单片机学习指南

队长 路飞的电子设计宝藏 7月26日

鉴于原文只介绍了51单片机的学习路线（当时STM32刚兴起），与当前流行的STM32等高端单片机相比，显得有些落后，所以笔者更新了此文。

一、51和STM32的区别。

STM32比51主频高、RAM大、FLASH大，那么STM32能处理的事情就更多了。

STM32外设比51多，如：CAN、USB、FSMC等，能让你省点芯片。

STM32有固件库，不再需要看着手册，查寄存器来写代码，网上也有很多例程。

众多优势让STM32成为大众化、主流单片机，所以必须从51过渡到STM32的时代。

二、内核与外设。

外设就是外部的设备，如：GPIO、ADC、IIC、UART、SPI等。

内核就是内部的核心，如：ALU算术逻辑单元、流水线、指令集等。

51的内核仍然叫51。STM32的内核有Cortex M0、M0+、M3、M4、M7等。

因为ARM Cortex系列的芯片分为高端的A系列，中端的R系列、低端的M系列，所以STM32有好几种内核。

三、如何从51过渡到STM32？

尽管51有那么多的不好，但是低成本依然是它的优势。一片OTP（一次性编程）的51低至0.3毛，它适用于众多家电产品。

所以并不能以单纯的技术崇拜而把51贬得一无是处。只不过，我们需要掌握更多的技术，以适应不同的工作环境。

既然要从51过渡到STM32，那么停留在51的时间不宜太久，掌握基本的定时器、串口，就可以转到STM32上来了。

有的学校先教汇编，再教C，但我认为，先学C，再到汇编会比较好，因为汇编枯燥难学，导致单片机还没用起来，兴趣就消减一大半了。正如linus那句话，你得先学会使用它。

一、首先掌握C语言语法。

单片机用的C语言叫C51，C51除了标准C的语法之外，还特意为单片机增添了几个语法而已，没有很大区别，那么我们可以装个VS（别再用VC6.0那个老掉牙的IDE啦）然后，随便找本语法书抄代码，模仿写，不看书做出课后习题就可以了，其中流程控制（包括if,for,while,switch等）以及指针和结构体都是需要掌握的。推荐看视频《边用边学C语言》。

二、少量的实践。

接下来，你可以买一块单片机开发板来做一些小玩意了（只买一块开发板56元即可，不必浪费太多钱），譬如：摇摇棒，光立方，密码锁，超声波测距，红外摇控等等（很多新奇有趣的小玩意都可以在论坛找到）。当然，也不需要每个都做，我们可以选一些差异性较大的来做，这样升级会快一些。推荐视频《十天学会单片机》，也可以看开发板配套的视频，教材《单片机c语言程序设计实训100例——基于8051+proteus仿真》。适当的做几个就行，不要在这个阶段停留太久，重点掌握定时器和串口。

三、养成良好的编码习惯。

在《十天学会单片机》里会出现众多不怎么好的代码，但是我们不能一下子写出优秀的代码，必须有个过渡期，所以建议大家先看郭大侠的视频。那么如何写出高效而且可读性好的代码呢？这里只提到一点，不要用拼音来命名变量或者函数名，像int shi,fen,miao;这些都是不良的编码习惯，必须全部使用英文命名。推荐的做法就是多参考大神们写的代码，在百度文库或者各大电子论坛都可以看到很多优秀的代码。此外，推荐《从单片机初学者迈向单片机工程师》、《MISRA C标准工程师笔记》、《C语言编程规范》、《C51代码风格》。

四、了解汇编语言。

单片机工程师又叫固件工程师，因为他们写的代码都是跟寄存器打交道，而寄存器又可以直接控制硬件，处于最底层的软件而且不用经常改动，所以叫固件。这部分需要数电、模电的基础才好理解，所以在大学都是先教数电、模电再教单片机的。现在你要用汇编语言来玩单片机，你会发现汇编比较棘手，写出来的代码可读性差、可移植性差而且很难维护，但汇编即让你很清晰地感受到单片机是如何工作的，以及理解C语言指针的原理。不过，我们不需要钻研汇编语言，只需要有所了解，比如，精准的延时。

