樹莓派之路：Arduino和Raspberry-Pi

今天，可以非常便宜地購買許多 OEM（原始設(shè)備制造商）電子產(chǎn)品，并且可以由業(yè)余愛好者完成先進(jìn)電路的開發(fā)。在當(dāng)今市場上，有幾種高質(zhì)量的單板（開源）微控制器和計(jì)算機(jī)可以幫助設(shè)計(jì)這些電路。兩種比較流行的單板電子產(chǎn)品是 Arduino 和 Raspberry-Pi。Arduino 是一種單板微控制器，可幫助構(gòu)建多學(xué)科電子項(xiàng)目。Raspberry-Pi 是一種單板信用卡大小的計(jì)算機(jī)，旨在培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)科學(xué)技能。憑借電子和編程方面的一些背景知識，這些電路板可用于為有用的家庭項(xiàng)目供電。例如，樹莓派可以用作媒體中心，咖啡機(jī)控制器或云服務(wù)器。Arduino 可用于構(gòu)建節(jié)日燈控制器、安全系統(tǒng)、迷你游戲控制器以及其他有用且有趣的項(xiàng)目。

這些迷你電路板有很多好處。它們有助于使用電子設(shè)備簡化任務(wù)，并且小巧緊湊，因此可以隱藏在視線之外并易于運(yùn)輸。他們還幫助業(yè)主教授電路和編程的工作原理。但是電路板是怎么走到這一步的呢？硬件容量的進(jìn)步和開源電子產(chǎn)品的趨勢都為小型、強(qiáng)大且用戶友好的計(jì)算機(jī)和微控制器（如 Raspberry Pi）開辟了道路。

電子技術(shù)的進(jìn)步

大約從 20 世紀(jì)中葉開始，工程師使用真空管來構(gòu)建可編程邏輯電路。這些計(jì)算機(jī)會占用整個房間，而只執(zhí)行一些簡單的計(jì)算。然后雙極晶體管的發(fā)明永遠(yuǎn)改變了電路。

發(fā)現(xiàn)通過基極、集電極、發(fā)射極的設(shè)置，可以改變電流來控制電路的功能。簡而言之，這些晶體管充當(dāng)電流的開關(guān)。晶體管能夠簡化并減小電路的尺寸。這使得生產(chǎn)用于電子產(chǎn)品的電路變得更加便宜和簡單。

在上圖中，八個功能強(qiáng)大的 IC 被放置在信用卡大小的電路板上。被挑出的 IC 是板上最大的。通常，由于這些更大的芯片需要進(jìn)行計(jì)算，因此它們需要更多的晶體管——這反過來又需要更多的硅空間。這些板上有很多 IC 略微可見。晶體管的發(fā)明，加上自對準(zhǔn)門的實(shí)現(xiàn)，使信用卡大小的電路板在現(xiàn)代成為可能。

在晶體管革命之后出現(xiàn)了集成電路。集成電路（IC）只有在晶體管發(fā)明之后才有可能。多個晶體管可以放置在稱為自對準(zhǔn)柵極的配置中。這種自對準(zhǔn)柵極是一種現(xiàn)象，其中 MOSFET 晶體管使用柵極來屏蔽芯片增益區(qū)和源區(qū)的摻雜。這些柵極降低了抑制 MOSFET 正常運(yùn)行的電容。

自對準(zhǔn)門通過使晶體管變得更小更快，從而提高了計(jì)算機(jī)能力。多個自對準(zhǔn)門組成單個集成芯片，以執(zhí)行用戶所需的功能。自對準(zhǔn)柵極和 MOSFET 晶體管的發(fā)明將計(jì)算時(shí)代推向了一個新的水平。

自從 IC 和晶體管的發(fā)展以來，出現(xiàn)了一種被歸類為摩爾定律的趨勢，以英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登摩爾的名字命名。每 18 個月，集成電路上的晶體管數(shù)量就會翻一番（Mooreslaw.org）。直到過去幾年，摩爾定律一直成立，晶體管和功率的增加使電子部件的成本保持停滯，同時(shí)提高計(jì)算能力。這一趨勢也使得提高小型 IC 的計(jì)算能力成為可能。

電子電路的生產(chǎn)成本已經(jīng)降低。制造商的計(jì)算能力成倍增加，這使得智能手機(jī)的計(jì)算能力是十年前生產(chǎn)的筆記本電腦的四倍。在鎮(zhèn)上的許多商店都可以找到迷你電子產(chǎn)品。

然而，當(dāng)今銷售的許多電子產(chǎn)品的問題在于，它們是針對特定目的進(jìn)行預(yù)編程或設(shè)計(jì)的。電路由開發(fā)者申請專利，不利于開放開發(fā)的場景，或使用Arduino或Raspberry Pi等工具。

