(特价书)AVR单片机实战：Arduino方法

2.2.2　其他所需物品 13
2.2.3　必需工具 13
2.2.4　可选择的工具 14
2.2.5　零件 15
2.2.6　AVR ISP（在线系统可编程）编程器 18
2.2.7　其他编程器 25
2.2.8　AVR ISP编程适配器和排针 25
2.2.9　装配编程适配器 25
2.3　试验台软件——安装和设置 28
2.4　选择开发环境：为什么是Arduino 28
2.5　试验台测试 30
2.6　TTL电平串行端口 33
2.7　总结 34
2.8　接下来的部分 34
第3章　Arduino和“裸”AVR 35
3.1　比较方法 36
3.1.1　AVR独占鳌头 38
3.1.2　AVR来啦 39
3.2?各部分就位 41
3.3　AVR的类型 43
3.3.1　Arduino的配置文件 43
3.3.2　即刻使用AVR 46
3.3.3　使用外部晶振 47
3.3.4　AVR和它的熔丝 48
3.4　AVRDude 51
3.4.1　AVRDude的终端模式中的麻烦 52
3.4.2　AVRDude：入门指南 52
3.5　Arduino和AVR ID的问题 62
3.6　管脚名称转换 63
3.7　AVR：对我讲话 65
3.8　终端模拟器 68
3.9　总结 69
3.10　接下来的部分 69
第4章　勇 往 直 前 70
4.1　让东西动起来 70
4.1.1　伺服电机 71
4.1.2　伺服电机的测试 75
4.1.3　宝石之光 83
4.1.4　继续前进 90
4.1.5　什么是MOS 95
4.1.6　继电器 97
4.1.7　螺线管 101
4.1.8　电机（非伺服型） 103
4.2　传感运动 116
4.2.1　传感器开关 116
4.2.2　有源传感器 121
4.3　总结 129
4.4　接下来的部分 129
第5章　智能化 130
5.1　智能设备 130
5.1.1　增加功能 131
5.1.2　自适应行为 132
5.1.3　提高效率 133
5.1.4　提高解决问题的能力 134
5.1.5　再构造能力 134
5.1.6　环保产品 138
5.1.7　来自上级母设备的支持 138
5.1.8　嵌入式智能的好处 138
5.2　智能设备的缺点 139
5.3　解析智能设备 139
5.4　总结 140
5.5　接下来的部分 140
第6章　数字通信 141
6.1　当智能设备能通信 141
6.1.1　通信通道类型 142
6.1.2　错误校验 143
6.2　单片机互联式通信 145
6.2.1　RS232通信方式 146
6.2.2　使用RS232电平还是逻辑电平 147
6.3　设计请求通信协议 147
6.3.1　通过标志来进行通信 151
6.3.2　对象模型 152
6.3.3　在单片机上实现标志化对象模型 158
6.3.4　对象模型和标志化小结 160
6.4　总结 160
6.5　接下来的部分 160
第二部分　项目实例部分
第7章　项目介绍 162
7.1　项目基础 162
7.2　项目格式 163
7.3　项目范围和难度 164
第8章　项目1：晚上好，邦德先生：你的神秘面板 165
8.1　被电影和电视摧毁的生活 165
8.2　实现过程 165
8.2.1　实验失败的火线版本 166
8.2.2　仔细考虑 167
8.2.3　最终成功方案 168
8.2.4　将按键隐藏起来 171
8.2.5　位置传感器 172
8.2.6　神秘部件 173
8.2.7　电子电路 174
8.2.8　滑动面板电子器件故障排除 176
8.2.9　软件注释 176
8.2.10　组合起来 177
8.3　总结 179
8.4　接下来的部分 179
第9章　项目2：疯狂的光束——训练你的宠物 180
9.1　项目 180
9.1.1　购买激光器 181
9.1.2　建立项目 182
9.1.3　组装 183
9.1.4　电子 186
9.1.5　疯狂梁——软件 188
9.2　总结 191
9.3　接下来的部分 192
第10章　项目3：单词沙丘 193
10.1　你真正看到了多少 193
10.2　硬件 193
10.3　单词沙丘：构建 196
10.4　单词沙丘游戏玩法 198
10.5　单词沙丘：游戏软件安装 199
10.6　单词沙丘命令集 201
10.7　通用软件结构 201
10.8　单词沙丘程序代码流程 203
10.8.1　单词沙丘：声明部分 203
10.8.2　setup() 204
10.8.3　loop() 204
10.8.4　format_EEPROM() 205
