【Embedded System】嵌入式C语言基础知识

一、基本数据类型

C语言的基本数据类型为：整型、字符型、实数型。这些类型按其在计算机中的存储方式可被分为两个系列，即整数(integer)类型和浮点数(floating-point)类型。

这三种类型之下分别是：short、int、long、char、float、double这六个关键字再加上两个符号说明符signed和unsigned就基本表示了C语言的最常用的数据类型。

下面列出了在32位操作系统下常见编译器下的数据类型大小及表示的数据范围：

类型名称	类型关键字	占字节数	其他叫法	表示的数据范围
字符型	char	1	signed char	-128 ~ 127
无符号字符型	unsigned char	1	none	0 ~ 255
整型	int	4	signed int	-2,147,483,648 ~ 2,147,483,647
无符号整型	unsigned int	4	unsigned	0 ~ 4,294,967,295
短整型	short	2	short int	-32,768 ~ 32,767
无符号短整型	unsigned short	2	unsigned short int	0 ~ 65,535
长整型	long	4	long int	-2,147,483,648 ~ 2,147,483,647
无符号长整型	unsigned long	4	unsigned long	0 ~ 4,294,967,295
单精度浮点数	float	4	none	3.4E +/- 38 (7 digits)
双精度浮点数	double	8	none	1.7E +/- 308 (15 digits)
长双精度浮点数	long double	10	none	1.2E +/- 4932 (19 digits)
长整型	long long	8	__int64	-9223372036854775808 ~ 9223372036854775808

二、命名规则和关键字

命名规则

• 标识符组成：仅允许数字、字母、下划线，无其他特殊字符；
• 开头限制：明确禁止数字开头，避免与数值常量混淆；
• 关键字禁用：完全符合标准，关键字是编译器预留的 "特殊指令名"，不可被用户占用；
• 大小写敏感：是 C 语言的显著特性，num和Num会被识别为两个独立标识符。

C 语言关键字精准分类表（共 32 个）

分类	关键字列表	功能简述
1. 数据类型关键字（12 个）	char、short、int、long、float、double、unsigned、signed、struct、union、enum、void	定义基础数据类型或复合数据类型（如结构体struct、枚举enum），void表示 "无类型"。
2. 控制语句关键字（12 个）	if、else、switch、case、default、for、do、while、break、continue、goto、return	控制程序执行流程，包括条件判断（if/switch）、循环（for/while/do）、跳转（break/return）。
3. 存储类关键字（4 个）	auto、extern、register、static	控制变量的存储位置 与生命周期：- static：静态存储（全局生命周期）；- extern：声明外部变量 / 函数；- register：建议存储在寄存器（快取）；- auto：自动存储（默认，函数内局部变量）。
4. 类型限定符（2 个）	const、volatile	修饰变量的属性 （不控制存储位置）：- const：定义 "只读常量"（值不可修改）；- volatile：提醒编译器 "变量可能被外部修改"（禁止优化）。
5. 其他关键字（2 个）	sizeof、typedef	- sizeof：计算数据类型或变量的字节数；- typedef：给已有数据类型起 "别名"（如typedef int INT）。

bool类型

• 早期C语言没有布尔类型数据，以0代表逻辑假，非0代表逻辑真

• C99标准定义了新的关键字_Bool，提供了布尔类型，或者也可以使用stdbool.h中的bool

三、嵌入式的数据类型

C 语言的数据类型	STM32 对应的数据类型	功能描述
unsigned char	uint8_t	8 位无符号数据（0～255）
unsigned short int	uint16_t	16 位无符号数据（0～65535）
unsigned int	uint32_t	32 位无符号数据（0～2³²-1）
unsigned long long	uint64_t	64 位无符号数据（0～2⁶⁴-1）
signed char	int8_t	8 位有符号数据（-128～+127）
signed short int	int16_t	16 位有符号数据（-32768～+32767）
signed int	int32_t	32 位有符号数据（-2³¹～2³¹-1）
signed long long	int64_t	64 位有符号数据（-2⁶³～2⁶³-1）

四、嵌入式中部分关键字解释

4.1 static

• 功能 ：
  • 修饰局部变量 ：将其变为静态局部变量，生命周期延长至整个程序运行期间，仅在第一次调用时初始化，后续调用保留上次值。
  • 修饰全局变量 / 函数 ：限制其作用域为当前文件（即 "文件内私有"），避免跨文件的符号冲突，增强代码模块化。
• 嵌入式应用场景 ：
  • 驱动开发中，用static修饰仅在当前模块（.c 文件）内调用的函数，如某传感器驱动的内部处理函数static void sensor_process(void)，防止被其他模块误调用。
  • 实现模块内的 "持久化" 状态，如按键消抖函数中，用static uint8_t debounce_cnt记录消抖计数，每次调用时保留计数状态。

