嵌入式學習前要了解的基礎知識

一、電壓和電流

在嵌入式開發中，電壓和電流是兩個基本的電氣概念，對于理解和設計電子電路至關重要。它們直接影響到嵌入式系統的性能、功耗、可靠性和安全性。

電壓（Voltage）

電壓是電場力推動電荷移動的能力，通常以伏特（V）為單位。在嵌入式系統中，電壓的概念涉及到以下幾個方面：

供電電壓：嵌入式設備需要一個穩定的供電電壓來保證其正常工作。例如，一個微控制器（MCU）可能需要3.3V或5V的供電電壓。
邏輯電平：數字電路中，電壓用來表示二進制邏輯電平。例如，高電平（High）可能表示邏輯1，低電平（Low）表示邏輯0。
模擬信號：在模擬電路中，不同的電壓值代表不同的信號強度，如聲音、光線或溫度等。
電壓轉換：嵌入式系統中可能需要不同電壓級別的組件，因此需要電壓轉換器（如穩壓器、升壓器或降壓器）來適應不同的電壓需求。
電壓調節：為了保護敏感的電子元件，可能需要對電壓進行調節，防止電壓過高或過低。

電流（Current）

電流是電荷流動的速率，通常以安培（A）為單位。在嵌入式系統中，電流的概念涉及到以下幾個方面：

供電電流：嵌入式設備工作時會消耗一定的電流。例如，一個微控制器在運行時可能消耗幾毫安培（mA）到幾十毫安培的電流，一般都不會超過25mA。
功耗：電流與電壓的乘積等于功耗（功率）。功耗是衡量嵌入式系統能源效率的重要指標。
限流保護：為了防止電路過載或損壞，可能需要限制通過電路的電流。
信號傳輸：在模擬信號傳輸中，電流的大小可以表示信號的強度。
電磁兼容性：電流的變化可能產生電磁干擾，影響系統的電磁兼容性（EMC）。

電壓和電流的關系

在嵌入式開發中，電壓和電流之間存在密切的關系：

歐姆定律：電壓（V）、電流（I）和電阻（R）之間的關系由歐姆定律描述：V=I×R。這意味著通過改變電阻，可以控制電流或電壓。
功率計算：功耗（P）可以通過電壓和電流計算得出：P=V×I。
信號完整性：在高速信號傳輸中，電壓擺幅和電流能力需要滿足一定的要求，以保證信號的完整性。

應用場景

在嵌入式開發中，電壓和電流的概念廣泛應用于：

電源管理：設計電源電路，確保系統各部分獲得合適的電壓和電流。
電路設計：選擇合適的電壓和電流規格，以滿足電路的性能和功耗要求。
故障診斷：通過測量電壓和電流，診斷電路中的故障。
安全保護：設計過壓、過流保護電路，防止系統損壞。

總之，在嵌入式開發中，電壓和電流是設計和分析電路的基礎，對于確保系統的穩定性和可靠性至關重要。

?二、單片機概述

單片機（Single Chip Microcomputer）

單片機是一種集成電路，它集成了處理器核心CPU、內存、輸入/輸出（I/O）端口、串行通訊接口、定時器、模擬/數字轉換器（ADC/DAC）等多種功能。單片機通常用于控制應用，能夠執行簡單的程序來管理設備的操作。它們可以是通用的，也可以是為特定應用定制的。也叫(Micro Controller Unit )MCU。

嵌入式系統（Embedded System）

嵌入式系統是一種專用計算機系統，它作為更大的設備或系統的一個組成部分，通常用于控制設備的操作。嵌入式系統可能包含一個或多個微處理器或微控制器，以及為特定任務設計的硬件和軟件。嵌入式系統的關鍵特性包括：

專用性：為特定的控制功能或應用而設計。
實時性：能夠保證在嚴格定義的時間范圍內響應。
資源受限：在處理能力、內存和能源方面有限制。
可靠性和穩定性：需要在惡劣環境下可靠運行。
體積小：通常嵌入在所控制的設備內部。

