单片机入门（更新ing）

单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

脆月饼

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一、认识单片机

1、单片机是什么？

单片机是微型计算机，英文简称MCU，全称Microcontrller Unit，又称单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）。

2、定义

3、单片机的特点

实用性强，体积小，功耗低，价格低，应用广泛，软件更贴近硬件，无自开发能力，需要借用开发系统进行软硬件仿真调试。

4、单片机的基本组成

5、单片机常见英文缩写

随机存储器----RAM 只读存储器----ROM

可编程只读存储器----PROM，现在也称OTP

可改写的只读存储器----EPROM

可电擦写存储器----EEPROM

闪存存储器----FLASH MEMORY

中央处理器----CPU 输入输出----I/O

模数转换----ADC 数模转换----DAC

脉冲宽度调制----PWM 总线----BUS

程序计数器----PC 堆栈指针----SP

6、单片机的应用

仪器仪表、工业控制、家用电器、网络通信、汽车电子、电子玩具、医疗设备、航空航天等。

7、单片机的分类

①按位数分类：4位 8位 16位 32位等等

②按处理器内核分类：51单片机 PIC单片机 AVR单片机 MSP430单片机 ARM单片机等

③按不同厂家分类：ST Microchip Atmel Ti Freescale GigaDevice等

④按功能分类：通用型专用型（比如电机控制专用、音乐播放专用等）

8、单片机的选型

①选级别：民用、工业还是汽车级

②引脚数目和功能：满足设计使用要求

③选性价比高的单片机：商业角度

④选主流单片机：使用的人多好交流

⑤熟悉的单片机：开发时间短

⑥最新的单片机：防淘汰

⑦货源方便的单片机：先到手才是最好的

⑧开发工具好的单片机：工具好才是真的好

⑨以上需综合考虑

9、单片机的最小系统

单片机的最小系统是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。

二、硬件基础知识

1、电阻

电阻（Resistor）是电子电路中最基础的被动元件之一，主要用于限制电流、分压、分流、调节信号电平等。以下是电阻的详细作用及分类：

（1）电阻的主要作用

①限流：限制电流大小，防止元器件因电流过大而损坏（如LED限流电阻）。

②分压：与其它电阻组成分压电路，提供不同的电压（如电位器调节电压）。

③分流：并联在电路中，分担部分电流（如电流检测电阻）。

④信号调节：用于阻抗匹配、信号衰减或增益控制（如音频电路中的音量调节）。

⑤上拉/下拉：在数字电路中，确保信号线的稳定状态（如I²C总线的上拉电阻）。

⑥发热（特殊用途）：利用电阻的发热特性，用于电热设备（如电热丝、加热电阻）。

（2）电阻的分类

①按材料分类

类型	特点	典型应用
碳膜电阻	成本低，精度一般（±5%），温度稳定性一般	通用电路、消费电子
金属膜电阻	精度高（±1%~±0.1%），温度稳定性好，噪声低	精密仪器、音频电路
金属氧化膜电阻	耐高温、功率大，适用于大电流场合	电源电路、功率电子
线绕电阻	高功率、低温度系数，但体积大，有电感效应	大功率负载、工业设备
厚膜/薄膜电阻	高精度（±0.01%），用于精密测量	测试设备、医疗电子
贴片电阻（SMD）	体积小，适用于高密度PCB	手机、电脑、现代电子设备

②按阻值是否可变分类

固定电阻：阻值不可调整（如碳膜电阻、金属膜电阻）。

可变电阻（电位器）：阻值可手动调节（如音量旋钮）。

敏感电阻（特殊电阻）：阻值随环境变化（如热敏电阻、光敏电阻）。

③按用途分类

类型	特点	典型应用
通用电阻	标准阻值，用于一般电路	电源、信号处理
精密电阻	耐高温、大功率（1W~100W+）	低温度漂移测量仪器、ADC/DAC电路
功率电阻	耐高温、大功率（1W~100W+）	电源、电机驱动
高压电阻	耐高压（>1kV），用于高压电路	电源、医疗设备
保险电阻	过流时熔断，保护电路	电源保护

④敏感电阻（特殊电阻）

类型	特点	典型应用
热敏电阻	阻值随温度变化（NTC/PTC）	温度传感器、过流保护
光敏电阻	阻值随光照强度变化	光控开关、自动亮度调节
压敏电阻	阻值随电压变化，用于过压保护	防雷击、电源保护
湿敏电阻	阻值随湿度变化	湿度传感器

