嵌入式硬件成长之路

从电子到集成电路

现代电子电路最基础的单元就是电子，类似于物理学中的夸克，不管是简单的放大电路还是极其复杂的芯片IC，都是由这一最小单元组成。根据不同的离子掺杂工艺，发展出了PN结和MOS工艺，通过PN结或者MOS管的导电特性，工程师将原件进行逻辑布线，诞生0和1，而这，建立起了嵌入式与实体硬件的桥梁。

0与1的电平

不同物理层对0与1的定义是不同的，常见有TTL电平和CMOS电平。
TTL电平标准:

输出 0： <0.8V ； 1：>2.4V。

输入 0： <1.2V ； 1：>2.0V

TTL器件输出低电平要小于0.8V，高电平要大于2.4V。输入，低于1.2V就认为是0，高于2.0就认为是1。于是TTL电平的输入低电平的噪声容限就只有(0.8-0)/2=0.4V，高电平的噪声容限为(5-2.4)/2=1.3V。

CMOS电平标准:

输出 0： <0.1Vcc ； 1：>0.9Vcc。

输入 0： <0.3Vcc ； 1：>0.7Vcc.

由于CMOS电源采用12V，则输入低于3.6V为低电平，噪声容限为1.8V，高于3.5V为高电平，噪声容限高为1.8V。比TTL有更高的噪声容限。
不同的电平标准，驱动能力（即挂载的外设数上限）、通信速度、对噪声的敏感度都有所不同，实际嵌入式开发过程中，需要根据外设的技术手册确定相关电平标准。当主控IC与外设的电平标准不同时，需要在通信线路中加上电平转换电路，防止电平不同造成的逻辑混乱、甚至电源灌流烧坏逻辑器件。
电平转换电路如下：

0与1的逻辑运算

对于一个输出结果为0、1属性的电路（即数字电路），基本的运算电路为与、非、或，由几个基本逻辑单元，以有无同步时钟作为分水岭，诞生了组合逻辑电路与时序逻辑电路（在组合逻辑电路中，着重注意一下竞争和冒险）。
竞争：在组合电路中，信号经由不同的路劲达到某一会合点的时间有先有后的现象；
冒险：由于竞争而引起电路输出发生瞬间错误。表现为输出端出现了原设计中没有的窄脉冲（毛刺）。
以下电路来源于ycc_job

CMOS非门：

CMOS与非门：

CMOS或非门：

上述的电路通过不同的组合，可以实现不同逻辑的运算，MOS结构是IC内部的基本结构，无数个MOS组成的逻辑，上亿个晶体管，组成我们的运算器（即现在的CPU）。

运算模块之间的控制

当逻辑运算系统及其庞大时，就需要对信号流进行控制，否则极易产生竞争和冒险，所以，在庞大的数字电路系统中，我们需要很多MOS管组成的门进行信号流的分配、分流、控制，在参考时钟的有序控制下，进行精确的数字运算。众所周知，MOS管的开断通过栅极电压控制，这里，以此类推，对于一个门极，1是开启电压，0是关闭电压，所以我们可以用0和1控制一条线上的信号开断，无数个0和1组成了嵌入式最基础的机器码，所以机器码最根本的作用，就是对门极信号的控制。

机器码与汇编

如果说机器码是简单的01组合成的庞大的指令，那么汇编是机器码之上的低级语言，在汇编语言中，用助记符代替机器指令的操作码，用地址符号或标号代替指令或操作数的地址。不同平台的汇编指令可能会有很大的区别，例如X86架构与ARM架构的汇编指令就有所区别。
例如：
X86和ARM的传递指令都是MOV
MOV X1 X2
而X86的出栈指令为POP，ARM的出栈指令为LDP
X86：POP
ARM：LDP x29, x30, [sp,＃0x10]
所以，不同的架构，我们对照该架构的指令就能对目标地址、寄存器进行底层操作，从而达到简单的程序编写。
举例：

;hello-os
;TAB=4
;以下这段是标准FAT12格式软盘专用代码
 DB 0xeb,0x4e,0x90
 DB "HELLOIPL" ;启动区的名称可以是任意的字符串(8byte)
 DW 512  ;每个扇区的大小为512byte
 DB 1  ;簇的大小为1sector
 DW 1  ;FAT起始位置
 DB 2  ;FAT个数
 DW 224  ;根目录的大小
 DW 2880  ;该磁盘大小
 DB 0xf0  ;磁盘种类
 DW 9  ;FAT的长度
 DW 18  ;1个磁道18个扇区
 DW 2  ;磁头数
 DD 0  ;不使用分区
 DD 2880  ;重写一次磁盘的大小
 DB 0,0,0X29  ;
 DD 0xffffffff  ;
 DB "HELLO-OS   " ;磁盘名称11byte
 DB "FAT12   " ;磁盘格式名称8byte
 RESB 18  ;空18byte
 ;程序主题
  DB 0xb8,0x00,0x00,0x8e,0xd0,0xbc,0x00,0x7c
 DB 0x8e,0xd8,0x8e,0xc0,0xbe,0x74,0x7c,0x8a
 DB 0x04,0x83,0xc6,0x01,0x3c,0x00,0x74,0x09
 DB 0xb4,0x0e,0xbb,0x0f,0x00,0xcd,0x10,0xeb
 DB 0xee,0xf4,0xeb,0xfd
 ;信息显示部分
  DB 0x0a,0x0a  ;2个换行
 DB "hello world qian"
 DB 0x0a  ;
 DB 0
  RESB 0x1fe-$  ;填写0x00,直到0x001fe
 DB 0x55,0xaa
 ;以下是启动区以外部分的输出
  DB 0xf0,0xff,0xff,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00
 RESB 4600
 DB 0xf0,0xff,0xff,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00
 RESB 1469432

上述简单的汇编程序，实现了X86架构软盘自启动hello world的功能，利用PC独特BIOS指令实现对屏幕的输出。

嵌入式编程（待更新）