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MCU 编程基础：概念、架构与实践

一、什么是 MCU 编程？

MCU（Microcontroller Unit，微控制器） 是将 CPU、内存、外设（如 GPIO、UART、ADC）集成在单一芯片上的小型计算机系统。MCU 编程即针对这些芯片进行软件开发，实现特定控制功能，广泛应用于物联网、工业自动化、消费电子等领域。

与通用计算机编程的区别

维度	MCU 编程	通用计算机编程
硬件资源	资源受限（如 KB 级 RAM、Flash）	资源丰富（GB 级内存、TB 硬盘）
操作系统	通常无 OS（裸机开发）或轻量级 RTOS	依赖 Windows/Linux 等 OS
开发工具	专用 IDE（如 Keil、STM32CubeIDE）	通用 IDE（如 VS Code、PyCharm）
编程范式	硬件直接操作、中断驱动	高级抽象、多线程 / 进程
应用场景	嵌入式系统（如智能锁、传感器）	桌面应用、Web 服务

二、MCU 编程的核心组件与架构

（一）典型 MCU 架构

以 STM32 系列为例：

CPU 内核：如 ARM Cortex-M3/M4/M7
存储器：
- Flash：存储程序代码（如 128KB~2MB）
- SRAM：运行时内存（如 16KB~512KB）
外设接口：
- GPIO（通用输入输出）：控制 LED、读取按键
- UART/SPI/I2C：通信接口
- ADC/DAC：模拟信号与数字信号转换
- Timer：定时中断、PWM 输出
- RTC：实时时钟
时钟系统：提供不同外设的时钟源（如 HSI、HSE、PLL）

（二）开发环境与工具链

IDE（集成开发环境）：
- Keil MDK：支持 ARM Cortex-M 系列 MCU
- STM32CubeIDE：意法半导体官方 IDE
- MPLAB X：Microchip（Atmel）MCU 开发工具
编程语言：
- 主要使用 C/C++
- 汇编语言（用于性能关键代码）
调试工具：
- 仿真器：ST-Link、J-Link
- 逻辑分析仪：分析数字信号
- 示波器：检测模拟信号

三、MCU 编程基础：从点亮 LED 到中断处理

（一）基础示例：STM32 点亮 LED（寄存器操作）

// 基于STM32F103的LED点亮代码（寄存器操作）
#include "stm32f10x.h"

int main(void) {
    // 1. 使能GPIO端口时钟
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN;
    
    // 2. 配置PC13为推挽输出（LED连接在PC13）
    GPIOC->CRH &= ~(GPIO_CRH_MODE13 | GPIO_CRH_CNF13);
    GPIOC->CRH |= GPIO_CRH_MODE13_0 | GPIO_CRH_MODE13_1;  // 50MHz输出模式
    
    // 3. 循环控制LED闪烁
    while (1) {
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS13;    // 置位PC13（LED灭）
        for (int i = 0; i < 500000; i++); // 延时
        
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR13;    // 复位PC13（LED亮）
        for (int i = 0; i < 500000; i++); // 延时
    }
}

（二）使用 HAL 库简化开发（STM32）

// 使用STM32 HAL库的LED闪烁代码
#include "stm32f1xx_hal.h"

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();

    while (1) {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);
        HAL_Delay(500);  // 延时500ms
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_Delay(500);
    }
}

// 系统时钟配置（略）
void SystemClock_Config(void) {...}

// GPIO初始化（略）
static void MX_GPIO_Init(void) {...}

（三）中断处理示例（按键触发 LED）

// 外部中断（按键）控制LED示例
#include "stm32f1xx_hal.h"

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_EXTI_Init(void);

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_EXTI_Init();

    while (1) {
        // 主循环可处理其他任务
    }
}

// 外部中断回调函数
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) {
    if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_0) {  // 假设按键连接在PA0
        // 翻转LED状态
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
    }
}

// 系统配置函数（略）
void SystemClock_Config(void) {...}
static void MX_GPIO_Init(void) {...}
static void MX_EXTI_Init(void) {...}

