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
发布时间: 2024-07-09 03:08:41 阅读量: 67 订阅数: 32 


# 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:
```c
#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:
```c
#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:
```c
// 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:**
```c
#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:**
```c
#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:**
```c
#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。
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