（3）关键参数

①阻值（R）：单位欧姆（Ω），决定电流限制能力。

②功率（W）：决定电阻能承受的最大功率（如1/4W、1W、5W）。

③精度（%）：如±5%、±1%、±0.1%。

④温度系数（ppm/℃）：衡量阻值随温度变化的稳定性。

（4）选型建议

①普通电路：碳膜电阻或金属膜电阻（低成本）。

②精密电路：金属膜电阻或薄膜电阻（高精度）。

③大功率应用：金属氧化膜电阻或线绕电阻。

④高频电路：低寄生电感的贴片电阻（如SMD）。

⑤传感器应用：热敏、光敏等敏感电阻。

（5）欧姆定律

①定义：欧姆定律是电学中的基本定律之一，描述了电压（U）、电流（I）和电阻（R）三者之间的关系。其核心内容为：

公式表达： U=I×R

其中：U 表示电压（单位：伏特，V）， I 表示电流（单位：安培，A），R 表示电阻（单位：欧姆，Ω）。

②欧姆定律的变形式

求电流：I=U/R

求电阻：R=U/I

③适用范围：适用于纯电阻电路（如金属导体），但对半导体、气体导电等非线性元件可能不适用。

④物理意义：电阻一定时，电流与电压成正比；电压一定时，电流与电阻成反比。

⑤功率计算：结合功率公式 P=V×I，可推导出： $P=I^{2}R$ 或 $P=\frac{U^{2}}{R}$ 。

⑥注意事项

单位必须统一（伏特、安培、欧姆）。

实际电路中需考虑温度对电阻的影响（如金属电阻随温度升高而增大）。

2、电容

电容是电子电路中常用的被动元件，其核心作用是储存电荷和电能，并在电路中实现多种功能。以下是电容的详细作用、分类及应用说明：

（1）电容的主要作用

①储能与滤波

充放电特性：在电源电路中平滑电压波动（如整流后滤除交流纹波）。

为瞬时大电流需求提供能量（如相机闪光灯）。

②耦合与隔直

耦合：传递交流信号，阻断直流分量（如音频放大器的级间连接）。

隔直：防止直流偏置影响前后级电路。

③旁路（去耦）

为高频噪声提供低阻抗通路，稳定局部电压（如IC电源引脚旁的0.1μF电容）。

④调谐与选频

与电感组成LC谐振电路，用于射频选频或振荡器（如收音机调台）。

⑤时间常数控制

与电阻构成RC电路，决定延时或波形生成（如定时器、积分电路）。

⑥功率因数校正

在交流系统中补偿无功功率（如电机启动电容）。

（2）电容的分类

①按介质材料分类

类型	特点	典型应用
陶瓷电容	小体积、高频特性好，但容量小（pF~μF）	高频滤波、去耦、射频电路
电解电容	容量大（μF~F），有极性，寿命有限	电源滤波、低频耦合
-铝电解	成本低，耐压高，但ESR较大	电源稳压
-钽电解	体积小、稳定性高，但耐压较低	精密设备、军工电子
薄膜电容	高频性能优，无极性，容量稳定（pF~μF）	音频电路、脉冲电路
超级电容	超大容量（法拉级），充放电快，但电压低	储能备份、电动车能量回收
云母电容	高精度、耐高压，成本高	高频振荡、高压电路
安规电容	失效时不会短路，符合安全标准（X/Y电容）	电源EMI滤波

②按极性分类

有极性电容：如电解电容，需注意正负极接反会导致损坏。

无极性电容：如陶瓷、薄膜电容，适用于交流信号。

③按调节方式分类

固定电容：容量不可变（绝大多数电容）。

可变电容：容量可手动调节（如收音机调谐）。

微调电容：小范围调整（用于电路校准）。

（3）关键参数

①容量（C）：单位法拉（F），决定储能大小。

②耐压值：超过可能击穿。

③等效串联电阻（ESR）：影响高频性能。

④温度系数：稳定性指标（如NP0陶瓷电容低温漂）。

（4）选型建议

①高频电路：优先选NP0陶瓷电容。

②大容量需求：铝电解或超级电容。

③精密场合：钽电容或薄膜电容。

④高压环境：云母或陶瓷高压电容。

3、电感

电感（Inductor）是电子电路中的重要被动元件，主要基于电磁感应原理工作，用于储能、滤波、谐振、阻抗匹配等。以下是电感的详细作用及分类：

（1）电感的主要作用

①储能（磁场能量）

电流通过电感时，电能转换为磁能存储，断电时释放（如开关电源中的储能电感）。

②滤波（抑制高频噪声）

低频扼流：阻止高频信号通过，允许直流或低频信号通过（如电源滤波）。

高频滤波：与电容组成LC滤波器，滤除特定频率噪声（如射频电路）。

③谐振（选频）

与电容组成LC谐振电路，用于选频或振荡（如收音机调谐、无线充电）。

④阻抗匹配

在高频电路中调整阻抗，提高信号传输效率（如天线匹配网络）。

⑤电流平滑

在DC-DC转换器中平滑电流，减少纹波（如Buck/Boost电路中的功率电感）。

⑥电磁干扰（EMI）抑制

抑制高频噪声，防止电磁干扰（如共模电感用于USB/HDMI信号滤波）。

（2）电感的分类

①按结构分类

类型	特点	典型应用
空心电感	无磁芯，电感量小，高频特性好	射频电路、高频振荡器
磁芯电感	带铁氧体/铁粉磁芯，电感量大，适用于功率电路	电源转换器、滤波电感
铁氧体磁珠	高频损耗大，专用于抑制EMI	信号线滤波、PCB噪声抑制
多层片式电感（MLCC电感）	体积小，适用于高频SMD电路	手机、射频模块