10.8.5　addToDictionary() 205
10.8.6　pEEPROMToSerial-Channel() 205
10.8.7　dumpDictToSerial-Channel() 205
10.9　总结 208
10.10　接下来的部分 208
第11章　项目4：灯光瀑布 209
11.1　通道照明 210
11.1.1　实现电路 212
11.1.2　灯光瀑布软件 215
11.1.3　开始实现吧 217
11.1.4　基于Mark II的灯光瀑布 226
11.2　基于Mark II的电子设计 226
11.3　第二种方案电路图 228
11.4　总结 231
11.5　接下来的部分 231
第12章　项目5：移动的错觉 233
12.1　射鸭子游戏 233
12.1.1　射鸭子游戏电路 234
12.1.2　搭建稳固的射鸭子硬件系统 234
12.1.3　搭建射鸭子游戏的硬件 236
12.1.4　下一步 239
12.1.5　射鸭子游戏软件部分 240
12.2　基于MCU的皮影 241
12.2.1　搭建皮影 242
12.2.2　皮影装置的电路 245
12.2.3　皮影装置软件部分 246
12.3　摩尔纹 248
12.3.1　滑水薄膜贴花 250
12.3.2　搭建摩尔纹项目 252
12.3.3　摩尔纹装置软件 254
12.4　总结 255
12.5　接下来的部分 255
第13章　智能家居推动者 256
13.1　你的家居是否智能 256
13.2　插座的破解 258
13.3　利用无线电：无线家居 259
13.3.1　布线 260
13.3.2　回归基本 261
13.3.3　廉价无线通信 262
13.3.4　使用混合网络的智能家居 263
13.4　简单的家庭帮手协议 265
13.4.1　使用廉价智能家居无线节点 266
13.4.2　门传感器电路图 268
13.4.3　门传感器发送器软件 269
13.4.4　门传感器接收软件 270
13.4.5　门传感器项目总结 270
13.5　远程控制灯架 270
13.5.1　灯架电子电路 272
13.5.2　灯架：RGB值发送器 273
13.5.3　灯架软件部分：接收器 275
13.5.4　灯架在行动 275
13.6　总结 277
13.7　接下来的部分 277
附录A　常用元件 278
附录B　数字电路基础 290
附录C　面包板 301
附录D　串行通信 307

.　　在你的台式电脑中，你需要安装AVR开发环境（可免费获得），通过它，你可以编写和编译你的AVR软件。AVR编程器通过USB连接到你的台式电脑，并使用一种叫作在线系统编程（ISP）的技术连接你的AVR单片机，并且可以将你编写的程序上载到AVR单片机中。第2章将会更加深入地讲解这一内容，并提供一个物料清单。
　　 注意
　　本书中我们将AVR单片机插入特制面包板（参考附录C中面包板的基本教程）。然而，其他应用中AVR单片机可插入电路板或者全尺寸的AVR编程器产品中。
　　上面的框图代表本书使用的开发环境，理解这一点很重要，因为AVR系列单片机全部采用可擦除的片上存储器，你可以在程序存储器上重复编程上万次，直到达到你想要的结果。如果程序完全正确，就可以下载到AVR单片机中，在芯片中去完成它特定的应用。
　　在本书中，你将会看到如何利用项目物料（如电动机、螺线管和各类的传感器）和软件来完成一些项目实例。然后，我们将会利用AVR芯片完成一系列的项目。当你学完这个部分并能独立完成一些项目时，我相信，你一定会马上想出新的应用。AVR（和其他单片机）的使用会增强你的创造性思维。
　　本书结构
　　本书主要分为两个大的部分，其中又细分出若干章节。
　　第一部分：基础知识
　　第一部分主要介绍基础知识和背景材料。你可能对这些早就有所了解，抑或你早已迫不及待地想要开始学习这门实用的知识，你可以跳过本书中任何让你感到无趣或无用的部分。
　　我们有各自的学习方式，有些人总是习惯性地先思考为什么某些方法会比其他方法更加有效，为什么有些事物更有价值，如果你属于这种类型，那么第一部分将会很适合你。我认为这种思考是一种很好的学习方式。而对于那些只是想知道“如何做”的读者，你可能对讲述历史和基本原理的第一部分不感兴趣，而是想直接学习更加实用的第二部分。如果你是这么打算的，请不要忽略讲述开发环境设置的那个章节，因为它是后面项目开发的基础，需要优先学习。
　　在第一部分中，我们会简单地介绍编程，通过一些简短，并且加以详细注释的程序向你展现如何对AVR进行编程。即使你从未接触过编程，也可以通过对本部分的学习获得对单片机编程的认识。
