知乎问答丨从零制作单片机需要哪些知识?

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楼主 2021-01-12 06:09:37
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知乎作者:彭谟威


来来来,让我们一起,左手右手一个慢动作。


每一个方向都值得一个人用一生去钻研,每一个步骤都有其自身的魅力。

第一步,做出实体芯片。

单片机一般理解为MCU(Microcontroller Unit,微控制单元)
包含定时器、ALU(Arithmetic Logic Unit,算术逻辑单元)、内存、寄存器、总线等部分
而普通的意义的单片机还包含GPIO、串口(UART)、DMA、协处理器、AD\DA等等。

看懂如下图
前置:计算机组成原理,微机原理。


流水线


前置:数字逻辑电路,集成电路设计及其EDA技术,verilog
把各个模块细分为寄存器级,比如移位运算器、节拍器、译码器、存储器等
module minicpu(clk, reset, run, in, cs, pcout, irout, qtop, abus, dbus, out);

 input clk,reset,run;
 input [15:0] in;
 output [1:0] cs;
 output [15:0] irout, qtop, dbus, out;
 output [11:0] pcout, abus;
 wire [15:0] qnext, ramout, aluout;
 reg [11:0] abus;
 reg halt, jump, pcinc, push, pop, thru, qthru, dbus2qtop, dbus2ram, dbus2obuf, ir2dbus, qtop2dbus, alu2dbus, ram2dbus, in2dbus;
 reg pop2, ir2abus, qtop2abus, qnext2abus;
 reg [11:0] pcout, pcnext;
 reg [15:0] out;

 statef statef0(.clk(clk),.reset(reset),.run(run),.halt(halt),.cs(cs));
 stackm stackm0(.clk(clk),.reset(reset),.load(dbus2qtop),.push(push),.pop(pop),.pop2(pop2),.thru(qthru),.d(dbus),.dthru(ramout),.qtop(qtop),.qnext(qnext));
 alu alu0(.a(qtop),.b(qnext),.f(irout[4:0]),.s(aluout));
 dpram #(16,10,1024) dpram0(.clk(clk),.load1(dbus2ram),.addr1(abus),.addr2(pcnext),.d1(dbus),.q1(ramout),.q2(irout));

物理上是这样的


然后会调试BUG,看时序。
前置:时序用MODELSIM,综合用QUARTUS II 等等

然后此时才刚刚开始。
继续生成电路网表,时序收敛,如果不对继续返回上述流程继续调试。
前置:Synopsys

回顾一下




此时应该生成版图文件,然后根据制造厂商提供的物理器件库进行最后的各种设计规则检查。
前置:集成电路版图设计,软件有Cadence:Virtuoso Layout Editor


送到代工厂

还要懂元器件
前置:半导体物理,半导体器件物理,固体物理,电介质物理,量子力学,热力学与数理统计。

根据得到的图表设计版图和工艺流程,大概是这样
前置:集成电路制造



然后进行电气测试,电磁测试,最后封装。
前置:集成电路封装技术


最后不能忘记出片的时候
焚香沐浴更衣,朝南拜三拜,祈祷不会有大问题。


终于得到了物理上的片子
我们开始写汇编器,编译器。
本质上烧写进ROM的是这样的机器码。


汇编器(把汇编语言变成机器码)
前置:perl
#!/usr/bin/perl -W
//********
*********//
print "*** LABEL LIST ***\n";
foreach $l (sort(keys(%label))){
    printf "%-8s%03X\n",$l,$label{$l};
}