②按用途分类

类型	特点	典型应用
功率电感	大电流、低损耗，用于DC-DC转换	开关电源、CPU供电电路
高频电感	低寄生电容，适用于射频（RF）电路	天线匹配、无线通信
共模电感	抑制共模噪声，用于差分信号滤波	USB、以太网、HDMI接口
可调电感	电感量可手动调节	射频调谐、老式收音机

③按封装形式分类

类型	特点	典型应用
直插式（THT）	引脚插入PCB通孔，适用于大功率电路	电源模块、工业设备
贴片式（SMD）	体积小，适用于高密度PCB	手机、笔记本电脑、现代电子设备
屏蔽电感	带磁屏蔽，减少电磁干扰（EMI）	精密仪器、高频电路

④特殊电感

类型	特点	典型应用
色环电感	类似电阻色环标注电感量	老式电子设备
平面电感	集成在PCB上，适用于高频电路	射频IC、微波电路
超导电感	接近零电阻，用于高能物理和量子计算	科研、MRI设备

（3）关键参数

①电感量（L）：单位亨利（H），决定储能能力（常用μH、mH）。

②额定电流：电感能承受的最大电流（超过可能饱和）。

③直流电阻（DCR）：影响效率，越小越好。

④自谐振频率（SRF）：超过该频率，电感可能变成电容特性。

⑤Q值（品质因数）：衡量电感的效率，越高损耗越小。

（4）选型建议

①电源电路：选择大电流、低DCR的功率电感（如铁氧体磁芯）。

②高频/RF电路：选择高Q值、低寄生电容的空心或高频电感。

③EMI抑制：使用共模电感或磁珠。

④SMD应用：多层片式电感（MLCC）或屏蔽电感。

4、二极管

二极管（Diode）是一种基础的半导体器件，具有单向导电性，即只允许电流从阳极（正极）流向阴极（负极），而反向时几乎不导通。以下是关于二极管的核心要点：

（1）基本结构

PN结：由P型半导体（空穴多）和N型半导体（电子多）结合形成，交界处形成耗尽层，阻碍电流扩散。

电极：阳极（A，P型端）和阴极（K，N型端）。

（2）工作原理

正向偏置（阳极电压 > 阴极电压）：外部电压削弱耗尽层，电流通过（导通状态）。硅二极管需超过开启电压（约0.7V），锗二极管约0.3V。

反向偏置（阴极电压 > 阳极电压）：耗尽层变宽，仅微弱的反向漏电流（截止状态）。电压超过击穿电压时，可能发生雪崩或齐纳击穿（特殊二极管如稳压管利用此特性）。

（3）主要特性

伏安特性曲线：正向导通后电流急剧上升，反向仅微小漏电流。

开关速度：普通二极管（如1N4007）适用于低频，高频应用需快恢复二极管或肖特基二极管。

温度敏感性：导通电压随温度升高而降低。

（4）常见类型

类型	特点
整流二极管	用于交流转直流（如1N4007），耐高压/大电流。
稳压二极管	反向击穿时稳定电压（如5.1V稳压管），用于电压保护。
肖特基二极管	低导通压降（0.2V）、超快开关，用于高频电路（如开关电源）。
发光二极管	正向导通时发光（LED），需限流电阻。
TVS二极管	瞬态电压抑制，防静电/浪涌。

