通院科协电子部第一课——初识单片机

什么是单片机？

很多人都还是第一次听说“单片机”这个词汇吧。不要紧，我去年这时也是第一次听说这个玩意儿，当时也是一知半解。下面我就来详细说明一下这是个啥。

电子钟，大家应该都见过。那你们有没有想过，电子钟是如何获取时间并且显示的呢？为什么我们按一下按钮就可以让电子钟改变时间呢？我们可以看下面的框图。

从中我们可以看到，单片机可以从外部RTC（Real Time Clock）获取实时时间，然后显示到LCD屏幕上；同时我们还可以通过按键手动设置时间；有的电子钟还支持联网显示天气等......再形象一些，假设把框图中的单片机换成人，想象你站在电子钟里，外面有个人操纵电子钟。现在，外面的人想看到实时时间，于是你找了一圈，想看从哪能获取时间，然后你发现了一个RTC模块，于是你从那里读取了现在的时间；然后你需要让外面的人知道这个时间，于是你把这个时间放到LCD屏幕上，外面的人就顺利的看到了时间；但是外面的人发现这个时间不太对，想要校准这个时间，于是他就按下按键调整时间，你读取按键信息，知道了他按下的是哪个按键，理解了外面的人想要怎么调整时间，你就按照指令，把从RTC读取到的时间进行处理，然后将他显示在LCD屏幕上，外面的人便看见了修改后的时间；然后，外面的人想要睡觉，他用按键设定了一个时间，想要你在这个时间提醒他起床，于是你就记住了这个时间，并在这个时间通过扬声器播放音乐，提醒他起床。单片机所做的工作，就是站在里面的人所做的事情。

现在，我相信大家应该对单片机有了一个大致的了解。那我们来强化一下大家对单片机的认识。

单片机是一种微型控制器，相当于一个微型计算机（从上面的例子可以看出来，对电子钟有一个输入，电子钟会给一个输出，电脑同理，在键盘上按一个按键，就是给电脑一个输入，电脑就会在屏幕上显示一个字符，即给你一个输出）。它是一种可编程的东西（什么是可编程，就是你想让它做什么，它就可以做什么）。比如，你可以对单片机说：“现在，我让你一直检测按键的情况，如果按键按下，就请你把灯点亮”。于是，单片机会一直检测按键有没有按下，当你把按键按下，它就会输出一个高电平（就是输出一个逻辑1），把灯点亮。那么我们怎么实现他的可编程功能呢？那我们就要使用我们的编程语言了。大家应该都在学C语言吧，我们可以将我们的C语言代码烧录给单片机（就是把代码存到单片机里），然后单片机的芯片里就保存了我们的代码，就是说它记住了一串指令。比方说，我们将一段代码烧录给单片机，这段代码翻译过来就是每隔一秒，灯就会亮灭一次。然后单片机记住了这个代码，他就会遵循我们的指令，每隔一秒，让灯亮灭。

总结一下，单片机就是：一种集成了处理器、存储器和输入输出接口的微型计算机系统。毕竟“单”-->“一个”，“片”-->“”微型“，”机“-->”计算机“，字面意思嘛这不是。

单片机有处理器，这很好理解，毕竟在电子钟里，就是单片机处理从RTC读取的数据然后显示的嘛；然后单片机有存储器，这也很好理解，毕竟单片机可以记住我们的代码（一条条指令）；然后还有输入输出接口，这更好理解了，毕竟我们可以通过按下按键改变电子钟的时间嘛。所以“单片机”这个概念，大家应该都理解了吧。

认识单片机

下面我们来系统认识的认识单片机，请看下面的框图：

单片机由CPU、存储器、输入输出接口、时钟电路组成，前面三个相信大家应该都能理解，但是最后一个时钟电路是什么鬼？为什么它又是单片机的心脏？这就不得不提其单片机的运行逻辑了。我们刚刚让单片机每隔一秒亮灭灯，那单片机又是如何知道”一秒“这个准确的概念呢？单片机就一小薄片，它怎么知道”一秒“？刚刚电子钟的例子中，单片机是从外部RTC获取到”一秒“这个概念的，那没有RTC模块会怎么样？单片机就不能运作了吗？因此，单片机需要一个”心脏“，让他能够运行代码。而这个心脏，就是一个时钟电路。这个时钟电路每输出一个信号，单片机就会运行一个指令，这样，单片机就运作起来了。

