【微控制器學習】第二課：微控制器是什麼東西
第一部分、章節目錄
1.2.1.從電路到積體電路
1.2.2.計算機的核心裝置CPU
1.2.3.給微控制器下個定義
1.2.4.ROM與RAM
1.2.5.微控制器的工作原理
1.2.6.外設與內部外設
1.2.7.微控制器與電路板
1.2.8.軟體與硬體的區別和聯絡
1.2.9.硬體工程師主要工作職責
1.2.10.軟體工程師主要工作職責
1.2.11.datasheet的重要性
1.2.12.原理圖和PCB圖
1.2.13.需要什麼開發工具
第二部分、隨堂記錄
1.2.1.從電路到積體電路
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。電子裝置越來越省電，待機時間越來越長，工作電壓越來越低。
(因為整合性越來越好，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)、三極體）
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、電晶體等(器件越來越小)
1.1.2.4、積體電路的出現
(1)IC（integrated circuit，積體電路），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）才能實現一個電路功能（譬如一個加法器，完成加法運算）。
然後有了微器件之後，這個電路板的體積變小了，越來越小，最後小到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晶片。(設計起來簡單，製作難，所以晶片製造很難)
(3)晶片（IC、積體電路）其實就是：裡面餡是電路，外面的殼就是絕緣體殼，裡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幹嘛的，是IC設計製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麼用。
1.2.2.計算機的核心裝置CPU
CPU相對於計算機之於人腦對於人
1.2.2.1、物理角度：CPU就是一塊超大規模積體電路，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，原始的視訊流經過運算編碼到LCD顯示屏）
DSP偏向於運算器的CPU。MCU偏向於控制器。
(2)CPU = ALU(算數邏輯單元) + cache(快取記憶體cpu和記憶體之間做快取，一級二級快取L1、L2) + Bus(匯流排：把電路模組連線起來)
(3)CPU = 組合指令 + 暫存器(程式設計介面，程式設計其實就是在操作暫存器)。你們也寫過組合語言操作暫存器吧。mov
1.2.2.3、CPU的工作原理
(1)CPU通過匯流排從記憶體取出指令到內部，然後譯碼，然後執行（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)給微控制器程式設計其實就是給CPU寫指令序列（我們的語言-->編譯得到）
1.2.3.給微控制器下個定義
1.2.3.1、計算機系統三大組成部分：CPU、內部記憶體、IO（主框架）
(1)微控制器屬於計算機的一種
(2)IO就是input/output，也就是輸入輸出。譬如鍵盤、滑鼠、觸控式螢幕等就是輸入裝置，而LCD顯示器、音效卡等就是輸出裝置。
(3)內部記憶體是離不開的：
SRAM（靜態隨機記憶體）Flash(快閃記憶體) cache(快取) DRAM(動態隨機儲存) 隨機記憶體就是記憶體。
1.2.3.2、微控制器的結構框圖分析
(1)我們來看微控制器這個計算機系統的結構框圖。
(2)框圖中的方塊是組成部件、箭頭表示匯流排Bus
(3)CPU處於微控制器系統的核心位置，別的模組都通過匯流排和CPU進行關聯。別的模組之間一般沒有匯流排直接相連，有時候2個互相有關係的模組也會有匯流排直接相連。
(4)IO其實就是晶片上的引腳(上圖有39個)，不同的微控制器型號有不同的IO數量和定義。
1.2.3.3、如何定義微控制器
(1)微控制器就是一臺微型計算機。
(2)臺式電腦或者筆記型電腦（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)微控制器這臺計算機的所有零件全部做在了一個IC內部，並且出廠前被塑料殼封裝起來了。傳統計算機中的主要部件微控制器都有，都整合到內部去了。
(4)MCU的概念（參考百度百科詞條：MCU），所以說大家看到：微控制器、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：為什麼這麼多名字？因為中文組合太多，剛開始一個人一個翻譯法）
1.2.4.ROM與RAM
1.2.4.1、計算機中的2種記憶體
(1)計算機要記憶體幹嘛
(2)記憶體：
- 記憶體和CPU接軌比較緊密，
- 記憶體可以被CPU直接存取，
- 記憶體可以按照位元組為單位來隨機存取、
- 程式執行時離不開記憶體、程式中的變數都是定義在記憶體中的。
- 記憶體受限於物理技術和成本，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直接存取，
- 外存一般以塊為單位來存取，不能以位元組為單位隨機存取。
