【单片机程序设计入门秘籍】：揭秘20年大佬的入门宝典

# 1. 单片机程序设计基础**

单片机是一种集成在单个芯片上的微型计算机，具有独立运行的能力。单片机程序设计是利用单片机的指令集和编程语言，编写控制单片机执行特定任务的程序。

单片机程序设计的基础知识包括：

* 单片机的基本结构和工作原理
* 单片机程序设计的流程和步骤
* 单片机程序设计所使用的语言和工具

# 2. 单片机程序设计语言

### 2.1 C语言基础

C语言是一种广泛应用于单片机程序设计的高级语言，具有代码简洁、可移植性强等优点。本章节介绍C语言基础知识，包括数据类型、变量、运算符、表达式、控制流语句等内容。

#### 2.1.1 数据类型和变量

数据类型定义了数据的存储方式和操作规则。C语言中常见的数据类型有：

- 整型：int、short、long
- 浮点型：float、double
- 字符型：char
- 布尔型：bool

变量是用来存储数据的内存空间，其类型由数据类型指定。例如：

int num; // 声明一个整数变量 num
char ch; // 声明一个字符变量 ch

#### 2.1.2 运算符和表达式

运算符用于对数据进行操作，表达式由运算符和操作数组成。C语言中常用的运算符包括：

- 算术运算符：+、-、*、/、%
- 比较运算符：==、!=、>、<、>=、<=
- 逻辑运算符：&&、||、!

表达式可以用来计算值或进行逻辑判断。例如：

int result = 10 + 20; // 算术表达式
if (num > 0) { // 逻辑表达式
  // 执行某些操作
}

#### 2.1.3 控制流语句

控制流语句用于控制程序执行的顺序，常见的控制流语句有：

- if-else 语句：根据条件执行不同的代码块
- switch-case 语句：根据不同的情况执行不同的代码块
- while 循环：重复执行代码块，直到条件为假
- for 循环：重复执行代码块，指定次数或条件满足时结束
- do-while 循环：先执行代码块，然后检查条件，条件为真时继续执行

控制流语句可以实现程序的逻辑判断和循环执行。例如：

if (num % 2 == 0) {
  // 执行偶数处理代码
} else {
  // 执行奇数处理代码
}

while (num > 0) {
  // 执行循环代码
  num--;
}

### 2.2 汇编语言基础

汇编语言是一种低级语言，直接操作单片机的寄存器和指令。汇编语言代码可读性较差，但执行效率高。本章节介绍汇编语言基础知识，包括指令集、寻址方式、汇编程序结构和调试。

#### 2.2.1 指令集和寻址方式

指令集定义了单片机可以执行的指令，寻址方式定义了如何获取指令中的数据。常见的寻址方式有：

- 立即寻址：指令中直接包含数据
- 寄存器寻址：指令中使用寄存器作为数据源或目标
- 直接寻址：指令中使用内存地址作为数据源或目标
- 间接寻址：指令中使用内存地址作为指针，指向实际的数据

#### 2.2.2 汇编程序的结构

汇编程序由以下部分组成：

- 头部：定义程序的名称、作者、版本等信息
- 数据段：定义程序中使用的常量和变量
- 代码段：定义程序中执行的指令
- 尾部：定义程序的结束点

#### 2.2.3 汇编程序的调试

汇编程序调试可以帮助查找和修复程序中的错误。常见的调试方法有：

- 单步调试：逐条执行指令，检查寄存器和内存状态
- 断点调试：在特定位置设置断点，程序执行到断点时暂停
- 输出调试信息：在程序中输出调试信息，帮助分析程序行为

# 3. 单片机程序设计硬件基础

### 3.1 单片机系统结构

#### 3.1.1 CPU、存储器和外围设备

单片机系统通常由中央处理器（CPU）、存储器和外围设备组成。

- **CPU**：负责执行程序指令，控制整个系统的运行。
- **存储器**：存储程序和数据，包括程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）。
- **外围设备**：与外部设备进行交互，如 I/O 端口、定时器/计数器和串口。

#### 3.1.2 时钟和中断系统

- **时钟**：为单片机提供定时信号，控制系统运行速度。
- **中断系统**：当发生特定事件时，中断系统会暂停当前程序执行并跳转到中断处理程序。

### 3.2 外围设备接口

#### 3.2.1 I/O 端口

- **I/O 端口**：允许单片机与外部设备进行数据传输。
- **输入端口**：接收外部设备的数据。
- **输出端口**：向外部设备发送数据。

#### 3.2.2 定时器/计数器

- **定时器**：用于产生定时中断或测量时间间隔。
- **计数器**：用于计数外部事件或产生脉冲。

#### 3.2.3 串口通信

- **串口**：用于与其他设备进行串行数据通信。
- **UART**：通用异步收发器/传输器，用于实现串口通信。

### 3.2.4 外围设备接口示例

下表列出了单片机常见外围设备接口的示例：

| 外围设备 | 接口 |
|---|---|
| LED | I/O 端口 |
| 按键 | I/O 端口 |
| 串口 | UART |
| 定时器 | 定时器/计数器 |
| 计数器 | 定时器/计数器 |

