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言歸正傳。
單片機(jī)(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(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能(可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)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(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
單片機(jī)誕生于20世紀(jì)70年代。所謂單片機(jī)是利用大規(guī)模集成電路技術(shù)把中央處理單元(Center Processing Unit,也即常稱(chēng)的CPU)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、程序存儲(chǔ)器(ROM)及其他I/O通信口集成在一塊芯片上，構(gòu)成一個(gè)最小的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，再加上了中斷單元，定時(shí)單元及A/D轉(zhuǎn)換等更復(fù)雜、更完善的電路，使得單片機(jī)的功能越來(lái)越強(qiáng)大，應(yīng)用更廣泛[1]。現(xiàn)在更多單片機(jī)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了嵌入式系統(tǒng)時(shí)代, 由于制造工藝的進(jìn)步,有如 VHDL、RTOS、CPLD、FPGA、DSP、ARM等這一系列可編程器件的體積越來(lái)越小、成本越來(lái)越低，而功能是越來(lái)越能滿足人們的需要。自上世紀(jì) 80年代以來(lái)，單片機(jī)技術(shù)在我國(guó)各個(gè)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，各個(gè)世界半導(dǎo)體公司都非常看好中國(guó)這個(gè)龐大的市場(chǎng)而紛紛到中國(guó)來(lái)投資建廠，如在蘇州就有日本的瑞薩、松下、美國(guó)的快捷等半導(dǎo)體公司在中的生產(chǎn)廠地。同時(shí)面對(duì)這一技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)大部分高校都已經(jīng)把單片機(jī)方面的課程作為學(xué)生的必修課，這為我國(guó)近些年來(lái)的科技、工業(yè)控制等方面的發(fā)展培養(yǎng)了大量人才，而且社會(huì)對(duì)此方面的人才需求還在不斷的增加。面對(duì)如此情況，作為在校學(xué)生,又該從何學(xué)起?如何學(xué)好這門(mén)課程呢?又怎樣才能不讓自己學(xué)了等于沒(méi)學(xué)呢?本文在多年實(shí)踐的基礎(chǔ)上，介紹自已的一些感受和經(jīng)驗(yàn)。
1.理解單片機(jī)的結(jié)構(gòu)
對(duì)于一個(gè)初學(xué)者，最迷糊的就是對(duì)單片機(jī)芯片里面的結(jié)構(gòu)的理解，小小的一個(gè)芯片為何能完成如此神奇的功能。
第一次從事電子方面的工作，也總對(duì)那黑黑的芯片里面感到不可思意的神奇。直到有一天，在檢修一臺(tái)日本二手電子市場(chǎng)里買(mǎi)來(lái)的程控交換機(jī)時(shí)，發(fā)現(xiàn)里面有一塊黑東西上的黑膠已經(jīng)裂開(kāi)，把它撬開(kāi)一看，里面就是一塊電路板，上面焊滿了密密麻麻的電子零件。終于有點(diǎn)明白，原來(lái)芯片也可以這樣做成。當(dāng)然當(dāng)時(shí)所見(jiàn)的那塊電路板是不能被稱(chēng)之為芯片的，那只是日本的電子制造公司為了防止別人抄襲而把整個(gè)電路板密封起來(lái)或其它原因，只引出幾個(gè)的引腳與其它電路連接。不過(guò)它可以讓人聯(lián)想到芯片的基本結(jié)構(gòu)與此相類(lèi)似，如果把那些內(nèi)眼看得見(jiàn)的電子零件再縮小一千倍或更小以至于能把所有電子零件做在一個(gè)硅片上，那也就成了名副其實(shí)的芯片了。我們不防以圖1所示的電路及電路板來(lái)做一個(gè)生動(dòng)形象的介紹。該圖是一個(gè)直流馬達(dá)可以正反兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的電路，做成電路板并焊好電子元件后，經(jīng)測(cè)試沒(méi)有問(wèn)題就可以用黑膠(通常采用酚醛樹(shù)脂等材料)把所有電子元件封起來(lái)，只留六個(gè)引腳來(lái)與外部電路連接，這樣看起來(lái)就好像是一個(gè)芯片。
