揭秘单片机C语言程序设计实战：GPIO、定时器、中断等核心技术详解

# 1. 单片机C语言程序设计概述

单片机C语言程序设计是一种利用C语言对单片机进行编程的技术。它将C语言的高级特性与单片机的底层硬件相结合，使开发者能够高效地编写单片机程序，实现各种控制和处理任务。

单片机C语言程序设计的核心内容包括：

- **单片机硬件架构：**了解单片机的内部结构、寄存器和外围设备，为编程奠定基础。
- **C语言基础：**掌握C语言的语法、数据类型、控制结构和函数，为编写单片机程序提供语言支持。
- **嵌入式系统编程：**理解嵌入式系统的特点，如实时性、资源受限和低功耗，并采用相应的编程技术。

# 2. 单片机C语言程序开发环境

### 2.1 开发工具介绍

单片机C语言程序开发需要使用专门的开发工具，常见的开发工具包括：

- **集成开发环境 (IDE)**：提供代码编辑、编译、调试、仿真等功能，例如 Keil MDK、IAR Embedded Workbench、CodeWarrior 等。
- **编译器**：将 C 语言代码编译成单片机可执行的机器码，例如 GCC、ARM Compiler 等。
- **调试器**：用于调试程序，例如 J-Link、ST-Link 等。
- **仿真器**：用于仿真程序运行，例如 Proteus、ModelSim 等。

### 2.2 开发环境搭建

开发环境搭建主要包括以下步骤：

1. **安装 IDE**：根据单片机型号选择合适的 IDE，并安装到计算机上。
2. **配置编译器**：在 IDE 中配置编译器，包括编译器路径、编译选项等。
3. **安装调试器**：根据单片机型号选择合适的调试器，并安装到计算机上。
4. **连接单片机**：使用调试器将单片机连接到计算机。
5. **创建工程**：在 IDE 中创建新的工程，并添加源文件、头文件等。

### 代码示例：创建 Keil MDK 工程

// Keil MDK 工程创建代码

#include <stm32f10x.h>

int main(void)
{
  while (1)
  {
    // TODO: 这里编写你的程序
  }
}

**代码逻辑分析：**

- `#include <stm32f10x.h>`：包含 STM32F10x 单片机的头文件。
- `int main(void)`：定义程序入口函数。
- `while (1)`：创建一个无限循环，程序将一直运行在这个循环中。
- `// TODO: 这里编写你的程序`：在此处编写你的程序代码。

**参数说明：**

- `main` 函数没有参数。

# 3. 单片机GPIO编程

### 3.1 GPIO基本概念

GPIO（General Purpose Input/Output）是单片机中用于控制外部设备的通用输入/输出端口。它可以用来连接各种外部设备，如LED、按钮、传感器等。GPIO端口具有以下特性：

- 双向性：GPIO端口既可以作为输入端口，也可以作为输出端口。
- 可编程性：GPIO端口的配置（如输入/输出模式、上拉/下拉电阻等）可以通过软件进行编程。
- 多功能性：GPIO端口可以连接各种外部设备，实现不同的功能。

### 3.2 GPIO寄存器结构

GPIO端口的寄存器结构通常包括以下几个寄存器：

- **GPIO数据寄存器（GPIOx_DATA）**：用于读写GPIO端口的数据。
- **GPIO方向寄存器（GPIOx_DIR）**：用于设置GPIO端口的输入/输出模式。
- **GPIO上拉/下拉寄存器（GPIOx_PUPDR）**：用于设置GPIO端口的上拉/下拉电阻。
- **GPIO中断寄存器（GPIOx_IMR）**：用于使能/禁止GPIO端口的中断。
- **GPIO中断状态寄存器（GPIOx_ISR）**：用于查询GPIO端口的中断状态。

### 3.3 GPIO编程实例

下面是一个使用GPIO端口控制LED闪烁的代码实例：

#include <stm32f10x.h>

int main()
{
    // 初始化GPIO端口
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN;
    GPIOC->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE13;
    GPIOC->CRH |= GPIO_CRH_MODE13_0;

    // 设置GPIO端口为输出模式
    GPIOC->CRH &= ~GPIO_CRH_CNF13;
    GPIOC->CRH |= GPIO_CRH_CNF13_0;

    // 循环闪烁LED
    while (1)
    {
        // 点亮LED
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS13;
        // 延时
        for (int i = 0; i < 1000000; i++);
        // 熄灭LED
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR13;
        // 延时
        for (int i = 0; i < 1000000; i++);
    }
}

