您的浏览器不支持CSS3,建议使用Firfox、Chrome等浏览器,以取得最佳显示效果

单片机小白学步(16) 单片机/计算机系统概述:模块化思想

单片机小白学步 618℃ 0 3年前 (2014-11-09)

截至目前,单片机入门篇的介绍就告一段落了。从本文开始将进入思想篇的学习。

思想篇对后面的具体知识学习进行整体的框架介绍,解释一些基础名词,以及对学习思想方法进行总结。思想篇的内容,对于后面的学习有很大的指导作用,尤其是模块化思想将会贯穿整个学习篇的知识体系。思想篇并不仅限于接下来的几篇文章,还会在学习篇中通过话题的形式穿插讲解。

阅读建议:如果还没有涉及到实践,阅读时不一定能对思想方法有深刻的认识,看的时候有个大致的认识就可以了。在具体实践的时候,可以根据需要再回来看一看。

==================================

为了让大家更好的理解单片机,从本文开始,会先对单片机/计算机系统进行一个整体的介绍。让大家对单片机的学习和单片机系统的设计有个比较准确的把握,更好的分清后面各种知识点之间的联系,以及它们之间的轻重主次,学习起来更加得心应手。

在这几篇里,会涉及到大量新的名词术语,而这些也正是很多初学者遇到的巨大的困难。我会用通俗的语言对它们进行介绍,不需要理解的很透彻,只要有一个大致的认识就可以了。同时,也会涉及单片机和计算机系统的各种设计思想,以及学习时的思路技巧等。

因为单片机和计算机本质上没有太大的区别,所以这里介绍的内容绝不是仅仅局限于51单片机,也不只是单片机,而是包含计算机在内的各种微机系统。废话不多说,下面进入正题。

模块化思想

模块化是一个很重要的思想,它的应用不仅仅局限在单片机等技术方面,还体现在我们的身体构造,体现在人类社会生产生活中的方方面面。何为模块化思想呢?按照我的理解,模块化思想有几个特点,下面一一道来。

1、分工合作与专一

对生物学有基本认识的人都知道,包括人在内的很多动物是由多种器官构成的,例如大脑负责思考,心脏负责输送血液等。每个器官或组织负责几项功能,各个器官之间协调工作,共同构成一个复杂的整体。

在人类社会中,分工合作的现象也是很常见的。生活中需要吃饭穿衣,在比较落后的年代,可能有一些自给自足的经济形式,自己劳动满足最基本的生活需求。而在现代社会,人的需求越来越多,不可能全部靠自己生产。每个人都专注于自己的特长,例如农民负责种植粮食,服装工人负责制造衣服,养殖户负责养殖,程序员负责编写程序等。各种人分工合作,最后互相交换劳动成果。当一个人长期专注于一件事,而不用担心自己其他的需求时,这个人能把这件事做得更好,总体上来看,社会的生产力也就大大提高了。

2、模块抽象

如果对电脑的基本组成有所了解,可以知道电脑由CPU、内存、硬盘、主板、显示器等几部分组成。如果想在电脑中存储更多的电影,可以考虑更换更大的硬盘。我们只需要知道硬盘是电脑中负责存储的部件,而不关注硬盘内部的构造。因为每个模块都是高度抽象的,内部原理可能很复杂,但是对外部而言,它只是一个能完成特定功能的黑盒子。这样抽象的好处,就是在更换硬盘时,只需要从外部对硬盘有一个抽象的认识,就能轻松解决问题,剩下的就只是花钱购买硬盘了。

3、分层

如果让你管理一个庞大的公司,你会怎么管理?分层管理将会是一个很好的选择。

你可以根据实际情况将公司分为几个部门,研发部、营销部、财务部、人事后勤部等。每个部门指派几个负责人进行管理,每个部门负责指定的工作。而具体到研发部,管理人员为了便于管理,又可能将其分为软件部、硬件部等;而到了软件部,又会有不同的团队,移动客户端开发、服务器端开发等等。这样一层一层进行分下来,每个人各司其职,也体现了分工合作的特点。

如果你是公司的老总,当发现这个月公司的软件产品开发进度非常慢时,可能会直接叫来研发部的总管大发雷霆:“公司的XX软件开发太慢了,你看人家公司的同类产品早就发布出去了。这件事你得尽快给我搞定,要不然就走人!”然后指令一层一层的下达到了最下层的员工,最底层的程序猿们就又要加班加点拼命的干活了。研发进度慢或许只是因为有几个程序员最近有事请假了,但是在这个过程中,你不需要过多关注底层的细节,你也没有太多精力去关注,而只是把整个研发部当做一个抽象的整体去对待,这也体现了模块抽象的特点。