4.2 const

• 功能 ：定义只读变量（常量），编译时会检查对其的修改操作，防止程序运行中意外篡改。（首先定义一个变量，只进行一次赋值，使用const，使其带上后续不能改变其值的特性。）
• 嵌入式应用场景 ：
  • 配置硬件寄存器的固定参数，如串口波特率、GPIO 模式等，例如：const uint32_t UART_BAUDRATE = 115200;，确保波特率在初始化后不会被错误修改。
  • 定义硬件地址映射（如外设寄存器基地址），如const uint32_t GPIOA_BASE = 0x40010800;，避免地址被意外覆盖导致硬件操作错误。

4.3 extern

• 功能 ：声明外部变量 / 函数 ，表示该变量或函数在其他文件中定义，当前文件可直接使用（实现跨文件的变量 / 函数共享）。
• 嵌入式应用场景 ：
  • 多模块协作的工程中，如 "按键模块" 定义全局变量uint8_t key_state，在 "主控制模块" 中用extern uint8_t key_state;声明后，即可读取按键状态进行逻辑处理。
  • 驱动层与应用层的接口共享，如传感器驱动定义extern float sensor_read(void);，应用层包含头文件后可直接调用该函数获取传感器数据。

4.4 volatile

• 功能 ：告诉编译器 "该变量的值可能被硬件 / 中断 / 其他异步操作意外修改"，禁止编译器对其进行优化（如缓存变量值），确保每次都从内存（或硬件）中读取最新值。
• 嵌入式应用场景 ：
  • 读取硬件寄存器（如状态寄存器），如volatile uint32_t *status_reg = (volatile uint32_t*)0x40001000;，因为寄存器值可能被硬件随时更新（如外设完成一次传输后自动置位），必须用volatile确保每次读取的是真实当前值。
  • 中断标志位，如volatile uint8_t irq_flag;，在主循环中轮询该标志，而中断服务程序会修改它，volatile保证主循环能及时检测到标志变化。

4.5 typedef

功能 ：为已有的数据类型定义一个 "别名"，本质是 "类型重命名"，不创造新类型。作用：简化复杂类型的书写、提高代码可读性、增强跨平台兼容性（统一类型定义）。

用法示例：

// 为基本类型起别名（嵌入式中最常见，如标准库的uint8_t等）
typedef unsigned char uint8_t;  // 后续可用uint8_t代替unsigned char

// 为结构体类型起别名（简化结构体变量定义）
typedef struct {
    uint8_t year;
    uint8_t month;
    uint8_t day;
} Date;  // 后续可直接用Date定义变量：Date today;

// 为指针类型起别名（避免复杂指针声明的混淆）
typedef uint8_t* PtrUint8;  // PtrUint8等价于uint8_t*，定义指针：PtrUint8 buf_ptr;

嵌入式应用场景：

1. 统一跨平台类型 ：不同 MCU 的int可能是 16 位或 32 位，用typedef定义int32_t（固定 32 位有符号）、uint16_t（固定 16 位无符号），确保代码在不同平台上的类型长度一致（如 STM32 的stdint.h中大量使用）。
2. 简化复杂类型 ：外设配置结构体（如 SPI 配置）通常较长，用typedef起别名后，变量定义更简洁（如SPI_HandleTypeDef实际是typedef struct _SPI_HandleTypeDef SPI_HandleTypeDef）。

注意：

typedef是 "类型别名"，有类型检查；与#define的 "文本替换" 不同（见 4.6）。

4.6 #define

功能 ：预处理指令，用于 "文本替换"（宏定义），在编译前由预处理器完成替换，不参与编译的语法检查。作用 ：定义常量、简化重复代码、实现条件编译（配合#ifdef等）。

用法示例：

// 1. 定义常量（硬件相关的固定值，如寄存器地址、引脚）
#define GPIOA_BASE 0x40010800  // GPIOA寄存器基地址
#define LED_PIN    GPIO_PIN_5  // LED连接的引脚

// 2. 定义"函数宏"（简化重复操作，带参数）
#define MAX(a, b)  ((a) > (b) ? (a) : (b))  // 求两数最大值

// 3. 条件编译（控制代码是否参与编译）
#define DEBUG 1  // 定义DEBUG后，下面的调试打印生效
#ifdef DEBUG
    #define LOG(msg) printf("Debug: %s\n", msg)
#else
    #define LOG(msg)  // 不定义DEBUG时，LOG为空
#endif

嵌入式应用场景：

1. 硬件地址映射 ：MCU 的外设寄存器地址是固定的，用#define定义后，代码中直接使用别名（如#define USART1_SR (*(volatile uint32_t*)(USART1_BASE + 0x00))），避免硬编码数字。
2. 引脚与参数配置 ：板级外设的引脚（如按键、LED）、配置参数（如波特率#define UART_BAUD 115200）用#define定义，修改时只需改一处，便于维护。
3. 调试开关 ：通过#define DEBUG控制调试信息的打印，发布时关闭DEBUG即可移除调试代码，不占用运行资源。

