单片机C语言程序设计：深入浅出，掌握核心技术

# 1. 单片机C语言简介**

单片机C语言是一种基于C语言的高级编程语言，专门用于单片机开发。它融合了C语言的强大功能和单片机硬件的特性，使开发人员能够高效地编写单片机程序。单片机C语言具有以下特点：

- **简洁高效：**语法简洁，代码可读性高，易于维护。
- **硬件相关：**包含大量与单片机硬件相关的函数和宏，可直接操作单片机寄存器和外设。
- **可移植性：**代码可在不同型号的单片机上移植，无需大幅修改。

# 2. 单片机C语言基础

### 2.1 C语言语法基础

C语言是一种高级编程语言，具有结构化、模块化和可移植性等特点。单片机C语言是C语言在单片机上的应用，它具有以下特点：

- **精简性：**单片机C语言只保留了C语言中必要的语法元素，以适应单片机的资源限制。
- **实时性：**单片机C语言支持中断处理，可以实现对外部事件的快速响应。
- **可移植性：**单片机C语言代码可以在不同的单片机平台上移植，提高了代码的复用性。

### 2.2 单片机硬件结构与C语言接口

单片机由CPU、存储器、I/O接口和外围设备组成。C语言通过寄存器和内存映射的方式与单片机硬件进行交互。

**寄存器：**寄存器是CPU内部的小容量存储单元，用于存储程序指令和数据。C语言可以通过指针访问寄存器，实现对硬件的直接控制。

**内存映射：**内存映射是指将单片机的外部设备和I/O端口映射到特定的内存地址。C语言可以通过访问这些内存地址，间接控制外部设备和I/O端口。

### 2.3 单片机C语言数据类型与变量

单片机C语言提供了多种数据类型，用于表示不同的数据。变量是用来存储数据的内存单元，其类型决定了变量可以存储的数据范围和表示方式。

**数据类型：**

| 数据类型 | 范围 | 表示方式 |
|---|---|---|
| char | -128~127 | 8位有符号整数 |
| unsigned char | 0~255 | 8位无符号整数 |
| int | -32768~32767 | 16位有符号整数 |
| unsigned int | 0~65535 | 16位无符号整数 |
| long | -2147483648~2147483647 | 32位有符号整数 |
| unsigned long | 0~4294967295 | 32位无符号整数 |
| float | ±1.175494351e-38~±3.402823466e+38 | 32位浮点数 |
| double | ±2.2250738585072014e-308~±1.7976931348623157e+308 | 64位浮点数 |

**变量：**

变量的声明格式：`数据类型 变量名;`

例如：

int num; // 声明一个有符号整数变量num

### 2.4 单片机C语言运算符与表达式

运算符用于对数据进行操作，表达式是由运算符和操作数组成的公式。单片机C语言提供了丰富的运算符，包括算术运算符、关系运算符、逻辑运算符和位运算符等。

**算术运算符：**

| 运算符 | 含义 |
|---|---|
| + | 加法 |
| - | 减法 |
| * | 乘法 |
| / | 除法 |
| % | 取模 |

**关系运算符：**

| 运算符 | 含义 |
|---|---|
| == | 等于 |
| != | 不等于 |
| < | 小于 |
| > | 大于 |
| <= | 小于等于 |
| >= | 大于等于 |

**逻辑运算符：**

| 运算符 | 含义 |
|---|---|
| && | 与 |
| || | 或 |
| ! | 非 |

**位运算符：**

| 运算符 | 含义 |
|---|---|
| & | 按位与 |
| | | 按位或 |
| ^ | 按位异或 |
| ~ | 按位取反 |
| << | 左移 |
| >> | 右移 |

# 3. 单片机C语言控制语句

### 3.1 顺序结构

顺序结构是最基本的控制语句，代码按照自上而下的顺序执行，没有分支或循环。例如：

int main() {
    int a = 1;
    int b = 2;
    int c = a + b;
    printf("c = %d\n", c);
    return 0;
}

