单片机C语言程序设计实训：100个案例中的嵌入式系统设计

# 1. 单片机C语言程序设计基础

单片机是一种集成了CPU、存储器、输入/输出接口和定时器等外围器件的微型计算机。它具有体积小、功耗低、成本低等优点，广泛应用于各种嵌入式系统中。

单片机C语言程序设计是嵌入式系统开发的基础。C语言是一种结构化、面向过程的编程语言，具有简洁、高效、可移植性好等特点。在单片机C语言程序设计中，需要掌握C语言的基础语法、数据类型、控制结构、函数等知识。同时，还需要了解单片机的硬件结构、外围器件的接口和编程方法，才能编写出高效、稳定的单片机程序。

# 2.1 单片机的结构和工作原理

### 2.1.1 单片机的组成和功能

单片机是一种高度集成的微型计算机，其内部集成了中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口和各种外围功能模块，形成一个完整的计算机系统。单片机的组成结构如下图所示：

graph LR
subgraph 单片机
    CPU[中央处理器]
    RAM[随机存取存储器]
    ROM[只读存储器]
    I/O[输入/输出接口]
    外围功能模块[定时器、计数器、串口等]
end

**CPU：**中央处理器是单片机的核心，负责执行程序指令和控制整个系统的运行。

**存储器：**单片机通常包含两种类型的存储器：RAM（随机存取存储器）和ROM（只读存储器）。RAM用于存储程序和数据，而ROM用于存储固件程序和系统配置信息。

**I/O接口：**I/O接口是单片机与外部设备通信的通道，包括串口、并口、I2C总线等。

**外围功能模块：**单片机还集成了各种外围功能模块，如定时器、计数器、中断控制器、模数转换器等，这些模块可以扩展单片机的功能，满足不同的应用需求。

### 2.1.2 单片机的存储器和总线

**存储器：**单片机的存储器主要分为RAM和ROM两种类型：

- **RAM（随机存取存储器）：**RAM是一种可读写的存储器，用于存储程序和数据。RAM的数据可以随时被修改，断电后数据会丢失。
- **ROM（只读存储器）：**ROM是一种只读存储器，用于存储固件程序和系统配置信息。ROM的数据只能被读取，不能被修改，断电后数据不会丢失。

**总线：**总线是单片机内部各模块之间通信的通道，包括数据总线、地址总线和控制总线。

- **数据总线：**数据总线用于传输数据，宽度决定了单片机一次可以传输的数据位数。
- **地址总线：**地址总线用于指定存储器或外围设备的地址，宽度决定了单片机可以寻址的存储空间或外围设备数量。
- **控制总线：**控制总线用于传输控制信号，如读写信号、中断信号等，控制单片机的操作。

# 3.1 C语言在嵌入式系统中的应用

#### 3.1.1 C语言的特性和优点

C语言是一种结构化、面向过程的通用编程语言，具有以下特性：

- **高效性：**C语言编译后的代码执行效率高，适合嵌入式系统资源受限的特性。
- **可移植性：**C语言代码可移植到不同的硬件平台，方便嵌入式系统在不同设备上的部署。
- **灵活性：**C语言提供了指针、结构体、联合等高级数据结构，可以灵活地管理嵌入式系统中的数据。
- **可扩展性：**C语言支持函数库和模块化编程，方便嵌入式系统功能的扩展和维护。

#### 3.1.2 C语言在嵌入式系统中的使用技巧

在嵌入式系统中使用C语言需要掌握以下技巧：

- **内存管理：**嵌入式系统通常内存资源有限，需要谨慎管理内存分配和释放，避免内存泄漏和堆栈溢出。
- **指针操作：**C语言中广泛使用指针，在嵌入式系统中需要熟练使用指针访问硬件寄存器和数据结构。
- **中断处理：**嵌入式系统经常需要处理中断，需要掌握C语言中中断处理的机制和技巧。
- **实时性编程：**嵌入式系统通常需要实时响应，需要掌握C语言中实时编程的技巧，如优先级调度和任务同步。

#### 代码示例：LED控制

// 初始化LED端口
void led_init() {
    // 设置LED端口为输出模式
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO