嵌入式开发系列----入门保姆级必看博客

嵌入式开发是指为特定的硬件平台编写软件的过程，通常涉及硬件资源有限、实时性要求高的应用。嵌入式系统广泛应用于消费电子、工业自动化、汽车、医疗设备等领域。本文将介绍嵌入式开发的基础内容，包括硬件和软件的构成、开发工具链、常用的编程语言以及嵌入式开发中的一些核心概念。

一.嵌入式开发必备基础知识

1. 嵌入式系统的组成

嵌入式系统通常由以下几个部分组成：

硬件平台：包括微处理器（如ARM、MIPS、x86等）、传感器、执行器、输入输出设备（如LCD、按键、LED等）。
操作系统：嵌入式系统可以使用实时操作系统（RTOS）或裸机（bare-metal）开发。RTOS如FreeRTOS、uC/OS-II等，裸机编程通常指直接与硬件打交道，没有操作系统的介入。
软件：包括驱动程序、应用程序、系统软件等。驱动程序负责硬件与软件的通信，应用程序则实现系统功能。

2. 嵌入式开发工具链

嵌入式开发通常需要一系列的开发工具：

集成开发环境（IDE）：常用的IDE有Keil、IAR Embedded Workbench、Eclipse等，它们提供了代码编辑、编译、调试等功能。
编译器：常见的嵌入式编译器有GCC、ARM Compiler等，能够将源代码编译成适合嵌入式平台的机器代码。
调试器：如JTAG调试器、ST-Link、OCD等，用于调试程序的执行，帮助开发者查看寄存器、内存等信息，实时诊断问题。
仿真器：帮助开发者在没有实际硬件的情况下测试代码。

3. 嵌入式编程语言

嵌入式开发中，最常用的编程语言是：

C语言：几乎所有嵌入式开发都使用C语言，因为它能够直接操作硬件，提供较高的执行效率，并且占用内存较少。嵌入式开发中，C语言常用于编写驱动、操作系统和应用层代码。
汇编语言：对于需要极高性能和硬件控制的任务，汇编语言有时用于优化代码，直接操作硬件寄存器。
C++：在一些复杂的嵌入式系统中，C++用于面向对象编程，尤其是在处理较为复杂的算法时。

4. 嵌入式开发中的实时性要求

实时性是嵌入式系统中至关重要的概念，特别是在处理信号采集、控制系统时。根据实时性要求，嵌入式系统可以分为：

硬实时系统：对时间要求非常严格，任务必须在规定的时间内完成，否则将导致系统失败。例如，航空航天、医疗设备等。
软实时系统：虽然有时间限制，但如果超时不会导致系统完全失败，系统仍然能正常工作。例如，视频播放、音频处理等。

5. 基本的嵌入式开发流程

嵌入式开发流程一般包括以下步骤：

需求分析：明确系统的功能需求、硬件需求、性能要求等。
硬件选择：选择适合的微控制器（MCU）或微处理器（MPU），并了解其硬件资源（如GPIO、UART、SPI、I2C等外设）。
软件设计：根据需求设计嵌入式软件架构，包括驱动、RTOS配置、应用层逻辑等。
编程与调试：在开发环境中编写代码，进行调试和测试，确保软件的正确性和性能。
测试与验证：在目标硬件上进行系统测试，验证软件和硬件的协同工作。

6. 简单的嵌入式代码示例

下面我们将通过一个简单的LED闪烁的例子，展示嵌入式编程的基本内容。我们使用C语言在STM32微控制器上编写代码，来控制一个LED灯每秒闪烁一次。

硬件连接：
STM32开发板
连接到板上的LED（一般连接到某个GPIO口）

软件代码：

#include "stm32f4xx.h"// 初始化GPIO
void GPIO_Init(void)
{// 打开GPIO时钟RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOGEN;  // 开启GPIOD时钟// 配置GPIO模式为输出GPIOG->MODER &= ~(0x3 << (13 * 2));  // 清除GPIO口13的模式GPIOG->MODER |= (0x1 << (13 * 2));   // 设置GPIO口13为输出模式
}// 延时函数
void Delay(uint32_t delay)
{while (delay--) {__NOP();  // 空操作，消耗时间}
}// 主函数
int main(void)
{// 初始化GPIOGPIO_Init();// 主循环while (1) {// 点亮LEDGPIOG->ODR |= (1 << 13);  // 设置GPIO口13为高电平，LED亮Delay(1000000);            // 延时// 熄灭LEDGPIOG->ODR &= ~(1 << 13);  // 设置GPIO口13为低电平，LED灭Delay(1000000);            // 延时}
}

