漫談可編程芯片 - 單片機(jī)DIY制作 單片機(jī)論壇
寫在前面：很多朋友都問我做的是什么東西，我說單片機(jī)亡哄，但是大部分人也是不甚了解，額，我粗略的將它寫出來久锥，并且和一些可編程的芯片做了一些比較，我盡量寫的通俗些异剥，因?yàn)橛行〇|西如果沒有接觸過數(shù)電模電的可能很難理解奴拦。參考資料一些是百度的，一些來自老師届吁，一些來自自己理解。如有疏漏請指出绿鸣。謝謝
注：下面所有的芯片后面都省略了“系列”2字疚沐。
通用型CPU：
1968年“叛逃”仙童公司（Fairchild）的摩爾和諾依曼（有名的仙童“八叛徒”中兩個）加上安迪·格魯夫（A.Grove）創(chuàng)立了Intel公司，1971年推出了世界上第一枚處理器潮模。而同樣曾經(jīng)是仙童公司的銷售部主任的桑德斯（非“八叛徒”）1969年創(chuàng)立了AMD公司亮蛔。如今這兩家公司都以生產(chǎn)通用型處理器而聞名世界，當(dāng)然AMD在06年并購ATI之后擎厢，他也生產(chǎn)顯卡究流。早期AMD曾經(jīng)使用過Intel的核，之后研發(fā)出與Intel不同結(jié)構(gòu)的CPU动遭。（可見仙童半導(dǎo)體公司的厲害之處了芬探，雖然它的輝煌時期在上個世紀(jì)60年代，后來因?yàn)椤鞍伺淹健钡某鲎呃宓耄赏恢碧幱诘统蓖捣拢覔Q了好多東家，但是它的影響力一直持續(xù)到了今天宵蕉，我們導(dǎo)師做變頻用的IGBT或者一些大功率可控硅首選的還是仙童酝静，“八叛徒”也證實(shí)了當(dāng)時美國硅谷人才濟(jì)濟(jì)）
Intel酷睿雙核處理器（盒）
AMD速龍雙核（盒）
里面的CPU芯片
單片機(jī)（Microcontroller Unit）：其實(shí)直譯過來應(yīng)該叫做微控制器
8051：30年前，Intel推出了MSC-51系列羡玛，與71年的4位處理器不同的是51系列是8位的别智，也就是一次可以執(zhí)行8位，之后51發(fā)展就脫離通用型CPU的發(fā)展路線稼稿，后來在里面集成了IO薄榛，ROM,讳窟，RAM，定時計(jì)數(shù)器蛇数，中斷等等挪钓，其實(shí)廣義的講就成為了一款計(jì)算機(jī)，當(dāng)然是有別于通用型計(jì)算機(jī)耳舅，相比較的話ROM（Read Only Memory）就相當(dāng)于硬盤碌上，程序軟件就是放在這個里面的，執(zhí)行的時候就按照你編寫的程序一條條往下執(zhí)行浦徊，不過燒寫進(jìn)ROM的程序是機(jī)器碼馏予，一般的ROM是比較小的，大概就幾K到幾十K之間盔性，一張圖片都放不下的霞丧。RAM（Random Access Memory）就相當(dāng)于電腦上的內(nèi)存，內(nèi)存的作用在于將運(yùn)算的中間變量暫時存儲在這個地方冕香，所以內(nèi)存大的電腦蛹尝，可以開很多軟件也不卡，RAM也就相當(dāng)于這個功能悉尾，但是電腦上的有2G突那，但是單片機(jī)上的只有幾十字節(jié)到幾K。定時計(jì)數(shù)器其實(shí)每個電腦（準(zhǔn)確的說是電腦CPU）都有构眯，不過調(diào)用時需要API函數(shù)愕难，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)把所有和硬件有關(guān)系的操作都用API函數(shù)封裝了，其實(shí)無非就是計(jì)數(shù)的功能惫霸，1/主頻秒計(jì)數(shù)值加一猫缭，就是這樣，想要定時多久就計(jì)算出該計(jì)數(shù)幾次就可以了壹店。