单片机到底是什么？详解

1 从电阻到软件系统电阻

1.1 电阻产业发展变动的态势

(1)输出功率。电子系统愈来愈省电，待机愈来愈长，工作频率愈来愈低。

(2)表面积。表面积愈来愈小。

(3)机能。机能愈来愈强悍。

1.2 微电子元件的再次出现

(1)电阻的核心理念：控制器掌控、放大率掌控。

(2)真空管、电晶体等。

1.3 软件系统电阻的再次出现

(1)IC（integrated circuit，软件系统电阻），是采用微电子元件为乐高，去构筑具有很大机能的两个电阻板。

(2)从前没微电子元件的这时候，要非常大几块电阻板就可以同时实现两个电阻机能（例如两个预测器，顺利完成乘法演算）。接着有了微电子元件后，那个电阻板的表面积变大了，愈来愈小，最终小到mm等级即使更小，他们就把那个电阻做在一同，用塑胶机壳PCB出来就逐步形成了我们看见的IC晶片。

(3)晶片（IC、软件系统电阻）只不过是：里头馅是电阻，外边的壳是超导体壳，里头的电阻透过机壳上抓回的许多插口（板材的）来与IC内部并行。

(4)IC有啥个插口，每两个插口的促进作用是干甚么的，是IC结构设计锻造的这时候就早已下定决心的，他们领到IC采用时要去读IC的统计数据指南来晓得那个插口是不是用。

2 计算机系统的核心理念电子设备CPU

CPU是几块Sierentz软件系统电阻，CPU的其本质是电阻。

2.1 CPU（Central Processing Unit，微处理器）

(1)CPU = 托季马 + 掌控器

(2)CPU = ALU + cache + Bus

(3)CPU = 编订指令 + 寄存器

2.2 CPU的工作原理

(1)CPU透过总线从存储器取出指令到内部，接着译码，接着执行。

(2)一条指令包括：指令码+统计数据。

(3)执行指令反应为两个掌控操作或者两个数学演算。

(4)给电脑系统编程只不过是给CPU写指令序列。

3 给电脑系统下个定义

3.1 计算机系统系统三大组成部分：CPU、内部存储器、IO

(1)电脑系统属于计算机系统的一种。

(2)IO是input/output，也是输入输出。例如键盘、鼠标、触摸屏等是输入电子设备，而LCD显示器、声卡等是输出电子设备。

3.2 电脑系统的结构框图分析

(1)他们来看电脑系统那个计算机系统系统的结构框图。

(2)框图中的方块是组成部件、箭头表示总线Bus。

(3)CPU处于电脑系统系统的核心理念位置，别的模块都透过总线和CPU进行关联。别的模块之间一般没总线直接相连，有这时候2个互相有关系的模块也会有总线直接相连。

(4)IO只不过是晶片上的插口，不同的电脑系统型号有不同的IO数量和定义。

3.3 如何定义电脑系统

(1)电脑系统是一台微型计算机系统。

(2)台式电脑或者笔记本电脑（这种计算机系统叫PC）也是一种计算机系统系统，这种计算机系统系统由很多个零部件组成。这些零部件由不同的厂商生产，可以去组合组装成一台电脑。

(3)电脑系统这台计算机系统的所有零件全部做在了两个IC内部，并且出厂前被塑胶壳PCB出来了。传统计算机系统中的主要部件电脑系统都有，都软件系统到内部去了。

(4)MCU的概念（参考百度百科词条：MCU），所以说我们看见：电脑系统、单片微型计算机系统、MCU、微掌控器、微掌控单元等，都是两个意思。

4 ROM与RAM

4.1 计算机系统中的2种存储器

(1)计算机系统要存储器干甚么

(2)内存：内存和CPU并行比较紧密，内存可以被CPU直接访问，内存可以按照字节为单位来随机访问、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。内存受限于物理技术和成本，容量比较小而贵；内存速度比外存快很多，CPU的速度比内存的速度快好多。

(3)外存：外存和CPU之间比较远，外存不可以被CPU直接访问，外存一般以块为单位来访问，不能以字节为单位随机访问。外存容量大而便宜，外存速度比内存慢好多。

(4)综合来说，计算机系统系统是这样工作的：文件和统计数据不用的这时候就放在外存中，要用的这时候从外存读取到内存，接着CPU再从内存中读取统计数据来直接采用。

4.2 ROM

(1)read only memory，只读存储器，意思是只能读不能写。实际上世界上根本不存在真正的只能读不能写的电子元件，他们ROM这里的只读意思是：程序运行时只能透过程序自己本身的操作去读而不能写。

(2)常见的ROM：电脑系统中用来存储用户烧录的程序的电子元件是ROM，烧录的过程只不过是在写ROM，但是程序运行时是不能修改ROM内容的。烧录程序一般要透过烧录器来顺利完成。

(3)storage，存储器，含义有点像仓库存储东西。ROM就有点类似于仓库，用来存储程序代码。

(4)ROM有点像外存的概念，但是并不完全相等。主要是因为计算机系统系统有不同的结构设计方法，例如PC机和电脑系统的结构设计就不相同。PC机中有外存没ROM，电脑系统中有ROM没外存。电脑系统中程序平时是存储在ROM中，运行时由ROM直接供给CPU。