一、编译、编辑、版本控制器。

由于STM32的固件库中，函数名、变量名都是很长，我们不可能逐一输入，这就需要用到先进的工具。

1、编译器。仍然使用keil编译代码。

2、编辑器。编辑器就是写代码的工具，因为keil的代码补全、提示都很差，所以要用其它工具来写代码。这就得开两个软件，一个写代码，一个编译代码。虽然这样有点麻烦，但是相对于输入那一大串函数名来比，不算什么。推荐VS、Eclipse(C/C++版本)。不推荐使用source insight（功能不够强大）。

3、版本控制器。这个东西就是用来备份代码的，不要再用压缩包了。推荐git教程。

二、学会固件库。

有了上一步的准备工作之后，先买一块STM32开发板，带仿真器，248元。这里下载代码可不像51那些，用串口就能下载的了，得另外用一个仿真器。

这里的仿真器有ST link、Ulink等，不推荐使用J link。而仿真器的接口有JTAG和SWD，推荐使用SWD，接3根线就可以了。

推荐教材《STM32开发指南库函数教程》，也可以看开发板配套的视频。这里要掌握STM32的外设，如：ADC、RTC、CAN、IIC、SPI、UART、DMA、SDIO、IAP等。

三、自制PCB。

数电、模电基础差的，需要先补充点理论再来。然后下载一个Altium Designer6.9，看《Altium Designer视频教程》。根据自己感兴趣的小玩意来做一块PCB。画好之后先发到群里，让大家指导一下，然后再发到嘉立创打样，很便宜的，而其它材料则到淘宝上买。主要掌握焊接、维修、原理图、PCB等基本功，自己多动手就能掌握的。

四、单片机外面的世界。

就算你现在能玩转单片机，但也只是打开了一扇小小的窗户而已，下面你可以选一个方向，但是工作中可以会用到几个方向的知识，反正尽量多学点。

1、嵌入式操作系统。不推荐用51单片机跑系统。而STM32可以跑ucos II、ucos III、free RTOS、coos、RT-Thread、RTX等。推荐学ucos II，教材是任哲的《嵌入式实时操作系统ucosII原理及应用》，只要掌握一种嵌入式操作系统，其它都可以触类旁通。移植系统时，会用到汇编。推荐学习free RTOS或者RT-Thread。

2、ucgui/STemwin、Touch GFX。STM32可以通过FSMC接口来驱动TFT LCD屏，这里要用到图形界面库，可以学STemwin，STemwin其实就是ucgui，推荐《STemwin开发手册》，也可以学习Touch GFX。

3、上位机。使用单片机采集信号送到PC机上，而PC机需要一个上位机来控制单片机，这个上位机可以用Labview、C++、C、JAVA、甚至是HTML5来写。其中最常用的是单片机跟PC机的串口通信，上位机建议用C或者QT来写，尽管还有很多企业用MFC(C++库)，但是上手比较难，不推荐学MFC。推荐的教材是《C#入门经典》、《QT简介》。

4、数据结构和算法。推荐的教材是周航慈的《嵌入式系统软件中的常用算法》、《数据结构课件》。

5、接口应用。单片机的内部资源比较少，很多时候需要外接一些芯片、传感器。这里需要到用模电、电子测量、计算机网络等知识。推荐的教材是陈尚松等著的《电子测量与仪器》和谢希仁的《计算机网络》。此外，还会用到一些通信模块，比如Zigbee、WIFI、蓝牙、NB-IOT、433模块、NRF24L01、RFID智能卡等，有兴趣可以弄一下，这些都是比较实用的技术。

