Arduino是一款时尚流行的开源软件&硬件平台，其开发入门简单，是众多DIY玩家及创客的首选。目前，Arduino也开始进入了中小学的创客课程。然而在与很多玩家、学生或是创客老师交流的过程中，总能听到这样的疑问：Arduino到底是不是单片机？Arduino和单片机有什么区别？玩Arduino是不是必须与单片机结合？Arduino是不是只能给小朋友或者DIY玩家玩玩，做不了产品？为了诉清这些疑问，特此发表一下我的见解。

首先给出一个明确的回答：玩Arduino就是在玩单片机，和玩“51”或“STM32”一样，都是玩单片机。既然都是单片机，那么它们的开发过程其实都是一样的，都要经过：编程—编译—烧录的过程。而它们最大的差异就在编程这个环节，而后面的编译和烧录都是一样的，也就是说，无论你用什么编程：C语言、汇编、图形，都要经过编译，得到由0和1组成的机器码，最后再把机器码烧录到单片机内部，单片机才能执行我们设计的程序。下面我们开始深入并且通俗地来说说Arduino。

Arduino系列的开发板，我们常用的NANO及UNO板，板载的单片机就是ATMEL(爱特梅尔)的mega328p单片机，而MEGA板则板载mega2560单片机，我们通常叫它AVR单片机。下面围绕NANO板来论述。

Arduino NANO板

ATMEL MEGA328P单片机

从上图我们可以看到，NANO板上的引脚(端口)旁边都标注一些编号：D2,D3…D13；A0，A1…A7；TX1、RX0；而这些固定编号的引脚都通过电路板上的“走线”一一对应地连接到mega328p单片机的引脚，这个“对应关系”我们也可以从Arduino官方提供的电路原理图上看到，如下图：

NANO板—mega328p引脚映射图

图中“红色框”部分为NANO板上标注出的引脚编号，它的顺序由“Arduino”定义；“蓝色框”部分为mega328p芯片的引脚编号，这个由芯片生产厂商定义；“绿色框”为mega328p单片机的引脚分组骗号，也由芯片生产厂商定义。下面给出mega328p的引脚图：

MEGA328P单片机引脚图

综合以上两图，我们可以看到完整的引脚映射。例如，NANO板的D2引脚连接的是mega328p芯片的第32号引脚，该引脚属于mega328p单片机引脚分组的D组第2号引脚(PD2)。这里的引脚分组，对应的则是芯片内部引脚控制寄存器，D组的8个引脚(PD0-PD7)由一个寄存器进行控制，也就是说，如果我们要控制PD0-PD7中任意一个引脚，都要对D组的寄存器进行赋值控制。下面我们来看看用NANO板的D2引脚来控制一个LED闪烁(假设高电平点亮，也就是将D2引脚的电平设置为高，且延时函数delay()已定义)，不同的代码实现。

首先是Arduino IDE(Arduino官方开发环境)的C代码：

int led_0= 2;

pinMode(led_0,OUTPUT);

digitalWrite(led_0,HIGH);

delay(1000);

digitalWrite(led_0,LOW);

delay(1000);

或者： int led_0= 2;

pinMode(led_0,OUTPUT);

digitalWrite(led_0, 1);

delay(1000);

digitalWrite(led_0, 0);

delay(1000);

接下来是AVR寄存器操作C代码：

DDRD |= 0x04;

PORTD |= 0X04;

delay(1000);

PORTD &= ~0X04;

delay(1000);

或者： DDRD |= BIT(2);

PORTD |= BIT(2);

delay(1000);

PORTD &= ~BIT(2);

delay(1000);

最后来看看图形代码(Krobot-啃萝卜)：

以上几种代码都实现了NANO板D2引脚控制的LED闪烁的效果。但其中最为直观的就是图形代码，其次就是Arduino IDE中的C代码。在图形编程中我们只要确定LED连接到了板上的几号引脚，然后拖动相应的图标并设置一下参数就可以完成程序编写；而在Arduino IDE中，是要稍有英语基础，也可以直观的对板上的引脚编号进行“数字写”操作(digitalWrite)就可以完成程序的编写。而直接操作AVR寄存器，则需要结合芯片引脚图，确定需要操作的引脚编号，然后从芯片手册中查找到相应的寄存器，对相应的寄存器进行操作才能实现同样的效果，而这也就是单片机编程最为复杂繁琐的地方，成百上千的寄存器，以及寄存器中各数据位的定义无形成为了入门单片机的一个门槛，让很多初学者“望而却步”。