$addr=0;
print "\n*** MACHINE PROGRAM ***\n";
foreach (@source){
    $line = $_;
    s/\w+://;
    if(/PUSHI\s+(-?\d+)/){
       printf "%03X:%04X\t$line",$addr++,$MCODE{PUSHI}+($1&0xfff);
    } elsif(/(PUSH|POP|JMP|JZ|JNZ)\s+(\w+)/){
       printf "%03X:%04X\t$line",$addr++,$MCODE{$1}+$label{$2};
    }elsif(/(-?\d+)/){
       printf "%03X:%04X\t$line",$addr++,$1&0xffff;
    } elsif(/([A-Z]+)/){
       printf "%03X:%04X\t$line",$addr++,$MCODE{$1};
    } else {
       print "\t\t$line";
    }
}



编译器 BISON和FLEX(把高级语言转换成汇编语言)
前置:编译原理

%{
#include <stdio.h>
%}
%union {char *s; int n;}
%token <s> NAME NUMBER
%destructor { free($); } NAME NUMBER
%token <n> IF WHILE DO
%type <n> if0
%token GOTO ELSE INT IN OUT HALT
...
...
%%
int yyerror(char *s){ printf("%s\n",s); }
int main(){ yyparse(); }
%{
 #include <string.h>
 #include "y.tab.h"
 int n=0;
%}
...
...
while    {yylval.n=++n;return(WHILE);}
[0-9]+       {yylval.s=strdup(yytext);return(NUMBER);}
[a-zA-Z][a-zA-Z0-9]*    {yylval.s=strdup(yytext);return(NAME);}
.            {return(yytext[0]);}
%%
int yywrap(){ return(1);}



终于可以固化进ROM可以跑程序了,你还需要一段小型的开启代码(bootloader)
前置:汇编语言

start: JK start
       nop
       sdal 32
       sdah 0
       datp
loop:  ting
       inl
       ting
       inh
       jend cxcute
       nop
       jmp loop
       inc
excute: call 32
        nop
        jmp start
        nop



然后开始写操作系统
前置:ucos(嵌入式操作系统)
系统宏定义,系统功能配置,系统头文件,初始化文件,调度文件,任务管理文件
系统时间管理文件,信号量文件,邮箱文件,消息队列文件,内存管理文件,
系统服务文件,MAIN文件。

写操作系统中的任务
前置:C语言,数据结构,算法导论。

double KalmanFilter(const double ResrcData,
                                        double ProcessNiose_Q,double MeasureNoise_R,double InitialPrediction)
{
        double R = MeasureNoise_R;
        double Q = ProcessNiose_Q;

        static        double x_last;

        double x_mid = x_last;
        double x_now;

        static        double p_last;

        double p_mid ;
        double p_now;
        double kg;        

        x_mid=x_last; //x_last=x(k-1|k-1),x_mid=x(k|k-1)
        p_mid=p_last+Q; //p_mid=p(k|k-1),p_last=p(k-1|k-1),Q=噪声
        kg=p_mid/(p_mid+R); //kg为kalman filter,R为噪声
        x_now=x_mid+kg*(ResrcData-x_mid);//估计出的最优值
                
        p_now=(1-kg)*p_mid;//最优值对应的covariance        

        p_last = p_now; //更新covariance值
        x_last = x_now; //更新系统状态值

        return x_now;                
}



拿着含辛茹苦的板子还需要配置最小系统以及外围器件
前置:PCB设计和制造,电焊等技艺,模电、高频电子线路,信号与系统





如果有信号传输
通讯协议
前置:SPI,I2C,CAN,TCP/IP、wifi等等
uint SPI_RW(uint uchar)
{
	uint bit_ctr;
   	for(bit_ctr=0;bit_ctr<8;bit_ctr++) // output 8-bit
   	{
		MOSI = (uchar & 0x80);         // output 'uchar', MSB to MOSI
		uchar = (uchar << 1);           // shift next bit into MSB..
		SCK = 1;                      // Set SCK high..
		uchar |= MISO;       		  // capture current MISO bit
		SCK = 0;            		  // ..then set SCK low again
   	}
    return(uchar);           		  // return read uchar
}



RF天线
前置:微波技术,电磁场与电磁波,HFSS,天线技术等等。



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