📚 课程目录第2章裸机编程基础回顾

裸机编程基础回顾：GPIO、定时器、中断、UART 等外设的裸机驱动编写

说实话，很多做单片机开发的朋友，一上来就怼 RTOS，觉得裸机太 low。但我个人的经验是——裸机编程才是嵌入式软件的根基。你连 GPIO 怎么点灯、定时器怎么溢出、中断现场怎么保护都没搞透，上层协议栈写得再花哨，跑起来也是一堆玄学 Bug。

这一章，咱们就把这几个最基础的外设驱动，掰开了揉碎了过一遍。嗯，都是干货，没有废话。

GPIO 驱动：不只是点灯

GPIO 是单片机和外界的“握手通道”。配置一个 GPIO，说白了就是三件事：时钟使能、模式选择、电平操作。

  核心要点： 任何外设操作前，必须先开启对应 GPIO 端口的时钟。这是新手最容易忘的一步。

以 STM32F103 为例，一个标准的 GPIO 输出初始化流程是这样的：

// GPIO 输出初始化（PA0）
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;   // 开启 GPIOA 时钟
GPIOA->CRL    &= ~(0x0F << 0);        // 清空 CNF0+MODE0
GPIOA->CRL    |=  (0x01 << 0);        // 推挽输出，10MHz

这里有个坑——配置寄存器时一定要先清空再赋值。我见过有人直接写 GPIOA->CRL |= 0x01，结果其他引脚的模式被覆盖了，整个板子跑飞。你想想看，这种 Bug 查起来多痛苦。

输入模式稍微复杂一点，尤其是需要上拉/下拉的场景：

// GPIO 输入初始化（PA1，上拉输入）
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;
GPIOA->CRL    &= ~(0x0F << 4);        // 清空 CNF1+MODE1
GPIOA->CRL    |=  (0x08 << 4);        // 上拉/下拉输入
GPIOA->ODR    |=  (0x01 << 1);        // 开启上拉

个人习惯： 我写 GPIO 驱动时，会把所有引脚配置封装成结构体，用枚举定义模式。这样代码可读性高，后期移植也方便。

定时器：单片机的心跳

定时器是裸机编程里最常用的外设之一。它的本质就是一个递增/递减计数器，时钟源驱动它计数，计到预设值就产生中断或事件。

我一般把定时器应用分成三类：

类型	典型用途	关键参数
基本定时器	周期性中断、软件定时	预分频、自动重装值
通用定时器	PWM 输出、输入捕获	占空比、捕获极性
高级定时器	电机控制、互补 PWM	死区时间、刹车功能

配置一个 1ms 中断的定时器，核心代码就这几行：

// TIM2 配置，1ms 中断（72MHz 主频）
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;   // 开启 TIM2 时钟
TIM2->PSC     = 71;                     // 预分频：72MHz / (71+1) = 1MHz
TIM2->ARR     = 999;                    // 自动重装：1MHz / (999+1) = 1kHz
TIM2->DIER   |= TIM_DIER_UIE;          // 使能更新中断
TIM2->CR1    |= TIM_CR1_CEN;           // 启动定时器
NVIC->ISER[0] = (1 << 28);            // 使能 TIM2 中断（中断号 28）

我曾经踩过的坑： 预分频器 PSC 和自动重装 ARR 都是 硬件值 = 期望值 - 1。如果你直接写 PSC=72，ARR=1000，实际频率会差很多。调试时用逻辑分析仪抓一下波形，一眼就能看出来。

中断：别让 CPU 空转

中断是裸机编程的“事件驱动”核心。没有中断，你的 CPU 就得轮询所有外设，效率低得可怜。

中断处理的核心流程，我总结为三步：

中断源配置：使能外设的中断标志位
NVIC 配置：设置中断优先级、使能中断通道
中断服务函数：处理事件，清除中断标志

这里有个关键点——中断服务函数要短小精悍。我见过有人把几百行的业务逻辑写在中断里，结果中断嵌套把栈撑爆了。正确的做法是：中断里只做标志位设置或数据搬运，具体处理放到主循环。

// 中断服务函数示例（TIM2）
void TIM2_IRQHandler(void) {
    if (TIM2->SR & TIM_SR_UIF) {       // 检查更新中断标志
        TIM2->SR = ~TIM_SR_UIF;        // 清除标志（写0清除）
        g_tick++;                       // 系统滴答计数
        // 不要在这里做复杂运算！
    }
}

避坑指南： 中断标志的清除方式因外设而异。有的是写1清除，有的是写0清除，还有的是硬件自动清除。一定要看数据手册，别想当然。

UART：最朴素的通信接口

UART 是调试阶段的“生命线”。没有它，你连 printf 都用不了。UART 的裸机驱动，核心就是波特率生成、数据收发、中断处理。

配置一个 115200 波特率的 UART：

// USART1 配置，115200-8N1
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;  // 开启 USART1 时钟
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;    // 开启 GPIOA 时钟

// PA9(TX) 推挽复用输出，PA10(RX) 浮空输入
GPIOA->CRH   &= ~(0xFF << 4);
GPIOA->CRH   |=  (0x0B << 4);          // TX: 复用推挽输出
GPIOA->CRH   |=  (0x04 << 8);          // RX: 浮空输入

USART1->BRR   = 0x2710;                 // 72MHz / 115200 = 625 = 0x0271
USART1->CR1   = USART_CR1_UE | USART_CR1_TE | USART_CR1_RE | USART_CR1_RXNEIE;
NVIC->ISER[1] = (1 << 5);              // 使能 USART1 中断（中断号 37）

发送一个字节，我习惯用轮询方式，简单可靠：

void uart_send_byte(uint8_t data) {
    USART1->DR = data;                   // 写入数据寄存器
    while (!(USART1->SR & USART_SR_TC)); // 等待发送完成
}

接收则用中断，避免阻塞：

void USART1_IRQHandler(void) {
    if (USART1->SR & USART_SR_RXNE) {   // 接收到数据
        uint8_t rx_data = USART1->DR;    // 读取数据（自动清除标志）
        // 放入环形缓冲区
        ring_buf_put(&uart_rx_buf, rx_data);
    }
}

注意： 读取 USART->DR 寄存器会自动清除 RXNE 标志。如果你先读 SR 再读 DR，顺序不能乱。我见过有人先读 DR 再读 SR，结果标志永远清不掉，中断一直触发。

知识体系总览

下面这张图，把裸机编程的基础外设驱动逻辑串起来了。你可以把它当作一个“思维导图”，每次写驱动前扫一眼，不容易漏步骤。

写在最后

裸机编程看似简单，但每一个细节都藏着坑。时钟没开、标志清错、中断优先级配乱——这些我都经历过。嗯，说白了，写驱动就是在和硬件“对话”，你得尊重它的时序，理解它的寄存器。

这一章的内容，是后续所有协议栈和内存管理的基础。你把这些外设驱动写熟了，后面学 I2C、SPI、DMA 就会轻松很多。记住：基础不牢，地动山摇。