「2019-3」【每周分享】简单介绍一下什么是单片机。

早上，电子闹钟将我们唤醒，我们打开热水壶，它开始咕噜咕噜地烧水，微波炉“叮”地一声，早餐就热好了。

这些黑乎乎的小家伙就是单片机，它们可以传输信息，进行简单的逻辑运算，并且实时性很高，控制机器按照设定好的要求运作，长这个样子：

生活中，无论是工业机器人、服务机器人还是家用机器人，都有许多传感器，譬如温度传感器、激光雷达、摄像头等等，它们相当于机器人的感知器官（眼睛、皮肤等等），使机器人能够自主感知周围环境。此外，机器人还有许多动力装置，比如电机和气缸，它们就像肌肉，让机器人动起来。

那么，机器人从“感知外界”到“做出反应”，还需要一个大脑将它们关联起来，单片机就充当了这个大脑。

单片机与它们连接，用各种各样的通信方式去沟通，比如串口，I2C，CAN等等，就像人类用写信、发邮和打电话之类不同的方式沟通一样。从而获取传感器的数据，处理数据，最后控制动力装置运动。

那么，单片机里面都有些什么呢？

单片机是单个芯片做成的“微型计算机”。单片机虽小，电脑的“五脏”：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备，它一应俱全。

在电脑里，运算器和控制器被合成 CPU，单片机里也是如此，用于做数据计算。电脑的存储器包括硬盘和内存，在单片机里分别对应的是 ROM 和 RAM，用于储存数据。

除了这些之外，单片机内有还有时钟电路、定时/计数器和中断系统，它们和控制器一起保证着整个单片机的有序运行。

下面就分别介绍单片机各个部位的原理和作用。

通常数字电路有阈值电压，超过阈值电压则被认为是高电平（数字 1），低于阈值电压则被认为是低电平（数字 0）。在电路受到轻微干扰的时候（比如说 5V 变成 4.9V），只要还在阈值电压之上就视为高电平，就保证了计算的稳定性。

三极管通过一些特定的组合方式，形成了与、或、异或、非等等的门电路（logic gates）。不同的门电路代表对数字信号进行不同的处理。

这些门电路再通过一定的组合，形成了加、减、移位之类的基本模块（basic modules）。正是这些模块在处理数字电路中的 0 和 1，对数据做加减法，有了加减法，就可以做乘除法，进一步就能进行各种复杂的数学运算。

比如说机器人的运动控制中，电机的速度参数、角度参数都会以二进制编码的高低电平信号传入单片机中进行 PID 运算等等，而运算得到的控制量也会以二进制编码的高低电平信号反馈给电机。

运算器和控制器中还有一个叫做寄存器的东西，用于暂时存放控制信息和数据信息。这些与非门电路除了能构成运算电路外，还能构成锁存器电路，寄存器就是由锁存器电路实现的。

在运算的时候，会产生大量的临时数据，这些数据被记录在一个叫做 RAM 存储器里。RAM 就像一本魔法草稿本，上面处理的数据是会快速更新的，CPU 会按程序的要求，在 RAM 的特定位置读写数据。

但由于技术所限，目前的 RAM 都需要电来维持体内数据的存在。一旦失去电源，RAM 内的数据就会全部消失。

CPU 想要工作，需要我们事先写好工作流程（指令或程序），这个工作流程就被刻在了一个叫 ROM 的存储器里。有些数据需要长期保存，比如说机器人今天学到的新知识，也会被写到 ROM 上。

ROM 就像一个石碑，上面记的程序是固定不变的，能够在断电后继续保持体内的数据（失电保护），但它的读写速度较慢。

CPU 工作的时候，控制器会把程序的位置（程序地址）记录在寄存器中，运算器再通过这个地址找到 ROM 里的程序进行运算，这个过程也少不了连接这些部件的通信通道——内总线。

早先的 ROM 都是只读的，也就是出厂的单片机的程序无法修改。后来科学家们发明了各种可以擦的 ROM，比如说可以用紫外线“魔法”将石碑恢复原貌的 EPROM，可以用电“魔法”将石碑恢复原貌的 EEPROM 等等。

