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各位同学大家好

我是清华大学

工程物理系的曾鸣老师

欢迎大家回到

ARM微控制器与嵌入式系统的MOOC课堂

我们继续进行

我们第一章概览的学习

所谓概览呢

就是不太涉及

我们具体的技术知识

而是更多的去看一看

我们这门课

学习的内容

范畴和目的

讲一些理念上的事情

在第一个小节里

我给大家讲了讲

什么是嵌入式系统

也就是嵌入式系统

我们开这么一门课的目的是什么

实际上更多的是

让更多爱好者同学

能够上手能够玩起来

我想这是我开设这门课

最最重要的一个初衷

那么结合包括智能车的培训

包括很多爱好者

喜欢学嵌入式系统

第二个章节这个小小片段

我其实想给大家讲一个

跟具体知识无关的事情

就是如何学好嵌入式系统

也是我自己开设

这样一类课程

很多年的一些思考

很多同学会问我

曾老师我怎么才能学好嵌入式系统呢

或者更广泛一点

我怎么才能学好电子学知识呢

然后我自己想了想

我跟有的同学会说

其实这个当中

最重要的一件事情是

你要想清楚我怎样去学

有同学会说

那我问的就是怎样去学

有的同学会说

我要发奋学 努力学

然后我会说

如果在星期天的早上

你睁开眼睛

拿着曾老师给你的

一块电路板或者开发板

然后说为了提高知识技能

为了增加专业水平

为了祖国的明天

为了我们的产业

我要努力练习这件事

我觉得那就错了

嵌入式这是和我们很多工科知识

都是紧密于专业相结合的

它需要很强的兴趣为趋导

所以如果你在星期天的早上

拿到了这样一个嵌入式系统

或者拿到了你心爱的智能车

你是觉得它非常的好玩

我不吃不睡

我要接着再玩一下

或者我心理还有一个

让我心理痒痒的功能没有实现

我很想再调一下

我觉得那个状态就对了

所以今天

我想围绕这个事情

做一些思考和讨论

首先我想从一个

背景或者故事讲起

这是一片茫茫的星空

这张图是我找的

一个哈勃望远镜的摄影图

在这个宇宙当中非常非常的大

我自己的背景是从事物理的研究

虽然我更偏地下的物理实验

或者是粒子物理实验

但我也会跟我的一些同事

比如我们清华大学的冯骅教授

合作做一些天体物理的研究

那么在他看来

我总是很入门 很科普

然后我没事的时候

看一看会发现

在这个宇宙当中

有一类星体

它非常非常的有意思

它的名字叫做

Blazar或者叫耀变体

那么从科学术语

我作为一个外行

或者半外行来讲

我只能照搬Wikipedia上的解释

它是一类由超大质量黑洞

在一些银河中心构成的

大质量的类星体

但是它最独特的一点

它是人类目前

已经观测到的

能量最高能的一类天体

有多高能呢

这样一类的星体

很可能它一个星体的总发光量

是我们整个银河

总发光量的100倍以上

而且它一般都离我们非常的遥远

可能离我们人类所生活的地球

有120亿光年远

那么又这么大质量又这么远

这一类星体

是人类所观测到的

宇宙当中最高能

最强大的天体

然后它非常的美丽

比如上它的科学幻想图是这样的

一个旋转的星系当中

有一束白白的线

人类花了很多年

才大概地猜想着

弄清楚若干种类星体之间的关系

因为星星挂在天上

我们人类不能变它

它对我们是侧面是正面

那它就是它那个样子

我们没有办法去调整它

所以非常的万幸

挂在天上的星星

我们站在地球上去看

人类花了很多年研究

猜想我们看得到的

一系列的天体

可能只是同一个

类似于这样银河

巨大黑洞的喷射天体

从不同的角度刚好对着人类

当它喷射的角度

正面正好对着人类的时候

我们会觉得它特别的亮

也就是刚才所说的Blazar

那么这是一些星系里头的效果图

如果我们刚好

从它的侧面看就会发现

它是一个非常璀璨的光柱

那么这些天文学的东西

在我们这些爱好者

或者叫半专业人士看来非常的美丽

那么它有什么启示呢