五、其它问题。

1、单片机的代码是如何运行的？

推荐看《计算机组成原理》。

2、FPGA。

可以参考本博客的《如何学习FPGA》。

3、嵌入式。

很多电子专业的学生就感觉嵌入式很难，那是因为嵌入式涉及很多计算机领域的知识，而这些知识很多是电子专业不开课的，基本功没过关，学起来肯定吃力。具体的学习路线可以参考本博客的《如何学习嵌入式软件》。

4、硬件设计。

可以参考本博客的《如何学习硬件设计——理论篇》、《如何学习硬件设计——实践篇》。

5、开发板的选择。

这里推荐的开发板都是一整板（上面的链接并非广告，只是确实有人不会选开发板才给出来的），里面有很多芯片的。不推荐一个核心板留了很多接口，每个接口都要另外买一块小板，这种板叫子母板，一个母板不贵，但是子板很多，买多几块就花很多钱，而且子板很小，容易丢。

6、为什么学生很难定方案？

因为学生积累的东西并不多，考虑的不那么周全，很多知识似懂非懂，难以制订方案。这时要多接触新事物，只要积累的多，就自然而然的能出方案了，不用太急躁。

7、MDK。

Keil有51版本和ARM版本，其中ARM版本的Keil又称为MDK。

8、stm32 cubemx。

cubemx可以自动生成配置代码，虽然很方便，但不建议初学者使用，会让你懒得不想写代码。

9、为什么编译没问题，下载到单片机却不对？

编译没问题，说明语法没问题，但不能表明逻辑、功能是正确的。

10、为什么网上都有那么多代码可以复制粘贴，还要自己写代码？

因为网上能找到的代码很多，而网上找不到的代码却更多。

11、proteus及multisim仿真。

proteus很适合仿真单片机，但是仿真的效果不能替代实物，一切以实物为准。

multisim适合在学模电时，做一下仿真，以帮助理解电路。

12、为什么有的STM32开发板可以用串口下载代码，还需要仿真器吗？

STM32有个IAP的功能（又称为远程升级），可以用任意的接口来下载代码，但是这种方法是建立在芯片本身有IAP的代码，才可以使用。

在一个没有任何代码的芯片上，不能使用串口下载代码，这时，必须使用仿真器。

13、单片机不就是C语言嘛，还需要学单片机原理？

在工程上会遇到单片机内部资源的调度、IO口的电气特性、带宽等问题，你不懂单片机原理是解决不了这些问题的。

14、单片机的汇编和微机原理的汇编。

微机原理讲的是PC机中x86架构的汇编，和51单片机的汇编是有区别的。不要看错书。

而51单片机的汇编和STM32的汇编也是有区别的，51的是CISC架构，而STM32的是RISC架构。

15、除STM32以外的高端单片机品牌。

有NXP的LPC、新唐、GD32(高仿STM32)、英飞凌、TI的MSP430、Microchip的PIC、瑞萨、ADI、Maxim（美信）、三星。

16、其它单片机品牌。

合泰、辉芒、松瀚、海尔（东软）、STC、义隆、新茂、中颖、ABOV（现代）、Megawin（笙泉）、晟矽微、HOLTEK（盛扬）、九齐、佑华、灵动微。

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uCOS-II操作系统实验

这一章的目的是让学生了解嵌入式和行业中操作系统中的应用，在以前学习的例程中大多都不带操作系统，也就是裸奔，本章将带领大家进入RTOS的世界，关于RTOS类操作系统有很多，本教程选取的是非常有名的uC/OS-II操作系统。在使用uC/OS-II之前我们要先完成uC/OS-II在我们开发平台上的移植操作。

uC/OS-II简介

uC/OS-II由Micrium公司提供，是一个可移植、可固化的、可裁剪的、占先式多任务实时内核，它适用于多种微处理器，微控制器和数字处理芯片（已经移植到超过100种以上的微处理器应用中）。同时，该系统源代码开放、整洁、一致，注释详尽，适合系统开发。 uC/OS-II已经通过联邦航空局（FAA）商用航行器认证，符合航空无线电技术委员会（RTCA）DO-178B标准。

