單片機簡介

單片機（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計數器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統，在工業控制領域廣泛應用。從上世紀80年代，由當時的4位、8位單片機，發展到現在的300M的高速單片機。

單片機硬件設計需要學什么

一、基礎

1、學習《電路原理》，主要了解基本元件特性，電壓、電流的概念， 電路的基本原理、定律等。

2、學習《模擬電子技術》，重點學習二極管、三極管、放大電路、集成運算放大電路、反饋、電源電路。重中之重：三極管、運算放大器

3、學習《數字電路》，重點：D觸發器、組合邏輯門電路、簡單的時序邏輯電路。

二、中級

4、學習MCS-51單片機原理與接口，學習51的匯編語言，和C51語言，匯編比較難，實現學不好，入個門就行了，只要能看懂就行，現在主要用C語言開發單片機，最好買一個實驗板，一般都有配套實驗，邊學邊做，找點自信。 51單片機的重點：中斷、定時器、串口通信。學習單片機時候，可以先看看我的一篇《想對單片機初學者說的話》 ，按我說的做，也許會加快你的單片機學習進度。學會了51，可以看看PIC/AVR/msp430等。

5、學習CPLD，HDL語言：AHDL，或Verilog HDL，或VHDL，設計簡單的組合邏輯電路和時序電路。

6、學習《信號與系統》、《通信原理》，重點了解的時域和頻域的概念。

7、學習《傳感器》，了解溫度、濕度等傳感器的使用

8、學習protel，要會畫原理圖和PCB

三、高級

9、學習《數字信號處理》，重點：FT變換、頻譜分析、濾波器設計

10、學習《數字圖像處理》，重點：圖像變換算法、編解碼、壓縮等

11、學習DSP、ARM和FPGA，提高C語言、Verilog HDL或VHDL設計能力，實現9，10提到的技術。

12、學習RTOS，TCP/IP，CAN，USB，FS，linux

13、進一步學習PCB布線 ，最好學一下PADS

單片機必備的硬件設備

學習單片機，除了需要電腦以外，還需要以下的一些器材。

1、實驗板

如果你對單片機還一無所知，那么自制或者購買一塊實驗板是比較好的選擇。通常在實驗板上會設計一些開關、LED指示燈、數碼管、各種接口芯片等常用器件，通過對這些器件的編程練習，逐步掌握單片機的編程技術。

2、仿真機

仿真機的用途是替代電路板上的單片機芯片，仿真機通過串行口、USB接口等方式與與PC機聯機通信，接收PC端控制軟件發出的指令，以單步、過程單步、全速運行等各種方式來執行程序，以單步或過程單步方式執行程時，每次執行完程序后可以將執行的結果反饋到PC端的控制軟件中顯示出來。由于單片機編程時必須要明確每一條指令執行完畢后會有什么樣的結果，弄清實際運行后的結果是否與設想的結果相符，因此，仿真功能對于單片機的學習和開發可以起到很重要的幫助作用。

3、編程器或者下載線

其用途是將代碼寫入單片機芯片內部。對于學習者來說，有了仿真機也可暫時不配編程器或下載線，因為有了實驗板、仿真機就可以做實驗了。但是建議配置一臺，這樣可以對單片機開發的各個環節都有所了解。

4、萬用表、電烙鐵等電子制作工具

單片機開發，不是簡單的編程，到目前為止，還少有純粹的“單片機程序員”，通常要求開發者軟、硬件方面都要熟悉，因此，這些電子制作工作還是要配備的。

需要說明的是，這里所說的仿真機、實驗板、下載線或編程器等都是就一般概念而言的，并不涉及到具體的產品，市場上也有一些產品在設計時將實驗板、仿真功能、下載或編程功能等中的一部分或者全部都集成到一塊板上，構成一整套的實驗系統。

單片機硬件設計的原則

1、盡可能選擇典型電路，并符合單片機常規用法。為硬件系統的標準化、模塊化打下良好的基礎。

2、系統擴展與外圍設備的配置水平應充分滿足應用系統的功能要求，并留有適當余地，以便進行二次開發。

3、硬件結構應結合應用軟件方案一并考慮。硬件結構與軟件方案會產生相互影響，考慮的原則是：軟件能實現的功能盡可能由軟件實殃，以簡化硬件結構。但必須注意，由軟件實現的硬件功能，一般響應時間比硬件實現長，且占用CPU時間。

