單片機簡介

單片機（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。從上世紀(jì)80年代，由當(dāng)時的4位、8位單片機，發(fā)展到現(xiàn)在的300M的高速單片機。

單片機硬件設(shè)計需要學(xué)什么

一、基礎(chǔ)

1、學(xué)習(xí)《電路原理》，主要了解基本元件特性，電壓、電流的概念， 電路的基本原理、定律等。

2、學(xué)習(xí)《模擬電子技術(shù)》，重點學(xué)習(xí)二極管、三極管、放大電路、集成運算放大電路、反饋、電源電路。重中之重：三極管、運算放大器

3、學(xué)習(xí)《數(shù)字電路》，重點：D觸發(fā)器、組合邏輯門電路、簡單的時序邏輯電路。

二、中級

4、學(xué)習(xí)MCS-51單片機原理與接口，學(xué)習(xí)51的匯編語言，和C51語言，匯編比較難，實現(xiàn)學(xué)不好，入個門就行了，只要能看懂就行，現(xiàn)在主要用C語言開發(fā)單片機，最好買一個實驗板，一般都有配套實驗，邊學(xué)邊做，找點自信。 51單片機的重點：中斷、定時器、串口通信。學(xué)習(xí)單片機時候，可以先看看我的一篇《想對單片機初學(xué)者說的話》 ，按我說的做，也許會加快你的單片機學(xué)習(xí)進度。學(xué)會了51，可以看看PIC/AVR/msp430等。

5、學(xué)習(xí)CPLD，HDL語言：AHDL，或Verilog HDL，或VHDL，設(shè)計簡單的組合邏輯電路和時序電路。

6、學(xué)習(xí)《信號與系統(tǒng)》、《通信原理》，重點了解的時域和頻域的概念。

7、學(xué)習(xí)《傳感器》，了解溫度、濕度等傳感器的使用

8、學(xué)習(xí)protel，要會畫原理圖和PCB

三、高級

9、學(xué)習(xí)《數(shù)字信號處理》，重點：FT變換、頻譜分析、濾波器設(shè)計

10、學(xué)習(xí)《數(shù)字圖像處理》，重點：圖像變換算法、編解碼、壓縮等

11、學(xué)習(xí)DSP、ARM和FPGA，提高C語言、Verilog HDL或VHDL設(shè)計能力，實現(xiàn)9，10提到的技術(shù)。

12、學(xué)習(xí)RTOS，TCP/IP，CAN，USB，F(xiàn)S，linux

13、進一步學(xué)習(xí)PCB布線 ，最好學(xué)一下PADS

單片機必備的硬件設(shè)備

學(xué)習(xí)單片機，除了需要電腦以外，還需要以下的一些器材。

1、實驗板

如果你對單片機還一無所知，那么自制或者購買一塊實驗板是比較好的選擇。通常在實驗板上會設(shè)計一些開關(guān)、LED指示燈、數(shù)碼管、各種接口芯片等常用器件，通過對這些器件的編程練習(xí)，逐步掌握單片機的編程技術(shù)。

2、仿真機

仿真機的用途是替代電路板上的單片機芯片，仿真機通過串行口、USB接口等方式與與PC機聯(lián)機通信，接收PC端控制軟件發(fā)出的指令，以單步、過程單步、全速運行等各種方式來執(zhí)行程序，以單步或過程單步方式執(zhí)行程時，每次執(zhí)行完程序后可以將執(zhí)行的結(jié)果反饋到PC端的控制軟件中顯示出來。由于單片機編程時必須要明確每一條指令執(zhí)行完畢后會有什么樣的結(jié)果，弄清實際運行后的結(jié)果是否與設(shè)想的結(jié)果相符，因此，仿真功能對于單片機的學(xué)習(xí)和開發(fā)可以起到很重要的幫助作用。

3、編程器或者下載線

其用途是將代碼寫入單片機芯片內(nèi)部。對于學(xué)習(xí)者來說，有了仿真機也可暫時不配編程器或下載線，因為有了實驗板、仿真機就可以做實驗了。但是建議配置一臺，這樣可以對單片機開發(fā)的各個環(huán)節(jié)都有所了解。

4、萬用表、電烙鐵等電子制作工具

單片機開發(fā)，不是簡單的編程，到目前為止，還少有純粹的“單片機程序員”，通常要求開發(fā)者軟、硬件方面都要熟悉，因此，這些電子制作工作還是要配備的。

需要說明的是，這里所說的仿真機、實驗板、下載線或編程器等都是就一般概念而言的，并不涉及到具體的產(chǎn)品，市場上也有一些產(chǎn)品在設(shè)計時將實驗板、仿真功能、下載或編程功能等中的一部分或者全部都集成到一塊板上，構(gòu)成一整套的實驗系統(tǒng)。

單片機硬件設(shè)計的原則

1、盡可能選擇典型電路，并符合單片機常規(guī)用法。為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)。

2、系統(tǒng)擴展與外圍設(shè)備的配置水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當(dāng)余地，以便進行二次開發(fā)。