　　第二部分：项目实例部分
　　第二部分讲述如何使用AVR单片机来完成特定的项目，你可以按照自己的兴趣修改和编译其中的项目。这个部分会涉及很多内容，包括数字电路，少量简单的控制原理方面的内容，软件细节和大量的AVR单片机应用。
　　对于每个项目，我们将会关注它的硬件设计和相应的原理，并对其中可以改进和替代的地方进行讨论。我们也会对项目中的程序部分进行概述，对其中难以理解的部分加以详细的解释。书中的程序可以从本书的网站获得，网址为：http://www.apress.com/9781430244462。
　　图和表会向你展示构建每个项目时尽可能多的细节，以便以后帮助你按照自己的要求和想法构建自己的项目。
　　以下是第二部分的项目实例列表：
　　第8章：“晚上好，邦德先生：你的秘密面板”。这章向你讲述制作一个滑动面板的机理，并且使用AVR控制。面板后面是什么？等一下，瞧，我相信你已经想好在面板后面放什么了，并且你有自己的秘密方式去打开它。
　　第9章：“疯狂光束——训练你的宠物”。猫（狗也是一样）会对移动的光柱兴趣，它们会满屋子地追赶移动的光柱。这个项目会产生各式各样能引起它们追赶的光柱，并且会让它们乐此不疲。
　　第10章：“单词沙丘”。我们都知道要在沙丘中找到一根针是很难的。你可以在大量的字母中，找到你想要的单词吗？开始会比较简单，但是后来会变得越来越难。
　　第11章：“灯光瀑布”。不要只是将这些灯简单地布置在长走廊上，要带上我们的风格！
　　第12章：“移动的错觉”。
　　摩尔纹：将一个灯放到正在旋转的轮子上，观察这美妙的现象！
　　皮影戏：发光LED可以做出神奇的皮影戏。
　　鸭子射击游戏：乐趣多多！
　　第13章：“智能家居推动者”。我们阐述了为何“未来之家”姗姗来迟，并介绍了一些基础的启动项目和想法，使你拥有更智能的家居生活。
　　附录
　　最后，我们给出一些参考附录。当你遇到不明白的术语，技术或概念的时候，可以参考这一部分。如果你是初学者，为了减少你的困惑和节约时间，建议你在阅读项目实例之前，首先学习本部分的内容。
　　附录A：“常用器件”。一些关于电阻、电容、二极管、发光二极管和集成电路（芯片）的基础知识。
　　附录B：“数字电路基础”。如果你对数字电路完全不懂，不要害怕，这部分内容将会帮助你学习。通过本部分的学习不能使你马上成为一个电子奇才，但是可以让你具备一些基本的知识从而完成接下来的学习。
　　附录C：“面包板”。这是什么，是做什么的，怎么使用它，为什么它的用途会这么大？
　　附录D：“串口通信”。大多数初学者会对串口通信感到疑惑不解，可是，这个技术是理解单片机系统通信必须要掌握的内容。
　　我们将前往何方
　　为了建立自己的AVR单片机开发环境，第2章的学习十分重要。当然，如果你自认为已经掌握了足够的知识，你可以按照任何你喜欢的顺序阅读本书，你可以首先看那些让你产生兴趣的部分（你也可以边看边参考前面略过的章节）。
　　当你遇到不熟悉的地方时，充分利用详细的关键词索引，不要忘了，还有附录，这些是你宝贵的参考资料。
　　接下来的部分
　　第1章：“单片机发展的简要历史”——计算机工业选择了精简指令集系统。
　　关于技术审校者
　　Cliff Wootton前BBC新闻互动电视系统架构师。
　　在那里发展起来的“New Loops”服务获得了BAFTA 提名并赢得了皇家电视协会技术创新奖。他受邀在苹果WWDC大会上演讲视频压缩的预处理。他还教授硕士研究生关于真实世界计算、多媒体、视频压缩、元数据的课程，并研究基于开放标准的下一代互动电视系统的部署。
　　他目前在调查新的互动电视技术的研发项目组中工作，主要涉及MPEG标准工作组，并编写更多关于这个课题的书籍；在伦敦艺术大学多媒体课程之余，他还参加一些会议，并发表演讲。
　　致谢
　　本书集结了如此繁杂的内容，在写作期间我获得了许多人的帮助，我犹豫着是否将他们一一列出，还是用“每一个帮过我的人”这样的表述一笔带过。因此，请允许我采用折中的方案了。
　　特别感谢Wendy，感谢她的耐心，同样要感谢她允许我在自己的家中尝试我的想法——并如此地鼓励和赞赏它们。同样特别感谢Laurence，感谢他的技术上可贵的反馈、想法。
　　致Apress的团队——谢谢你们！感谢Michelle Lowman开始策划这本书，感谢Jill Balzano做这吃力不讨好的工作，在紧凑的时间内把团队集中起来。感谢Matthew Moodie（作为技术编辑）为书的结构和内容做了如此多的贡献。感谢Cliff Wootton作为技术审校者，为使这本书更容易理解贡献良多，并慷慨地提供自己的想法给我采纳。同样，要感谢Lori Jacobs（本书文字编辑）通过指出很多错误和一不致的内容，使这本书更具可读性、更易于理解；这些错误和不一致内容都是我阅读文档千万遍都指不出来的。