注意：

• 宏替换是 "纯文本替换"，无类型检查，复杂宏需加括号避免歧义（如MAX(a,b)的括号）。
• 与typedef的区别：typedef针对类型，#define针对文本（可用于非类型的替换，如引脚、常量）。

4.7 inline

功能 ：建议编译器将函数 "内联展开"（即把函数体直接插入到调用处，而非通过函数调用指令跳转），减少函数调用的开销（如压栈、跳转、返回的时间）。作用：优化频繁调用的小函数的执行效率，适合实时性要求高的场景。

用法示例：

// 定义内联函数（在函数声明前加inline）
inline uint8_t get_bit(uint8_t data, uint8_t pos) {
    return (data >> pos) & 0x01;  // 提取data的第pos位
}

// 调用时，编译器可能直接展开为：(value >> 3) & 0x01，而非函数调用
int main() {
    uint8_t value = 0x88;
    uint8_t bit = get_bit(value, 3);  // 可能被展开，无函数调用开销
}

嵌入式应用场景：

1. 高频调用的小函数 ：如传感器数据的位解析（如从 16 位数据中提取温度的高 8 位）、GPIO 电平读取（inline uint8_t led_state(void) { return GPIO_ReadPin(LED_PORT, LED_PIN); }），这些函数被频繁调用，内联后可减少实时性开销。
2. 中断服务程序（ISR）中的辅助函数 ：ISR 要求执行速度快，其内调用的小函数（如数据校验、标志位处理）用inline可避免函数调用的延迟。

注意：

• inline是 "建议" 而非 "强制"：编译器可能忽略（如函数体过大、包含循环 / 递归时），由编译器根据优化策略决定是否展开。
• 内联会增加代码体积（函数体被多次复制），因此仅适合短小简单的函数（通常 1-5 行代码），避免滥用导致程序体积膨胀。

4.8 inline补充说明

内联函数（inline function）和宏（macro）在代码展开和效率优化上有相似的表象（都能减少函数调用开销），但本质、功能和安全性有显著区别，尤其在嵌入式开发中，理解这些区别对代码可靠性和性能至关重要。

核心区别对比表

对比维度	宏（#define）	内联函数（inline）
本质	预处理阶段的文本替换 （无语法 / 类型检查）	编译阶段的函数展开建议 （有完整的函数特性）
处理阶段	预编译（cpp阶段），在代码编译前完成替换	编译阶段（cc1阶段），由编译器决定是否展开
类型安全	无类型检查，参数类型错误不会报错（如int和float混用）	有严格的类型检查，参数类型不匹配会编译报错
代码展开方式	强制替换（无论是否合理，预处理器都会执行文本替换）	编译器 "建议"（可忽略，如函数体过大时不展开）
调试支持	无法调试（预处理后宏名消失，只剩替换后的代码）	可调试（保留函数特性，能设置断点、查看调用栈）
复杂逻辑支持	处理复杂逻辑（如循环、多语句）容易出错（需加do-while包裹）	支持任意复杂逻辑（循环、分支、递归等），结构清晰
参数副作用	可能产生副作用（如MAX(a++, b++)会导致a或b多自增）	无副作用（参数先计算再传入，与普通函数一致）
作用域	无作用域限制（宏定义后全局有效，除非用#undef取消）	遵循函数作用域（如static inline限制在文件内）
代码体积影响	强制展开可能导致代码体积急剧膨胀（尤其多次调用时）	编译器会平衡效率与体积（大函数可能不展开）

关键差异详解

1. 本质与处理阶段不同

• 宏是文本替换工具 ，由预处理器处理：比如#define MAX(a,b) ((a)>(b)?(a):(b))，预处理器会在编译前将代码中所有MAX(x,y)直接替换为((x)>(y)?(x):(y))，不理解 "函数""参数" 的含义，仅做字符串替换。
• 内联函数是真正的函数 ，由编译器处理：inline int max(int a, int b) { return a>b?a:b; }本质是函数，编译器会先检查参数类型、函数体语法，再根据优化策略决定是否将函数体插入到调用处（替代函数调用的跳转 / 压栈操作）。

2. 类型安全与错误检查不同

• 宏无类型概念：如果用MAX(3.14, 5)（浮点数）和MAX(10, 'a')（整数与字符），预处理器都会无脑替换，即使类型不匹配也不会报错，可能导致隐藏 bug。
• 内联函数有严格类型检查：如果定义inline int max(int a, int b)，调用时传入max(3.14, 5)会因 "浮点转整数" 报警告，传入max("a", "b")（字符串）会直接编译报错，安全性更高。