中斷的響應(yīng)處理猜丹，對應(yīng)于通用計(jì)算機(jī)比如對于鼠標(biāo)，鍵盤等事件的響應(yīng)處理等等硅卢，因?yàn)楝F(xiàn)在的計(jì)算機(jī)的主頻都上G了居触，中斷響應(yīng)的時間大概是1/主頻，所以人是無法感覺到的老赤，串口通信轮洋，早期的九針，一般的臺式機(jī)主機(jī)箱后面都有抬旺，筆記已經(jīng)沒有了弊予，可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和電腦的通信，或者兩臺單片機(jī)或兩臺計(jì)算機(jī)的通信开财。以上其實(shí)是單片機(jī)的簡介汉柒，而51當(dāng)然全部具備误褪，8051內(nèi)核，51和通用CPU一樣是有自己的指令碾褂，51是111條兽间，當(dāng)然所謂的指令集其實(shí)是建立在匯編的基礎(chǔ)上的，如果你用C編程正塌，最終編譯器會先將C語言程序先編譯成匯編語句嘀略，再把匯編語句編譯成機(jī)器碼。51的指令是CISC（Complex Instruction Set Computer）即復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)乓诽，也就是說指令不是單周期的帜羊，大部分都是1~3周期，但是乘法和除法是4個周期的鸠天，加上51的機(jī)器周期是外掛晶振的12分頻讼育，即外面的晶振/12才是51的主頻，比較悲劇稠集，所以它的速度永遠(yuǎn)基本處于微秒級奶段。51的IO（Input/Output）口是準(zhǔn)雙向IO口，因?yàn)橥粫r刻這個口既可以作為輸入也可以作為輸出剥纷，而也只有51內(nèi)核的單片機(jī)是這樣忧饭，其他后來研發(fā)的單片機(jī)都是標(biāo)準(zhǔn)IO口，也就是IO口必須要配置成輸入或者輸出才能工作筷畦。
At89s51單片機(jī)PDIP封裝
AVR：和51比它來了一個質(zhì)的飛躍，雖然也是8位的刺洒，但是AVR內(nèi)核鳖宾，131條指令，RISC（Reduced Instruction Set Computer）即精簡指令集計(jì)算機(jī)逆航，也就是說幾乎所有指令都是單周期鼎文，AVR集成了只需要兩個時鐘周期硬件乘法器。不需分頻因俐，精簡指令集拇惋，所以當(dāng)它的晶振處于1M的時候，就可以達(dá)到1MIPS的速度抹剩。AVR除了有上面所提到的51的所有功能撑帖，還集成了8路10位ADC（Analog to digital converter將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量），SPI（Serial Peripheral Interface串行外設(shè)接口即硬件SPI）澳眷，TWI（Two – Wires serial Interface即硬件I2C）等胡嘿，這些都是各種通信協(xié)議的硬件實(shí)現(xiàn)，而不是像51一樣只能靠模擬钳踊。AVR的IO為標(biāo)準(zhǔn)IO口衷敌，它可以輸出大電流勿侯，可以直接驅(qū)動繼電器，如果是3V電機(jī)缴罗，可以直接驅(qū)動助琐，而最大只能輸出十幾毫安的51是做不到的，因?yàn)殡姍C(jī)啟動需要大電流面氓。當(dāng)然芯片AVR有90S系列兵钮、tiny系列和mega系列，每種都有子產(chǎn)品侧但，資源稍有不同矢空。這款芯片體現(xiàn)了A先生和V先生的智慧，可以說AVR系列是一款經(jīng)典的單片機(jī)禀横，不過很遺憾屁药，最近它的號召力在慢慢下降，因?yàn)槿虻墓┴浘o張和Atmel公司對市場的“遲鈍”反應(yīng)柏锄，導(dǎo)致很多有心人在炒片子酿箭，據(jù)業(yè)內(nèi)人士稱代理也在炒，其實(shí)很多這種芯片可能都是靠走.私趾娃，特別是珠三角缭嫡，在國內(nèi)，一旦有芯片被大量使用抬闷，那么跟風(fēng)無數(shù)妇蛀，商家有利可圖自然大量購進(jìn)賣出，那么就會缺貨笤成，就和當(dāng)年TI的DSP差不多（好芯片永遠(yuǎn)話題不斷）评架，所以不重視大中華市場是不行的。很多人都已經(jīng)轉(zhuǎn)戰(zhàn)ST或者STC的芯片炕泳，因?yàn)閮r格低纵诞，也許這算是AVR的一種沒落。
