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图文版 · 半小时学完单片机基础
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52:19电赛零基础AI+速通，一个视频学完单片机。GPIO PWM ADC TIM IRQ I2C SPI UART WDG DMA【BA】
零基础入门单片机，半小时速通GPIO、PWM、ADC、UART、I2C、SPI等核心外设功能
BA-0:半小时学完 单片机基础
简单来讲，单片机就是一个指甲盖大小、几块钱一个，专门控制小电器的迷你小电脑。
它不是你用来打游戏、刷视频的大电脑，而是在各种小电器里的小管家，例如：
•电子表、小风扇
•感应灯、电动车仪表盘
•小玩具、测温枪、遥控车
为啥不用大电脑？
单片机一便宜、二体积小、三低功耗、四功能简单（越简单越稳定越不容易死机）
看这个系列课需要什么基础？
一初中电路的知识、二知道编程是个啥（不咋会也没关系）、三没了
半个小时学到什么？
知道单片机的基本功能，掌握这些内容之后就可以看懂并上手实际项目了
BA-1:电压？！电压到底是什么？
关键在于，电压描述的是一个差值。
为什么亮？
电压产生了电流
为什么不亮？
没有回路，电压产生不了电流
真的有3.7V电压吗？
灯泡两侧的电压计算，发现矛盾：
U=I×R，R是有限值，I=0，U=0≠3.7
因此对标注的电压作出更正：
为什么有-3.7V？
所谓0V，仅仅是我们的定义；
上图只有电压表的差值是真正的电压值。
对于 -3.7V 0V 3.7V，也可以定义为 0V 3.7V 7.4V，
甚至100V 103.7V 107.4V。
取决于系统的哪一处标为GND（Ground）或连接到大地，记为0V。
因此，电压数值的是一个差值，一般是对GND的差值。
如果-3.7V，则表示低于GND处3.7V。
BA-2:电子积木的电压规则：共地
GND表示连接到定义的0V上，所有GND连到一个0V
如果没有共同参考，A认为的2V，B表示不知道是啥。
啥都有可能，状态为：悬空（开路）
因此，为了让整个电子系统以统一参考运行，务必将所有的GND连接在一起，称为：共地
如果失误没有共地，会出现：通信失败、舵机乱动…
新手阶段极其容易忽略这个问题！！！
BA-3:电子积木，启动！
简单来讲，单片机最小系统就是这玩意儿再拆任何一点儿东西就死掉了，真不能拆了。
为了方便开发，把必要的这些内容放在了一块板子上（如下图），称为：最小系统板
我们可以利用这个板子再通过板子上的引脚，使用导线连接到其他模块上实现各种功能。
接下来的内容，我们将主要围绕单片机的这些引脚的功能展开描述。
BA-4-1:GPIO，先读到0和1
简单来讲，这是单片机最最基础的功能，可以读取输入值或者控制输出值。
首先，你可以在代码中设置当前模式为输入模式或者输出模式。
输入模式
输入模式下，可以读取当前引脚是高电平/低电平（高电平[1]一般为单片机的工作电压，多为3.3V或5V，低电平[0]指GND/0V），最常用在按键检测，如图：
但是会发现一个致命问题，按键按下时，引脚为0低电平，但是按键释放时，引脚到按键这段未连接到任何电平，处于悬空！因此读取的值可能是0可也能是1！因此提出上拉电阻、下拉电阻，来解决悬空的问题：
如何加上上拉电阻/下拉电阻？
第一种：直接按照左下角的电路图，在芯片外部连接1kΩ~100kΩ的电阻（常用4.7kΩ 10kΩ）
第二种：现代很多芯片可以内部开启/关闭 上拉/下拉电阻，相当于下方图：
BA-4-2:GPIO，再输出0和1
输出模式
输出模式的本质是：芯片内部有两个开关可以分别控制引脚连接到VCC（一般3.3V或5V）或GND，如下图：
连接到上方VCC电源轨时，引脚输出高电平1
连接到下方GND时，引脚输出低电平0
这种输出方式称为：推挽输出，该输出方式相当于直接连接到电源或地，具备一定的驱动（为元件供电）能力，但是单片机单引脚的最大电流仍有限制，一般最大电流在10mA级。
推挽输出怎么用呢？
例如可通过上方电路实现对LED亮灭的控制:
连接到上方VCC电源轨时，LED的正极为VCC，负极为GND，LED灯亮起；
连接到下方GND时， LED的正极负极均为GND，LED熄灭。
另外还有一种常见的输出方式：开漏输出，只使用一个开关，但是增加一个上拉电阻（也可以芯片内部上拉）：
开关未连接时上拉至高电平1。但是上拉电阻1kΩ~100kΩ串接到电路中，导致几乎无法驱动如LED、蜂鸣器等的元件。
