单片机相关知识点

单片机相关知识点

一，了解嵌入式和单片机

1.1 什么是嵌入式

1.1.1 定义

​ 嵌入式系统是以应用为中心，以现代计算机技术为基础，能够根据用户需求(功能、可靠性、成本、体积、功耗、环境等)灵活裁剪软硬件模块的专用计算机系统。

1.1.2 特点

​ 嵌入式系统的硬件和软件必须根据具体的应用任务，以功耗、成本、体积、可靠性、处理能力等为指标来进行选择。嵌入式系统的核心是系统软件和应用软件，由于存储空间有限，因而要求软件代码紧凑、可靠，且对实时性有严格要求。从构成上看，嵌入式系统是集软硬件于一体的、可独立工作的计算机系统；从外观上看，嵌入式系统像是一个**“可编程”的电子“器件”；从功能上看，它是对目标系统(宿主对象)进行控制**，使其智能化的控制器。

1.2 什么是单片机

1.2.1 定义

​ 单片机（Single-Chip Microcomputer）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。

1.3 思维导图

我们可以把计算机技术分为五个部分：单片机基础，时钟与晶振，GPIO 与中断，通信协议，RT-Thread 系统。

​ 单片机基础

• 单片机是一种集成电路，集成了 CPU，RAM，ROM 等多种功能。
• 单片机的硬件特性包括体积小，集成度高，低电压低功耗等。
• 单片机的启动流程包括上电复位，时钟初始化，外设初始化等步骤。

​ 时钟与晶振

• 时钟为单片机提供工作频率，常见的时钟源有 HSL，HSE，PLL等。
• 晶振通过电压效应产生谐振，提供稳定的时钟信号。
• 通过 PLL 可以将 8MHz 晶振倍频至 72MHz，提高时钟频率的稳定性。

​ GPIO 与中断

• GPIO 口有输入和输出两种工作模式，支持浮空，上拉，下拉等配置。
• 中断用于快速响应外部事件，提高 CPU 效率，支持优先级设置。
• EXTI 控制器用于检测外部信号的变化边沿，并产生中断。

​ 通信协议

• 串口通信分为异步和同步，支持单工，半双工和全双工三种模式。
• SPI 是一种高速全双工通信协议，支持主从模式和多种时钟模式。
• IIC 是一种串行通信协议，支持多主从架构，使用 SCL 和 SDA 两根线。

​ RT-Thread 系统

• RT-Thread 是一个实时操作系统，支持多任务调度和优先级管理。
• RT-Thread 的启动流程包括硬件初始化，调度器启动和任务创建等步骤。
• RT-Thread 支持信号量，互斥量，事件等多种任务间通信机制。

1.4 单片机的硬件特性

• 单片机的体积比较小， 内部芯片作为计算机系统，其结构简单，但是功能完善，使用起来十分方便，可以模块化应用。

• 单片机有着较高的集成度，可靠性比较强，即使单片机处于长时间的工作也不会存在故障问题。

• 单片机在应用时低电压、低能耗，是人们在日常生活中的首要选择， 为生产与研发提供便利。

• 单片机对数据的处理能力和运算能力较强，可以在各种环境中应用，且有着较强的控制能力。

• 成本低，更适合在嵌入式领域应用。

• **总结：**一个微控制器（MCU–单片机）的组成？最小系统板包含哪些内容？
  晶振（时钟），电源 ，复位（上电复位）。

• 复位电路的作用？

单片机刚开始上电的时候，避免电压波动对单片机工作的影响，所以说先要复位（类似与按键的物理消抖）。

1.5 单片机启动流程

​ MCU上电（复位）时，从固定的地址启动，一般是地址0x00000000，如ARM7；个别特殊的如STM32默认启动地址为0x8000000（flash区启动）。STM32的内部闪存地址起始于0x8000000，一般情况下，程序文件就从此地址开始写入。此外STM32是基于Cortex-M3内核的微控制器，其内部通过一张“中断向量表”来响应中断，程序启动后，将首先从“中断向量表”取出复位中断向量（上面的Reset_Handler）执行复位中断程序完成启动。

