單晶片入門

我想用一種門外漢的角度，來寫篇單晶片的入門文章。非相關科系的人要學單晶片最大的問題是，不知從何著手。網路上找到的資訊通常都蠻零散的，只能靠自己一 點一點慢慢拼湊；而市面上的書籍內容通常較為專一，很難獲得較全面的訊息。這篇文章算不上是教學吧？不過我儘量把我在學的時候遇到的問題作個整理，想學的 人看一看也許能夠有個方向。


．關於單晶片
CPU(Central Processing Unit, 中央處理器)相信大家都知道這是什麼。比較小，比較遜的CPU就叫作MPU(Micro Processing Unit, 微型處理器)。今天的主角叫作MCU(Micro Control Unit, 微型控制器)， 又稱作單晶片微電腦(Single Chip Microcomputer)，在台灣習慣稱作「單晶片」，在大陸則管他叫「單片機」。MCU跟MPU一樣可以看作是一種微型處理器，但不同的是MCU通 常會將CPU、RAM、ROM、I/O介面等全都包含在同一顆晶片上。也就是說一顆MCU晶片就可以看作是一部超迷你型的電腦。
MCU通常是拿來作一些小型的控制，像是家電、自動控制、玩具等等，需要作一些電腦控制，但又不可能把一台電腦放進去的那種場合，就非常的好用。在業界很 多人是靠這個吃飯，但喜歡的話可以拿來作點小玩具玩，比如沒事可以來作個CD-Pro2，或是小機器人之類的，也蠻不錯的。

．認識8051
學單晶片一定會聽過「8051」。8051是Intel在1980年發表的一顆單晶片處理器，和早期個人電腦的CPU 8086/8088是差不多年代(1978/1979)的東西。8086/8088現在我們可能很少用到了，他後來變成了大家比較熟悉的80286、 386、486、Pentium等等等；但8051從2x年前一直到今天他都還是8051，而且一直被廣泛使用著。Intel的8051家族還有一些兄弟 姊妹，包含8031/8051/8751和8032/8052/8752等等，他們只差別在於ROM的型式、容量，或是功能的擴充，其它基本的功能和內部 指令都是相同的。這些與8051指令集相容的MCU，通稱作MCS-51。
8051因為發展的早，使用的廣，幾乎可說是單晶片入門的代名詞。學校的單晶片課程大都以8051作為教學內容，市面上的參考書籍、網路上的參考資料，全 都是以8051最多。尤其在台灣，其它單晶片的資料相較之下簡直是少的可憐。另外和程式開發有關的，像整合編輯器(IDE)、編譯器 (Compiler)、軟體模擬器(Simulator)等等的，也都是以8051的數量最多。所以8051在學習和使用上有著極大的優勢。


．MCS-51的變種
許多Intel以外，像是Atmel/DALLAS/Philips/STC/Winbond等等等的一堆廠商，也生產了許多MCS-51的相容晶片。他 們和8051的指令集相同，但是功能可能更強大。所以學會8051不止是可以用8051而已，也等於同時也能夠使用這些8051的相容/變種晶片。像現在 市面上能買到的"標準"8051，幾乎都是Ateml生產的AT89C51/AT89S51系列。又例如8051的標準運作時脈只有12MHz，嫌不夠快 怎辦？Winbond有出一堆40MHz的MCS-51，甚至還可找到其它縮短指令週期，或是更高頻率的版本。而標準的8051是40pin，若覺得 40pin的IC體積太大，又用不到那麼多IO port，也可以找到更小的版本，像Atmel 2051系列，包含89C1051/89C2051/89C4051和89S1051/89S2051/89S4051，刪除了兩個IO port，只剩下20pin，小小一顆可愛多了。
那怎樣找這些變種51的資訊呢？方法是，先想辦法知道那些廠商有生廠51相容晶片(像是上面已經提到好幾家了)，然後去他們網站，把規格表抓下來一個一個看，就會知道有那些東西可以用，慢慢的就會認識越來越多型號了。