4.3 RAM

(1)random access memory，随机访问存储器。

(2)常见的RAM：从物理上来讲，主要分为SRAM和DRAM，电脑系统中一般采用的都是SRAM，嵌入式SoC中和PC机中用的都是DRAM。

(3)memory，存储器，专指的是计算机系统的内存。

4.4 电脑系统中的ROM和RAM

(1)电脑系统中的ROM一般是Flash（闪存），有些地方会看见叫flash memory；电脑系统中的RAM一般都是SRAM；这两个共同构成电脑系统中的存储体系。

(2)ROM和RAM的协同工作方式是：ROM用来存储用户写好编译好的程序，运行时CPU直接从ROM中读取一条一条的指令来运行，指令运行过程中产生的临时统计数据放在RAM中。所以基本可以理解为：ROM是电脑系统用来放程序的，RAM是用来放统计数据的。

5 电脑系统的工作原理

5.1 主要电子元件负责干甚么？CPU、存储器、IO

5.2 统一的时钟节拍

(1)这里有两个概念叫：同步。同步是好多个独立的部分按照同两个节奏步调来动，以此来同时实现两个配合。

(2)和同步相对的两个概念叫异步，异步是各自干各自的。

(3)电脑系统的各个模块之间是同步工作的，CPU和存储器和IO和电脑系统中其他东西这些模块之间透过两个统一的节拍来同步工作，那个统一节拍是电脑系统的时钟。

(4)那个时钟节拍对电脑系统很重要，电脑系统内部在两个时钟节拍中只能做一件事情。所以电脑系统要发生许多变动或者做许多事情，最小的时间单位是1个时钟节拍。电脑系统的时间单位都是时钟节拍的整数倍。

(5)电脑系统中的CPU、存储器、IO等都是以时钟节拍为动作节拍的，所以电脑系统是两个同步系统。

(6)时钟周期的长度（时钟节拍的快慢）影响了电脑系统的速度，所以那个时钟就叫做电脑系统的主频。主频越高性能越高，一般PC的主频都是2G多3G多，51电脑系统的主频MHz等级。一般手机CPU的主频也在1G-2G左右。一般高级电脑系统如STM32的主频在百MHz等级。

6 外设与内部外设

6.1 甚么是外设

(1)外设英文叫 peripheral ，全称为内部电子设备。属于电脑系统中的模块。

(2)电脑系统中除了三大部件（CPU、IO、存储器）外，还有许多别的东西，例如串口掌控器、例如I2C掌控器等····这些东西就叫外设。

(3)早期电脑系统机能很弱小，不具有很多机能（例如中断机能、例如串口通信机能），那他们用电脑系统做产品，只能内部扩展许多专用晶片（中断掌控有中断掌控器晶片，串口通信他们有串口通信晶片）来和电脑系统结合（做到几块电阻板上用导线连接）出来工作。这种产品结构设计中核心理念部分是电脑系统，内部配合的这些专用晶片是内部电子设备，简称外设。

(4)后来随着半导体工业产业发展进化，软件系统电阻的软件系统能力变强悍了，他们干脆就把许多常用的外设直接软件系统到电脑系统里边去了。所以电脑系统里边就有了许多原来被称为外设的东西，但是叫法名称还是沿用了开始的名称。

6.2 甚么叫内部外设

(1)我为了区分外设，将软件系统到电脑系统里边的外设叫做内部外设。

(2)还有内部外设，是至今仍然没软件系统到电脑系统内部，还在内部的那些外设。

7 电脑系统与电阻板

7.1 甚么是电阻板（PCB printed circuit board，印刷电阻板）

(1)外观：PCB板 = 基板（绝缘）+电阻。

(2)促进作用：PCB的促进作用是骨架和连接。最终目的是把所有的元件按照正确的电阻图连接出来逐步形成两个完整的可以工作的电阻。

(3)构成和材质，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、四层板、8层板、12层、16层、24层）。

(4)印刷电阻只不过是在不导电的基板表面按照电阻构成来印刷一层导电物质逐步形成电阻。最终逐步形成的是两个里头的芯是不导电的FR4，外边有一层构成了电阻的铜（标准术语叫覆铜），为了避免铜氧化或者与内部导电内部还有一层油墨，刷油墨时要露出来焊接点（焊接点一般有2种：一种是插针式、一种是贴片式），焊接点上本来是铜，但是他们为了方便焊接一般会做镀锡。

(5)PCB板只不过是硬件电阻（元件和电阻结构设计）的载体。

7.2 甚么是晶片

(1)晶片是：芯是半导体技术逐步形成的电阻，外边的壳是塑胶绝缘壳，里头电阻透过晶片插口接出来用于连接内部电阻。

7.3 晶片方式和电阻板方式的关系

(1)相同点。晶片只不过是两个微型的电阻板。这两个东西本身一模一样，早期只有电阻板没晶片，后来半导体工艺产业发展后有了微型电子元件，所以人把许多电阻利用半导体工艺直接作死到两个晶片中去逐步形成了IC。