我们常见的嵌入式操作一同可以大致分为四层，分别是功能层、软件层、中间层和硬件层。其中我们使用的uC/OS-II就位于中间层，具体如下图29.1所示：

图29.1 嵌入式操作系统分层

严格地说uC/OS-II只是一个实时操作系统内核，它仅仅包含了任务调度，任务管理，时间管理，内存管理和任务间的通信和同步等基本功能。没有提供输入输出管理，文件系统，网络等额外的服务。但由于uC/OS-II良好的可扩展性和源码开放，这些非必须的功能完全可以由用户自己根据需要分别实现。

uC/OS-II移植

移植准备

首先我们先要准备一个一直所需的基本工程，本章所讲的移植步骤实在LED工程基础上实现的。其次我们需要获取uC/OS-II的源码，源码我们可以直接从Micrium官网下载，需要我们首先登录该网站，第一次登陆需要进行注册。下载地址：

Micrium uC-Eval-STM32F107 - Weston Embedded Solutions (weston-embedded.com)

登陆官网之后，我们首先找到下载地址如下图29.2所示：

图29.2 下载地址

然后我们点击EXMAPLE，并选择STM系列的芯片相关例子，具体操作如下图29.3所示：

图29.3 芯片相关示例选择

选择ST相关芯片之后然后点击在搜索栏输入我们所需要的使用的芯片类型，由于我们实在STM32F103开发板上移植，所以我们选择同系列的STM32F10B系列实例即可。具体操作如下图29.4所示：

图29.4 uC/OS-II版本选择

下载完之后会显示一个如下图29.5所示的可执行文件，点击打开之后我们就就可以将对应的源码文件解压到指定的目录之下：

图29.5 源码软件

解压过程下图29.6所示，我们需要先点击Browse选择解压路径，然后点击Unzip解压即可。

图29.6 源码解压

解压完成之后，我们可以打开对应的路径，我们所需要用到的内容如下图29.6所示：

29.6 源码路径

至此，我们的源码就以获取完毕，准备工作已经完成。接下来我们就可以开始移植操作了。

移植步骤

首先我们需要在模板工程里新建一个uCosII文件夹，然后再文件夹里新建三个子文件夹Config、Core和Port。其中Config用来存放我们对uCosII操作系统的配置文件，Core用来存放uCosII的源码，Port用来存放和CPU的接口文件。具体操作如下图29.7所示：

图29.7 创建工程存放文件夹

接下来我们就是向指定文件夹移植对应的文件即可，首先我们需要向Config文件夹里移植如下图29.8所示两个文件，其中 includes.h 里面都是一些头文件，os_cfg.h 文件主要是用来 配置和裁剪UCOSII 的。

图29.8 配置文件

这两个文件我们可以从源码里获取，具体路径：

Micrium\Software\EvalBoards\ST\STM3210E-EVAL\RVMDK\OS-Probe

然后向Core文件夹内移植uCosII的源码，具体内容如下图29.9所示：

图29.9 内核源码文件

内核源码我们可以从源码里获取，具体路径：

Micrium\Software\uCOS-II\Source

然后我们移植CPU接口文件，具体内容如下图29.10所示：

图29.10 接口文件

这几个文件在源码中的具体路径如下：

Micrium\Software\uCOS-II\Ports\ARM-Cortex-M3\Generic\RealView

至此所有的文件就已经移植完成，接下来我们就需要对工程尽型配置了。

工程配置

首先在工程目录中创建一下三个分组，如下图29.11所示：

图29.11 工程目录创建

然后分别向三个目录中添加对应的文件夹里的c文件和.a文件，注意在添加内核文件时不要将ucos_ii.c文件添加到工程里。文件添加完成后的效果如下图29.12所示：