（5）典型应用

整流：将交流电转为脉动直流（如电源适配器）。

保护：防止反接（如电池电路中串联二极管）、吸收浪涌（TVS管）。

信号处理：检波（提取高频信号）、钳位（限制电压幅值）。

发光：LED用于指示灯、显示屏。

（6）关键参数

最大正向电流（IF）：允许通过的最大持续电流。

反向击穿电压（VR）：反向截止的极限电压。

反向漏电流（IR）：反向偏置时的微小电流。开关时间：从导通到截止的恢复时间。

（7）注意事项

极性不可接反（除双向TVS管外）。

高频电路需选择快恢复二极管。

大电流应用需考虑散热（如加散热片）。

5、三极管

三极管（Transistor）是一种半导体放大与开关器件，通过小电流（或电压）控制大电流，是现代电子电路的核心元件之一。以下是关于三极管的系统总结：

（1）基本结构与类型

①类型：

BJT（双极型晶体管）：通过两种载流子（电子和空穴）导电，分NPN和PNP型。

FET（场效应管）：单极型（仅电子或空穴），如MOSFET（绝缘栅型）、JFET（结型）。

②BJT三极：

发射极（E）：高掺杂，发射载流子。

基极（B）：极薄且低掺杂，控制载流子。

集电极（C）：收集载流子，面积较大。

（2）BJT工作原理（以NPN为例）

放大状态（发射结正偏，集电结反偏）：

发射极电子注入基极，少量与基极空穴复合（形成基极电流 $I_{B}$ ），大部分被集电极电场吸引（形成集电极电流 $I_{C}$ ）。电流关系： $I_{E}=I_{B}+I_{C}$ ，放大系数 $\beta =\frac{I_{B}}{I_{C}}$ （典型值20~200）。

截止状态（发射结反偏）： $I_{B}\approx 0$ ， $I_{C}\approx 0$ 。

饱和状态（发射结和集电结均正偏）： $I_{C}$ 不受 $I_{B}$ 控制，CE间电压极低（约0.2V）。

（3）特性曲线

输入特性： $I_{B}$ 与 $V_{BE}$ 关系（类似二极管正向特性）。

输出特性： $I_{C}$ 随 $V_{CE}$ 变化，分三个区：

截止区： $I_{B}= 0$ ， $I_{C}\approx 0$ 。

放大区： $I_{C}=\beta I _{B}$ ，与 $V_{CE}$ 几乎无关。

饱和区： $V_{CE}$ 很低， $I_{C}$ 受外电路限制。

（4）主要参数

参数	说明
电流放大系数（β）	集电极电流与基极电流之比（ $\beta =\frac{I_{B}}{I_{C}}$ ）
最大集电极电流（IC_max）	允许通过C极的最大电流
击穿电压（VCEO）	CE间最大耐压（基极开路时）
功耗（PCM）	最大允许耗散功率，需考虑散热

（5）典型应用

①放大电路：

共射放大：电压/电流放大（如音频放大）。

共集放大（射极跟随器）：高输入阻抗、低输出阻抗。

②开关电路：饱和状态（导通）与截止状态（关断），用于数字逻辑、继电器驱动。

③电流源：利用恒流特性为电路提供稳定电流。

（6）FET与BJT对比

特性	BJT	FET（如MOSFET）
控制方式	电流控制（ $I_{B}$ ）	电压控制（ $V_{GS}$ ）
输入阻抗	低（需驱动电流）	极高（几乎无输入电流）
开关速度	较慢（存在载流子复合）	更快（多数载流子导电）
功耗	较高（基极电流损耗）	低（静态时几乎无功耗）

（7）选型与注意事项

BJT选型：高频选高频管（如2SC3356），大电流选功率管（如TIP31）。 NPN（如2N2222）和PNP（如2N2907）需配对使用。

FET选型：开关电源选低导通电阻（ � � � ( � � ) R DS(on) ）的MOSFET（如IRF540N）。

（8）注意事项：

防止热击穿（加散热片或降额使用）。避免静电损坏（尤其是MOSFET）。

（9）关键区别：放大 vs 开关

放大模式：工作于放大区， $V_{CE}$ 适中， $I_{C}$ 随 $I_{B}$ 线性变化。

开关模式：在截止区与饱和区之间切换，快速响应需减小存储时间。

三、单片机

1、模拟信号与数字信号

模拟信号和数字信号是电子系统中两种基本的信号形式，它们在表示、传输和处理信息时有根本区别。以下是它们的核心特性和对比：

（1）模拟信号（Analog Signal）

①定义：连续变化的物理量，在时间和幅度上均无限细分。示例：声音波形、温度传感器输出、传统电视信号。

②特点：

连续性：任意时刻都有确定的值（如电压从0V平滑升至5V）。

抗干扰性差：噪声会直接叠加在信号上（如通话中的杂音）。

无限分辨率：理论上可表示无限小的变化（但受实际器件精度限制）。

③典型应用：

音频/视频传输（如模拟麦克风、老式收音机）。

传感器信号（如热电偶、压力传感器）。

（2）数字信号（Digital Signal）

①定义：离散的、量化的信号，仅取有限个数值（通常为0和1）。示例：计算机数据、数字音频（MP3）、USB通信。

②特点：

离散性：按固定间隔（采样周期）取值，幅度被量化（如ADC转换）。

抗干扰性强：通过阈值判断高低电平（如TTL中>2.4V为“1”，<0.4V为“0”）。

有限分辨率：取决于量化位数（如8位ADC将电压分为256级）。

③典型应用：

计算机系统（CPU、内存）。

数字通信（Wi-Fi、5G）。

数字控制（PLC、微控制器）。

（3）核心对比

特性	模拟信号	数字信号
表示方式	连续波形（正弦波、电压等）	离散数值（二进制、脉冲）
抗噪声能力	弱（噪声直接叠加）	强（可通过编码纠错）
存储与处理	需模拟电路（放大器、滤波器）	依赖数字逻辑（CPU、FPGA）
带宽效率	高（直接利用连续频谱）	低（需采样和编码）
精度损失	传输中逐渐衰减	仅量化时损失一次

