電腦還能這麼小？指甲蓋大小的電腦也能控制機器人！

本文來自RoboMaster微信公眾號，用簡單的方式帶你入門機器人知識。

早上，電子鬧鐘將我們喚醒，我們打開熱水壺，它開始咕嚕咕嚕地燒水，微波爐「叮」地一聲，早餐就熱好了。

這些電子設備能夠實現功能，都是因為背後有一些神秘的小傢伙，默默地操控這一切。

這些黑乎乎的小傢伙就是單片機，它們可以傳輸信息，進行簡單的邏輯運算，並且實時性很高，控制機器按照設定好的要求運作，長這個樣子：

生活中，無論是工業機器人、服務機器人還是家用機器人，都有許多感測器，譬如溫度感測器、激光雷達、攝像頭等等，它們相當於機器人的感知器官（眼睛、皮膚等等），使機器人能夠自主感知周圍環境。此外，機器人還有許多動力裝置，比如電機和氣缸，它們就像肌肉，讓機器人動起來。

感測器科普回顧：《機器人也能感知？一篇文章告訴你感測器的秘密》

那麼，機器人從「感知外界」到「做出反應」，還需要一個大腦將它們關聯起來，單片機就充當了這個大腦。

單片機與它們連接，用各種各樣的通信方式去溝通，比如串口，I2C，CAN等等，就像人類用寫信、發郵和打電話之類不同的方式溝通一樣。從而獲取感測器的數據，處理數據，最後控制動力裝置運動。

這個神奇的小東西，到底什麼來頭？

什麼是單片機？

單片機（Single Chip Microcomputer, 單片微型計算機），又稱微控制器（Micro Controller，Unit, MCU）。顧名思義，就是單塊晶元做成的微型計算機。我們需要事先將程序燒入單片機中（相當於設定好它的工作內容是什麼），然後將它搭載在電路板上工作。

那麼，單片機裡面都有些什麼呢？

單片機的組成

單片機是單個晶元做成的「微型計算機」。單片機雖小，電腦的「五臟」：運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備，它一應俱全。

在電腦里，運算器和控制器被合成 CPU，單片機里也是如此，用於做數據計算。電腦的存儲器包括硬碟和內存，在單片機里分別對應的是 ROM 和 RAM，用於儲存數據。

輸入設備和輸出設備是計算機和外界溝通的工具。電腦主機通過 USB 連接滑鼠鍵盤，通過 HDMI 或 VGA 口連接顯示屏（現在還有其他的方式，比如藍牙來完成連接）。而單片機的輸入輸出設備是四周遍布的引腳，這些引腳可以與外界交流。

除了這些之外，單片機內有還有時鐘電路、定時/計數器和中斷系統，它們和控制器一起保證著整個單片機的有序運行。

在 RoboMaster 賽場上，機器人接收信號後，能夠快速處理信息，並做出相應動作，也是單片機的功勞。

下面就分別介紹單片機各個部位的原理和作用。

CPU：控制器、運算器與寄存器

單片機是集成數字電路晶元，也就是靠數字電路來傳輸數據。數字電路主要處理二進位的數字信號，所有的數字、指令都是用 1 和 0 這樣的二進位碼存儲的。每一個 1 或 0 稱為一個位（bit）。

通常數字電路有閾值電壓，超過閾值電壓則被認為是高電平（數字 1），低於閾值電壓則被認為是低電平（數字 0）。在電路受到輕微干擾的時候（比如說 5V 變成 4.9V），只要還在閾值電壓之上就視為高電平，就保證了計算的穩定性。

CPU 是由很多三極體（transistor）組成的。三極體是一個電子開關，可以通過左邊那隻手來控制右邊電路的導通和截止。

三極體通過一些特定的組合方式，形成了與、或、異或、非等等的門電路（logic gates）。不同的門電路代表對數字信號進行不同的處理。

這些門電路再通過一定的組合，形成了加、減、移位之類的基本模塊（basic modules）。正是這些模塊在處理數字電路中的 0 和 1，對數據做加減法，有了加減法，就可以做乘除法，進一步就能進行各種複雜的數學運算。

比如說機器人的運動控制中，電機的速度參數、角度參數都會以二進位編碼的高低電平信號傳入單片機中進行 PID 運算等等，而運算得到的控制量也會以二進位編碼的高低電平信號反饋給電機。

想了解PID的小夥伴可穿梭至：《什麼是機器人比賽中的PID控制？》

運算器和控制器中還有一個叫做寄存器的東西，用於暫時存放控制信息和數據信息。這些與非門電路除了能構成運算電路外，還能構成鎖存器電路，寄存器就是由鎖存器電路實現的。

存儲器：RAM和ROM

RAM（Random Access Memory, 隨機存取存儲器）

在運算的時候，會產生大量的臨時數據，這些數據被記錄在一個叫做 RAM 存儲器里。RAM 就像一本魔法草稿本，上面處理的數據是會快速更新的，CPU 會按程序的要求，在 RAM 的特定位置讀寫數據。

但由於技術所限，目前的 RAM 都需要電來維持體內數據的存在。一旦失去電源，RAM 內的數據就會全部消失。

ROM（Read-Only Memory，只讀內存）

CPU 想要工作，需要我們事先寫好工作流程（指令或程序），這個工作流程就被刻在了一個叫 ROM 的存儲器里。有些數據需要長期保存，比如說機器人今天學到的新知識，也會被寫到 ROM 上。

