「2019-3」【每周分享】简单介绍一下什么是单片机。

单片机（Single Chip Microcomputer, 单片微型计算机），又称微控制器（Micro Controller，Unit, MCU）。顾名思义，就是单块芯片做成的微型计算机。我们需要事先将程序烧入单片机中（相当于设定好它的工作内容是什么），然后将它搭载在电路板上工作。

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2019-3-11 10:24 上传

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。

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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。

输入设备和输出设备是计算机和外界沟通的工具。电脑主机通过 USB 连接鼠标键盘，通过 HDMI 或 VGA 口连接显示屏（现在还有其他的方式，比如蓝牙来完成连接）。而单片机的输入输出设备是四周遍布的引脚，这些引脚可以与外界交流。

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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。

在 RoboMaster 赛场上，机器人接收信号后，能够快速处理信息，并做出相应动作，也是单片机的功劳。

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下面就分别介绍单片机各个部位的原理和作用。

CPU：控制器、运算器与寄存器

单片机是集成数字电路芯片，也就是靠数字电路来传输数据。数字电路主要处理二进制的数字信号，所有的数字、指令都是用 1 和 0 这样的二进制码存储的。每一个 1 或 0 称为一个位（bit）。

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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。

CPU 是由很多三极管（transistor）组成的。三极管是一个电子开关，可以通过左边那只手来控制右边电路的导通和截止。

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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。

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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。

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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。

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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。

存储器：RAM和ROM

RAM（Random Access Memory, 随机存取存储器）

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。

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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。

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ROM（Read-Only Memory，只读内存）

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。

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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。

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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。

输入/输出设备：并行 I/O 端口和串行通信端口

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）。

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并行 I/O 口

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。

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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。

串行通信

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。

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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。

中断

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。

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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。

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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。

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切换速度再快也会有个极限，这个极限就是单位时钟周期。

时钟

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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。

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快拆小分队 · 2019-3-11 11:32:51

我说我看懂了，你信不信

此名为Ta · 2019-12-15 13:12:22

通俗易懂很好，老实说以前上单片机课老师介绍的时候没这个全面

火星探索 · 2019-3-11 15:45:57

快拆小分队发表于 2019-3-11 11:32
我说我看懂了，你信不信

当然相信啊

Asti · 2023-8-18 17:13:37

萌新的福音，感谢大佬！

热爱机械 · 2023-5-23 08:19:45

学习学习

flying_cool · 2020-11-28 16:32:58

通俗易懂

li_sir · 2020-4-24 19:35:50

大哥讲得非常棒，赞！

武俊杰 · 2020-2-17 09:34:06

看的第二天，NICE。

藏原走 · 2020-1-23 17:08:38

通俗易懂，真好

NKU-taotao · 2020-1-21 10:58:40

学习学习

djiuser_F9hYX13 · 2020-1-18 14:23:37

点赞支持

临风飘飘 · 2020-1-12 19:40:21

讲解的很透彻尤其是与或非门那里算是搞懂原理了

该用户很懒啊 · 2019-12-18 11:15:15

大佬我们可以深入交流一下吗（手动滑稽）

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马上注册，玩转Robomaster！

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