​ 常规模式总结：大家一定要看启动文件：

二，单片机相关知识点

2.1 GPIO

2.1.1 GPIO 概述

GPIO（General Purpose Input/Output）是STM32微控制器最基本、最常用的外设之一，用于
与外部设备进行数字信号交互（如控制LED、读取按键、驱动传感器等）。
咱们学习 Hi3861 中利用 GPIO 完成了 LED 控制，按键控制，传感器数据读取，蜂鸣器控制，利
用 GPIO 模版 PWM 控制舵机。

GPIO 的控制核心逻辑：

• 输入输出控制
• 高低电平控制

在当前 STM32F103ZET6 中一共有：

• 7 组 GPIO 分别对应 GPIOA ~ GPIOG 分组；
• 同时每一个 GPIO 分组对应 16 个对外引脚，流入 GPIOA00 ~ GPIOA15 ==> PA0 ~ PA15；
• STM32F103ZET6 对外可以提供可编程 GPIO 引脚一共是 16 * 7 ==> 112 引脚。

2.1.2 GPIO 的输入输出模式（STM32 为例）

• 哪一组 GPIO，例如 GPIOB
• 操作的 GPIO 是当前组内第几个 Pin 引脚, 对应引脚为 5 引脚 ==> PB5
• 设置 GPIO 的工作模式

​ I/O 端口位的基本结构

​ 浮空输入模式（Floating Input）

• **原理：**在这种模式下，GPIO 引脚没有接上拉电阻或下拉电阻，其电平状态完全取决于外部电
  路。引脚处于高阻抗状态，输入电流几乎为零。
• **应用场景：**适用于外部信号已经有明确的驱动能力和电平状态的情况，比如连接按键，按键
  按下时直接将引脚接地，松开时引脚浮空，通过读取引脚电平判断按键状态。

​ 上拉输入模式（Pull - up Input）

• **原理：**GPIO 引脚内部连接了上拉电阻，当外部电路没有对引脚进行驱动时，引脚电平被上拉
  到高电平。如果外部电路将引脚拉低，那么引脚电平就为低电平。
• **应用场景：**常用于按键输入，当按键未按下时，引脚通过上拉电阻保持高电平；按键按下
  时，引脚接地变为低电平，避免了引脚浮空可能带来的电平不稳定问题。

​ 下拉输入模式（Pull - down Input）

• **原理：**与上拉输入模式相反，GPIO 引脚内部连接了下拉电阻，当外部电路没有对引脚进行驱
  动时，引脚电平被下拉到低电平。如果外部电路将引脚拉高，那么引脚电平就为高电平。
• **应用场景：**同样适用于按键输入等场景，当按键未按下时，引脚通过下拉电阻保持低电平；
  按键按下时，引脚接高电平。

​ 模拟输入模式（Analog Input）

• **原理：**该模式下，GPIO 引脚用于模拟信号的输入，内部的数字逻辑电路被断开，引脚直接连
  接到模拟信号处理模块，如 ADC（模拟 - 数字转换器）。
• **应用场景：**用于采集模拟信号，如温度传感器、压力传感器等输出的模拟电压信号，通过
  ADC 将模拟信号转换为数字信号进行处理。

​ 开漏输出模式（Open - Drain Output）

• **原理：**在开漏输出模式下，GPIO 引脚内部的输出级只有 N 沟道 MOS 管，当输出为低电平
  时，MOS 管导通，引脚接地；当输出为高电平时，MOS 管截止，引脚处于高阻态，需要外
  部接上拉电阻才能输出高电平。
• **应用场景：**常用于实现线与功能、I2C 总线等通信协议，多个开漏输出引脚可以连接在一
  起，只要有一个引脚输出低电平，总线就为低电平。

​ 推挽输出模式（Push - Pull Output）

• **原理：**推挽输出模式下，GPIO 引脚内部的输出级由 P 沟道 MOS 管和 N 沟道 MOS 管组成。
  当输出为高电平时，P 沟道 MOS 管导通，引脚输出高电平；当输出为低电平时，N 沟道
  MOS 管导通，引脚输出低电平。
• **应用场景：**适用于直接驱动一些负载，如 LED 灯，能够提供较强的驱动能力。

