為初學者打造一本全方位介紹單片機入門與進階的圖書，幫助初學者入門，并梳理單片機學習過程中的整個脈絡是本書的主旨�？赡苡凶x者會問，市面上有這么多單片機入門書和視頻，本書在內容上有什么優(yōu)勢?這里簡單談談自己的看法，筆者曾經帶過很多初學者，也經常與剛踏入單片機行業(yè)或放棄該行業(yè)的從業(yè)者進行交流，加上筆者本身是通過一步步自學過來的，對單片機學習過程中的坑深有體會，這里所講的坑倒也不是學習單片機本身面臨的知識點難度，而是適合初學者的一套學習方法。所以在本書中，讀者也將看到介紹方法與思路貫穿全書。其實各行各業(yè)都一樣，入門這一步非常困難，困難在剛開始讀者對很多知識(以單片機為例： C語言、單片機原理、模擬電路基礎知識、數(shù)字電路基礎知識、計算機原理、I2C總線、SPI總線、寄存器)都不懂，不知道從何學起，但是一旦入門，很多讀者經常會感慨原來就這么回事，脈絡清晰了，怎么去補充知識，怎么去學，自然而然也就清晰了。本書內容僅僅幫助初學者如何去學習，限于篇幅，許多知識點沒有進一步展開介紹，俗話說得好： 師傅領進門，修行靠個人。單片機和嵌入式開發(fā)也一樣，入門之后，可每個人根據(jù)職業(yè)規(guī)劃或愛好朝著自己的方向不斷地補充新的知識和技能。
許多初學者以為單片機開發(fā)就是寫代碼，在筆者看來，寫代碼應該放到最后一步。首先讀者需要將整個單片機項目分解、細化，看一下哪些知識點是自己熟悉的，哪些知識點是自己不熟悉的，不熟悉的知識點再進一步分解成哪些是需要花時間與精力解決的，整個項目要使用什么樣的軟件框架，把關鍵問題解決之后再去寫代碼，會起到事半功倍的效果。
掌握模塊化設計思路，其實各行各業(yè)都有這種模塊化思想，例如一輛機動車自上而下看包括發(fā)動機、變速箱、底盤、外觀、內飾等，如果再進一步分解發(fā)動機，則包括排氣系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、配氣機構、曲軸連桿等模塊。單片機系統(tǒng)中這種模塊化思想也體現(xiàn)得淋漓盡致，一個單片機包括CPU、RAM、Flash、時鐘系統(tǒng)、輸入輸出（I/O）、I2C、SPI、串口、定時器、RTC模塊等；一個單片機項目包含的程序模塊通常有數(shù)字輸入模塊、數(shù)字輸出模塊、通信模塊、系統(tǒng)調度模塊等，掌握這種模塊化設計思想會讓你在各行各業(yè)中獲益良多。
筆者是個物理愛好者，大學期間學的也是物理學專業(yè)，出于對電子技術的熱愛，從大二開始，不斷參加各種科技、電子協(xié)會，幫助班上和在校同學解決各種電器問題，小到吹風機、音響，大到電視機、計算機、空調、洗衣機等，還多次積極協(xié)助組織參與三下鄉(xiāng)活動，將科技知識帶進農村，為老百姓切切實實答疑解惑并解決實際電器問題。此外，筆者也多次參加各層級舉辦的電子類競賽，盡管有的比賽成績不是很理想，但是在競賽過程中都能學有所獲，受益良多。正是這些實戰(zhàn)經歷，使筆者在很多方面對單片機和嵌入式的理解比較獨特，也希望這些獨特的理解能幫到各位讀者。
本書內容安排從每個階段實用的角度出發(fā)，秉持著通俗易懂的原則，第一部分主要介紹單片機入門知識，與眾多介紹單片機入門的方式不同，筆者特地選擇了市面上常用的4種單片機(STC89C52RC、PIC16、MSP430和STM32)與開源界非常流行的Arduino開發(fā)平臺進行對比，一方面通過對比幫助讀者了解不同單片機的開發(fā)方式； 另一方面也可以總結這些單片機開發(fā)方式的共同點，以便讀者以后碰到新單片機時可以將這種技巧快速應用其中。另外需要指出的是，關于上面4款單片機其實在業(yè)內有非常優(yōu)秀的入門教程，8051單片機有郭老師的《10天學會單片機》視頻、STM32有野火的《零死角玩轉STM32》和正點原子的《手把手教你學STM32》，所以在介紹該部分內容時筆者只挑重點，有些甚至是一筆帶過，但是該部分資料都會統(tǒng)一放在本書提供的資源中。
