經(jīng)驗(yàn)之談：如何學(xué)好單片機(jī)

摘要：單片機(jī)越來(lái)越多的受到電子產(chǎn)品研發(fā)人員和我國(guó)高等技術(shù)類(lèi)學(xué)校的應(yīng)用與重視。本文在多年實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從單片機(jī)結(jié)構(gòu)、邏輯思維、和微觀理念方面著手，詳細(xì)介紹了如何學(xué)好單片機(jī)這門(mén)應(yīng)用技術(shù)的幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)之談。

引言

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]?，F(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?？春弥袊?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。為了形象的來(lái)說(shuō)明單片機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理，這里不訪舉如圖2所示的跑馬燈電路來(lái)闡述。圖中電路表明的最終目的是讓LED依次輪流被點(diǎn)亮。首先是通過(guò)計(jì)數(shù)器對(duì)輸入脈沖計(jì)數(shù)，從0到15共16個(gè)脈沖為一個(gè)輪回，也即計(jì)數(shù)器的輸出依次為二進(jìn)制的0000B到1111B，再由四-十六譯碼器把計(jì)數(shù)器的結(jié)果解碼輸出，即依次置Y0到Y(jié)15由高電平變?yōu)楦唠娖?。?dāng)某一輸出為高電平時(shí)，經(jīng)過(guò)反向器后，與此線路相連接的LED的陰極被拉為低電平從而點(diǎn)亮該發(fā)光二極管。這樣一來(lái)，計(jì)數(shù)器和譯碼器就相當(dāng)于單片機(jī)里的處理器與PC地址寄存器了，與譯碼器輸出腳相連的線就相當(dāng)于地址線，與LED負(fù)極相連的輸出線就相當(dāng)于數(shù)據(jù)線，每一條“地址線”都與8根“數(shù)據(jù)線”有一個(gè)交叉，每一個(gè)交叉就相當(dāng)于存儲(chǔ)單元的每一個(gè)位。在這些交叉處是否要連通就相當(dāng)于把程式燒錄到存儲(chǔ)器（ROM）里。最后總體來(lái)看就相當(dāng)于一個(gè)只有16個(gè)地址的8位單片機(jī)。如果把LED換成圖中數(shù)碼管，改變圖中的二極管連接，在“單片機(jī)”通電和輸入時(shí)鐘脈沖后，就可以不停的來(lái)顯示數(shù)字了。

另外，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。如下圖3和圖4是一個(gè)簡(jiǎn)單的鍵掃描電路和程式流程圖，我們根據(jù)這個(gè)流程圖就很快能用目前非常普遍的C51匯編語(yǔ)言來(lái)寫(xiě)出這個(gè)程序。

KEY_SCAN:

PUSH A ;保存寄存器A

INC R1 ;

AND R1，00000011B

MOV R2，3

MOVC DPHL，TABLE ;取表首址

MOVC A，＠DPHL+R1 ;讀取表中數(shù)據(jù)

AND A，00001111B ;保留低4位

MOV P1,A ;按所取表中數(shù)據(jù)由P1低4位輸出

CALL DELAY_TIME ;延時(shí)

MOV A,P1 ;讀取P1端口

AND A,11100000B ;保留P14、P16、P17

LOOP:

RLC A ;左移A一位到位寄存器“C”

JC R1,LOOP1 ;判斷位寄存器“C”是否為“0”

CALL KEY_CAL ;調(diào)用鍵碼計(jì)算子程序

LOOP1:

DJNE R2,LOOP ;判斷是否已移3位

POP A ;恢復(fù)寄存器A

RTI ;本次掃描結(jié)束

KEY_CAL: ;鍵碼計(jì)算子程序

… … …

RTS

DELAY_TIME: ;延時(shí)子程序

… … …

RTS

TABLE: ;鍵掃描輸出表

DB 11111110B

DB 11111101B

DB 11111011B

DB 11110111B

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)?？梢?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。

4結(jié)束語(yǔ)

單片機(jī)變化發(fā)展迅速，但萬(wàn)變不離其宗，只要清楚了它們的基本原理和構(gòu)造思想，不管它怎么變，都能做到知其然知其所以然。

參考文獻(xiàn)：

1、匡忠輝 單片機(jī)原理及應(yīng)用[M] 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2007年1月