3、硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是：軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件實殃，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。但必須注意，由軟件實現(xiàn)的硬件功能，一般響應(yīng)時間比硬件實現(xiàn)長，且占用CPU時間。

4、系統(tǒng)中的相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配。如選用CMOS芯片單片機構(gòu)成低功耗系統(tǒng)時，系統(tǒng)中所有芯片都應(yīng)盡可能選擇低功耗產(chǎn)品。

5、可靠性及抗干擾設(shè)計是硬件設(shè)計必不可少的一部分，它包括芯片、器件選擇、去耦濾波、印刷電路板布線、通道隔離等。

6、單片機外圍電路較多時，必須考慮其驅(qū)動能力。驅(qū)動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠，可通過增設(shè)線驅(qū)動器增強驅(qū)動能力或減少芯片功耗來降低總線負載。

7、盡量朝“單片”方向設(shè)計硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)器件越多，器件之間相互干擾也越強，功耗也增大，也不可避免地降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨著單片機片內(nèi)集成的功能越來越強，真正的片上系統(tǒng)SoC已經(jīng)可以實現(xiàn)，如ST公司新近推出的μPSD32××系列產(chǎn)品在一塊芯片上集成了80C32核、大容量FLASH存儲器、SRAM、A/D、I/O、兩個串口、看門狗、上電復(fù)位電路等等。

單片機硬件設(shè)計注意事項

第一、電源確定

電源對于嵌入式系統(tǒng)中的作用可以看做是空氣對人體的作用，甚至更重要：人呼吸的空氣中有氧氣、二氧化碳和氮氣等但是含量穩(wěn)定，這就相當(dāng)于電源系統(tǒng)中各種雜波，我們希望得到純凈和穩(wěn)定符合要求的電源，但由于各種因素制約，只是我們的夢想。

第二、 晶振確定

晶振相當(dāng)于嵌入式系統(tǒng)的心臟，其穩(wěn)定與否直接關(guān)系其運行狀態(tài)和通訊性能。常見的振有無源晶振，有源晶振，首先要確定其振蕩頻率，其次要確定晶振類型。

第三、 預(yù)留測試IO口

在嵌入式調(diào)試階段，在管腳資源豐富的情況下，我通常預(yù)留一個IO口連接led或者喇叭，為下一步軟件的編寫做鋪墊。在嵌入式系統(tǒng)運行過程中適當(dāng)控制該IO接口，從而判斷系統(tǒng)是否正常運行。

第四、外擴存儲設(shè)備

一個嵌入式系統(tǒng)如果有電源、晶振和CPU，那么這就是我們熟悉的最小系統(tǒng)。如果該嵌入式系統(tǒng)需要運行大點的操作系統(tǒng)，那么不但需要CPU具有MMU，CPU還需要外接SDRAM和NANDFLASH。如果該cpu具有SDRAM和NANDFLASH控制器，那么在硬件設(shè)計上不用過多的考慮地址線的使用。如果沒有相關(guān)的控制器，那么需要注意地址線的使用。

這部分在LAYOUT的時候是一個重點，究其原因就是要使相關(guān)信號線等長以確保信號的延時相等，時鐘和DQS的差分信號線走線。在布線的時候各種布線技巧需要綜合使用，例如與cpu對稱分布，菊花鏈布線、T型布線，這都需要依據(jù)內(nèi)存的個數(shù)多少來進行選擇，一般來說個數(shù)越多，布線越復(fù)雜，但是知道其關(guān)鍵點，一切迎刃而解。

第五、功能接口

一個嵌入式系統(tǒng)最重要的就是通過各種接口來控制外圍模塊，達到設(shè)計者預(yù)設(shè)的目的。常用的接口有串口（可用來連接藍牙，wifi和3G等模塊），USB接口、 網(wǎng)絡(luò)接口、JTAG接口、音視頻接口、HDMI接口等等。由于這些接口與外部模塊連接，做好電磁兼容設(shè)計是重要的一項工作。除此之外，在LAYOUT的時候注意差分線的使用。

第六、屏幕

這個功能之所以單獨列出來，是由于其可有可無。如果一個嵌入式系統(tǒng)只是作為一個連接器連接外圍設(shè)備模塊，通過相關(guān)接口連接到電腦主機或者直接掛在網(wǎng)絡(luò)上，那么屏幕就不需要了。但是如果做出來的是一個消費類產(chǎn)品，與用戶交互頻繁，這就不得不嘮叨幾句。

電容屏幕是嵌入式屏幕的首選，在電路設(shè)計中需要注意觸屏連接線和顯示屏連接線的布局。在走線的過程中盡量短的靠近主控cpu，同時注意配對信號走差分線，RGB控制信號走等長。各種信號走線間距遵循3W規(guī)則，避免相互干擾。 在屏幕的設(shè)計中，一定要確保功率和防止干擾，以防屏幕閃屏和花屏現(xiàn)象的出現(xiàn)。