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单片机小白学步(1) 单片机的前世今生

单片机小白学步 2,370℃ 1 4年前 (2014-10-07)

从本文开始进入单片机入门篇的学习。入门篇主要介绍各种单片机基础知识概念。

入门篇阅读建议:根据个人已经掌握的知识,有重点的去读。如果介绍到你已经学过的知识,你只需要简单阅读一下,或者直接跳过。如果看后面的文章感觉有些知识掌握的还不好,可以在回来看入门篇相关的介绍。

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数字的发明

很久以前,人类发明了数字。自此,人类社会发生了巨大的变化。有了数字,人们解决了很多问题。在数字的帮助下,人们学会了度量和计算,人们发明了温度计,发明了钟表,发明了直尺,发明了算盘……生活中原本模糊的概念,变的不再模糊,而是十分精确。

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电的广泛应用和各种电子器件的发明

1870年以后,科学技术的发展突飞猛进,各种新技术、新发明层出不穷,并被迅速应用于工业生产,大大促进了经济的发展。第二次工业革命爆发了。在这次工业革命中,电力得到了广泛的应用。

之后人们发明了各种电子元器件,特别是电子管、晶体管以及后来集成电路的发明对人类社会产生了巨大的影响。图中给大家展示了一些常见的集成电路芯片。

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计算机的发明

有句话说,懒人推动社会进步。这句话是有一定道理的。在科技不断发展的过程中,一方面,人们希望制造出一种机器,能帮助我们完成处理现实世界中的各种问题,让我们从重复而繁重的脑力劳动中解放出来;另一方面,往往是在军事上,由于种种原因需要在较短的时间内,完成一些像炮弹轨道计算,密码破译之类的任务,而人类的数字运算能力往往远达不到要求。

最初人们发明了算盘之类的计算工具,又有人发明了一些机械式计算机,通过齿轮传动等原理进行运算。而后,在电子技术飞速发展的情况下,人们发明了电子计算机。早期电子计算机采用大量电子管,十分庞大,需要消耗很多电量,操作也非常复杂。如1946年发明的“埃尼阿克”电子计算机,占地面积170平方米,重达30吨,耗电量高达150千瓦,而运算能力却远不及今天智能手机的CPU,尽管如此,它已经比当时的继电器计算机快一千倍。而随着晶体管、集成电路的出现,计算机技术以惊人的速度发展着,到今天各种计算机设备随处可见,甚至我们很多人每天的生活和工作都已经离不开计算机。

说明: http://img.blog.csdn.net/20140915003346744?watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQvanpqMTk5Mw==/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/SouthEast

帕斯卡和他的齿轮式加法器

数字计算机发明之前,电子计算机都是模拟计算机。模拟计算机通过内部电子器件的电压、电流大小等来表示一个数字或物理量,进行处理。这种计算机处理问题的精度差,而且结构复杂,也很容易受外界干扰。于是后来人们发明了数字计算机。数字计算机把外界的各种信息转换成数字,然后对数字进行运算,最终得到一个确定的结果。我们人类使用的数字一般为十进制,这是因为我们有十个手指。但是由于很多电子器件都只有两种确定的状态,比如开关的开和关,灯的亮和灭,于是数字计算机使用的是二进制的数字,通过控制器件的开和关来表示数字“1”和“0”,实现各种功能。由于它没有模拟计算机的那些缺陷,发展十分迅速,成为今天计算机的主流。

单片机的发明

在计算机发展的同时,另一种大家相对陌生的东西也在悄悄发展着。在1971年,全球第一个计算机微处理器4004由美国Intel公司推出的同时,一种称之为单片机的技术也逐渐发展并得到广泛应用。单片机全称单片微型计算机,又称为微型控制器,英文名MCU(Micro Control Unit),可以理解为精简版的计算机。单片机相当于将计算机中的各个主要部件,CPU、存储器、IO口、中断系统等封装在一个集成电路芯片中。初学者或许对这些名词很陌生,但是不需要担心,关于他们分别是什么,后面会给大家介绍。下面是一些现在常见的单片机。

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从左往右,1、2为51单片机,3、4为AVR单片机,5、6、7为MSP430单片机

为什么要发明单片机呢?这个很好理解。俗话说,杀鸡焉用牛刀。生活中有很多事情不很复杂,并不需要计算机那么庞大的机器来处理,于是我们只需要用精简版的计算机——即单片机来完成任务就好了。

