[嵌入式]单片机及C语言入门

一、什么是单片机？

1. 将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单的I/O设备（小键盘、LED显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序（固化在ROM中），就构成了一台单片微型计算机（简称单片机）。 由于单片机在使用时，通常处于测控系统的核心地位并嵌入其中，因而，国际上通常把单片机称为嵌入式控制器( Embedded MicroController Unit, EMCU )或微控制器( MicroContoller Unit,MCU)。而在我国，大部分工程技术人员则习惯使用“单片机”这一名称。
2. 单片机是一块可编程的控制芯片，通过给单片机设计不同的程序，让单片机执行不同的功能。
3. 种类：4位、8位、16位和32位单片机，位数越高，数据处理能力更强。
   8051单片机、AVR单片机、PIC单片机、MSP430/432单片机、基于ARM技术的单片机。
4. 用途：
   工业自动化: 数据采集、测控技术。
   智能仪器仪表: 数字示波器、数字信号源、数字万用表、感应电流表等。
   消费类电子产品: 洗衣机、电冰箱、空调机、电视机、微波炉、手机、IC 卡、汽车电子设备等 。
   通讯方面: 调制解调器、程控交换技术、手机、小灵通等。
   武器装备: 飞机、军舰、坦克、导弹、航天飞机、鱼雷制导、智能武器等。
5. 单片机最小系统板

需要添加复位电路，电源电路、晶振电路，单片机才能正常工作。

二、单片机结构

1. 单片机的结构
   单片机内部各种部件：CPU，RAM，ROM，计时器/计数器、串行口，IO口、中断系统、特殊功能寄存器、看门狗定时器。

举例：AT89S51

片内结构图

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封装图

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实物图

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VCC为电源引脚，用于给单片机供电，VSS为接地。
1~40的数字为不同引脚的编号，数字旁边的英文+数字是引脚的名称，如P1.0、P1.1、P1.2，VCC等。
2. IO口（input，output）
以P开头的引脚是IO口引脚（P0.0_P0.7、P1.0P1.7、P2.0_P2.7，P3.0P3.7），IO有两种状态，高电平和低电平，也叫1和0。
高电平简单来说就是相对高的电压，一般为单片机的VCC的电压，5V或3.3V，AT89S51为5V。
低电平为0V。
单片机上电后IO口的默认状态为高电平。
可以用程序来控制单片机，让单片机的IO口输出不同的电平，若再给IO口引脚连接到电子元件，可以完成不同的目的如led亮灭等。
也可以给单片机的IO引脚连接外部电源或者接地，此时可以编写程序，让单片机检测自己引脚电平状态，实现计算、逻辑运算等不同的功能。
3. 其他功能
复位：能让单片机内部程序从头开始运行，单片机RST引脚接高电平
RX/TX : 在单片机和其他设备通信时候用。
ADC: 采集外部信号时用

三、单片机工作过程

1. 如果使用实物
   设计电路：设计好硬件电路
   编程：用软件编写C语言程序(keil4、keil5等)
   编译：把C语言程序编译成 .hex文件
   烧录：用下载线连接单片机和电脑 ，把hex文件“输入”到单片机内部，把程序写入单片机。（这个烧录过程相当于光盘的刻录）
   上电运行：单片机根据烧录的程序，开始执行对于的操作。

2. 如果使用仿真
   设计电路：打开proteus软件，选择对应单片机型号，放置单片机，设计需要的电路
   编程：用软件编写C语言程序(keil4、keil5等)
   编译：把C语言程序编译成 .hex文件
   烧录：双击单片机芯片，选择编译好的hex文件，确定。
   运行：点击运行按钮，运行proteus仿真

如果需要修改程序，可以重新烧录运行。

四、单片机编程–C语言入门

编程可以让电脑代替人完成一些工作，如果应用到单片机领域，就可以让单片机完成一些功能
1. 位和进制
(1) 介绍进制转化
在此之前，介绍字节和位数的概念：由于内部结构，计算机只能识别0和1两种状态，位是最基本单位，它只能取值0和1
1个字节 = 8位

1位 只能是0和1，2位 的组合方式有00，01，10，11 分别可以表示 0、1、2、3 ，4位 的组合方式有16种，可以表示十进制0~15，总共16个数字
依次类推 n位可以表示2^n个数字。
所以一个字节的大小为0~255。
所以任意一个数字可以被0和1来表示，0和1组成的数叫二进制数
同样的，也有16进制数，十进制的0_{15，用十六进制的0}9、A~F(不区分大小写)表示，一般会在十六进制前加0x用以区分不同进制
举个例子： 十进制的15用0xF表示，16用0xF1表示，255用0xff表示
在单片机中会经常用到十六进制数和二进制的转换