知道了一般芯片的原理，同樣可以更進(jìn)一步想象單片機(jī)為什么會(huì)執(zhí)行邏輯運(yùn)算等功能，這就牽涉到數(shù)字電路和模擬電路的知識(shí)。其實(shí)不管一個(gè)單片機(jī)的功能是如何的強(qiáng)大，其只不過(guò)是把許多以微米，甚至是納米為單位級(jí)的數(shù)字的和模擬電子器件組成。要做到對(duì)單片機(jī)內(nèi)部結(jié)果真正的了解，還必須得先要有很扎實(shí)的電路基礎(chǔ)、模擬電路、數(shù)字電路等方面的知識(shí)，否則可能就是空中樓閣。
2.理清邏輯思維
學(xué)習(xí)單片機(jī)是最重要的一點(diǎn)就是不能糊涂，不能把邏輯關(guān)系搞得亂七八糟。對(duì)于初學(xué)單片機(jī)時(shí)，要學(xué)會(huì)把一個(gè)程式的邏輯性關(guān)系用流程圖的形式清楚的表示出來(lái)。至于用來(lái)編寫(xiě)程式的單片機(jī)的語(yǔ)言是很簡(jiǎn)單的，不要把它想象得很神秘，不管是匯編語(yǔ)言、C語(yǔ)言、還是更高級(jí)的VC++和圖示化語(yǔ)言(如LABVIEW)，都只不過(guò)是把我們清楚的邏輯思維告訴單片機(jī)處理器，并指令它將要被如何進(jìn)行邏輯操作。把單片機(jī)的指令看得很重要應(yīng)該是我們大家在學(xué)習(xí)單片機(jī)時(shí)的一個(gè)最大的誤區(qū)，老是擔(dān)心指令記不住、不會(huì)用，這也是學(xué)習(xí)單片機(jī)還沒(méi)入門(mén)、上路的主要表現(xiàn)。其實(shí)這樣有什么擔(dān)心的呢，記不住就不要強(qiáng)求好了，把指令放在旁邊，當(dāng)把邏輯關(guān)系清理好之后，再來(lái)對(duì)著指令表確定哪個(gè)邏輯關(guān)系由哪些指令來(lái)完成，當(dāng)一條指令運(yùn)用得幾次后，根本就用不著擔(dān)心不知道指令不會(huì)用了。退一步講，即使真的記不得指令，參照書(shū)本的指令用法也完全可行，現(xiàn)在的知識(shí)量是海量，全把所學(xué)的知識(shí)死記在腦子里肯定會(huì)把腦袋漲破。在寫(xiě)程序時(shí)，只要程序的邏輯關(guān)系調(diào)理清楚了，寫(xiě)起來(lái)就好比做簡(jiǎn)單的翻譯工作，把邏輯關(guān)系翻譯成計(jì)算機(jī)語(yǔ)言來(lái)表示。3對(duì)微觀世界的想象曾經(jīng)在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，為了讓線路中的電流能流暢的通過(guò)線路，為了所設(shè)計(jì)的電路板能滿足各種測(cè)試條件下的安全標(biāo)準(zhǔn)，如UL標(biāo)準(zhǔn)要求最長(zhǎng)的電源地線不能過(guò) 0.02歐姆(其測(cè)試條件是在20A的電流情況下測(cè)量它的功率P=I2R)。如果假如是0.02歐姆，通以20A的電流，那這條線路的發(fā)熱功率將會(huì)是 8W。把電流看作是我們宏觀世界里的水，線路就好比一條水溝。要讓水在水溝里怎么流，這理所當(dāng)然是很容易控制的了。如水在急轉(zhuǎn)彎的地方會(huì)起漩渦，會(huì)對(duì)急轉(zhuǎn)達(dá)彎的溝的對(duì)面產(chǎn)生沖擊。同樣在電路板上的線路如果存在急轉(zhuǎn)彎的情況，電流也會(huì)引起渦流，也會(huì)對(duì)線路的拐點(diǎn)處有一個(gè)沖擊作用而產(chǎn)生輻射。這樣一來(lái)，在理解了這一原理之后，每一次電路板的設(shè)計(jì)完成之后，所有的測(cè)試都能一次通過(guò)。可見(jiàn)把微觀世界想象成宏觀世界相類(lèi)似的事物或過(guò)程是非常有幫助的。現(xiàn)代電子世界，特別是微電子，要想看清他的真面目，只有在高清昕度的顯微鏡下才能看到他的外形，可是即使了解了它的外形，也只不過(guò)是知其然而不知其所以然，它的工作過(guò)程根本無(wú)法看得到。