**逻辑分析：**
- 首先定义了三个整型变量 `a`、`b` 和 `c`。
- 然后将 `a` 和 `b` 相加，并将结果赋值给 `c`。
- 最后，使用 `printf` 函数打印 `c` 的值。

### 3.2 选择结构

选择结构（又称分支结构）用于根据条件执行不同的代码块。最常见的选择结构是 `if-else` 语句：

if (condition) {
    // 如果条件为真，执行这段代码
} else {
    // 如果条件为假，执行这段代码
}

**逻辑分析：**
- `condition` 是一个布尔表达式，如果为真，则执行 `if` 块中的代码；如果为假，则执行 `else` 块中的代码。

还可以使用 `if-else if-else` 语句来处理多个条件：

if (condition1) {
    // 如果条件1为真，执行这段代码
} else if (condition2) {
    // 如果条件1为假，且条件2为真，执行这段代码
} else {
    // 如果条件1和条件2都为假，执行这段代码
}

### 3.3 循环结构

循环结构用于重复执行一段代码，直到满足某个条件。最常见的循环结构是 `while` 循环：

while (condition) {
    // 只要条件为真，就重复执行这段代码
}

**逻辑分析：**
- `condition` 是一个布尔表达式，只要为真，就会重复执行循环体中的代码。

还可以使用 `for` 循环和 `do-while` 循环来实现不同的循环行为。

### 3.4 函数与子程序

函数是将代码组织成可重用模块的一种方法。函数可以接收参数，并返回一个值。例如：

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

**逻辑分析：**
- `add` 函数接收两个整型参数 `a` 和 `b`，并返回它们的和。

子程序与函数类似，但没有返回值。例如：

void print_hello() {
    printf("Hello, world!\n");
}

**逻辑分析：**
- `print_hello` 子程序打印 "Hello, world!" 到标准输出。

函数和子程序可以提高代码的可重用性和可维护性。

# 4. 单片机C语言数组与指针

### 4.1 数组

**定义：**
数组是一种数据结构，它存储相同类型的数据元素的集合，这些元素使用连续的内存地址进行访问。数组中的每个元素都通过一个索引来访问，该索引从 0 开始。

**声明：**

数据类型 数组名[数组大小];

**例如：**

int numbers[10]; // 声明一个包含 10 个整数的数组

**访问元素：**

数组名[索引];

**例如：**

numbers[0] = 10; // 将数组的第一个元素设置为 10

**优点：**
* 存储相同类型的数据元素
* 使用索引轻松访问元素
* 内存连续，访问效率高

### 4.2 指针

**定义：**
指针是一个变量，它存储另一个变量的地址。通过指针，我们可以间接访问另一个变量的值。

**声明：**

数据类型 *指针名;

**例如：**

int *ptr; // 声明一个指向整数的指针

**获取地址：**

&变量名

**例如：**

ptr = &numbers[0]; // 将数组第一个元素的地址赋给指针

**访问值：**

*指针名

**例如：**

*ptr = 10; // 通过指针修改数组第一个元素的值

**优点：**
* 间接访问变量，实现动态内存管理
* 提高代码效率，减少内存开销

### 4.3 字符串处理

**定义：**
字符串是一种特殊类型的数组，它存储一组字符。字符串以 '\0' 字符结尾，表示字符串的结束。

**声明：**

char 字符串名[];

**例如：**

char name[] = "John Doe"; // 声明一个字符串

**访问字符：**

字符串名[索引];

**例如：**

name[0] = 'J'; // 访问字符串的第一个字符

**字符串函数：**
单片机C语言提供了丰富的字符串处理函数，例如：

* strlen()：获取字符串长度
* strcpy()：复制字符串
* strcmp()：比较字符串

**示例：**

int length = strlen(name); // 获取字符串长度
char copy[length + 1]; // 声明一个足够大的缓冲区
strcpy(copy, name); // 复制字符串

