从无线电世界到单片机世界

现代计算机技术的产业革命,将世界经济从资本经济带入到知识经济时代。在电子世界领域,从 20 世纪中的无线电时代也进入到 21世纪以计算机技术为中心的智能化现代电子系统时代。现代电子系统的基本核心是嵌入式计算机系统(简称嵌入式系统),而单片机是最典型、最广泛、最普及的嵌入式系统。

一、 无线电世界造就了几代英才在20世纪五六十年代,最具代表的先进的电子技术就是无线电技术,包括无线电广播,收音,无线通信(电报),业余无线电台,无线电定位,导航等遥测,遥控,遥信技术。早期就是这些电子技术带领着许多青少年步入了奇妙的电子世界,无线电技术展示了当时科技生活美妙的前景。电子科学开始形成了一门新兴学科。无线电电子学,无线通信开始了电子世界 的历程.无线电技术不仅成为了当时先进科学技术的代表,而且从普及到业的科学领域,吸引了广大青少年,并使他们从中找到了无穷的乐趣。从床头的矿石收音机到超外差收音机;从无线电发报到业余无线电台;从 电话,电铃到无线电操纵模型.无线电技术成为当时青少年科普,科技教 育最普及,最广泛的内容。至今,许多老一辈的工程师,专家,教授当年都是无线电爱好者。无线电技术的无穷乐趣,无线电技术的全面训练,从电子学基本原理,电子元器件基础到无线电遥控,遥测,遥信电子系统制作,培养出了几代科技英才。

二, 从无线电时代到电子技术普及时代。早期的无线电技术推动了电子技术的发展,其中最主要的是真空管电子技术向半导体电子技术的发展。半导体电子技术使有源器件实现了微小型化和低成本,使无线电技术有了更大普及和创新,并大大地开阔了许多非无线电的控制领域。半导体技术发展导致集成电路器件的产生,形成了近代电子技术的跃,电子技术从分立器件时代走进了电路集成时代。电子设计工程师不再用分立的电子元器件设计电路单元,而直接选择集成化的电路单元器件构成系统。他们从电路单元设计中解放出来,致力于系统设计,大大地解放了科技生产力,促进了电子系统更大范围的普及。半导体集成电路首先在基本数字逻辑电路上取得突破。大量数字逻辑电路,如门电路,计数器,定时器,移位寄存器以及模拟开关,比较器等,为电子数字控制提供了极佳的条件,使传统的机械控制转向电子控制。功率电子器件以及传感技术的发展使原先以无线电为中心的电子技术开始转向工程领域中的机械系统的数字控制,检测领域中的信息采集,运动机子工程师的难度减少了,但与此同时,无线电技术,电 子技术的魅力却削弱了。半导体集成电路的发展使经典电子系统日趋完善, 留在大规模集成电路以外的电子技术日益减少,电子技术没有了往昔无线 电时代的无穷乐趣和全面的工程训练。