### 代码示例：I/O 端口配置

以下代码示例展示了如何配置单片机 I/O 端口：

// 定义 I/O 端口地址
#define PORTA 0x00

// 设置 I/O 端口为输出模式
void set_output(uint8_t port, uint8_t pin) {
    // 设置端口方向寄存器 (DDR) 的相应位为 1
    *(&PORTA + (port << 1)) |= (1 << pin);
}

// 设置 I/O 端口为输入模式
void set_input(uint8_t port, uint8_t pin) {
    // 设置端口方向寄存器 (DDR) 的相应位为 0
    *(&PORTA + (port << 1)) &= ~(1 << pin);
}

### 流程图示例：定时器中断处理

以下流程图展示了定时器中断处理的过程：

sequenceDiagram
participant CPU
participant Timer
Timer->CPU: Interrupt
CPU->Timer: Acknowledge
CPU->CPU: Save context
CPU->CPU: Execute interrupt handler
CPU->CPU: Restore context
CPU->Timer: End interrupt

### 扩展阅读

- [单片机系统结构](https://www.electronicshub.org/microcontroller-system-architecture/)
- [I/O 端口](https://www.tutorialspoint.com/embedded_systems/embedded_systems_io_ports.htm)
- [定时器/计数器](https://www.electronicshub.org/timer-and-counter-in-microcontroller/)
- [串口通信](https://www.electronicshub.org/serial-communication-in-microcontroller/)

# 4. 单片机程序设计实践

### 4.1 LED控制

#### 4.1.1 硬件连接

LED控制是单片机最基本的应用之一。硬件连接非常简单，只需要将LED的正极连接到单片机的某个I/O口，负极连接到地即可。

graph LR
subgraph LED控制
    A[单片机] --> B[I/O口]
    B --> C[LED正极]
    C --> D[地]
end

#### 4.1.2 程序设计

LED控制的程序也很简单，只需要对I/O口进行设置即可。以下是一个用C语言实现的LED控制程序：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    // 设置I/O口为输出模式
    DDRB |= (1 << PB0);

    while (1)
    {
        // 点亮LED
        PORTB |= (1 << PB0);

        // 延时1秒
        _delay_ms(1000);

        // 熄灭LED
        PORTB &= ~(1 << PB0);

        // 延时1秒
        _delay_ms(1000);
    }

    return 0;
}

**代码逻辑分析：**

1. 设置I/O口为输出模式：`DDRB |= (1 << PB0);`，将I/O口PB0设置为输出模式。
2. 点亮LED：`PORTB |= (1 << PB0);`，将I/O口PB0置高，点亮LED。
3. 延时1秒：`_delay_ms(1000);`，延时1秒，使LED保持点亮状态。
4. 熄灭LED：`PORTB &= ~(1 << PB0);`，将I/O口PB0置低，熄灭LED。
5. 延时1秒：`_delay_ms(1000);`，延时1秒，使LED保持熄灭状态。

### 4.2 按键检测

#### 4.2.1 硬件连接

按键检测也是单片机的一个常见应用。硬件连接也很简单，只需要将按键的一端连接到单片机的某个I/O口，另一端连接到地即可。

graph LR
subgraph 按键检测
    A[单片机] --> B[I/O口]
    B --> C[按键一端]
    C --> D[地]
end

#### 4.2.2 程序设计

按键检测的程序也比较简单，只需要对I/O口进行读取即可。以下是一个用C语言实现的按键检测程序：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    // 设置I/O口为输入模式
    DDRB &= ~(1 << PB0);

    while (1)
    {
        // 读取I/O口状态
        if (PINB & (1 << PB0))
        {
            // 按键按下
            printf("按键按下\n");
        }
        else
        {
            // 按键未按下
            printf("按键未按下\n");
        }
    }

    return 0;
}

**代码逻辑分析：**

1. 设置I/O口为输入模式：`DDRB &= ~(1 << PB0);`，将I/O口PB0设置为输入模式。
2. 读取I/O口状态：`PINB & (1 << PB0)`，读取I/O口PB0的状态。
3. 判断按键状态：
- 如果I/O口PB0为高电平，则表示按键按下。
- 如果I/O口PB0为低电平，则表示按键未按下。

### 4.3 串口通信

#### 4.3.1 硬件连接

串口通信是单片机与外部设备通信的一种常用方式。硬件连接也很简单，只需要将单片机的TXD和RXD引脚分别连接到外部设备的RXD和TXD引脚即可。

graph LR
subgraph 串口通信
    A[单片机] --> B[TXD]
    B --> C[外部设备RXD]
    C --> D[外部设备TXD]
    D --> E[单片机RXD]
end

#### 4.3.2 程序设计

串口通信的程序需要使用单片机的串口通信模块。以下是一个用C语言实现的串口通信程序：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    // 初始化串口通信模块
    // ...

    while (1)
    {
        // 发送数据
        // ...