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根据规律二进制每4个一组 转化为对应的十六进制字母 即可得到十六进制数

即1001000111111100=0x91fc，反之也成立
只有二进制和十六进制转化时可以每一位分开转化，二进制和十进制之间不可以，也就是说 0001 1001 不能等于 十进制19，十进制15也不能等于001101
(2) 介绍位运算
位运算为二进制数的运算，所以其他进制数进行位运算时需要转化为二进制数
与 &：0&0=0，0&1=0，1&0=0，1&1=1，0和任意数相与（&）得0。
或 | ：0|0=0，0|1=1，1|0=1，1|1=1, 1和任意数相或（|）得1。
异或^: 0^0=0，01=1,1^0=1,11=0 相同为0，相异为1
取反_：0=1，~1=0
左移：0<<1=10表示0左移1位，结果为10B(二进制)，
右移：0>>1=0表示0右移一位，还是0

多位二进制数也可以进行位运算 0001&1111=0001 运算方法为逐位相与 0&0 0&0 0&0 1&1
多位二进制数也可以进行移位运算 0101<<1=01010,右侧补0
0101>>1=0010 ,左侧补0，低位1直接舍弃
2. 语法
(1) 就像学习英语等其他语言一样，掌握语法是基础，C语言也有自己的语法。
电脑执行C语言程序时，会一行执行完，再执行下一行，即顺序执行

如图中执行完第24行后，才会到25行，然后26行，27，28…
(2) C语言每一条语句末尾都需要添加分号，如果不添加分号，就会和下一条语句视为同一行。
(3) 一条语句分为几部分内容，内容之间需要用空格隔开，如定义变量中int和a之间要用空格隔开。
(4) C语言大括号用于区分不同的代码块，相当于给代码分组，几个语句可以分为一组
(5) 注释：
单行注释用 两个斜杠+注释内容 表示。如上图的绿色字体。
多行注释用 /* 注释内容 */表示，注释内容两边加斜杠和星号。
注释不算语句，对语句的运行没有影响，主要用于解释自己的语句内容。
勤加注释可以帮助自己理清程序思路，让别人读懂自己的程序，在程序出现bug时更好排查
(6) C语言所有语句都用英文输入法来写，包括逗号，分号，引号，如果语句内容出现中文汉字或中文标点，程序会出错
3. 变量
变量可以存储一些数据，能执行逻辑运算等操作
操作变量分为三步：定义，赋值、运算
(1) 定义 ： 定义变量的取值范围，后面的赋值操作不能超出这个范围 ，定义只需定义一次。语法结构为 ： 数据类型+空格+变量名字+分号
如

int a; 
float a1;//a和a1是不同变量的名字
unsigned int car;
char car_value1;//变量名字可以为字母数字下划线，但名字开头不能用数字，如1a，1b是错误的命名方式。

数据类型包括char , int，unsigned int，float，short int，unsigned short int，long int，unsigned long int，等
这些类型的区别为定义的范围不同： int定义的变量范围为4个字节,范围为

char定义的为8个字节，范围为-128~127，
unsigned char定义的范围和char一样，unsigned意思是没有符号，不能为负数，即unsigned char的变量只能取0~255

(2) 逻辑运算和算术运算
运算的语法结构为： 变量名字 + 运算符 + 运算的内容（可以为数字、字母、另外一个变量名等）+ 分号
举例

a = 1;   //把1赋值给a,    注意：赋值前一定要先定义

还可以把其他变量的值赋值给这个变量

int b;  //定义b为int类型
int a; //定义a为int类型
b=1;  //给b赋值给1
b=2; //多次赋值会覆盖之前的值，值以最近的一次为准，所以此时b的值为2
a=b;  //把b的值赋值给a ，  此时a的值为2
b=b-1;//把b-1的值赋值给b，因为b-1等于1，所以b的值此时变成了1
b=b<<1; //也可以结合位运算，b左移一位,b变成10，即十进制的2