开关连接时，输出低电平0。
因此开漏输出只能拉低电平、无法主动输出高电平。
为什么用开漏输出？
实现“线与” 逻辑（多用于通信）：多设备输出引脚直接并接在同一总线，任一设备拉低总线即为低电平，所有设备释放才由上拉电阻置高，无输出短路风险。
BA-5:PWM，不只是0和1了，还有0.666
现在的输出模式，引脚只能输出0或1，那么怎么表示0.666这样的值呢？
引入了PWM，通过快速切换0/1，用1所占一个周期的比例表示大小。如下图：
频率较高时，可以近似实现了电压调节，但其本质仍然是快速的脉冲信号。因此可以理解PWM是：用数字信号（只有0/1）模拟出模拟信号（0~1，eg0.666），来传递一个数值信息。
有两个关键性质参数：
频率（1/周期）：指一秒钟内信号从高电平到低电平再回到高电平的次数，即一个周期的次数。频率越高，模拟信号越平稳。
可以控制：蜂鸣器音调。
占空比：一个脉冲周期内，高电平时间与整个周期时间的比例。占空比越大，模拟电压越趋近于高电平。
可以控制：LED亮度调整、电机转速控制（需要电机驱动板）、舵机角度控制（下图）。
BA-6:0.666，用TIM产生
单片机怎么输出我想要的0.666脉冲？
首先，大家都能想到的方法是：让程序一直检查时间，达到规定时间输出高电平1/低电平0，但是会有两个问题：
一、PWM可能会到100khz、1Mhz甚至更高，对于CPU的程序去“获取时间、比较时间、更改输出”所耗时间会显著影响PWM精度。
二、程序再反复检查时间的过程中，无法去执行其他主程序任务。
为了解决这个十分棘手的问题，我们在单片机芯片内部设计了外设 (Peripherals)/硬件资源（Hardware），在我们配置好这个外设之后，只要有系统的时钟信号，他就会自己根据配置运行某一特定的功能。我们的主程序可以继续执行其他任务并可以读取外设的状态。
刚刚提到的GPIO（通用输入输出），以及接下来提到的所有内容都是单片机的外设 (Peripherals)/硬件资源（Hardware）
简单来讲，外设像现实中的工具一样，有着对应的特点功能：
例如机械计数器，通过电路的方法实现就是我们的TIM定时器/计数器（Timer/Counter）
关键在于，达到最大值时，会发生进位和溢出。
往TIM配置三个关键设定参数：
预分频值PSC、自动重装值ARR、比较值CCR
分频器可以输入PSC个脉冲再输出一个脉冲。可以降低频率到原来的1/ PSC 。
PSC变小，输出的脉冲频率变大，
PSC变大，输出的脉冲频率变小。
时钟频率→分频器→计数器（TIM）→IO输出
PWM频率 = 主频 ÷ [(PSC+1) × (ARR+1)]
PWM占空比 = CCR ÷ (ARR+1) ×100%
BA-7:ADC，读取0.666，转换为0和1
刚刚我们输出了一个0.666这样的模拟信号，但是实际场景中还需要读取0.666这样的值：
例如在5V单片机中，通过ADC（模数转换器），我们就可以将3.1V的电压值转为2539/4095（ 1001 1110 1011 ）
有些单片机有ADC_VREF引脚，用于指定ADC的量程/最大值（但是一般仍然不能超过单片机的VCC），如果不接ADC_VREF，使用单片机的VCC作为ADC的最大值。
精度/分辨率（N bit）：表示ADC转换结果有2^N个电压台阶，位数越高，可分辨的电压台阶越小，例如上方例子：
12bit的精度的转换结果为2539/4095（ 1001 1110 1011 ）
8bit的精度的转换结果为158/255（ 1001 1110 ）
采样率/转换时间：在ADC的内部一般通过逐次逼近的方式得到结果，因此需要一定时间
同时采集多个ADC数值？
值得注意的是，一些单片机的多路 ADC 采用异步采样（一次只能获取一个ADC值）而非同步采样，因此读取两路电压时需要进行通道切换。
受硬件电路特性影响，通道切换后需等待一定时间（如 20μs）再进行 ADC 采集，否则易出现通道间相互干扰，导致采样结果不准确。
BA-8:IRQ，中断一下，请求先看这个
我们按照顺序在讲外设：GPIO、TIM、ADC、I2C、SPI、UART、WDG、DMA，哎！等等打断一下，先看这个！
在主程序正常运行的过程中，通过某个触发条件，暂停主程序，先执行这个触发条件对应的程序，再返回主程序继续。
中断的触发条件可以通过程序设定，有以下类型：
中断的触发的来源是多样的，都可以通过代码进行设定，来实现各种不同的功能：
