單片機編程分步指南

2021-05-13

單片機編程分步指南

對于那些希望從微控制器編程開(kāi)始的人，這是一個(gè)循序漸進(jìn)的指南。本文首先介紹了將在本指南中使用的一些基本術(shù)語(yǔ)，一系列工具，編程語(yǔ)言，最后是可下載代碼的示例以及逐步指南，可用于實(shí)踐微控制器編程。 

但是在進(jìn)入微控制器編程之前。讓我們定義前兩個(gè)基本術(shù)語(yǔ)：硬件和軟件。 

硬件由系統中的物理組件組成，例如芯片，鍵盤(pán)，鼠標，監視器，內存，I / O設備。與軟件相比，硬件更難開(kāi)發(fā)，必須針對非常特定的應用程序進(jìn)行設計，并且它是高速系統中非常有效且完美的解決方案。 

軟件是在硬件上運行的非物理組件或應用程序，例如操作系統，計算機游戲和網(wǎng)絡(luò )應用程序。軟件是高度可配置的，易于開(kāi)發(fā)且開(kāi)發(fā)速度較快，與硬件相比也非常便宜。 

什么是微控制器 

要了解什么是微控制器，我們首先需要了解什么是微處理器或CPU（中央處理單元）。CPU是任何計算機系統的心臟，就像執行任務(wù)時(shí)的人腦一樣。我們基本上可以將其分為兩個(gè)基本部分：

控制單元：該單元用于從內存中獲取數據。

執行單元：該單元用于執行或運行數據。 

處理器類(lèi)型 

處理器有很多類(lèi)別，例如通用處理器，專(zhuān)用系統處理器和多處理器系統。通用處理器有多種類(lèi)型：

?微處理器

?單片機

?嵌入式處理器

?數字信號處理器 

微處理器是半導體設備或芯片上的計算機，而不是功能齊全的計算機。其中央處理器單元包含 

?ALU

?程序計數器

?寄存器

?其他電路（時(shí)鐘時(shí)間，中斷）

微控制器是一種IC，其中包含微處理器和一些外圍設備，這些外圍設備將構成完整的功能計算機，例如ADC，RAM，ROM，DAC等外圍設備。 

 

單片機的歷史 

最初，英特爾公司是第一家制造微控制器的公司。第一個(gè)微控制器于1971年在美國生產(chǎn)。它是一個(gè)名為i4004的4位微控制器。后來(lái)，英特爾當時(shí)使用8位微控制器生產(chǎn)了更復雜的模型，此后，東芝開(kāi)發(fā)了12位微控制器。 

微控制器的應用 

微控制器在許多行業(yè)中都有許多應用，例如汽車(chē)，醫療，工業(yè)自動(dòng)化，航空航天，機器人技術(shù)。 

例如，在汽車(chē)工業(yè)中，當今的現代汽車(chē)具有100多個(gè)微處理器，用于諸如空調，ABS，EBD和ADAS之類(lèi)的系統，或者諸如自適應居里控制器和車(chē)道輔助系統之類(lèi)的高級駕駛輔助系統，以下是ECU的圖像或電子控制單元。 

在醫療領(lǐng)域，有些醫療設備包括微控制器，例如MRI，葡萄糖測試儀，便攜式EKG。下圖是葡萄糖測試設備。 

 

在航空航天領(lǐng)域，大多數飛機都采用微控制器設計了新的航空電子系統。此外，還有所有基于微控制器的飛行控制系統，空中交通控制系統，導航和氣象系統。  

流行的微控制器 

微控制器的類(lèi)型和平臺很多，但是選擇微控制器取決于許多因素： 

?申請

?預算

?表現

?GPIO引腳數

?內存大小

?工作環(huán)境溫度

?耗電量 

AVR微控制器 

下圖包含AVE12DA的框圖，AVE12DA是最流行的微控制器之一-AVR微控制器： 

  

AVR微控制器由Atmel公司（現為Microchip）生產(chǎn)。Atmel擁有6個(gè)系列的AVR微控制器，4個(gè)系列的通用微控制器和2個(gè)專(zhuān)用的微控制器。通用微控制器是：

?8位–大型AVR

?8位– AT Tiny

?8位和16位– AVR Xmega

?32位– AVR 

專(zhuān)用微控制器是： 

?汽車(chē)AVR

?電池管理 

車(chē)載AVR，顧名思義，是為汽車(chē)應用而開(kāi)發(fā)的。它可以在高達150攝氏度的高溫下工作，并且包括用于短路問(wèn)題的保護系統。 

電池管理微控制器是為電池管理系統開(kāi)發(fā)的，以確保充電和放電操作的安全。 

AVR平臺示例 

?Arduino UNO

?Adafruit藍色水果微

?Raspduino

?Digispark Pro

ARM微處理器/微控制器 

ARM微處理器是世界上最受歡迎的處理器，尤其是在消費類(lèi)應用中。您可能擁有基于ARM處理器的設備，但您不知道！在大多數成功的32位嵌入式系統中，ARM幾乎都是關(guān)鍵組件。第一個(gè)ARM于1985年開(kāi)發(fā)。 

RISC技術(shù) 

ARM使用了RISC技術(shù)，RISC代表精簡(jiǎn)指令集計算機，這是一種在單個(gè)周期內交付簡(jiǎn)單指令的設計理念。它更多地依賴(lài)于軟件。另一方面，CISC技術(shù)更多地依賴(lài)于硬件。 