AVR : Atmega16芯片 PDIP封裝
AVR : Atmega16芯片 TQFP封裝
PIC：與AVR一樣同是RISC培遵，當(dāng)然指令集是不一樣的浙芙。沒有用過并沒有多少發(fā)言權(quán)，個人感覺專用性比較強(qiáng)籽腕，擁有各種封裝嗡呼，更適合用于批量生產(chǎn)的場合。
PIC單片機(jī) PDIP封裝
PIC單片機(jī) TQFP封裝
MSP430：TI（Texas Instruments德州儀器）公司的力作皇耗，16位單片機(jī)晤锥，最大的特點(diǎn)為低功耗，誕生十幾年來至今未見得有哪款單片機(jī)可以在功耗上與它抗衡，在時鐘關(guān)閉的時候最小只有0.1uA的功耗矾瘾，低頻工作下也是微安級的女轿，3.3V的電壓，這種功耗壕翩，它做成的手持設(shè)備蛉迹，只要兩節(jié)干電池可以工作幾年。RISC放妈，只有27條指令北救，相當(dāng)簡潔，集成硬件乘法器芜抒，每個IO口都可以作為中斷珍策，對于中斷的嵌套很方便，不像AVR只能以軟件來嵌套中斷宅倒，而且還有主次時鐘攘宙，自帶著鎖相環(huán)的功能。當(dāng)然每個系列是不一樣的拐迁，資源多少的問題蹭劈，這個片子一般都是TQFP封裝的，當(dāng)然是有PDIP封裝的线召，較少而已铺韧，因?yàn)檫@片子引腳比較多。資源功能方面缓淹，當(dāng)然說起TI的可編程芯片哈打，可能更多人會想到DSP（Digital Signal Processor）芯片，430不可避免的帶著DSP的影子讯壶。當(dāng)然也繼承了TI公司貴的特點(diǎn)料仗，MSP430確實(shí)很貴。
MSP430單片機(jī) PDIP封裝
STM8：ST（SGS-THOMSON Microelectronics即意法半導(dǎo)體）的得意之作鹏溯，8位單片機(jī)，手上有一套三合一體驗(yàn)的板子淹仑，還沒有開始研究它丙挽，不過看下他的資源，所有都是AVR的8位機(jī)的兩倍匀借，但是價格只有它的1/3到1/2颜阐，難怪很多人都轉(zhuǎn)戰(zhàn)ST了，價格永遠(yuǎn)是硬道理吓肋，老板看中的是成本凳怨。
STM8系列單片機(jī) TQFP封裝
總結(jié)：由此可以看出其實(shí)除了51之外，其他的芯片資源都是差不多的，因?yàn)槎际荝ISC結(jié)構(gòu)的肤舞，加上功能足夠多紫新，所以基本上操縱芯片無非就是操縱寄存器，當(dāng)然這篇文章主要是寫給一些不是這個專業(yè)的朋友看的李剖，隱去了一些東西芒率，比如JTAG和E2PROM，Atmel公司對Flash和E2PROM的研究使它的芯片擦寫次數(shù)和質(zhì)量都很高篙顺，關(guān)于開發(fā)工具的話偶芍，AVR有很多，公認(rèn)編譯出來代碼效率最高的是IAR AVR德玫，其次CVAVR（Code Vision AVR）,ICCAVR匪蟀，WinAVR(GCC，這個編譯器GNU開發(fā)宰僧，完全免費(fèi))這三款代碼效率差不多材彪，這些和Atmel公司開發(fā)的AVR Studio內(nèi)聯(lián)就可以仿真，如果加上JTAG就可以單步仿真,下載可以使用ISP（In System Programmable在線系統(tǒng)可編程）撒桨。MSP430和STM8都可以使用IAR的編譯軟件查刻。
AVR單片機(jī)的ISP下載器，Usbasp
自制的AVR JTAG仿真下載器
MSP430單片機(jī) 三合一仿真下載器
EDA（Electronic Design Automation）：電子設(shè)計(jì)自動化