那么，这几种代码之间存在着怎样的联系呢？实际上，AVR指令集编写的代码是图形和Arduino IDE代码的核心。我们首先来说说ArduinoIDE。Arduino的创始团队首先建立硬件平台，这个平台包括所有Arduino所有系列的开发板，并且这些开发板的引脚定义建立了一个“统一”的机制；然后根据芯片型号及引脚定义机制，基于AVR指令集编写了所有操作的底层代码，这些代码中提供了我们可以访问或调用的函数接口，让开发者避开了繁琐的寄存器操作，从而单片机的编程开发变得简单了很多。例如UART串口(serial)的操作，我们在ArduinoIDE中开发，只需知道我们要使用的串口编号是多少(NANO、UNO默认只有串口0，而mega则有4个串口：serial0-serial3)，然后简单的在初始化setup()中调用函数Serial.begin(波特率)即可完成串口启动及波特率的设置，而其背后实质上已经对相关的寄存器进行了操作。因此，Arduino实质上是包括了一系列硬件系统的定义及打包好的底层驱动程序，这些打包好的底层驱动程序，我们可以称它们为“库”或者“库函数”，Arduino也可以看作是AVR单片机的“库开发”，而对硬件系统的定义及库函数也保证了同一个代码可以快速地“移植”到不同的单片机中，例如上面的代码在可以在NANO中运行也可以在mega中运行，只要保证LED接到板上标注的2号引脚，在烧录程序之前正确设置“开发板型号”就可以在不同的板上实现同样的效果。以上所提到的“库”称为Arduino官方库即底层驱动，我们可以在ArduinoIDE根目录的文件夹中找到一个名为“hardware”(即硬件)的文件夹，里面存放的就是底层驱动代码。同时，在这个根目录下，还有一个文件夹：“libraries”，即“库”，这个库则是基于底层库二次开发的或是基于AVR指令集开发的非官方库函数，也称为第三方库，主要是一些外部传感器、模块的驱动程序，这部分库函数我们可以从网络上下载别人写好的，也可以自己写，写好的库函数按照一定的规则存放在这个文件夹中就可以使用了。下面以mpu6050陀螺仪的驱动为例，再次说明。

首先，官方驱动库中提供了I2C总线的驱动库(即Wire库)，然后我们可以在网上找到一个基于Wire库开发的I2C读写操作的库和一个基于I2C读写操作库开发的mpu6050驱动库。在使用mpu6050时，我们的重点是得到三轴加速度值及三轴角速度值，而要得到这6个数据，我们要通过I2C总线访问陀螺仪内部的12个寄存器，并且在上电初始化时，还必须通过I2C总线去设置陀螺仪内部的一些寄存器，才能从陀螺仪获得正确的数据，而这一系列操作是比较繁琐的，对于初学者即便是使用了官方的驱动库，也会被I2C的时序搞得晕头转向。而有了mpu6050对应的库函数以后，我们甚至可以不知道I2C是个啥，也不知道陀螺仪里有些什么“稀奇古怪”的寄存器，就稀里糊涂地得到了陀螺仪的数据。这就是库的“魅力”所在。

而图形编程，也是建立在“库”的基础之上的，有些图形化编程界面是ArduinoIDE的插件，有些图形编程软件的文件里，都附带一个ArduinoIDE。对于这一块，我了解得也不是足够深入，因此不作过多的讨论了。

总而言之，玩Arduino就是玩单片机，玩的就是基于库函数的AVR单片机开发，而目前Arduino官方也推出了搭载ARM内核单片机的开发板及相关的库函数，例如DUE板(引脚与MEGA2560板一致)、STAR OTTO板(国内暂未上市，搭载STM32F469单片机)，这些都是32位的单片机，运算处理速度比我们常用的那些板(NANO、UNO、mega2560)要高出很多，借助“库”的帮助，我们依然可以轻松入门。

Arduino mega2560板

Arduino DUE板

Arduino STAR OTTO板

库函数给入门开发带来了极大的方便，那么，我们是不是可以完完全全地依赖“库”呢？我的看法是：如果只是搞一搞简单的小制作，做一些简单的流程化控制，搞搞科普展示或者青少年的简单体验课程，那么依靠图形或是完完全全地依赖库，是没有任何问题的。但如果要做一些较为复杂的产品设计，那还是应该深入地学习一下，即便不直接操作寄存器，也应该了解一个库是如何编写的，库里有哪些函数、变量是可以调用的，哪些函数、变量是库“私有”的(不可调用)，它的执行效率如何，再者，还应该深入了解一下：系统时钟、I2C总线时序、SPI总线时序、UATR串口(Serial)、外部中断、定时中断及计数、ADC功能(模拟-数字转换)，DAC(数字-模拟转换)及PWM(脉冲宽度调制)。掌握了这些知识就可以对自己的开发有一个更好的把握，就可以决策哪些地方可以用什么库，哪些地方需要自己写驱动，哪些库可以进行怎样的修改，或者自己该如何写库，以满足设计要求。系统实时性是单片机开发的一个重要指标，比如无人机的飞控系统、自平衡小车控制系统，都有很高的实时性及时序要求，这是算法实现的基本保障，而如果忽略了这个问题，不管用什么单片机、用什么编程，最终得出只能是被视为“玩玩”的东西。就性能而言，Arduino使用的AVR系列单片机，在8位机中算是比较强大的了，处理速度和内部存储空间都是比较“宽裕”的。其实很多电子产品中都有AVR的“身影”，例如很多航模无人机使用的无刷电机控制器，锂电池保姆充电器，还有大名鼎鼎、风靡全球的开源无人机飞控系统—APM都是AVR“干的”，而且APM还是基于Arduino开发的。当然了，AVR跟STM32或NXP系列相比，那肯定是相差甚远的，要知道那是32位的，而且系统时钟频率一般都72M或更高，运算处理速度是相当快的，而且还有更丰富的片上资源。但是，并不是所有系统都需要这样高性能的芯片，为项目选择合适的芯片才是最好的。

最后总结，玩Arduino，就是玩单片机。至于“玩”到什么程度，完全取决于自己的需求。如果玩得深入，Arduino可以帮助我们深入地理解“库”的概念，从而顺利过渡到STM32的库开发学习。

以上就是我个人的理解，有不对的地方敬请批评指正，共同学习，共同进步。