•外部触发：直接由某个引脚触发，适合用在按键检测、传感器触发； 例如实现：其他程序运行时，如果按键按下则灯亮起。
•计数器TIM触发：当计数器捕获引脚的信号达到该计数器设定的自动重装值ARR时，会清零并产生一次脉冲，该脉冲可触发中断； 例如实现：其他程序运行时，电机每转动一圈（52个脉冲）则灯亮灭翻转一次。
•定时器TIM触发（特殊的计数器）：将主频信号（或将主频经过分频的信号），接入计数器，当计数器达到设定的自动重装值ARR时，会清零并产生一次脉冲，该脉冲可触发中断； 例如实现：其他程序运行时，每过500ms则灯亮灭翻转一次。
•UART、DMA、ADC、I2C、SPI硬件触发，用于各种硬件中断的处理。
BA-9:I2C/SPI，少量线，多数据
一大堆01数据，怎么办？
简单来讲，为了满足大量的数据传输需求。引入了通信协议/总线，是指用少量的线按照约定传输大量的数据。其中，I2C只需要两根通信线且支持多个从机，在中低速场景下应用广泛。
通信线：SCL(Clock时钟)\SDA(Data数据），均为开漏输出。
通过I2C一个总线可以和多个设备双向通信。
需要传输大量数据的模块，例如：SSD1306（OLED显示屏）、LCD1602（LCD屏幕）、MPU6050（姿态/加速度传感器）。
另外在单片机上常用的接口是SPI，支持的通信速率更高，但是需要4根信号线。（若只有单向通信则只需要3根）
对于主机：
MOSI (Master Out, Slave In) = TX (Transmit)，主机发向从机；
MISO (Master In, Slave Out) = RX (Receive)，从机发向主机；
SCK/SCLK/CLK：时钟信号（Clock），由主机发生；
CS/CSn/CE：片选信号(Chip Select// Chip Enable)，由主机发生。
如果只需要单向通信，如主机向LCD屏幕发送数据，可以不使用MISO。
对于I2C、SPI，都是串行（一根通信线）同步（有时钟线）通信协议，在使用时，可以直接调用成熟的库函数使用，一般无需使用底层函数。
BA-10:UART，还是太好用了
通信太多线了，我想简单点儿？
I2C、SPI一般用于单片机芯片和各种存储/传感器/执行模块之间的数据读取与输出控制，并且都需要时钟线，配置相对复杂。
如果是单片机对单片机、单片机对电脑、单片机对蓝牙模块的通信，可以使用一种简易的通信协议：UART
只要双方约定好UART的参数，就可以由TX发送到RX接口。因此非常好用。
其实还有 USART ，在原有基础上多了一根时钟线，但在现代设计中，USART被UART取代。
这个好呀，我全用UART行不行？
但是，电脑的接口只有USB接口，并不能直接使用UART通信，这就需要一个中间的转接环节。
USB的协议很复杂，通信只是其中的一部分功能，TTL转USB模块将USB中的通信信息和UART的信息进行协议转换相互转发，同时进行电平转换。
啊？什么是电平？
TTL 用 0V 表示 0、3.3V/5V 表示 1，USB 靠 DP(D+)、DN(D-)两根线的电压差（±3.3V）来表示 0 和 1。
类似的，下载程序也是类似的过程，只不过将UART改为程序下载调试的协议，如SWD(常用，2线)、JTAG(较旧，4~5线)。
BA-11:WDG与DMA，锦上添花
终于，我现在用各种外设设计好了一个可用的设备，我想做的更好，怎么好呢？
一更可靠，二更高效。
可靠是指用WDG（看门狗），顾名思义，一只看门的狗，只不过这狗聪明，见屋里主人挂了就去找医生给主人复活。
本质上，看门狗是一个递减计数器，每次喂狗计数器重置，如果没有喂狗，计数器就会减到0，然后复活主人。
一般看门狗使用独立电路通道、独立内置低速时钟，即使其他核心部分甚至是时钟电路发生致命问题，也可以正常工作。
高效是指用DMA，可以不使用CPU（既不使用主程序，也不使用中断），将RAM与外设设备之间的信息进行复制。
只需要配置好DMA，复制过程将自主完成。
例如可以配置DMA将UART收到的数据实时搬运到某个char数组，将ADC转化后的数值实时更新到某个int变量。主程序直接读取这个char数组/int变量，就是对应外设的实时数据值。
这个DMA怎么这么耳熟？DMA板子？
游戏外挂DMA原理一致，可以绕过电脑CPU（CPU可能运行反作弊程序等），直接读取、修改内存（如血量、位置坐标）。但是显然这是违规操作，还是要适当游戏，热爱生活，享受空气与阳光。
【完】：下一步，跟随教程开始上手实操