（4）转换与混合系统

①ADC（模数转换）：将模拟信号转为数字信号，步骤：

采样：按奈奎斯特定理（采样频率≥2倍信号最高频率）离散化。

量化：将幅度分为有限等级（如12位ADC=4096级）。

编码：转为二进制（如PCM编码）。

芯片示例：ADS1115（16位ADC）。

②DAC（数模转换）：将数字信号还原为模拟信号，通过电阻网络或PWM实现。

芯片示例：DAC8563（16位DAC）。

③混合信号系统：结合两者优势（如智能手机）：麦克风（模拟）→ ADC → 数字处理（降噪）→ DAC → 扬声器（模拟）。

（5）为什么数字化？

可靠性：数字信号易存储、复制（如CD vs 磁带）。

灵活性：可通过软件算法处理（如数字滤波、压缩）。

集成度：数字电路（如CMOS）更易微型化。

（6）关键问题

采样失真：若采样率不足，会出现混叠（Aliasing），需加抗混叠滤波器。

量化误差：位数越低，信号细节丢失越多（如8位音频有明显阶梯噪声）。

2、进制

（1）二进制

进制是计算机和数字电子系统的基础，是一种仅使用 0 和 1 两个数字来表示所有信息的数制系统。以下是关于二进制的核心知识点：

①基本概念

基数为2：每一位只能是 0 或 1（对比十进制的0~9）。

位（Bit）：二进制的最小单位，1 bit 可以表示 0 或 1。

字节（Byte）：8 bits = 1 Byte（如 01011010）。

字（Word）：通常指 CPU 处理的数据单位（如 32-bit、64-bit）。

②二进制与十进制的转换

二进制 → 十进制（按权展开），每一位的权重是 2ⁿ（n 从右到左，从 0 开始）：

十进制 → 二进制（除2取余法），将十进制数不断除以 2，记录余数（从下往上读）：

那么： $35_{10}=100011_{2}$

（2）十六进制

十六进制（简称 Hex）是一种基数为 16 的数字系统，广泛用于计算机科学、编程和底层硬件开发。它比二进制更紧凑，便于人类阅读和书写。

①基本概念

基数：16（使用 0-9 和 A-F 表示 10-15）。

1 位十六进制 = 4 位二进制（直接映射）。

常见用途：

内存地址表示（如 0xFFFF）；颜色编码（如 #FF0000 表示红色）；机器码和汇编语言。

②十六进制 ↔ 十进制 ↔ 二进制转换

十六进制 → 十进制

每位乘 $16^{n}$ 后相加。

十进制 → 十六进制

除 16 取余法（余数 ≥10 时用 A-F）。

十六进制	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	A	B	C	D	E	F
十进制	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15

十六进制 ↔ 二进制

直接按 4 位一组转换。
示例：
2D（十六进制）→ 0010 1101（二进制）
1101 0110（二进制）→ D6（十六进制）

3、逻辑运算

逻辑运算（Logical Operations）是计算机科学、数学和数字电子中的基本操作，用于处理布尔值（True/False 或 1/0）。它们广泛应用于编程、电路设计、数据库查询和算法逻辑中。

（1）逻辑与（AND，`∧`）

①规则：仅当所有输入为 True 时，输出才为 True（有0为0）。

②真值表：

A	B	A AND B
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

③应用：

条件判断（如 if (A && B)）

权限检查（用户同时满足多个条件）

（2）逻辑或（OR，`∨`）

①规则：只要有一个输入为 True，输出即为 True（有1为1）。

②真值表：

A	B	A OR B
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

③应用：

多条件满足其一即可（如 if (A || B)）

错误处理（多个条件触发同一操作）

（3）逻辑非（NOT，`¬` 或 `!`）

①规则：取反输入值。

②真值表：

A	NOT A
0	1
1	0

③应用：

条件取反（如 if (!isError)）

状态切换（开关逻辑）

（4）异或（XOR，`⊕`）

①规则：输入相同时输出 False，不同时输出 True。

②真值表：

A	B	A XOR B
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

③应用：

加密算法（如位运算）

奇偶校验（判断数据是否变化）

（5）复合逻辑运算

通过组合基本运算实现更复杂的逻辑：

①与非（NAND）：NOT (A AND B)

②或非（NOR）：NOT (A OR B)

③同或（XNOR）：NOT (A XOR B)（即输入相同输出 True）

总结：

运算	符号	说明
AND	`∧`, `&&`	全真为真
OR	`∨`, `\|\|`	有真即真
NOT	`¬`, `!`	取反
XOR	`⊕`	不同为真
NAND	`↑`	AND + NOT
NOR	`↓`	OR + NOT