．其它的單晶片
51系的好處前面有提到，相關資料超多、開發環境較成熟、相容晶片多，真的是好學好用。但是，這世界上並不是只有MCS-51而已，去看看其它的單晶片我想也不是什麼壞事。問題又來了，要去那裏看？怎麼知道有那些可以看？
好吧，單晶片百百種，但簡單講，除了51系之外，一般比較常見有人在討論/比較容易找到資料的小型單晶片，其實只有Atmel的AVR系列，和 Microchip的PIC系列，就這兩種而已。至於其它的嘛，光是為了找資料大概都會搞死人，我想以非專業用途來講可以不太需要管他們了。所以不想侷限 只用51系的話，AVR/PIC都是不錯的選擇。雖然他們的相關資源跟51比起來可能差了一大截，但也還算的上是豐富的了。
學51以外的單晶片雖然可能會比較困難，但AVR/PIC有些特點是51沒有的：
- 接腳數的選擇：51系就我現在知道的，最少接腳數是20pin，如果想用在空間很小的場合可能較不適用。AVR就我所知最小作到8pin，PIC則是6pin。
- AVR/PIC的架構和51比較起來可能會比較先進，畢竟51也算是很有歷史的一顆單晶片了。51系使用的是複雜指令集(CISC)，AVR/PIC則是使用精簡指令集(RISC)。
- AVR/PIC大都有ISP(線上下載)功能，可以不經由專用燒錄器燒錄，在開發電路板上不需要拔MCU，直接經由傳輸線傳輸燒錄即可。
- AVR/PIC大都內建RC振盪線路(雖然內建的速度可能不快)，可以省掉石英振盪器的外接線路用起來更方便。
舉些例子，像是最近熱門的Wii改機晶片，用的其實就是Microchip的PIC12F629，小小一顆，只有8支腳又內建振盪線路，完全不需外接其它 電路，所以把程式燒錄進去後直接丟進Wii就可以用了，連燒錄器都可以很容易的自製。另外像Atmel的ATtiny2313，腳位和80251完全相 容，可以直接取代80251使用，但速度快了大概十倍，且有ISP，也內建RC振盪，唯一的差別就是他是AVR系列，指令和51完全不相容，程式需要重新 寫過。


．單晶片的選擇
一開始得先選定其中一種單晶片來學，才有個方向，所以需要知道每家單晶片的特點。
- MCS-51系列
資源多，找資料容易。變種多，學一種可以用一百種。開發環境成熟，可以找到很多的相關工具。

- Atmel AVR系列
AVR跟其它單晶片比起來，特異功能特別多。像是內建A/D轉換、PWM輸出之類的，都是其它家比較缺乏的。
AVR八位元系列又分為mega系列和tiny系列。顧名思義，mega系列就是長的比較大的，tiny系列就是小小一顆的。大的功能特多，小的體積小但功能也不簡單。此外還有90系列，現在多屬USB、PWM之類的專門用途。

- Microchip PIC系列
PIC系列最厲害的就是晶片的種類多的數不完，可以依不用需求來作選擇。
PIC又分為PIC10/12/14/16/18
依接腳數來看：
PIC10: 6pin / PIC12: 8pin /PIC16: 18~40pin / PIC18: 28pin以上
因為是使用RISC精簡指令集，指令數少，易記易學
例如：
12位元核心，如PIC12C5XX，指令數33個
14位元核心，如PIC16CXX， 指令數35個
16位元核心，如PIC18CXX， 指令數77個
但也因為PIC系列種類太多，各系列間指令不同無法互用是比較麻煩的地方。

可以依自己學單習晶片的目的來選擇比較適合的單晶片系列。要容易學的話可選51，需要用到PWM之類的話可考慮AVR，想作小東西的話PIC就蠻適合。另 外51/AVR/PIC以外可能會用上的MCU也不是沒有，像作機器人的話可能會用到BASIC Stamp這類的MCU，這種的碰上的時候就會知道了。


．程式語言的選擇
單晶片的基本程式語言是組合語言。雖然以學習上來講不會很困難，但比較大的問題是每換一種單晶片，就得去重新瞭解他的指令集，程式要移植也不容易。用C語 言來寫是一種不錯的選擇，複雜的程式比較容易寫，移植容易。現在的編譯器都作蠻不錯的了，用C寫的程式容量和執行速度都可和直接用組合語言寫的相當接近。 所以除非是單晶片儲存容量超小、或是速度方向需要極斤斤計較的情況，不然一般來講用C寫會比較好些。