現(xiàn)在單片機(jī)結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，集成度越來(lái)越高，存儲(chǔ)量越來(lái)越大，將來(lái)還可能采用分子級(jí)電子晶體管呢。它的運(yùn)行速度也是如此的越來(lái)越快，現(xiàn)在已經(jīng)是采用納秒級(jí)來(lái)定義它的運(yùn)行時(shí)間了，最長(zhǎng)的運(yùn)行一條指令的時(shí)間最多不過(guò)一兩個(gè)微秒，簡(jiǎn)直就是比一閃而過(guò)還要少好多好多。既然我們可以在空間上利用放大鏡把外形放大后來(lái)了解，那么同樣可以在時(shí)間上把時(shí)間拉長(zhǎng)來(lái)解。不訪把一微秒當(dāng)作時(shí)一分鐘或一小時(shí)來(lái)理解，這樣我們就不難理解CPU就如人一樣在處理某一條指令。比如指令 “MOV A，01H”就是CPU把數(shù)據(jù)01H送到A累加器，在這個(gè)運(yùn)送的過(guò)程就如人搬運(yùn)東西的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程的處理時(shí)間就是CPU處理一個(gè)指令的時(shí)間，通常稱(chēng)之為指令周期。有些時(shí)候單片機(jī)會(huì)出現(xiàn)對(duì)某個(gè)操作處理的時(shí)間不夠，如進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，被采集的信號(hào)相對(duì)于單片機(jī)處理時(shí)間比較快就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)遺失的情況，這就要求單片機(jī)的運(yùn)行速度更快。如果沒(méi)有這處微觀時(shí)間的概念，就很難理解怎么會(huì)出現(xiàn)這種情況。
那么如何編程呢?有人說(shuō)先畫(huà)流程圖，然后再寫(xiě)程序、調(diào)試。我想，這是數(shù)學(xué)比我好的人說(shuō)的，我的方法如下：
1、用文字描述自己需要的功能
2、拆分出各個(gè)功能，用文字描述每個(gè)功能是如何實(shí)現(xiàn)的
3、完成各個(gè)功能的程序，并做好測(cè)試，對(duì)于我來(lái)說(shuō)，如果了解單片機(jī)的工作方式，那么編寫(xiě)程序其實(shí)就是把漢語(yǔ)翻譯成匯編語(yǔ)言。
4、修改每個(gè)功能模塊的程序，盡量讓程序簡(jiǎn)短，并且預(yù)留好和其他功能銜接的功能(接口、變量等)
5、合并簡(jiǎn)單功能模塊，復(fù)雜功能逐一合并，每次合并做好程序備份，以便糾錯(cuò)
6、如果上述工作做的足夠好，那么可以直接得到想要的結(jié)果，我的程序往往都是寫(xiě)完了就可以用，這是建立在部分模塊程序的完美基礎(chǔ)之上的。
如果是設(shè)計(jì)了獨(dú)一無(wú)二的作品，比如說(shuō)我的立方光(我是獨(dú)立設(shè)計(jì)的原理和程序，不管是新版還是舊版)，那就在第一條補(bǔ)充一條：構(gòu)思，這需要你對(duì)單片機(jī)很了解，預(yù)想如何實(shí)現(xiàn)，會(huì)遇到什么樣的問(wèn)題，以及解決的方案。立方光我構(gòu)思了2個(gè)月，真正做實(shí)物的時(shí)間，只有一周。等到了新版立方光問(wèn)世，我也是用了三周構(gòu)思，一周做實(shí)物。
學(xué)習(xí)c語(yǔ)言
通過(guò)一段時(shí)間的學(xué)習(xí)，我認(rèn)識(shí)到了匯編語(yǔ)言的優(yōu)越性，也認(rèn)識(shí)到它的缺點(diǎn)，這點(diǎn)我們稍后再說(shuō)，先說(shuō)一下我現(xiàn)在學(xué)習(xí)c語(yǔ)言的情況。
因?yàn)橹坝辛俗鰧?shí)物和編程的基礎(chǔ)，我就通過(guò)項(xiàng)目來(lái)學(xué)習(xí)C，比如，做一個(gè)溫度顯示，用到了18B20，就自己百度資料，至于程序，我就找了開(kāi)發(fā)板上現(xiàn)成的(說(shuō)到這，買(mǎi)個(gè)開(kāi)發(fā)板還是很必要的，要的是程序)。第一次接觸C編程，void是啥都不懂，那就百度吧，可以說(shuō)，一個(gè)程序，我要百度很久來(lái)理解里面的內(nèi)容，不懂就是問(wèn)師弟(他們現(xiàn)在是學(xué)C的)，差不多一天的時(shí)間(包括查資料)，程序也就完成了，當(dāng)然，我還優(yōu)化了原程序，自己改寫(xiě)后的程序比以前更簡(jiǎn)短，占用RAM更少，因?yàn)橹笆菍W(xué)匯編的，一眼就看得出，程序改如何優(yōu)化。