代码解析：
GPIO初始化：使用GPIO_Init函数初始化GPIO端口，将端口13配置为输出模式。STM32的GPIO寄存器通过MODER配置端口的工作模式。
延时函数：Delay函数通过循环实现一个简单的延时，模拟延时1秒钟。
主循环：在main函数的主循环中，我们交替控制LED的亮灭状态，利用ODR寄存器设置GPIO口的输出值。

7.更复杂的嵌入式开发代码示例

我们将通过一个稍微复杂的示例来展示如何编写嵌入式代码，控制多个外设，并结合中断来实现更高效的系统响应。

目标
控制一个LED闪烁，频率为1Hz。
使用定时器中断（Timer Interrupt）来控制LED闪烁。
硬件需求
STM32F4开发板
LED：连接到GPIO口
定时器：使用系统定时器定时产生中断
系统架构
使用STM32的定时器产生中断。
每次定时器中断发生时，改变LED的状态（开/关）。
代码实现
1. 初始化GPIO口
我们首先需要初始化GPIO口，以便控制LED的开关。假设LED连接到GPIO端口的第13引脚（常见于STM32F4开发板的内置LED）。

#include "stm32f4xx.h"// 初始化GPIO口
void GPIO_Init(void)
{// 开启GPIOG时钟RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOGEN;  // 开启GPIOG的时钟// 设置GPIOG13为输出模式GPIOG->MODER &= ~(0x3 << (13 * 2));  // 清除原有的设置GPIOG->MODER |= (0x1 << (13 * 2));   // 设置为输出模式
}

2. 初始化定时器
为了产生定时器中断，我们需要配置STM32的定时器。定时器将根据我们设置的预分频值和自动重载值（ARR）来产生中断。

// 定时器初始化
void Timer_Init(void)
{// 开启定时器6时钟RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM6EN;   // 开启TIM6时钟// 配置定时器6的时钟频率TIM6->PSC = 16000 - 1;  // 设置预分频值，1秒产生一次中断TIM6->ARR = 1000 - 1;   // 设置自动重载值，定时器每1秒产生一次中断// 使能定时器中断TIM6->DIER |= TIM_DIER_UIE;   // 使能更新中断// 启动定时器TIM6->CR1 |= TIM_CR1_CEN;     // 启动定时器
}

 3. 中断处理程序
当定时器溢出时，它会产生一个中断，触发中断服务程序。我们需要在中断服务程序中实现LED的状态切换。

// 中断服务程序
void TIM6_DAC_IRQHandler(void)
{if (TIM6->SR & TIM_SR_UIF) {  // 检查更新中断标志TIM6->SR &= ~TIM_SR_UIF;  // 清除中断标志// 切换LED状态GPIOG->ODR ^= (1 << 13);  // 切换GPIO13的输出状态（开关LED）}
}

4. 主函数
主函数中，初始化GPIO和定时器，并开启全局中断。

int main(void)
{// 初始化GPIO和定时器GPIO_Init();Timer_Init();// 配置NVIC，使能定时器6的中断NVIC_EnableIRQ(TIM6_DAC_IRQn);  // 启用定时器6的中断请求// 使能全局中断__enable_irq();  // 开启全局中断// 主循环（空循环，所有工作由中断处理）while (1) {// 这里不需要做任何事情，LED控制完全由定时器中断处理}
}