　　我需要感谢Reece Fitzhardy，这些年来一直无偿地传授知识并花费时间在我身上，来帮助我理解TTL数据手册直到它对我来说再也不是天书。我感谢Alf-Egil Bogen和Vegard Wollan——AVR架构的设计者，以及让AVR腾飞的Atmel公司。
　　我感谢在英国Maplin公司和美国Sparkfun公司的伙伴们，还有Aaron和在Pololu的支持团队，无论什么时候我有所请求都会给予我帮助和信息。
　　我要感谢很多人，尤其是核心团队，那些在Arduino硬件和软件方面做出了不寻常和革命性贡献的人。
　　还要感谢……但是我最好在这里停下来。如果我忘了某些重要的人，请见谅！
　　

.　　最早期的8位微处理器出现在20世纪70年代后期，例如，英特尔8080或者Zilog Z80，它们与之前的处理器相比已有相当大的进步。这使得工程师们和设计者们马上意识到，如果在设备中加入微处理器，不仅可以增加设备的功能，而且更新升级更加方便。现在许多问题都可以通过业务半熟悉劳动力嵌入可替换固件ROM（只读存储器）（在可编程的flash存储器出现之前）的方式就可以得到解决，而不是像以前，需要熟练工人去替换整个电路。20世纪80年代过后，越来越多的产品的控制电路中加入了微处理器。
　　虽然微处理器的出现给电子产品带来了巨大的进步，却不能解决成本和产品设计的复杂性问题。问题在于，为了让微处理器有效地处理各种事务，必须在其外围增加许多I/O处理的芯片和其他辅助芯片——如时钟芯片和地址译码芯片。
　　到20世纪90年代，改进的硅处理器和芯片制造技术使我们可以在一个芯片上集成更多的电路。以前通过多个外部芯片才能实现的功能和特性，现在可以集成到一块芯片中实现。人们为了将这些新型的超级微芯片与之前的区别开来，便称之为单片机。将外部芯片功能集成到单片机内部实现，例如：
　　子系统和台式计算机或者其他RS-232端口设备进行通信的串行接口。
　　为芯片提供精确参考时间和事件处理间隔的计时器。因为可以确保时间间隔的准确性，这让单片机产生音乐和声音成为可能。
　　串口数字通道让两个单片机可以对话，只需使用两根连接线。
　　模数转换可以完成模拟信号的采集，然后进行数字处理和存储。
　　感知外界开/关状态的输入端口。
　　控制外界状态开/关的输出端口。
　　在20世纪90年代，当单片机开始应用到消费品和控制系统中时，已经进行了20年的微型化再次取得巨大的飞跃，这种飞跃体现在产品尺寸的减小，但给予用户更多功能和特性上的选择。
　　在21世纪里的第一个十年，几乎找不到一种不使用单片机的电子产品。它们随处可见；随着时间的流逝，它们的功能越来越强，也越来越复杂。作为一名工程技术人员，如果你对单片机不甚了解，那么在同行中这无疑是你的一个巨大的劣势。
　　1.2为什么是单片机
　　单片机应用的广泛性是我们要了解它的主要原因。然而，我们只需要掌握如何使用和单片机开发就足够了。正确地使用单片机可以大大缩短项目运行的时间。在使用和设计的过程，你会得到许多乐趣。AVR系列的单片机不仅品种很多，而且性价比高。巨大的AVR单片机用户群体意味着当你遇到困难时，你可以在活跃的网络论坛中获得大量的支持，并且可以获得许多单片机应用程序。
　　1.2.1为什么你需要了解单片机
　　简单地回答这个问题：因为单片机很好玩！它吸引人的地方就是永无止境。有了它，你可以做出你想要的任何东西。曾经有人说过：计算机是一种终极工匠，它可以用来巩固你的工作，加深学习，培养你的爱好并丰富社交生活。而单片机的价值在于它可以将计算机的好处带到真实的生活中来。
　　你很可能拥有一些单片机，只是还没意识到。你周围许多电子设备中都可以找到它们的身影。如果你想要了解现代产品（汽车、手机、玩具……）是如何工作的，必须要对单片机有基本的认识。
　　1.2.2你可以利用单片机做些什么
　　台式计算机（个人电脑和Mac电脑）功能的确很强大——它们是一个时代的奇迹。借助于因特网，从商店中购买的台式计算机可以完成与数字信息有关的任何任务。
　　台式计算机的资源十分丰富，因为它可以可靠地处理和存储网络世界中的信息。它可以并行处理很多事件（例如，你可以一边检查你的邮箱，一边浏览网页并进行病毒检测），因为它运行在一个复杂的操作系统之上，可以在一定程度上进行多任务处理——我们透过屏幕看到的只是机器在内部完成的一小部分工作，这只是冰山的一角。