一直以來，單片機進階是很多初學者面臨的老大難問題，一方面市面上系統(tǒng)性的書籍比較少； 另一方面單片機進階學習需要結合實際項目，單純通過理論方式很難將這些經驗描述到位。筆者花了很多心思梳理了單片機進階的整個知識框架，從第16章在實際工程應用中的電路著手到第17章的軟件痛點分析，其中參考了網上大量文章及初具規(guī)模公司中實用的一些規(guī)范; 第18章介紹了基礎版的代碼規(guī)范，旨在幫助讀者養(yǎng)成一個良好的代碼編寫習慣。實際項目中的程序往往是復雜但又有跡可循的； 第19章特地介紹了如何編寫模塊化程序，以便讀者更好地讀懂和編寫有一定代碼量的單片機程序，而要做好一個單片機項目，特別是在多人協(xié)作開發(fā)時，一個好的研發(fā)流程顯得尤為重要，很多技術公司發(fā)展到一定規(guī)模后都面臨流程上的問題； 第20章以一個實際的案例介紹了一個完整項目的基本開發(fā)流程，為了更進一步讓讀者對這種開發(fā)方式有所理解； 第21章特地補充了一個實際做好的項目，幫助讀者鞏固研發(fā)流程； 從第22章開始主要介紹一些實際項目中的技巧，例如第22章中的狀態(tài)機原理及實際項目中哪些地方用到狀態(tài)機，并進一步延伸出狀態(tài)機更廣泛的用途； 第23章則使用通俗易懂的方式介紹操作系統(tǒng)方式編程和如何打造一個基礎版的操作系統(tǒng)，通過與市面上主流的實時系統(tǒng)C/OSⅡ做對比，讀者會發(fā)現(xiàn)其實開發(fā)操作系統(tǒng)也沒有想象中那么難。在校期間，很多計算機與電子類專業(yè)學生經常會聽到老師說算法才是程序的靈魂，但是算法到底是什么及單片機中算法該如何應用在第24章中進行了詳細介紹。為了讓讀者進一步認識算法； 第25章和第26章詳細介紹了兩個非常熟悉的游戲（貪吃蛇與俄羅斯方塊）在Windows和單片機上的實現(xiàn)方式，讓讀者可以更進一步地理解算法的本質。單片機軟件本身是抽象的，單片機能實現(xiàn)相應功能，其實主要是程序編寫者的功勞，為了將這些單片機資源利用好，數(shù)據(jù)結構起到了重要作用，第26章還詳細介紹了單片機中常用的幾種數(shù)據(jù)結構。許多單片機入門者包括從業(yè)多年的工程師對于如何維護代碼一直比較模糊，特別是多人協(xié)作開發(fā)同一個項目時，這種問題顯得尤為突出； 第27章針對當前流行的分布式代碼版本管理作了基礎和實用的介紹，這種管理方式無論是對于寫代碼還是文檔管理都是一個非常不錯的選擇。筆者認為技術從業(yè)者要勇于探索和擁抱新的技術、新的開發(fā)方式，人類社會的進步就是機器不斷取代人力的過程，單片機開發(fā)也一樣，特別是長期從事單片機開發(fā)行業(yè)的工程師應該有感觸，絕大部分時間是在做一些普通人都能做的事情，對于一款單片機來講它的資源、開發(fā)方式基本上是固定的，所以第28章介紹了一種基于模型的開發(fā)方式，這種開發(fā)方式在未來一定會得到全面普及，只是以何種方式、何時出現(xiàn)的問題。一個好的工具、平臺同樣也能提高項目的開發(fā)效率，第29章介紹的Arduino開發(fā)平臺，盡管許多讀者非常熟悉，但是也希望通過本書的這種介紹方式使讀者能對開源平臺有一個全新的理解，而第30章的VS Code也算是微軟近年來的大作，幾乎橫跨整個代碼界，其便捷性和可擴展性給工程師帶來了極大的便利性。
最后感謝周圍關心與支持筆者的親人與朋友。
本書寫作過程比較倉促，書中難免存在疏漏之處，希望讀者能夠批評指正，也真心希望讀者能通過本書學到或悟到一些對您有用的東西。
王良升2022年10月
配套資源
入門篇
第1章經典的LED例子
1．18051單片機點亮LED
1．2PIC單片機點亮LED
1．3MSP430單片機點亮LED
1．4STM32單片機點亮LED
1．5Arduino點亮LED
第2章LED點亮例子剖析
2．1LED電路解析
2．2單片機科普
2．2．1計算機主板
2．2．2手機CPU
2．2．3單片機內部組成
2．3單片機運行程序解剖
2．3．1CPU運行程序的本質
2．3．2點亮一顆LED匯編代碼剖析
第3章初學者搭建電路神器面包板
3．1初學者使用面包板的好處
3．2面包板使用簡介
3．3面包板在實際項目中的妙用