以上就是我的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)了，在這里我還是建議大家，要先學(xué)匯編語(yǔ)言，這沒(méi)壞處，比如我，因?yàn)橛袇R編的基礎(chǔ)，學(xué)起c來(lái)就覺(jué)得很上手，特別是自己可以寫(xiě)出更優(yōu)化的程序。但有人說(shuō)，匯編難學(xué)，就算學(xué)了，以后編程也用不到。那么我要說(shuō)，我的立方光程序就是匯編的，怎么用不到了?很多單片機(jī)的參考資料，也都是以匯編作為原始資料的，你不懂匯編，怎么學(xué)習(xí)新的功能?學(xué)了匯編后，你會(huì)知道，單片機(jī)可以做哪些事情，哪些事情不能做，以及如何做好一件事情，這是單純學(xué)C的人體會(huì)不到的。
說(shuō)，如何才能優(yōu)化程序、寫(xiě)出最短的程序，那必須先要對(duì)單片機(jī)有足夠的了解，而學(xué)習(xí)單片機(jī)的內(nèi)部原理，是非匯編不可的。加上有人學(xué)單片機(jī)是為了向嵌入式進(jìn)階，那么學(xué)習(xí)匯編就是更是必不可少的了。C語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)我就不多少了，現(xiàn)在幾乎都是在用C編程，我最近在學(xué)習(xí)C編程，也體會(huì)到了C強(qiáng)大，但這不代表我以前學(xué)的匯編就浪費(fèi)了，比如stc的eeprom程序，官方給的就是匯編，可實(shí)際來(lái)說(shuō)，寫(xiě)成C更好，如果你不懂匯編，自然也無(wú)法翻譯這些程序，談何C的應(yīng)用?關(guān)于這兩種語(yǔ)言的話題，我就不再往下說(shuō)了，免得又引起口水戰(zhàn)，如果想學(xué)單片機(jī)，我建議學(xué)C，如果你想學(xué)好單片機(jī)，那就先學(xué)匯編再學(xué)C，這就我給初學(xué)者的建議。最后要說(shuō)的是，匯編編程，非常鍛煉人的思維，這也就是為什么都說(shuō)匯編難學(xué)了，如果你在匯編上有一定的編程能力，那么再掌握其他編程語(yǔ)言的時(shí)候，學(xué)習(xí)過(guò)程就會(huì)變得很容易。
學(xué)習(xí)單片機(jī)的其它幾個(gè)注意點(diǎn)：
1 .理論與實(shí)踐并重
對(duì)一個(gè)初學(xué)單片機(jī)的人來(lái)說(shuō)，如果按教科書(shū)式的學(xué)法，上來(lái)就是一大堆指令、名詞，學(xué)了半天還搞不清這些指令起什么作用，也許用不了幾天就會(huì)覺(jué)得枯燥乏味以致半途而廢。所以學(xué)習(xí)與實(shí)踐結(jié)合是一個(gè)好方法，邊學(xué)習(xí)、邊演練，循序漸進(jìn)，這樣用不了幾次就能將所用到的指令理解、吃透、扎根于腦海，甚至 “ 根深蒂固 ” 。也就是說(shuō)，當(dāng)你學(xué)習(xí)完幾條指令后 ( 一次數(shù)量不求多，只求懂 ) ，接下去就該做實(shí)驗(yàn)了，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，使你感受到剛才的指令產(chǎn)生的控制效果，眼睛看得見(jiàn) ( 燈光 ) 、耳朵聽(tīng)得到 ( 聲音 ) ，更能深刻理解指令是怎樣轉(zhuǎn)化成信號(hào)去實(shí)現(xiàn)控制的，通過(guò)實(shí)驗(yàn)看到自己所學(xué)的成果不僅有一種成就感也能提升你對(duì)單片機(jī)的興趣。說(shuō)句實(shí)在話，單片機(jī)與其說(shuō)是學(xué)出來(lái)的，還不如說(shuō)是做實(shí)驗(yàn)練出來(lái)的，何況做實(shí)驗(yàn)本身也是一種學(xué)習(xí)過(guò)程。因此邊學(xué)邊練的學(xué)習(xí)方法，效果特別好。
2 .合理安排時(shí)間持之以恒
學(xué)習(xí)單片機(jī)不能 “ 三天打魚(yú)、兩天曬網(wǎng) ” ，要有持之以恒的毅力與決 4 心。學(xué)習(xí)完幾條指令后，就應(yīng)及時(shí)做實(shí)驗(yàn)，融匯貫通，而不要等幾天或幾個(gè)星期之后再做實(shí)驗(yàn)，這樣效果不好甚至前學(xué)后忘。另外要有打 “ 持久戰(zhàn) ” 的心理準(zhǔn)備，不要興趣來(lái)時(shí)學(xué)上幾天，無(wú)興趣時(shí)涼上幾星期。學(xué)習(xí)單片機(jī)很重要的一點(diǎn)就是持之以恒。