三 、从经典电子技术时代到现代电子技术时代 进入20世纪80年代,世纪经济中最重要的变革是计算机的产业革命。而计算机产业革命的最重要标志则是计算机嵌入式应用的诞生。近代电子计算机是应数值计算要求诞生的。在很长的时间内,电子计算机都是以发展海量数值计算为己任。但是电子计算机表现出的逻辑运算,处理,控制 能力,吸引了电子控制领域的专家,他们要求发展能满足控制对象要求,实现嵌入式应用的计算机系统。如果将满足海量数据处理的计算机系统称为通用计算机系统,那么则可把嵌入到对象体系(如舰船 ,飞机 ,机车等)中的计算机系统称作嵌入式计算机。显而易见,两者的技术发展方向是不同的.前者要求海量数据存储,吞吐,高速数据处理分析及传输;而后者 要求在对象环境中可靠运行,对外部物理参数的高速采集,逻辑分析处理和对外部对象的快速控制等。早期人们将通用计算机加上数据采集单元, 输出驱动电路勉为其难地构成一个热处理炉的温控系统。这样的通用计算机系统不可能为大多数电子系统采用,而且要使通用计算机系统满足嵌入式应用要求,必然影响高速数值处理技术的发展。为了解决计算机技术发展的矛盾,在20 世纪 70 年代,半导体专家另辟蹊径,完全按照电子系统的计算机嵌入式应用要求,将一个微型计算机的基本系统集成在一个芯片上,形成了早期的单片机(Single Chip Microcomputer)。单片机问世后,在计算机领域中开始出现了通用计算机系统和嵌入式系统的两大分支。此后,无论是嵌入式系统,还是通用计算机系统都得到了飞速的发展。早期虽然有通用计算机改装而成的嵌入式计算机系统,而真正意义上的嵌入式系统始于单片机的出现。因为单片机是专门为嵌入式应用设计的,单片机只能实现嵌入式应用.单片机能最好地满足嵌入式应用的环境要求,例如,芯片级的物理空间,大规典电子系统迅速过渡到智能化的现代电子系统。

四 、单片机开创了现代电子系统时代1单片机与嵌入式系统嵌入式系统源于计算机的嵌入式应用,早期嵌入式系统为通用计算机经改装后嵌入到对象体系中的各种电子系统,如舰船的自动驾驶仪,轮机监测系统等。嵌入式系统首先是一个计算机系统,其次它被嵌入到对象体系中,在对象体系中实现对象要求的数据采集,处理,状态显示,输出控制等功能,由于嵌入在对象体系中,嵌入式系统的计算机没有计算机的独立形式及功能。单片机完全是按照嵌入式系统要求设计的,因此单片机是最典型的嵌入式系统。早期的单片机只是按嵌入式应用技术要设计的计算机单芯片集成,故名单片机。随后,单片机为满足嵌入式应用要求不断 增强其控制功能与外围接口功能,尤其是突出控制功能,因此国际上已将单片机正名为微控制器(MCU,Microcontroller Unit)。2 单片机构成的现代电子系统将成为主流电子系统单片机构成的现代电子系统将成为主流电子系统 单片机是器件级计算机系统,它可以嵌入到任何对象体系中去,实现智能化控制。小到微型机械、如手表、助听器、集成器件级的低价位,低到几元,十几元,足以使单片机普及到许多民用家电,电子玩具中去。单片机构成的现代电子系统已深入到各家各户,正改变我们的生活,如家庭 中的音响,电视机,洗衣机,微波炉,电话,防盗系统,空调机等。单片机革新了原有电子系统,如微波炉采用单片机控制后,可方便地进行时钟设置,程序记忆,功率控制;空调机采用单片机后不但遥控参数设置方便,运行状态自动变换,还可实现变频控制。目前许多家用电器如 VCD,DVD只有单片机出现后才可能实现其功能。3 嵌入式系统带动了整个电子产业目前电子元器件产业除了微处理器,嵌入式系统器件外,大多是围绕 现代电子系统配套的元器件产业,例如满足人机交互用的按键,LED/LCD 显示驱动,LED/LCD 显示单元,语音集成器件等,满足数据采集通道要求的数字传感器,ADC,数据采集模块,信号调理模块等,满足伺服驱动控制的 DAC,固体继电器,步进电机控制器,变频控制单元等,满足通信要求的各种总线驱动器,电平转换器等。世界电子元器件在嵌入式系统带动下,沿着充分满足嵌入式应用的现 代电子系统要求发展。这就使原来经典电子系统的天地愈来愈电子系统中的各类从业人员应尽早转向现代电子系统的康庄大道。

