51单片机1【单片机到底是什么】

1.从电路到集成电路

1.电路发展变化的趋势

（1）功率：电子设备·越来越省电，待机时间越来越长，工作电压越来越低。

（2）体积：体积越来越小

（3）功能：功能越来越强大

2.微器件

（1）电路的核心：开关控制，倍率控制

（2）电子管，晶体管

3.集成电路（IC，芯片）的出现

（1）IC（integrated circuit，集成电路），使用微器件为积木，去搭建具备一定功能的一个电路板。

（2）以前没有微器件的时候，必须很大一块电路板才能实现一个电路功能（比如一个加法器，完成加法运算），然后有了微器件之后，这个电路板的体积变小，越来越小，最后小到mm甚至更小。我们就把这个电路放在一起，用塑料外壳封装起来形成大家看到的IC芯片。

（3）芯片（IC，集成电路）其实就是：里面馅是电路，外面的壳就是绝缘体壳，里面的电路提供外壳上引出来的一些引脚（金属材料的）来与IC外部接轨。

（4）IC有多少个引脚，每一个引脚的作用是干什么的，是IC设计指针的时候已经决定的。我们拿到IC使用时要去读IC的数据手册就知道引脚怎么使用。

2.计算机核心设备：CPU

1.CPU就是一块超大规模的集成电路

CPU的本质：电路

2.CPU（中央处理器）

（1）CPU=运算器+控制器

（2）CPU=ALU（运算控制逻辑单元）+cache（高速缓存）+Bus（总线）

（3）CPU=汇编指令+寄存器

3.CPU的工作原理

（1）CPU通过总线从存储器取出指令到内部，然后译码，然后执行

（2）执行指令翻译为一个控制操作或者一个数学运算

（3）一条指令包括：指令码+数据

（4）给单片机编程其实就是给CPU写指令序列

3.给单片机下定义

1.计算机系统三大组成部分：CPU，内部存储器，IO

（1）单片机属于计算机的一种

（2）IO就是input/output，也就是输入输出。

2.单片机的结构框图分析

（1）框图中的方框是组成部件，箭头表示总线Bus

（2）CPU处于单片机系统的核心位置，别的模块都通过总线和CPU进行关联。别的模块之间一般没有总线直接相连，有时候2个互相有关系的默认也会有总线直接相连。

（3）IO其实就是芯片上的引脚，不同的单片机型号有不同的IO数量和定义。

3.如何定义单片机

1.单片机就是一台微型计算机。

（1）台式电脑或者笔记本电脑（叫做PC）也是一种计算机系统，这种计算机系统由很多零部件组成。

（2）单片机这台计算机所有的零件全部做在了一个IC内部，并且出厂前被塑料壳封装起来。传统计算机中的主要部件单片机都有，都集成到内部去了。

2.MCU（微控制单元）-单片机

（1）单片机，单片微型计算机，MCU，微控制器，微控制单元

4.ROM和RAM

1.计算机中的2种存储器:内存，外存

单片机将内存和外存都封装起来了。

（1）内存：与CPU接轨比较紧密，内存可以被CPU直接访问，内存可以按照字节单位来随机访问，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。内存受限与物理技术和成本，容量比较小而贵。，速度快，但是CPU速度比内存快很多。

（2）外存：与CPU之间比较远，外存不能直接被CPU访问，外存一般以块为单位来访问，不能通过字节单位来访问。外存容量大而便宜。速度慢

（3）计算机系统是这样工作的：文件和数据不用的时候就放在外存中，用的时候从外存读取到内存，然后CPU在从内存中读取数据来直接使用，外存速度比内存慢很多。

2.ROM

ROM有点像外存的概念，但是并不完全相同。主要是因为计算机系统有不同的设计方法，比如PC机和单片机的设计就不相同。PC机种有外存没有ROM，单片机中有ROM没有外存（因为外存与内存被封装起来）。单片机中程序平时是存储在ROM中，运行时由ROM直接提供给CPU。

2.1 read only memory

（1）read only memory：只读存储器，意识只能读不能写。世界上根本不存在真正的只能读不能写的器件，我们ROM这里的只读意思是：程序运行时只能通过程序自己本身的操作去读而不能写。

