单片机快速入门

参考连接：

• 安装MinGW-64（在win10上搭建C/C++开发环境）https://zhuanlan.zhihu.com/p/85429160
• MinGW-64; 链接：https://pan.baidu.com/s/1oE1FmjyK7aJPnDC8vASmCg?pwd=y1mz 提取码：y1mz --来自百度网盘超级会员V7的分享
• C语言菜鸟教程 https://www.runoob.com/cprogramming/c-tutorial.html
• C语言复习8-10，分别对应数组；指针；字符串；https://blog.csdn.net/qq_43369406/article/details/125154550；https://blog.csdn.net/qq_43369406/article/details/125163465；https://blog.csdn.net/qq_43369406/article/details/125164029；
• 野火F407开发板-霸天虎视频-【入门篇】 https://www.bilibili.com/video/BV1Vt411X7PK/
• 野火霸天虎教程https://doc.embedfire.com/products/link/zh/latest/mcu/stm32/ebf_stm32f407_batianhu_v1_v2/download/stm32f407_batianhu_v1_v2.html
• 【单片机】野火STM32F103教学视频 (配套霸道/指南者/MINI)【全】(刘火良老师出品) (无字幕) https://www.bilibili.com/video/BV1yW411Y7Gw/?vd_source=39f3289ad7c2358aaf9772ccb7ff98bf

使用硬件：

• stm32 407

使用软件：

• MinGW
• VSCode
• Keil5

使用系统（以下皆可）：

• win10/11
• Linux
• Mac OS

目录：

• x.1 C语言基础知识
• x.2 单片机基础知识
• 单片机GPIO介绍

---

x.1 C语言基础知识

如果有C语言基础可以直接跳过。

x.1.1 C语言背景知识

C语言是为了Unix系统而诞生的语言。C 语言是一种通用的、面向过程式的计算机程序设计语言。1972 年，为了移植与开发 UNIX 操作系统，丹尼斯·里奇在贝尔电话实验室设计开发了 C 语言。

x.1.2 C语言的安装

可以通过访问 MinGW 的主页 mingw-w64.org；知乎上文章- 安装MinGW-64（在win10上搭建C/C++开发环境）https://zhuanlan.zhihu.com/p/85429160 ；MinGW-64; 链接：https://pan.baidu.com/s/1oE1FmjyK7aJPnDC8vASmCg?pwd=y1mz 提取码：y1mz --来自百度网盘超级会员V7的分享来下载安装。

当安装 MinGW 时，您至少要安装 gcc-core、gcc-g++、binutils 和 MinGW runtime，但是一般情况下都会安装更多其他的项。

添加您安装的 MinGW 的 bin 子目录到您的 PATH 环境变量中，这样您就可以在命令行中通过简单的名称来指定这些工具。

x.1.3 C语言运行流程

C语言是一门针对操作系统设计的，强类型，面向过程，运行速度媲美汇编，在运行时先要将内容编译成汇编语言的一门语言。我们使用VSCODE编辑文本，使用GCC汇编成二进制文件，输入如下命令将编辑器写好的.c文件转成.out二进制文件，

$ gcc test1.c test2.c -o main.out
$ ./main.out

输出的.out文件可以直接运行。当然更加细节的操作牵扯到更深的计算机知识，链接库等，但并不需要。

x.1.4 C语言的组成和运行规则

C语言由关键字，标识符，常量，字符串值，符号（分号），注释等组成。

C语言都是从main函数开始运行的，一个C语言的简单例程如下所示，

#include 
 
int main()
{
    /* 我的第一个 C 程序 */
    printf("Hello, World! \n");
 
    return 0;
}

所有的 C 语言程序都需要包含 main() 函数。 代码从 main() 函数开始执行。

/* … */ 用于注释说明。

printf() 用于格式化输出到屏幕。printf() 函数在 “stdio.h” 头文件中声明。

stdio.h 是一个头文件 (标准输入输出头文件) , #include 是一个预处理命令，用来引入头文件。 当编译器遇到 printf() 函数时，如果没有找到 stdio.h 头文件，会发生编译错误。使用<>来寻找系统环境变量中的问价，使用""先找当前文件中的文件，找不到再去系统环境变量中查找。

return 0; 语句用于表示退出程序。

x.1.5 C语言的变量类型

C语言的基本类型包括整型(int32)，布尔型(u8)，浮点型(double64)，字符型（u8)。我们可以使用sizeof关键字来查看对象或者变量的大小，

#include 
#include 

int main()
{
    printf("size of int is: %lu \n", sizeof(int));