# 5.1 中断基础

**5.1.1 中断概念**

中断是一种硬件机制，当发生特定事件时，CPU会暂时停止当前正在执行的程序，转而去执行中断服务程序。中断事件可以由外部设备、内部事件或软件指令触发。

**5.1.2 中断向量表**

每个中断事件都对应一个中断向量，中断向量表是一个存储中断向量地址的数组。当发生中断时，CPU会根据中断向量找到并执行相应的中断服务程序。

**5.1.3 中断使能和禁止**

为了防止中断在不合适的时候发生，可以对中断进行使能或禁止。中断使能后，CPU会响应中断事件；中断禁止后，CPU将忽略中断事件。

**5.1.4 中断服务程序**

中断服务程序是响应中断事件而执行的代码。中断服务程序通常很短，主要负责处理中断事件并恢复程序的正常执行。

**5.1.5 中断优先级**

不同的中断事件具有不同的优先级。当多个中断事件同时发生时，CPU会根据优先级决定先执行哪个中断服务程序。

**5.1.6 中断嵌套**

中断嵌套是指在中断服务程序执行过程中又发生了新的中断事件。中断嵌套的深度取决于CPU的硬件设计。

## 5.2 定时器基础

**5.2.1 定时器概念**

定时器是一种硬件模块，用于产生周期性的脉冲信号。定时器可以用来测量时间、产生延时或产生特定频率的信号。

**5.2.2 定时器模式**

不同的定时器具有不同的模式，例如：

* **计数器模式：**定时器作为计数器，每收到一个脉冲就增加计数器值。
* **比较模式：**定时器将计数器值与比较寄存器中的值进行比较，当计数器值等于或大于比较值时产生中断。
* **PWM模式：**定时器产生脉宽调制信号，可以用来控制外部设备的功率或速度。

**5.2.3 定时器参数**

定时器的参数包括：

* **时钟源：**定时器使用的时钟源，例如：系统时钟、外部时钟。
* **时钟分频：**时钟源的频率与定时器计数器频率之间的分频比。
* **计数器宽度：**计数器的位宽，决定了定时器可以计数的最大值。
* **比较值：**在比较模式下，定时器与比较值进行比较的值。

## 5.3 中断与定时器的应用

**5.3.1 中断应用**

中断在单片机系统中广泛应用，例如：

* **按键扫描：**当按键按下时产生中断，中断服务程序读取按键状态。
* **串口通信：**当串口接收到数据时产生中断，中断服务程序读取数据并进行处理。
* **定时任务：**使用定时器产生中断，中断服务程序执行定时任务。

**5.3.2 定时器应用**

定时器在单片机系统中也有广泛应用，例如：

* **延时：**使用定时器产生延时，例如：等待外部设备响应。
* **脉冲产生：**使用定时器产生特定频率的脉冲信号，例如：驱动步进电机。
* **PWM控制：**使用定时器产生PWM信号，控制外部设备的功率或速度。

**代码示例：**

// 中断服务程序
void ISR_Timer0() {
  // 处理定时器0中断事件
}

// 定时器0初始化
void Timer0_Init() {
  // 设置时钟源、时钟分频、计数器宽度
  T0CON = 0x00;  // 时钟源：系统时钟，时钟分频：1，计数器宽度：8位
  T0MR = 0xFF;  // 比较值：255
  // 使能定时器0中断
  ET0 = 1;
  // 启动定时器0
  TR0 = 1;
}

**逻辑分析：**

这段代码初始化了定时器0，并在定时器0中断事件发生时执行中断服务程序ISR_Timer0()。定时器0使用系统时钟作为时钟源，时钟分频为1，计数器宽度为8位。比较值设置为255，当计数器值达到255时产生中断。

# 6.1 单片机C语言开发环境

### 6.1.1 开发工具选择

单片机C语言开发需要选择合适的开发工具，常用的开发工具包括：

- **集成开发环境（IDE）：**提供代码编辑、编译、调试等功能，如Keil uVision、IAR Embedded Workbench、CodeWarrior for MCU。
- **编译器：**将C语言代码编译成目标代码，如GCC、SDCC、IAR C/C++ Compiler。
- **仿真器/调试器：**用于单片机程序的仿真和调试，如J-Link、ST-Link、Keil ULINK。

### 6.1.2 开发环境搭建

以Keil uVision为例，开发环境搭建步骤如下：

1. 安装Keil uVision软件。
2. 安装单片机芯片包。
3. 创建工程文件（*.uvproj）。
4. 添加源文件（*.c）。
5. 配置编译器选项。
6. 编译、连接和生成目标代码。

### 6.1.3 开发流程

单片机C语言开发流程一般包括以下步骤：

1. **需求分析：**明确开发目标和功能要求。
2. **算法设计：**设计实现功能的算法。
3. **代码编写：**使用C语言编写代码。
4. **编译和连接：**将代码编译成目标代码。
5. **下载和调试：**将目标代码下载到单片机并进行调试。
6. **测试和优化：**对程序进行测试和优化。