開源運(yùn)動

自由、公開地傳播思想并不是一個新概念。幾個世紀(jì)以來，食譜一直免費(fèi)分發(fā)。多年來，亨利福特一直在其他制造商之間交換汽車創(chuàng)意。然而，當(dāng)計(jì)算機(jī)和電子產(chǎn)品變得更加流行時(shí)，硬件和軟件并未向公眾開放。

從 1980 年代開始，許多人開始對硬件和軟件的分發(fā)方式感到失望。這是促使軟件開發(fā)人員采取行動的催化劑。許多軟件開發(fā)人員，包括 Richard Stallman，都看到人們需要相互合作才能繼續(xù)推進(jìn)計(jì)算機(jī)的發(fā)展。Stallman 通過建立 GNU/Linux 項(xiàng)目將后來被稱為“開源”的運(yùn)動推向了未來。

GNU 項(xiàng)目是免費(fèi)的，因?yàn)槟梢猿鲇谌魏文康倪\(yùn)行程序，修改程序以滿足您的需要，重新分發(fā)副本，無需付費(fèi)或收費(fèi)，并且您可以自由分發(fā)程序的修改版本（斯托曼）。從這個機(jī)構(gòu)開始，該運(yùn)動導(dǎo)致了有關(guān)“自由”軟件的重要發(fā)展。

GNU 項(xiàng)目幫助產(chǎn)生了 Linux 軟件包。Linux 現(xiàn)在是自由軟件模式下自由分發(fā)的類 Unix 操作系統(tǒng)。在 1990 年代后期，Netscape 的源代碼根據(jù)自由軟件運(yùn)動發(fā)布。由于發(fā)布了 Netscape 的源代碼這一區(qū)別，該運(yùn)動變成了“開源”運(yùn)動。

隨著電子產(chǎn)品和編程變得越來越普遍，情況開始發(fā)生變化。開源運(yùn)動開始生產(chǎn)免版稅的硬件和軟件，使在家開發(fā)項(xiàng)目變得容易。現(xiàn)在可以在學(xué)習(xí)如何編程的同時(shí)學(xué)習(xí)電子產(chǎn)品的工作原理。隨著電子產(chǎn)品重要性的增加，推動了更快、更便宜和更大容量的硬件以及開放的硬件/軟件運(yùn)動——使日常用戶可以開發(fā)電子項(xiàng)目。

某些源代碼現(xiàn)在公開自由地分發(fā)。Firefox 和 Thunderbird 是 Netscape 的衍生產(chǎn)品，時(shí)至今日仍然是開源軟件。這允許任何人在沒有法律影響的情況下分析和修改代碼。代碼也可以自由和公開地分發(fā)，這使得它很容易在教育機(jī)會中使用。

Raspberry-Pi 和 Arduino 等編程電路也使用開源代碼和操作系統(tǒng)——對于 Raspberry-Pi，建議使用專門為 Pi 開發(fā)的開源操作系統(tǒng) Rasperian。該開源項(xiàng)目允許用戶自由共享可用于對這些設(shè)備進(jìn)行編程的軟件。這有助于對有興趣學(xué)習(xí)更多關(guān)于電路和計(jì)算機(jī)編程的個人進(jìn)行教育，這是 Raspberry-Pi 和 Arduino 的基本基礎(chǔ)。

結(jié)論：

從真空管開始，到晶體管的發(fā)明，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)取得了長足的進(jìn)步。隨著 IC 的發(fā)明及其晶體管的實(shí)現(xiàn)，我們已經(jīng)能夠遵循摩爾定律構(gòu)建更快的電路。這為開發(fā)更小的電路鋪平了道路。許多當(dāng)今最有用的計(jì)算機(jī)和電路都是信用卡大小。能夠以更便宜的方式生產(chǎn)更小的電子產(chǎn)品使許多人可以使用硬件。隨著負(fù)擔(dān)得起的硬件的涌入，需要對硬件進(jìn)行編程。只要電路還在使用，軟件就一直在開發(fā)中。但是，就可用性而言，曾經(jīng)有一段時(shí)間該軟件及其用途走上了錯誤的道路。軟件通常不是每個人都可以使用，如果是，它具有相關(guān)的法律影響。Richard Stallman 通過讓所有人都可以使用 GNU/Linux 來推動開源運(yùn)動。這是開源運(yùn)動的開始，從那時(shí)起，許多可用軟件的來源都被自由使用和分發(fā)。所有這些結(jié)合在一起，促進(jìn)了 Raspberry-Pi 和 Arduino 等電路板的可用性。

參考書目

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