3．3．1原型電路驗證
3．3．2單片機連接分立元器件或模塊
3．3．3多平臺、多模塊系統(tǒng)驗證
第4章開發(fā)環(huán)境搭建
4．18051單片機Keil開發(fā)環(huán)境搭建
4．1．18051單片機軟件安裝與編譯
4．1．2STC系列8051單片機固件下載
4．2STM32單片機開發(fā)環(huán)境搭建
4．2．1STM32單片機軟件安裝與編譯
4．2．2STM32單片機固件下載
4．3MSP430開發(fā)環(huán)境搭建
4．3．1軟件安裝與編譯
4．3．2代碼下載
4．4PIC開發(fā)環(huán)境搭建
4．4．1軟件安裝與編譯
4．4．2PIC單片機代碼下載
4．5Arduino開發(fā)環(huán)境搭建
4．5．1Arduino IDE開發(fā)環(huán)境搭建
4．5．2Arduino IDE代碼下載
4．5．3MSP430 Arduino開發(fā)環(huán)境搭建
4．6Proteus仿真環(huán)境搭建
第5章I/O端口的基本輸出多變的輸出控制
5．1I/O基本知識
5．1．1萬物皆有電阻
5．1．2歐姆定律
5．1．3I/O專業(yè)術語
5．2單片機I/O端口輸出電路內部剖析
5．2．1STC單片機I/O端口
5．2．2PIC16單片機I/O端口
5．2．3MSP430單片機I/O端口
5．2．4STM32單片機I/O端口
5．3I/O作為輸出使用的幾種方式
5．3．1小電流輸出驅動
5．3．2電平匹配或小功率驅動
5．3．3大功率大電壓驅動
5．3．4設備工作電壓遠高于安全電壓
第6章I/O端口的基本輸入不限于按鍵輸入
6．1開關基礎知識普及
6．1．1微動開關
6．1．2感應開關
6．1．3電容觸摸開關
6．1．4人體感應模塊
6．1．5普通66按鍵
6．2單片機I/O輸入模式
6．2．1上拉輸入
6．2．2下拉輸入
6．2．3浮空輸入
6．3單片機I/O端口輸入電路內部剖析
6．3．18051單片機I/O輸入
6．3．2PIC16單片機I/O輸入
6．3．3MSP430單片機I/O輸入
6．3．4STM32單片機I/O輸入
6．4幾種常用的輸入方式
6．4．1直連單片機I/O端口
6．4．2匹配電平后連接單片機I/O端口
6．4．3超過安全電壓或跨距離信號輸入
第7章單片機引腳不夠用外掛擴展芯片
7．1使用擴展芯片情形及步驟
7．28051單片機驅動8線譯碼器
7．38051單片機實現(xiàn)74HC245收發(fā)器驅動
7．48051單片機驅動74HC573鎖存器
第8章中斷單片機一心多用卻不落下重要事情
8．1生活中的中斷場景
8．28051單片機外部中斷
8．3PIC16單片機中斷
8．4MSP430單片機中斷
8．5STM32單片機中斷
8．6Arduino外部中斷
8．7外部中斷總結
第9章不甘只為定時器它還有很多妙用
9．18051單片機定時器
9．2PIC16定時器
9．3MSP430定時器
9．4STM32定時器
9．5Arduino定時器
9．6定時器使用總結
第10章較少引腳多做事總線
10．1總線的誕生
10．2總線初探
10．2．1手動模擬驅動74HC595
10．2．28051單片機驅動74HC595
10．3SPI總線原理與使用
10．3．1SPI總線介紹
10．3．28051單片機驅動MCP23S08輸出
10．3．38051單片機讀取MCP23S08按鍵值
10．4I2C總線驅動PCA9554
10．4．1I2C總線簡單介紹
10．4．2輸出控制流水燈
10．4．3讀取I2C輸入數(shù)據(jù)控制LED
第11章串口通信單片機與外界溝通常用方式
11．1原始通信方式與基本模式
11．1．1單工通信模式
11．1．2半雙工通信模式
11．1．3全雙工通信模式
11．2串口通信由來
11．3串口通信單片機實現(xiàn)
11．3．18051單片機串口通信
11．3．2PIC16單片機串口通信
11．3．3MSP430單片機串口通信
11．3．4STM32單片機串口通信
11．3．5Arduino單片機串口通信
11．3．6串口通信總結
11．4同是串口通信，別被接口和協(xié)議弄糊涂
