第3天：用C语言重写点灯程序

是轻舟泊指尖，能载你去彼岸。

——《嵌入式开发之道》

第2天我们用汇编点亮了LED——虽然成功了，但过程很痛苦：要记住每个寄存器的地址、每个位的含义、每条指令的写法。

今天我们要换一种方式：用C语言来做同样的事。

C语言是一种"系统级编程语言"，意思是它既能像汇编一样精确控制硬件，又不用你操心所有细节。你写的C代码，会通过一个叫工具链的东西自动翻译成机器码——就像汇编器把汇编翻译成机器码一样。

在C语言里，一切都是围绕着数据和操作这两个基本点展开的：

数据 → 变量和常数 → 语句（对数据的操作）→ 语句块（用{}包起来）→ 函数（有名字的语句块）→ 程序

今天我们就按照这个链条，从数据开始，一步步走到一个完整的C语言点灯程序。

C语言就是程序员手指间的轻舟，能驶达复杂电子世界的彼岸。

一、为什么需要C语言？

汇编语言能精确控制每一个硬件细节，但代价是程序员必须关心所有硬件细节：

ldr r0, =0x40010010 ; 要记住每个寄存器的地址 mov r1, #1 ; 要记住每个位的含义 str r1, [r0] ; 要自己管理寄存器

点一个灯要记2个地址、2个值、3条指令。换成另一个芯片，地址全变，代码要重写。汇编代码和硬件强绑定，换芯片等于重学。

C语言的解决思路是：把硬件细节封装起来，让程序员关注“做什么”而不是“怎么做”。

GPIOA_OUTENSET = 1; // 一行C代码 = 三条汇编指令

同样的C代码，换一个芯片只需要改底层的寄存器地址定义，上层逻辑完全不用动。

二、C语言的基本元素

2.1操作数——变量和常数

昨天学过"操作数"的概念。C语言中，操作数通过变量和常数来表示。

变量在使用前必须定义类型，告诉编译器"这个变量占几个字节、有没有正负"。

常用数据类型一览表：

变量定义的写法，定义结束以“;”结尾。

//这是单行注释， /* 这是多行注释，在两个“/”之间的文字全是注释 注释不是程序，知识说明性帮助理解的文字 */ int a; // 定义一个int变量a int b = 5; // 定义并初始化为5 unsigned int c; // 定义无符号整数c

2.2操作——对变量做什么

对变量做操作，包括赋值和运算：

2.3语句——以;结尾的完整操作

a = 5; // 这是一条语句 b = 3; // 这也是 c = a + b; // 这也是

2.4语句块——用{}把多条语句包起来

{ a = 5; b = 3; c = a + b; }

2.5 控制语句——让程序"做决定"或"循环"

注意：if/else、while、for后面既可以跟单条语句，也可以跟一个语句块{ }。

2.6函数——有名字的语句块

函数可以有输入和输出。

返回值类型 函数名(参数列表) { 语句块 return 返回值; }

示例：

int add(int x, int y) { // 函数名为add，输入：x和y，返回值：int类型的数 int result = x + y; return result; }

调用函数：

int sum; //定义整数sum sum = add(3, 5); //调用add函数，传给函数3，5两个输入，函数运行完后返回一个值，再赋给sum

函数的意义：把一段代码打包，起个名字，通过名字反复使用。程序结构清晰，可复用。

2.7宏定义 —— 给文本起名字

#define在编译前做文本替换：

#define 名字 值

示例：

#define LED_ADDR 0x40010010 #define DELAY_MS 1000

之后代码里所有LED_ADDR都会被替换成0x40010010。

类比：就像Word里的"查找替换"——把文中所有的"LED_ADDR"替换成"0x40010010"。

在点灯程序中，我们用#define给寄存器地址起名字，让代码更易读。

三、C语言需要一个“引路人”

假设我用C语言写了一个函数main作为入口，我如何让CPU上电复位后跳转到main的开头执行呢？

跟第二天的汇编程序类似，用一个最小的汇编文件（start.s）在0x00000004地址处放入main的地址，把CPU“引”到C语言的世界。

.section .text .word 0x20001000 .word main

上电复位后CPU取出第二条地址main，然后跳转到c语言定义的main函数。

四、指针 —— 存放地址的变量

4.1 为什么需要指针？

在上面的startup.s汇编代码中，第二个存储单元存放的是main函数的入口地址。CPU上电复位后，从这里读出地址，跳转到main去执行。

这就引出一个关键概念：程序里经常需要"存地址"——比如，记录一个变量放在哪里，或者记录一个函数从哪里开始。

在C语言中，存放地址的变量，叫做指针。

你可以把指针想象成一个"路牌"：路牌本身是一块木板（变量），上面写着一个地址（另一个变量的位置）。你顺着路牌找到的，是真正的目的地（变量的值）。

4.2 操作符*和&

指针变量存储的是地址，但该地址所指向的数据类型是多样的：可能是一个 16 位的 short，也可能是一个 32 位的 int，甚至是一个函数比如main。因此，指针的定义必须明确它所指向的变量类型。