　　之前说过，现代台式计算机的处理器每秒可以完成30亿个指令周期，许多处理器甚至具有多核结构，这意味着它们能以这种速度执行2组甚至是4组指令流，而且是同时进行！现在一般的台式电脑配置的硬盘可能达到500GB（500 000 000 000字节）的容量，并且有2GB的内存，可能更多。
　　你想要编辑一个视频文件？没问题。找出你的曾、曾、曾、曾祖父是谁？是的，当然你能做到。想在几分钟内发送电子邮件到世界的另一端？当然可以。想要为你的家庭相册建立索引？好啦！做好了。想要播放高清电影？来看吧。
　　为什么台式机会发展成这种模式的计算机？因为它们属于通用型计算机。即便是现在的一些低端的台式机都可以完成上面曾经提到的信息管理任务。但是从根本上来说，它们还是很难和真实世界直接联系。
　　但是，如果你的冰箱突然停止工作，你想马上获知这一消息吗？想要智能化控制一个飞速转动的电机吗？想要利用从屋顶上的排水沟流下的雨水发电吗？嗯……不……这个有点太难了——不借助外围电子产品的话，你的台式计算机是没有办法完成这些任务的。
　　现代台式计算机有一个“肮脏”的小秘密：它们中的大多数处于慢跑状态。图形编译（用于对视频文件压缩和解码，3D游戏编译等）是大多数个人电脑可以完成的任务，但是很少有人使用电脑是为了进行图形编译。要求大部分台式计算机做的最有挑战性的事就是全屏播放视频，它们还有许多富余的处理能力。显然，普通的计算任务并不需要如此强大的处理能力。
　　家中的台式电脑（从统计上讲，你可能拥有不止一台）是家庭信息中心。但正如我们所看到的，这些通用型的巨兽并不能完成真实世界里的任务，它不能和真实世界中的设备发生联系。现在，轮到单片机登场。
　　字面上，单片机似乎和你的台式电脑并没有很大联系。它的处理速度远低于你的台式电脑（可能只有1/300），它的存储器容量很小。它也没有内置对硬盘驱动器的接口支持，更不能将它连入到因特网之中。
　　另一方面，你只需用一杯拿铁脱脂咖啡的价钱就能购买到一个中档的单片机，你可以建立一个完整的单片机系统，这个花费甚至不到你一份工作午餐的支出。但是单片机却有可与真实世界中的设备联系的I/O接口，只要花费一点工夫，你就可以通过串口或者USB端口和台式机进行对话。
　　这就是它们是怎么做的：
　　台式计算机完成“大千世界”中的通用任务，因特网，电子邮件，下载和播放视频，文字处理，文件打印，实时信息交互，社交网络，建立照片库，编辑照片，然后你得到处理后的图片。标准USB口和串行接口可以让你的台式机和外部的单片机系统进行通信，这样你的桌面电脑就可以得到真实世界中的数据，并且像大脑一样去控制真实世界中的机器运转，如加热器、电动机和电灯。
　　把单片机作为用途单一的、独立的，可以完成“小世界”中一些特定任务的计算机，比如控制电灯、测量温度、向你的台式机传送数据。单片机系统可以从你的台式机获取指令“打开加热器，关上电灯”。但是，单片机系统不是一定要连接到台式机，它可以智能地、独立地完成单一简单的任务。
　　总而言之，台式机是一种通用型计算机。它可以按你的要求对数字信息进行处理。而单片机是一种简单、小规模的计算机。它的价格比台式机要便宜很多，但是适合用来编程执行单一任务。
　　单片机系统可以作为台式机的接口，用来控制真实世界中的家电（电冰箱、温度传感器、风扇、加热器、电灯），也可以作为独立的系统。这种家电通常称为智能家电，因为它们是由软件控制的，在一定范围内，可表现一定的自适应性。现代汽车行业也经常在它们的各种系统中植入单片机。
　　在这本书中，我们将会看到许多基于单片机的工程实例。一些是作为台式机的接口来使用，而一些则是作为一个独立的系统。
　　1.2.3为什么会选择AVR系列单片机
　　实际上，市场上有成千上万种单片机，AVR系列只是其中之一。这个领域的领导者可能是PIC（可编程智能计算机）。早在20世纪80年代初期，PIC就由通用仪器的微处理器升级发展而来。PIC的生产线沿袭着Microchip科技公司（通用仪器的商业继任者）的理念，Microchip曾在20世纪90年代中期对单片机做出改进，他们增加了片上用户可编程存储器。
　　PIC的芯片提供很好的品质，并且具有广泛的软硬件支持——成功理应属于它们。然而，PIC芯片在时钟效率上却不是很高。在同样的时钟驱动下，由于PIC芯片内部架构的缺陷，PIC芯片工作效率不如其他种类的单片机。PIC最初并不是以RISC方法（详见下面的章节）设计的——但是AVR系列的单片机是近些年才被开发设计出来的，它采用RISC架构作为核心。为了回答先前的问题，“为什么选择AVR？”，我是AVR爱好者，因为它工作速度快，设计巧妙，使用简单，得到良好的支持，并且廉价。
　　1．一些历史：计算机行业选择了RISC