11．4．1串口通信物理接口
11．4．2串口通信協(xié)議
第12章非常重要卻常被忽略的技能調試
12．1使用硬件調試器
12．1．1PIC單片機調試
12．1．2MSP430單片機調試
12．1．3STM32調試
12．1．4單片機調試器使用總結
12．2一顆LED能反饋的信息眾多
12．2．1定時器中斷中使用LED調試
12．2．2串口通信中使用LED調試
12．2．3LED直接顯示設備狀態(tài)
12．3使用最方便的調試方式串口
12．4任何時候要有快速找到解決問題的辦法
12．4．1軟硬件問題確定
12．4．2盡可能用熟悉的東西，找可靠渠道購買
第13章有趣的顯示方式
13．1生活中的LED變形記
13．2單總線全彩燈
第14章A/D數(shù)字與模擬世界溝通的橋梁
14．1A/D原理
14．2PIC單片機A/D
14．3MSP430單片機A/D
14．4STM32單片機A/D
14．5Arduino A/D
第15章以為只是PWM，沒想到有這么多魔法
15．1PWM介紹
15．1．1多種方式實現(xiàn)PWM
15．1．2專用名詞解釋
15．2呼吸燈原理剖析
15．3舵機控制
15．4步進電動機控制
15．4．1步進電動機原理
15．4．2步進電動機控制實現(xiàn)
15．5PWM直流電動機調速
提高篇
第16章學了很多東西，實際項目中如何用硬件部分
16．1實際項目電路與單片機入門電路差距
16．2供電電路
16．2．1開發(fā)板供電
16．2．2消費電子產品供電
16．2．3工業(yè)控制器供電
16．2．4車用控制器供電
16．2．5電源電路總結
16．3輸入電路
16．3．1開發(fā)板輸入電路
16．3．2工業(yè)輸入電路
16．3．3車用輸入電路
16．4輸出電路
16．4．1工業(yè)功率輸出電路
16．4．2車用功率輸出電路
16．5A/D采集電路
16．5．1工業(yè)A/D輸入電路
16．5．2車用A/D輸入電路
16．6通信電路
16．6．1開發(fā)板通信電路
16．6．2車用通信電路
16．7對比分析總結
第17章別讓單片機學習停留在點亮LED
17．1初學者單片機軟件能力徘徊不前
17．2怎么改變這種現(xiàn)狀
17．2．1項目分解能力
17．2．2程序框架搭建能力
17．2．3算法能力
17．3單片機成長捷徑
17．4站在巨人的肩膀上
17．4．1Arduino平臺
17．4．2開源代碼托管平臺
第18章要想路走得遠，編程規(guī)范少不了
18．1組織結構
18．1．1工程文件組織結構
18．1．2文件夾代碼組織結構
18．1．3程序結構
18．2標識符命名
18．2．1命名基本原則
18．2．2宏與常量命名
18．2．3變量命名
18．2．4函數(shù)命名
18．2．5文件命名
18．3代碼排版
18．3．1代碼縮進
18．3．2代碼分行
18．3．3頭文件
18．3．4注釋排版
18．3．5代碼可讀性
18．4注釋
18．4．1注釋基本原則
18．4．2文件注釋
18．4．3函數(shù)與代碼注釋
18．6變量、結構、常量、宏
18．7函數(shù)規(guī)范
18．7．1函數(shù)命名
18．7．2函數(shù)參數(shù)
18．8變量和結構規(guī)范
18．9宏表達式與常量規(guī)范
18．10表達式規(guī)范
第19章模塊化程序編寫
19．1點亮LED模塊化程序改造
19．1．1.h文件編寫
19．1．2.c文件編寫
19．2模塊化程序編寫進階
19．3打造可重復利用的軟件模塊
第20章多功能電子鐘項目開發(fā)基本流程
20．1項目需求
20．2項目規(guī)格說明
20．3項目總體方案
20．4項目概要設計
20．4．1硬件概要方案
20．4．2軟件概要設計
20．5項目詳細設計
20．6項目調試與驗證
20．7項目測試
20．8項目批量階段
第21章網紅樓梯燈
21．1項目需求
21．2項目規(guī)格說明
21．3項目總體方案
21．4項目概要設計
21．4．1硬件概要方案
21．4．2軟件概要方案
21．5項目詳細設計
21．5．1硬件詳細方案
21．5．2軟件詳細方案
