[C 语言教程] [嵌入式程序设计] (I) 简介和先决条件 (II) 嵌入式程序设计基础 (III) 硬件基础 (IV) 硬件寄存器操作

C语言教程

嵌入式编程

1. 介绍与前提条件

1.1 课程目标

本课程旨在帮助学员深入理解C语言在嵌入式系统开发中的高级用法。通过这一课程，学员将掌握高级C语言技巧，能够在嵌入式环境下开发高效、稳定的系统。课程不仅紧扣理论，还强调实践，帮助学员应对实际开发中的常见挑战。

• 目的：

  • 提升对C语言的深入理解，特别是在嵌入式开发中的应用。
  • 学习如何有效使用C语言进行硬件编程，涉及硬件交互和设备驱动。
  • 实现从概念到实践的转变，通过项目动手实验巩固所学知识。

• 预期成果：

  • 获得高级C编程技巧，特别是在内存管理和并发控制方面。
  • 能够独立设计和开发嵌入式系统项目。
  • 具备调试复杂系统和优化代码性能的能力。

1.2 前提条件

为了顺利参与本课程，学员应具备以下基础知识与技能：

• 必备知识：

  • 熟悉C语言基础语法，理解变量、数据类型、控制结构、指针、数组及结构体等内容。
  • 基本的编程能力，能够独立编写简单的C程序。
  • 理解计算机基本工作原理，了解多态、动态分配等概念。

• 推荐技能：

  • 具备一定的数学和物理知识，这将有助于理解嵌入式硬件交互。
  • 了解电子电路基础，能够读懂基本的电路图。
  • 具备基本的计算机科学知识，如操作系统和编译原理。

1.3 工具与资源

为了确保学习的顺利进行，我们建议使用以下集成开发环境（IDE）和硬件设备：

• 软件工具：

  • IDE推荐：Keil、IAR Embedded Workbench、Arduino IDE等。选择一款熟悉的IDE将有助于提高编程效率。
  • 调试工具：GNU Debugger (GDB) 或者其他适用于选择的开发板的调试工具。

• 硬件设备：

  • 开发板：如STMicroelectronics的STM32系列、Microchip的PIC单片机或Arduino系列等。
  • 辅助设备：基础的电子工具箱，包括面包板、跳线、示波器和万用表，以便进行硬件测试与验证。

通过以上内容的详细了解和准备，学员将能够顺利进入课程的深入学习阶段。

2. 嵌入式编程基础

2.1 嵌入式系统概述

嵌入式系统是一种专门为特定功能或特定应用而设计的计算机系统，通常是计算机硬件和软件结合在一个单一的设备上。它不同于通用计算机，因为它是针对特定任务的优化，通常功能单一且效率高。

• 应用场景：
  • 家用电器：如微波炉、洗衣机、冰箱，这些设备中嵌入式系统用于控制设备的基本功能。
  • 工业控制：在工厂自动化设备中，嵌入式系统用于过程控制、数据采集和实时监控。
  • 消费电子：智能手机、智能手表等设备中，嵌入式系统管理显示、通信和应用程序。
  • 汽车电子：车内计算机用于引擎控制、导航、娱乐系统等。

2.2 常见单片机

单片机是嵌入式系统的核心组件之一，它是一种集成了CPU、内存（RAM、ROM）、输入输出接口等于一体的芯片。在项目开发过程中，选择合适的单片机是非常重要的。

• AVR单片机：

  • 由Atmel公司开发，如ATmega系列。
  • 特点：支持C语言开发，体积小，功耗低，常用于简单的消费电子项目。

• PIC单片机：

  • 由Microchip公司生产，种类丰富。
  • 特点：有多种系列支持不同的复杂性，应用于家电控制、传感器接口等。

• ARM Cortex-M系列：

  • 业界广泛使用，由ARM公司授权不同厂商生产。
  • 特点：处理能力强，功耗低，适合复杂的嵌入式应用，如物联网设备及医疗设备。

2.3 嵌入式开发环境

选择一个合适的嵌入式开发环境（IDE）对于顺利进行开发至关重要，它提供了代码编辑、调试、编译等多种功能。以下是几个常用的开发环境：

• Keil MDK-ARM：

  • 特点：支持多种ARM处理器，集成度高，适合ARM Cortex-M系列开发。
  • 安装与配置：安装后需要正确配置项目选项以匹配目标处理器。

• IAR Embedded Workbench：

  • 特点：兼容多种架构，优化的编译器，适合商业化项目。
  • 安装与配置：提供模板项目，用户可以快速开始开发。

• Arduino IDE：

  • 特点：开源项目，支持Arduino及其他简单的MCU开发，易于学习。
  • 安装与配置：界面友好，支持插件安装，可以通过简单配置连接Arduino开发板。

使用这些开发环境时，通常需要：

• 获取并安装目标平台的支持包；
• 配置编译器、调试器参数；
• 下载并安装驱动程序以正确连接硬件设备。

这些步骤确保开发环境正确识别、编译、下载程序到单片机中，并进行调试验证。通过合理选择工具和配置，开发者能够有效地进行嵌入式项目的开发和维护。

3. 硬件基础知识

3.1 硬件基础概述

在进行嵌入式系统开发时，了解基本的电路原理是必不可少的。以下是一些关键的电路基础知识：

• 电压（Voltage）：电压是电荷通过电路移动的潜在能量差异，通常用伏特（Volt, V）表示。在一条电路上，电压决定了电流的方向和大小。
• 电流（Current）：电流是电荷在电路中流动的速率，通常用安培（Ampere, A）表示。根据欧姆定律，电流与电压和电阻成反比关系：I = V/R。
• 电阻（Resistance）：电阻对电流流动的阻碍程度，通常用欧姆（Ohm, Ω）表示。电阻越大，电流越小。

