第9章：C/C++ 嵌入式编程

C/C++ 是嵌入式开发的基石，也是连接硬件与软件的桥梁。本章将从物联网开发的角度回顾 C/C++ 核心知识，并介绍在资源受限环境下的编程技巧。

9.1 C 语言基础回顾

9.1.1 指针与内存管理

在嵌入式开发中，直接操作寄存器是家常便饭，指针是必不可少的工具。

寄存器操作：

// 定义一个指向 0x40021000 地址的指针（假设这是 GPIO 寄存器）
volatile unsigned int *GPIO_MODER = (unsigned int *)0x40021000;
*GPIO_MODER |= (1 << 4); // 设置第4位

*关键词 volatile*：告诉编译器不要优化该变量，因为硬件状态可能随时改变。

9.1.2 结构体与联合体

**位域 (Bit-field)**：节省内存，精确控制硬件寄存器的每一位。

struct StatusReg {
    unsigned int overflow : 1;
    unsigned int interrupt_enable : 1;
    unsigned int reserved : 6;
};

9.2 C++ 面向对象编程

在 Arduino 和 ESP32 开发中，C++ 被广泛使用。

封装：将传感器驱动封装成类。

class Led {
private:
    int pin;
public:
    Led(int p) : pin(p) { pinMode(pin, OUTPUT); }
    void on() { digitalWrite(pin, HIGH); }
    void off() { digitalWrite(pin, LOW); }
};

9.3 嵌入式编程高级特性

9.3.1 中断处理 (Interrupt)

中断是实时系统的核心。

原则：中断服务函数 (ISR) 必须短小精悍。不要在 ISR 中使用 delay() 或 printf()。

实现：

void IRAM_ATTR onTimer() {
    flag = true; // 仅设置标志位，繁重工作交给主循环
}

9.3.2 内存优化

**PROGMEM (AVR)**：将常量数据存储在 Flash 而非 RAM 中。
**栈溢出 (Stack Overflow)**：避免深层递归和在栈上分配大数组。

9.3.3 FreeRTOS 多任务

ESP32 和 STM32 常运行 FreeRTOS。

Task：独立的执行线程。
Queue：任务间通信的安全通道。
Semaphore：资源访问控制。

9.4 项目实战：智能门锁系统

我们使用 ESP32 实现一个简单的模拟智能门锁。

需求

通过按钮模拟指纹输入。
验证通过后驱动舵机（模拟开锁）。
LED 灯指示状态（红灯：关，绿灯：开）。
自动上锁（5秒后）。

代码实现

#include <ESP32Servo.h>

const int BUTTON_PIN = 14;
const int LED_PIN = 2;
const int SERVO_PIN = 13;

Servo myServo;
bool isLocked = true;

void setup() {
    pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);
    pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
    myServo.attach(SERVO_PIN);
    lockDoor();
}

void loop() {
    if (digitalRead(BUTTON_PIN) == LOW) { // 按下按钮（模拟指纹识别成功）
        unlockDoor();
        delay(5000); // 保持5秒
        lockDoor();
    }
}

void unlockDoor() {
    isLocked = false;
    digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
    myServo.write(90); // 舵机转动开锁
}

void lockDoor() {
    isLocked = true;
    digitalWrite(LED_PIN, LOW);
    myServo.write(0); // 舵机复位
}

掌握了底层的控制，下一章我们将使用更高效的 Python 来进行快速开发和数据处理。