五、了解有STM32CubeMX产生的部分文件结构

为了更清晰体现嵌入式开发的分层架构逻辑（从底层驱动到上层应用），以下按 "底层支撑→中层适配→上层应用" 的顺序重新整理各模块定义，同时补充模块间的依赖关系，便于理解各部分的定位与作用：

（1）嵌入式开发各模块整理（按分层逻辑排序）

模块名称	核心定义	关键特性 / 作用	典型内容 / 示例
1. Drivers（厂商 SDK 程序）	MCU 厂商（如 STM32、ESP32）或 MCU 内部 CPU 厂商提供的底层驱动库，是硬件编程的基础支撑。	1. 为 CPU 和 MCU 内部外设（如内核、时钟、IIC/SPI 接口）提供标准化操作接口；2. 屏蔽硬件底层细节，避免用户直接操作寄存器，降低开发难度；3. 官方维护，兼容性与稳定性强。	1. 寄存器定义文件（如stm32f10x.h）；2. 外设驱动函数库（如stm32f10x_spi.c）；3. 内核相关接口（如 CMSIS 标准库）。
2. Core（MCU 驱动程序）	基于 Drivers 层，面向 MCU 内部外设的初始化与管理，是连接底层 SDK 与上层板级逻辑的中间层。	1. 负责 MCU 内部核心功能的配置（如系统时钟、中断优先级、IIC/SPI 外设参数初始化）；2. 是整个程序的 "入口载体"，包含主函数，统筹 MCU 整体运行逻辑；3. 不涉及板上外部外设（仅管 MCU 内部）。	1. main.c（程序入口，包含主循环）；2. 时钟初始化函数（如SystemClock_Config()）；3. 内部外设配置代码（如IIC_Init()）。
3. BSP（板级支持驱动程序）	Board Support Package，负责 MCU 与板上外部外设（非 MCU 内部）的通信与交互，是硬件板卡的 "专属适配层"。	1. 分两种场景适配：- 裸机（如有限状态机）：直接编写外设驱动逻辑，无操作系统依赖；- 操作系统下：编写适配 OS 的驱动（如驱动线程、中断回调绑定）；2. 隔离板级硬件差异，使上层应用无需关心具体板卡的外设连接方式。	1. 板上传感器驱动（如 MPU6050、DS18B20 驱动）；2. 板载外设接口适配（如 LCD 屏、按键的 GPIO 映射）；3. 裸机 / BSP 驱动函数（如mpu6050_read_data()）。
4. Middlewares（中间件）	抽象程度高、可跨项目复用的通用功能模块，不依赖具体硬件，专注于 "通用能力支撑"。	1. 通用性强：可在不同硬件平台、不同项目中直接移植（如 LVGL 在 STM32/ESP32 上均可使用）；2. 补充核心功能：提供业务无关的通用能力，减少重复开发。	1. 图形库（LVGL、TouchGFX）；2. 算法库（数学库、快速傅里叶变换 FFT 库）；3. 通信协议栈（如 Modbus、MQTT 客户端库）。
5. OS/SYSTEM（操作系统层）	负责系统资源管理与任务调度的核心层，SYSTEM 是 OS 层的 "配置补充目录"。	1. OS（如 FreeRTOS、RT-Thread）：提供任务管理、内存分配、中断管理、信号量等核心能力；2. SYSTEM：存放全局系统配置（如系统宏定义、全局参数、跨模块共享的头文件），影响整个系统的运行参数。	1. OS 内核文件（如freertos_kernel.c）；2. SYSTEM 目录下的system.h（全局宏定义）、sys_config.c（系统参数配置）；3. 任务创建与调度代码（如xTaskCreate()）。
6. 应用层	基于所有下层模块，实现具体业务逻辑，是开发的最终目标（即 "产品要做的事"）。	1. 不关心底层硬件细节，仅通过调用上层接口（如 BSP 的传感器读取、OS 的任务接口）实现功能；2. 与产品需求强绑定，不同项目的应用层逻辑完全不同。	1. 智能家居的 "温湿度监测与上报逻辑"；2. 工业设备的 "参数采集与控制逻辑"；3. 消费电子的 "UI 交互与功能触发逻辑"（如按键控制 LED 亮灭）。

（2）模块间核心依赖关系

Drivers（底层 SDK）→ Core（MCU 内部驱动）→ BSP（板级外设适配）→ 应用层（业务逻辑）Middlewares（通用功能）、OS/SYSTEM（系统管理）→ 跨层支撑（为 Core、BSP、应用层提供通用能力 / 资源管理）

这种分层结构的优势是：硬件变更时仅需修改 Drivers/Core/BSP 层，应用层无需改动；通用功能（如 LVGL）可直接复用，大幅提升开发效率。