3.2 常用电子元件

了解常用电子元件及其功能对于硬件开发至关重要：

• 电阻（Resistor）：限制电流流通的元件，常用于电路分压和限流。
• 电容（Capacitor）：储存电荷的器件，可用于滤波、去耦和能量存储。
• 二极管（Diode）：允许电流单方向流动的元件，常用于整流和保护电路中。
• 晶体管（Transistor）：用于放大和开关信号的基本半导体器件，尤其在信号处理和功率控制中常见。

3.3 原理图与PCB设计简介

阅读原理图：原理图或电路图是电路设计的基础表达，显示电气元件及其连接方式。关键步骤：

• 熟悉常用符号：了解各电子元件符号如电阻、电容、二极管等。
• 解读信号流：通过识别电气连接线，判断信号流的路径。
• 识别电源和接地：找出电源连接及地线，以便了解电路的整体功能。

PCB设计工具简介：PCB（印制电路板）设计是实现电气原理的物理布局，以下介绍一种常用工具：

• KiCad：一款开源且免费的PCB设计软件，适合从基础到复杂的电路板设计。主要功能包括：
  • 原理图捕获（创建和编辑电路原理图）
  • PCB布局设计（将原理图转化为实际的电路板设计）
  • 强大的3D渲染功能（帮助设计者直观地查看板子的3D视图）

上述内容给出了关于硬件基础知识的概述，包括电路基本理论、常见电子元件与其功能、原理图的阅读方法以及介绍了一种简单易用的PCB设计工具KiCad，提供了从理论到实践的基本指导。

4. 硬件寄存器操作

硬件寄存器是嵌入式系统中与微处理器相关的一个重要概念。它们位于芯片内部，由多个位构成，用于控制芯片的不同功能模块。

4.1 寄存器基础

寄存器是用于处理器与外围设备之间数据交换的重要通道。通过访问寄存器，程序可以配置和控制硬件。

• 作用：寄存器是系统中最基本的存储元件，用于存储控制信息、状态信息及数据。
• 访问方法：
  • 直接访问：通过指针访问寄存器地址。
  • 通过寄存器定义：使用头文件中定义的寄存器符号进行访问。

#define REG_ADDRESS 0x40021018 // 假设寄存器地址

void example_register_access() {
    volatile unsigned int *reg_pointer = (unsigned int *)REG_ADDRESS; // 设置指针
    *reg_pointer = 0x01; // 设置寄存器
}

4.2 GPIO（通用输入输出）操作

GPIO用于通过微控制器与外部环境进行简单的交互，例如开关和LED灯。

• 配置GPIO寄存器：

  • 设置GPIO模式（输入/输出/复用/模拟）。
  • 配置输出类型（推挽/开漏）。
  • 设置上下拉模式（无/上拉/下拉）。

• 实例：LED控制与电平检测

#define GPIO_PORT 0x40010800 // 假设的GPIO端口地址
#define GPIO_MODER_OFFSET 0x00
#define GPIO_ODR_OFFSET 0x14

void gpio_led_control() {
    volatile unsigned int *moder = (unsigned int *)(GPIO_PORT + GPIO_MODER_OFFSET);
    volatile unsigned int *odr = (unsigned int *)(GPIO_PORT + GPIO_ODR_OFFSET);

    *moder &= ~(0x3 << (2 * 5)); // 清除旧设置
    *moder |= (0x1 << (2 * 5)); // 设置为输出模式

    *odr |= (1 << 5); // 设置第5位为1，点亮LED
}

4.3 定时器与计数器

定时器用于测量时间间隔，生成定时中断或PWM信号。

• 配置定时器寄存器：

  • 设置自动重装值。
  • 选取时钟源及分频器。
  • 配置中断及事件生成。

• 实例：定时器中断与PWM生成

#define TIMER_BASE 0x40012C00
#define TIMER_CR1_OFFSET 0x00
#define TIMER_ARR_OFFSET 0x2C

void timer_init() {
    volatile unsigned int *timer_cr1 = (unsigned int *)(TIMER_BASE + TIMER_CR1_OFFSET);
    volatile unsigned int *timer_arr = (unsigned int *)(TIMER_BASE + TIMER_ARR_OFFSET);

    *timer_arr = 1000; // 设置自动重装值
    *timer_cr1 |= 0x01; // 启动定时器
}

4.4 通信接口

常见的通信接口包括UART、SPI、I2C等，通过寄存器控制这些接口实现数据交换。

• UART寄存器配置：

  • 设置波特率。
  • 配置数据格式（数据位、停止位、校验位）。
  • 启用发送/接收。

• SPI/I2C寄存器配置：

  • 设置时钟速度。
  • 配置主从模式。
  • 启用相关功能。

• 实例：传感器数据读取与显示

#define UART_BASE 0x40011000
#define UART_DR_OFFSET 0x04

void uart_send_data(uint8_t data) {
    volatile unsigned int *uart_dr = (unsigned int *)(UART_BASE + UART_DR_OFFSET);
    *uart_dr = data; // 发送数据
}

void read_sensor_data() {
    uint8_t sensor_data = 0x55; // 假设读取到的数据
    uart_send_data(sensor_data); // 通过UART发送数据
}