Lei Feng Fab Academy 2025

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第4周：嵌入式编程 ​

课程概述 ​

欢迎来到嵌入式编程的世界！本课程将带你步入一个神奇的微型计算世界。想象一下，在你的指尖上放置一个只有指甲盖大小的芯片，这个小小的芯片里却蕴含着一个完整的计算机系统 - 这就是我们将要探索的微控制器。

本课程是电子设计和制造系列课程的基础，将为你打开嵌入式系统的大门。通过本课程，你将学习：

  1. 如何选择合适的微控制器
  2. 理解处理器架构和内存系统
  3. 掌握基础编程技能
  4. 学习调试技巧
  5. 动手实践项目开发

为什么学习嵌入式编程？ ​

在我们的日常生活中，嵌入式系统无处不在：

  • 智能家电中控制温度和时间的处理器
  • 可穿戴设备中监测健康数据的芯片
  • 工业控制系统中的自动化控制器
  • 甚至是简单的LED灯控制器

通过本课程，你将能够设计和开发这些令人着迷的系统。

第一部分：微控制器基础 ​

认识微控制器 ​

什么是微控制器？ ​

微控制器是一个集成了处理器核心、内存和输入输出接口的完整计算机系统。以一个售价仅50美分的ATtiny412微控制器为例，它包含：

  • 8位CPU核心
  • 程序存储器(Flash)
  • 数据内存(RAM)
  • 多个输入输出接口
  • 定时器
  • 模数转换器

这个小小的芯片就像一个微型工厂，可以感知环境、处理数据并控制其他设备。

处理器架构 ​

冯·诺依曼架构 vs 哈佛架构 ​

这两种架构代表了计算机系统的两种基本设计理念：

冯·诺依曼架构：

  • 程序和数据存储在同一个内存空间
  • 优势：结构简单，硬件成本低
  • 缺点：可能出现程序和数据访问冲突
  • 应用：主要用于个人计算机

哈佛架构：

  • 程序和数据使用独立的存储空间和总线
  • 优势：可以同时访问指令和数据，效率更高
  • 应用：大多数微控制器采用此架构
  • 历史：源自哈佛大学早期计算机设计

