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C语言（嵌入式方向）

news 2025/9/10 9:39:31

1. 数据存储与转换

1.1 内存存储方式

(1) 基本单位

Bit（二进制位）：最小存储单位，值为 0 或 1
Byte（字节）：8 bit
Word（字/字长）：处理器一次可处理的数据宽度
- 8位 MCU：1 Word = 8 bit
- 32位 MCU：1 Word = 32 bit

嵌入式意义：

MCU 寄存器、RAM、Flash 都是按字节/字访问。
Bit 常用于标志位或寄存器控制位。

(2) 字节序（大小端）

大端（Big Endian）
- 高字节存储在低地址，低字节存储在高地址
- 例如：int a = 0x12345678;
  地址数据
  0x00 12
  0x01 34
  0x02 56
  0x03 78
小端（Little Endian）
- 低字节存储在低地址，高字节存储在高地址
  地址数据
  0x00 78
  0x01 56
  0x02 34
  0x03 12

嵌入式应用场景：

外设寄存器：访问寄存器要按硬件要求处理字节序
通信协议：SPI、I2C、UART、CAN 数据可能需要大小端转换
Flash/EEPROM：存储多字节数据时注意读写顺序

C语言示例：

#include <stdio.h>int main() {unsigned int a = 0x12345678;unsigned char *p = (unsigned char*)&a;printf("存储顺序：%02x %02x %02x %02x\n", p[0], p[1], p[2], p[3]);return 0;
}

输出结果不同表示系统大小端方式

(3) 对齐与填充

内存对齐：编译器将数据放到特定地址，提升访问效率
规则（以 32 位 MCU 为例）：
- char → 对齐到 1 字节
- short → 对齐到 2 字节
- int、float → 对齐到 4 字节
- 结构体整体大小也会按最大成员对齐
嵌入式注意：
- 寄存器映射结构体必须 #pragma pack(1) 或 __attribute__((packed)) 避免填充

例子：

struct Test { char a; int b; };
不加 packed：sizeof(Test) = 8（1字节 + 3字节填充 + 4字节）
加 packed：sizeof(Test) = 5

1.2 基本数据类型大小

类型	默认大小（32位MCU）	说明
char	1字节	0255 / -128127
short	2字节	-3276832767 / 065535
int	4字节	-2^31~2^31-1
long	4字节	同 int
long long	8字节	-2^63~2^63-1
float	4字节	单精度浮点
double	8字节	双精度浮点（部分 MCU 可优化成4字节）

嵌入式应用提醒：

小型 MCU 浮点运算慢，尽量用整数处理
uint8_t, int16_t, uint32_t 等标准整型可保证大小一致

1.3 类型转换

(1) 隐式转换

小类型 → 大类型
整数 → 浮点

int a = 10;
float b = a; // int → float

(2) 强制类型转换

用 (类型) 显式指定
可能丢失精度或溢出

float x = 3.14;
int y = (int)x; // y = 3

(3) 嵌入式应用示例

ADC 转换为电压：

uint16_t adc_val = 2048;
float voltage = (float)adc_val * 3.3f / 4095;

通信协议数据打包/拆包：

uint16_t data = 0x1234;
uint8_t low = (uint8_t)data;      // 低字节
uint8_t high = (uint8_t)(data>>8); // 高字节

1.4 未决问题 & 嵌入式注意事项

溢出：
- 有符号整型溢出行为未定义
- 无符号整型溢出回绕（模2^n）
浮点精度：
- 小数运算可能不精确
- MCU可用定点运算替代
内存优化：
- 位域、压缩结构体可减少 RAM 占用

2. 代码与基本数据类型

2.1 基本数据类型

(1) 整数类型

有符号（signed）：默认，能表示正数、负数
无符号（unsigned）：只能表示正数，范围更大

👉 在嵌入式中，无符号类型常用于计数器、定时器、寄存器值

uint16_t timer_cnt = 65535;  // 定时器计数寄存器

(2) 浮点类型

float（单精度，4字节）
double（双精度，8字节，有些 MCU 仍然按 4 字节处理）

⚠️ 嵌入式注意：

STM32F1 没有 FPU（硬件浮点单元），浮点运算非常慢
在定时、PWM、滤波中，能用整数计算就尽量用整数

例如：

// 用浮点计算电压
float voltage = (adc_val * 3.3f) / 4096.0f;// 用整数计算（效率更高）
uint32_t voltage_mV = (adc_val * 3300) / 4096;  // 单位：mV

