《外部设备的C编程》课件

外部设备的编程原理与实C践欢迎来到外部设备的C编程课程，我们将深入探讨C语言在硬件编程中的应用，以及与各种外部设备进行交互的原理和实践本课程将帮助您掌握硬件编程的核心技术，为您在嵌入式系统开发、物联网应用、自动化控制等领域打下坚实基础课程概述与学习目标本课程旨在为学员提供外部设备的C编程基础知识，包括硬件架学习目标构、内存映射、寄存器和端口、I/O端口编程基础、中断处理、

1.掌握C语言在硬件编程中的应用串行通信、并行通信、LCD显示器编程、键盘接口编程、LED显

2.理解外部设备的工作原理和编程接口示控制、A/D转换器编程、D/A转换器编程、I2C总线协议、SPI

3.能够使用C语言编写与外部设备进行交互的程序总线协议、USB设备编程、网络设备编程、传感器接口编程、实

4.掌握硬件编程常用的调试技术和工具时时钟编程、EEPROM存储编程、Flash存储编程、SD卡接口编程、电机控制编程、调试技术与工具、代码优化技巧等语言在硬件编程中的重要性C1C语言作为一门底层编程语言，能够直接操作硬件资源，2C语言拥有丰富的库函数和强大的扩展性，能够满足各种提供对计算机硬件的精确控制硬件编程的需求3C语言编译后的代码执行效率高，适合用于资源有限的嵌4C语言广泛应用于各种硬件平台，包括微处理器、单片机入式系统、FPGA等硬件编程基础知识硬件架构理解计算机硬件架构，包括CPU、内存、外设等组件之间的关系内存映射掌握内存映射概念，了解CPU如何访问内存和外设寄存器和端口学习寄存器和端口的概念，并掌握使用C语言访问寄存器的技巧I/O端口编程了解I/O端口编程基础，包括输入输出操作、地址解码等计算机硬件架构简介中央处理器CPU负内存RAM用于存储硬盘HDD/SSD用于责执行指令，处理数据正在运行的程序和数据存储操作系统、应用程，控制整个计算机系统，速度快但容量有限序和用户数据，容量大但速度较慢图形处理器GPU专门用于处理图形和图像，加速图形渲染和计算内存映射概念2内存映射将物理内存地址映射到逻辑地址空间，方便CPU访问内存地址空间1CPU使用地址来访问内存，每个地址对应一个字节的存储空间地址解码通过地址解码器将逻辑地址转换为物理地址，定位到实际的内存单元3寄存器和端口寄存器1内置于CPU或外设芯片内部，用于存储控制信息和数据端口2连接CPU和其他外设的接口，用于数据输入输出地址映射3每个寄存器和端口都对应一个唯一的地址，通过地址访问端口编程基础I/O数据输入从端口读取数据，获取外部设备传递的信息数据输出向端口写入数据，控制外部设备的行为地址解码通过地址解码器找到目标端口，进行数据读写操作位操作技术位移操作位掩码使用左移和右移操作符来移动位的位运算符使用位掩码来控制特定位的值，方便对寄值，实现数据转换和位操作使用位运算符对单个位进行操作，例如与存器进行操作、或|、异或^、取反~等中断处理基础中断请求1外部设备发送中断请求信号，告知CPU需要处理事件中断处理2CPU接收到中断请求后，停止当前执行的程序，跳转到中断服务程序进行处理中断向量表3存储中断服务程序的地址，方便CPU快速找到对应程序中断优先级4多个设备同时发出中断请求时，根据优先级选择处理的顺序串行通信基础串行通信1数据一位一位地依次传输，使用一根线进行数据传输数据格式2定义数据传输的起始位、数据位、奇偶校验位和停止位等格式通信协议3规范数据传输过程，包括数据格式、同步方式、错误检测等编程概述UART初始化配置UART波特率数据位校验位停止位定义数据传输的速率，例如定义每个数据字的位数，通常用于校验数据的完整性，例如用于标记一个数据帧的结束，9600bps、115200bps等为8位奇校验