21．6項目調試與驗證
21．7項目測試
第22章狀態(tài)機編程，不止于按鍵
22．1狀態(tài)機實現(xiàn)按鍵功能
22．2狀態(tài)機基本原理與實現(xiàn)
22．3狀態(tài)機串口接收協(xié)議
22．3．1簡單版串口協(xié)議
22．3．2實用串口協(xié)議
第23章可以不用操作系統(tǒng)，但是要會操作系統(tǒng)方式編程
23．1不要被操作系統(tǒng)嚇到，其實它也可以很簡單
23．2動手寫一個簡單操作系統(tǒng)
23．2．1構造一個簡單的調度器
23．2．2任務更新與啟動
23．3與市面主流系統(tǒng)對比
第24章算法和程序是兩碼事
24．1程序和算法
24．1．1算法本質
24．1．2程序本質及與算法之間聯(lián)系
24．2單片機項目中的典型算法
24．2．1濾波算法
24．2．2PID算法
24．2．3校驗算法
24．3別在程序上花太多時間，算法才是值得付出的
第25章Windows和單片機平臺算法對比
25．1貪吃蛇
25．1．1貪吃蛇游戲實現(xiàn)要點
25．1．2貪吃蛇原理解析
25．2Windows系統(tǒng)下貪吃蛇代碼解析
25．2．1游戲區(qū)域初始化
25．2．2繪制食物與蛇身
25．2．3檢測蛇碰撞
25．2．4蛇吃食物
25．2．5蛇身移動坐標更新
25．2．6蛇身變換方向
25．3單片機實現(xiàn)貪吃蛇
25．3．1游戲變量與宏定義
25．3．2復位蛇身與游戲開始
25．3．3按鍵檢測與設定蛇運動方向
25．3．4蛇身移動坐標更新
25．3．5吃食物檢測
25．3．6產生新食物
25．3．7碰撞檢測
25．3．8顯示蛇與食物
25．4俄羅斯方塊
25．4．1俄羅斯方塊類型
25．4．2方塊下落顯示區(qū)域
25．4．3預覽方塊和分數(shù)顯示
25．4．4按鍵檢測和移動方塊
25．4．5旋轉方塊
25．4．6方塊消除
第26章數(shù)據(jù)結構感受不到你的存在
26．1鏈表多任務調度
26．1．1單向鏈表
26．1．2雙向鏈表
26．2隊列通信緩沖
26．2．1環(huán)形隊列基本操作
26．2．28051單片機隊列操作示例
26．2．3隊列操作在實時系統(tǒng)中的應用
第27章代碼版本工具讓代碼管理更規(guī)范
27．1混亂的代碼管理方式
27．1．1復制粘貼標題命名法
27．1．2復制粘貼日期管理法
27．3使用工具科學管理代碼，讓重復的代碼不再重復
27．3．1代碼管理軟件介紹
27．3．2代碼管理軟件安裝
27．3．3代碼管理軟件打開與使用
27．4Git科普及作用
27．4．1Git簡介
27．4．2Git能夠解決的問題
27．4．3Git實現(xiàn)原理
第28章不用寫一行代碼的開發(fā)方式基于模型開發(fā)
28．1一個基于模型的簡單例子
28．2當你以寫代碼為榮時，殊不知正在被機器悄悄取代
28．3任意單片機使用基于模型開發(fā)
28．3．18051單片機使用Simulink模型開發(fā)
28．3．2Simulink生成模型代碼簡單剖析
28．3．3其他單片機模型移植
28．4基于模型開發(fā)方式進階思考
第29章打造實用的Arduino平臺
29．1打造個人的Arduino開發(fā)平臺
29．1．1添加Arduino支持的單片機類型
29．1．2添加Arduino軟件庫
29．2Arduino IDE多文件工程建立
29．3多種仿真平臺總有一個適合你
29．3．1使用Proteus仿真Arduino
29．3．2在線TinkerCAD仿真
29．3．3使用在線Wokwi仿真
第30章萬能開發(fā)工具VS Code
30．1VS Code簡介
30．2VS Code開發(fā)環(huán)境搭建
30．3單片機開發(fā)平臺PlatformIO
30．3．1添加PlatformIO擴展插件
30．3．2PlatformIO新建8051單片機工程
30．3．3PlatformIO新建Arduino工程
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