四、MCU 编程的关键技术

（一）定时器与 PWM 控制

// 定时器PWM输出控制LED亮度示例
#include "stm32f1xx_hal.h"

TIM_HandleTypeDef htim3;

void SystemClock_Config(void);
static void MX_TIM3_Init(void);
static void MX_GPIO_Init(void);

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_TIM3_Init();
    MX_GPIO_Init();

    // 启动PWM输出
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);

    uint16_t duty_cycle = 0;
    uint8_t direction = 1;  // 0:减小 1:增大

    while (1) {
        // 动态调整占空比（呼吸灯效果）
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, duty_cycle);
        
        if (direction) duty_cycle += 5;
        else duty_cycle -= 5;
        
        if (duty_cycle >= 1000) direction = 0;
        if (duty_cycle == 0) direction = 1;
        
        HAL_Delay(10);
    }
}

// TIM3初始化（配置为PWM模式）
static void MX_TIM3_Init(void) {
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};

    htim3.Instance = TIM3;
    htim3.Init.Prescaler = 72 - 1;  // 72MHz / 72 = 1MHz
    htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim3.Init.Period = 1000 - 1;   // 1MHz / 1000 = 1kHz
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim3);

    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = 500;  // 初始占空比50%
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
}

（二）串口通信（UART）

// 串口通信示例（发送和接收数据）
#include "stm32f1xx_hal.h"

UART_HandleTypeDef huart1;

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_USART1_UART_Init(void);

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART1_UART_Init();

    uint8_t tx_data[] = "Hello, MCU!\r\n";
    uint8_t rx_data[16];

    while (1) {
        // 发送数据
        HAL_UART_Transmit(&huart1, tx_data, sizeof(tx_data), 1000);
        
        // 接收数据
        HAL_UART_Receive(&huart1, rx_data, 1, 1000);
        
        HAL_Delay(1000);
    }
}

// 串口初始化（115200bps, 8N1）
static void MX_USART1_UART_Init(void) {
    huart1.Instance = USART1;
    huart1.Init.BaudRate = 115200;
    huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
    huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
    huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
    HAL_UART_Init(&huart1);
}

五、MCU 编程的挑战与最佳实践

（一）主要挑战

资源受限：需优化代码大小和内存使用
低功耗设计：需合理配置睡眠模式和外设时钟
实时性要求：关键任务需在规定时间内完成
硬件依赖性：代码与特定 MCU 型号紧密相关

（二）最佳实践

模块化设计：将功能拆分为独立模块（如 LED 控制、通信协议）
使用 HAL 库或 LL 库：减少底层寄存器操作，提高可移植性
内存管理：
- 使用静态分配替代动态内存（避免 malloc/free）
- 优化全局变量和栈空间使用
调试技巧：
- 利用调试器断点和变量监视功能
- 通过串口输出调试信息（需注意关闭调试代码以节省资源）
低功耗优化：

// 进入停止模式（最低功耗）示例
void enter_low_power_mode(void) {
    // 保存关键数据
    uint32_t saved_data = GPIOC->IDR;
    
    // 关闭不必要的外设
    HAL_GPIO_DeInit(GPIOC, GPIO_PIN_13);
    HAL_UART_DeInit(&huart1);
    
    // 进入停止模式
    HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);
    
    // 唤醒后重新初始化外设
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART1_UART_Init();
    
    // 恢复数据
    // ...
}

六、MCU 编程学习资源推荐

官方文档：
- STM32 参考手册（RM）和数据手册（DS）
- ARM Cortex-M 系列技术参考手册
开发板推荐：
- STM32 Nucleo 系列（如 Nucleo-F401RE）
- Arduino（简化开发，但性能较低）
- ESP32（集成 WiFi/BLE，适合物联网）
在线教程：
- STM32CubeIDE 官方教程
- Coursera《嵌入式系统基础》课程
- 野火、正点原子等开发板配套教程
社区与论坛：
- ST 社区（Home - STMicroelectronics Community）
- Stack Overflow（嵌入式开发板块）
- 电子工程世界、21IC 等中文论坛

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