 RISC技術(shù)致力于減少處理器的指令集。另一方面，CISC處理器具有指令集的非固定編號。 

ARM功能

Arm具有每個(gè)嵌入式系統設計人員想要的許多功能，例如，由于其緊湊的尺寸而降低了功耗，而且由于我們正在開(kāi)發(fā)嵌入式系統，因此高代碼密度是另一個(gè)功能，在大多數情況下，我們的資源將有限。 

基于ARM的微控制器的內部結構   

該圖顯示了大多數基于ARM的設備的內部結構： 

 

框代表功能，線(xiàn)代表總線(xiàn)。讓我們詳細討論每個(gè)組件： 

?ARM處理器是它負責處理操作的核心組件

?控制器用于協(xié)調系統功能，如存儲和中斷控制器

?外圍設備用于提供系統輸入和輸出

?總線(xiàn)用于在系統中不同組件之間交換數據  

ARM平臺的例子 

有許多具有手臂微處理器的設備和嵌入式平臺，例如 

?Arduino到期

?樹(shù)莓派

?STM32F103C8T6

?恩智浦LPC1768 

其他微控制器和平臺 

正如我們在選擇微控制器或平臺之前所說(shuō)的，這取決于許多因素（預算，引腳數等）。還有其他微控制器和平臺，例如 

?PIC微控制器

?8051

?ESP32

?摩托羅拉微控制器 

單片機軟件和硬件工具 

自從創(chuàng )建微控制器以來(lái)，已經(jīng)有許多類(lèi)型的軟件和硬件開(kāi)發(fā)工具。當然，某些工具可以在各種微控制器類(lèi)型中使用，但是某些工具對于每個(gè)微控制器來(lái)說(shuō)都是非常特定的。在開(kāi)始微控制器編程之前，您可能需要熟悉微控制器編程工具以及最后但并非最不重要的開(kāi)發(fā)過(guò)程。 

使用嵌入式開(kāi)發(fā)工具，我們可能需要以下工具： 

組裝工 

它是一個(gè)軟件工具，可以將匯編中的源代碼轉換為機器代碼，例如（GNU匯編器）。 

編譯器 

它是一個(gè)軟件程序，可以將高級編程語(yǔ)言的源代碼轉換為匯編語(yǔ)言或機器代碼。編譯可以是： 

?本機：這意味著(zhù)您在同一臺計算機上運行編譯器和生成的代碼

?交叉：這意味著(zhù)您在計算機上運行編譯器，而生成的代碼在另一臺計算機（處理器體系結構）上運行。 

鏈接器和定位器 

鏈接器是一個(gè)程序，它收集和鏈接編譯和匯編操作并生成單個(gè)exe。 

定位器是一種程序工具，可用于更改鏈接器輸出的內存映射。 

仿真器 

它是一個(gè)模擬真實(shí)場(chǎng)景的程序，它產(chǎn)生實(shí)時(shí)系統的近似值。使用模擬器：

?如果實(shí)際硬件不可用

?在危險的測試環(huán)境和場(chǎng)景中  

調試器 

它是一種軟件程序和硬件設備，可以與我的PC連接到嵌入式目標。使用調試器：

?設置斷點(diǎn)

?跟蹤執行

?轉儲內存

硬件調試器可以

?在線(xiàn)調試器

?調試板載代理軟件 

閃存裝載器 

它是一種程序和硬件設備，可用于： 

?程序ROM /閃存

?觀(guān)察變量

?擦除ROM /閃存 

探查器 

Profiler是監視軟件代碼性能的工具 

集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 

它是一個(gè)軟件程序，其中包含大多數工具。它可能包括 

?文字編輯器

?編譯器

?調試器

?分析器

?模擬器

?鏈接器 

單片機軟件語(yǔ)言

我們可以將它們分為兩種類(lèi)型： 

高水平

?C / C ++

?Java

?艾達 

使用此類(lèi)型將提供硬件級別的抽象 

低級 

機器碼 

它是0和1，很難被人寫(xiě)，但是很容易讓計算機理解 

集會(huì ) 

它是一個(gè)助記碼和偽指令，以提高可讀性

例子：

一條指令由助記符（操作碼）+操作數組成

操作碼是機器處理器執行的操作

操作數是最終目標；操作碼必須執行一個(gè)操作。 

匯編語(yǔ)言比機器代碼更具可讀性和可理解性，但是您需要在特定的處理器上使用匯編語(yǔ)言并了解其體系結構。 

C / C ++編程語(yǔ)言 

高級語(yǔ)言具有以下功能

?易于編寫(xiě)

?靈活

?獨立于處理器

?高生產(chǎn)率 

使用AVR ATMEGA16的單片機編程示例 

ATmega 16具有以下功能： 

?16 Kb系統內自可編程閃存

?512字節EEPROM

?1 KB內部SRAM

?編程鎖的安全性 

外圍功能 

?帶有獨立振蕩器的實(shí)時(shí)計數器

?可編程串行USART

?四個(gè)PWM通道

?8通道10位ADC

?片內振蕩器

?開(kāi)機休息和掉電檢測

?內部RC振蕩器和中斷源

?電壓（2.7v至5.5v）