模块化设计的方法原则

前面说了模块化思想的特点,模块化思想应用很广泛,而根据这种思想设计系统,就是模块化设计了。不只是单片机系统,计算机软硬件系统也可以充分利用模块化设计。这里先说一说模块化设计的方法思路。

对于初学者,对此只需要先有个大概的认识,没有实际设计过,对这些思想也不容易有所感触;后来需要设计实际系统时,有需要回来再看看这篇就好了。

1、自顶向下,逐步求精;逻辑设计与物理实现分离;自底向上

当要设计一个比较复杂的系统时,常常会先画框图,每个框表示一个抽象的功能模块。通过框图可以设计这些模块之间的逻辑关系,然后再细化去设计每个模块。而这样一个模块可能也比较复杂,这时又会将其拆分为更小的模块。这样一步一步的拆分模块,直到最后技术细节实现。这就是自顶向下的设计方法,将一个复杂问题进行分解,逐步求精。而框图的设计则是模块之间的逻辑设计,逻辑设计与每个模块的具体物理实现可以完全分离。

和自顶向下的设计方法相比,还有一种恰恰相反的思路:自底向上。先设计出一些核心模块,然后再逐步进行扩展和完善。完全的自底向上的方法只适合设计小型的系统。在实际应用中,往往是结合这两种方法进行设计。

2、模块独立,减小耦合度

模块化设计中很重要的一个思想是模块独立,减小模块之间的耦合度。也就是说,每个模块负责完成自己的功能,不同的模块之间关联要尽可能小,以免互相影响。

想给电脑换一个更大的硬盘时,一般不用考虑内存等其他模块会不会受到影响,要不然实在是太麻烦了。因为电脑的模块化设计非常规范,模块之间的关联很小。

减小耦合度这种看似简单的问题,实际上在设计的时候却相当麻烦,为了减小耦合度,需要使用很多技术来完成,后面会在实际操作中进行介绍。

3、模块标准化,可代换

有同学觉得自己的电脑反应太慢,网上一查,原来电脑慢很大可能是因为机械硬盘的速度太慢。相比硬盘,CPU和内存要快很多,所以就如木桶效应,电脑被最慢的硬盘给拖慢了速度。于是就给电脑换上了固态硬盘,顿时速度快了很多。

固态硬盘和机械硬盘的内部结构是完全不一样的。机械硬盘是依靠磁性盘片存储数据的,读写时需要机械结构带动盘片转动,机械转动速度不能太快(2.5寸机械硬盘以7200转每分钟的速度旋转,盘片边缘的速度能达到86km/h),太快了盘片可能会直接破裂,或者发热量巨大,所以读写速度远远没有电子器件快。而固态硬盘使用的就是电子芯片来实现数据存储,所以速度非常快。

两种硬盘虽然原理和性能差距都很大,但是却能很轻松的安装在同一台电脑上,只要保证一些参数匹配,例如都是2.5寸的。这是因为现有的不同硬盘设计的都是标准化的,硬盘的尺寸、接口等都有标准规范,所以能很轻松的代换。

4、模块通用性,适用于多种产品

几年以前的手机等数码产品,不同品牌、不同设备分别由不同的人和公司设计,充电的接口各不相同,充电器也都是每个数码产品专门配备一套,出门旅行带的数码产品一多,仅仅是大大小小的各种充电器就够让人烦了。而且充电器坏了只能重新买配套的充电器。这样的设计浪费了很多资源,也给人们的生活带来了很大的不便。

而近几年,MP3、MP4、手机等数码产品的充电器接口慢慢被统一起来,很多设备都可以使用通用的USB充电头和数据线进行充电。对于用户来说方便多了;对于设备制造商来说,也不是很有必要单独设计充电器,直接用标准充电器就可以了;还节约了资源,例如有些数码设备充电器是可以选配的,有充电器就不用再进行购买了。通用的充电头和手机充电接口设计,使得一个充电器可以用于多种产品。

通用性和前面一点标准化,两者其实都可以理解成,设计一个模块或系统,都要遵循一定的标准化规范。一个标准化的模块,可以应用于不同的系统(通用充电器给多种设备充电);而符合统一标准的多个同类模块,可以用于同一个系统(机械硬盘和固态硬盘都能装进电脑)。

模块化设计的优缺点

前面通过举例,已经明确的体现了模块化设计的很多优点,这里对其特点进行一个总结。

1、便于分工合作

对于一个实际产品,很多时候不是一个人开发的,而是很多人共同开发。这里的原因有很多,可能是因为时间比较紧,例如公司之间的竞争,谁最先开发并发布新的产品,就最有可能抢占市场;可能是因为系统太庞大,一个人一辈子也做不完,例如操作系统的代码量往往能达到几百万行;分工合作还会提高整体效率,前面已经说过了。