單片機和嵌入式系統的區別

雖然所有的單片機都可以被認為是嵌入式系統，但并非所有的嵌入式系統都是單片機。區別主要體現在：

復雜性：嵌入式系統可能比單片機更復雜，因為它們可能包含多個處理器和復雜的外圍設備。
集成度：單片機具有高度集成的特性，而嵌入式系統可能由多個組件構成，這些組件之間通過各種接口（如I2C、SPI等）連接。
應用范圍：嵌入式系統的應用范圍更廣，它們可以用于汽車、家用電器、工業控制等多種場合，而單片機通常用于較為簡單的控制應用。
軟件和硬件：嵌入式系統的軟件和硬件通常更定制化，以適應特定的應用需求，而單片機可能運行更通用的程序。
開發環境：嵌入式系統的開發可能需要考慮更多的因素，如功耗、散熱、實時性能等，而單片機開發可能更側重于程序設計和邏輯控制。

總結來說，STM32作為一種單片機，可以視為一種特殊的嵌入式系統，它集成了多種功能，適用于廣泛的嵌入式應用。在實際使用中，選擇STM32還是其他類型的嵌入式系統，取決于具體的應用需求、性能要求和成本考慮。

?常見MCU

? ? 三、單片機控制原理

單片機（通常稱為微控制器或微處理器）控制原理涉及到硬件和軟件的協同工作，以實現對電子設備的控制。單片機控制原理可以概括為以下幾個關鍵步驟：

輸入信號采集：
- 單片機通過其輸入/輸出（I/O）端口采集外部信號，如傳感器數據、按鈕狀態、開關信號等。
信號處理：
- 采集到的信號可能需要通過模擬/數字轉換器（ADC）轉換為數字信號，以便單片機處理。
- 單片機內部的處理器對數字信號進行處理，如計算、邏輯判斷、數據轉換等。
決策制定：
- 根據處理后的信號，單片機運行預先編寫的程序（固件）來制定控制策略。
- 程序中可能包含一系列的條件判斷、循環和分支，以實現復雜的控制邏輯。
輸出控制：
- 單片機根據決策結果通過I/O端口控制外部設備，如驅動電機、點亮LED、發送通信信號等。
- 輸出控制可能涉及到數字信號的直接輸出，或者通過驅動電路來控制更高功率的設備。
通信與協調：
- 單片機可能需要與其他設備進行通信，如通過串行通信（UART）、I2C、SPI等協議與其他單片機或模塊交換數據。
- 在多設備系統中，單片機還可能需要協調不同設備之間的工作，實現同步控制。
中斷處理：
- 單片機通常具有中斷機制，能夠響應外部或內部事件（如定時器溢出），快速改變程序執行流程以處理緊急任務。
- 中斷可以使單片機及時響應外部變化，提高系統的實時性。
電源管理：
- 單片機可能需要管理其電源使用，包括節能模式的切換、電源故障檢測等，以提高系統的可靠性和效率。
程序存儲與執行：
- 控制程序通常存儲在單片機的只讀存儲器（ROM）、閃存（Flash Memory）或其他非易失性存儲器中。
- 單片機的處理器從存儲器中取出指令，解碼后執行，實現對系統的控制。

單片機控制系統的設計和實現需要考慮系統的整體需求，包括處理能力、內存大小、I/O端口數量和類型、通信接口、電源要求等。開發者需要根據應用場景選擇合適的單片機型號，并編寫相應的控制程序來實現所需功能。

高低電平

在電子學和數字電路中，高電平和低電平是用來表示二進制數的兩種狀態。它們是數字信號的兩個基本電位（bit）狀態，通常對應于邏輯“1”和邏輯“0”。

高電平（High Level）

高電平通常是指電路或系統中的正邏輯電平，它表示邏輯“1”。
在不同的電路系統中，高電平的具體電壓值可能不同。例如，在TTL（晶體管-晶體管邏輯）電路中，高電平可能定義為+5V，而在CMOS（互補金屬氧化物半導體）電路中，高電平可能接近電源電壓，如+3.3V或+5V。
高電平可以用于表示設備開啟、激活或“真”狀態。