单片机C语言编程基础：掌握数据类型、变量和运算符，打造坚实编程基础

# 1. 单片机C语言编程概述**

单片机C语言是专门针对单片机开发而设计的编程语言，它融合了C语言的语法和单片机的底层特性。与传统C语言相比，单片机C语言具有以下特点：

* **面向寄存器编程：**单片机C语言直接操作单片机的寄存器，实现对硬件的低级控制。
* **资源受限：**单片机具有有限的存储空间和计算能力，因此单片机C语言代码必须精简高效。
* **实时性强：**单片机系统通常需要对外部事件做出快速响应，因此单片机C语言支持中断处理和实时任务调度。

# 2. 单片机C语言数据类型和变量

### 2.1 数据类型

数据类型定义了变量可以存储的值的类型和范围。单片机C语言中常用的数据类型包括：

#### 2.1.1 整数类型

整数类型用于存储整数，包括正整数、负整数和零。常见的整数类型有：

- `char`：8位有符号整数，范围为-128~127
- `short`：16位有符号整数，范围为-32768~32767
- `int`：32位有符号整数，范围为-2147483648~2147483647
- `long`：64位有符号整数，范围为-9223372036854775808~9223372036854775807

#### 2.1.2 浮点类型

浮点类型用于存储浮点数，即带小数点的数字。常见的浮点类型有：

- `float`：32位浮点数，精度为6~7位有效数字
- `double`：64位浮点数，精度为15~16位有效数字

#### 2.1.3 字符类型

字符类型用于存储单个字符，占一个字节。字符类型为 `char`，范围为0~255。

### 2.2 变量

变量是存储数据的命名内存位置。

#### 2.2.1 变量的定义和声明

变量的定义和声明使用以下语法：

数据类型 变量名;

例如：

int number;
float temperature;

#### 2.2.2 变量的初始化

变量可以在定义时初始化，即指定初始值。初始化使用以下语法：

数据类型 变量名 = 初始值;

例如：

int number = 10;
float temperature = 25.5;

#### 2.2.3 变量的类型转换

有时需要将一个变量的值转换为另一种数据类型。类型转换使用以下语法：

(目标类型) 变量名;

例如：

int number = (int) temperature;

类型转换可能会导致精度损失或数据溢出。

# 3.1 算术运算符

算术运算符用于执行算术运算，包括加法、减法、乘法、除法和取模。

**3.1.1 加法、减法、乘法、除法**

| 运算符 | 描述 | 示例 |
|---|---|---|
| + | 加法 | a + b |
| - | 减法 | a - b |
| * | 乘法 | a * b |
| / | 除法 | a / b |

除法运算符（/）执行浮点除法，返回一个浮点结果。如果需要执行整数除法，可以使用取模运算符（%）。

**3.1.2 取模运算**

取模运算符（%）返回两个整数相除的余数。

| 运算符 | 描述 | 示例 |
|---|---|---|
| % | 取模 | a % b |

取模运算符对于检查数字是否为偶数或奇数非常有用。例如，如果 a % 2 == 0，则 a 是偶数；否则，a 是奇数。

**代码示例：**

#include <stdio.h>

int main() {
    int a = 10;
    int b = 3;

    // 加法
    int sum = a + b;

    // 减法
    int difference = a - b;

    // 乘法
    int product = a * b;

    // 除法
    float quotient = a / b;

    // 取模
    int remainder = a % b;

    printf("加法结果：%d\n", sum);
    printf("减法结果：%d\n", difference);
    printf("乘法结果：%d\n", product);
    printf("除法结果：%.2f\n", quotient);
    printf("取模结果：%d\n", remainder);

    return 0;
}

**代码逻辑分析：**

1. 声明两个整数变量 a 和 b。
2. 使用算术运算符执行加法、减法、乘法、除法和取模运算。
3. 将结果存储在变量 sum、difference、product、quotient 和 remainder 中。
4. 使用 printf() 函数打印运算结果。

# 4. 单片机C语言控制语句

### 4.1 顺序结构

顺序结构是最基本的控制结构，它按照代码的顺序依次执行语句。

#### 4.1.1 复合语句

复合语句是一组被花括号括起来的语句，它作为一个整体被执行。复合语句可以包含任何类型的语句，包括其他复合语句。

{
    // 语句 1
    // 语句 2
    // ...
}

### 4.2 选择结构

选择结构用于根据条件选择执行不同的代码块。

#### 4.2.1 if-else语句

if-else语句是最常见的选择结构。它根据一个条件表达式来选择执行两个代码块中的一个。

if (条件表达式) {
    // 如果条件为真，执行此代码块
} else {
    // 如果条件为假，执行此代码块
}

#### 4.2.2 switch-case语句

switch-case语句用于根据一个变量的值选择执行多个代码块中的一个。

switch (变量) {
    case 值1:
        // 如果变量等于值1，执行此代码块
        break;
    case 值2:
        // 如果变量等于值2，执行此代码块
        break;
    // ...
    default:
        // 如果变量不等于任何值，执行此代码块
        break;
}

### 4.3 循环结构

循环结构用于重复执行一段代码。

#### 4.3.1 for循环

for循环使用一个循环变量来控制循环的次数。

for (循环变量 = 初始值; 循环变量 < 结束值; 循环变量++) {
    // 循环体
}

#### 4.3.2 while循环

while循环只要条件表达式为真就不断执行循环体。

while (条件表达式) {
    // 循环体
}

#### 4.3.3 do-while循环

do-while循环先执行循环体，然后再检查条件表达式。

do {
    // 循环体
} while (条件表达式);