、偶校验或无校验通常为1位或2位数据发送UART12数据准备写入发送缓冲区将要发送的数据存储在缓冲区中使用C语言函数将数据写入UART发送缓冲区3UART发送UART芯片自动将数据从缓冲区发送到串行接口数据接收UART12接收数据写入接收缓冲区UART芯片接收来自串行接口的数据UART芯片将接收的数据写入接收缓冲区3读取接收缓冲区使用C语言函数从UART接收缓冲区读取数据中断处理UART中断服务程序中断处理中断标志位在接收到中断请求时，CPU跳转到中断在中断服务程序中读取数据或写入数据使用中断标志位来确认是否发生了中断服务程序执行，根据具体需求进行处理，并进行相应处理协议详解RS-232标准1定义了数据信号、控制信号和接地信号的电压电平、传输方向和连接方式连接器2使用DB9或DB25连接器，连接数据线、控制线和接地线应用3广泛应用于计算机与外设之间的通信，例如打印机、鼠标、键盘等并行通信基础并行通信数据同时传输，使用多根线进行数据传输数据传输速度快相比串行通信，并行通信能够同时传输多个位，速度更快连接复杂并行通信需要多根线进行连接，连接和布线比较复杂传输距离短并行通信受线缆长度和电气特性限制，传输距离较短并行端口编程数据方向控制数据读写使用C语言函数控制并行端口的使用C语言函数读取并行端口的数据方向，设置为输入或输出数据或向并行端口写入数据地址解码通过地址解码器找到目标并行端口，进行数据读写操作显示器编程LCD初始化显示控制1设置显示模式、分辨率、对比度等参数2控制显示区域、颜色、亮度等4图形显示字符显示3显示图片、图形和其他图像数据将字符数据显示在LCD屏幕上初始化流程LCD1选择LCD型号根据实际使用的LCD型号选择对应的驱动程序和配置文件2设置工作模式配置LCD的显示模式、分辨率、颜色深度等参数3配置时钟设置LCD的时钟频率，影响显示速度和刷新率4测试显示显示简单的测试图案或文字，验证初始化是否成功显示控制LCD显示区域颜色亮度设置显示区域的起始坐标和大小，控制设置显示内容的颜色，包括背景色、前调节LCD的亮度，根据环境光线进行调整显示内容的位置景色的选择和控制字符显示LCD字符库字符显示函数字符属性使用字符库存储每个字符的点阵数据，方调用C语言函数将字符数据写入LCD的缓冲设置字符的大小、颜色、位置和字体等属便显示各种字符区，在屏幕上显示字符性，实现多样化的字符显示图形显示LCD图形数据1将图形数据存储在数组或文件中，例如位图、矢量图等图形显示函数2使用C语言函数将图形数据写入LCD的缓冲区，在屏幕上显示图形图形操作3支持图形的绘制、缩放、旋转、平移等操作，实现动态效果键盘接口编程键盘扫描按键去抖动按键识别定期扫描键盘矩阵，检测按键是否被按对按键信号进行处理，消除由于机械抖根据按键的行列信息识别按下的键值下动带来的误判键盘扫描技术键盘矩阵行扫描列扫描将键盘按键按行和列排列成矩阵，通过依次控制每行信号，检测该行是否有按如果该行有按键按下，再依次控制每列控制行和列的信号来扫描按键键按下信号，确定按下的具体键值按键去抖动处理机械抖动去抖动算法延迟检测机械按键由于弹簧等部件的物理特性使用软件算法，例如时间延迟、硬件在检测到按键按下后，延迟一段时间，在按下和松开时会产生短暂的抖动电路等方式，滤除按键抖动带来的误再读取按键状态，以确保按键信号稳判定显示控制LEDLED灯是一种半导体发使用C语言控制LED灯LED显示屏通过多个光元件，可以根据电流的开关状态，实现点亮LED灯组合在一起，形大小来控制亮度、熄灭和闪烁等功能成各种文字和图形显示信号控制PWMPWM信号1脉冲宽度调制，通过改变脉冲宽度来控制输出电压控制原理2通过改变PWM信号的占空比，控制LED灯的亮度应