CPLD（Complex Programmable Logic Device）：CPLD其實(shí)有兩種凤类，一種就是叫CPLD,還有一種稱為FPGA（Field Programmable Gate Array）穗泵。CPLD直譯叫做復(fù)雜可編程邏輯器件，F(xiàn)PGA直譯叫做現(xiàn)場可編程門陣列谜疤，它們準(zhǔn)確的來說是硬件數(shù)字電路佃延，里面是各種門的組合，而我們編程的目的在于在這塊芯片上熔出一個數(shù)字電路來夷磕，因?yàn)橛布臇|西永遠(yuǎn)都會比軟件快履肃，它和通用型的CPU和單片機(jī)有著本質(zhì)的區(qū)別在于它的并行性，因?yàn)閿?shù)字和模擬電路通電后的反應(yīng)都是瞬時的坐桩，非時序電路的各個節(jié)點(diǎn)之間是沒有所謂暫緩的尺棋，也就是說它不會像CPU或者單片機(jī)一樣是按照一條條的程序來執(zhí)行，當(dāng)然利用狀態(tài)機(jī)可以绵跷，這個是編程的手法問題膘螟。CPLD是擁有ROM，它可以像單片機(jī)一樣下載完程序之后可以一直使用碾局，而FPGA不可以荆残，F(xiàn)PGA相當(dāng)于一塊集結(jié)了數(shù)字電路的高速RAM，所以稱為現(xiàn)場可編程門陣列净当，它的程序只有在現(xiàn)場可用内斯，一旦斷電就什么都沒有了蕴潦，所以一般做產(chǎn)品的話就會在上面掛一個E2PROM。現(xiàn)在CPLD作為一種新興力量加入到可編程芯片中俘闯，在一些高速的場合潭苞，DSP芯片都無法完成的DSP技術(shù)，可以由CPLD來取代DSP芯片（注：DSP既可以是Digital Signal Processor數(shù)字信號處理芯片备徐，也可以是Digital Signal Process數(shù)字信號處理技術(shù)）√汛現(xiàn)在由于IP軟核的復(fù)用，如果將處理器軟和下到CPLD中蜜猾，那么這塊東西就變成了一款處理器秀菱，Nios處理器，有硬件的運(yùn)行方式蹭睡，但是也有像CPU和單片機(jī)一樣編程方式衍菱。世界上生產(chǎn)CPLD有名的公司是Altera、Xilinx公司等肩豁，一般教學(xué)可能Altera會多一些脊串，至少我們學(xué)校訂購了Altera公司的產(chǎn)品，DE2開發(fā)板清钥，使用的是VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language即超高速集成電路硬件描述語言)或者Verilog HDL（Verilog Hardware Description Language）顧名思義是對硬件進(jìn)行直接的操作琼锋，Altera芯片的開發(fā)軟件是Quartus II。當(dāng)然它可以做單片機(jī)或者通用CPU可以做的事情祟昭，但是由于芯片本身特性的局限是它無法像普通單片機(jī)或CPU一樣進(jìn)行方便的編程缕坎，IP核和Nios可以說是解決方案。
Altera的FPGA芯片篡悟，由于管腳過多所以使用BGA封裝谜叹，引腳不在旁邊而在反面，如圖左邊是正面搬葬，右邊是反面
DSP (Digital Signal Processor / Digital Signal Process)：數(shù)字信號處理芯片/數(shù)字信號處理技術(shù)
TMS320：和MSP430一樣這是TI(Texas Instruments德州儀器)公司的力作荷腊，當(dāng)然這個也和MSP430一樣是芯片系列的頭文件，準(zhǔn)確的說這兩種芯片應(yīng)該是TMS320XXXX或者是MSP430XXX急凰，而我們專業(yè)使用的TMS320LF240X女仰。從第一枚商用DSP芯片由TI生產(chǎn)到今天這幾十年，DSP的發(fā)展可謂飛速抡锈，速度越來越快疾忍，功耗越來越低，價格越來越低企孩，功能越來越強(qiáng)大锭碳，特別是對于數(shù)字信號如音頻袁稽、圖像的處理勿璃，當(dāng)然還有在我們電氣專業(yè)領(lǐng)域來說至關(guān)重要的變頻調(diào)速方面有著很重要的地位。