我自己从事了一些相关的研究

我有一个学生

它的博士题里跟着我的同事

做一些像这样的黑洞的射线偏振的测量

那么我们知道

这样的Blazar也好

黑洞也好

X射线源的天体也好

它都是非常高能的

但是到了地球

我们想测量它的结构的时候

霍金告诉我们

我们只能通过非常有限的信息

来重建像这样一些天体的这种物理信息

我们非常反讽的是

要测非常微弱的信号

有多微弱

要一个光子一个光子的测量

测量每一个光子与气体介质

与探测器介质沉积产生的电荷

弱到了信号只有

几百个几千个电子的程度

所以会形成一个个

这样像蝌蚪一样晃来晃动的图像

然后这些蝌蚪的尾巴

代表着光子沉积产生的初始电离

我们从中再来统计得到光子的偏振信息

再从成像的角度

叠加到原始的天文学图像上

从而得到一个类似于黑洞

或者X射线源这样的天体

它里头每一个光子携带的偏振

所揭示的它内部结构

这样一种极弱的测量

与一种极强的天体之间形成的反讽

让我有时候会形成一种反思

就是嵌入式系统

在我们每个人所在的领域

要做到极致是一件非常非常挑战

但又同时非常非常有成就感的事情

什么样的内在驱动力

能让我们去把这样的事情做的很好

或者能让我们像刚才

一开始所说把嵌入式系统学好呢

或者站在一个老师的角度

怎样才能把我的学生

培养了超过我这一代人

真正的站在世界的巅峰

去做一流的嵌入式工作者

或者在各行各业是优秀的电子工程师呢

在这个反讽当中

我又会想到两个故事

一个是这样一本非常有名的书

可能有的同学会看过

叫THE ART OF ELECTRONICS

我不知道这本书

是不是大家都认为它是那么棒

至少在我看来

它是一本非常经典的书

从封面大家可以看到

它的第三版采用了类似于这样烫金色

我们会现在会说叫土豪金的颜色来印制

最重要的是

没有多少人会在写一本书的时候

敢把自己的领域用THE ART来命名

至少我不敢对不对

什么东西从一个工程的领域敢称为艺术

那么这本书大约在将近1989年

也就是20多年以前出版了它的第二版

一共有1120多页

那么20来年过去了

中间无数次传言它会出第三版

无数次爱好者翘首以盼

终于在2015年这本书的第三版出来了

所以大家可以想想

它有多么庞大的粉丝群

这本书的受欢迎到了这张图的地步

这是我在网上找到的

有爱好者把它网上关于三极管原理讲解的这张图

做成了体恤印在身上

买到这本书拍张照说

我终于等到了

那么我要讲的不是这本书的广告

而是这本书的作者

Paul Horowitz 和Winfield Hill这两位科学家

他们不是纯粹的电子工程师

从某种意义上来讲

他们也是跨界的工程师

我不敢把他们定义成嵌入式工程师

但是比如说以Paul Horowitz为例

他是这个哈佛大学的天体物理学系的一个教授

从事的是仪器天文学

那么他的领域包括

射线天文学这个天文学的仪器

可能跟我刚才讲的领域有点像

最重要的是能写出这样一本书的人

如果在他的主页上你去看

发现有这样一张照片是他小时候

还有一张这样的照片是他长大以后

你会发现这样一个人

在他小时候戴着个大大的耳机

可能玩着无线电收音机

就是一个电子爱好者

所以在这样一种爱好者驱使下

在国外持续的和平年代里

有这样一批爱好者能够循序渐进的成长

最终变成大师

那么这件事情之外

给我另外有很多启示的一个故事

是这样一本书

这本书的作者

是这样一个白胡子的老爷爷

看上去很像

这个《指环王》里的甘道夫

又有点像这个《哈利波特》里头的

这个校长邓布利多

那么一般有这样大白胡子的学者

我们都会觉得非常非常厉害也确实

因为这本书的封面大家看一看

叫ANALOG CLRCUITS模拟电路设计

但是最厉害的是他横着的那句话

叫WORLD CLASS DESIGNS世界级设计

大家可以想象什么样的人

写书可以用这样的名字

把这本书翻过来

他的英文版背面大家可以看到这样一段话