2.2 常见的ROM

单片机中用来存储用户烧录的程序的器件就是ROM，烧录的过程其实就是在写ROM，但是程序运行时不能修改ROM内容。烧录程序一般通过烧录器来完成。

2.3 storage：存储器

存储器，含义有点像仓库存储东西。ROM有点类似于仓库，用来存储程序代码。

3.RAM

3.1 random access memory：随机访问存储器

3.2 常见的RAM

从物理上讲，主要分为SRAM和DRAM,单片机中一般使用SRAM，嵌入式SoC中和PC机种用的是DRAM。

3.memory：内存，专指计算机的内存

4.单片机中的ROM和RAM

（1）单片机中的ROM一般是Flash（闪存），有写地方叫flash memory。

（2）单片机中的RAM一般都是SRAM

ROM和RAM的协同工作方式：

ROM用来存储用户写好编译好的程序，运行时CPU直接从ROM中读取一条一条指令来运行，指令运行过程中产生的临时数据放在RAM中。所以基本可以理解为：ROM是单片机用来放程序的，RAM是用来放数据的。

5.单片机的工作原理

1.CPU，存储器，IO

配合工作

2.统一的时钟节拍

（1）这里有一个概念：同步。

（2）同步就是好多个独立的部分按照同一个节奏步调开，以为=实现一个配合。

（3）和同步相对的一个概念叫：异步。异步就是各干各的。

（4）单片机的各个模块之间是同步工作的，CPU和存储器和IO和单片机其中其他东西这些模块之间通过一个统一的节拍来同步工作，这个统一节拍就是单片机的时钟。

（5）这个时钟节拍接单片机很重要，单片机内部再一个时钟节拍中只能做一件事情，所以单片机要发现一些变化或者一些事情，最小的时间单位就是1个时钟节拍。单片机的时间单位都是时钟节拍的整数倍。

（6）单片机中的CPU，存储和IO等都是以时钟节拍为动作节拍的，所以单片机是一个同步系统

（8）时钟周期的长度（时钟节拍的快慢）影响了单片机的速度，所以这个时钟就叫单片机的主频。2.4GHz【主频越高性能越高】一般PC的主频都是2G多，3G多。51单片机主频一般再10Hz级别。一般手机CPU的主频也再1G-2G左右。一般高级单片机如STM32的主频再百Hz级别。

6.外设和内部外设

1.什么是外设

（1）外设英文叫：peripheral，全称叫外部设备。属于单片机的模块。

（2）单片机中，除了三大部件（CPU，IO，存储器）外，还有一些别的东西，比如串口控制器，I2C控制器等叫外设

（3）早期的单片机很弱小，不具备很多功能（比如中断功能，比如串口通信功能）我们单片机做产品，只能外部扩展一些专用芯片（中断控制器芯片，串口通信芯片）来和单片机结合（做到一块电路板上用导线连接起来）工作。这种产品设计中核心部分就是单片机，外部配合的这些专用芯片就是外部设备，简称外设。

（4）后来随着半导体工业发展进化，集成电路的集成功能变强大，我们干脆就把一些常用的外设直接集成到单片机里面去，所以单片机里面就有了一些原来被称为外设的东西【实际上就是将（串口通信芯片，中断控制器芯片）加入到单片机中】，但是叫法名称还是沿用了开始的名称。

2.什么叫内部外设

（1）为了区分外设，将集成到单片机里面的外设叫内部外设

（2）还有外部外设，就是至今仍然没有集成到单片机内部，还在外部的哪些外设。

7.芯片和电路板

1.什么是电路板（PCB：printed circuit board）

（1）PCB板=基板（绝缘）+电路

（2）作用：PCB板的作用是骨架和连接。最终的目的是把所有的原件按照正确的电路连接起来形成一个完整的可以工作的电路。

（3）构成和材质：常见的基板材质都是FR4（玻璃纤维），PCB板由多层构成的（单面板，双面板，四层板，8层板，24层）

（4）印刷电路其实就是再不导电的基板表面按照电路构成来印刷一层导电物质形成电路。最后形成的就是一个里面的芯而不是电的FR4，外面有一层构成了电路的铜（标准术语叫覆铜），为了避免铜氧化或者外部导电外部还有一层油墨，刷油墨时要露出来的叫焊接点（焊接点一般有2种：一种是插针式，一种是贴片式），焊接点上本来就是铜，但是外面为了方便一般会焊接上镀锡（方便焊接的人容易焊接上去）