5. 总结与扩展
GPIO控制：我们通过寄存器直接控制GPIO端口，设置为输出模式，通过ODR寄存器控制LED的开关。
定时器中断：定时器用于产生精确的中断，并在中断服务程序中处理LED状态的切换。定时器配置涉及到预分频器和自动重载值。
中断服务程序：通过TIM6_DAC_IRQHandler来处理定时器中断，每当定时器溢出时切换LED状态。
6. 代码扩展
外部中断：如果你希望使用按钮等外部设备控制LED状态，可以设置GPIO外部中断。 

// 初始化外部中断
void EXTI_Init(void)
{// 使能GPIO端口时钟RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;// 配置PA0为输入模式GPIOA->MODER &= ~(0x3 << 0);  // 清除PA0的模式GPIOA->PUPDR |= (0x1 << 0);   // 设置为上拉输入模式// 配置外部中断SYSCFG->EXTICR[0] |= SYSCFG_EXTICR1_EXTI0_PA;  // 设置PA0为外部中断0的来源EXTI->IMR |= EXTI_IMR_MR0;  // 使能外部中断0EXTI->RTSR |= EXTI_RTSR_TR0;  // 配置为上升沿触发// 使能中断控制器NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);  // 启用外部中断0的中断请求
}// 外部中断0的中断处理函数
void EXTI0_IRQHandler(void)
{if (EXTI->PR & EXTI_PR_PR0) {  // 检查是否为外部中断0EXTI->PR |= EXTI_PR_PR0;  // 清除中断标志// 切换LED状态GPIOG->ODR ^= (1 << 13);  // 切换GPIO13的输出状态}
}

二.常见的嵌入式C语言知识

在嵌入式开发中，C语言是最常用的编程语言之一，因为它能够直接操作硬件、实现高效的底层控制，并且与许多嵌入式系统平台兼容。嵌入式C开发通常需要具备一些特殊的知识和技能，尤其是在资源受限的环境中。下面，我将介绍一些常见的嵌入式C语言知识，并夹杂一些代码示例，帮助你理解如何在嵌入式系统中应用这些知识。

1. 指针和内存操作
在嵌入式开发中，直接操作硬件寄存器和内存地址是常见的任务。指针用于存储地址，并可以直接访问存储在特定内存位置的数据。例如，嵌入式系统中的外设控制寄存器通常是通过指针直接访问的。

示例代码：访问硬件寄存器
假设我们要控制一个LED的GPIO引脚，使用指针操作硬件寄存器。

#define LED_GPIO_BASE 0x40020000  // 假设GPIOA的基地址
#define GPIO_MODER_OFFSET 0x00    // GPIO模式寄存器的偏移
#define GPIO_ODR_OFFSET  0x14    // GPIO输出数据寄存器的偏移volatile uint32_t *gpio_moder = (volatile uint32_t *)(LED_GPIO_BASE + GPIO_MODER_OFFSET);
volatile uint32_t *gpio_odr   = (volatile uint32_t *)(LED_GPIO_BASE + GPIO_ODR_OFFSET);void LED_Init(void) {// 设置PA5为输出模式*gpio_moder &= ~(0x3 << (5 * 2));  // 清除原有设置*gpio_moder |= (0x1 << (5 * 2));   // 设置为输出模式
}void LED_Toggle(void) {*gpio_odr ^= (1 << 5);  // 切换PA5的状态
}

在这个例子中，我们使用了指针来访问GPIO寄存器。volatile关键字确保编译器不会优化掉对这些寄存器的访问，因为它们是硬件相关的，可能会在程序运行时发生变化。

2. 中断和中断服务程序（ISR）
嵌入式系统中，中断是一个重要的概念，它允许CPU在处理完当前任务后，响应外部事件。中断服务程序（ISR）是响应中断事件时执行的代码。