4.三大基本结构：顺序，选择，循环

顺序就是前面所讲的按行的顺序，向下执行
选择：使用if语句或用switch语句

if(判断语句)
{
	判断语句的结果为true执行
}
else
{
	判断语句的结果为false执行
}

判断语句：如
a>1: 如果a的值大于1，a>1的结果为true（真或1）。如果a为2，那么结果为真。
a<1 如果a的值小于1，a<1的结果为true
还有>= , <=表示大于或等于、小于或等于
判断值是否相等用双等号==，例如 a==1判断a是否等于1，等于则结果为true，否则为false
判断值是否不相等用英文感叹号和等号!=，例如 a!=1判断a是否不等于1，不等于则结果为true，否则为false
两个判断语句合并为一个： 语句1 && 语句2 语句1成立且语句2成立
两个判断语句合并为一个： 语句1 || 语句2 语句1成立或语句2成立
if语句的嵌套用法

if(判断语句)
{
	判断语句的结果为true执行
}
if else(判断句2)
{
	判断语句2的结果为true执行
}
if else(判断句3)
{
	判断语句3的结果为true执行
}
...
else
{
	所有判断语句的结果为false执行
}

举例

int a;
int b;
a=0;
b=1;
if(a==0  && b>0)  //判断是否 a等于0且b大于0
{
b=2
}
else
{
b=1
}

//if内条件成立，执行语句b=2，给b赋值

除了if，还有switch case语句。

循环的作用： 执行多条重复或有规律的语句
有两种 while语句 for语句
while：

while(判断语句)
{
	//判断语句成立时执行大括号内的代码
	/*如果执行完一次，会进入判断语句，再次判断条件是否成立（true），如果成立，就会再执行代码，如果不成立，不会执行代码，直接执行while后面的其他代码*/
	/*执行次数取决于判断语句*/
}
/*其他代码（在大括号外边，不在while的作用域内）*/*

举例

int a=1;//定义和赋值写一起也可以
int b;
while(a<3)
{
	a=a+1;//或写成 a++
}
b=1
/*解释： a<3成立，执行语句a=a+1，a变成2，再执行语句a<3,也成立，再次执行a=a+1,再次判断，3<3不成立，跳出循环,执行b=1，然后顺序执行...*/

其他用法

int a;
while(1)
{
	a=a+1;
}
/*这里的1也可以看成一条语句，这条语句的结果始终为1，即为true，因此while里面的内容会无限执行下去*/

for语句C for 循环 | 菜鸟教程 (runoob.com)
C 语言中 for 循环的语法：

for ( init; condition; increment )
{ 
	statement(s); 
}

解释

1. init 会首先被执行，且只会执行一次。这一步允许您声明并初始化任何循环控制变量。您也可以不在这里写任何语句，只要有一个分号出现即可。
2. 接下来，会判断 condition。如果为真，则执行循环主体。如果为假，则不执行循环主体，且控制流会跳转到紧接着 for 循环的下一条语句。
3. 在执行完 for 循环主体后，控制流会跳回上面的 increment 语句。该语句允许您更新循环控制变量。该语句可以留空，只要在条件后有一个分号出现即可。
4. 条件再次被判断。如果为真，则执行循环，这个过程会不断重复（循环主体，然后增加步值，再然后重新判断条件）。在条件变为假时，for 循环终止。
   举例

int a;
int b;
for(a=0;a<10;a++)
{
	//写需要执行的语句
	if(a==5)
	{
		b=1;
	}
}

函数相关知识

函数的定义C 函数 | 菜鸟教程 (runoob.com)
return_type function_name( parameter list )
{
body of the function
}

在 C 语言中，函数由一个函数头和一个函数主体组成。下面列出一个函数的所有组成部分：

• **返回类型：**一个函数可以返回一个值。return_type 是函数返回的值的数据类型。有些函数执行所需的操作而不返回值，在这种情况下，return_type 是关键字 void。
• **函数名称：**这是函数的实际名称。函数名和参数列表一起构成了函数签名。
• **参数：**参数就像是占位符。当函数被调用时，您向参数传递一个值，这个值被称为实际参数。参数列表包括函数参数的类型、顺序、数量。参数是可选的，也就是说，函数可能不包含参数。
• **函数主体：**函数主体包含一组定义函数执行任务的语句。
  举例
  

宏定义

C语言编程的基本框架

单片机中用第一种

程序示例

C程序

#include <stdio.h>

void main()
{
    int a;     //定义变量
    a = 0;     //变量赋值
    a = a + 1; //变量运算
    a = a << 1;
    
    while(a<3)
	{
		a = a+1;
	}
	b =1 ;
	
	for(a=0;a<10;a++)
	{
		if(a==5)
		{
			b=1;
		}
	}
	printf("a=%d",a);//打印出a的值
}

单片机程序

#include "reg51.h"  //这是51单片机标准头文件
void main()
{


}

编程软件

测试一些的C语言程序可以安装 Dev C++Dev-C++ download | SourceForge.net，能编译成exe文件
如果需要给单片机写程序，需要用keil软件。C51用keil uvision4，编译成单片机能用的hex文件

附录