3 .遇到問(wèn)題耐心檢查
單片機(jī)有軟硬件兩方面的內(nèi)容，有時(shí)一個(gè)程序怎么調(diào)都不出效果，然而從理論分析卻又是對(duì)的，這是就要仔細(xì)找原因了，學(xué)習(xí)單片機(jī)經(jīng)常碰到很多問(wèn)題，有時(shí)一兩天都不能解決，這是就要有耐心，從底層找起，相信每找出一個(gè)錯(cuò)誤都會(huì)有一個(gè)新的收獲。切不可輕言放棄。
4 .對(duì)只短暫學(xué)過(guò)一遍的知識(shí)，充其量只比浮光掠影稍好。因此，較好的方法是過(guò)一段時(shí)間后 (1-2 個(gè)月 ) 再重新學(xué)一遍，學(xué)過(guò)的知識(shí)要經(jīng)常運(yùn)用，這樣反復(fù)循環(huán)幾次就能徹底弄懂消化，永不忘卻。
5 .要進(jìn)行適當(dāng)投資購(gòu)買(mǎi)實(shí)驗(yàn)器材及書(shū)籍資料
單片機(jī)技術(shù)含金量高，一旦學(xué)會(huì)后，給你帶來(lái)的效益當(dāng)然也高，無(wú)論是應(yīng)聘求職還是自起爐灶開(kāi)廠辦公司，其前景都光明無(wú)限。因此在學(xué)習(xí)時(shí)要舍得適當(dāng)投資購(gòu)買(mǎi)必要的學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)器材。另外還要經(jīng)常去科技圖書(shū)店看看，購(gòu)買(mǎi)一些適合自己學(xué)習(xí)、提高的書(shū)籍。一本好的書(shū)籍真的很重要，可以隨時(shí)翻閱，隨時(shí)補(bǔ)充不懂或遺忘的知識(shí)。
學(xué)習(xí)使用單片機(jī)就是理解單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)，以及內(nèi)部資源的應(yīng)用,在匯編或C語(yǔ)言中學(xué)會(huì)各種功能的初始化設(shè)置，以及實(shí)現(xiàn)各種功能的程序編制。
希望這些文字或多或少的給初學(xué)者一些幫助，早日入門(mén)!
下面推薦一些學(xué)習(xí)的工具
軟件方面方面， 51 單片機(jī)用的是 KEIL 軟件，這個(gè)軟件在學(xué)校圖書(shū)館軟件下載和其他網(wǎng)站上都有，具體用法自己查找相關(guān)資料， AVR 的軟件就比較多了，我用的是 CVAVR ，另外還有 ICCAVR 等多款編譯軟件，這要看個(gè)人喜好了，建議有了一定的 51 基礎(chǔ)再學(xué)。另外就是燒寫(xiě)軟件，燒寫(xiě)軟件的作用就是將編譯器生成的 HEX 文件燒寫(xiě)至單片機(jī)里，這要配合下載線實(shí)用，如果有并口的話最好用并口下載線，軟件最好用廣州雙龍的 SLISP 軟件，如果是筆記本沒(méi)有并口的話則要自己買(mǎi)一個(gè)下載器了，名稱(chēng)為 USBASP ，網(wǎng)上電子市場(chǎng)有賣(mài) 20 塊錢(qián)左右，軟件會(huì)隨光盤(pán)自帶。
硬件方面，首先是要有單片機(jī)，對(duì)于單片機(jī)有一點(diǎn)要注意， 51 單片機(jī)最好買(mǎi) 89S51 、 89S52 這兩種型號(hào)，上面我所說(shuō)的燒寫(xiě)程序是 ISP 方式，這兩種單片機(jī)支持 ISP 下載，所以如果買(mǎi)其他型號(hào)的燒寫(xiě)程序可能會(huì)不太方便， AVR 單片機(jī)常用的就是 ATmega16L 其它型號(hào)的區(qū)別也不是很大，甚至有些兼容。至于單片機(jī)開(kāi)發(fā)板，目前的價(jià)格都很貴，從一百到幾百不等，不過(guò)像上次學(xué)校里廣告的那個(gè)六十多塊錢(qián)的最好還是免了，沒(méi)什么作用。能買(mǎi)一塊當(dāng)然好，沒(méi)有的話也不要緊，自己動(dòng)手買(mǎi)個(gè)電路板搭一下也很方便，引出 ISP 接口，燒寫(xiě)程序十分容易，然后將 I/O 口引出擴(kuò)展也很方便。
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