图29.12 文件添加效果图

添加完文件之后需要将头文件的路径一并给添加到工程里，具体如下图29.12所示：

图29.12 头文件路径配置

此时直接编译会提示找不到app_cfg.h文件，因为我们没有将这个文件添加到自己的目录中，所以直接将#include <app_cfg.h>替换为#include “includes.h”，然后修改includs.h文件将无关的头文件给屏蔽掉。具体操作如下图29.13所示：

图29.13 屏蔽app_cfg.h文件修改includes.h文件

屏蔽之后还会提示一些钩子函数未定义，此时我们需要在配置文件里将钩子函数给关闭，找到os_cfg.h文件的第30行，将1改为0即可。具体操作如下图

图29.14 关闭钩子函数

修改完之后在编译一次，会提示另外一个函数未定义，如下图所示29.15所示：

图29.15 错误提示

我们找到os_cpu_c.c文件，然后将361行的OS_CPU_SysTickClkFreq()函数直接修改为单片机的时钟频率也就是72000000。具体操作如下图29.16所示：

图29.16 修改时钟频率

此时我们在编译就不会再出错了，但是我们还需要进行以下操作让uCosII系统跑起来。我们将uCosII系统运行所依赖的函数放到系统定时器的中断函数里运行，如图29.17所示，然后将STM32启动文件里出现pendSV_Handler的地方全部修改为OS_CPU_PendSVHandler，因为上了操作系统之后，上下文切换的中断会由uCosII来执行。具体内容如下图29.18所示：

图29.17 函数调用

图29.18 启动文件修改

uC/OS-II操作系统使用

基础任务创建和删除实验

任务基础

多任务操作系统最主要的就是对任务的管理，包括任务的创建、挂起、删除和调度等，因此对于UCOSII操作系统中任务管理的理解就显得尤为重要。这一节我们就讲解UCOSII中的任务管理。

在使用UCOSIII 的时候我们要按照一定的顺序初始化并打开UCOSII，我们可以按照下面的顺序

任务的状态：

UCOSII支持的是单核 CPU，不支持多核CPU，这样在某一时刻只有一个任务会获得CPU使用权进入运行态，其他的任务就会进入其他状态，UCOSII中的任务有多个状态，如下表 29.1所示。

表29.1 任务状态

任务状态

描述

休眠态

休眠态就是任务只是以任务函数的方式存在，只是存储区中的一段代码，并 未用OSTaskCreate()函数创建这个任务，不受 UCOSII管理的。

就绪态

任务在就绪表中已经登记，等待获取 CPU使用权。

运行态

正在运行的任务就处于运行态。

等待态

正在运行的任务需要等待某一个事件，比如信号量、消息、事件标志组等， 就会暂时让出 CPU使用权，进入等待事件状态。

中断服务态

一个正在执行的任务被中断打断，CPU 转而执行中断服务程序，这时这个任 务就会被挂起，进入中断服务态。

在uCosII中任务的5种状态转换关系如下图29.19所示；

图29.19 任务状态切换

任务相关API的使用：

创建任务函数：

在UCOSIII 中我们通过函数 OSTaskCreate()来创建任务，OSTaskCreate()函数原型如下(在 os_task.c 中有定义)。

INT8U OSTaskCreate (void (*task)(void *p_arg), void *p_arg, OS_STK *ptos, INT8U prio)

函数需要四个参数，对应每个功能如下：

task：要执行的任务的指针，也就是函数名字

p_arg：任务开始时传递给任务的参数

ptos：分配给任务的栈空间

rio：人物的优先级

删除任务函数：

OSTaskDel()函数用来删除任务，当一个任务不需要运行的话，我们就可以将其删除掉，删除任务不是说删除任务代码，而是UCOSII不再管理这个任务，在有些应用中我们只需要某个 任务只运行一次，运行完成后就将其删除掉，比如外设初始化任务，OSTaskDel()函数原型如下：