用3广泛应用于电机控制、LED亮度控制、音频放大器等领域定时器编程基础定时器能够产生定时中断，用于控制时间相关事件的执行定时器配置使用C语言函数配置定时器的计数频率、计数模式和中断方式定时器中断定时器到达设置的时间后，会产生中断请求，触发中断服务程序应用用于实现延时、时间计数、定时控制等功能转换器编程A/DA/D转换器1将模拟信号转换为数字信号，用于采集和处理模拟量转换原理2通过采样、量化和编码等步骤将模拟信号转换为数字信号编程接口3使用C语言函数启动A/D转换，读取转换结果应用4用于采集温度、电压、电流等模拟信号，实现数据采集和控制转换器编程D/AD/A转换器1将数字信号转换为模拟信号，用于控制模拟量转换原理2通过数字信号控制电流或电压，产生模拟信号编程接口3使用C语言函数写入数字信号，控制D/A转换输出应用4用于控制电机转速、电压、电流等模拟量，实现精确控制总线协议I2C设备编程I2C设备地址数据传输设备控制每个I2C设备都对应一个唯一的地址，用于使用C语言函数发送数据和接收数据，实通过发送特定的命令和数据来控制I2C设备区分不同的设备现与I2C设备之间的通信的行为，例如读取数据、设置参数等总线协议SPI四线1使用四根线进行数据传输，MOSI、MISO、SCK和SS同步2主设备和从设备同步传输数据，由主设备控制时钟信号全双工3主设备和从设备可以同时进行数据收发高速4传输速度快，适合于高速数据传输场景设备编程SPI设备选择数据传输设备控制通过控制SS信号选择目标SPI设备进行通使用C语言函数发送数据和接收数据，实通过发送特定的命令和数据来控制SPI设信现与SPI设备之间的通信备的行为设备编程基础USBUSB是一种串行总线标准，提USB设备编程需要理解USB通供了一种简单、灵活、可靠的信协议，以及USB驱动程序的连接方式开发USB设备编程通常需要使用特定的USB库函数和驱动程序，来实现与USB设备的通信通信协议USB控制传输枚举用于发送控制命令和数据，例如设置设2备配置、获取设备信息等连接USB设备后，主机通过枚举过程识1别设备类型和功能批量传输用于传输大量的数据，例如文件传输、3数据采集等等时传输5中断传输用于传输实时数据，例如音频和视频流4用于传输少量的数据，例如设备状态变化的通知驱动开发USB设备驱动驱动程序开发负责与USB设备进行通信，并将使用C语言编写驱动程序，根据数据传递给应用程序USB协议规范实现与设备的通信逻辑驱动程序安装将驱动程序安装到操作系统中，使设备能够被操作系统识别和使用网络设备编程以太网是一种广泛使用WiFi无线网络技术，允蓝牙是一种短距离无线的网络技术，用于连接许设备通过无线连接访通信技术，用于连接手计算机、路由器、交换问互联网和网络资源机、耳机、键盘等设备机等设备协议栈TCP/IP网络层1负责网络数据包的路由和转发，例如IP协议传输层2负责提供可靠的端到端数据传输服务，例如TCP和UDP协议应用层3提供用户应用程序使用的接口，例如HTTP、FTP、SMTP等协议以太网编程以太网驱动负责与以太网控制器进行通信，发送和接收数据包数据包处理处理接收到的数据包，根据协议进行解析和转发网络应用程序使用网络协议库函数，构建网络应用程序，例如Web服务器、FTP客户端等模块编程WiFi模块初始化连接网络配置WiFi模块的参数，例如SSID使用C语言函数连接到无线网络、密码、工作模式等，获取网络连接状态数据收发使用C语言函数发送和接收数据，实现网络通信蓝牙模块编程初始化蓝牙模块，设置搜索可连接的蓝牙设备发送和接收数据，实现蓝牙设备名称、连接模，并尝试建立连接蓝牙设备之间的通信式等参数传感器接口编程12传感器类型传感器接口常见的传感器类型包括温度