树莓派之路：Arduino和Raspberry-Pi

今天，可以非常便宜地购买许多 OEM（原始设备制造商）电子产品，并且可以由业余爱好者完成先进电路的开发。在当今市场上，有几种高质量的单板（开源）微控制器和计算机可以帮助设计这些电路。两种比较流行的单板电子产品是 Arduino 和 Raspberry-Pi。Arduino 是一种单板微控制器，可帮助构建多学科电子项目。Raspberry-Pi 是一种单板信用卡大小的计算机，旨在培养学生的计算机科学技能。凭借电子和编程方面的一些背景知识，这些电路板可用于为有用的家庭项目供电。例如，树莓派可以用作媒体中心，咖啡机控制器或云服务器。Arduino 可用于构建节日灯控制器、安全系统、迷你游戏控制器以及其他有用且有趣的项目。

这些迷你电路板有很多好处。它们有助于使用电子设备简化任务，并且小巧紧凑，因此可以隐藏在视线之外并易于运输。他们还帮助业主教授电路和编程的工作原理。但是电路板是怎么走到这一步的呢？硬件容量的进步和开源电子产品的趋势都为小型、强大且用户友好的计算机和微控制器（如 Raspberry Pi）开辟了道路。

电子技术的进步

大约从 20 世纪中叶开始，工程师使用真空管来构建可编程逻辑电路。这些计算机会占用整个房间，而只执行一些简单的计算。然后双极晶体管的发明永远改变了电路。

发现通过基极、集电极、发射极的设置，可以改变电流来控制电路的功能。简而言之，这些晶体管充当电流的开关。晶体管能够简化并减小电路的尺寸。这使得生产用于电子产品的电路变得更加便宜和简单。

在上图中，八个功能强大的 IC 被放置在信用卡大小的电路板上。被挑出的 IC 是板上最大的。通常，由于这些更大的芯片需要进行计算，因此它们需要更多的晶体管——这反过来又需要更多的硅空间。这些板上有很多 IC 略微可见。晶体管的发明，加上自对准门的实现，使信用卡大小的电路板在现代成为可能。

在晶体管革命之后出现了集成电路。集成电路（IC）只有在晶体管发明之后才有可能。多个晶体管可以放置在称为自对准栅极的配置中。这种自对准栅极是一种现象，其中 MOSFET 晶体管使用栅极来屏蔽芯片增益区和源区的掺杂。这些栅极降低了抑制 MOSFET 正常运行的电容。

自对准门通过使晶体管变得更小更快，从而提高了计算机能力。多个自对准门组成单个集成芯片，以执行用户所需的功能。自对准栅极和 MOSFET 晶体管的发明将计算时代推向了一个新的水平。

自从 IC 和晶体管的发展以来，出现了一种被归类为摩尔定律的趋势，以英特尔联合创始人戈登摩尔的名字命名。每 18 个月，集成电路上的晶体管数量就会翻一番（Mooreslaw.org）。直到过去几年，摩尔定律一直成立，晶体管和功率的增加使电子部件的成本保持停滞，同时提高计算能力。这一趋势也使得提高小型 IC 的计算能力成为可能。

电子电路的生产成本已经降低。制造商的计算能力成倍增加，这使得智能手机的计算能力是十年前生产的笔记本电脑的四倍。在镇上的许多商店都可以找到迷你电子产品。

然而，当今销售的许多电子产品的问题在于，它们是针对特定目的进行预编程或设计的。电路由开发者申请专利，不利于开放开发的场景，或使用Arduino或Raspberry Pi等工具。

开源运动

自由、公开地传播思想并不是一个新概念。几个世纪以来，食谱一直免费分发。多年来，亨利福特一直在其他制造商之间交换汽车创意。然而，当计算机和电子产品变得更加流行时，硬件和软件并未向公众开放。

从 1980 年代开始，许多人开始对硬件和软件的分发方式感到失望。这是促使软件开发人员采取行动的催化剂。许多软件开发人员，包括 Richard Stallman，都看到人们需要相互合作才能继续推进计算机的发展。Stallman 通过建立 GNU/Linux 项目将后来被称为“开源”的运动推向了未来。

GNU 项目是免费的，因为您可以出于任何目的运行程序，修改程序以满足您的需要，重新分发副本，无需付费或收费，并且您可以自由分发程序的修改版本（斯托曼）。从这个机构开始，该运动导致了有关“自由”软件的重要发展。

GNU 项目帮助产生了 Linux 软件包。Linux 现在是自由软件模式下自由分发的类 Unix 操作系统。在 1990 年代后期，Netscape 的源代码根据自由软件运动发布。由于发布了 Netscape 的源代码这一区别，该运动变成了“开源”运动。

随着电子产品和编程变得越来越普遍，情况开始发生变化。开源运动开始生产免版税的硬件和软件，使在家开发项目变得容易。现在可以在学习如何编程的同时学习电子产品的工作原理。随着电子产品重要性的增加，推动了更快、更便宜和更大容量的硬件以及开放的硬件/软件运动——使日常用户可以开发电子项目。

某些源代码现在公开自由地分发。Firefox 和 Thunderbird 是 Netscape 的衍生产品，时至今日仍然是开源软件。这允许任何人在没有法律影响的情况下分析和修改代码。代码也可以自由和公开地分发，这使得它很容易在教育机会中使用。

Raspberry-Pi 和 Arduino 等编程电路也使用开源代码和操作系统——对于 Raspberry-Pi，建议使用专门为 Pi 开发的开源操作系统 Rasperian。该开源项目允许用户自由共享可用于对这些设备进行编程的软件。这有助于对有兴趣学习更多关于电路和计算机编程的个人进行教育，这是 Raspberry-Pi 和 Arduino 的基本基础。

结论：

从真空管开始，到晶体管的发明，计算机系统取得了长足的进步。随着 IC 的发明及其晶体管的实现，我们已经能够遵循摩尔定律构建更快的电路。这为开发更小的电路铺平了道路。许多当今最有用的计算机和电路都是信用卡大小。能够以更便宜的方式生产更小的电子产品使许多人可以使用硬件。随着负担得起的硬件的涌入，需要对硬件进行编程。只要电路还在使用，软件就一直在开发中。但是，就可用性而言，曾经有一段时间该软件及其用途走上了错误的道路。软件通常不是每个人都可以使用，如果是，它具有相关的法律影响。Richard Stallman 通过让所有人都可以使用 GNU/Linux 来推动开源运动。这是开源运动的开始，从那时起，许多可用软件的来源都被自由使用和分发。所有这些结合在一起，促进了 Raspberry-Pi 和 Arduino 等电路板的可用性。

参考书目

Altzone。空白 PCB 上的开源硬件 (OSHW) 徽标。数字图像。维基百科。维基媒体基金会，2012 年 3 月 1 日。网络。2013 年 6 月 21 日。

Brighterorange。开源。数字图像。维基百科。维基媒体基金会，2007 年 3 月 13 日。网络。2013 年 6 月 21 日。

“摩尔定律。” 摩尔定律。Np，和网络。2013 年 6 月 21 日。

斯托曼，理查德。“GNU 操作系统。” 关于 GNU 项目 - GNU 项目。自由软件基金会，2013 年 4 月 19 日。Web。2013 年 6 月 21 日。

编辑：hfy