    int i = 0;
    printf("%p\n", &i);//输出：000000000061FE1C  输出的是i变量的地址

    return 0;
}

输出结果如下，

%lu 为 32 位无符号整数，%p为输出指针内存地址，默认以十六位输出。常见的变量类型及其对应的大小如下，

我们使用type i的时候是对i变量声明并定义（会在内存开辟空间），使用extern type i的时候只是声明变量（并不会在内存给空间）。

extern int i; //声明，不是定义
int i; //声明，也是定义

x.1.6 C语言的常量

常见的常量有整数常量（如0xFFFFFF，7u等），浮点常量（3.14，3.14f），字符常量（如转义字符\t），还可以使用常见预处理器来定义常量，例如#define和const关键字，如下，

#define PI 3.14
const double PI_2 = 3.14;

推荐使用#define关键字，define是进行简单的文本替换，老外常用。

x.1.7 C作用域和存储类

C语言根据程序中定义的变量所存在的区域来决定变量的作用域，我们需要掌握的作用域就两种，局部变量和全局变量。在函数或块内部的变量称为局部变量，在所有函数外部的称为全局变量。

C语言变量存储类常见有auto，register，static，extern四种，局部变量的默认类型是auto，变量在函数和开始时被创建，在函数结束时被销毁。而register是放在寄存器中的变量，运行速度快，static和extern都是全局变量，在全局都可以调用，

static int count=10;        /* 全局变量 - static 是默认的 */

{
   auto int month; // auto是默认的
}

int main(){
	printf(count);
	// printf(month); // can't
	
	return 0;
}

x.1.8 C语言运算符

C语言常见运算符有算数运算符，关系运算符（<，>)，逻辑运算符（&&存在短路），位运算符等。

1. 算数运算符

%是取模，即取余数。

2. 关系运算符

关系运算符返回真或假的布尔常量，用于比较大小与相等与否，

3. 逻辑运算

逻辑运算符与或非，也返回一个布尔值，但是与或具有短路效应，

4. 位运算符（重要）

位运算符在单片机的操作中比较常见且重要，常见的运算符有对位取与，取或，取异或，取非，左移，右移（补码负数高位补1）。

x.1.8 C语言逻辑

C语言的逻辑由if-else选择判断，和循环组成。

选择判断中有if-else语句，问号语句，switch-case语句（搭配break使用，且switch中变量要为int32），例句如下，

/* ?: */
Exp1 ? Exp2 : Exp3;

/* switch - case */
#include 

int main()
{
    int a;
    printf("input integer number: ");
    scanf("%d",&a);
    switch(a)
    {
        case 1:printf("Monday\n");
        break;
        case 2:printf("Tuesday\n");
        break;
        case 3:printf("Wednesday\n");
        break;
        case 4:printf("Thursday\n");
        break;
        case 5:printf("Friday\n");
        break;
        case 6:printf("Saturday\n");
        break;
        case 7:printf("Sunday\n");
        break;
        default:printf("error\n");
    }
}

循环中有while循环，for循环，do…while循环，搭配break，continue，goto（goto有害），例句如下，

#include 
 
int main ()
{
   for( ; ; )
   {
      printf("该循环会永远执行下去！\n");
   }
   return 0;
}

在linux系统中，可以使用ctrl+c终止无限循环的程序（程序中断，释放内存），使用ctrl+z挂起程序（程序暂停，不释放内存）。

PS: 在VIM编辑器中ctrl+c=esc是停止输入。

x.1.9 C语言函数

面向对象语言三大特征：封装继承多态，C语言虽然是面向过程的，但是函数的存在体现着封装的思维。

C语言的函数声明必须要放在main()函数之前。函数声明告诉编译器函数的名称、返回类型和参数。函数定义提供了函数的实际主体。

函数的定义由四部分构成，返回类型，函数名称，参数，函数主体。它的四大部分的作用为：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 函数主体：函数主体包含一组定义函数执行任务的语句。

return_type function_name( parameter list )
{
   body of the function
}

一个简单的函数定义如下所示：

/* 函数返回两个数中较大的那个数 */
int max(int num1, int num2) 
{
   /* 局部变量声明 */
   int result;
 
   if (num1 > num2) {
      result = num1;
   } else {
      result = num2;
   }
   return result; 
}