多个人开发同一个系统,模块化开发是最好的选择。一些人专注于一个领域,例如安卓程序、平面设计、服务器等,每个人负责开发和他的专注领域匹配的小模块,而另外一些知识面比较广、经验丰富的人,负责模块之间的逻辑组合,最后将整个系统整合到一起。这个过程也可能会有分层,系统分成大的模块,再拆分成小的模块,逐层分解并实现。

2、提高开发效率

一方面,分工合作的方式能提高效率;另一方面,运用已经实现好的模块,像积木一样搭建新的系统,更是让效率大大提高。

模块的开发,可能是很多人分别完成的,也可能是同一个人在不同时期完成的,还有可能是从别人那免费获得或购买的。

具体到单片机的学习,其实一开始我们就在使用别人的模块。单片机、各种元件都是别人生产好的,运用这些模块,我们很快的搭建了自己的开发板。

同样的道理,在后面的详细学习过程中,我希望大家每次学完一个技术知识,就自己实现一个程序模块,例如数码管的驱动程序(虽然现在你可能还不理解这是什么)。到整个知识都快学完了,就有了一套自己的程序库,也就是全套的模块程序。

时间久了,或许你就有点记不清数码管驱动当初是怎么写的了。但是没关系,只要你写好了自己的程序模块,并且给出了规范的使用说明,需要时直接照着说明去用就可以了,而不需要再去复习一遍前面的知识。所以在后面开发自己的单片机系统时,直接用自己开发好的模块,就能极大的提高开发效率。

而在后面具体技术的学习中,我也会详细的分析,如何才能尽可能好的实现每一个模块,用到哪些技术知识,帮助大家一起搭建自己的程序库。

3、能开发出复杂系统

分工合作,使得人们能开发出一个人有生之年根本完成不了的、很庞大的系统。

而对于个人开发系统来说,如果你花几个月写一个比较庞大的程序,写到后面可能就忘记了前面的程序是怎么写的,这样可能会影响程序的继续编写。这时你可能需要回过头来再看以前的程序,但程序毕竟不是自然语言,看起来还是比较费劲的,很可能后来你自己也很难看懂了,至少是需要很多时间才能看懂。等你终于看懂了前面的东西,发现后面的代码又忘了。

而模块化的设计方法,你可以在一个小的时间段里,设计一个小的模块,并把它做的足够好,然后对整个模块编写一个自己能看懂的使用说明。以后要用这个模块,就把它当做一个抽象的整体,不需要关注模块内部细节实现,直接看使用说明就行了。这样,你才更有可能独立开发一个比较庞大的程序。

4、便于维护和查错

便于维护也是模块化很重要的一个特点。模块化讲究降低模块间的耦合度,一个不是很核心的模块出了问题,往往不会对其他模块造成很大影响,只会表现出系统中的一些功能无法使用(当然,如果核心模块例如电脑CPU出了问题,可能会导致整个系统崩溃)。这时你可以直接判断出哪个模块有问题,然后去修复那个模块,大大缩小了检查错误的范围。

不知道大家对前面《单片机程序下载失败总结》的那篇文章还有没有印象,文中提到,下载失败时,如果你能有一套正常下载程序的电脑、下载线、单片机系统板装备,通过替换的方法,很快就能确定问题是否出在你的电脑上。从这里可以看出来模块化思想在查错时的重大意义。

5、缺点

任何事物都有两面性,模块化思想也不例外。这里我简单说一下。

不知道大家有没有听说过这样的话,很多互联网公司都是“三个人拿四个人的钱干五个人的活”。为什么很多互联网公司工作非常累,工资很高,但是老板却不愿意降低工资多招聘一些人,同时让员工能更轻松呢?

有本书叫《人月神话》,里面就解释了这个问题的原因。人月是一个单位,表示一个人一个月能完成的工作量。按照人月理论,6个人月的工作两个人需要三个月完成,而三个人则只需要两个月。而事实是,在互联网公司,三个人往往需要远远不止两个月,甚至三个月还完成不了任务,人月理论只是一个不可能的神话。

为什么会这样呢?原因是多个人设计同一个系统,人与人之间需要沟通,人越多沟通需要的成本越大。所以招聘更多的人,意味着浪费掉更多的沟通成本。

如果把每个人看做一个模块,人月神话说明了,过多的模块会增加模块之间的交流成本,从而降低系统效率;而在模块特别多、关系很密切的时候,保持模块的独立性和模块之间的匹配,本身就成了很大的难题。

但是总体来说,模块化的优点远大于缺点,有些时候模块化也是不得已而为之的,而一些缺点往往是在特定情况下才有的。

=======================================================

《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

如果觉得我的文章对您有用,请随意打赏。您的支持将鼓励我继续创作!

0

暂无评论

评论前:需填写以下信息,或 登录

用户登录

忘记密码?