这段话给了我非常大的刺激

说我的朋友经常问我

如果你有一个儿子或者女儿

你还会让他学电子工程技术吗

他说

是的 如果他学的是模拟电路的领域

我们现在不讨论模拟或者数字

看看他为什么讲

朋友说

你解释解释看

他说

我和我的朋友知道

模拟电路设计当中

非常多的技巧

秘密和方法

中国人

注意中国人这时候垫背了

每年培养20万工程师

但是他们并不知道这些从SPICE仿真

从书本上的计算学不会的技巧和方法

他们不能像我们这样做设计

那换言之

如果我有一个子女

我可以放心大胆让他继续从事电子工程师

因为中国的教育

培养再多的电子工程师也达不到这个程度

我作为一个清华的老师

或者作为一个从业将近10年的老师

我有时候会陷入深深的反思

一个老师的职责

最重要就是在类似于这样MOOC的课程

或者更多的培训课程里

能够培养出的学生远远的超过我们这一代人

我们怎样才能让我们的同学

在座的这些听众

学习嵌入式系统

超过我在这门课所能讲的范畴

超过我今天所从事的工作

成为在下一代人里

咱们中国人能出现像这样的大师呢

我后来想了想

我们其实也有一些成功的例子

比如我们前面一个PPT所讲过的智能车比赛

智能车比赛玩起来非常的酷

很多同学花一年呕心沥血

有同学说我为它

为伊消得人憔悴

本来有女朋友的

女朋友跑了

本来有伙伴的

伙伴们都去踢球

都去打游戏

只有我一个人在这儿熬夜做车

但是最终我做成了

如果我们抛开智能车

去看看它背后所需要的知识和技能

我会发现

它其实非常的难

它从机械计算机识别精密仪器

一直到控制算法

跨了若干个学科

大大小小若干门课程的知识结构

我们有大量大一大二大三的同学

跨着专业组队就能把这样一个车给做出来

这些知识绝对来不及在课程里学习

但他们最终能玩成

为什么

包括我之前讲过

我们智能车比赛的赛题

从2006年开始

从8位 16位一直到32位的系统

我们以往的计算机硬件教学

嵌入式教学

一个C51 一个X86

可能10年都不敢给学生灌输新的知识

为什么现在在一个智能车比赛里头

可以逐年的更新

这里头最大的一个启示是

智能车告诉我们兴趣是最好的老师

即使对于大学生也是这样

这是为什么

我在前面一门课的概述里头会给大家讲

玩起来是我们这门课最最重要的东西

真心的希望大家能在这门课里

愉快的玩耍

能够深入去掌握这样一个知识

而作为这门课的学习

或者说作为

我们清华八年以来开设课程的学习

我们尝试着让同学能够

更加愉快的玩耍

所以我们把传统的嵌入式学习的试验箱

EVB开发板改成了这样一种形式

最早的时候

我们用很Low的名字叫做饭盒系统

因为它用一个小小的饭盒就能装起来

我们把我们最小系统

以后嵌入式讲开发套件的时候会讲

这样最小系统做成一个迷你的板子

有IPGA的

有ARM Cortex的

历史上我们还有08的

还有12的

都是兼容的

做成了这样的迷你系统

而把我们实验板

做成了这样一种左边有四个按键

右边有四个按键

上面有一个可替换的显示屏的形式

有同学会说

这个数码管看上去Low Low的

没关系

我们这个屏是通用接口

还能换成黑白的点阵屏

还能换成彩色的液晶屏

更重要是

我们在这个板上还藏了很多小秘密

但是抛开这个小秘密

很多同学会说

这个板子已经很像一个游戏机

对 我们就是让它像一个游戏机

让大家从这个课程当中

来学习知识把它玩起来

所以我们可以通过IO

通过中断来获得按键的操作

我们可以通过ADC

来获得右上角的旋钮的操作

和藏在这个板子上的温度

和光线传感器的操作

我们可以通过I2C的接口,SPI的接口

分别实现

对藏在板子里的

运动传感器的动作姿态的获取

和对板子上的点阵显示屏的控制

我们可以通过PWM模块的学习

来控制一个调屏蜂鸣器

播放背景音乐

我们还可以通过一些IO

和频率调制的方式

让左上角的多色的LED灯

展现五彩斑斓的颜色和呼吸灯的效果。