- 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，計算機系統是這樣工作的：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，然後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，唯讀記憶體，意思是隻能讀不能寫。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這裡的唯讀意思是：程式執行時只能通過程式自己本身的操作去讀而不能寫。
(2)常見的ROM：微控制器中用來儲存使用者燒錄的程式的器件就是ROM，燒錄的過程其實就是在寫ROM，但是程式執行時是不能修改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修改好再燒寫覆蓋。
(3)storage，記憶體，含義有點像倉庫儲存東西。ROM就有點類似於倉庫，用來儲存程式程式碼。
(4)ROM有點像外存的概念，但是並不完全相等。主要是因為計算機系統有不同的設計方法，譬如PC機和微控制器的設計就不相同。PC機中有外存沒有ROM，微控制器中有ROM沒有外存。微控制器中程式平時是儲存在ROM中，執行時由ROM直接供給CPU。
1.2.4.3、RAM
(1)random access memory，隨機存取記憶體
(2)常見的RAM：從物理上來講，主要分為SRAM和DRAM，微控制器中一般使用的都是SRAM，嵌入式SoC中和PC機中用的都是DRAM
(3)memory，記憶體，專指的是計算機的記憶體
1.2.4.4、微控制器中的ROM和RAM
(1)微控制器中的ROM一般是Flash（快閃記憶體），有些地方會看到叫flash memory；微控制器中的RAM一般都是SRAM；這兩個共同構成微控制器中的儲存體系。
(2)ROM和RAM的協同工作方式是：ROM用來儲存使用者寫好編譯好的程式(像硬碟)，執行時CPU直接從ROM中讀取一條一條的指令來執行，指令執行過程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是微控制器用來放程式的，RAM是用來放資料的。
1.2.5.微控制器的工作原理
1.2.5.1、主要器件負責幹嘛？CPU、記憶體、IO
CPU：運算(數學運算)和控制(電平控制）
記憶體：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)這裡有一個概念叫：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，以此來實現一個配合。
（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非同步，非同步就是各自幹各自的。
(3)微控制器的各個模組之間是同步工作的，CPU和記憶體和IO和微控制器中其他東西這些模組之間通過一個統一的節拍來同步工作，這個統一節拍就是微控制器的時鐘。(時鐘訊號)
(4)這個時鐘節拍對微控制器很重要，微控制器內部在一個時鐘節拍中只能做一件事情。所以微控制器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。微控制器的時間單位都是時鐘節拍的整數倍。
時脈頻率：是指同步電路中時鐘的基礎頻率，它以「若干次週期每秒」來度量，量度單位採用SI單位赫茲（Hz)。晶振+晶振電路
(5)微控制器中的CPU、記憶體、IO等都是以時鐘節拍為動作節拍的，所以微控制器是一個同步系統。
(6)時鐘週期的長度（時鐘節拍的快慢）影響了微控制器的速度，所以這個時鐘就叫做微控制器的主頻。主頻越高效能越高，一般PC的主頻都是2G多3G多，51微控制器的主頻MHz級別。一般手機CPU的主頻也在1G-2G左右。一般高階微控制器如STM32的主頻在百MHz級別。
1.2.6.外設與內部外設
1.2.6.1、什麼是外設
(1)外設英文叫peripheral，全稱為外部裝置。屬於微控制器中的模組
(2)微控制器中除了三大部件（CPU、IO、記憶體）外，還有一些別的東西，譬如串列埠控制器、譬如I2C控制器等····這些東西就叫外設。
(3)早期微控制器功能很弱小，不具備很多功能（譬如中斷功能、譬如串列埠通訊功能），那我們用微控制器做產品，只能外部擴充套件一些專用晶片（中斷控制有中斷控制器晶片，串列埠通訊我們有串列埠通訊晶片）來和微控制器結合（做到一塊電路板上用導線連線）起來工作。這種產品設計中核心部分就是微控制器，外部配合的這些專用晶片就是外部裝置，簡稱外設。
(4)後來隨著半導體工業發展進化，積體電路的整合能力變強大了，我們乾脆就把一些常用的外設直接整合到微控制器裡邊去了。所以微控制器裡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、什麼叫內部外設
(1)為了區分原來的「外設」，將整合到微控制器裡邊的外設叫做內部外設。
(2)還有外部外設，就是至今仍然沒有整合到微控制器內部，還在外部的那些外設。
1.2.7.微控制器與電路板
1.2.7.1、什麼是電路板（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線。最終目的就是把所有的原件按照正確的電路圖連線起來形成一個完整的可以工作的電路。
