前言_嵌入式开发基础知识与蓝桥杯

前言

关于本文

• 本文是我为准备蓝桥杯嵌入式比赛时所作的，可以当作蓝桥杯的应试指南，系列中的标题含有“实验”的内容均在蓝桥杯开发板上运行

  同时也增加了关于嵌入式与STM32的通用知识，其标题以“STM32的…”开头，让此文可以当作一般的STM32入门教程

• 本系列承接本人的STM8系列教程，因此一些在STM8系列合集中介绍过的单片机的基础概念与底层原理不会再赘述，可以直接跳转至对应的STM8文章中查看

本文内容来源

• 本文内容框架来自漆强老师的《嵌入式系统设计——基于STM32CubeMX与HAL库》，另有蓝桥杯相关内容基于蓝桥杯官方发布文档与开发板店家所提供教程，另有引用部分网络内容作为补充

  文中例程运行于蓝桥杯专用的开发板，各章节“引脚连接”的部分也专指蓝桥杯开发板的连接情况，需要根据自己手头上开发板的实际情况更改配置与代码

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嵌入式系统概述

嵌入式系统的定义

• 嵌入式系统的由来

  嵌入式系统源自通用计算机技术的发展：在把通用计算机应用于航海、机械控制这些领域时，人们发现对控制领域来说只需要简单的输入输出，用不上通用计算机那么强大的功能，而通用计算机却要为其强大的功能占据较大的物理空间并消耗大量的能源

  所以人们就提出了新的设计需求：设计一种单芯片的处理器，将储存器、输入输出接口、定时器和中断系统等组件都集成在芯片上，并减少芯片的体积与功耗，这就造出了嵌入式系统

• IEEE定义

  电气和电子工程师协会将嵌入式系统定义为：用于控制、监视或者辅助操作机器或者设备的装置

嵌入式系统的特点

• 嵌入性

  物如其名，嵌入式系统必须嵌入到对象系统中，满足对象系统的要求，比如物理环境(便携性)、电气环境(可靠性)、成本(价格低廉)等要求

• 专用性

  嵌入式系统与通用计算机(我们常用的电脑)最大的不同在于其专用性，特别强调量身定做的原则，针对不同用途的嵌入式系统往往是截然不同的，即使是功能相近的系统也要对相应的硬件和软件进行相应修改(裁剪)才能够使用

• 计算机系统

  嵌入式系统以计算机技术为基础，融合光学、机械学和电子学多学科知识，反映到实物上便是以嵌入式处理器为核心，配置与对象系统相适应的外围电路

嵌入式系统的组成

• 嵌入式系统可以分成硬件和软件两大部分

• 嵌入式硬件

  • 最小系统：由嵌入式处理器、电源电路、时钟电路、复位电路和调试电路组成

  • 外围电路：用于人机交互的显示电路、键盘电路；用于信息传输的通信电路……针对不同工程应用，所搭配的外围电路不同

• 嵌入式软件

  • 驱动程序：提供软件和硬件之间的接口函数，比如我们在STM8开发板上做的点亮LED等实验，我们将各个对寄存器的操控封装为一个函数，只要调用这个函数(软件)就能控制LED(硬件)的亮灭，这实际上就是LED的驱动
  • 操作系统：负责进程的调度和软件之间接口的管理，这一部分是可选的，对于功能复杂的系统才有必要搭载操作系统
  • 应用程序：实现具体的业务逻辑，由开发人员根据具体的业务逻辑与需求编写，回到STM8点灯实验的例子，再写一个程序，通过之前的驱动实现流水灯或者间歇闪烁的效果，这便是应用程序

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嵌入式知识大纲

1. 硬件设计

   • STM32概述

   • 开发板电路原理

2. 软件开发

   • 搭建开发环境

   • 软件的使用

3. STM32外设

   • GPIO

   • 中断

   • TIM定时器

     时基、输入捕获、输出比较/PWM生成

   • UART串口通信

     轮询方式、中断方式、DMA方式

4. 操作系统

   • RTOS

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蓝桥杯比赛大纲

• 以下内容按第十六届嵌入式设计比赛而写，具体请以最新官方文件为准
• 括号内为知识点难度，1-10难度系数依次递增

客观试题内容

• 即选择题，共十题，每题1.5分，包括六道单选和四道多选

1. 电路基础[1-3]

2. 电子元件基础知识[1-3]

3. 数模电路

   1. 数制与编码[3]
   2. 二极管、三极管、基础门电路[1-3]
   3. 运算放大器、滤波器[1-4]
   4. AD、DA转换[1-4]
   5. 电源转换[2-4]

4. 工具仪表使用[1-5]

5. STM32G4系列微控制器

   1. 体系结构与外设资源[3-5]
   2. 性能与工作参数[3-5]
   3. 典型应用场景[4-6]

6. 通信总线

   1. SPI[4]
   2. USART/RS485/RS232[4]
   3. I2C[4]
   4. CAN[5-6]
   5. USB[5-6]
   6. 以太网[5-6]
   7. 嵌入式实时操作系统、文件系统基础知识[6+]

7. 传感器应用[4-6]

8. ARM 微控制器基础 [6]

程序试题内容

• 比赛的重点，在第十六届蓝桥杯中分值为85分，内容是根据给出的题目要求写代码，提交hex文件

1. LED 控制[1-4]

2. STM32G431微控制器内部资源

   1. IO[3]
   2. 中断[3-5]
   3. ADC[3-5]
   4. I2C[3-5]
   5. 定时器：基础定时、输入捕获、比较输出[4-6]
   6. 串口应用[4-6]
   7. DMA[4-6]

3. 按键

   1. 独立按键[3-5]
   2. 单双击处理[5-7]
   3. 长、短按键处理[5-7]

4. TFT-LCD 应用[4-6]

5. 传感器

   1. 数字电位器[4-6]
   2. 多通道模拟量采集（电位器）[4-6]
   3. 多通道脉冲采集（信号发生器）[5-7]

6. 存储（E2PROM）[4]

7. 数据存储、统计与分析计算[6+]

8. 嵌入式综合应用程序设计与调试[7+]