示例代码：定时器中断
在一个简单的定时器中断示例中，我们使用定时器中断来每隔一段时间切换LED的状态。

#include "stm32f4xx.h"// 定时器6中断服务程序
void TIM6_DAC_IRQHandler(void) {if (TIM6->SR & TIM_SR_UIF) {  // 检查定时器更新中断标志TIM6->SR &= ~TIM_SR_UIF;  // 清除中断标志// 切换LED状态GPIOG->ODR ^= (1 << 13);  // 切换GPIO13（LED）}
}void Timer_Init(void) {// 启用定时器6时钟RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM6EN;// 配置定时器6TIM6->PSC = 16000 - 1;  // 设置预分频器，定时器溢出时间为1秒TIM6->ARR = 1000 - 1;   // 自动重载值，设定溢出周期为1秒// 启用定时器中断TIM6->DIER |= TIM_DIER_UIE;// 启动定时器TIM6->CR1 |= TIM_CR1_CEN;// 启用定时器中断向量NVIC_EnableIRQ(TIM6_DAC_IRQn);
}int main(void) {// 初始化GPIO和定时器GPIO_Init();Timer_Init();// 启用全局中断__enable_irq();// 无限循环，所有工作通过中断完成while (1) {// 主循环中不做任何事情}
}

在中断服务程序中，我们通过TIM6_DAC_IRQHandler函数来响应定时器中断，切换LED的状态。TIM6定时器被配置为每1秒触发一次中断。

3. 位操作（Bit Manipulation）
在嵌入式开发中，我们经常需要进行位操作，以直接操作寄存器或者控制某些硬件外设的状态。C语言提供了很多位操作的工具，如移位、与、或、非等操作。

示例代码：位操作控制GPIO
假设我们要设置一个GPIO端口的某一位为输出（如设置GPIO引脚5为输出）。

#define GPIOA_MODER  ((volatile uint32_t *) 0x40020000) // GPIOA模式寄存器地址
#define GPIOA_ODR    ((volatile uint32_t *) 0x40020014) // GPIOA输出数据寄存器地址void GPIOA_SetPin5Output(void) {// 设置GPIOA引脚5为输出模式*GPIOA_MODER &= ~(0x3 << (5 * 2));   // 清除原设置*GPIOA_MODER |= (0x1 << (5 * 2));    // 设置为输出模式
}void GPIOA_SetPin5High(void) {*GPIOA_ODR |= (1 << 5);  // 设置PA5为高电平
}void GPIOA_SetPin5Low(void) {*GPIOA_ODR &= ~(1 << 5);  // 设置PA5为低电平
}

4. 定时器和延时
嵌入式开发中常用定时器进行精确延时。虽然使用外部时钟和定时器来产生延时更加精准，但也有一些简单的基于循环的延时方式，适用于资源受限的场合。

示例代码：基于定时器的延时
在一些简单的系统中，如果不使用操作系统，可以使用定时器进行延时。

void delay_ms(uint32_t ms) {// 假设系统时钟是168MHz，我们配置一个定时器进行延时TIM2->PSC = 16799;     // 设置预分频器，168MHz / 16800 = 10kHzTIM2->ARR = 999;        // 设置定时器重载值，10kHz * 1000 = 1秒TIM2->CNT = 0;          // 清除计数器TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;  // 启动定时器for (uint32_t i = 0; i < ms; i++) {while (!(TIM2->SR & TIM_SR_UIF));  // 等待定时器溢出TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF;          // 清除溢出标志}TIM2->CR1 &= ~TIM_CR1_CEN;  // 关闭定时器
}

5. 优化与资源管理
在嵌入式开发中，硬件资源通常非常有限（如内存和处理能力）。因此，需要对代码进行优化，减少内存占用和CPU使用，确保程序高效运行。

示例代码：优化内存使用
一个常见的优化技巧是避免使用递归和过多的堆栈空间，而是通过循环和静态分配来实现。

#define BUFFER_SIZE 128
uint8_t buffer[BUFFER_SIZE]; // 静态内存分配，避免动态内存分配void process_data(void) {for (int i = 0; i < BUFFER_SIZE; i++) {buffer[i] = i * 2;  // 填充数据}
}

 三.完整的嵌入式开发项目

下面是一个简单的嵌入式项目代码示例，使用了STM32系列微控制器来控制一个LED灯，通过定时器中断每隔1秒切换LED的状态。该示例包含了GPIO初始化、定时器配置、和中断服务程序（ISR）的使用。