4、原码、补码与反码

在计算机中，原码、反码和补码是表示有符号整数的三种方式，主要用于处理正数和负数的存储与运算。它们的核心目的是解决计算机如何表示和计算负数的问题。

（1）原码（Sign-Magnitude）

①定义：

最高位表示符号（0为正，1为负），其余位表示数值的绝对值。

例如，8位二进制中：

+5 → 00000101
-5 → 10000101

②特点：

直观，符合人类习惯。

存在问题：

+0 和 -0 不唯一：
- +0 = 00000000
- -0 = 10000000（导致计算混乱）
加减运算复杂：需要判断符号位，硬件实现麻烦。

（2）反码（Ones' Complement）

①定义：

正数：与原码相同。

负数：符号位不变，其余位按位取反（0变1，1变0）。

例如，8位二进制中：

+5 → 00000101
-5 → 11111010

③特点：

解决了加减运算的部分问题（减法可转换为加法）。

仍存在 +0 和 -0：

+0 = 00000000
-0 = 11111111
跨零计算可能出错（如 -1 + 1 需额外处理进位）。

（3）补码（Two's Complement）

①定义（现代计算机标准）：

正数：与原码相同。

负数：反码 + 1（即符号位不变，数值位取反后加 1）。

例如，8位二进制中：

+5 → 00000101
-5 的计算步骤：
1. 原码：10000101
2. 反码：11111010
3. 补码：11111011（最终表示）

③特点

解决 +0 和 -0 问题：-0 的补码仍是 00000000（与 +0 相同）。

统一加减法：减法可直接用加法实现（如 A - B = A + (-B)）。

表示范围更广：

8位补码范围：-128（10000000）到 +127（01111111）。
原码和反码的范围是 -127 到 +127。

（4）对比总结

表示法	示例（8位，`-5`）	优点	缺点
原码	`10000101`	直观	存在 `±0`，运算复杂
反码	`11111010`	减法转加法	仍存在 `±0`
补码	`11111011`	无 `±0`，运算统一	负数表示需额外计算

（5）有符号数与无符号数

在计算机中，数值的存储和解释方式主要分为有符号数（Signed）和无符号数（Unsigned），它们的核心区别在于最高位是否表示符号，以及能表示的数值范围不同。

①有符号数（Signed）

最高位（MSB, Most Significant Bit）表示符号：

0 → 正数
1 → 负数

存储方式：通常使用补码（Two's Complement）表示负数（现代计算机标准）。

示例（8位）：
- +5 → 00000101
- -5 → 11111011（补码）

②无符号数（Unsigned）

所有位均表示数值，没有符号位，只能表示非负数（≥0）。

示例（8位）：
- 5 → 00000101
- 255 → 11111111（最大无符号8位数）

③表示范围对比

位数	有符号数范围	无符号数范围
8位	`-128` 到 `+127`	`0` 到 `255`
16位	`-32768` 到 `+32767`	`0` 到 `65535`
32位	`-2³¹` 到 `2³¹-1`	`0` 到 `2³²-1`

④关键区别：

有符号数的正数范围减半（因为最高位用于符号）。
无符号数的最小值为 0，无法表示负数。
存储与读取的区别，同一二进制，解释不同。

⑤总结

特性	有符号数（Signed）	无符号数（Unsigned）
符号位	最高位表示正负	无符号位
范围	正负均衡（如 `-128~127`）	全正数（如 `0~255`）
溢出行为	回绕到相反极值	回绕到 `0` 或最大值
用途	需要负数的场景	仅需非负值的场景

核心原则：

如果需要负数，用有符号数；
如果确定数值非负，用无符号数（可扩大范围）。
避免混用，防止隐式转换导致逻辑错误！

5、BCD码与ASCII码

（1）BCD码

BCD码是一种用二进制编码表示十进制数字的方法。

①特点：

每个十进制数字(0-9)用4位二进制表示
例如：十进制数"23"的BCD码是0010 0011
常见的BCD码类型：
- 8421码（最常用）
- 5421码
- 2421码
- 余3码

②优点：

便于十进制数字的显示和输入
转换计算简单

③缺点：

存储效率较低（比纯二进制表示多占用空间）

（2）ASCII码（American Standard Code for Information Interchange,美国信息交换标准代码）

ASCII码是一种字符编码标准，用于表示文本字符。

①特点：

使用7位二进制数表示128个字符（标准ASCII）
扩展ASCII使用8位，可表示256个字符
包括：
- 数字0-9（编码48-57）
- 大写字母A-Z（65-90）
- 小写字母a-z（97-122）
- 控制字符（0-31和127）
- 标点符号和特殊字符