为了与普通变量定义区分，C语言在类型和变量名之间加一个*，表示这是定义一个指针变量。

short *A; // A是指针变量，指向short类型的变量 int *C; // C是指针变量，指向int类型的变量

如果我想让指针指向某个变量，使用取地址操作符&：

&放在两个变量之间表示按位与操作（如a & b）；&放在一个变量前面表示取该变量的地址（如&B）。

short *A; short B; int *C; int D; A = &B; // 将B的地址赋值给指针A，A指向B C = &D; // 将D的地址赋值给指针C，C指向D

A,B,C,D四个变量在内存中的关系如下图所示，A存放的是B的地址，C存放的是D的地址。

这时候如果我想对B进行写操作，很简单： B = 5；定义了指针后，我们还可以通过指针对B进行操作，再用操作符“*”，表示对指针指向的变量进行写操作： *A = 5。

两者完全等效。用指针对指向的变量进行读写操作，使用操作符*叫做解引用。

int a = 5; // 定义变量a，初始值为5 int b; // 定义变量b，未初始化 int *p; // 定义指针p，指向int类型的变量； p = &a; // &a = “a的地址”，把a的地址赋值给p *p = 10; // 对p指向的变量进行写操作，即对a进行写操作，改成10；与a = 10操作等效 b = *p; // 对p指向的变量进行读操作，即对a进行读操作，赋值给b；与b = a操作等效

注意：*号放在两个变量之间，表示乘法，如a * b； *号放在变量前面，表示指针定义或解引用操作。

有了指针，程序员就可以对任意指定地址的内容进行操作。下面的点灯操作马上就要用到这个特性了。

五、用C语言点亮LED

5.1往固定地址写值

回顾第2天的汇编操作，我们往2个地址写了2个值：

在C语言中，往固定地址写值的方法是：

*(unsigned int *)0x40010010 = 1;

拆解（从右往左读更容易理解）：

连起来就是：到地址0x40010010去，往里面写一个1。

如果觉得这个写法太难记，别担心——第5天我们会用标准库，这些强制类型转换就不用自己写了。

5.2 C语言点灯程序

// ============================================ // 定义寄存器地址（给地址起名字，方便阅读） // ============================================ #define GPIOA_OUTENSET (*(unsigned int *)0x40010010) #define GPIOA_DATA (*(unsigned int *)0x40010004) // ============================================ // main函数（程序入口） // ============================================ void main(void) { // 第1步：配置PA0为输出模式 GPIOA_OUTENSET= 1; // bit0=1 // 第2步：输出高电平 → LED亮 GPIOA_DATA = 1; // bit0=1 // 第3步：死循环，程序停在这里 while(1) { // 什么都不做，灯一直亮 } }

可以看出C语言跟我们的自然语言一样清楚简洁，优势明显。

六、编译和下载

汇编程序用as翻译，C程序用gcc翻译。这里的arm-none-eabi-gcc是专门为ARM芯片编译C代码的版本。

编译批处理文件如下：

echo off echo as -mcpu=cortex-m3 -mthumb -o start.o start.s arm-none-eabi-gcc -c led.c -mcpu=cortex-m3 -mthumb -o led2.o ld -Ttext=0x0 -o led2.elf start.o led2.o -Map=led2.map -e main objcopy -O binary led2.elf led2.bin objdump -S led2.elf > led2.s echo Build complete! pause

各条命令的作用：

反汇编文件对比：

led2.elf: file format elf32-littlearm Disassembly of section .text: 00000000 <main-0x8>: 0: 20001000 .word 0x20001000 4: 00000009 .word 0x00000009 00000008 <main>: 8: b480 push {r7} a: af00 add r7, sp, #0 c: 4b03 ldr r3, [pc, #12] @ (1c <main+0x14>) e: 2201 movs r2, #1 10: 601a str r2, [r3, #0] 12: 4b03 ldr r3, [pc, #12] @ (20 <main+0x18>) 14: 2201 movs r2, #1 16: 601a str r2, [r3, #0] 18: e7fe b.n 18 <main+0x10> 1a: bf00 nop 1c: 40010010 .word 0x40010010 20: 40010004 .word 0x40010004

与昨天的程序相比，C语言编译生成的机器码，比汇编只多了两行：

8000000c: b480 push {r7} 8000000e: af00 add r7, sp, #0

这个是编译程序在处理C语言函数调用之前必须要做“压堆栈”常规操作——这对我们的两个点灯寄存器无任何影响，我们先不用管。堆栈的概念明天再介绍。

下载led2.bin后灯亮了，证明用C语言编程OK。

如果想深入学习C语言的细节，网上有很多免费资源，比如"菜鸟教程"。这个系列的重点是嵌入式开发入门，不会花太多篇幅讲纯C语法。

七、今日核心收获

明天预告：数据到底存在哪里？——.text、.data、.bss、堆、栈。