TI的DSP芯片的發(fā)展中，留在市場上的有2000系列补疑，5000系列和6000系列歧沪。它的結(jié)構(gòu)和單片機(jī)基本沒有區(qū)別，只是更加適用于數(shù)字信號處理莲组，所以它對處理數(shù)字信號和算法的能力是單片機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到的诊胞，它集成的硬件乘法器和本身的特性使它可以在1個時鐘周期就可以算出一個乘法和一個加法，而其對浮點(diǎn)和定點(diǎn)的運(yùn)算是單片機(jī)速度達(dá)不到的（當(dāng)然DSP是分為浮點(diǎn)和定點(diǎn)即Float – Point和Fixed - Point）锹杈，如快速傅里葉算法FFT或者PI調(diào)節(jié)算法的實(shí)現(xiàn)撵孤，使用單片機(jī)完全是杯具。開發(fā)DSP的工具有CCS竭望，其開發(fā)過程和單片機(jī)一樣邪码，有C和匯編，也有JTAG仿真下載（當(dāng)然JTAG是一種協(xié)議而已咬清，這里不再贅述）闭专。
DSP芯片，TQFP封裝
ARM（Advanced RISC Machines）：既是一款處理器名字也是一個公司的名字
ARM：1991年成立于英國劍橋旧烧，這個偉大公司誕生不到二十年卻讓世界如此震驚影钉，拿出你的手機(jī)，里面的處理器90%是ARM掘剪，他們不產(chǎn)芯片而是靠出賣自己的設(shè)計(jì)技術(shù)的授權(quán)平委，它擁有單片機(jī)、DSP杖小、通用CPU的優(yōu)點(diǎn)肆汹，卻有著自己的特色，適用于消費(fèi)電子予权、圖像處理昂勉、多媒體、移動設(shè)備等嵌入式領(lǐng)域扫腺，由于沒有用過岗照，發(fā)言權(quán)比較少。授權(quán)方有Atmel笆环、三星攒至、索尼，飛思卡爾躁劣、英特爾迫吐、TI、ST等等账忘。ARM用于嵌入式系統(tǒng)可以跑操作系統(tǒng)志膀，那是有別于通用CPU的操作系統(tǒng)熙宇，嵌入于專用型的場合，使用Unix溉浙、Linux等操作系統(tǒng)烫止，比如手機(jī)的操作系統(tǒng)塞班（Symbian），Google的安卓（Android）戳稽，還有微軟的Windows Mobile馆蠕。
國內(nèi)用的比較多的三星的ARM芯片，上圖為ARM11惊奇，BGA封裝
STM32：意法半導(dǎo)體的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位單片機(jī)互躬，資源非常豐富∷汤桑可以跑操作系統(tǒng)吨铸，但是因?yàn)閮?nèi)部存儲器的限制，只能跑uC/OS – II操作系統(tǒng)嚴(yán)格意義上說它是一款A(yù)RM祖秒，相當(dāng)于ARM7诞吱。
STM32，TQFP封裝
后記：后面貼幾個開發(fā)軟件竭缝。
Wave6000 ：國產(chǎn)比較悲劇的軟件房维，用于開發(fā)51的匯編編譯器
Keil uVision2 ：用的最廣的C51編譯器用于編譯各種8051內(nèi)核的單片機(jī)
內(nèi)聯(lián)GCC的AVR Studio ：用于編譯AVR系列的C程序
AVR fighter ：用于AVR系列單片機(jī)的熔絲位設(shè)置和燒寫
IAR ：這個公司開發(fā)各種單片機(jī)編譯軟件，有51抬纸、AVR咙俩、MSP430、STM8湿故、STM32等等市場上見得到的單片機(jī)阿趁，并且編譯出來的代碼效率很高
Quartus II??：Altera公司開發(fā)的編譯、燒寫其公司CPLD和FPGA的軟件
Altium Designer ：畫板軟件坛猪，方便實(shí)用脖阵，可以觀看自己設(shè)計(jì)的板子的3D圖，但是國內(nèi)支持的PCB還停留在Protel 99se