### 代码示例

#### 顺序结构

int main() {
    // 顺序执行语句
    printf("Hello World!\n");
    return 0;
}

#### 选择结构

int main() {
    int x = 5;

    if (x > 0) {
        printf("x 是正数\n");
    } else {
        printf("x 不是正数\n");
    }

    return 0;
}

#### 循环结构

int main() {
    int i;

    // for循环
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%d\n", i);
    }

    // while循环
    while (i > 0) {
        i--;
        printf("%d\n", i);
    }

    return 0;
}

# 5. 单片机C语言函数

### 5.1 函数的定义和调用

**函数定义**

函数定义用于创建新的函数。函数定义的语法如下：

returnType functionName(parameterList) {
  // 函数体
}

其中：

* `returnType`：函数的返回值类型，可以是`void`（无返回值）或其他数据类型。
* `functionName`：函数名称，遵循C语言的命名规则。
* `parameterList`：函数参数列表，可以为空或包含多个参数。

**函数调用**

函数调用用于执行已定义的函数。函数调用的语法如下：

functionName(argumentList);

其中：

* `functionName`：要调用的函数名称。
* `argumentList`：函数参数列表，可以为空或包含多个参数。

### 5.2 函数的类型和返回值

**函数类型**

函数可以分为以下类型：

* **无返回值函数**：`void`类型的函数，不返回任何值。
* **有返回值函数**：返回指定数据类型的函数。

**返回值**

有返回值函数使用`return`语句返回一个值。`return`语句的语法如下：

return expression;

其中：

* `expression`：要返回的表达式。

### 5.3 函数的参数传递

**按值传递**

按值传递是函数参数传递的默认方式。在这种方式下，函数的参数是一个副本，函数对参数所做的任何更改都不会影响原始变量。

**按引用传递**

按引用传递允许函数直接访问原始变量。在这种方式下，函数的参数是一个引用，函数对参数所做的任何更改都会影响原始变量。

**代码示例**

以下代码示例演示了按值传递和按引用传递的区别：

// 按值传递
void swapByValue(int a, int b) {
  int temp = a;
  a = b;
  b = temp;
}

// 按引用传递
void swapByReference(int *a, int *b) {
  int temp = *a;
  *a = *b;
  *b = temp;
}

int main() {
  int x = 10;
  int y = 20;

  // 按值传递
  swapByValue(x, y);
  printf("x = %d, y = %d\n", x, y); // 输出：x = 10, y = 20

  // 按引用传递
  swapByReference(&x, &y);
  printf("x = %d, y = %d\n", x, y); // 输出：x = 20, y = 10
}

在按值传递中，`swapByValue`函数对`a`和`b`参数所做的更改不会影响`main`函数中的原始变量`x`和`y`。而在按引用传递中，`swapByReference`函数对`a`和`b`参数所做的更改会影响`main`函数中的原始变量`x`和`y`。

# 6. 单片机C语言实践应用

单片机C语言除了理论基础外，更重要的是实践应用。本章将介绍单片机C语言在实际项目中的应用，包括LED控制、键盘输入和串口通信。

### 6.1 LED控制

LED控制是单片机最基本的应用之一。通过控制单片机的IO口，可以实现LED的点亮、熄灭和闪烁。

#include <reg51.h>

void main() {
    P1 = 0x00; // 将P1口全部置为低电平，熄灭LED
    while (1) {
        P1 = 0xff; // 将P1口全部置为高电平，点亮LED
        delay(1000); // 延时1s
        P1 = 0x00; // 将P1口全部置为低电平，熄灭LED
        delay(1000); // 延时1s
    }
}

### 6.2 键盘输入

键盘输入是单片机与用户交互的重要方式。通过扫描键盘矩阵，可以获取用户按下的按键。

#include <reg51.h>

unsigned char key_scan() {
    unsigned char key_val;
    P1 = 0xff; // 将P1口全部置为高电平
    for (unsigned char i = 0; i < 4; i++) {
        P1 &= ~(1 << i); // 将P1口第i位置为低电平
        for (unsigned char j = 0; j < 4; j++) {
            if (P3 & (1 << j)) { // 如果P3口第j位为高电平，则按键被按下
                key_val = i * 4 + j + 1; // 计算按键值
                return key_val;
            }
        }
    }
    return 0; // 没有按键被按下
}

### 6.3 串口通信

串口通信是单片机与外部设备通信的重要方式。通过发送和接收数据，可以实现单片机与其他设备的数据交换。

#include <reg51.h>

void main() {
    SCON = 0x50; // 设置串口控制寄存器
    TMOD = 0x20; // 设置定时器1模式
    TH1 = 0xfd; // 设置定时器1重装值
    TR1 = 1; // 启动定时器1
    while (1) {
        if (RI) { // 如果接收到数据
            RI = 0; // 清除接收中断标志位
            SBUF = SBUF; // 读取接收到的数据
        }
        if (TI) { // 如果发送缓冲区为空
            TI = 0; // 清除发送中断标志位
            SBUF = 0x55; // 发送数据
        }
    }
}