(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) 。最後形成的就是一個裡面的芯是不導電的FR4，外面有一層構成了電路的銅（標準術語叫覆銅），為了避免銅氧化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、什麼是晶片
(1)晶片就是：芯是半導體技術形成的電路，外面的殼是塑料絕緣殼，裡面電路通過晶片引腳接出來用於連線外部電路。
1.2.7.3、晶片方式和電路板方式的關係
(1)相同點。晶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晶片，後來半導體工藝發展後有了微型器件，所以人把一些電路利用半導體工藝直接做死到一個晶片中去形成了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晶片+電路板。能做到晶片裡面的都做進去（趨勢是越來越進去的多），實在不能做成晶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機板非常大，而新式的智慧電視機主機板就是一個大晶片+很少的外圍裝置。
(4)微控制器開發板其實就是PCB板主機板+微控制器晶片+其他晶片+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絡
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)主要工作方式和核心任務
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.硬體工程師主要工作職責
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、偵錯
1.2.9.4、生產跟蹤和問題解決
1.2.10.軟體工程師主要工作職責
1.2.10.1、初級軟體工程師：輔助測試、寫程式碼、維護
1.2.10.2、中級軟體工程師：獨立工作、對產品負責、解bug
1.2.10.3、高階軟體工程師：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）->找到工作->學習和鍛鍊->中級->高階/轉方向
1.2.11.datasheet的重要性
1.2.11.1、什麼是datasheet
(1)datasheet就是資料手冊，其實就是晶片的檔案。
(2)資料手冊中描述的都是這個晶片/器件的物理引數、電學引數、時序圖、程式設計需要的資訊、別的資訊。總的來說這個晶片的所有有用的資訊都在資料手冊中，使用這顆晶片過程中的任何疑問都可以去datasheet中查詢。
(3)我們學習微控制器軟體開發過程中，要不斷去查詢各種晶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是由晶片廠商提供的。datasheet其實就是晶片的產品說明書。
1.2.11.3、datasheet從哪裡來？
(1)最官方最權威的途徑就是到晶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)將晶片型號資訊敲到百度去搜尋其資料手冊
1.2.11.4、datasheet應該怎麼使用？
(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後一頁，更不用試圖是記住。
(2)資料手冊一定要先瀏覽一遍。尤其對於剛開始學習的人。瀏覽的目的是大概知道什麼東西在哪裡（將來用到時大概知道到哪裡去找），裡面一些概念基本理解，但是並不是為了記住。
(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，後面的瞭解即可），用到某個具體知識時再根據前面瀏覽時的瞭解去具體查詢資料手冊中相關部分，這時候再去認真看。
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，就是用符號來繪製出的電路連線的邏輯圖。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、數位、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，是用來連線原件構成電路的。
方框：表示器件，如IC、插座、
常見符號：如電阻、電容、三極體等···
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)原理圖中晶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，引腳編號用數位表示。
(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，讓圖不會導線連線的跟蜘蛛網一樣。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，然後用原理圖畫出PCB圖
(2)PCB圖是原理圖和實際器件結合起來後，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)對與軟體工程師來說，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.需要什麼開發工具
1.2.13.1、軟體開發工具：
1.2.13.2、輔助硬體工具：
(1)萬用表
(2)焊接套裝