​ 复用开漏输出模式（Alternate Function Open - Drain Output）

• **原理：**该模式下，GPIO 引脚的功能由片上外设控制，输出级采用开漏输出结构。与普通开漏
  输出模式类似，需要外部接上拉电阻才能输出高电平。
• **应用场景：**常用于一些通信协议和外设接口，如 SPI 总线的某些引脚、I2C 总线等，将 GPIO
  引脚复用为外设的特定功能。

​ 复用推挽输出模式（Alternate Function Push - Pull Output）

• **原理：**此模式下，GPIO 引脚的功能由片上外设控制，输出级采用推挽输出结构，能够直接输
  出高电平和低电平。
• **应用场景：**常用于一些需要较强驱动能力的外设接口，如 UART 通信的发送引脚、PWM 信
  号输出等。

2.2 串口

2.2.1 串口的用途

• 硬件中数据传递的一种方式，对应 USART 和 UART。包括 RS485 RS232 CAN ；
• 主要用户是按照【串行数据传递形式】完成设备之间的数据通信。

2.2.2 串行和并行

​ 机器的通信方式有两种，分别是并行通信与串行通信。

**并行通信：**并行通信是指多比特数据同时通过并行线进行传送，这样数据传送速度大大提高，但并行传送的线路长度受到限制，因为长度增加，干扰就会增加，数据也就容易出错（了解）。

**串行通信：**串行通信是指使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息，特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。

串行通信和并行通信的特性对比：

2.2.3 异步和同步串行通信

​ 串行通信有两种，分别是异步串行通信与同步串行通信。两种串行通信不同就只有时间，在发送字符时，异步可以是不同时间间隔发送，但同步只能以固定的时间间隔发送。

**异步串行通信：**异步串行通信是指通信双方以一个字符（包括特定附加位）作为数据传输单位且发送方传送字符的间隔时间不一定，具有不规则数据段传送特性的串行数据传输。

主设备(Master)和从设备(Slave)，数据发送和接收**【时钟总线】不同**

• 主设备数据位，字节和从设备数据位，字节，直接的时间关系无所谓。假设主设备进行数据发送，从设备等了两年半之后接收数据。【异步】。
• 数据内容必须有明确的【起始标记】和【终止标记】。

**同步串行通信：**同步串行通信是指在约定的通信速率下，发送端和接收端的时钟信号频率和相位始终保持一致（同步），这就保证了通信双方在发送和接收数据时具有完全一致的定时关系。

主设备(Master)和从设备(Slave)，数据发送和接收**【时钟总线】步调一致**

• 主设备和从设备之间进行数据传递。主设备数据位，字节和从设备数据位，字节时钟一致。【同步状态】。

2.2.4 单工，半双工和全双工串行通信

​ 串行通信制式有单工串行通信，半双工串行通信，全双工串行通信三种。

• **单工串行通信：**单工串行通信信道是单向信道，发送端和接收端的身份是固定的，发送端只能发送信息，不能接收信息；接收端只能接收信息，不能发送信息，数据信号仅从一端传送到另一端，即信息流是单方向的。
• **半双工串行通信：**半双工串行数据传输指数据可以在一个信号载体的两个方向上传输，但是不能同时传输。例如，在一个局域网上使用具有半双工传输的技术，一个工作站可以在线上发送数据，然后立即在线上接收数据，这些数据来自数据刚刚传输的方向。像全双工传输一样，半双工包含一个双向线路（线路可以在两个方向上传递数据）。
• **全双工串行通信：**全双工串行通信是指在同一时刻信息可以进行双向传输，和打电话一样，说的同时也能听，边说边听。这种发射机和接收机分别在两个不同的频率上（两个频率差有一定要求）能同时进行工作的双工机也称为异频双工机。
• 三种通信制式很容易理解，对照上图看，单工串行通信不就是单方面通信，只能发出指令或接收指令。半双工串行通信就是能接收又能发送，但是不能同时进行。全双工串行通信就最厉害，可以同时发送和接收指令。