大家应该对单片机有了初步认识，下面我们来介绍一下学习单片机中必须掌握的一些词汇：

• ”字节、位“：字节，即Byte，位，即bit。1Byte = 8bits。比如说，现有一串二进制数据”10010111“，这串数据长度为8位，也就是一个字节长度的数据。

• ”高低电平“：在单片机中，我们的运算单位都是0和1，因此我们需要表示这个0和1，于是我们就规定高电平为1，低电平为0。而我们所说的高电平的电压通常是3.3V或5V，低电平一般是0V。

• 寄存器：寄存器是用于存储和处理数据的元件，主要用于暂时存储 CPU 工作过程中需要处理的数据。比如说，单片机每完成一步操作A，就把一个名为REG的寄存器拉高（从逻辑0变为逻辑1），那么我们就可以通过REG这个寄存器的值来判断单片机是否完成操作A。同理，我们可以通过查看各个寄存器的值来判断单片机进行了哪些操作，这对以后的debug很有用。

• ”32位单片机“：CPU能够读取和处理的最大数据大小通常为32位；相应的，对于8位单片机，CPU能够读取和处理的最大数据大小通常为8位。市面上流行的ESP32、STM32、CH32、GD32等均为32位单片机。

• ”内核(Core)、外设(Peripheral)“：内核与外设共同构成单片机。内核包括了寄存器组、指令集、总线、存储器映射规则、中断逻辑和调试组件等；外设包括定时器、A/D转换器、存储器、i2c、UART、SPI、ROM...等等，完全由各芯片厂商自己设计并与内核对接。打个比方，把单片机想象成一只猫，内核就规定了这是一只猫，他有一条尾巴四条腿；而外设就规定了它毛发什么颜色，什么品种等。单片机的内核有很多，如51，AVR,ARM,PIC,Power PC, RISC-V等，我们现在授课使用的STM32F401单片机就是 ARM Cortex-M 内核。外设就是我们常用的GPIO、UART、TIM等，不同外设代表了单片机的不同功能。比如说，一个单片机有UART外设，表明其可以使用串口通信协议向别的芯片发送信息等。在后面的课程中我们会为大家介绍单片机的各个常用外设。总的来说，会使用不同的外设，就能够使用单片机做不同的事情。

参考资料：https://www.zhihu.com/question/606404307

我们再来实际的认识一下单片机。（如下图）中间正方形的黑色薄片就是我们所说的单片机。这个单片机的型号是STM32F401CCU6。面对这么一大串字符，大家可能会很害怕，不知道这是啥。别急，我们先从左往右看，”STM32“，表明这是ST公司生产的32位单片机，而ST公司也有生产8位单片机，其开头也就是STM8；”F“，表明他的产品类别，其中F为基础型，其他类别可以看下面的表格；”401“中的”4“表明这是F系列的一款高性能MCU，后两位表明这是F4系列的一个特定产品；后面的"CCU6"可以对照下面的表格看。注意，这个字符序列只适用于ST公司生产的单片机，对于其他公司（比如说乐鑫、Ti等公司）生产的单片机就不一定适用。

我们再来说一下单片机相关的知识：

• 工作频率：单片机的工作频率一般以MHz（兆赫兹）为单位，比如我们教学使用的STM32F401CCU6最高工作频率为84MHz。一般可以认为，单片机最高工作频率越大，性能越强

• 什么是ROM、RAM、Flash：

  ROM：存放指令代码和一些固定数值，程序运行后不可改动。

  .c文件及.h文件中所有代码、全局变量、局部变量、’const’限定符定义的常量数据、startup.asm文件中的代码（类似ARM中的bootloader或者X86中的BIOS，一些低端的单片机是没有这个的）通通都存储在ROM中。