ROM 就像一個石碑，上面記的程序是固定不變的，能夠在斷電後繼續保持體內的數據（失電保護），但它的讀寫速度較慢。

CPU 工作的時候，控制器會把程序的位置（程序地址）記錄在寄存器中，運算器再通過這個地址找到 ROM 里的程序進行運算，這個過程也少不了連接這些部件的通信通道——內匯流排。

早先的 ROM 都是只讀的，也就是出廠的單片機的程序無法修改。後來科學家們發明了各種可以擦的 ROM，比如說可以用紫外線「魔法」將石碑恢復原貌的 EPROM，可以用電「魔法」將石碑恢復原貌的 EEPROM 等等。

輸入/輸出設備：並行 I/O 埠和串列通信埠

單片機用密密麻麻的引腳與外界聯繫，它們就像電腦上的 USB、HDMI、網口等插口。引腳往往擁有多種功能，就像奧特曼可以切換不同形態來改變功能。引腳也可以通過程序更改功能（術語叫復用功能）。

並行 I/O 口

單片機四周的許多引腳都可以被複用為 I/O口。I/O 口可以設置為輸入（Input）模式或輸出（Output）模式，1 和 0 用高低電平表示。

輸出狀態下，I/O口可以作為開關，甚至輸出電流來驅動外部設備。我們就曾經教過大家用I/O口點聖誕樹的燈：《聖誕節撩妹指南：教你做一棵BlingBling的聖誕樹！》

如果跟外界進行簡單通信，通過多個引腳並排輸出，就可以控制一些 LCD 顯示屏。

這種通信方式用了大量的引腳，理論上數據傳輸率高，但是由於傳輸過程需要保持時序一致，導致速度有限、易受干擾。

串列通信

在機器人比賽中，機器人往往會搭載多塊單片機和電腦，它們之間通常採用通信效率更高的串列通信。串列通信通過少量的引腳發送變化的電平來交流。

雖然理論上引腳少了會降低傳輸效率，但因為不需要保持每個引腳的時序一致，所以反而耗時更短。

中斷

無論是個人電腦還是單片機，在工作中都少不了一個幫手——中斷。

中斷是指，正常程序運行過程中出現特殊情況需要處理，處理器就會自動停止當前運行程序，並轉入處理新情況的程序，處理完畢後又返回之前被暫停的程序繼續運行。

中斷機制提高了系統效率，在維持系統可靠工作的同時，又滿足了實時處理要求。為什麼會有特殊的情況需要處理呢？ 我們舉個例子：

在 RoboMaster 賽場上，當機器人在運動時，裁判系統會同時傳來信息，告訴你機器人現在的功率、速度等等。這時單片機會停止機器人運動，並且記下當前的程序運行到哪了，然後去運行接收裁判系統數據的程序，接收完再回來繼續運行機器人運動的程序。

由於這個過程耗時十分之短，機器人實現了「近似的」一邊控制運動一邊接收數據的功能。

再比如，我們日常會一邊美滋滋地看電影，一邊在後台下載其他資源，我們會以為這兩件事在同步進行。其實，電腦是通過中斷功能「假裝自己同步進行」，不停地在播放電影和下載資源之間來回切換，切換速度快到我們感受不到。

切換速度再快也會有個極限，這個極限就是單位時鐘周期。

時鐘

所有的數字系統的工作都離不開一個東西——時鐘。這裡說的時鐘不是家裡掛的鐘或者手上戴的表，而是一種基準信號。就像隊列齊步走的時候，有人在喊一二一，大家會跟著喊的節奏來走路。單片機的工作節奏就是跟著時鐘走的。

無論是計算機還是單片機，在一個時鐘周期里都只完成一個最基本的操作，時鐘周期越小，處理器工作頻率越高，因此時鐘頻率是處理器性能的重要衡量標準。但根據指令的複雜程度不同，完成一個指令的所需的時鐘周期也是不同的，所以時鐘頻率也並不等同於指令執行速率或系統總體性能。

單片機的入門

單片機在許多競賽中都扮演著十分重要的角色，想要入門單片機，就需要動手進行代碼編程開發。其實學習單片機開發的門檻很低，大致流程是代碼編寫、代碼編譯、下載至單片機和調試。

所以，首先要學會基本的 C 語言，然後針對自己感興趣的單片機平台去購買對應的開發板，跟著配套的教材學習單片機各個功能的實現原理與代碼編程 。

一般，想要基礎入門和深入理解單片機工作原理，我們可以使用 51 單片機。它內部結構簡單，但編程過程比較麻煩。

51 單片機學習可閱讀《新概念51單片機C語言教程：入門、提高、開發、拓展全攻略》，作者：郭天祥，電子工業出版社。

在 RoboMaster 比賽中，我們為機器人選擇的單片機多是基於 ARM 內核體系的單片機，比如意法半導體公司（文中簡稱 ST公司）開發的 STM32F1、STM32F4 系列單片機。

若想深入學習 STM32 開發，可閱讀書籍《STM32庫開發實戰指南：基於STM32F4》，作者：劉火良、楊森，機械工業出版社。

快要過年了，小夥伴們也可以跟著流水燈特輯（點擊進入），簡單學習單片機的開發，為家裡的橘子樹掛上橘色彩燈，用你的技術征服親戚朋友們！

本文來自 RoboMaster 技術智囊團蘑菇菌×華南虎，文章部分有修改。如果你也希望加入技術智囊團，請通過 robomaster@dji.com 聯繫我們。文章部分素材來自公共網路，侵權刪除。