五 、单片机将造就新一代器功能大量增设的因素之一。单片机带你进入计算机工控领域 21 世纪是全人类进入计算机时代的世纪,许多人不是在制造计算机便是在使用计算机。在使用计算机的人们中,只有从事嵌入式系统应用的人才真正地进入到计算机系统的内部软,硬件体系中,才能真正领会计算机的智能化本质并掌握智能化设计的知识。从学习单片机应用技术入手是当今培养计算机应用软,硬件技术人才的最佳道路之一。 3 单片机带你进入最具魅力的电子世界独具魅力的单片机能使你体会到电脑的真谛,你可以用单片机亲自动手设计智能玩具,可以设计不同的应用程序实现不同的功能.既有硬件制 作又有软件设计,既动脑又动手初级水平可开发智能玩具,用宏指令编程中级水平可开发一些智能控制器,如电脑鼠,智能车,各种遥控模型。高级水平可开发机器人,如机器人足球赛,开发工业控制单元,网络通信等,并用汇编语言或高级语言设计应用程序。围绕单片机及嵌入式系统形成的电子产业的未来,将会为电子爱好者提供广阔的天地,一个比当年无线电世界更广阔,更丰富,更持久,更具魅力的电子世界。投身到单片机世界来,将使你一生受益。

单片机攻击技术，目前,攻击单片机主要有四种技术,分别是: ( 1 ) 软件攻击该技术通常使用处理器通信接口并利用协议,加密算法或这些算法中的安全漏洞来进行攻击。软件攻击取得成功的一个典型事例是对早期A TMEL AT89C 系列单片机的攻击。攻击者利用了该系列单片机擦除操作时序设计上的漏洞,使用自编程序在擦除加密锁定位后,停止下步擦除片内程序存储器数据的操作,从而使加过密的单片机变成没加密的 单片机,然后利用编程器读出片内程序。 ( 2 ) 电子探测攻击该技术通常以高时间分辨率来监控处理器在正常操作时所有电源和接口连接的模拟特性,并通过监控它的电生技术该技术使用异常工作条件来使处理器出错,然后提供额外的访问来进行攻击。使用最广泛的过错产生攻击手段包括电压冲击和时钟冲击。低电压和高电压攻击可用来禁止保护电路工作或强制处理器执行错误操作。时钟瞬态跳变也许会复位保护电路而不会破坏受保护信息。电源和时钟瞬态跳变可以在某些处理器中影响单条指令的解码和执行。( 4 ) 探针技术该技术是直接暴露芯片内部连线,然后观察,操控,干扰单片机以达到攻击目的。为了方便起见,人们将以上四种攻击技术分成两类,一类是侵入型攻击(物理攻击),这类攻击需要破坏封装,然后借助半导体测试设备,显微镜和微定位器,在专门的实验室花上几小时甚至几周时间才能完成。所有的微探针技术都属于侵入型攻击。另外三种方法属于非侵入型攻击,被攻击的单片机不会被物理损坏。在某些场合非侵入型攻击是特别危险的,但是因为非侵入型攻击所需设备通常可以自制和升级,因此非常廉价。大部分非侵入型攻击需要攻击者具备良好的处理器知识和软件知识。与之相反,侵入型的探针攻击则不需要太多的初始知识,而且通常可用一整套似的技术对付宽范围的产品.。