我们使用函数名加小括号的形式调用函数。默认情况下，C 使用传值调用来传递参数。一般来说，这意味着函数内的代码不能改变用于调用函数的实际参数。

x.1.10 C语言枚举

枚举变量用于定义一组具有离散值的常量，可以实现变量名到整型的映射关系。枚举变量的定义需要使用enum关键字，案例如下：

// 1. 使用define定义常量
#define MON  1
#define TUE  2
#define WED  3
#define THU  4
#define FRI  5
#define SAT  6
#define SUN  7

// 2. 使用enum实现1.中的映射关系
enum DAY
{
      MON=1, TUE, WED, THU, FRI, SAT, SUN
};

// 3. enum更改默认的映射关系
enum season {spring, summer=3, autumn, winter};

// 4. 常用的定义枚举变量的方式：定义枚举类型的同时定义枚举变量
enum DAY
{
      MON=1, TUE, WED, THU, FRI, SAT, SUN
} day;

enum DAY day; 	// 先定义枚举类型，再定义枚举变量

x.1.11 C语言指针

x.1.11.1 指针定义

需要注意的是，数组在定义的时候，数组长度需要用常量定义，不能用变量，

int length = 10;
#define length_define 10
const int length_const = 10;

int a[10]; // ok
int a[length_define]; // ok
int a[length_const]; // ok

int a[length]; // wrong

C语言最有特色的地方便在于可以直接使用指针访问内存，我们在C语言中经常使用的数组和字符串便是指针类型变量。

一个简单的指针变量p如下定义，表示变量p就是一个指针变量，*p表示指向数字0，p表示它的值是内存的地址。

int *p = 0;

我们可以使用printf + %X大写十六进制查看指针p的值（即指针指向的地址），可以使用printf + %p + &变量名查看变量在内存中的实际地址。案例如下，

#include 

int main()
{
    // 1. 使用sizeof()输出变量类型和变量大小
    int i = 0;
    printf("size of int is: %lu \nsize of i is: %lu\n", sizeof(int), sizeof(i));

    // 2. 使用指针p指向i的地址，以十六进制输出p的指针和i的地址
    int *p = &i;
    printf("i's address is %p\np's address is %X\n", &i, p);

    return 0;
}

输出结果如下所示，

x.1.11.2 指针的取地址运算符和解地址运算符

在指针使用中我们经常碰到取地址运算符&和解地址运算符*。顾名思义，取地址运算符为&，符号后面只可跟一个变量，用于寻找该变量的地址；解地址运算符*，用于得到指针变量指向的内存地方存储的值。*和&是相反的作用。如下所示：

x.1.11.3 使用传递指针访问内存

指针在C语言中的重要作用之一在于直接访问内存，传递局部变量的值并修改。我们可以将局部变量的值通过指针传到函数中，这样函数中修改的值便可以返回，即函数中的局部变量的值不会在函数结束后销毁。

通过如下四种等价的方式往函数中传递指针，

x.1.11.4 指针的类型

指针也是具有类型和大小的。指针类型最大的作用在于在做例如*p++的运算的时候，一次性跳动的字节数不同。

#include 

int main(){
    int *p = 0;
    *p++;
    printf("%X\n", p);

    double *q = 0;
    *q++;
    printf("%X\n", q);

    return 0;
}

运行代码，可以看到p一次性跳动四个字节（即int大小），q一次性跳动八个字节（即double大小），运行结果如下所示，

但我们需要注意的是，不管你的指针是什么类型，你定义的指针在内存中的实际大小都是一个字（例如我的电脑是x86x64，64bit，则大小就是64bit=8Byte，8字节）八字节大小，可以输入如下代码测试，

#include 

int main(){
    void *p = NULL;
    double *q = NULL;

    printf("size of pointer p is %X\n", sizeof(p));
    printf("size of pointer q is %X\n", sizeof(q));

    return 0;
}

运行结果如下所示，在C语言中，NULL和0是等价的，

指针变量也和普通变量一样，支持强制类型转换，我们也可以声明一个新的指针变量指向原来的地址，malloc-free关键字一定会用强转，强转代码如下，

int a = 10;
int *p = &a;

// 把指向 int 类型的指针强制转换为指向 char 类型的指针
char *q = (char*)p;

// 使用 q 进行内存操作，一些平台可能会出现错误
*q = 'A';

x.1.11.5 使用指针动态申请内存

我们使用malloc-free关键字来进行动态内存分配，malloc申请出来的指针默认是void *类型，所以我们一定会进行强制类型转换。

int *a = (int *) malloc ( n*sizeof(int) );

