单片机C语言编程实战案例：从入门到精通，打造高性能嵌入式系统

# 1. 单片机C语言编程基础

单片机C语言编程是嵌入式系统开发的基础，它是一种面向过程的编程语言，具有高效、灵活、可移植性好等特点。本章将介绍单片机C语言编程的基础知识，包括数据类型、变量、流程控制、内存管理等内容。

### 1.1 数据类型与变量

数据类型是用来描述数据的类型和属性，单片机C语言中基本数据类型包括：整型（int）、浮点型（float）、字符型（char）、布尔型（bool）等。变量是用来存储数据的容器，每个变量都有一个类型和一个名称。

# 2. 单片机C语言编程进阶技巧

### 2.1 数据类型与变量

#### 2.1.1 基本数据类型

单片机C语言中定义了多种基本数据类型，用于表示不同类型的数值和字符。主要包括：

- 整型：`int`、`short`、`long`，用于表示整数
- 浮点型：`float`、`double`，用于表示小数
- 字符型：`char`，用于表示单个字符
- 布尔型：`bool`，用于表示真假值

每个数据类型都有其特定的取值范围和存储空间大小。选择合适的数据类型对于优化代码性能和避免数据溢出非常重要。

#### 2.1.2 指针和数组

指针是一种变量，它存储另一个变量的地址。指针可以指向任何数据类型，并通过解引用运算符（*）访问其指向的变量。

数组是一种数据结构，它包含相同类型的一组元素。数组元素可以通过索引访问，索引从 0 开始。

指针和数组在单片机C语言编程中非常有用，可以实现动态内存分配和高效的数据访问。

### 2.2 流程控制

流程控制语句用于控制程序的执行流程。主要包括：

#### 2.2.1 条件语句

条件语句用于根据条件判断来执行不同的代码块。主要包括：

- `if` 语句：如果条件为真，则执行指定代码块
- `else` 语句：如果条件为假，则执行指定代码块
- `else if` 语句：如果条件为真，则执行指定代码块，否则执行 `else` 语句

#### 2.2.2 循环语句

循环语句用于重复执行一段代码块。主要包括：

- `for` 循环：使用计数器变量控制循环次数
- `while` 循环：只要条件为真，就重复执行循环
- `do-while` 循环：先执行循环，然后检查条件

#### 2.2.3 函数与参数传递

函数是一种代码块，它可以接收参数并执行特定任务。函数可以被其他代码调用，从而实现代码重用和模块化。

参数传递是函数与调用代码之间传递数据的机制。单片机C语言支持值传递和地址传递两种参数传递方式。

### 2.3 内存管理

#### 2.3.1 堆和栈

堆和栈是单片机中两种主要的内存区域。

- 堆：用于动态内存分配，由程序员手动管理
- 栈：用于存储函数调用信息和局部变量，由编译器自动管理

理解堆和栈的管理对于优化内存使用和避免内存泄漏非常重要。

#### 2.3.2 动态内存分配

动态内存分配允许程序员在运行时分配内存。这可以通过 `malloc()` 和 `free()` 函数实现。

动态内存分配可以提高内存利用率，但如果管理不当，也可能导致内存泄漏。

# 3.1 外围设备编程

外围设备是单片机系统中与CPU交互的硬件组件，主要负责与外部世界进行数据交换和控制。单片机C语言编程中，外围设备编程是至关重要的一个部分，它涉及到对GPIO、定时器、中断等外设的控制和使用。

#### 3.1.1 GPIO编程

GPIO（General Purpose Input/Output）是单片机上最基本的I/O接口，它可以配置为输入或输出模式，用于与外部设备进行数据交互。

**GPIO配置**

// 配置GPIOA的第5个引脚为输出模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

**参数说明：**

* `GPIO_InitStruct`：GPIO初始化结构体
* `Pin`：要配置的引脚
* `Mode`：引脚模式，可以是输入、输出、推挽输出等
* `Pull`：上拉/下拉电阻，可以是无、上拉、下拉
* `Speed`：引脚速度，可以是低速、中速、高速

**GPIO操作**

// 设置GPIOA的第5个引脚为高电平
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);

// 读取GPIOA的第5个引脚电平
uint8_t pin_level = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_5);

**参数说明：**

* `GPIOx`：GPIO端口，可以是GPIOA、GPIOB等
* `Pin`：要操作的引脚
* `GPIO_PIN_SET`：设置引脚为高电平
* `GPIO_PIN_RESET`：设置引脚为低电平
* `HAL_GPIO_ReadPin`：读取引脚电平，返回GPIO_PIN_SET或GPIO_PIN_RESET

#### 3.1.2 定时器编程

定时器是单片机中用于产生定时脉冲或延时的外设，它可以用来控制外部设备或实现定时任务。

**定时器配置**

// 配置TIM2为向上计数模式，时钟源为内部时钟，预分频系数为1000，计数周期为1000
TIM_HandleTypeDef htim2;
htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 1000;
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim2.Init.Period = 1000;
HAL_TIM_Base_Init(&htim2);

**参数说明：**

* `htim2`：定时器句柄
* `Instance`：定时器实例，可以是TIM2、TIM