单片机侵入型攻击的一般过程侵入型攻击的第一步是揭去芯片封装。有两种方法可以达到这一目的: 第一种是完全溶解掉芯片封装,暴露金属连线。第二种是只移掉硅核上面的塑料封装。第一种方法需要将芯片绑定到测试夹具上,借助绑定台来操作。第二种方法除了需要具备攻击者一定的知识和必要的技能外,还需要个人的智慧和耐心,但操作起来相对比较方便。芯片上面的塑料可以用小刀揭开,芯片周围的环氧树脂可以用浓硝酸腐蚀掉。热的浓硝酸会溶解掉芯片封装而不会影响芯片及连线，该过程一般在非常干燥的条件下进行,因为水的存在可能会侵蚀已暴露的铝线连接，接着在超声池里先用丙酮清洗该芯片以除去残余硝酸,然后用清水清洗以除去盐分并干燥。没有超声池,一般就跳过这一步.这种情况下,芯片表面会有点脏,但是不太影响紫外光对芯片的操作效果。最后一步是寻找保护熔丝的位置并将保护熔丝暴露在紫外光下，一般用一台放大倍数至少100倍的显微镜,从编程电压输入脚的连线跟踪进去,来寻找保护熔丝。若没有显微镜,则采用将芯片的不同部分暴露到紫外光下并观察结果的方式进行简单的搜索。操作时应用掉保护位的保护作用,之后,使用简单的编程器就可直接读出程序存储器的内容。对于使用了防护层来保护EEPROM单元的单片机来说,使用紫外光复位保护电路是不可行的。对于这种类型的单片机,一般使用微探针技术来读取存储器内容.在芯片封装打开后,将芯片置于显微镜下就能够很容易的找到从存储器连到电路其它部分的数据总线。由于某种原因,芯片锁定位在编程模式下并不锁定对存储器的访问。利用这一缺陷将探针放在数据线的上面就能读到所有想要的数据。在编程模式下,重启读过程并连接探针到另外的数据线上就可以读出程序和数据存储器中的所有信息。还有一种可能的攻击手段是借助显微镜和激光切割机等设备来寻找保护熔丝,从而寻查和这部分电路相联系的所有信号线。由于设计有缺陷,因此,只要切断从保护熔丝到其它电路的某一根信号线,就能禁止整个保护功能。由于某种原因,这根线离其它的线非常远,所以使用激光切割机完全可以切断这根线而不影响临近线。这样,使用简单的编程器就能直接读出程序存储器的内容。虽然大多数普通单片机都具有熔丝烧断保护单片机内代码的功能,但由于通用低档的单片机并非定位于制作安全类产品,因此,它们往往没有提供有针对性的防范措施且安全级别较低。加上单片机应用场合广泛,销售量大,厂商间委托加工与技术转让频繁,大量技术资料外泻,使得利用该类芯片的设计漏洞和厂商的测试接口,并通过修改熔丝保护位等侵入型攻击或非侵入型攻击手段来读取单片机的内部程序变得比较容易。

常用单片机芯片简介STC单片机STC公司的单片机主要是基于8051 内核,是新一代增强型单片机,指 令代码完全兼容传统8051,速度快 8~12 倍,带 ADC,4 路 PWM,双串口,有全球唯一ID号,加密性好,抗干扰强。PIC 片机 : 单片机:是 MICROCHIP 公司的产品,其突出的特点是体积小,功耗低,精简指 令集,抗干扰性好,可靠性高,有较强的模拟接口,代码保密性好,大部分芯片有其兼容的 FLASH 程序存储器的芯片。EMC单片机:单片机:是台湾义隆公司的产品,有很大一部分与 PIC8位单片机兼容,且相兼容产品的资源相对比 PIC 的多,价格便宜,有很多系列可选,但抗干扰较差。ATMEL 单片机 单片机(51 单片机 : 单片机): ATMEl公司的8位单片机有AT89,AT90 两个系列,AT89系列是 8 位 Flash 单片机,与 8051 系列单片机相兼容,静态时钟模式;AT90系列单片机是增强 RISC 结构,全静态工作方式,内载在线可编程 Flash 的单片机,也叫 AVR单片机。PHLIPIS 51PLC系列单片机:单片机): 德州仪器提供了 TMS370 和 MSP430 两大系列通用单片机.TMS370 系列单片机是 8 位 CMOS 单片机,具有多种存储模式,多种外围接口模式,适用于复杂的实时控制场合;MSP430系列单片机是一种超低功耗,功能集成度较高的 16 位低功耗单片机,特别适用于要求功耗低的场合是台湾松翰公司的单片,大多为 8 位机,有一部分与 PIC 8 位单片机兼容,价格便宜,系统时钟分频可选项较多,有 PMW ADC 内振内部杂讯 滤波.缺点 RAM 空间过小,抗干扰较好。