(3) 特殊关键字类型

`volatile`

告诉编译器：该变量随时可能被 硬件/中断修改，不要优化。
常用于寄存器映射、全局标志位。

volatile uint32_t TIM_FLAG;  // 定时器中断标志void TIM_IRQHandler(void) {TIM_FLAG = 1;   // 中断修改
}int main() {while (!TIM_FLAG);  // 主程序轮询等待
}

如果不用 volatile，编译器可能认为 TIM_FLAG 永远不变，直接优化掉循环。

`const`

定义只读变量
嵌入式常用于查表、存储常量参数（放在 Flash，而不是 RAM）

const uint8_t sine_table[256] = { /* 正弦波表 */ };

`typedef`

为类型起别名，提高可读性

typedef unsigned int uint32_t;

2.2 指针与数组

(1) 指针

存储变量地址，可以间接访问数据
嵌入式最重要的用途：寄存器映射

#define GPIOA_ODR  (*(volatile unsigned int*)0x4001080C)
GPIOA_ODR = 0x01;  // 直接操作寄存器

👉 volatile 必须加，否则优化掉寄存器访问。

(2) 数组

一段连续内存存储同类数据
嵌入式常用于 数据缓存（buffer）

uint8_t rx_buffer[128];  // 串口接收缓存

(3) 字符串（C风格）

实际上是 char 数组，以 '\0' 结尾

char msg[] = "Hello STM32";

2.3 结构体与位域

(1) 结构体

把相关数据打包
嵌入式常用于 传感器数据打包、通信数据帧

struct Sensor {int temperature;int humidity;int pressure;
};

(2) 位域（嵌入式重点 ⚡）

可以按位定义变量，节省空间
常用于寄存器操作

struct GPIO_CR {unsigned int MODE : 2;  // 2位unsigned int CNF  : 2;  // 2位unsigned int RES  : 28; // 保留
};

使用方式：

struct GPIO_CR *reg = (struct GPIO_CR*)0x40010800;
reg->MODE = 0x3;   // 设置模式

⚠️ 注意：不同编译器对位域存放规则可能不同，不适合跨平台寄存器映射，常用 宏定义+位操作 更可靠。

2.4 枚举与宏

(1) 枚举（enum）

用于定义状态机、模式切换等

enum State { IDLE, RUNNING, ERROR };
enum State sys_state = IDLE;

(2) 宏（#define）

用于常量、寄存器、位操作

#define LED_PIN  (1<<5)     // PA5
#define LED_ON   (GPIOA_ODR |= LED_PIN)
#define LED_OFF  (GPIOA_ODR &= ~LED_PIN)

📌 小结（代码与基本数据类型）

基本类型：整数优先、浮点尽量少用
关键字：volatile（寄存器、中断标志）、const（查表）
指针：核心在于寄存器映射
结构体与位域：提高可读性，寄存器操作常用宏更安全
宏 & 枚举：便于定义寄存器位、系统状态

3. 数据运算符

3.1 算术运算符

(1) 基本运算

+：加法
-：减法
*：乘法
/：除法
%：取余（整型才有，浮点不能用 %）

嵌入式注意点：

整型除法 → 舍弃小数部分：
```
int a = 7/3;  // a = 2
```
除以 0 → 未定义行为，MCU 可能异常。
% 运算效率低，可以用位运算代替（如 %2 可以用 &1）。

优化示例：

// 判断奇偶数
if (x % 2 == 0) { }   // 慢
if ((x & 1) == 0) { } // 快

3.2 关系运算符

==：相等
!=：不相等
> < >= <=

👉 在嵌入式中常用于 传感器判断、标志位检测

if (adc_val > 2000) {// 电压过高
}

3.3 逻辑运算符

&&：逻辑与
||：逻辑或
!：逻辑非

嵌入式应用：

多条件检测（如按键+传感器同时有效）

if (button_pressed && adc_val > 1000) {// 条件同时满足
}

3.4 位运算符（嵌入式重点 ⚡）

(1) 与（&）

保留某些位，其余清零

value &= ~(1<<3); // 清零第3位

(2) 或（|）

设置某些位为 1

value |= (1<<5);  // 置位第5位

(3) 异或（^）

相同为 0，不同为 1 → 用于翻转某些位

value ^= (1<<2);  // 翻转第2位

(4) 取反（~）

0 → 1，1 → 0

uint8_t a = 0b10101010;
a = ~a;  // 结果：01010101

(5) 移位（<< >>）

<< 左移：乘 2
>> 右移：除 2（有符号数右移时，最高位补符号位）

uint8_t a = 1 << 3; // 结果 = 8 (00001000)

