息？这一般是通过编码完成的，比如ASCII码就是一种非常常用的编码方式(American Standard Code for Information Interchange)，采用串口通信时，若发送数值65，16进制0x41，就会被表示成字符’A’。 ASCII 编码最后一次更新是在 1986 年，迄今为止共收录了 128 个字符，包含了基本的拉丁字母（英文字母）、阿拉伯数字（也就是 ）、标点符号（,.!等）、特殊符号（@#$%^&等）。128位基本囊括键盘中的键位，和部分特殊字符。键盘打字某种意义上可以说是在发送ASCII码。 计算机大部分活动都是通过cpu进行的，其中涉及到数据的传入计算和传出存储。 总结一下：计算机是进行二进制计算的，这些0和1即高低电平或者说开和断，这是通过三极管的通断实现的。0和1的传输形式是交流电，通信双方规定了通信频率，高低电平的电压等。鉴于信号传输有了先后的问题，为了同步，我们就需要时钟来对电路进行时序的管理，并协调存储。 至此，我们已经对计算机在电路方面的基本原理有了一个粗浅但相对专业的认识，下面我们将从步入正题 待更新 四、总结 待更新
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