单片机的特点

比起大家熟悉的计算机,单片机的配置可就差多了,简直是低的难以想象。我们常用的笔记本电脑CPU处理速度可以达到2GHz以上,还是双核四核甚至更高级,但是拿一款常见的单片机(STC89C52RC,我们即将以这款单片机开始来进行学习)来对比,它的最高处理速度只有几十MHz(其中1GHz = 1000MHz);笔记本电脑硬盘动辄几百GB乃至几TB,而单片机中相当于硬盘的ROM只有几到几十KB(1TB = 1024GB,1GB = 1024MB,1MB = 1024KB,1KB = 1024B);主流笔记本的内存普遍都有几个GB,单片机中相当于内存的RAM只有可怜的几十字节(即单位B)。但是大家千万不要小瞧这么“低端”的单片机,只要给它写进程序,足以控制一台我们经常看到的所谓“智能洗衣机”之类的电器。而且学习了单片机,也会让你对计算机有更深入的了解。

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《单片机小白学步》系列教程(原名《单片机入门指南》)介绍

本系列教程从最基本的入门知识开始,逐步深入介绍单片机系统设计,内容包括:
1、入门篇:单片机等基本概念、各种电子设计基本知识
2、思想篇:单片机/计算机系统设计的工程思想
3、学习篇:单片机学习过程、方法和技巧,以51单片机为例介绍,并推广到其他单片机
4、应用篇:遵循规范的工程方法,设计单片机系统实例(计划设计的系统有:计算器、电子表、密码锁、简易手机,具体看有没有时间再确定)
5、原理篇:从模拟电路、数字电路开始,逐步深入介绍单片机/计算机系统原理,并自行设计简易的CPU(由于个人水平有限,这部分没有把握写好,具体内容视情况而定)

教程特点

1、技术知识点全面,从入门到精通

包含了各种基本知识,尤其是对单片机基本概念的介绍、为什么要用单片机等,在很多同类书籍教程中都被忽略了。同时也包含了一些深入的知识,包括原理篇考虑对单片机的基本原理进行介绍,有助于深入理解单片机。

本系列教程以51单片机为例进行介绍。通过51介绍完单片机的基本知识,我会再把430进行简要介绍,尤其是对比两者之间的优缺点,让大家很快感受到430的巨大优势,而学习51正好为快速了解430打下了坚实的基础。

2、除了单片机知识,还有思想、方法、技巧的介绍

本系列教程中,介绍单片机各种模块编程知识的主要是学习篇,而学习篇只是整个教程的一部分。在学习篇中我会贯穿各种方法技巧,如何理解一些模块功能,怎么看时序图,严格遵守工程思想进行编程,程序发生了错误怎么调试等等。而在思想篇中会总体介绍很多重要的思想,为后面的学习做好准备工作。

3、知识先后顺序的设计

单片机学习过程中,涉及大量的知识,而且很多知识之间相互依赖,关联很强。

本系列教程对知识的先后顺序进行比较明确的规划,尽最大可能符合人的认知过程。但是实际规划时发现,无论怎么调整知识的顺序,总有一些知识之间相互依赖,关系复杂。例如开始讲IO口的时候肯定会提到寄存器,而寄存器这个词的理解,需要深厚的背景知识。但是这些背景知识在没有进行实践的时候也很难理解。

初学者常常就会在这样的地方感觉疑惑不解,不知所措。而每次遇到类似这样的知识,我会向初学者指出,应该如何对待。这个知识是应该自己去学习补充,还是等到学完原理篇再做理解,而现在又应该怎么去看待这个名词。

另外,在整个教程的学习前,需要掌握一定的C语言等基础知识,具体可参考教程第〇篇《序》中的相关说明
http://www.paincker.com/mcu-primer-0

4、语言通俗易懂

本系列教程力求语言通俗易懂,而不会用一堆新手不懂的词语去解释另一个不懂的词语。但是受限于个人语言表达能力,可能有些地方表述的比较繁琐,或者不清楚,希望大家能够帮忙指出。

其他问题

如果觉得我写的对你有帮助,欢迎多多反馈,包括写的不正确、不合理、不太明白都可以指出来,这样方便我对其进行完善。

更多可参见:《如何以学习单片机为契机,逐步成为优秀的工程师》
http://www.paincker.com/mcu-engineer

本系列教程首发于我的个人主页,欢迎访问(由于是国外服务器,速度稍微有点慢):
http://www.paincker.com/category/hacker/mcu-primer

同时会将其转发到CSDN、电子发烧友等站点,欢迎关注。
CSDN专栏网址 http://blog.csdn.net/column/details/mcu-introduction.html
电子发烧友论坛 http://bbs.elecfans.com/zhuti_mcu_1.html

最后,欢迎扫码关注微信公众号。

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