单片机用密密麻麻的引脚与外界联系，它们就像电脑上的 USB、HDMI、网口等插口。引脚往往拥有多种功能，就像奥特曼可以切换不同形态来改变功能。引脚也可以通过程序更改功能（术语叫复用功能）。

单片机四周的许多引脚都可以被复用为 I/O口。I/O 口可以设置为输入（Input）模式或输出（Output）模式，1 和 0 用高低电平表示。

输出状态下，I/O口可以作为开关，甚至输出电流来驱动外部设备。我们就曾经教过大家用I/O口点圣诞树的灯：《圣诞节撩妹指南：教你做一棵BlingBling的圣诞树！》

如果跟外界进行简单通信，通过多个引脚并排输出，就可以控制一些 LCD 显示屏。

这种通信方式用了大量的引脚，理论上数据传输率高，但是由于传输过程需要保持时序一致，导致速度有限、易受干扰。

在机器人比赛中，机器人往往会搭载多块单片机和电脑，它们之间通常采用通信效率更高的串行通信。串行通信通过少量的引脚发送变化的电平来交流。

虽然理论上引脚少了会降低传输效率，但因为不需要保持每个引脚的时序一致，所以反而耗时更短。

无论是个人电脑还是单片机，在工作中都少不了一个帮手——中断。

中断是指，正常程序运行过程中出现特殊情况需要处理，处理器就会自动停止当前运行程序，并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回之前被暂停的程序继续运行。

中断机制提高了系统效率，在维持系统可靠工作的同时，又满足了实时处理要求。为什么会有特殊的情况需要处理呢？ 我们举个例子：

在 RoboMaster 赛场上，当机器人在运动时，裁判系统会同时传来信息，告诉你机器人现在的功率、速度等等。这时单片机会停止机器人运动，并且记下当前的程序运行到哪了，然后去运行接收裁判系统数据的程序，接收完再回来继续运行机器人运动的程序。

由于这个过程耗时十分之短，机器人实现了“近似的”一边控制运动一边接收数据的功能。

再比如，我们日常会一边美滋滋地看电影，一边在后台下载其他资源，我们会以为这两件事在同步进行。其实，电脑是通过中断功能“假装自己同步进行”，不停地在播放电影和下载资源之间来回切换，切换速度快到我们感受不到。

切换速度再快也会有个极限，这个极限就是单位时钟周期。

所有的数字系统的工作都离不开一个东西——时钟。这里说的时钟不是家里挂的钟或者手上戴的表，而是一种基准信号。就像队列齐步走的时候，有人在喊一二一，大家会跟着喊的节奏来走路。单片机的工作节奏就是跟着时钟走的。

无论是计算机还是单片机，在一个时钟周期里都只完成一个最基本的操作，时钟周期越小，处理器工作频率越高，因此时钟频率是处理器性能的重要衡量标准。但根据指令的复杂程度不同，完成一个指令的所需的时钟周期也是不同的，所以时钟频率也并不等同于指令执行速率或系统总体性能。

单片机在许多竞赛中都扮演着十分重要的角色，想要入门单片机，就需要动手进行代码编程开发。其实学习单片机开发的门槛很低，大致流程是代码编写、代码编译、下载至单片机和调试。

所以，首先要学会基本的 C 语言，然后针对自己感兴趣的单片机平台去购买对应的开发板，跟着配套的教材学习单片机各个功能的实现原理与代码编程 。

一般，想要基础入门和深入理解单片机工作原理，我们可以使用 51 单片机。它内部结构简单，但编程过程比较麻烦。

51 单片机学习可阅读《新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开发、拓展全攻略》，作者：郭天祥，电子工业出版社。

在 RoboMaster 比赛中，我们为机器人选择的单片机多是基于 ARM 内核体系的单片机，比如意法半导体公司（文中简称 ST公司）开发的 STM32F1、STM32F4 系列单片机。

若想深入学习 STM32 开发，可阅读书籍《STM32库开发实战指南：基于STM32F4》，作者：刘火良、杨森，机械工业出版社。