　　为了了解RISC（精简指令计算机）究竟是什么意思，当今的计算机行业又是怎样从中获益的，我们要追溯到20世纪七八十年代，简要地看一下计算机处理器是如何发展的，当时的计算机又是用来做什么的。
　　早期的电子计算机只提供为数不多的机器指令，对数据进行加减运算，将数据从一个寄存器中存入另一个寄存器，在主存中载入和保存数据——这就是当时计算机所做的事情。早在20世纪四五十年代，操作这种先驱型机器的人员完全是用机器码进行编程：他们必须要记住每条指令的二进制形式，因为机器只能读懂和执行二进制码。当时没有屏幕，没有硬盘驱动器甚至连软盘也没有，只能在一大片开关和电灯下输入信息。真的是很辛苦！
　　然而，当技术发展到20世纪六七十年代时，机器性能的提升允许更加高级的编程语言的出现。这些语言通过编译器实现。编译器可以把人类能读懂的程序（通常由FORTRAN、BASIC，或者C语言编写）翻译成机器指令。编译器的出现意味着程序员可以不必考虑计算机处理器复杂的内部细节。
　　（1）CISC：让计算机行业变得很复杂
　　20世纪80年代早期，半导体行业的巨大进步，使人们可以制造出更复杂的计算机处理器，并且出现一种狂热。那个时期各个大型的制造商（IBM、Sperry、ICL、Boroughs、DEC等）都相互竞争发布新一代处理器，并且使用更加复杂和综合的指令集。当时信奉的一个原则就是如果你的处理器可以在一条指令中完成字符串搜索或者列表处理，那么你的机器将会脱颖而出。也就是说，如果你的芯片可以在一条指令中完成尽可能多的有效工作，你就可以在既定的程序任务中使用较少的指令，这样程序所占的存储就会变小。在20世纪80年代，缩小程序所占的存储是非常重要的，因为那时顶级计算机的随机存储器容量也只有512字节（1兆字节的一半）。
　　这种狂热一直持续到20世纪80年代中期，处理器的速度越来越快，也越来越复杂。那个时候，DEC生产出一个名叫VAX的处理器，它声称具有160条的指令集，后来细分为400多种变体。
　　到20世纪80年代，几乎再也没有人使用机器语言对大型计算机编程。所有的软件都由C、PASCAL、BASIC和FORTRAN这样的高级语言编写而成。就这样，一个利润巨大的软件产业通过编译器成长了起来。
　　创作编译器软件不是一件容易的事。编译器主要有两个功能。第一个功能（前端）是检查人们所写的源程序是否符合高级语言的规则；如果符合，它将这些代码转变成许多通用标识。第二个功能（后端）是把这些通用标识转换成机器码流。显然，后端产生的机器码流必须要符合目标机器的指令集，目标机器就是运行编写的可执行程序的机器。
　　（2）简单原则再次起作用
　　你一定听说过“简单原则”——这是一种注重简约的原则。计算机行业的“简单原则”时期可以追溯到20世纪80年代中期。
　　加州斯坦福大学的John L. Hennessy教授曾经指导过一项研究。这项研究历时几年。这个小组详尽地分析许多类型的编译器所生成的机器码流。他们发现编译器所产生的90%的机器码流大多只使用了给定处理器中指令集的10%左右。这样看来，处理器设计者们试图利用复杂的指令集完成处理任务的目标落空了，因为运行在这些机器上的软件并没有使用它们复杂的指令。
　　当Hennessy的小组试图找到为什么指令集未得到充分的利用时，他们发现这并不是由于技术原因——这完全是商业原因。
　　小组的成员意识到市场的发展模式：大多数编译器由独立的公司制作，而不是由处理器的制造商生产。出于经济原因，编译器公司必须使用一种可以兼容许多不同厂家的计算机的模式来进行生产。因此，即使一个小公司出品的FORTRAN编译器都可以同时在IBM、ICL、DEC、Intel和Unisys的机器上正常工作。编译器有通用的前端部分和一个特定制造商的后端部分。
　　在既定的编译器复杂性和成本下，后端通常采用计算机中的简单指令，而不是那些独特的复杂指令。编译器公司不会花费时间和努力为每种计算机架构单独去优化后端部分。这就是为什么斯坦福的研究小组会发现机器码流大多只使用机器10%的指令集。后来在20世纪80年代末期，RAM存储容量得到很大的扩展；到1988年，许多计算机安装的RAM甚至可以达到8MB或者16MB。这意味着，之前对于程序大小的担忧得到缓解，这更进一步地减少了复杂且具有机器特异性的指令集的使用。
　　Hennessy教授的小组发现，经历了20世纪80年代，随着芯片上元件密度和速度的提升，芯片厂商试图制造更加复杂的处理器结构，开发出更长、更复杂的指令集。然而，小组们通过对许多软件程序的分析又发现，只有很少的程序会真正用到芯片中那些复杂的指令。他们称20世纪80年代的这些机器为复杂指令集（CISC）计算机。