**代码逻辑分析：**

1. 初始化GPIO端口，使能GPIOC时钟，并设置PC13为输出模式。
2. 循环闪烁LED，通过设置GPIOC->BSRR寄存器来控制LED的亮灭。
3. 使用for循环实现延时，控制LED闪烁的频率。

**参数说明：**

- `RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN`：使能GPIOC时钟。
- `GPIOC->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE13`：清除PC13的模式位。
- `GPIOC->CRH |= GPIO_CRH_MODE13_0`：设置PC13为输出模式。
- `GPIOC->CRH &= ~GPIO_CRH_CNF13`：清除PC13的配置位。
- `GPIOC->CRH |= GPIO_CRH_CNF13_0`：设置PC13为推挽输出模式。
- `GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS13`：设置PC13为高电平，点亮LED。
- `GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR13`：设置PC13为低电平，熄灭LED。

# 4. 单片机定时器编程

### 4.1 定时器基本概念

定时器是单片机中用于产生可编程时间间隔或脉冲序列的硬件模块。它可以用于各种应用，例如：

- 产生周期性中断
- 生成脉宽调制 (PWM) 信号
- 测量时间间隔

单片机通常有多个定时器，每个定时器都有自己的寄存器集和控制逻辑。定时器的基本结构通常包括：

- **计数器：**用于计数时钟脉冲。
- **控制寄存器：**用于配置定时器的模式、时钟源和中断使能。
- **中断寄存器：**用于指示定时器中断是否发生。

### 4.2 定时器寄存器结构

以下是一个典型定时器寄存器的示例：

| 寄存器 | 描述 |
|---|---|
| **TCNT** | 定时器计数器 |
| **TCCR** | 定时器控制寄存器 |
| **TIMSK** | 定时器中断屏蔽寄存器 |
| **TIFR** | 定时器中断标志寄存器 |

**TCNT** 寄存器存储当前计数器值。**TCCR** 寄存器用于配置定时器的模式、时钟源和中断使能。**TIMSK** 寄存器用于使能或禁用定时器中断。**TIFR** 寄存器指示定时器中断是否发生。

### 4.3 定时器编程实例

以下是一个使用定时器产生周期性中断的代码示例：

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

// 定时器中断服务程序
ISR(TIMER0_COMPA_vect) {
  // 在这里编写中断处理代码
}

int main() {
  // 设置定时器时钟源为内部时钟
  TCCR0B |= (1 << CS00);

  // 设置定时器模式为 CTC 模式
  TCCR0A |= (1 << WGM01);

  // 设置定时器比较值
  OCR0A = 255;

  // 使能定时器中断
  TIMSK0 |= (1 << OCIE0A);

  // 全局中断使能
  sei();

  while (1) {
    // 主循环
  }

  return 0;
}

**代码逻辑分析：**

1. 在中断服务程序 `ISR(TIMER0_COMPA_vect)` 中编写中断处理代码。
2. 在 `main()` 函数中，设置定时器时钟源为内部时钟，模式为 CTC 模式，并设置比较值。
3. 使能定时器中断并全局中断使能。
4. 进入主循环，等待定时器中断发生。

**参数说明：**

- `TCCR0B`：定时器控制寄存器 B，用于设置时钟源。
- `CS00`：内部时钟选择位，设置为 1 以选择内部时钟。
- `TCCR0A`：定时器控制寄存器 A，用于设置定时器模式。
- `WGM01`：CTC 模式选择位，设置为 1 以选择 CTC 模式。
- `OCR0A`：定时器比较寄存器 A，用于设置比较值。
- `TIMSK0`：定时器中断屏蔽寄存器，用于使能或禁用定时器中断。
- `OCIE0A`：定时器 0 比较 A 中断使能位，设置为 1 以使能中断。
- `sei()`：全局中断使能函数，用于使能所有中断。

# 5. 单片机中断编程

### 5.1 中断基本概念

**中断**是一种硬件机制，当发生特定事件时，会暂停当前正在执行的程序，并跳转到专门处理该事件的程序（称为中断服务程序）中。中断事件可以由外部设备（如按键、传感器）触发，也可以由内部事件（如定时器溢出）触发。

**中断服务程序（ISR）**是专门用来处理特定中断事件的程序代码。当中断发生时，CPU会自动跳转到ISR中执行，执行完ISR后，再返回到被中断的程序中继续执行。

### 5.2 中断寄存器结构

单片机通常都有专门的中断寄存器，用于管理中断事件。这些寄存器包括：

- **中断向量表（IVT）**：存储中断服务程序的地址。
- **中断使能寄存器（IER）**：用于使能或禁止特定中断。
- **中断请求寄存器（IRR）**：记录当前发生的未处理中断请求。
- **中断状态寄存器（ISR）**：记录当前正在处理的中断请求。