．C語言的開發環境
不過用C寫有一個問題，就是開發工具的選擇。原廠提供的開發工具通常都只有組合語言的版本，要用C寫的話得尋找其它第三方的整合編輯器(IDE )或編譯器(Compiler)。除了開發工具的額外花費以外，IDE有用的順不順手的問題，Compiler有編譯效率的問題；除此之外，C語言雖然有 一定的標準，但是各家的編譯器對C語言的解釋都會有些不同；像是光就PC上來講，在Borland c可以跑的程式就不見得能在gcc上執行。所以選擇合用的C開發工具恐怕也是得多花些精神的。


．除錯工具
單晶片程式開發最陽春的辦法就是：寫完程式，用燒錄器將程式燒錄進MCU，把MCU插上電路板上測試。有錯誤的話，修改程式之後拔下MCU，放上燒錄器重新燒錄，插回電路板再作測試。這樣的反覆插拔MCU的過程很煩人，而且也容易造成損壞，得找些方便點的方法才行。
- 使用線上模擬器(In Circuit Emulator, 簡稱ICE)：ICE是一種硬體的模擬器，可替代MCU插入電路板的插槽進行模擬，另一端則接上電腦下載程式，省去重覆插拔的麻煩，使用上很方便。但缺點 是價格不便宜，且每換一種MCU都得搭配對應的ICE才行。另外也有結合燒錄功能的線上模擬器，可作測試也可燒錄MCU，這種的則稱作燒模器。
- 使用ISP燒錄：現在許多MCU有ISP燒錄功能，只要在電路板上多留一組接頭連接到電腦，就可以直接下載寫好的程式到MCU進行測試。和ICE不同的是，這些ISP的線路大都相當簡單，可自行製作，費用也不高。但這功能就必需要MCU本身有支援才行。
- 使用軟體模擬器(Software Simulator)：軟體模擬器最基本的就是MCU模擬器。將編譯好的程式交給MCU模擬器執行，可以追蹤各暫存器的數值、IO腳位的電位高低變化等 等。MCU模擬器經常會整合於程式開發的IDE介面上，像Atmel原廠提供於AVR開發的AVR Studio，或普遍使用於MCS-51開發的Keil，都內建有MCU模擬器供測試使用。Keil內的模擬器甚至還提供了像波形產生器等軟體工具，對軟 體模擬開發有不少幫助。這種模擬器可以提供初步的MCU程式執行測試，但缺點則是是不容易看出整個電路的實際運作情況。
- 使用軟體電路模擬器：另外還有一種更進一步模擬整個電路的運作的軟體模擬器，像是以MCS-51為基礎的電路模擬器就可找到不少，例如「SIMLAB- 8051」，用起來就像一般8051的實習套件一般，可以模擬LED、七段LED、單色/彩色點矩陣LED、鍵盤、喇叭、指撥開關等等。在AVR/PIC 方面雖然比較找不到這方面的專用軟體，不過先前文章中曾提到過Proteus VSM這套電路模擬軟體，不單是可以模擬一般類比/數位電路的運作，他對MCS-51/AVR/PIC等眾多MCU晶片也支援了程式的執行，甚至在上面放 上小型LCD顯示器執行Linux都不是問題。對設計來講是蠻方便的方法，可以先以軟體方式模擬，最終再燒錄進行實際電路測試。


．參考書籍的選擇
一開始要學單晶片，可能連「該買什麼書來看」都很頭痛。但能夠瞭解並確定了要用的單晶片類型、選用的程式語言、開發環境之後，再來要選本書來看不會那麼困 難了。例如若選擇以MCS51+Keil+C來開發，那就去找本類似「8051單晶片設計：使用Keil C」這樣書名的書來看。不然萬一你去買了本「8051實作入門」，結果裏面講的全是組合語言，保證看完還是一樣茫茫然。不過組合語言的東西說實在看看是不 賴啦，對認識單晶片的運作蠻有幫助的。
買本適合的書，用力的K，裏面的程式照著寫，電路照著作，再來....應該就不會有什麼大問題了。