  RAM：程序运行中数据的随机存取（掉电后数据消失）。

  整个程序中，所用到的需要被改写的量，都存储在RAM中，“被改变的量”包括全局变量、局部变量、堆栈段。

  Flash：存储用户程序和需要永久保存的数据。
  例如：现在家用的电子式电度表，它的内核是一款单片机，该单片机的程序就是存放在ROM里的。电度表在工作过程中，是要运算数据的，要采集电压和电流，并根据电压和电流计算出电度来。电压和电流时一个适时的数据，用户不关心，它只是用来计算电度用，计算完后该次采集的数据就用完了，然后再采集下一次，因此这些值就没必要永久存储，就把它放在RAM里边。然而计算完的电度，是需要永久保存的，单片机会定时或者在停电的瞬间将电度数存入到FLASH里。

开发单片机

我们理解了单片机是什么，那么大家有没有意识到，我们可以用单片机完成很多事情。比如说，像一开始举的例子一样，设计一个电子钟？或者换个方向，设计一个智能小车、智能手表等等。我们可以用单片机完成很多东西。那大家有没有想过，我们怎么去让单片机做这些任务呢？更专业一点的说，我们怎么去开发单片机？

我先拿人举例子：我想要一个人完成特定的动作，我就要将这串动作“告诉”他，然后他”记住“这串动作，最后”执行“这串动作。单片机也是一样，我们想去开发单片机，我们就要把指令告诉单片机，让单片机替我们完成这些任务。更规范一些，整个流程就是：我们在电脑上编写代码，然后将代码烧录到单片机上，然后让单片机运行这些代码。

我们先看第一步，编写代码。这也是最重要的一步。刚才我们说过，单片机有不同的外设，而不同外设代表了单片机的不同功能。因此，我们需要让单片机完成各种事情，首先需要使能（Enable）单片机的各种外设（Peripheral）。单片机的各个引脚（Pin）在最初都是失能（Disable）的，因此我们需要把各个引脚用来做什么事情给划分好。比如说，我们规定PC13引脚用来控制灯的亮灭，PA6、PA7引脚用来通信，那么我们就要把对应的引脚分配工作。

那如何给各个引脚分配工作呢？显然，我们可以通过编写代码来使能各个引脚以及外设。比方说，下面就是一段使能PC13作为GPIO输出引脚的代码。

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

/* GPIO Ports Clock Enable */
__HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOH_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

/*Configure GPIO pin Output Level */
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);

/*Configure GPIO pin : PC13 */
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);

看不懂不要紧，下一节课学完就能大致看懂了。

大家有没有发现，上面的代码很长，如果我要使能单片机的每一个引脚，都要写很长很长的代码，会大大的增加开发周期。因此，ST公司（就是生产STM32单片机的公司）想出了一个点子，就是用图形化界面配置单片机引脚以及各个功能，于是他们写了一套软件，我们只需要在软件里点来点去，它就会自动的帮我们生成代码框架，并且自动写好单片机的各个引脚的配置代码。这个软件就是STM32CubeMX。那我们用什么软件来编写代码呢？目前，对于绝大多数Arm内核的单片机，我们都可以使用keil5软件来编写我们的代码，并通过keil5的一些按钮，将我们的代码烧录给单片机。对于像keil5这种我们用来编写代码的软件，我们称作IDE。比如C语言教学常用的Visual Studio 2010/2022，Dev-c++等，都是IDE，但那些并不是我们单片机开发所使用的IDE。除了Keil5，我们还可以使用VS Code、Clion等IDE来开发单片机。但是请注意，STM32CubeMX并不属于IDE，它只是一个代码生成工具！

对于不同的单片机，我们都可以使用不同的软件进行开发。对于STM32单片机，我们使用的软件就是STM32CubeMX+keil5。

因此，整套开发流程大致就是：使用STM32CubeMX配置单片机参数、外设以及引脚等-->在keil5中使用这些外设，编写代码，完成控制逻辑-->在keil5中烧录给单片机

课后小任务

• 查一查资料，试着说出STM32H750VB系列单片机的最高工作频率、Flash大小、RAM大小
• 查资料，了解STM32单片机的GPIO、TIM、USART等外设分别有什么作用
• 尽可能的学习一下C语言的函数部分
• 练习如何将代码烧录进手边的STM32F401单片机
• 尝试修改测试代码，使蓝灯能够以不同的频率闪烁