        // 接收数据
        // ...

        // 处理数据
        // ...
    }

    return 0;
}

**代码逻辑分析：**

1. 初始化串口通信模块：`// ...`，初始化单片机的串口通信模块，设置波特率、数据位、停止位等参数。
2. 发送数据：`// ...`，将数据发送到串口通信模块，通过TXD引脚发送出去。
3. 接收数据：`// ...`，从串口通信模块接收数据，通过RXD引脚接收进来。
4. 处理数据：`// ...`，对接收到的数据进行处理，例如解析数据、存储数据等。

# 5.1 中断处理

### 5.1.1 中断类型和优先级

中断是一种硬件机制，当发生特定事件时，可以暂停当前正在执行的程序，并跳转到一个称为中断处理程序的特定代码段。单片机通常支持多种中断类型，每种类型都有自己的优先级。

中断优先级决定了当多个中断同时发生时，哪个中断将被优先处理。优先级高的中断会中断优先级低的中断。

### 5.1.2 中断处理程序

中断处理程序是响应中断而执行的代码段。它负责处理中断事件，例如读取中断源寄存器、清除中断标志位和执行必要的操作。

中断处理程序通常遵循以下步骤：

1. 保存当前程序上下文，包括程序计数器、寄存器和堆栈指针。
2. 读取中断源寄存器，确定中断源。
3. 清除中断标志位，表示中断已处理。
4. 执行中断处理操作。
5. 恢复程序上下文，返回到中断发生前的状态。

### 5.1.3 中断嵌套

中断嵌套是指在中断处理程序执行期间又发生另一个中断的情况。单片机通常支持中断嵌套，允许高优先级中断中断低优先级中断。

中断嵌套的处理方式取决于单片机的具体架构。一些单片机使用单独的堆栈来存储每个中断处理程序的上下文，而另一些单片机则使用一个共享堆栈。

**代码示例：**

以下代码示例演示了中断处理程序的结构：

void interrupt_handler() {
  // 保存程序上下文
  push(PC);
  push(R0);
  push(R1);

  // 读取中断源寄存器
  uint8_t interrupt_source = INT0_SOURCE;

  // 清除中断标志位
  INT0_FLAG = 0;

  // 执行中断处理操作
  if (interrupt_source == INT0_SOURCE) {
    // 处理 INT0 中断
  } else if (interrupt_source == INT1_SOURCE) {
    // 处理 INT1 中断
  }

  // 恢复程序上下文
  pop(R1);
  pop(R0);
  pop(PC);
}

**参数说明：**

* `interrupt_handler`：中断处理程序函数。
* `PC`：程序计数器寄存器。
* `R0` 和 `R1`：通用寄存器。
* `INT0_SOURCE` 和 `INT1_SOURCE`：中断源寄存器。
* `INT0_FLAG` 和 `INT1_FLAG`：中断标志位。

**逻辑分析：**

1. 当发生中断时，`interrupt_handler` 函数被调用。
2. 函数首先保存当前程序上下文，包括程序计数器、通用寄存器和堆栈指针。
3. 然后，函数读取中断源寄存器，以确定中断源。
4. 接下来的步骤是清除中断标志位，表示中断已处理。
5. 然后，函数执行必要的中断处理操作，例如读取输入或控制输出设备。
6. 最后，函数恢复程序上下文，返回到中断发生前的状态。

# 6.1 数字时钟

### 6.1.1 系统设计

数字时钟系统主要由单片机、显示器、按键和时钟芯片组成。系统框图如下：

graph LR
subgraph 单片机
    A[单片机]
end
subgraph 显示器
    B[显示器]
end
subgraph 按键
    C[按键]
end
subgraph 时钟芯片
    D[时钟芯片]
end
A --> B
A --> C
A --> D

### 6.1.2 程序设计

数字时钟程序设计主要包括时钟显示、按键处理和时间设置等功能。

**时钟显示**

void display_time() {
    uint8_t hour, minute, second;
    get_time(&hour, &minute, &second);
    display_number(hour, 2);
    display_colon();
    display_number(minute, 2);
    display_colon();
    display_number(second, 2);
}

**按键处理**

void key_scan() {
    uint8_t key_value = read_key();
    switch (key_value) {
        case KEY_UP:
            set_time(0, 1, 0);
            break;
        case KEY_DOWN:
            set_time(0, -1, 0);
            break;
        case KEY_LEFT:
            set_time(-1, 0, 0);
            break;
        case KEY_RIGHT:
            set_time(1, 0, 0);
            break;
    }
}

**时间设置**

void set_time(int8_t hour_offset, int8_t minute_offset, int8_t second_offset) {
    uint8_t hour, minute, second;
    get_time(&hour, &minute, &second);
    hour += hour_offset;
    minute += minute_offset;
    second += second_offset;
    set_time(hour, minute, second);
}