申请后的空间需要归还给系统，使用free(a)。记住要在同一个地方malloc和free。

动态申请内存是为了让系统自动给你开辟新的内存空间供你使用，你不会访问到内存别的地方，清占别的内存空间或者产生乱码。

x.1.11.6 指针和const搭配使用

const和指针混搭会产生两种效果，不用去刻意记忆名字，我们只需要判断const是否是直接修饰的指针，如int * const p = &i; const便是直接修饰的指针，而const int *p = &i const便不是直接修饰的指针。const修饰指针表示指针不能修改，而const不修饰指针则表示通过指针不能修改。

1. 指针不能修改

int * const p = &i;

意思是指针不能修改。一旦该指针得到了某个变量的地址，就不能再指向其他变量了。
常用于：数组。

数组本质上便是一个被const修饰的指针，所以不能被直接赋值，int a[] <=> int * const a。

2. 通过指针不能修改

const int *p = &i;

意思是通过指针不能修改变量（并不使得那个变量成为const）。
常用于：字符串；在函数传参时希望用户只有访问权限，无修改权限的时候可以使用。

字符串本质上是一个const char *，所以通过指针不能修改。

x.1.12 C语言数组

前面一章节已经说了，数组本质上是一个被const修饰的指针，即int * const p，指针不能修改。

1. 数组的初始化和赋值

我们使用循环来给数组赋值，数组中每一个单元的数据都是同一个类型，数组的大小在初始化的时候就需要定义好，数组越界会报segmentation fault；数组排序从0开始往后排；

// 1. 数组初始化
int array[10];
for ( int i = 0; i<10; i++){
	array[i] = 0;
}

int array_2 = {1, 2, 3};

注意array[0]有时候指代数组array的地址。

2. 数组大小计算

数组的大小计算使用sizeof关键字，

sizeof(a)/sizeof(a[0]);

x.1.13 C语言字符串和字符数组

在前面已经讲过，C语言的字符串本质上是通过指针不能修改的类型，即char *str <=> const char *str，char *str是字符串类型。

字符串和字符数组存在区别，C语言中字符串的结尾需要加\0，而字符数组就是char类型的const指针，不需要以\0结尾。

1. 字符数组

字符数组和字符串不同，字符数组就是以char的数组实现的，其结尾不需要加'\0'举例如下：

2. 字符串

字符串的结尾需要加'\0'，字符数组的长度增加了一字节，所以字符串的本质就是最后一位是\0的字符数组，如下：

在string.h的文件内有很多处理字符串的函数。在这里需要注意的是字符串和字符数组的索引都是从0开始的。

字符串变量的常见书写方法有以下几种：

char *str 	= "1";			// 指针形式，最常见的形式1
char str[] 	= {'1', '\0'};	
char str[2] = "1";

// 字符数组
char str[] 	= "1";			// 字符数组 数组形式，最常见的形式2

C中，字符串的是以字符数组的形态存在的，但是仍然存在区别。需要注意的是char *str = "1";是一个const char *str类型，通过指针不能修改，所以如果创建需要修改的字符串，应该创建字符数组char s[] = "1";

与使用%d来输入输出整型不同，字符串的输入输出需要用到%s，如下，

3. 字符串数组

我们有时候需要使用多个字符串，这个时候我们就可以使用字符串数组，

我们最经常使用的定义字符串数组方式如下所示：

char  *a[];		// a是一个一维数组，其中每一个a[n]都是一个char *字符串，即通过指针不能更改的字符数组

这在main函数中的argv中也可以见到，

x.1.14 C语言结构体

结构体类似于LabVIEW中的簇，可以将不同类型的数据整合在一起形成一个对象，常用的定义结构的方式有以下两种，

// 1. 可以用typedef创建新类型(推荐)
typedef struct
{
    int a;
    char b;
    double c;
} Simple2;
//现在可以用Simple2作为类型声明新的结构体变量
Simple2 u1, u2[20], *u3;

// 2. 先定义结构体类型，再定义结构体变量
//此声明声明了拥有3个成员的结构体，分别为整型的a，字符型的b和双精度的c
//结构体的标签被命名为SIMPLE,没有声明变量
struct SIMPLE
{
    int a;
    char b;
    double c;
};
//用SIMPLE标签的结构体，另外声明了变量t1、t2、t3
struct SIMPLE t1, t2[20], *t3;

typedef关键字在结构体定义的时候经常使用，用于使用它来为类型取一个新的名字。下面的实例为单字节数字定义了一个术语 BYTE：

typedef unsigned char BYTE;

在这个类型定义之后，标识符 BYTE 可作为类型 unsigned char 的缩写，例如：

BYTE  b1, b2;

x.2 单片机基础知识

x.2.1 单片机中的C语言

在已经有C/C++或者X.1的学习后，我们再补充一点单片机中的C语言的知识。单片机中常使用C的指针来操作寄存器，使用预编译宏来定义常量，使用移位操作来控制寄存器等。

x.2.1.1 指针中的取地址，解地址

取地址符号为&，解地址符号为*，使用如下，

int *p = &value;	// 取地址用&
*p = 1;	// 解地址用*

x.2.1.2 宏编译的条件判断

使用预编译宏来取消编译，

#if 0

...

