单片机C语言程序设计嵌入式Linux：拓展单片机应用领域的利器

# 1. 单片机C语言程序设计的概述

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开发技术。它融合了C语言的灵活性和单片机的低成本、高集成度等优势，广泛应用于工业控制、消费电子、物联网等领域。

本课程将从单片机C语言程序设计的概念、理论基础、实践应用等方面展开讲解，帮助学员掌握单片机C语言程序设计的基本原理、开发方法和应用技巧。通过本课程的学习，学员将能够熟练使用C语言对单片机进行编程，并具备嵌入式系统开发的基础知识。

# 2. 单片机C语言程序设计的理论基础

### 2.1 C语言的基本语法和数据结构

C语言是一种结构化、面向过程的编程语言，广泛应用于单片机开发中。其基本语法包括：

- **变量声明：**`int a;`声明一个名为`a`的整型变量。
- **数据类型：**C语言支持多种数据类型，如`int`（整数）、`float`（浮点数）、`char`（字符）等。
- **运算符：**C语言提供了丰富的运算符，包括算术运算符（如`+`、`-`）、关系运算符（如`==`、`!=`）和逻辑运算符（如`&&`、`||`）。
- **控制流：**C语言使用控制流语句来控制程序执行流程，如`if-else`语句、`switch-case`语句和循环语句（如`for`、`while`）。
- **函数：**C语言支持函数，函数可以封装代码块，实现代码重用。

### 2.2 单片机体系结构和外围设备

单片机是一种集成在单个芯片上的微型计算机，其体系结构通常包括：

- **中央处理器（CPU）：**负责执行程序指令。
- **存储器：**包括程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）。
- **输入/输出（I/O）端口：**用于与外部设备通信。
- **定时器：**用于产生定时中断。
- **串口：**用于与其他设备进行串行通信。

### 2.3 操作系统和实时性

操作系统是一种管理计算机硬件和软件资源的软件。单片机操作系统通常是嵌入式操作系统，其特点是：

- **小巧轻量：**占用资源较少，适合单片机有限的资源。
- **实时性：**能够对外部事件快速响应，满足实时控制系统的要求。

**实时性**是指系统能够在规定时间内完成任务。对于单片机系统，实时性至关重要，因为它们经常用于控制工业设备和嵌入式系统。

# 3. 单片机C语言程序设计的实践应用

### 3.1 输入/输出设备的驱动

输入/输出设备是单片机与外界交互的桥梁，其驱动程序负责管理和控制这些设备，实现数据的输入和输出。

#### 3.1.1 GPIO驱动

GPIO（通用输入/输出）是单片机上最基本的输入/输出设备，可用于控制LED、按键、开关等。GPIO驱动主要负责配置GPIO引脚的输入/输出模式、电平状态和中断触发方式。

// 初始化GPIO引脚为输出模式
void gpio_init_output(uint8_t port, uint8_t pin) {
    // 设置GPIO端口方向寄存器为输出
    GPIOx_DDR |= (1 << pin);
    // 设置GPIO端口数据寄存器为低电平
    GPIOx_PORT &= ~(1 << pin);
}

// 设置GPIO引脚输出电平
void gpio_set_output(uint8_t port, uint8_t pin, uint8_t value) {
    if (value) {
        // 设置GPIO端口数据寄存器为高电平
        GPIOx_PORT |= (1 << pin);
    } else {
        // 设置GPIO端口数据寄存器为低电平
        GPIOx_PORT &= ~(1 << pin);
    }
}

#### 3.1.2 UART驱动

UART（通用异步收发器/发送器）是一种串行通信接口，可用于与其他设备进行数据传输。UART驱动负责配置UART参数（波特率、数据位、停止位、校验位）、接收和发送数据。

// 初始化UART
void uart_init(uint32_t baudrate) {
    // 设置UART波特率
    UBRR0H = (uint8_t)(F_CPU / (16 * baudrate) - 1) >> 8;
    UBRR0L = (uint8_t)(F_CPU / (16 * baudrate) - 1);
    // 设置UART数据格式（8位数据位、1个停止位、无校验）
    UCSR0C = (1 << UCSZ01) | (1 << UCSZ00);
    // 启用UART接收和发送
    UCSR0B = (1 << RXEN0) | (1 << TXEN0);
}

// 发送一个字节数据
void uart_send_byte(uint8_t data) {
    // 等待发送缓冲区为空
    while (!(UCSR0A & (1 << UDRE0)));
    // 将数据写入发送缓冲区
    UDR0 = data;
}

#### 3.1.3 I2C驱动

I2C（串行外围接口）是一种串行通信协议，可用于与I2C设备（如EEPROM、传感器）进行数据传输。I2C驱动负责配置I2C参数（时钟频率、从机地址）、发送和接收数据。

// 初始化I2C
void i2c_init(uint32_t clock_frequency) {
    // 设置I2C时钟频率
    TWSR0 = (uint8_t)((F_CPU / clock_frequency) - 16) / 2;
    // 启用I2C
    TWCR0 = (1 << TWEN0);
}

// 发送一个字节数据
void i2c_send_byte(uint8_t data) {
    // 发送起始信号
    TWCR0 = (1 << TWINT0) | (1 << TWSTA0);
    // 等待起始信号发送完成
    while (!(TWCR0 & (1 << TWINT0)));
    // 发送设备地址
    TWDR0 = (uint8_t)(0x50 << 1);
    // 等待设备地址发送完成
    while (!(TWCR0 & (1 << TWINT0)));
    // 发送数据
    TWDR0 = data;
    // 等待数据发送完成
    while (!(TWCR0 & (1 << TWINT0)));
    // 发送停止信号
    TWCR0 = (1 << TWINT0) | (1 << TWSTO0);
}

### 3.2 通信协议的实现

通信协议是定义设备之间数据传输规则和格式的规范。实现通信协议需要编写协议解析和处理代码，以确保设备之间能够正确交换数据。

#### 3.2.1 Modbus协议

Modbus是一种工业通信协议，用于主从模式的数据传输。Modbus驱动负责解析Modbus请求和响应报文，实现读写寄存器、线圈等操作。

// 解析Modbus请求报文
uint8_t modbus_parse_request(uint8_t *data, uint16_t length) {
    // 检查报文长度
    if (length < 8) {
        return 0;
    }
    // 获取功能码
    uint8_t function_code = data[1];
    // 根据功能码解析请求报文
    switch (function_code) {
        case 0x01:
            // 读