从零制作单片机需要哪些知识？

说一下从芯片制作开始到最后编写驱动程序整个过程中每一步所需要的知识。

作者：彭谟威
链接：https://www.zhihu.com/question/28580074/answer/93515413

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。

第二步，设计系统驱动。

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。

把4个数码管的控制脚并联在一起，形成总线的模式，所有数码管都用同一组单片机IO口来驱动。读者的第一反应是不是：那好像行不通，岂不是所有数码管都显示相同的内容了？

Xinghom

33 人赞同了该回答

想从头开始制作单片机，...
It's a long story～
OK, let‘s rock.

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单片机-->学名MCU （ micro control unit）
首先，它是个芯片～芯片设计的流程
------>>>>现在的芯片都是如何设计的呢？ - 芯片（集成电路）（总概 from @又见山人）

其中所需要的知识有：（仅考虑设计MCU）

电路分析，
数字电路，
模拟电路，
半导体工艺与器件，
计算机结构，
微处理器原理，
HDL语言，
EDA工具（综合，仿真，布局布线）等

芯片设计好没问题之后呢，需要拿你的设计去foundry制作～
这又是一个美妙又漫长的故事～
好在普林斯顿的phd大神耐心的写出了这个详细具体又生动的故事

——>芯片里面有几千万的晶体管是怎么实现的？ - 中央处理器 (CPU) from @呆涛

想要学习芯片制造工艺里面的知识就更多了，比如：物理（如半导体物理，量子物理），材料等和芯片制造工艺有关的内容及步骤.... 自己没切身接触过，涉猎不足，有待补充.

这样下来，从设计前端，到后端，验证，再到工艺制作，流片，封装之后。MCU就制作出来啦！ Oh,Cool！

如果是ARM的单片机，你就可以往里面烧 bootlooder ，系统，写驱动了...（嵌入式开发方向）
需要的知识有： C语言，汇编，操作系统（linux wince 等）， linux内核.... etc

整个过程的任何一个 “步骤” 都需要要考虑很多方面的东西，成为IC领域的学习方向，并非一句话带过那么简单。正如又见山人的回答，如果你一己之力学会了整个芯片设计制作，写驱动就真是如喘气放屁一般....

编辑于 2015-03-09

axiom

电路原理，模拟电路，数字电路

c语言

然后买个开发版，一个个例程跑吧！！

又看了一下问题。添加如下:

找一本电子书。上面开始有介绍固体物理，掺杂，二极管，三极管原理

然后是场效应管，然后是集成电路制造。

数字电路，逻辑门，触发器，乘法器，搞明白了，可以自己学hdl
语言，写FPGA，你可以自己搞一个8位得单片机了。有源代码！！可以看。

然后是软件编程，看汇编语言，51入门简单，资料多！！

结合8051得微内码结构，取指令，译指令，自己理解cpu结构！！！！(现在都RISC体系，好像微内码不好找了)

然后是c语言了，c++。这个又是一步

编辑于 2015-03-09

二氧化硅--情商堪忧的少年

本人作为一个微电子本科的学生，感觉如果说你只是为了制作一块MCU，你可以不特别会比较基础的东西，比如半导体物理，电子器件一类的课程，但是你得必须会写硬件描述语言。MCU的逻辑结构是非常复杂的，这一步会相当相当难。ok，现在你写好了MCU的硬件描述语言脚本，也仿真无误了。然后用EDA软件综合仿真，最后用画版图的软件画出MCU的集成电路版图，这一步也是非常复杂的，不过现在数字集成电路的版图可以自动布局布线，但是你必须得会基本的版图绘制方法，因为接口一类的都是模拟电路，是不能自动生成的。然后什么版图检查DRC,LVS，寄生参数什么一类的，等到版图里没有一点错误，物理上还有电学上都符合要求的时候就算版图绘制完成。

———我是设计和工艺的分割线—————

现在你就可以把你画的版图交给厂商流片，这一步会画很多很多钱。。。然后测试，封装。OK你自己的MCU就做好了。

如果说你连工艺都要自己弄，先不说课程的事，土豪能做个朋友吗？

———我是硬件和软件的分割线—————

至于驱动一类的很简单了，按照之前硬件描述语言脚本里的逻辑，把各个功能用函数的形式写出来就行。。

个人感觉一个人可以完成所有的步骤，但是时间啊，金钱啊，性能啊。。。

至于你得会啥。。数电，模电，硬件描述语言，EDA软件使用，微机原理，汇编以及C语言还有很多细枝末节的知识，随时都可能会有问题出现

个人看法，欢迎各位大神给予指导

本次设计建立一套基于GSM和AT89S51单片机的智能家居控制系统，实现管理员通过给GSM模块发送短信息指令以控制外围设备的目的，包括控制指定电器，开关电子门等多种功能。它的成本价并不高昂，适合于普通大众使用，有着广阔的市场前景。其中GSM模块用于接受管理员的短信息，并传送到单片机控制系统。单片机控制系统基于51单片机，处理来自GSM模块的信息，并根据预先设定的程序和短信命令来控制家居电器，以及控制GSM模块给管理员发送相关信息，使得管理员和系统可以进行交互。