嵌入式软件硬件知识点全攻略（小白版）

嵌入式开发是硬件与软件的结合体，既要懂得电路与通信原理，也要精通 C/C++ 编程与调试技巧。很多新手学了一段时间会有困惑：知识零散、缺乏系统框架，遇到问题容易卡壳。
本文将从 通信基础 → 常见协议 → 编程核心 → 预处理与数据结构 → 开发实践 这五大模块帮你梳理重点知识，读完后你将有一张清晰的“知识地图”。

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一、通信基础

通信是嵌入式系统的生命线，所有外设交互都离不开数据传输。

1. 二进制与十六进制转换

• 二进制（Base 2）：计算机底层使用的语言，只有 0 和 1。
• 十六进制（Base 16）：书写简洁，每 4 位二进制可以表示成 1 位十六进制。
• 转换技巧：
  例：1101 0110 二进制 → D6 十六进制。
  方法：每 4 位二进制分组 → 查十六进制表。

应用场景：调试串口数据、查看寄存器值时，大多以十六进制显示。

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2. 同步通信 vs 异步通信

• 同步通信

  • 发收双方使用同一个时钟信号。
  • 数据按时钟节拍逐位发送，不需要起止位。
  • 优点：稳定、速度快。
  • 缺点：需要额外的时钟线。

• 异步通信

  • 发收双方各有独立时钟。
  • 通过 起始位 和 停止位 标识数据帧开始和结束。
  • 优点：省线，不依赖共享时钟。
  • 缺点：传输效率略低。

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3. 串行 / 并行传输

• 串行：一根数据线一次传输 1 位，成本低，适合远距离。
• 并行：多根数据线同时传输多位，速度快，但易受干扰，成本高。

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4. 单工 / 半双工 / 全双工

• 单工：数据单向流动（例：广播）。
• 半双工：双向传输，但同一时刻只能一方发（例：对讲机）。
• 全双工：双向同时传输（例：电话）。

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二、常见通信协议

1. UART（异步串行）

• 仅需 TX（发送）、RX（接收） 两根线。
• 起始位和停止位确保数据帧完整性。
• 速度一般（如 115200bps）。

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2. I2C（同步串行）

• 两线制：SCL（时钟）、SDA（数据）。
• 主从架构，支持多主机。
• 速率：标准模式（100kbps）、快速模式（400kbps）、高速模式（3.4Mbps）。
• 常用于连接传感器、EEPROM 等低速外设。

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3. SPI（同步串行）

• 四线制：MOSI（主发从收）、MISO（主收从发）、SCK（时钟）、CS（片选）。
• 高速全双工，速率可达数十 Mbps。
• 常用于 Flash 存储、显示屏。

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4. CAN 总线

• 使用差分信号（CAN_H、CAN_L），抗干扰能力强。

• 具备仲裁机制，多节点通信无冲突。

• 广泛应用于汽车电子、工业自动化。

• 帧格式：

  • 标准帧：11 位 ID
  • 扩展帧：29 位 ID

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5. 协议对比表

协议	线数	同/异步	速率	工作模式	抗干扰	成本
UART	2	异步	中	半双工	一般	低
I2C	2	同步	低	半双工	一般	低
SPI	4	同步	高	全双工	一般	中
CAN	2	同步	中高	半双工	强	中

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三、C/C++ 编程核心

1. 关键字作用

• volatile：防止编译器优化，用于中断标志、硬件寄存器、共享变量。

• static：

  • 函数内变量：生命周期延长到程序结束。
  • 文件内变量/函数：作用域限制在当前文件。

• extern “C”：以 C 语言方式编译，避免 C++ 名称修饰，常用于 C/C++ 混合开发。

• const：定义不可修改常量，可修饰变量、参数、返回值。

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2. 内存管理

• 分配方式：

  • 静态存储区：全局、静态变量。
  • 栈：局部变量，自动回收。
  • 堆：malloc/free、new/delete 手动管理。

• 堆 vs 栈：

  • 栈：快，但空间小。
  • 堆：灵活，空间大，但速度慢且可能内存泄漏。

• 内存泄漏检测：

  • C++：智能指针（std::unique_ptr、std::shared_ptr）。
  • 工具：Valgrind。

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3. 指针专题

• 数组指针：指向整个数组。

• 指针数组：数组中的元素是指针。

• 函数指针：存储函数地址，实现回调。

• 指针函数：返回值为指针的函数。

• 常量指针分类：

  • int* const：指针地址不可改，内容可改。
  • const int*：内容不可改，指针可改。
  • const int* const：都不可改。

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四、预处理与数据结构

1. 预处理指令

• typedef：类型别名，带类型检查。
• #define：宏定义，文本替换，不做类型检查。

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2. 数据结构与算法

• 直接插入排序：

  • 从未排序部分取出元素，插入到已排序部分的合适位置。
  • 适合小数据量排序，代码简单。

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五、开发实践要点

1. 嵌入式调试

• 使用宏 #ifdef DEBUG 控制调试信息开关。
• 善用 SDK 中的寄存器宏定义简化代码。

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2. 编码规范

• 防野指针：初始化为 NULL，释放后置空。

• 前置++ 优于 后置++：减少临时对象创建。

• 字符串处理：

  • strlen：返回实际字符数（不含 \0）。
  • sizeof：返回分配的空间大小（含 \0）。

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