同时我们还鼓励大家

用下面各种各样的通讯接口

和Arduino兼容的扩展接口

来扩展包括GPS GSM短信

各种各样的外设模块

乃至WIFI来开发物联网的应用

那么这样一个板子我觉得

我们在做出来了以后

确实很大地激发了

在清华学习的同学的热情

他们的脑洞非常的大

每年我们在课程上

大家来呈现自己的作品

作为最终成绩的答辩的时候

都会让我非常的惊讶

比如这是某一年一个同学的作品

他花了好几个星期写了一个游戏

我看一看的时候我问它这叫什么

他说一开始叫

是男人就躲过多少个

但是最后不知不觉

做成了一个飞机格斗的游戏

然后运行起来的时候

你会看到随着这个画面的运行

它有若干条命

还有若干颗子弹

然后再在某一年有一个同学上来

展现的作品震惊了全场

因为他花了大概两周到三周时间

写了整整一关的

超级玛丽的小游戏

所有的里头的元素

是它用数组的结构和C语言编程实现的

那么我说你为什么只写一关

他说老师我只有这么多时间

我再写更多

我可能别的科目就要挂科了

那么玩起来收不住车

这些同学就会有更多的

比如这也是一个非常酷的作品

是一个计算机系同学

在我这儿选课所做的

是一个非常有意思的小游戏

叫Flappy Bird

那么通过一个

简单的按键控制躲过障碍物

一个非常虐的游戏

曾经很有名

那么他不仅做了按键控制

还结合上面的体感传感器

做了一个体感版本

通过晃板子来控制小鸟

那么除了做这些小游戏

还有很多同学

用这个板子做了别的应用

包括一些GPS的通讯

GSM的这个短信

加GPS的手机定位

还有同学用上面的光线传感器

做了一个溶液浓度的测量仪器

这些脑洞大开的作品

我觉得是我们所希望看见的

那么随着这门课程的开设

大约在一年多以前

我们将我们所有这些

硬件平台加以了整合

定义成了一个新的作品

就叫做Blazar系统

那么这个系统看上去

就是像这样一个

有机玻璃非常的漂亮

比原来感觉那种

浓浓山寨味的自制电路板要好看好多

我们把它的所有的图纸

电路原理图纸

和刚才看到所有游戏例程

以及代码函数库都在网上公开

选择本门课程的同学

可以在我们这个学堂在线的

这个下载区里下载这些资料

也可以在我们Blazar.org这样的域名里头

去下载我们所有的资料

那么通过这样一种

开放的硬件资源和所有的代码

我们希望能够形成

一种开放共享的生态

所有同学能够非常自如

非常低成本的

把这样一种嵌入式系统

像我刚才所说的这样玩起来

在玩的过程当中

把我们本门课程所学习的嵌入式系统

所需应知应会的所有知识

贯通起来使用

那么从一个个单元章节的学习

十八般武艺齐备

刚才那样的作品你也可以写得出来

而最终我们所有的代码

放到网上大家可以共享交流

最终产生更酷的作品

那么在这个系统里

刚才我提到所有的外设

都具备了从传感器

到环境 到温度

到ADC 到外扩

到彩色的液晶屏

那么在这个学期的课程当中

就等着大家自己跟着我一点点学习

真真正正把它给玩起来

那么这样一个系统放在这里

我想说的是两句话

第一句话是祝大家玩的愉快

第二句话呢是这样一个系统

我们所起的名字

包括这个logo就是叫Blazar

回到我这个PPT最前面的故事

它是这个宇宙中最最明亮的天体

而作为一个老师

开设这样一门MOOC课程

我一直想说的话

是最最明亮的天体不在这个宇宙中

而在我的课堂里

在我的MOOC前面

每一个同学

来选择一个新的知识的时候

在我的眼之它就像一个

这样没有开启的盒子

当你把它开启的时候

当每个人的能力

每个人的技能绽放出智慧之光的时候

是最最明亮的时候

也许它能点燃自己的生活

也许它能点亮整个人类

在座的同学是拥有无限的可能

这是我们开设这门MOOC课

最希望给大家传递的信息

希望你们像Blazar一样闪耀

愉快的学习这门课程

这就是我们这门课程所有的概述

希望大家能够顺利地进行后面的学习