#endif

x.2.1.3 C语言的位操作

常见的位操作有左移，右移，取反，与，或，异或，这部分参考c语言中文网，

x.2.1.4 C语言的置位，清零

第六个位置这个地方设置为1，其他地方不变，使用或操作|= (1<<6)；

第六个位置这个地方设置为0，其他地方不变，使用与操作&= ~ (1<<6)；

第六五位置设置为0，其他地方不变，&= ~(0x03)<<6；因为0x03是11。

案例如下，孰能生巧，

x.2.2 DAP仿真器下载程序

DAP仿真器用于将软件下载到单片机上，它遵循ARM公司的CMSIS-DAP标准，支持所有基于Cortex-M内核的点偏激，属于HID设备，无需安装驱动，支持多操作系统。

x.2.3 STM32背景知识

x.2.4 寄存器

x.2.5 GPIO介绍+使用GPIO点亮LED灯

x.2.6 固件库

x.3 案例——使用单片机点亮LED灯案例

x.3.1 51单片机

单片机中最基础的入门级别单片机就是51单片机，51单片机相较于stm32单片机更容易上手，因为51单片机内部已经实现了寄存器映射，所以在这里可以直接使用寄存器别名来进行访问。

电流方向永远是从正极流向负极，从高压流向低压（因为存在电势差），电子流动方向和电流流向相反。我们可以很快速地用51单片机来点亮LED灯，如果LED灯的电路图如下，则只需要控制P0,0端口将数值设置为0便可以将电路点亮，

则代码如下便可实现LED灯的开关，

x.3.2 stm32f103

寄存器映射指给寄存器地址映射一个别名，这个功能可以通过reg52.h和stm32f10x.h两个文件来实现。

LED灯对应的接口为PB0，则意味着是GPIOx_ODR寄存器中的GPIOB0_ODR。

GPIOx_ODR是指 general purpose intput output x _ Output data register，是通过ODR来控制LED灯开关的。

1. SOC厂商在已经有ARM芯片基础上设计了三类地址总线，为AHB，APB2，APB1总线。我们先在参考手册中第二章 存储器和总线架构中找到挂载在APB2地址总线下的GPIOB的绝对地址，

2. 我们需要ODR来控制LED灯，所以我们需要找到ODR0的绝对地址，我们根据地址偏移来计算，

3. 我们使用ODR0来控制PB0的端口，看了电路图我们知道要实现LED中G颜色的开关，我们需要将PB0的端口电压设置为0V，这个时候我们即将PB0设置为0便可，

4. 我们需要通过CRL寄存器来告诉MCU, LED中的PB0为输出值，即配置IO口为 输出。

5. 打开RCC的时钟寄存器。

最终我们的代码书写如下，

x.3.3 stm32f407

1. 更改GPIOx_MODER模式寄存器为输出

AHB1下

2. 更改RCC时钟控制器

AHB1下

3. 更改GPIOx_ODR数据寄存器

AHB1下

代码如下，stm32f4xx.h文件内容，

main.c文件内容，

x.3 单片机GPIO介绍

x.3.1 GPIO简介

407有144个引脚，引脚供电大部分是5V，GPIO属于引脚，但并不是所有引脚都属于GPIO；查找每一个GPIO功能通过数据手册查找。

x.3.2 GPIO 功能框图讲解

GPIO功能框图如下，

I/O引脚就是芯片和PCB印刷电路板的解除方式，而I/O引脚的左侧则是芯片的内部电路。

BSRR 指的是bit set reset register，其中set是指置位，是低16位，输出高电平置1。reset是指复位，是指高16位，输出低电平置1。

输入输出是相对ARM芯片而言的，如果往芯片写数据叫输入，从芯片往外写数据叫输出。

在输入中TTL使得输入模拟信号，当大于1.8V时为高电平，当低于1.8V时为低电平。

输入的输入较为简单，输出则较为复杂，输出的流程图如下，