　　技术人员就提出一个新的问题：既然半导体产品的速度和容量增加了这么多，如果处理器保持简约，使用精简的指令集，运行速度能有多快呢？于是技术人员按照这种思路设想一种简约型的计算机，称为精简指令集（RISC）计算机。
　　如果设计的计算机有统一的指令集，其中的指令具有相同的格式，并且只具有简单的条件分支语句，这样就可以把注意力从处理器存储转向处理器的执行速度，这样一个子系统从存储器中流水线式地预读取指令，这就意味着处理器一直处于忙碌状态，而不是花费很长时间在等待指令上。在理想的RISC处理器设计中，处理器每个时钟周期可以完成一条机器指令，这是RISC处理器完全做不到的。换句话说，理想的情况下，如果RISC处理器的时钟频率是20MHz，那么它每秒将可以执行2000万条机器指令。
　　（3）RISC进入黄金时期
　　Hennessy的小组所做出的工作影响巨大，以至于几年内就改变了整个计算机行业的进程。MIPS公司在1985年发布的R2000是市场上可以购买到的第一种基于精简指令原则的微处理器。几年后，当R2000用于DEC、SGI和其他设备的UNIX系统之上时，它出色的表现将同一级别的CISC计算机推向死亡的边缘。
　　R2000很快被R3000和其他制造商所生产的新一代RISC处理器替代。在几乎所有主流的应用中，RISC处理器的表现都超过了复杂型。
　　从那以后起，所有新的主流处理器设计都采用了RISC的思想。到1990年时，RISC设计要么开始消退，又或者（像Intel系列那样在个人电脑中使用）加入尽可能多的精简指令来进行升级，但仍然保持历史兼容性。另一方面，制造商们开始推出新的RISC架构来代替日暮西山的CISC架构；例如，DEC的Alpha RISC架构代替了复杂型的VAX系列的处理器；Apple和Sun的微系统也以相似的路线去改进它们的底层硬件平台。由于MIPS公司产品的出色表现，一种新兴的产品也使用它们的处理器，这就是游戏控制器。打开一个旧的PlayStation或者是Nintendo 64，你就可以发现用于图形事务处理的MIPS芯片。
　　2．揭开AVR的面纱
　　在1996年，一家名为Atmel的半导体公司发布了他们的一款新产品，并命名为AVR（顺便说一句，Atmel声称AVR三个字母并不代表任何特殊含义）。AVR是一个单片机芯片，从底层到上层都是按照RISC原则设计的，这个原则我们已经在前面的部分讨论过了。
　　这种革命性的产品第一次在单片机中使用Flash存储器，这表明它可以很容易地进行重复编程，它可以在原位进行编程，而不用像EEPROM一样，需要从电路板上卸下来，进行光擦除以后才能重复编程。AVR的创新还包括芯片上I/O端口的容量，这些端口的资源灵活、功能强大并可充分利用。
　　正是在这一时期，区分微处理器（芯片上只具有处理器）和单片机（一个完整的计算机，一个芯片上具有处理器、存储器和I/O子系统）开始变得至关重要。
　　自1996年Atmel发布第一款8位AVR单片机以来，更多速度更快、功能更强的新款AVR系列单片机如潮水一般涌现。这产生一个32位AVR处理器家族，这种单片机通常用于要求十分苛刻的应用中，例如发动机管理系统。
　　AVR系列的单片机有以下基本特征：
　　它是通用型处理器，对各种代码具有良好兼容型。因为它的处理器全部使用的是相同的RISC处理器内核。
　　良好的代码兼容性允许设计者在性能和成本上找到合适的平衡点。所有的AVR芯片都有一个微处理器核心，但是不同等级的芯片具有不同的外围端口和设备，以及存储容量不同的Flash和RAM。这些不同级别的产品给设计者们提供了丰富的选择。这对于设计商业产品至关重要：所使用元件的数量和成本是一个消费产品成败的关键。
　　AVR选择了RISC设计原则，并且充分地利用每一个时钟周期，换句话说，在同样的时钟频率下，AVR单片机就会比CISC架构的芯片表现得更加出色。当然，不是所有的单片机应用都对时间具有严格要求，在一些应用中，执行速度并不是单片机应用需要首要考虑的问题。可是，如果需要考虑速度（或者可能需要），那么AVR会是一个不错的选择。
　　1.3总结
　　当选用精简指令集时，计算机的运算性能一般会上升一个台阶，当被用于AVR单片机中时，它就成为一个高性能处理器了。
　　单片机的出现彻底改变了消费电子领域和其他领域（例如自动化），也促进了新产业的建立，新型设备的创造——例如GPS（全球定位系统）接收器、MP3播放器。
　　所以，现在你知道为什么你要对单片机产生兴趣，为什么AVR系列的单片机会以一种理想的方式进入这门学科——是时候开始进行一些实际的操作了！
　　1.4接下来的部分
　　搭建我们的AVR试验台和开发系统。安装所需的基本工具和设备。
　　第2章
　　搭建我们的AVR试验台