### 5.3 中断编程实例

下面是一个单片机中断编程实例，演示如何使用中断来处理外部按键按下事件：

// 中断服务程序
void ISR_EXTI0() {
    // 清除中断标志位
    EXTI->PR |= EXTI_PR_PR0;

    // 处理按键按下事件
    // ...
}

// 主程序
int main() {
    // 初始化外部中断
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_AFIOEN;
    AFIO->EXTICR[0] |= AFIO_EXTICR1_EXTI0_PA0;
    EXTI->IMR |= EXTI_IMR_MR0;
    EXTI->RTSR |= EXTI_RTSR_TR0;
    NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);

    // 进入死循环
    while (1) {
        // ...
    }
}

**代码逻辑逐行解读：**

- ISR_EXTI0()：中断服务程序，用于处理外部中断0（PA0引脚）。
- EXTI->PR |= EXTI_PR_PR0：清除外部中断0的标志位，表示中断已处理。
- 处理按键按下事件：在此处可以添加处理按键按下事件的代码。
- RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_AFIOEN：使能AFIO时钟。
- AFIO->EXTICR[0] |= AFIO_EXTICR1_EXTI0_PA0：将PA0引脚配置为外部中断0。
- EXTI->IMR |= EXTI_IMR_MR0：使能外部中断0。
- EXTI->RTSR |= EXTI_RTSR_TR0：配置外部中断0为上升沿触发。
- NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn)：使能外部中断0的中断请求。
- while (1) {...}：主程序进入死循环，等待中断发生。

# 6. 单片机C语言程序设计实战**

### 6.1 LED闪烁程序

**代码块：**

#include <reg51.h>

void main() {
    P1 = 0x00;  // 初始化P1口为低电平
    while (1) {
        P1 = 0xff;  // P1口输出高电平，LED点亮
        delay(500);  // 延时500ms
        P1 = 0x00;  // P1口输出低电平，LED熄灭
        delay(500);  // 延时500ms
    }
}

**代码解释：**

* 初始化P1口为低电平，保证LED初始状态为熄灭。
* 进入无限循环，交替输出高低电平到P1口，实现LED闪烁。
* `delay()`函数用于产生延时，控制LED闪烁频率。

### 6.2 定时器中断程序

**代码块：**

#include <reg51.h>

void timer0_isr() interrupt 1 {
    TH0 = 0xff;  // 重新加载定时器0寄存器
    TL0 = 0x00;
    P1 = ~P1;  // 翻转P1口电平
}

void main() {
    TMOD = 0x01;  // 设置定时器0为16位自动重装模式
    TH0 = 0xff;  // 初始定时器0寄存器
    TL0 = 0x00;
    ET0 = 1;  // 允许定时器0中断
    EA = 1;  // 允许全局中断
    while (1);  // 进入死循环，等待中断发生
}

**代码解释：**

* 定义定时器0中断服务程序`timer0_isr()`。
* 设置定时器0为16位自动重装模式，并初始化寄存器。
* 允许定时器0中断和全局中断。
* 进入死循环，等待定时器0中断发生。
* 定时器0中断服务程序中，重新加载定时器0寄存器并翻转P1口电平，实现LED闪烁。

### 6.3 串口通信程序

**代码块：**

#include <reg51.h>

void main() {
    SCON = 0x50;  // 设置串口控制寄存器
    TMOD = 0x20;  // 设置定时器1为8位自动重装模式
    TH1 = 0xfd;  // 初始定时器1寄存器
    TR1 = 1;  // 启动定时器1
    while (1) {
        if (RI) {  // 接收中断标志位为1，表示收到数据
            SBUF = SBUF;  // 清除接收中断标志位
            P1 = SBUF;  // 将接收到的数据输出到P1口
        }
    }
}

**代码解释：**

* 设置串口控制寄存器，配置串口参数。
* 设置定时器1为8位自动重装模式，并初始化寄存器。
* 启动定时器1，产生波特率。
* 进入无限循环，等待串口数据接收。
* 当收到数据时，清除接收中断标志位，并将接收到的数据输出到P1口。