(6) 嵌入式应用实例

GPIO 输出控制

#define LED_PIN (1<<5)  GPIOA_ODR |= LED_PIN;   // PA5 置高（LED亮）
GPIOA_ODR &= ~LED_PIN;  // PA5 置低（LED灭）

寄存器配置（置位/清零）

// 使能 TIM2 时钟 (RCC_APB1ENR寄存器第0位)
RCC_APB1ENR |= (1<<0);  // 关闭 TIM2 时钟
RCC_APB1ENR &= ~(1<<0);

翻转引脚状态

GPIOA_ODR ^= (1<<5);  // PA5 电平翻转

3.5 赋值与自增运算符

(1) 复合赋值运算符

+= -= *= /= &= |= ^= <<= >>=

a += 5;   // 相当于 a = a + 5

(2) 自增自减运算符

++a：先加再用
a++：先用再加

int a = 5;
int b = a++; // b=5, a=6
int c = ++a; // c=7, a=7

嵌入式常用场景：循环计数、数组索引、延时函数。

3.6 条件运算符

三目运算符：条件 ? 值1 : 值2

int min = (a < b) ? a : b;

👉 嵌入式里常用于 寄存器快速判断赋值。

📌 小结（数据运算符）

算术运算：注意整型除法和溢出
逻辑运算：常用于多条件判断
位运算：嵌入式开发核心，寄存器、GPIO 必备
赋值/自增：常用于循环和计数
条件运算：简洁高效，适合快速判断

4. 总结与应用实例

4.1 LED 闪烁程序解析

这是嵌入式 C 语言学习的第一个“Hello World”。

#include "stm32f10x.h"int main(void) {// 1. 开启 GPIOA 时钟 (RCC_APB2ENR bit2 = 1)RCC->APB2ENR |= (1<<2);// 2. 设置 PA5 为推挽输出 (GPIOA_CRL MODE5=11, CNF5=00)GPIOA->CRL &= ~(0xF << (5*4));  // 清零GPIOA->CRL |=  (0x3 << (5*4));  // 输出模式 50MHz// 3. 循环点亮和熄灭 LEDwhile(1) {GPIOA->ODR |=  (1<<5);   // LED ONfor (volatile int i=0; i<500000; i++); // 延时GPIOA->ODR &= ~(1<<5);   // LED OFFfor (volatile int i=0; i<500000; i++); // 延时}
}

知识点应用：

数据存储
- volatile 用于延时变量，避免编译器优化掉循环
数据类型
- 使用 int 和 uint32_t，保证寄存器访问一致
运算符
- |、&~ 用于寄存器位操作
- 移位 << 用于快速定位寄存器位

4.2 定时器配置实例

利用 TIM2 让 LED 每秒闪烁一次。

#include "stm32f10x.h"int main(void) {// 1. 开启 GPIOA、TIM2 时钟RCC->APB2ENR |= (1<<2);  // GPIOARCC->APB1ENR |= (1<<0);  // TIM2// 2. 设置 PA5 为输出GPIOA->CRL &= ~(0xF << (5*4));GPIOA->CRL |=  (0x3 << (5*4));// 3. 配置 TIM2 (1Hz 定时)TIM2->PSC = 7200 - 1;   // 72MHz/7200 = 10kHzTIM2->ARR = 10000 - 1;  // 10kHz/10000 = 1HzTIM2->CR1 |= 1;         // 使能定时器while (1) {if (TIM2->SR & 1) {       // 溢出标志 UIF=1TIM2->SR &= ~1;       // 清除 UIFGPIOA->ODR ^= (1<<5); // 翻转 LED}}
}

知识点应用：

存储与转换：PSC、ARR 用整数计算替代浮点运算
数据类型：uint16_t 确保定时器参数不会溢出
运算符：
- & 检查标志位
- &~ 清除标志位
- ^ 翻转 LED

4.3 通信协议打包与解析

模拟 UART 发送温度和湿度数据。

#include <stdint.h>typedef struct {uint8_t header;uint16_t temperature;uint16_t humidity;uint8_t checksum;
} DataPacket;uint8_t calc_checksum(DataPacket *pkt) {return (uint8_t)(pkt->header + (pkt->temperature&0xFF) + (pkt->temperature>>8)+ (pkt->humidity&0xFF) + (pkt->humidity>>8));
}int main(void) {DataPacket pkt;pkt.header = 0xAA;pkt.temperature = 253;  // 25.3℃pkt.humidity = 600;     // 60.0%pkt.checksum = calc_checksum(&pkt);// 此处可通过 UART 发送 pktreturn 0;
}