INT8U OSTaskDel (INT8U prio)

参数含义：

prio：删除任务的优先级

代码实现

我们在主函数直接创建两个LED灯的任务分别控制LED1和LED2，并且在LED1任务运行5次之后删除LED2的任务，具体代码如下：

#include "main.h"

#include "delay.h"

#include "led.h"

#include "key.h"

#include "usart.h"

#include "includes.h"

//START 任务

//设置任务优先级

#define START_TASK_PRIO 10 //开始任务的优先级设置为最低

//设置任务堆栈大小

#define START_STK_SIZE 64

//创建任务堆栈空间

OS_STK START_TASK_STK[START_STK_SIZE];

//任务函数接口

void start_task(void *pdata);

//LED1任务

//设置任务优先级

#define LED1_TASK_PRIO 7

//设置任务堆栈大小

#define LED1_STK_SIZE 64

//创建任务堆栈空间

OS_STK LED1_TASK_STK[LED1_STK_SIZE];

//任务函数接口

void led1_task(void *pdata);

//LED2任务

//设置任务优先级

#define LED2_TASK_PRIO 8

//设置任务堆栈大小

#define LED2_STK_SIZE 64

//创建任务堆栈空间

OS_STK LED2_TASK_STK[LED2_STK_SIZE];

//任务函数接口

void led2_task(void *pdata);

int main(void)

{

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);

SysTick_Config(72000);

Led_Config();

Beep_Config();

RGB_Config();

Relay_Config();

Key_Config();

USART1_Config(115200);

OSInit();

OSTaskCreate(start_task,(void *)0,(OS_STK *)&START_TASK_STK[START_STK_SIZE-1],START_TASK_PRIO );//创建起始任务

OSStart();

while(1)

{

}

}

//开始任务

void start_task(void *pdata)

{

OS_CPU_SR cpu_sr=0;

pdata = pdata;

OSStatInit(); //初始化统计任务.这里会延时1秒钟左右

OS_ENTER_CRITICAL(); //进入临界区(无法被中断打断)

OSTaskCreate(led1_task,(void *)0,(OS_STK*)&LED1_TASK_STK[LED1_STK_SIZE-1],LED1_TASK_PRIO);

OSTaskCreate(led2_task,(void *)0,(OS_STK*)&LED2_TASK_STK[LED2_STK_SIZE-1],LED2_TASK_PRIO);

OSTaskSuspend(START_TASK_PRIO); //挂起起始任务.

OS_EXIT_CRITICAL(); //退出临界区(可以被中断打断)

}

//LED1任务

void led1_task(void *pdata)

{

uint8_t count=0;

while(1)

{

count++;

LED1_Toggle();

if(count==5)

{

printf("LED1任务删除LED2任务\r\n");

OSTaskDel(LED2_TASK_PRIO);

}

printf("LED1任务运行%d次\r\n",count);

OSTimeDly(1000);

}

}

//LED2任务

void led2_task(void *pdata)

{

uint8_t count=0;

while(1)

{

count++;

LED2_Toggle();

printf("LED2任务运行%d次\r\n",count);

OSTimeDly(500);

}

}

实验现象

将代码烧录到开发板，然后打开串口助手，我们可以看到串口助手会打印出来每个任务运行的次数，而且LED灯1和LED灯2都开始闪烁，当LED1任务运行到第五次时，会打印“LED1任务删除LED2任务”，此时LED2不再闪烁，且串口不再是输出LED2任务运行次数，只有LED1任务运行，具体现象如下图29.20所示：

图29.20 任务从创建删除实验现象

相关问答

一、freeRTOS比uCOSII优胜的地方:1。内核ROM和耗费RAM都比uCOS小,特别是RAM。这在单片机里面是稀缺资源,uCOS至少要5K以上,而freeOS用2~3K也可以跑的.....