单片机基本功能

最新推荐文章于 2025-12-31 10:03:13 发布

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#单片机 #嵌入式硬件

GPIO（General-Purpose Input/Output）

基本概念

GPIO，即通用输入输出端口，是一组可以由软件控制其功能的引脚。每个GPIO引脚都可以被独立地设置为输入或输出模式，以及设定高低电平状态。

通过GPIO，单片机能够与外部传感器、开关等设备进行信号交换，实现数据的输入与输出。

组成与原理

通常都包括一些基本的组成部分，如寄存器、TTL肖特基触发器、二极管、P-MOS管和N-MOS管等。以STM32的GPIO为例，其由三个寄存器以及TTL肖特基触发器、二极管、P-MOS管和N-MOS管组成。引脚输入输出电平通常为0~3.3V（带FT可容忍5V输入）。

工作原理基于对特定寄存器的操作，这些寄存器包括但不限于方向寄存器、数据寄存器和控制寄存器。方向寄存器决定了GPIO引脚的方向（输入或输出），数据寄存器用于读取输入值或设置输出值，而控制寄存器则包含了更多的配置选项，如内部电阻的启用等。

模式与配置

输入模式

可用于读取外部信号的信息，如检测按键状态或读取传感器值。可以进一步细分为浮空输入、上拉输入和下拉输入等。

输出模式

推挽输出：

推挽输出结构由两个MOS或三极管收到互补控制的信号控制，可以真正地输出高电平和低电平，在两种电平下都具有驱动能力。

优点是驱动能力强，电平切换能力快；

缺点是多个推挽输出端口相连时，由于通路上阻抗较小，电流会从IO的VDD流向另一个IO

GND，可能发生短路进而对端口造成伤害

开漏输出：

开漏输出时只有N-MOS管工作，只能输出低电平。当其输出高电平时没有驱动能力（电压会被外部阻抗拉低），需要借助外部上拉电阻完成对外驱动。开漏输出的优点是可以实现电平转换和“线与”功能；缺点是需要外部上拉电阻，驱动能力取决于上拉电阻阻值。

复用模式：

GPIO引脚还可以复用为其他外设的功能引脚，如I2C、SPI、UART等。在复用模式下，GPIO引脚的功能和配置由相应的外设控制。

PWM（Pulse Width Modulation）

原理

通过改变脉冲信号的占空比（即脉冲宽度与周期的比值）来等效地获得所需的模拟量（电压或电流）输出。具体来说，PWM信号由一系列固定频率的脉冲组成，每个脉冲的高电平时间占整个周期的比例即为占空比。通过调整占空比，可以控制输出信号的平均电压或功率，从而实现模拟量的控制。

关键参数

周期（T）

一个完整脉冲信号的时间长度，决定PWM信号的频率（f），即每秒钟内脉冲的重复次数，计算公式为f = 1/T，是PWM信号每秒钟从高电平到低电平再回到高电平的次数。

占空比（D）

高电平持续时间（tH）与周期（T）的比值，即D = tH/T。占空比决定了输出信号的平均值，占空比越大，平均值越高。

生成与控制

PWM信号通常通过定时器/计数器模块来生成。定时器/计数器模块可以在特定的时间间隔内产生周期性的中断，或者用于计数外部事件。通过编程设置定时器的工作模式和计数值，可以实现PWM信号的生成和控制。

应用

电机速度，平滑启动与停止，扭矩控制；LED亮度，机械臂，电源管理，音频管理，交流电转直流电

IRQ （Interrupt Request）

基本概念

是单片机在执行程序时，遇到需要处理的紧急事件而发出的请求信号。

当中断源（如外部设备或内部定时器）有事件发生时，它会向单片机发出一个中断请求，即IRQ。单片机在接收到这个请求后，会根据中断的优先级，暂停当前正在执行的程序，转而执行与该中断请求对应的中断处理程序。

处理完毕后，单片机再返回到被中断的程序处继续执行。

类型

内部中断请求

由单片机内部的事件触发的中断请求。

常见的内部中断源包括定时器溢出、串口通信等。当这些内部事件发生时，单片机会自动产生中断请求，并跳转到相应的中断处理程序进行处理。

外部中断请求

由单片机外部的事件触发的中断请求。

常见的外部中断源包括按键按下、外部传感器信号等。当这些外部事件发生时，它们会通过外部电路或接口向单片机发出中断请求。

优先级和嵌套

不同的事件可能需要不同的处理时间。为了保证系统的正常运行，单片机会根据事件的紧急程度来设置不同优先级的中断请求。高优先级的中断请求会打断低优先级的中断请求的执行，确保重要事件能够及时处理。这种机制使得单片机能够更有效地管理各种中断请求，提高系统的运行效率和响应速度。