　　我们称之为AVR试验台，但实际上，它包含了许多工作。书中的工程都是在试验台的基础上完成的，试验台可以将你的程序上载到AVR芯片中，它是实现创意的一个平台，通过学习本书中的工程实例，相信在不久以后，你一定会有许多新的想法。
　　这一章中，我们会仔细讨论试验台，这包括试验台所需要的材料以及搭建和测试试验台的详细步骤。
　　2.1试验台详细说明
　　AVR试验台是我们的开发系统。试验台搭建在一个原型面包板之上：如果你对面包板很陌生，可以先阅读附录C，它告诉你面包板是什么，又可以做些什么。
　　试验台的主要作用：
　　提供一个简单的、功能齐全的AVR编程器，并且和Arduino软件兼容。
　　安放AVR处理器，并且和AVR编程器具有固定连线。
　　提供一个逻辑电平（非RS-232）串行接口，你的AVR工程可以通过这个接口向桌面机反馈信息。
　　为AVR工程提供合适的电源。
　　利用试验台，你可以创建、调试AVR程序，并且最终确定工程的硬件配置。一旦确定了工程最终所需的硬件和软件，并且将程序导入AVR芯片，就可以断开电脑和AVR的连接。通过建立永久性的工程板，特定的AVR就可以永久性地独立运作。换句话说，一旦你的桌面机完成开发和编程并且向单片机导入程序以后，你的AVR工程就是完全独立的。
　　2.2关于试验台所需要的材料
　　你或许已经有了一些搭建试验台所需要的工具。对于还缺少的部分，大多数都可以从当地的商店中买到，如果还是买不到，你可以利用丰富的网络资源。
　　2.2.1一台桌面型计算机
　　最好有一台完全属于你的机器，或者一台你可以随时使用的机器。速度慢的计算机只要工作稳定，也可以胜任。和现代办公应用相比，Arduino软件对于机器的硬件要求很低。所涉及的文件集和安装文件都很小，对处理器的处理速度要求也很低。
　　虽然不需要最新最好的硬件，但是在使用之前，务必确认所使用的系统是最新的操作系统。因为开发系统的一些功能可能在过时的操作系统中无法实现。如果在苹果机上，你需要安装最新的Mac OS X。如果是Windows系统，最低要求是XP SP3系统。对于Linux系统来说，要求就低了很多，近几年的内核版本都可以。
　　 提示
　　在Linux系统中可以使用命令行uname –v查看所使用的Linux内核的构建日期。
　　所使用的机器至少要有一个空闲的USB端口（建议是USB2.0，不过大多数情况下， USB1.0的也可以）：2000年以后制造的机器应该都有。为了工作良好，建议系统至少具有1GB的RAM（特别是在Windows系统下）。你如果是个有耐心的人，RAM的容量要求可以低一点，不过不要期望会运行得很快。使用旧机器有一个优点，那就是你可以同时使用新电脑做其他AVR有关的事务。我以前是用新电脑来做AVR的工作，但是现在用的是一台老式的带有15寸显示屏、1GB内存和主频为1.9GHz的笔记本电脑，也工作得十分顺利。你的磁盘需要至少300MB的空余存储来安装所需要的软件。
　　你如果没有合适的旧机器，你可以从当地的旧物循环组织那里获取免费的机器：通过访问www.freecycle.org/找到距你最近的旧物循环组织，这个网站列出了世界上许多旧物循环的站点。如果这个方法行不通，可以尝试因特网拍卖的站点，如eBay、Craigslist。这些站点经常会以很低的价格处理旧的机器（务必确认你买的是一台可以工作的机器，在拍卖或购买之前，确认有关运输和包装收费。）
　　最后，如果你正在使用或者准备购买旧的电脑作为开发机器，它的原装安装光盘将会很有价值。任何方式的重装系统是最有可能恢复机器性能的方法。长时间运行以后，任何计算机系统都会变得越来越慢——这与硬件无关，是因为操作系统各方面的问题（例如文件系统的性能）会随着硬盘中软件的安装、移动和文件累积而下降。其中Windows系统更易受这种综合征的影响。
　　如果你打算在你的开发电脑中重装系统，在开始之前，确保你拥有所需的驱动程序安装包（例如，检查你的电脑是否有声卡、网卡，这些硬件需要特别的驱动程序）。并且，确定你可以重新安装你的安全软件（病毒防护软件）：安装旧版本的操作系统工具会使处于未保护状态的机器非常容易受到攻击。一种好的预防方式就是重装系统之前，对硬盘驱动器采用完全镜像备份。通过这种方式，即使在系统重装时出现问题，你至少也可以恢复到原来的状态。例如Windows系统的Ghost和TrueImage软件，Mac OS的SuperDuper和Retrospect软件，Linux中的Clonezilla和PartImage软件都可以完成镜像备份。
　　利用原始的安装盘进行重装系统耗时可能不会超过一个小时，但随后进行的自动补丁和更新升级可能需要几个小时……甚至几天！