4、系統中的相關器件要盡可能做到性能匹配。如選用CMOS芯片單片機構成低功耗系統時，系統中所有芯片都應盡可能選擇低功耗產品。

5、可靠性及抗干擾設計是硬件設計必不可少的一部分，它包括芯片、器件選擇、去耦濾波、印刷電路板布線、通道隔離等。

6、單片機外圍電路較多時，必須考慮其驅動能力。驅動能力不足時，系統工作不可靠，可通過增設線驅動器增強驅動能力或減少芯片功耗來降低總線負載。

7、盡量朝“單片”方向設計硬件系統。系統器件越多，器件之間相互干擾也越強，功耗也增大，也不可避免地降低了系統的穩定性。隨著單片機片內集成的功能越來越強，真正的片上系統SoC已經可以實現，如ST公司新近推出的μPSD32××系列產品在一塊芯片上集成了80C32核、大容量FLASH存儲器、SRAM、A/D、I/O、兩個串口、看門狗、上電復位電路等等。

單片機硬件設計注意事項

第一、電源確定

電源對于嵌入式系統中的作用可以看做是空氣對人體的作用，甚至更重要：人呼吸的空氣中有氧氣、二氧化碳和氮氣等但是含量穩定，這就相當于電源系統中各種雜波，我們希望得到純凈和穩定符合要求的電源，但由于各種因素制約，只是我們的夢想。

第二、 晶振確定

晶振相當于嵌入式系統的心臟，其穩定與否直接關系其運行狀態和通訊性能。常見的振有無源晶振，有源晶振，首先要確定其振蕩頻率，其次要確定晶振類型。

第三、 預留測試IO口

在嵌入式調試階段，在管腳資源豐富的情況下，我通常預留一個IO口連接led或者喇叭，為下一步軟件的編寫做鋪墊。在嵌入式系統運行過程中適當控制該IO接口，從而判斷系統是否正常運行。

第四、外擴存儲設備

一個嵌入式系統如果有電源、晶振和CPU，那么這就是我們熟悉的最小系統。如果該嵌入式系統需要運行大點的操作系統，那么不但需要CPU具有MMU，CPU還需要外接SDRAM和NANDFLASH。如果該cpu具有SDRAM和NANDFLASH控制器，那么在硬件設計上不用過多的考慮地址線的使用。如果沒有相關的控制器，那么需要注意地址線的使用。

這部分在LAYOUT的時候是一個重點，究其原因就是要使相關信號線等長以確保信號的延時相等，時鐘和DQS的差分信號線走線。在布線的時候各種布線技巧需要綜合使用，例如與cpu對稱分布，菊花鏈布線、T型布線，這都需要依據內存的個數多少來進行選擇，一般來說個數越多，布線越復雜，但是知道其關鍵點，一切迎刃而解。

第五、功能接口

一個嵌入式系統最重要的就是通過各種接口來控制外圍模塊，達到設計者預設的目的。常用的接口有串口（可用來連接藍牙，wifi和3G等模塊），USB接口、 網絡接口、JTAG接口、音視頻接口、HDMI接口等等。由于這些接口與外部模塊連接，做好電磁兼容設計是重要的一項工作。除此之外，在LAYOUT的時候注意差分線的使用。

第六、屏幕

這個功能之所以單獨列出來，是由于其可有可無。如果一個嵌入式系統只是作為一個連接器連接外圍設備模塊，通過相關接口連接到電腦主機或者直接掛在網絡上，那么屏幕就不需要了。但是如果做出來的是一個消費類產品，與用戶交互頻繁，這就不得不嘮叨幾句。

電容屏幕是嵌入式屏幕的首選，在電路設計中需要注意觸屏連接線和顯示屏連接線的布局。在走線的過程中盡量短的靠近主控cpu，同時注意配對信號走差分線，RGB控制信號走等長。各種信號走線間距遵循3W規則，避免相互干擾。 在屏幕的設計中，一定要確保功率和防止干擾，以防屏幕閃屏和花屏現象的出現。