此外，某些单片机还支持中断嵌套功能，即在一个中断处理程序执行过程中，如果发生了另一个更高优先级的中断请求，单片机可以暂停当前的中断处理程序，转而执行更高优先级的中断处理程序。处理完毕后，再返回到被暂停的中断处理程序处继续执行。

注意事项

合理设置中断优先级

高优先级的中断应该用于处理紧急事件，而低优先级的中断则用于处理相对不重要的事件。

避免中断冲突

合理分配IRQ资源，避免不同设备或功能之间的中断冲突。如果发生中断冲突，可能会导致系统无法正常工作。

注意中断处理程序的编写

尽量简短和高效，以避免占用过多的CPU时间。同时，在处理中断时需要注意保护现场和恢复现场，以确保中断处理完成后能够正确地返回到原来的执行流程。

应用

按键扫描，传感器，定时器。

TIMER

基本概念

单片机内部的一种计数器，它可以通过内部时钟源或外部时钟源进行计数。当计数器的值达到预设值时，TIMER会产生一个中断请求（IRQ），或者触发特定的事件。TIMER可以用于生成精确的时间延迟，也可以用于对外部事件进行计数。

结构和功能

计数寄存器（Counter Register）

用于存储当前的计数值。计数寄存器的位宽常见的有8位、16位和32位，位宽越大，TIMER的计数范围越广。

预分频器（Prescaler）

用于对输入时钟进行分频，降低计数频率。通过调整预分频器的值，可以改变TIMER的计数速度。

工作模式寄存器（Mode Register）

设置TIMER的工作模式。

常见的工作模式包括定时器模式（内部时钟源计数）、计数器模式（外部时钟源计数）、自动重装载模式（计数器达到设定值后自动重新加载初始值）、捕捉模式（捕获外部事件的时间戳）和比较模式（比较计数值和预设值，匹配时产生中断）。

控制寄存器（Control Register）

控制TIMER的启停、中断使能等。

工作原理

初始化：设置TIMER的工作模式、初始值和中断使能。

启动：通过控制寄存器启动TIMER。

计数：TIMER根据内部时钟源或外部输入信号递增计数。

比较：当计数值达到设定值时，TIMER会产生中断请求或触发特定事件。

重载（在自动重装载模式下）：计数器达到设定值后，自动重新加载初始值，继续计数。

注意事项

合理设置初始值和预分频器的值：为了确保TIMER能够生成精确的时间延迟或测量准确的频率，需要合理设置TIMER的初始值和预分频器的值。

避免TIMER冲突：合理分配TIMER资源，避免不同功能之间的TIMER冲突。

注意中断处理程序的编写：当TIMER产生中断请求时，需要编写相应的中断处理程序来处理中断。中断处理程序应该尽量简短和高效，以避免占用过多的CPU时间。同时，在处理中断时需要注意保护现场和恢复现场，以确保中断处理完成后能够正确地返回到原来的执行流程

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）

基本概念

一种物理接口形式，通过它可以实现串行通信，使得数据能够按照特定的格式和协议进行传输和处理。UART作为异步且全双工的串口总线，在嵌入式系统中常用于微控制器、传感器、外设等设备之间的数据传输。

工作原理

通过发送和接收数据帧来实现数据的传输。数据帧通常由起始位、数据位、校验位和停止位组成，发送端将数据帧按照此格式发送，接收端在接收到起始位后开始接收数据，并根据数据位、校验位和停止位解析数据。

起始位：逻辑低电平（0），表示一帧数据的开始，用于同步接收端。

数据位：有效数据，长度可选5~9位（通常为8位，对应一个字节）。

校验位（可选）：用于简单的错误检测，类型包括偶校验（数据位+校验位的“1”总数为偶数）、奇校验（总数为奇数）和无校验。

停止位：逻辑高电平（1），表示帧结束，长度可为1、1.5或2位。

使用注意事项

确保通信双方使用相同的波特率、数据位数、校验位和停止位设置。

注意电平转换：如果两个设备使用不同的工作电压，可能需要进行电平转换。

在高波特率下，注意线路长度和信号完整性：长距离传输时可能需要采取抗干扰措施。

考虑使用流控制（如硬件流控制RTS/CTS）以防止数据丢失。

优缺点

优点：
- 简单易用：UART通信协议具有简单的数据帧格式和异步传输方式，易于实现和调试。
- 适用性广泛：UART接口在嵌入式系统中非常常见，适用于多种设备和场景。
- 低成本：UART接口硬件成本低廉，适合大规模应用。
缺点：
- 速度相对较慢：与SPI、I2C等同步通信协议相比，UART的传输速度较慢。
- 扩展性有限：UART通常用于点对点通信，不支持多个设备同时连接（除非使用RS-485等扩展协议）。