②ASCII数字表示：

数字'0'的ASCII码是48（十六进制0x30）
数字'1'是49，依此类推到'9'是57

（3）BCD码与ASCII码的比较

特性	BCD码	ASCII码
用途	主要用于数值计算和显示	用于文本表示和通信
编码范围	仅编码十进制数字(0-9)	编码字母、数字、符号和控制字符
存储效率	较低(4位/数字)	较高(7-8位/字符)
转换复杂度	与十进制转换简单	需要查表或计算
典型应用	电子计算器、数字显示	计算机文本处理、通信协议

①转换示例：

数字"5"：
- BCD码：0101
- ASCII码：00110101（十六进制0x35）
数字串"23"：
- BCD码：0010 0011
- ASCII码：00110010 00110011（十六进制0x32 0x33）

②ASCII码表（0-127）

十进制	十六进制	字符	描述
0	0x00	^@	空字符 (Null)
1	0x01	^A	标题开始 (Start of Header)
2	0x02	^B	正文开始 (Start of Text)
3	0x03	^C	正文结束 (End of Text)
4	0x04	^D	传输结束 (End of Transmission)
5	0x05	^E	查询 (Enquiry)
6	0x06	^F	确认 (Acknowledge)
7	0x07	^G	响铃 (Bell)
8	0x08	^H	退格 (Backspace)
9	0x09	^I	水平制表符 (Horizontal Tab)
10	0x0A	^J	换行 (Line Feed)
11	0x0B	^K	垂直制表符 (Vertical Tab)
12	0x0C	^L	换页 (Form Feed)
13	0x0D	^M	回车 (Carriage Return)
14	0x0E	^N	移出 (Shift Out)
15	0x0F	^O	移入 (Shift In)
16	0x10	^P	数据链路转义 (Data Link Escape)
17	0x11	^Q	设备控制1 (Device Control 1)
18	0x12	^R	设备控制2 (Device Control 2)
19	0x13	^S	设备控制3 (Device Control 3)
20	0x14	^T	设备控制4 (Device Control 4)
21	0x15	^U	否定应答 (Negative Acknowledge)
22	0x16	^V	同步空闲 (Synchronous Idle)
23	0x17	^W	传输块结束 (End of Trans. Block)
24	0x18	^X	取消 (Cancel)
25	0x19	^Y	媒体结束 (End of Medium)
26	0x1A	^Z	替换 (Substitute)
27	0x1B	^[	转义 (Escape)
28	0x1C	^\	文件分隔符 (File Separator)
29	0x1D	^]	组分隔符 (Group Separator)
30	0x1E	^^	记录分隔符 (Record Separator)
31	0x1F	^_	单元分隔符 (Unit Separator)
32	0x20	(空格)	空格 (Space)
33	0x21	!	感叹号
34	0x22	"	双引号
35	0x23	#	井号
36	0x24	$	美元符号
37	0x25	%	百分号
38	0x26	&	与符号
39	0x27	'	单引号
40	0x28	(	左括号
41	0x29	)	右括号
42	0x2A	*	星号
43	0x2B	+	加号
44	0x2C	,	逗号
45	0x2D	-	减号/连字符
46	0x2E	.	句号
47	0x2F	/	斜杠
48	0x30	0	数字0
49	0x31	1	数字1
50	0x32	2	数字2
51	0x33	3	数字3
52	0x34	4	数字4
53	0x35	5	数字5
54	0x36	6	数字6
55	0x37	7	数字7
56	0x38	8	数字8
57	0x39	9	数字9
58	0x3A	:	冒号
59	0x3B	;	分号
60	0x3C	<	小于号
61	0x3D	=	等于号
62	0x3E	>	大于号
63	0x3F	?	问号
64	0x40	@	at符号
65	0x41	A	大写字母A
66	0x42	B	大写字母B
...	...	...	...
90	0x5A	Z	大写字母Z
91	0x5B	[	左方括号
92	0x5C	\	反斜杠
93	0x5D	]	右方括号
94	0x5E	^	插入符
95	0x5F	_	下划线
96	0x60	`	反引号
97	0x61	a	小写字母a
98	0x62	b	小写字母b
...	...	...	...
122	0x7A	z	小写字母z
123	0x7B	{	左花括号
124	0x7C	\|	竖线
125	0x7D	}	右花括号
126	0x7E	~	波浪号
127	0x7F	^?	删除 (Delete)