项目需求：
配置一个GPIO引脚（如PA5）控制一个LED灯的开关。
使用定时器（比如TIM6）每隔1秒切换一次LED状态。
使用中断服务程序（ISR）响应定时器中断，并切换LED状态。
使用的硬件：
STM32F4系列开发板
连接至PA5引脚的LED（如STM32F4的板载LED）
项目结构：
main.c：主要代码文件，包含初始化、主循环和定时器中断服务程序。
startup.s：启动文件，通常由STM32的HAL库自动生成或手动编写。
main.c 完整代码：

#include "stm32f4xx.h"// LED控制引脚PA5
#define LED_PIN     5
#define GPIOA_BASE  0x40020000  // GPIOA基地址
#define GPIOA_MODER 0x00        // GPIOA模式寄存器偏移
#define GPIOA_ODR   0x14        // GPIOA输出数据寄存器偏移// 定时器6中断服务程序
void TIM6_DAC_IRQHandler(void) {if (TIM6->SR & TIM_SR_UIF) {  // 检查定时器更新中断标志TIM6->SR &= ~TIM_SR_UIF;  // 清除中断标志// 切换PA5的状态（LED）GPIOA->ODR ^= (1 << LED_PIN);  // 切换LED的状态}
}// GPIO初始化，配置PA5为输出
void GPIO_Init(void) {// 启用GPIOA时钟RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;// 设置PA5为输出模式GPIOA->MODER &= ~(0x3 << (LED_PIN * 2));  // 清除原有设置GPIOA->MODER |= (0x1 << (LED_PIN * 2));   // 设置为输出模式（00: 输入, 01: 输出, 10: 复用, 11: 模式）
}// 定时器6初始化，每秒中断一次
void Timer_Init(void) {// 启用定时器6时钟RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM6EN;// 设置定时器预分频器，假设系统时钟为168MHz，定时器6的频率为1kHzTIM6->PSC = 16799;  // 168MHz / 16800 = 10kHzTIM6->ARR = 999;     // 设置重载值，定时器溢出周期为1秒// 启用定时器中断TIM6->DIER |= TIM_DIER_UIE;// 启动定时器TIM6->CR1 |= TIM_CR1_CEN;// 启用定时器中断向量NVIC_EnableIRQ(TIM6_DAC_IRQn);
}int main(void) {// 初始化GPIO和定时器GPIO_Init();Timer_Init();// 启用全局中断__enable_irq();// 无限循环，主循环中不做任何事情，所有工作由中断完成while (1) {// 主循环为空，因为LED的切换工作完全交给中断处理}
}

代码解析：
GPIO初始化：

GPIO_Init() 函数负责配置PA5为输出模式。我们首先启用GPIOA时钟，然后通过MODER寄存器设置PA5为输出模式。
定时器初始化：

Timer_Init() 函数负责配置定时器6（TIM6）。在此示例中，定时器6的时钟源为APB1总线时钟，假设系统时钟为168 MHz。通过设置PSC（预分频器）和ARR（自动重载值），我们配置定时器的周期为1秒（溢出周期为1000ms）。
启用定时器中断，当定时器溢出时，会触发TIM6_DAC_IRQHandler()中断服务程序。
定时器中断服务程序（ISR）：

在TIM6_DAC_IRQHandler()函数中，我们首先检查是否发生了定时器溢出中断。如果是，清除中断标志，并切换LED的状态（通过GPIOA->ODR寄存器操作PA5的输出状态）。
主循环：

主循环实际上不做任何工作，所有LED切换的任务都由定时器中断来处理。由于中断处理程序会定期切换LED状态，因此主循环为空。
全局中断启用：

__enable_irq() 函数启用全局中断，使定时器中断能够触发并执行。
项目构建：
启动文件和链接器脚本：

在STM32开发中，通常会使用标准的启动文件（startup_stm32f4xx.s）来配置中断向量表和复位启动流程。链接器脚本（如STM32F4.x.ld）会指定内存布局，确保代码和数据存储在正确的位置。
编译工具链：