(2)不同点。电阻板表面积较大，输出功率大；晶片表面积小，输出功率小。

(3)他们做两个电子产品究竟应该如何去总体结构设计？现代的结构设计方案都是晶片+电阻板。能做到晶片里头的都做进去（态势是愈来愈进去的多），实在不能做成晶片的就只好放在外边。原来的产品，例如老式大屁股电视机主板非常大，而新式的智能电视机主板是两个大晶片+很少的外围电子设备。

(4)电脑系统开发板只不过是PCB板主板+电脑系统晶片+其他晶片+其他外围电阻元电子元件总体构成的。这是普遍的电子产品的结构。

8 软件与硬件的区别和联系

8.1 从产品角度

(1)硬件是？产品的载体和身体。

(2)软件是？产品的思维和灵魂、精神。

8.2 软硬结合

(1)物联网不能靠纯软件打造。

(2)纯硬件产品大部分都低端。

9 硬件工程师主要工作职责

电阻图的分析和结构设计

原件的选择和参数确定

PCB的结构设计和样板焊接、调试

生产跟踪和问题解决

10 软件工程师主要工作职责

初级软件工程师：辅助测试、写代码、维护

中级软件工程师：独立工作、对产品负责、解bug

高级软件工程师：需求分析、框架结构设计、团队管理

软件工程师成长路线：学到基础（知识+能力）->找到工作->学习和锻炼->中级->高级/转方向

11 datasheet的重要性

11.1 甚么是datasheet

(1)datasheet是统计数据指南，只不过是晶片的文档。

(2)统计数据指南中描述的都是那个晶片/电子元件的物理参数、电学参数、时序图、编程需要的信息、别的信息。总的来说那个晶片的所有有用的信息都在统计数据指南中，采用这颗晶片过程中的任何疑问都可以去datasheet中查询。

(3)他们学习电脑系统软件开发过程中，要不断去查询各种晶片的统计数据指南以获取许多有效信息来指导他们。11.2 datasheet谁写的？

(1)datasheet是由晶片厂商提供的。datasheet只不过是晶片的产品说明书。

11.3 datasheet从哪里来？

(1)最官方最权威的途径是到晶片厂商的官方网站去下载。

(2)开发板附带的光盘资料中一般也会有。

(3)将晶片型号信息敲到百度去搜索其统计数据指南。

11.4 datasheet应该是不是采用？

(1)统计数据指南不是书，更不是教材，统计数据指南更像是一本字典。所以不是从第一页看见最终一页，更不用试图是记住。

(2)统计数据指南很大要先浏览一遍。尤其对于刚开始学习的人。浏览的目的是大概晓得甚么东西在哪里（将来用到时大概晓得到哪里去找），里头许多概念基本理解，但是并不是为了记住。

(3)统计数据指南的正确用法是：前面先简单看一遍（其中的前面许多可以认真看，后面的了解即可），用到某个具体知识时再根据前面浏览时的了解去具体查找统计数据指南中相关部分，这这时候再去认真看。

12 原理图和PCB图

12.1 原理图

(1)原理图叫电阻原理结构设计图，是用符号来绘制出的电阻连接的逻辑图。他们平时讲的电阻图只不过是原理图。原理图不是实物。

(2)原理图由：线条、方框、圆圈、数字、字母等组成。看懂这些符号所对应的电阻实物，就能看懂原理图。

(3)原理图中每两个符号表达一种含义，常见的有：

直线：表示导线，是用来连接元件构成电阻的。

方框：表示电子元件，如IC、插座

常见符号：如电阻、电容、三极管等···

特殊符号：不常见电子元件

(4)原理图中的每两个电子元件都有两个编号，如IC都用Un（U1、U2等），电容都用Cn（C1、C2）····那个编号在原理图中是唯一的，那个编号用来表示/记录那个元电子元件。

(5)原理图中晶片类型的电子元件还会有两个名字，名字一般是电子元件的型号。

(6)原理图中大多数电子元件还有两个参数值，例如电容的容量、电阻的阻值等。

(7)有些电子元件（IC、插座）有插口，插口编号用数字表示。

(8)原理图中有个网络的概念，原理图上2个编号一样的节点只不过在逻辑上是连在一同的。网络的发明纯粹是为了方便画图，让图不会导线连接的跟蜘蛛网一样。分析原理图时很大要注意网络，否则看见的可能是一半的原理图。

12.2 PCB图

(1)硬件工程师在结构设计产品硬件时的步骤是：先有原理图，接着用原理图画出PCB图。

(2)PCB图是原理图和实际电子元件结合出来后，生成的PCB板的结构图纸，PCB图的促进作用是拿给做PCB板的厂商去印刷电阻板。

(3)对于软件工程师来说，PCB图完全不用去关注，他们只关注原理图。

12.3 BOM表

(1)BOM是bills of meterials，是物料表，物料表是整个电阻中用到的所有物料的一张清单。

(2)BOM表是研发部门（硬件工程师）提供，一般是给生产部门来备料、记录用的。

(3)BOM中每个物料的记录和对应就靠物料编号。

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