（5）PCB板其实就是硬件电路（原件和电路设计）的载体。

2.什么是芯片

芯片就是：芯是半导体技术形成的电路，外面的壳是塑料绝缘壳，里面的电路通过芯片引脚接出来用于连接外部电路。

3.芯片方式和电路板方式的关系

（1）相同点：芯片其实就是一个微型的电路板。这两个东西本身一模一样，早期只有电路板没有芯片，后来半导体工艺发展后有了微型器件，所以把一些电路利用半导体工艺直接作死到一个芯片中去形成IC

（2）不同点：芯片功率越小越好。

（3）我们做一个电子产品究竟应该如何去设计？现代的设计方案都是芯片+电路板。能做到芯片里面的都做进去，实在没办法做则只能放在外面。

（4）单片机开发板其实就是PCB板主板+单片机芯片+其他芯片+其他外围电路元器件总统构成。这就是普通的电子产品的结构。

8.datasheet【数据手册】的重要性

1.什么是datasheet

（1）datasheet就是数据手册，就是芯片文档

（2）数据手册就是描述的都是这个芯片/器件的物理参数，电学参数，时序图，编程需要的信息，别的信息。总的来说这个芯片的所有有用的信息都再数据手册中，使用这个芯片过程中的任何疑问都可以去datasheet中查询

（3）我们学习单片机软件开发的过程中，要不断去查询各种芯片的数据手册以来获取一些有效信息来指导我们。

2.datasheet谁写的？

（1）datasheet是由芯片厂商提供的。datasheet其实就是芯片的产品说明书。

3.datasheet从哪里来的？

（1）最官方最权威的途径就是到芯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有

（3）进行百度搜索

4.datasheet如何使用

（1）数据手册不是书，也不是教材，数据手册更像一本字典。

（2）数据手册一定要先浏览一次。尤其是刚开始学习的。浏览的目的是大概知道什么东西再哪里。【将来用到大概知道再哪里】

（3）数据手册的正确用法：前面先简单看一遍，

9.原理图和PCB图

1.原理图

（1）原理图就是电路原理设计图，就是用符号来绘制出的电路连接的逻辑图。我们平时讲的电路图就是原理图。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。看懂这种符号所对应的电路实物，就可以看懂原理图。

（3）原理图中每一个符号表达一种含义，常见的有：

        直线：表示导线，是用来连接原件构成电路

        方框：表示器件，如IC，插座

        常见符号：如电阻，电容，三极管..

        特殊符号：不常见器件

（4）原理图中的每一个器件都有一个编号，如IC都用Un(U1,U2)，电容都用Cn(C1,C2)这个编号再原理图中是唯一的，这个编号用来表示/记录这个元器件。

（5）原理图中芯片类型的器件还会有一个名字，名字一般是器件的型号。

（6）原理图中大多数器件还有一个参数值，比如电容的容量，电阻的阻值

（7）有些器件（IC，插座）有引脚，引脚编号用数字表示。

（8）原理图还有一个网络的概念，原理图上2个编号一样的节点其实再逻辑上是连再一起的。网络的发明纯粹是为了方便画图，让图不会让导线连接起来跟蜘蛛网一样，原理图一定要注意网络，否则看到的可能搜索一半的原理图。

2.PCB图

（1）硬件工程师再设计产品硬件时的步骤：先有原理图，然后用原理图画出PCB图

（2）PCB图是原理图和实际器件结合起来后，生成的PCB板的结构图，PCB图的作用就是拿给PCB板的厂商

（3）与软件工程师来说，PCB图完全不用去关注，我们只关注原理图。

3.BOM表

（1）BOM就是bills of meterials，就是物料表，物料表是整个电路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，一般给生产部门来备料，记录用的。

（3）BOM中每一个物料的记录和对应就靠物料编号。