RISC vs CISC ​

处理器的指令集架构决定了它如何执行命令：

RISC (精简指令集计算机)：

  • 指令数量少，简单直接
  • 大多数指令在一个时钟周期内完成
  • 功耗低，执行速度快
  • 代表：ARM处理器、RISC-V架构

CISC (复杂指令集计算机)：

  • 指令数量多，单条指令可完成复杂操作
  • 代码密度高，编程灵活
  • 功耗相对较高
  • 代表：x86处理器

第二部分：主要处理器系列 ​

1. AVR系列 - 入门者的最佳选择 ​

就像选择一辆入门级汽车，AVR系列提供了可靠且易于使用的特性：

核心特点：

  • 8位处理器，简单易用
  • 价格实惠（约50美分）
  • 工作电压范围广（1.8-5.5V）
  • 运行速度可观（20MHz）

优势：

  • 单引脚编程，电路设计简单
  • 资源丰富，入门门槛低
  • 功耗低，适合电池供电
  • 可靠性高，工业级质量

常用型号：

  • ATtiny412：小巧精致，适合空间受限场景
  • ATtiny44：引脚较多，功能更丰富
  • ATtiny1614：增强型模拟功能

2. ARM系列 - 性能的代表 ​

如果AVR是入门级汽车，ARM就像是性能车，提供更强大的功能：

核心特点：

  • 32位处理器架构
  • 时钟频率高（48MHz以上）
  • 丰富的外设接口
  • 支持更复杂的功能

优势：

  • 强大的计算能力
  • 支持USB等高级接口
  • 内存容量更大
  • 生态系统成熟

常用型号：

  • SAMD11：小型但功能全面
  • SAMD21：性能更强，适合复杂应用
  • SAM51：高端型号，支持高速运算

3. RP2040（树莓派）- 创新的选择 ​

这是一款极具特色的处理器，带来了独特的功能：

核心特点：

  • 双核32位处理器
  • 基础时钟频率133MHz
  • 可超频至250MHz以上
  • 创新的可编程IO系统

优势：

  • 价格实惠（约$1）
  • 独特的PIO功能
  • 强大的开发生态
  • 优秀的性价比

4. ESP32/ESP8266 - 无线通信的专家 ​

适合需要网络连接的项目：

核心特点：

  • 集成WiFi和蓝牙功能
  • 32位处理器
  • 丰富的外设接口
  • 多核心设计（ESP32）

优势：

  • 无线通信能力强
  • 集成度高
  • 性价比出色
  • 开发生态丰富

第三部分：开发环境与工具 ​

编程语言选择 ​

1. C/C++ ​

最基础和常用的嵌入式开发语言：

优势：

  • 执行效率高
  • 内存占用小
  • 可直接操作硬件
  • 编译器支持完善

适用场景：

  • 对性能要求高的项目
  • 资源受限的设备
  • 需要直接硬件控制的场景

2. Python (MicroPython/CircuitPython) ​

适合快速开发和学习：

优势：

  • 代码简洁易读
  • 开发速度快
  • 调试方便
  • 丰富的库支持

注意事项：

  • 执行速度较慢（约为C的1/100）
  • 需要更多系统资源
  • 不适合实时控制

开发环境推荐 ​

1. Arduino IDE ​

最受欢迎的入门级开发环境：

特点：

  • 安装简单
  • 内置常用库
  • 一键编译上传
  • 串口监视器

优势：

  • 学习曲线平缓
  • 社区支持强大
  • 示例丰富
  • 适合教育

2. VS Code + PlatformIO ​

专业级的开发环境组合：

特点：

  • 智能代码补全
  • 语法检查
  • 代码重构
  • 版本控制

优势：

  • 功能全面
  • 扩展丰富
  • 支持团队协作
  • 跨平台

第四部分：调试方法与技巧 ​

基础调试方法 Arduino (C/C++) ​

LED状态指示 ​

最基本也最直观的调试方法：

c
// 示例代码
void debugBlink(int times) {
    for(int i = 0; i < times; i++) {
        digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
        delay(100);
        digitalWrite(LED_PIN, LOW);
        delay(100);
    }
}

串口打印调试 ​

可输出详细的调试信息：

c
void debugPrint(const char* msg, int value) {
    Serial.print("Debug: ");
    Serial.print(msg);
    Serial.print(" = ");
    Serial.println(value);
}

常见问题与解决方案 ​

程序无法下载 ​

可能原因：

  • 接线错误
  • 芯片损坏
  • 熔丝位设置错误
  • 供电问题

解决步骤：

  1. 检查接线
  2. 验证供电电压
  3. 尝试降低编程速度
  4. 检查芯片型号

实践作业 ​

小组作业 ​

  1. 比较不同的嵌入式架构
  2. 测试不同处理器的开发环境
  3. 记录并分享对比结果

个人作业 ​

  1. 选择一个微控制器并阅读其数据手册
  2. 编写简单的程序实现：
    • LED控制
    • 按键输入
    • 串口通信
  3. 使用模拟器验证程序功能
  4. 选做：在实际硬件上测试程序

学习资源 ​

官方文档 ​

  • 处理器数据手册
  • 编程指南
  • 示例代码

在线资源 ​

注意事项 ​

安全提示 ​

  1. 始终注意电压电流匹配
  2. LED必须使用限流电阻
  3. 避免电路短路

开发建议 ​

  1. 从简单示例开始
  2. 循序渐进增加功能
  3. 及时保存和备份代码
  4. 建立良好的调试习惯

文档整理 ​

  1. 及时记录开发过程
  2. 保存重要代码片段
  3. 记录问题和解决方案