该项目需要使用ARM工具链（如gcc-arm-none-eabi）进行编译。你可以通过STM32CubeIDE或Keil等IDE进行项目的编译和烧录。
硬件配置：

确保LED正确连接到PA5引脚，并且相应的电阻已经正确配置。你可以使用开发板的板载LED，或者通过外接LED与适当的电阻连接。
运行效果：
每1秒钟，定时器会产生一次中断，触发TIM6_DAC_IRQHandler()函数，切换PA5的状态，从而使连接到PA5的LED闪烁。

 四.总结

嵌入式开发是将计算机技术嵌入到硬件设备中的一种开发模式，广泛应用于消费电子、汽车、工业控制、医疗设备、智能家居等领域。它不仅涉及到传统的软件开发，还包括对硬件平台的深入理解。嵌入式系统通常具有资源受限（如内存、存储、处理能力、功耗等）的特点，因此开发者需要在高效利用硬件资源的基础上，确保系统的稳定性、实时性和可靠性。嵌入式开发涉及多个层次，从硬件设计到驱动开发，再到上层应用的实现，需要开发者掌握微处理器架构、数字电路、操作系统（RTOS或裸机编程）、设备驱动、通信协议、调试工具等多方面的知识。

在实际开发过程中，开发者需要与硬件工程师紧密合作，理解硬件电路设计、信号处理等，以确保软件能够有效控制硬件工作。同时，嵌入式开发中常常需要处理外部设备的接口与通信问题，如GPIO、UART、SPI、I2C等通信协议的实现，这要求开发者能够灵活运用中断、DMA、定时器等硬件特性。在系统软件方面，嵌入式开发通常涉及到底层固件（如启动引导程序）、驱动程序和应用层代码的编写，尤其是在实时性要求较高的场合，还需要设计高效的任务调度和资源管理机制。

调试和优化是嵌入式开发中的关键环节，由于嵌入式设备大多没有显示器或操作界面，开发者需要借助串口调试、JTAG、逻辑分析仪、示波器等工具进行硬件级调试，进行代码的性能分析和优化。此外，功耗管理也是嵌入式系统中的一个重要课题，如何在保证系统性能的前提下降低功耗，延长电池使用寿命，是开发者在设计嵌入式系统时必须考虑的因素。

总的来说，嵌入式开发是一个跨学科的领域，既需要硬件知识，也需要扎实的软件编程能力，开发者要不断学习新技术、理解硬件与软件的紧密配合，才能在复杂的嵌入式系统中成功实现创新应用。

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一、简介 光流法&#xff08;Optical Flow&#xff09;是一种用于检测图像序列中像素运动的计算机视觉技术。其基于以下假设&#xff1a; 1.亮度恒定性假设&#xff1a;物体在运动过程中&#xff0c;其像素值在不同帧中保持不变。 2.空间和时间上的连续性&#xff1a;相邻像素之…
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400. 第 N 位数字

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目录 题目解法 题目 给你一个整数 n &#xff0c;请你在无限的整数序列 [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, …] 中找出并返回第 n 位上的数字。 解法 class Solution { public:int findNthDigit(int n) {int low 1, high 9;while (low < high) {int mid (high - lo…
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FlinkPipelineComposer 详解

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FlinkPipelineComposer 详解 原文 背景 在flink-cdc 3.0中引入了pipeline机制&#xff0c;提供了除Datastream api/flink sql以外的一种方式定义flink 任务 通过提供一个yaml文件&#xff0c;描述source sink transform等主要信息 由FlinkPipelineComposer解析&#xff0c…
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10款音频剪辑推荐！！你的剪辑好帮手！！

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在如今的数据化浪潮中&#xff0c;工作已经采用了线上线下相结合。我的工作就需要借助一些剪辑工具&#xff0c;来实现我对音频工具的剪辑。我初次接触到音频剪辑也是因为工作需求&#xff0c;从起初我只是一个音频剪辑的小白&#xff0c;这些工具的协助。吸引着我。对于这些工…
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