关键点总结：

0-31 和 127 是控制字符（不可见，用于通信和设备控制）。

32 是空格（Space）。

48-57 对应数字 0-9。

65-90 对应大写字母 A-Z。

97-122 对应小写字母 a-z。

扩展ASCII（128-255）包含特殊符号、制表符等，但不同编码（如ISO-8859-1、Windows-1252）可能不同。

6、数据长度与存放

最小单位：位（Bit），0或1

字节（Byte）：1 Byte = 8 Bit，00H-FFH

ARM单片机特别定义：

半字（HalfWord）：1 HalfWord = 2 Byte，0000H-FFFFH

字（Word）：1 Word = 4 Byte，00000000H-FFFFFFFFH

双字（DoubleWord）：1 DoubleWord = 8 Byte

千字节（KB）：1 KB = 1024 Byte，000H-3FFH

兆字节（MB）：1 MB = 1024 KB，00000000H-3FFFFFFFH

1 GB = 1024MB，1 TB = 1024 GB

数据在计算机中的存放涉及多种方式和层次，主要包括以下几个方面：

（1）按存储介质分类

①主存储器（内存）

RAM (Random Access Memory)
- DRAM (动态RAM)
- SRAM (静态RAM)
ROM (Read Only Memory)
- PROM
- EPROM
- EEPROM
- Flash Memory

②辅助存储器（外存）

硬盘(HDD/SSD)
光盘(CD/DVD/Blu-ray)
磁带
U盘/存储卡

（2）按数据组织方式分类

①位(bit)存储

计算机最小存储单位(0或1)
8位=1字节(Byte)

② 字节序(Endianness)

大端序(Big-endian): 高位字节存储在低地址
小端序(Little-endian): 低位字节存储在低地址
- 例如0x12345678的存储方式：
  - 大端序：12 34 56 78
  - 小端序：78 56 34 12

③对齐方式(Alignment)

数据按特定边界(如4字节、8字节)对齐存储
提高访问效率，避免跨边界访问

（3）常见数据类型的存储

①基本数据类型

数据类型	典型大小	存储方式
char	1字节	直接存储ASCII码
short	2字节	补码表示
int	4字节	补码表示
long	4/8字节	补码表示
float	4字节	IEEE 754标准
double	8字节	IEEE 754标准

②复合数据类型

数组: 连续存储相同类型元素
结构体: 按成员声明顺序存储，可能有填充字节
联合体: 所有成员共享同一内存空间

（4）文件存储方式

①文本文件

以ASCII/Unicode编码存储字符
每行通常以换行符(\n或\r\n)结束

②二进制文件

直接存储内存中的数据表示
无格式转换，效率更高

（5）数据库存储

①行存储

将整行数据连续存储
适合OLTP(联机事务处理)

②列存储

将每列数据连续存储
适合OLAP(联机分析处理)

（6）数据压缩存储

无损压缩(ZIP, RAR, GZIP等)
有损压缩(JPEG, MP3等)
字典压缩
游程编码

（7）网络传输中的数据存放

大端序网络字节序(Network Byte Order)
协议头部+数据体的封装方式
序列化/反序列化(JSON, XML, Protobuf等)

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脆月饼

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单片机入门（更新ing）

脆月饼

一、认识单片机

1、单片机是什么？

2、定义

3、单片机的特点

4、单片机的基本组成

5、单片机常见英文缩写

6、单片机的应用

7、单片机的分类

8、单片机的选型

9、单片机的最小系统

二、硬件基础知识

1、电阻

（1）电阻的主要作用

（2）电阻的分类

①按材料分类

②按阻值是否可变分类

③按用途分类

④敏感电阻（特殊电阻）

（3）关键参数

（4）选型建议

（5）欧姆定律

2、电容

（1）电容的主要作用

（2）电容的分类

①按介质材料分类

②按极性分类

③按调节方式分类

（3）关键参数

（4）选型建议

3、电感

（1）电感的主要作用

（2）电感的分类

①按结构分类

②按用途分类

③按封装形式分类

④特殊电感

（3）关键参数

（4）选型建议

4、二极管

（1）基本结构

（2）工作原理

（3）主要特性

（4）常见类型

（5） 典型应用

（6）关键参数

（7）注意事项

5、三极管

（1）基本结构与类型

（2）BJT工作原理（以NPN为例）

（3）特性曲线

（4）主要参数

（5）典型应用

（6）FET与BJT对比

（7）选型与注意事项

（8）注意事项：

（9）关键区别：放大 vs 开关

三、单片机

1、模拟信号与数字信号

（1）模拟信号（Analog Signal）

（2）数字信号（Digital Signal）

（3）核心对比

（4）转换与混合系统

（5）为什么数字化？

（6）关键问题

2、进制

（1）二进制

（2）十六进制

3、逻辑运算

（1）逻辑与（AND，∧）

（2）逻辑或（OR，∨）

（3）逻辑非（NOT，¬ 或 !）

（4）异或（XOR，⊕）

（5）复合逻辑运算

4、原码、补码与反码

（1）原码（Sign-Magnitude）

（2）反码（Ones' Complement）

（3）补码（Two's Complement）

（4） 对比总结

（5）典型应用

（1）逻辑与（AND，`∧`）

（2）逻辑或（OR，`∨`）

（3）逻辑非（NOT，`¬` 或 `!`）

（4）异或（XOR，`⊕`）

（4）对比总结

（5）数据库存储