传感器、传感器通常通过模拟或数字接口与微光传感器、压力传感器、加速度传感处理器进行连接器等3传感器驱动使用C语言编写传感器驱动程序，实现与传感器的通信和数据采集温度传感器示例温度传感器类型数据采集温度转换常见的温度传感器包括热敏电阻、热电使用C语言函数读取温度传感器的输出值将传感器输出值转换为实际温度值，例偶、数字温度传感器等，例如电压或数字信号如摄氏度或华氏度加速度传感器示例加速度传感器类型1常见的加速度传感器包括三轴加速度传感器、MEMS加速度传感器等数据采集2使用C语言函数读取加速度传感器的输出值，例如加速度值运动检测3根据加速度值的变化，检测设备的运动状态，例如倾斜、震动、旋转等实时时钟编程RTC实时时钟用于保存时间和日期，即使系统断电也不会丢失时间设置使用C语言函数设置RTC的时间和日期时间读取使用C语言函数读取RTC的时间和日期信息应用用于实现定时任务、时间记录、数据记录等功能存储编程EEPROM数据写入数据读取EEPROM一种非易失性存储器，能够存储数据使用C语言函数将数据写入EEPROM，使用C语言函数从EEPROM读取数据，，即使系统断电也不会丢失保存数据恢复保存的数据存储编程Flash一种非易失性存储器，使用C语言函数进行数广泛应用于存储操作系容量大，写入速度快，据写入、擦除和读取操统、应用程序、用户数但擦除速度较慢作据等卡接口编程SDSD卡1一种可移动存储设备，使用SPI接口与微处理器通信SD卡驱动2使用C语言编写SD卡驱动程序，实现与SD卡的通信和数据传输文件操作3通过SD卡驱动程序，实现对SD卡上的文件进行读写、创建、删除等操作电机控制编程电机类型常见的电机类型包括步进电机、伺服电机、直流电机等电机驱动使用电机驱动芯片控制电机的转速、方向和位置控制算法使用C语言编写控制算法，实现对电机的精确控制步进电机控制步进电机控制算法应用旋转角度由脉冲数控制，能够实现精准使用C语言函数发送脉冲信号，控制步进广泛应用于自动控制、打印机、机械臂定位和控制电机的转动等领域伺服电机控制伺服电机控制信号能够将接收到的信号转换成相应使用PWM信号或其他控制信号的转动角度，实现精准的定位和来控制伺服电机的转动角度控制应用广泛应用于机器人、无人机、模型飞机等领域调试技术与工具调试器是一种软件工具，用于帮助程序员示波器是一种电子测量仪器，用于观察和逻辑分析仪是一种电子测量仪器，用于观调试程序测量电信号的变化察和分析数字信号的逻辑状态硬件仿真器使用仿真器1用于模拟目标硬件环境，帮助程序员进行程序调试和测试仿真环境2仿真器提供一个模拟的硬件环境，运行程序并观察程序执行结果调试功能3仿真器提供断点、单步执行、变量查看等调试功能示波器应用信号观察使用示波器观察和测量电信号的波形，分析信号的频率、幅度、相位等特性故障诊断通过观察信号波形，判断电路是否存在故障，例如信号缺失、信号异常等电路调试使用示波器观察电路中的关键信号，验证电路功能是否符合预期逻辑分析仪使用逻辑分析仪数据捕获数据分析用于观察和分析数字信号的逻辑状态逻辑分析仪能够捕获并记录数字信号逻辑分析仪提供数据分析功能，帮助，例如高电平、低电平、上升沿、下的逻辑状态，方便进行分析和调试程序员分析数字信号的时序和逻辑关降沿等系代码优化技巧算法优化数据结构优化代码风格优化选择高效的算法，减少计算量，提高程选择合适的數據結構，例如数组、链表编写简洁、易读、易维护的代码，提高序执行效率、哈希表等，提高数据访问速度代码质量性能优化方法性能测试性能分析优化方案使用性能测试工具评估程序的执行效率和使用性能分析工具定位程序性能瓶颈，找根据性能分析结果，制定优化方案，例如资源占用情况到优化方向改进算法、优化数据结构、减少资源占用等。