2.2.5 比特率和波特率

​ 2.2.5.1 比特率

**定义：**比特率是指单位时间内传输的二进制比特（bit）的数量。
**单位：**比特每秒（bps, b/s），如 kbps, Mbps。
**关注点：**数据传输的效率。
**计算公式：**比特率 (Rb) = 波特率 (Rs) × 每个符号承载的比特数 (m)

​ 2.2.5.2 波特率

**定义：**波特率是指单位时间内通信线上信号符号变化的次数。一次变化称为一个波特。
**单位：**波特（Baud）。
**关注点：**信号的调制速度。
**计算公式：**波特率 (Rs) = 比特率 (Rb) / 每个符号承载的比特数 (m)

​ 2.2.5.3 区别与联系

• 核心区别

比特率：衡量有效信息的传输速度。

波特率：衡量信号符号的变化速度。

• 可以把通信想象成运货：
  比特率关心的是每秒从A地运到B地多少公斤（公斤/秒）的货物。
  波特率关心的是每秒从A地发出多少辆卡车（辆/秒）。
  至于每辆卡车能装多少公斤货物（一个符号代表几个比特），那是另一回事。

特性	比特率	波特率
衡量对象	数据量（信息量）	信号变化次数（符号率）
核心问题	每秒传多少比特	每秒信号变化多少次
单位	bps (bits per second)	Baud (Symbols per second)
关系	比特率 ≥ 波特率	波特率 ≤ 比特率
依赖关系	由波特率和调制方式共同决定	由信道带宽和调制方式决定

​ 2.2.5.4 总结

区别：比特率是信息速度，波特率是符号速度。
**联系：**比特率 = 波特率 × log₂(M)，其中M是调制符号的总数。
**关键点：**在简单的二进制调制下（m=1），二者数值相等，因此常常混用“波特率”和“比特率”。但在现代高速通信中（如Wi-Fi， 4G/5G），由于采用了高阶调制（m>>1），所以比特率远大于波特率。

2.3 中断

2.3.1 中断是什么

​ 中断是指计算机运行过程中，出现某些意外情况需主机干预时，机器能自动停止正在运行的程序并且立即转入处理新情况的程序（中断服务函数），处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行。

2.3.2 中断的特点

• 中断是属于内核的，中断本身也是一种异常，此种异常是可控，我们称为中断。
• 中断操作是针对于特定的事件/行为，进行特定的处理操作。需要【触发机制】和【注
  册行为】。
• 中断的作用主要是为了提高CPU的工作效率。
• 中断的特性：快速响应，只要触发的事件满足，就会立即执行中断服务函数。
• 中断服务函数：快进快出，不能存在大量的延时函数，或者循环语句，一般都是用于获取某个事件标志，具体的执行内容，我们可以自己编写功能函数。

2.3.3 中断协作

• 断点 ：注册的中断触发位置，一般对应电平跳变，寄存器标志位变化。
• 中断源 : 当前中断注册的功能函数/中断服务函数。
• 压栈 : 中断触发，会将断点对应函数压栈操作，转换后台函数。
• NVIC：管理中断，负责中断进入和中断退出，中断优先级设置等。

2.3.4 中断分类

**内核中断/内部中断：**芯片内部中断，也可以称之为【异常 Exception】。可以任务是程序在
正常情况下，出现不同于平常的数据情况，可以是错误，可以是标记。一般关注的是寄存器
中的中断标志位。
**外设中断：**Cortex-M3 内核 预留了外部中断控制线，可以通过外部中断控制线高低电平切
换，出现上升沿和下降沿进行中断触发。

2.3.5 中断优先级

中断优先级是由**【占先优先级】**和 **【次级优先级】**两部分组成：

• **占先优先级：**多个中断触发时，MCU 首先根据占先优先级判断，哪一个优先级高，其他中断
  进入等待等待状态。【占先优先级谁高谁执行】。
• **次级优先级：**同时存在多个相同 占先优先级 中断存在，此时 MCU 按照次级优先级来决定执
  行顺序。但是如果此时有其他中断正常执行，不允许打断中断执行效果。【同步进入，谁高
  谁执行，如果中断已执行，其他中断不得抢占】。